курсовой проект Электроника ТЕЛО

Уральский технический институт связи и информатики (филиал)

Сибирского государственного университета

телекоммуникаций и информатики

(УрТИСИ ФГОБУ ВПО "СибГУТИ")

СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Курсовая работа по дисциплине "Электроника"

Пояснительная записка

210700 000 000 018 ПЗ

Вариант №18

Екатеринбург 2015

Исходные данные

Таблица 1.

Изменение напряжения источника питания составляет ±15% для всех вариантов.

СОДЕРЖАНИЕ

210700 000 000 018ПЗ

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Разраб.

Яковлев М.М.

Стабилизатор напряжения

Курсовой проект

Лит.

Лист

Листов.

Провер.

Паутов В.И

3

26

Т.контр.

Кафедра ОПД УрТИСИ

гр. И-41БС

Н.контр.

Утверд.

ВВЕДЕНИЕ

Курсовой проект является неотъемлемой частью учебного процесса подготовки дипломированного специалиста по направлению 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». И служит закреплению знаний, полученных при изучении теоретической части дисциплины «Электроника» в части применения полупроводниковых диодов и транзисторов, привитию навыков самостоятельной работы по разработке и анализу схем аппаратуры связи, пользования справочной и специализированной литературой.

Стабилизатор, разрабатываемый в работе, может найти применение в зарядных устройствах, в качестве источника питания маломощного радиоэлектронного устройства.

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

4

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

1.СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СТАБИЛИЗАТОРА

Структурная схема стабилизатора представлена на рис. 1:

Рисунок 1 – Структурная схема стабилизатора

ИП – источник питания стабилизатора

СЭ – силовой элемент – транзистор

ИОН – источник опорного напряжения – стабилитрон

СЗ – схема защиты

И – индикация состояния стабилизатора

Н – нагрузка стабилизатора.

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

5

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 ВЫБОР СХЕМЫ СТАБИЛИЗАТОРА.

Проверяем возможность использования параметрического стабилизатора, рис.2:

Рисунок 2 – Параметрический стабилизатор

Определяем пределы изменения тока нагрузки:

мА

мА

Изменение тока нагрузки составляет:

Требованиям ТЗ по выходному напряжению соответствует стабилитрон типа КС212В, у которого мА, мА, изменение тока стабилизации:

мА

Изменение тока нагрузки превышает изменение тока через стабилитрон, поэтому параметрический стабилизатор не обеспечит требуемых характеристик и необходимо использовать усилитель тока. Применение такой схемы позволит увеличить ток нагрузки в В раз по сравнению с допустимым током стабилитрона. Схема параметрического стабилизатора с усилителем тока показана на рис.3:

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

6

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Рисунок 3 – Параметрический стабилизатор с усилителем тока

2.2 ВЫБОР ТРАНЗИСТОРА

Транзистор выбирается по допустимой величине тока коллектора, максимальному напряжению коллектор-эмиттер и максимальной рассеиваемой мощности .

Из рис.3 видно, что ток коллектора равен току нагрузки, поэтому требование к допустимому току коллектора можно определить формулой:

мА

Для нормальной работы транзистора средней мощности напряжение между коллектором и эмиттером должно быть не менее 10 вольт. Примем напряжение U_КЭ = 10 В, и рассчитаем минимальное входное напряжение стабилизатора U_И, необходимое для нормальной работы (с учетом изменения напряжения источника питания):

В

Зная изменения напряжения источника питания, определим его номинальное значение:

В

При этом максимальное значение напряжения питания составит:

В

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

7

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Теперь можно определить требования к транзистору по максимальному напряжению коллектор-эмиттер:

В

Максимальная рассеиваемая мощность:

Вт

Из справочного раздела [1] выбираем кремниевый транзистор структуры n-p-n типа КТ605. Его параметры:

Входные и выходные характеристики выбранного транзистора приведены на рис. 4:

Рисунок 4 – Входные и выходные характеристики транзистора

Наносим на характеристики рабочую точку «РТ» и определяем коэффициент усиления:

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

8

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора в рабочей точке, превышает максимальную для данного транзистора, поэтому необходим радиатор. Требуемую площадь радиатора определим по графику, рис.5:

Рисунок 5 – Выбор радиатора с необходимой площадью

Определяем превышение мощности в процентах:

На рис.5, проводится горизонтальная линия до пересечения с графиком и определяется площадь радиатора: см²

2.3 ВЫБОР СТАБИЛИТРОНА

Выходное напряжение составляет U_Н = 13 В. Согласно рекомендаций [1] в этом случае следует включить последовательно два стабилитрона. При этом желательно один из них выбрать на напряжение 5 В, при котором ξ_СТ ≈ 0. Полной термокомпенсации данным способом получить не удаётся.

Стабилитроны включёны в цепь базы транзистора. Их суммарное напряжение стабилизации должно быть больше на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер U_БЭ. Для выбранного транзистора по рис.4 определяем: U_БЭ = 0,88 В.

Выбираем последовательное соединение двух стабилитронов типа КС1135А и одного КС170Б с параметрами приведенными в таблице 2:

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

9

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Таблица 2

Параметры применяемых стабилитронов

Определим напряжение стабилизации такой сборки:

В

Определим выходное напряжение стабилизатора:

В

Оценим изменение напряжения стабилизации при изменении

температуры на Δt = 40⁰С:

Требования задания по температурному дрейфу и выходному напряжению выполняются. Схема стабилизатора с термокомпенсацией показана на рис. 6

Рисунок 6 – Схема стабилизатора

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

10

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

2.4 ИСТОЧНИК СТАБИЛЬНОГО ТОКА

Для уменьшения влияния изменений напряжения источника питания U_И на параметры стабилизатора, застабилизируем ток стабилитронов с помощью специальной схемы, называемой генератором стабильного тока рис. 7.

Рисунок 7 – Расчетная схема стабилизатора.

Определяем напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT2. Напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT1 принято 10В. Напряжение коллектор-база этого транзистора составит:

В

Тогда минимальное напряжение приложенное к коллекторной цепи транзистора VT2 составит:

В

Это напряжение надо распределить в равных частях:

В

С целью уменьшения r_СТ зададимся током стабилитрона VD1 равным 15 мА и учитывая ток базы транзистора VT1 - мА определим ток коллектора VT2:

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

11

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

мА

Мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора VT2:

Вт

По рассеиваемой мощности и току коллектора выбираем транзистор КТ349А структуры p-n-p.Определяем сопротивление R_Э:

Ом

Принимаем стандартное значение:

Ом

Рассеиваемая мощность:

Вт

Определяем напряжение стабилизации VD4.

В

Выбираем стабилитрон 2С190Б.

Определяем величину сопротивления R1. Зададим ток стабилизации стабилитрона VD4:

мА.

Тогда:

Ом

Принимаем стандартное значение:Ом

Рассеиваемая мощность:

Вт

Для определения суммарного сопротивления стабилитронов определим ток, протекающий через стабилитроны VD2 и VD3:

А

По графику, рис.8, определяем реальное сопртивление стабилитронов

VD1, VD2 и VD3

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

12

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Рисунок 8 – Зависимость сопротивления стабилитрона от тока стабилизации

Ом

Ом

Ом

2.5 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СТАБИЛИЗАТОРА

Коэффициент стабилизации определяется по соотношении:

r_СТ∑ –сопротивление стабилитронов,

r_К – сопротивление коллекторной цепи транзистора VT1,

h₁₁ – входное сопротивление транзистора, которое определяется по входной характеристике I_Б = f(U_БЭ) для тока базы, определенного в предыдущих разделах.

Параметры транзистора VT1 определяем по рис. 9:

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

13

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Рисунок 9 - Определение параметров транзистора в рабочей точке

Сопротивление Ом.

При температуре 20 ^ОС φ_T ≈ 26 мВ.

Сопротивление r_К определяется по коллекторным вольт-амперным характеристикам транзистора. Для этого проводим вертикальную прямую для напряжения 10 В, находим точку пересечения прямой с характеристикой тока базы, принятого в расчете. Возле этой точки строится характеристический треугольник, катеты которого проецируются на оси и находятся значения приращения тока и напряжения ∆U_КЭ и ∆I_К. Из построения определяем ∆U_КЭ 10 В, ∆I_К = 10 мА.

Вычисляем сопротивление r_К.

кОм.

210700 000 000 018ПЗ

Лист

14

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Выходное сопротивление стабилизатора

_Где Ом

Ом

2.6 ЗАЩИТА СТАБИЛИЗАТОРА ПО ТОКУ

В случае уменьшения сопротивления нагрузки увеличивается ток вплоть до короткого замыкания. В этом случае силовой транзистор VT1 может сгореть. В таких ситуациях необходима защита стабилизатора по току.

Для этого последовательно с нагрузкой включают сопротивление R_T, выполняющего роль преобразователя тока в напряжение. При протекании по сопротивлению тока выделяется напряжение с полярностью, указанной на рис. 10.

Рисунок 10 – Схема токовой защиты

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

15

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Это напряжение прикладывается к базе транзистора в прямой полярности. При заданном токе транзистор открывается и берет на себя часть тока базы транзистора VT1. Последний закрывается и ограничивает ток коллектора. При номинальном токе нагрузки транзистор VT3 закрыт и не оказывает влияния на работу стабилизатора.

Примем, что защита должна включиться, если ток превышает двойной максимальный ток нагрузки А. Выбираем в качестве VT3 германиевый транзистор КТ104В проводимости n-р-n. Напряжение открывания у такого транзистора составляет 0,8 В. Тогда:

Ом

Принимаем стандартное значение:Ом

Рассеиваемая мощность:

Вт

2.7 ЗАЩИТА НАГРУЗКИ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

U_СТ

Схема защиты состоит из тиристора VS5, стабилитрона VD4 и резистора R2, рис.11:

Рисунок 11 – Схема защиты и индикации

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

16

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

В исходном состоянии тиристор VS1 закрыт, его управляющий вход подключен к катоду через сопротивление R2. Стабилитрон VD4 также закрыт его напряжение включения больше напряжения на нагрузке Как только напряжение на нагрузке по каким-либо причинам увеличивается, стабилитрон VD4 открывается, на управляющий электрод тиристора подается напряжение, тиристор открывается и закорачивает входную цепь стабилизатора. После этого сгорает плавкий предохранитель FU1.

Напряжение стабилизации стабилитрона VD4 должно превышать максимальное выходное напряжение стабилизатора. Выбираем стабилитрон КС213Г с напряжением стабилизации В, и токоммА. Задаемся током стабилитрона мА и определяем величину R2:

кОм

Принимаем стандартное значение: кОм

Рассеиваемая мощность:

Вт

Проверим, не превышает ли ток через стабилитрон допустимое значение при максимальном напряжении источника питания равном 24,4 В.

мА

Выбор тиристора.

Напряжение включения тиристора должно быть больше напряжения питания U_Иmax. При выборе тиристора можно ориентироваться следующим условием. Если ток нагрузки меньше 100 мА, то выбирается тиристор с током анода 100 мА и менее. Если ток нагрузки больше 100 мА, то выбирается тиристор с током анода 100 мА и более. Выбираем тиристор КУ103В U_А = 150 В, I_А = 200 мА.

210700 000 000 018ПЗ

Лист

17

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

2.8 СХЕМА ИНДИКАЦИИ

Индикация состояния стабилизатора осуществляется с помощью светодиодов (СИД). Нормальное состояние принято индицировать зеленым или желтым цветом, критическое состояние – красным. Выбираем светодиод VD5 красного цвета свечения типа АЛ301Б с параметрами I_ПР = 10 мА, U_ПР = 3,8 В определяем величину R3:

Ом

Принимаем стандартное значение:кОм

Рассеиваемая мощность:

Вт

Выбираем светодиод VD6 зеленого цвета свечения типа АЛ304В с параметрами I_ПР = 11 мА, U_ПР = 3 В определяем величину R4:

Ом

Принимаем стандартное значение:Ом

Рассеиваемая мощность:

Вт

Плавкий предохранитель FU1 выбирается на такой ток, чтобы он сработал при допустимом токе тиристора.

мА

Для устранения низкочастотных и высокочастотных помех на выходе стабилизатора параллельно нагрузке включаются емкости С1 = 0,1 мкФ и С2 = 20 мкФ.

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

18

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте рассчитывался стабилизатор поссссстоянного напряжения с защитой от перенапряжения и короткого замыкания, кроме того стабилизатор имеет индикацтю рабочего и аварийного состояния на светодиодах.

Параметры разработаного устройства:

Входное напряжение 28,6В±15%

Выходное напряжение 13,12В±10%

Коэффициент стабилизации 309

ТКН -3%

Ток нагрузки 88мА±40%

Составлена приципиальная схема устройства, номиналы элементов выбрны из стандартного ряда в соответствии с рассеиваемой мощностью.

Разработанный стабилизатор соответствует предъявляемымм требованиям.

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

19

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Паутов В. И. Стабилизатор напряжения: Методические указания по выполнению курсовой работы/ В.И. Паутов, - Екатеринбург: УрТИСИ ФГОБУ ВПО СибГУТИ, 2012, 54 с.

2. Лачин В. И. Электроника: учеб.пособие /В. И.Лачин, Н. С. Савёлов.- Ростов-на-Дону: изд-во "Феникс"2007.

3. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб.пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2002. 622 с.

4. Воробьёв Н. И. Проектирование электронных устройств: Учеб.пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1989. 223 с.

5. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы. – М. : Издательский дом «Додэка – ХХI», «Альтекс», 2007. 87 с.

6. Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. – М. : Энергоатомиздат. 1985. 212 с.

7. ГОСТ 28884-90 Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденсаторов

210700 000 000 018 ПЗ

Лист

20

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата