2.4. Схема и расчет стабилизаторов напряжения

Обычно стабилизаторы ИВЭ выполняются по компенсационной схеме с мощным составным транзистором в качестве регулирующего элемента. В качестве усилителя сигнала ошибки могут использоваться как отдельные транзисторы, так и ИМС, (либо операционные усилители, либо интегральные стабилизаторы). В техническом задании могут быть оговорены типы применяемых усилителей.

Стабилизатор включает в себя следующие структурные элементы:

1 - регулирующий элемент;

2 - усилитель сигнала ошибки;

3 - источник опорного напряжения;

4 - схема защиты от перегрузок;

5 - выходной делитель напряжения.

Расчет ИВЭ необходимо начинать со стабилизатора в соответствии с заданными параметрами выходного тока и напряжения, затем по результатам расчета определяются параметры и рассчитываются фильтр, выпрямитель, типовая мощность и вторичное напряжение трансформатора.

Исходными параметрами для расчета ИВЭ являются напряжение и ток в нагрузке UН., IН., коэффициент стабилизации KСТ., а также коэффициент пульсаций выходного напряжения KП. ВЫХ. Результатом расчета стабилизатора станет его входное напряжение UВХ. СТ. и коэффициент пульсаций входного напряжения K_{П. ВХ}., которые будут служить исходными данными для расчета фильтра. В свою очередь, после расчета фильтра, станут известны величины средневыпрямленного напряжения U_о, которое необходимо получить от выпрямителя. По результатам расчета выпрямителя определяется типовая мощность трансформатора

3. Расчетная часть

Согласно схеме (приложение 2) находим наименьшее напряжение на выходе стабилизатора:

U _{вх min} = U_н + U_{кз min} = 15 + 4 = 19 B,

где U_{кз min} – минимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT3.

Исходя из того, что VT3 предположительно кремневый, то U_{кз min} выбираем в пределе 3..5 В.

Учитывая нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора 10%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

U _{вх сер} = U _{вх min} / 0.9 = 19 / 0.9 = 21 В ,

U _{вх max} = 1.1  U _{вх сер} = 1.1  19 = 20 В .

Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе

U _{к3 max} = U _{вх max} - U_н = 21 – 20 = 1 В .

Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT3, равняется

Р₃ = U_{к3 max} I_н = 10  1 = 10 Вт.

По полученным значениям U_{к3 max} , I_н , Р₃ выбираем тип регулирующего транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ819Б
Проводимость	NPN
Мощность Рк.макс	2 (100) Вт
Напряжение, Uк.макс	15 А
Усиление, h21Э	20

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h_11Э3 = 33.0 Ом ,

₃ = 1 / h_12Э = 1 / 0.23 = 4.20 ,

где h_11Э3 – входное сопротивление транзистора, Ом; ₃ – коэффициент передачи напряжения; h_12Э3 – коэффициент обратной связи.

Находим ток базы транзистора VT3

I_Б3 = I_н / h_{21Э3 min} = 1 / 20 = 1.3 10^-3 А .

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT2. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер VT2

U_{к2 max} = U_{к3 max} - U_бэ3 = 10 – 0.7 = 9.3 В ,

где U_бэ3–падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3(0.7В)

Ток коллектора VT2 состоит из тока базы VT3 и тока потерь, который протекает через резистор R3,

I_к2 = I_б3 + I_R3 = 5  10^-4 + 1.3 10^-3 = 1.8  10^-3 А.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT2, равняется

Р₂ = I_к2  U_{к2 max} = 1.8 10^-3  9.3 = 7.4  10^-3 Вт.

По полученным значениям U_{к2 max} , I_к2 , Р₂ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ814А
Проводимость	РNP
Мощность Рк.макс	1 (10)Вт
Напряжение, Uк.макс	40 В
Усиление, h21Э	40

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h_11Э2 = 36.36 Ом ,

₃ = 1 / h_12Э2 = 1 / 0.022 = 45.45 .

Рассчитываем ток базы VT2

I_Б2 = I_к2 / h_{21Э2 min} = 1.8 10^-3 / 40 = 3 10^-5 А.

Находим сопротивление резистора R3

R3 = (U_н + U_бэ3) / I_R3 = (30 + 0.7) / 1.3 10^-3 =23615 Ом.

Выбираем ближайший по стандарту номинал с учетом рассеиваемой на резисторе мощности

Р_R3 = (U_н + U_бэ3)  I_R3 = (30 + 0.7)  1.3 10^-3 = 3.99 10^-2 Вт.

Выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 24 кОм 5%.

Источником эталонного напряжения берем параметрический стабилизатор напряжения на кремневом стабилитроне VD2 из расчета

U_VD2 = 0.7 U_н = 0.7  30 = 21 В.

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон КС213Б;

I _VD2 = 5 10^-3 А – средний ток стабилизации;

r _VD2 = 25 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Вычисляем сопротивление резистора R4, задавши средний ток стабилитрона (I _R4 = I _VD2)

R4 = 0.3 U_н / I _R4 = 0.3  30 / 5 10^-3 = 2000 Ом.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R4, равняется

Р_R4 =0.3U_н  I _R4 = 0.3 30 5 10^-3 = 50 10^-3 Вт.

Выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 2кОм 5%.

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT4. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер транзистора

U_к4max = U_н + U_бэ3 + U_бэ2 - U_VD2 = 17.90 В

Задаем ток коллектора VT4 меньшим нежили средний стабилитронаVD2

I _К4 = 4 10^-3 А .

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT4

Р₂ = I_к4  U_{к4 max} = 4 10^-3  2.90 = 11.6 10^-3 Вт

По полученным значениям U_{к4 max} , I_к4 , Р₄ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ315Г
Проводимость	NPN
Мощность Рк.макс	0,15Вт
Напряжение, Uк.макс	35 В
Усиление, h21Э	50-350

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h_11Э4 = 208,3 Ом ,

₃ = 1 / h_12Э4 = 1 / 0.034 = 29.41

Рассчитываем ток базы VT4

I_Б4 = I_к4 / h_{21Э4 min} = 4 10^-3 / 50 = 8 10^-5 А.

Ток последовательно соединенных резисторов R5, R6, R7 берем равным 5I_б4 и определяем суммарное сопротивление делителя

R_дел = U_н / I_дел­ = 30/ (5  8 10^-5) = 75000 Ом.

Находим сопротивления резисторов:

R5 = 0.3 R_дел = 0.3  75000 = 22500 Ом;

R6 = 0.1 R_дел = 0.1  75000 = 7500 Ом;

R7 = 0.6 R_дел = 0.6  75000 = 45000 Ом.

Выбираем резистор R5 типа МЛТ- 0.125 22 кОм 5%, резистор R7 типа МЛТ- 0.125 7.5 кОм 5% . Резистор R6 выбираем СП3-44 0.25Вт 47кОм.

Рабочее напряжение стабилитрона VD1 определяем из соотношения

U_VD1 = 0.1 U_{вх max} = 0.1  22 = 2.2 В.

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон КС119А;

I _VD1 = 5 10^-3 А – средний ток стабилизации;

r _VD1 = 15 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Вычисляем сопротивление резистора R1, задавши средний ток стабилитрона (I _R1 = I _VD1)

R1 = 0.9 U_{вх max} / I _R1 = 0.9  22 / 5 10^-3 = 3960 Ом.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, равняется

R1 = 0.9U_{вх max}  I _R1 = 0.9 22 5 10^-3 = 99 10^-3Вт.

Выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 3.9 кОм 5%.

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT1. Рассчитываем ток коллектора транзистора VT1

I_к1 = I_к4 + I_б2 = 4 10^-3 + 12 10^-5 =412 10^-5А.

Находим напряжение коллектор-эмиттер VT1

U_к1max = U_{вх max} - U_R2 + U_к4max - U_VD2 = 4.1 В,

где U_R2 = U_VD1 - U_бэ1 – падение напряжения на резисторе R2.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзисторa VT1

Р₁ = U_к1max  I_к1 = 4.1 412 10^-5 = 16 10^-3 Вт.

По полученным значениям U_{к1 max} , I_к1 , Р₁ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ361Г
Проводимость	PNP
Мощность Рк.макс	0,15 Вт
Напряжение, Uк.макс	35 В
Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред	0.30 Вт
Усиление, h21Э	50-350

Рассчитываем сопротивление резистора R2

R2 = U_R2 / I_К1 = 1.5 / 412 10^-5 = 364 Ом,

Р_R2 = U_R2  I_К1 = 1.5  412 10^-5 = 618 10^-5 Вт.

Выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 360 Ом 5%.

Рассчитываем основные параметры составного транзистора:

входное сопротивление транзистора

h_{11Э ск} =h_11Э2+h_11Э3h_21Э2min= 36.36 + 33 60 =2016 Ом;

коэффициент передачи напряжения транзистора

_ск = ₂₃ / (₂ + ₃) = 45.4 4.2 / (45.4 + 4.2)=3.84;

выходное сопротивление транзистора

r_ск = _ск h_{11Э ск} / h_21Э2min h_21Э3min = 0.1723 Ом.

Рассчитываем входное сопротивление источника стабильного тока

R_TD­ = R1 R2 / r _VD1 = 3900 360 / 15 = 57024 Ом

Рассчитываем параметры усилителя обратной связи:

сопротивление нагрузки усилителя

R_К = h_{11Э ск} R_TD / (h_{11Э ск} + R_TD) = 1947.49 Ом;

коэффициент усиления напряжения усилителя

К_u = 0.7 h_21Э4min R_К / (h_11Э4 + h_21Э4min r _VD2) = 338.1

Рассчитываем коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора напряжения, а также величину пульсаций на выходе

К_ст = _скК_uU_н / U_вх = 3.845  338.1  15 / 22 = 886.4,

U_вих = U_вх / _скК_u = 4 / 3.845  338.1 = 12 10^-4,

Рассчитываем коэффициент пульсаций

К_п = U_вих  100 / U_вх = 1210^-4  100 / 15 = 0.46%.

Выходное сопротивление компенсационного стабилизатора будет

R_вых = r_ск / _скК_u = 0.17 / 3.845  71.13 = 63 10^-5 Ом.

Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:

К_ст = 886.4 > К_ст.зад = 800; К_п = 46 < К_п.зад = 50 %.

Найденные параметры удовлетворяют заданным условиям.

Устройства защиты стабилизаторов напряжения от перегрузок можно разделить на встроенные, воздействующие на регулирующий элемент стабилизатора, и автономные, содержащие отдельный ключевой элемент. Обычно к стабилизаторам с защитой от короткого замыкания выходной цепи предъявляется требование автоматического возврата в рабочий режим после устранения перегрузки.

Для расчета принимаем ток срабатывания защиты равный 110% от I_н .

I_{н max} = 1.1 I_н = 1.1 1 = 1.1 А.

Рассчитываем сопротивление R8.

R8 = U_бе5 / I_{н max} = 0.7 / 1.1 = 0.636 Ом.

Рассчитываем мощность проволочного резистора

Р_R8 = U_бе5  I_{н max} = 0.7  1.1 = 0.77 Вт.

Выбираем транзистор VT5 из условия I_к5 = I_б3 ;

U_{к5 max} =U_бэ3 + R8 I_{н max} = 0.7 + 0.636  1.1 =1.469 B;

P₅ = U_{к5 max}  I_б3 = 1.469 6.7 10^-3 = 9.84  10^-3 Вт.

По полученным значениям U_{к5 max} , I_к5 , Р₅ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ814А
Проводимость	PNP
Мощность Рк.макс	1 (10) Вт
Напряжение, Uк.макс	40 В
Усиление, h21Э	40