Курсовой - Стабилизатор постоянного напряжения / Расчет принципиальной схемы

3 Расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет выпрямителя

Согласно схеме находим наименьшее напряжение на входе стабилизатора:

U_ВХ.MIN.= U_H + U_КЗMIN + U_ПВХ = 15 + 3 + 0,1 =18,1 В

где U_кзmin – минимальное напряжение на регулирующем транзисторе, U_ПВХ - максимальный уровень пульсаций входного напряжения.

Исходя из того, что транзистор предположительно кремневый, то U_кзmin выбираем в пределе 3..5 В.

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

Из полученных данных рассчитываем выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Для расчета выпрямителя имеем следующие данные: U₀ = 20,1 В - входное напряжение, I₀ = 0,3 - ток нагрузки, U_ПВХ = 0,1 - коэффициент пульсаций, Uc = 220 В - напряжение сети, f = 50 Гц - частота питающей сети, Рo = Uo*Io= 20,1*0,3 = 6,03 Вт.

По приближенным формулам вычисляем:

Iср = Iо/ 2 = 0,3 / 2 = 0,15A;

Uобр = 1,5 * Uо = 1,5 * 20,1 = 30,15 B;

Im = 3,5 * Io =3,5 *0,3 = 1,05 A.

В качестве вентилей выбираем диоды типа 2Д232В, имеющие сле-дующие параметры:

Iср.vd = 10 A > Iов ;

Uобр.vd = 35 B ;

Im.vd = 6 * Iср.vd = 6 * 10 = 60 A > Im.

Таблица 7 – параметры вентиля 2Д232В

Параметр	2Д232В
Допустимое обратное напряжение Uобр.vd, В	35
Допустимый выпрямленный ток Iср.vd, А	10
Прямое падение напряжения UПР, В	1

Определяем сопротивление нагрузки выпрямителя:

Rн=Uо/Io=20,1/0,3=67 Oм.

Принимают сопротивление обмоток трансформатора для выпрямителей мощностей 10- 100 Вт:

rтр =(0,05-0,08)*Rн=0.07*67=4,7 Ом.

Прямое сопротивление выпрямительного диода по приближенной формуле:

r пр =Uпр /(3*Iср) =0,6/(3*0,15) =1,33 Ом.

Активное сопротивление фазы выпрямителя:

r = 2*r пр + rтр =2*1,33+4,7 =7,36 Ом

Основной расчетный коэффициент:

А=(1,6 * r)/Rн =(1,6*7,36)/67=0,175 Ом.

В зависимости от значения А находят значения остальных вспомогательных коэффици-ентов:

B=0,99; D=2,3; F=6,5; H=300;

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода и эффекти-вное значение тока вторичной обмотки:

U_2x =B*Uo=0,99*20,1=19,9 B;

I₂=D*Io/2=0,345 A.

Точное значение уточняется по формулам:

Uобр = 1,4 * U _2x = 1,4 * 19,9 = 28 B;

Im = 3,5 * Io 0,5 *F *Io = 0,975 A.

Диоды выбраны правильно.

Выходная емкость выпрямителя:

Co=H/r*Kпо=300/7,36*0.1=407 мкФ;

C=Cо/2=407/2=203,5 мкФ.

Выберем конденстатор К50-35-220 мкФ +80-20%.

Габаритная мощность трансформатора, используемая в схеме данного выпрямителя:

Pгаб=U_2x * I₂ = 6,9 B*A.

По данным значениям Pгаб, U_2x, I₂ подбираем трансформатор:

TПП 231 - 127/220-50.

В данном трансформаторе используется магнитопровод типа ШЛМ20*16.

3.2 Расчет схемы сравнения и усилителя

3.2.1. Выбор стабилитрона

Для выбора типа стабилитрона, используемого в качестве источника опорного напряжения, найдем величину требуемого опорного напряжения по формуле:

U_ОП = (0.6…0.7) ^. U_{ВЫХ min} ,

U_ОП = 0.7 ^. 3 = 2.1 В.

Тип кремниевого стабилитрона подбираем, имея в виду, что напряжение стабилизации выбранного прибора должно соответствовать значению опорного напряжения (U_СТ ~ U_ОП). Параметры стабилитрона

КС 124Д-1 приведены в таблице 1.

Таблица 1 – параметры стабилитрона КС 124Д-1

Uст, В	2.4
Uст.мин., В	2.2
Uст.макс., В	2.6
ТКН,%/C	0.075
Iст.мин., мA	0.25
Iст.макс., мA	21
Rст., Ом	180

Таким образом сопротивление резистора R₂ (I_R2 = I_VD1):

U_{ВЫХ max} – U_СТ 15 – 2.4

R₂ = –—––––––––– = ———— = 50400 Ом.

I_{CT min} 25 ^. 10 ^–5

Из ряда Е24 выбираем номинал 51 кОм. Рассеиваемая мощность на R₂ равна:

P_R2 = (U_{ВЫХ max} – U_СТ)² / R₂ = (15 – 2.4)² / 51000 = 0.0031 Bт .

3.2.2 Расчет сопротивлений R₃, R₄, R₅

Для расчета задаемся током делителя (обычно I_д = (5…10) мА). Далее находим общее сопротивление выходного делителя:

R_Д=R₃ + R₄ + R₅ = U_{ВЫХ max} / I_Д = 15 / 10 ^. 10^-3 = 1500 Ом.

Вычисляем минимальный и максимальный коэффициенты передачи делителя:

α_min = U_{СТ min} / U_{ВЫХ max} = 2.2 / 15 = 0.147,

α_max = U_{СТ max} / U_{ВЫХ min} = 2.6 / 3 = 0.867

Сопротивление резистора R₅ равно:

R₅ = α_min ^. R_Д = 0.147 ^. 1500 = 220.5 Ом = 0.22 кОм.

Из ряда Е24 выбираем номинал 220 Ом.

Сопротивление резистора R₃ равно:

R₃ = R₅ ^. (1 - α_max) / α_min = 220^. (1 – 0.867) / 0.147 = 199 Ом ≈ 0.2 кОм

Из ряда Е24 выбираем номинал 200 Ом.

Сопротивление переменного резистора R₄ равно:

R₄ = R_Д - R₃ - R₅ = 1500 – 200 – 220 = 1080 = 1.1 кОм.

Выбираем номинал 1.1 кОм.

Резистор R₄ выбираем типа СП5-16ВА-0.25 – 1.1 кОм ± 10%

3.2.3 Расчет сопротивлений R₇, R₈

R_Д рассчитываем аналогично резисторам R₃, R₄, R₅:

R_Д = R₇ + R₈ = U_{ВЫХ max} / I_Д, R_Д = 15 / 10 ^. 10^-3 = 1500 Ом

R₇ = R₈ = R_Д / 2, R₇ = 1500 / 2 = 750 Ом.

Из ряда Е24 выбираем номинал 750 Ом.

3.2.4 Расчет ОУ

Критериями выбора ОУ являются: синфазное напряжение U_СФ, равное U_СТ, входное напряжение U_ВХ, скорость нарастания выходного напряжения ОУ V_UВЫХ. Для снижения динамических потерь в РЭ необходимо, чтобы фронт и срез выходных импульсов ОУ не превышал

1-2 мкс. Ориентировочно необходимую величину V_Uвых можно определить по формуле:

U_ВХ 20

V_UВЫХ  –––––  ———  7 - 20 В/мкс

t_ф 1 - 2

Указанным требованиям удовлетворят ОУ типа КР574УД2Б.

Таблица 2 – параметры ОУ типа КР574УД2Б

КU, В/мВ	25000
±UПИТ, В	15
IПОТР, мA	10
±UВЫХ, В	±10
UСФ, В	5
VUВЫХ, В/мкс	15
RВХ, кОм	1.5
UДФ, В	10

Ограничение выходного тока ОУ DA1 осуществляется резистором

R₁, который не должен превышать 5 миллиампер.

ОУ DA2 выбираем такой же как DA1, следовательно, ток на резисторе R₆ также не должен превышать 5 миллиампер.

3.3 Расчет регулирующего элемента

Согласно заданию выходной ток 0,3 А, т.е. ток I_Э =0,3 А. Ток базы VT1 равен току резистора R₁:

I_Б = 5 мА.

Ток коллектора транзистора VT1 равен:

I_К = I_Э - I_Б = 0,3 – 5 ^. 10^-3 = 0,295.

Тогда коэффициент усиления по току РЭ и УМ равен:

К_I ≥ I_К / I_Э = 0,295 / 0,3 = 0,983.

В качестве РЭ необходим транзистор с допустимым напряжением коллектор-эмиттер:

U_КЭ.ДОП.≥ 1,5·U_ВХ ,

U_КЭ.ДОП.≥ 1,5 · 20 = 30 В.

Выберем транзистор VT1 КТ630Е. Параметры транзистора КТ630Е приведены в таблице 3.

Таблица 3 – параметры транзистора КТ630Е

Марка транзистора	КТ630Е
Тип транзистора	N-P-N
Iнmax, А	1
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк мах , В	60
Рассеиваемая мощность коллектора, Pмах , Вт	0,8
Минимальный коэф. передачи тока базы, h21Э min	160

Сопротивление резистора R₁ рассчитаем по формуле:

R₁ = (U_{ВЫХ.ОУmax} – U_БЭНАС ) / I_R5,

где I_R5 = 5·10^-3 А;

R₁ = (24– 0,85) / 5 · 10^–3 = 4,63 · 10³ Ом.

Из ряда Е24 выбираем номинал 4,7 кОм.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R₁, равна:

P_R1 = I_R1²·R₁ = (5 ·10^-3)² · 4,7 · 10³ = 1,17 ^. 10^-3 Вт.

Подобно VT1 выбираем транзистор VT3. Параметры транзистора

КТ685В приведены в таблице 4.

Таблица 4 – параметры транзистора КТ685В

Марка транзистора	КТ685В
Тип транзистора	P-N-Р
Iнmax, А	0,6
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк мах , В	40
Рассеиваемая мощность коллектора, Pмах , Вт	0,6

Резистор R₆ выбираем такой же как R₁.

3.4 Расчет защиты от перегрузок по току и КЗ в нагрузке

Расчет регулирующего транзистора и резистора

Зададим значение I_з = 50 мA, а U_ПОР = 50 В.

I_з =U_ПОР / RS1,

RS1 = U_ПОР / I_з = 50 / 50 ^. 10^-3 = 1 кОм.

Выбираем транзисторVT2 типа КТ608Б. Параметры транзистора КТ608Б приведены в таблице 5.

Таблица 5 – параметры транзистора КТ608Б

Марка транзистора	КТ608Б
Тип транзистора	N-Р-N
Iнmax, А	0,8
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк мах , В	60
Рассеиваемая мощность коллектора, Pмах , Вт	0,5

Подобно VT2 выбираем транзистор VT4. Параметры транзистора КТ620А приведены в таблице 6.

Таблица 6 – параметры транзистора КТ620А

Марка транзистора	КТ620А
Тип транзистора	Р-N-Р
Iнmax, А	0,5
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк мах , В	50
Рассеиваемая мощность коллектора, Pмах , Вт	0,2

Резистор RS2 выбираем такой же как RS1.

3.5 Расчет параметров стабилизации

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

К_СТ = (U_H * K) / U_BX =(15 * 25000) / 20 = 18750

Рассчитываем коэффициент пульсаций:

∆U_ВЫХ = ∆U_ВХ / К = 20 / 25000 = 0.0008

K_П = (∆U_ВЫХ * 100) / U_ВХ = (0.0008 * 100) / 20 =0.004

3.4.2 Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:

К_ст = 18750 > К_ст.зад = 5000;

К_п = 4´ 10^-3 % < К_п.зад = 500´10^-3 %.

Полученные параметры удовлетворяют заданным условиям.