КурсРабота Стабилизатор

Федеральное агентство связи ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики» Уральский технический институт связи и информатики (филиал)

В.И. П а у т о в

СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Методические указания по выполнению курсовой работы студентами очной формы обучения на базе среднего (полного) общего образования по направлению 210700

«Инфокоммуникационные технологии и системы связи» по профилям

«Сети связи и системы коммутации» «Многоканальные телекоммуникационные системы» «Цифровое телерадиовещание»

«Оптические системы и сети связи» «Инфокоммуникационные технологии в сервисах и услугах связи»

направления 210400 « Радиотехника » по профилю «Аудиовизуальная техника»

Екатеринбург

2012

ББК 31. 21 УДК 621. 372. 061 Р24

Рецензент: доцент кафедры Автоматика УрФУ к.т.н. В. А. Матвиенко

Паутов В. И.

Стабилизатор напряжения: Методические указания по выполнению курсовой работы/ В.И. Паутов, - Екатеринбург: УрТИСИ ФГОБУ ВПО СибГУТИ, 2012,

54 с.

Приведены методические указания и варианты заданий для выполнения курсовой работы по дисциплине «Электроника» студентами всех форм обучения направления 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

Рекомендовано НМС УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» в качестве пособия для выполнения курсовой работ ы по направлению 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» по профилям: «Сети связи и системы коммутации», «Многоканальные телекоммуникационные системы», «Цифровое телерадиовещание», «Оптические системы и сети связи», «Инфокоммуникационные технологии в сервисах и услугах связи».

ББК 31. 21 УДК 621. 372. 061 Р24

Кафедра общепрофессиональных дисциплин технических специальностей

©УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2012

2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………… 4 1. Основные теоретические положения……………………………………. 5

1.1Полупроводниковые диоды ……………………………………………… 5

1.2Биполярные транзисторы………………………………………………. 12

2. Параметрический стабилизатор напряжения……………………………… 16

2.1 Принцип работы стабилизатора ……………………………………. 16

2.2Основные параметры стабилизатора…………………………………… 18

3.Методические указания по проектированию стабилизатора……………… 18

3.1Структурная схема стабилизатора………………………………………. 18

3.2Общие вопросы проектирования………………………………………… 19

3.3Определение исходных данных…………………………………………. 19

3.4Выбор транзистора……………………………………………………….. 19

3.5Выбор стабилитрона …………………………………………………….. 21

3.6Стабилизация тока стабилитронов……………………………………. 22

3.7Расчет параметров стабилизатора ……………………………………… 24

3.8Защита стабилизатора по току . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.9Защита нагрузки от перенапряжения…………………………………. 27

3.10Индикация состояния стабилизатора…………………………………28

3.11 Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . .

.29

3.12Составление принципиальной схемы стабилизатора…………………... 29

4.Требования к оформлению работы…………………………………………… 29

4.1Оформление работы ……………………………………………………… 29

4.2Таблица выбора варианта………………………………………………… 31

5.Справочный раздел…………………………………………………………….. 32

5.1Определение площади радиатора ……………………………………….. 32

5.2Справочные данные диодов и транзисторов……….…………………….. 32

Литература…………………………………………………………………….. 39 Приложения……………………………………………………………………. 40

3

ВВЕДЕНИЕ

Методические указания по выполнению курсовой работы студентов по курсу "Электроника" составлены на основании государственных требований к минимуму содержания и уровню подготовки дипломированного специалиста по направлению 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».

Курсовая работа является неотъемлемой частью учебного процесса и входит в учебную нагрузку студентов по самостоятельной работе.

Согласно учебному плану специальности на выполнение курсовой работы запланировано 18 часов. Курсовая работа выполняется в четвертом семестре.

Материал курсовой работы не выходит за рамки программы курса «Электроника» и материала, изучаемого на лекциях и практических занятиях.

Курсовая работа ставит своей целью закрепить знания, полученные при изучении теоретической части дисциплины в частности, применения полупроводниковых диодов и транзисторов, привить студентам навыки самостоятельной работы по разработке и анализу схем аппаратуры связи, пользование справочной и специализированной литературой.

Руководство содержит краткое описание элементной базы, используемой в курсовой работе, что позволяет студентам заранее подготовиться к выполнению работы, грамотно выполнить работу и в итоге защитить ее.

Хотя методическое пособие по выполнению курсовой работы предназначено для студентов очной формы обучения, оно может быть полезно и для студентов заочной формы обучения при выполнении контрольной работы.

Взаключение руководства приведены требования по оформлению курсовой работы.

Вприложении имеется нормативный и справочный материал по элементной базе, используемой в работе.

Стабилизаторы, рассматриваемые в курсовой работе, широко используются

взарядных устройствах, в качестве источников питания маломощных радиоэлектронных устройств. Источники питания РЭА будут рассмотрены далее в специальном курсе.

4

1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Полупроводниковые диоды

1.1.1 Выпрямительные диоды Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводнико-

вый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов (p-n-переходов или переходов металл-полупроводник).

Области применения полупроводниковых диодов определяются их вольтамперными характеристиками и параметрами.

Под вольтамперной характеристикой (ВАХ) полупроводникового диода понимают зависимость тока через диод I от приложенного к нему напряжения U. Для вольт-амперной характеристики идеализированного p-n-перехода справедлива следующая формула (уравнение Шокли):

	U
I I0 e		T	1	,	(1.1)

где I0 – обратный ток насыщения; φT – температурный потенциал; U – напряжение на переходе .

	Температурный потенциал	T		kT	,
				q

где k – постоянная Больцмана;

T – температура по шкале Кельвина; q – заряд электрона.

Температурный потенциал имеет размерность напряжения и при температуре 200С φT ≈ 26 мВ.

График вольтамперной характеристики, построенный согласно уравнению (1.1), приведен на рис. 1. На характеристике принято выделять прямую ветвь, соответствующую прямому напряжению на p-n-переходе, и обратную ветвь, соответствующую обратному напряжению на p-n-переходе. Прямое напряжение считается положительным, а обратное – отрицательным. При увеличении прямого напряжения ток резко возрастает и при изменении напряжения на 60 мВ ток изменяется на порядок.

При увеличении обратного напряжения обратный ток идеализированного p-n-перехода сначала быстро возрастает до значения I0, а затем остается неизменным.

5

I

Прямая

Уравнение вольтамперной характеристики

можно разрешить относительно напряжения:

ветвь

U T ln

I I0

(1.2)

I0

0

I

Продифференцировав это соотношение, най-

U

дём

дифференциальное

сопротивление

Обратная

p-n-перехода

ветвь

dU

T

Рис. 1. Вольтамперная ха-

rдиф

.

(1.3)

dI

рактеристика p-n-перехода

I I0

При

прямом

напряжении

дифференциальное

сопротивление rдиф

уменьшается с ростом тока I.

При температуре Т = 300 К и прямом токе I = 1 мА получаем rдиф = 26 Ом, т. е. при прямом напряжении дифференциальное сопротивление p-n-перехода составляет единицы Ом.

При обратном напряжении дифференциальное сопротивление перехода

rдиф. обр резко увеличивается и при I→−I0, rдиф. обр→ .

В реальных p-n-переходах необходимо учитывать объёмное сопротивление базы rб, с учётом которого прямое напряжение на реальном диоде больше, чем на идеальном.

		I	T2>T1			С увеличением температуры падение напряже-
	I					ния на p-n-переходе, включенном в прямом направ-
			U
						лении, уменьшается рис. 2.
						Обратный ток в реальных p-n-переходах обу-
						словлен в основном тепловым током I0.
						Эта составляющая обратного тока сильно зави-
	0			U		сит от температуры и практически не зависит от
	Рис. 2. Влияние температуры					приложенного напряжения.
						Вольтамперная характеристика перехода Шоттки
	на характеристику перехода
						(перехода металл-полупроводник) описывается тем
	же	уравнением и имеет				тот же вид, что и вольтамперная характеристика

p-n-перехода. Отличие вольтамперной характеристики перехода Шоттки от характеристики p-n-перехода заключаются в том, что прямое падение напряжения на переходе Шоттки на (0,2 ÷ 0,4) В меньше, чем на p-n-переходе с аналогичными параметрами, изготовленном на основе кремния (рис. 3).

В реальных p-n-переходах при увеличении обратного напряжения наблюдается пробой, под которым понимают резкое увеличение

6

	обратного			тока. Различают три		вида	пробоя:	тепловой,	лавинный
	и туннельный.
	IПР				Тепловой пробой обусловлен нагреванием
				Переход	p-n-перехода при протекании через него обрат-
				Шоттки	ного тока. Рост температуры p-n-перехода при-
				0,2 ÷ 0,4 В	водит к росту обратного тока. Если количество
				p-n-переход	теплоты,	выделяемой в		переходе,	превышает
					количество отводимой теплоты, то этот процесс
				UПР	будет лавинообразно развиваться и закончится
					разрушением p-n-перехода.
	0 0,5		0,7 В
					Лавинный		пробой	(рис. 4) возникает в
	Рис. 3. ВАХ перехода

	Шоттки	p-n-переходах при невысокой степени легиро-
		вания. Напряжение лавинного пробоя очень

слабо зависит от тока, протекающего через p-n-переход. Температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен.

Туннельный			пробой	имеет		место	в	сильно легированных
p-n-переходах и связан с туннельным эффектом.
Напряжение туннельного пробоя не превышает 5 В и очень слабо зави-
сит	от	тока,	протекающего			через	U2	U1	I
p-n-переход.
									U
Лавинный и туннельный пробои обра-
тимы, если не переходят в тепловой.									ТКН > 0
На		вольтамперную		характеристику
диода	существенное влияние				оказывает		Т2>Т1
температура окружающей среды.					При уве-		Рис. 4. Лавинный пробой

личении температуры обратный ток насыщения увеличивается у кремниевых диодов примерно в 2,5 раза при измен е- нии температуры на каждые 10°С.

Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет допустимую температуру диода, которая составляет 150 ÷ 200 °С для кре м- ниевых диодов.

Диоды общего применения характеризуются следующими основными параметрами:

– дифференциальное сопротивление диода на прямой ветви ВАХ при заданном токе;

	rд		U	ПР	(1.4)
			IПР
					7

– сопротивление постоянному току в заданной точке ВАХ

	RО		U	ПР	(1.5)
			I ПР

– температурный коэффициент напряжения (ТКН) прямой ветви ВАХ

ТКН	U ПР 2,5мВ /о С	(1.6)
	Т

–допустимый прямой ток анода Iадоп;

–обратное допустимое напряжениеUобр.доп.

1.1.2 Специальный диод – стабилитрон Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения. Их рабо-

та основана на использовании явления электрического пробоя р-n-перехода при включении диода в обратном направлении.

Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода и при снижении обратного напряжения (или ограничения тока) свойства диода сохраняются.

При прямом включении при увеличении температуры падение напря-

жения на стабилитроне уменьшается рис. 5
ТКН = ∆UПР/∆t = – 2,5 мВ/°С										(1.8)
		мА IПР				600С 200С				∆t0С
	40
∆UСТt
	20				∆IПР
UОБР	UСТ									∆UПР
Электрический				0,4 0,6 0,8						UПР В
		∆t0С
пробой
Paдоп				IСТmax
Тепловой пробой				IОБР

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Если через стабилитрон протекает постоянный обратный ток, то при изменении температуры падение напряжения на нем также изменяется. При

8

	напряжении более 5 В ТКН положительный, при напряжении менее 5 В ТКН
	отрицательный, при напряжении 5 Вольт ТКН ≈ 0.
			Стабилитрон	как	источник	напряжения
	rст	VD	представляют эквивалентной схемой, приве-
			дённой на рис. 6.
		UСТ	UСТ – идеальный источник напряжения,
			rСТ – внутреннее сопротивление этого источ-
	Рис. 6. Эквивалентная схема
			ника – дифференциальное сопротивление ста-
	замещения стабилитрона
			билитрона, VD – идеальный диод с напряжени-
			ем Uпр = 0 В.
	Основные параметры стабилитронов и их типовые значения.

1.Напряжение стабилизации UСТ – падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (от нескольких долей вольта до сотен вольт).

2.Максимальный допустимый ток стабилизации IСТmax– наибольший

ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы (от десятков миллиампер до единиц ампер).

3. Минимальный ток стабилизации IСТmin – наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив, (единицы миллиампер).

4. Дифференциальное сопротивление rСТ – отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации гст= ∆UСТ/∆IСТ (доли -десятки Ом). Дифференциальное сопротивление уменьшается при увеличении тока стабилизации.

5. Температурный коэффициент напряжения стабилизации ξСТ - относительное изменение напряжения стабилизации ∆UСТ при изменении температуры окружающей среды на ∆t 0С (ξСТ - тысячные доли процента).

Для стабилитронов этот параметр принято выражать в относительном

	изменении напряжения стабилизации
	СТ		UСТ	1	100 %/ОC	(1.7)
				t
			UСТ

6. Температурный коэффициент напряжения при прямом включении стабилитрона ТКН = ∆UПР/∆t ≈ – 2,5 мВ/°С.

7. Максимально допустимая рассеиваемая мощность РДОП = UСТ·IСТ max. Если выделяющаяся в виде тепла мощность превышает допустимую для

9

стабилитрона, то прибор начнёт перегреваться и может наступить тепловой пробой.

1.1.3 Специальный диод – тиристор Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более

взаимодействующими p-n-переходами.

В зависимости от числа выводов тиристоры делят на:

-диодные (динисторы), имеющие два вывода - от анода и катода,

-триодные (тринисторы), имеющие выводы от анода, катода и одной из эквивалентных баз,

-тетродные, имеющие выводы от всех областей.

Впроцессе работы тиристор может находиться в состоянии:

выключен или закрыт, в этом состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и ток через него практически равен нулю;

включён или открыт, в этом состоянии тиристор имеет малое сопротивление, ток в цепи определяется внешним сопротивлением.

1.1.4 Специальный диод – светодиод

Светодиод – прибор с p-n-переходом, излучающим свет при протекании через него прямого тока. По своим электрическим свойствам светодиод аналогичен обычному диоду. Отличие состоит в том, что напряжение отпирания при прямом включении составляет примерно 2 вольта.

Светодиоды применяются для индикации наличия напряжения (тока) в электрической цепи, как источники света.

1.1.5Обозначение диодов

Воснову обозначений универсальных диодов положен буквенно -цифро- вой код вида

ХХ ХХХХ Х

	1	2	3	4	5
1	– материал диода:				Г или 1 – германий, К или 2 – кремний;
					А или 3 – соединения галлия.
2	– подкласс прибора: Д – диоды выпрямительные и импульсные,
					С – стабилитроны;

3– функциональный параметр, подкласс прибора.

4– число – порядковый номер заводской разработки.

5– буква – классификация по параметрам (квалификационная литера). Второй элемент – вид прибора – диод Д.

10