5.2 Расчет коэффициента нестабильности

Нестабильность по напряжению питания определяется также параметрами микросхемы А1 и может быть получена как

∆U_U=K_U∆U_П (5.2)

где K_U - коэффициент нестабильности схемы А1 по входному напряжению;

∆U_П - изменение напряжения питания микросхемы А1.

Отсюда

∆U_U= 0,1*32,25*0,2 = 0,65 %.

Нестабильность выходного напряжения от изменения тока нагрузки можно оценить из выражения

∆U_I =K_II_H/h_21,1/h_21,2/R_ВД + K_U(∆U_БЭ1+∆U_БЭ2+∆U_R8), (5.3)

где K_I - коэффициент нестабильности по току нагрузки микросхемы А1;

∆U_БЭ1, ∆U_БЭ2, ∆U_R8 - изменения падения напряжений на эмиттерных переходах транзисторов VT1, VT2 и резисторе R8 при полном изменении тока нагрузки.

Для нахождения ∆U_БЭ1, ∆U_БЭ2 необходимо знать входные характеристики транзисторов или их входные сопротивления. При отсутствии этих данных можно воспользоваться приближенными выражениями ∆U_БЭ1=0,2 U_БЭ1, ∆U_БЭ2 = 0,2U_БЭ1

Имеем

∆U_I = 0,5x6/20/40/0,6+0,1(0,4+0,2*0,6+0,1*6)  0,12 %.

Выходное сопротивление стабилизатора

R_ВЫХ=∆U_I U_H/∆I_H (5.4)

где ∆I_H - полное изменение тока нагрузки, ∆I_H = I_Hmax

R_ВЫХ = 0,12*18/6 = 0,36 Ом.

Температурная нестабильность определяется в основном температурным уходом напряжения выходного делителя и микросхемы А1

∆U_T = (±К_Т,А ± К_Т,ВД)( T_Cmax - T_Cmin), (5.5)

где К_Т,А, К_Т,ВД - температурные коэффициенты микросхемы А1 и выходного делителя соответственно.

Из справочных данных имеем К_Т,А = 0,01 %/°С, К_Т,ВД ⁼ = 0,01 %/°С.

При заданных температурных условиях окружающей среды находим

∆U_T = (0,01 + 0,01)(5 + 35) = 0,6 %.

Общий коэффициент нестабильности находится суммированием всех составляющих

∆U_H∑ = ∆U_U+∆U₁+∆U_T. (5.6)

Для нашего варианта:

∆U_H∑ = 0,65+ 0,12 + 0,8 = 1,57 %, что меньше заданного значения 1,57 < 2%.

5.3 Расчет КПД стабилизатора

КПД стабилизатора изменяется в зависимости от режимов нагрузки и питающего напряжения. Минимальное его значение наблюдается при наибольших потерях мощности в схеме

η_min = U_Hmin I_H /[U_П (1 + a_C) I_П + U_Д(1 + a_С)I_Д], (5.7)

максимальное значение - при наименьших потерях

η_max = U_Hmax I_H /[U_П (1 - в_C) I_П + U_Д(1 -в_С)I_Д], (5.8)

где I_П, I_Д - токи, потребляемые от основного и дополнительно­го источников питания соответственно.

В рассматриваемом варианте можно принять I_П = I_H . Ток дополнительного источника

I_Д = I_2max + I_Amax = 0,953 + 0,01 = 0,963 А.

Для первого диапазона регулирования

η_min = 5*9/[14,51 *1,1*9 + 9,26*1,1*0,953] = 0,29,

η_max = 5.71*9/[14,51 *0,9*9 + 9,26*0,9*0,953] = 0,40.

Для второго диапазона регулирования

η_min = 5.71*9/[10.47*1,1*9 + 9,707258] = 0,45,

η_max = 9*9/[10.47*0.9*9 + 7,942302] = 0,87.

Список литературы

1. Лачин В.И. Электроника: учеб. пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. - 6-е изд., перераб. и доп. - Ростов н/Д: Феникс, 2007. - 703 с.

2. Источники электропитания радиоэлектронной аппара­туры: справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; под ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986. - 576 с.

3. Новаченко Н.В. Микросхемы для бытовой радиоаппа­ратуры: справочник / Н.В, Новаченко, В.М, Петухов, И.П. Блудов. - М.: Радио и связь, 1989. -384 с.

4. Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет / С» Д. До дика и др.; под ред. Е.И. Гальперина. - М.: Советское радио, 1969. - 448 с.

5. Источники вторичного электропитания / В.А. Головац-кий, Г.Н. Гулякович, Ю.И. Конев и др.; под ред. Ю.И. Конева. -2-е изд., пераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - 280 с.

6. Источники вторичного электропитания / С.С. Букреев, В.А. Головацкий, Г.Н. Гулякович; и др.; под ред. Ю.И. Конева, - М.: Радио и связь, 1983. - 280 с.

7. Полупроводниковые приборы: Транзисторы средней и большой мощности: справочник / А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др.; под ред. А.В. Голомедова. - M.i Радио и связь, 1989.-640 с.

8. Транзисторы: справочник/ О Л. Григорьев, В.Я. Замя­тин, Б.В. Кондратьев и др. - М.: Радио и связь, 1989. - 272 с.

9. Китаев В.Е. Проектирование источников электропита­ния устройств связи: учеб. пособие / В.Е. Китаев, А.А. Боку-няев. - М.: Связь, 1972. - 200 с.

10. Колосов В.А. Электропитание стационарной РЭА. Теория и практика проектирования / В.А. Колосов. - М.: Радио и связь, 1992.- 160 с.

11. Резисторы: справочник / Ю.Н. Андреев, А.И. Анто-нян, Д.М. Иванов и др.; под ред, И.И. Четвертакова. - М.: Эне-гоиздат, 1981.-325 с.

12. Северне Р. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания: пер. с англ. / Р. Северне, Г. Блум; под ред. Л.Е. Смольникова. - М: Энергоатомиздат, 1988. - 294 с.

13. Справочная книга радиолюбителя-конструктора: в 2 кн. / А.А. Бокуняев, Н.М. Борисов, Е.Б. Гумеля и др. : под ред. Н.И. Чистякова. - 2-е изд., испр. - М.: Радио и связь, 1993. -336 с.

14. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оп-тоэлектронные приборы: справочник / А.В. Баюков, А.Б. Гит-цевич, А.А. Зайцев и др.; под общ. ред. Н.Н. Горюнова. - 3-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 744 с.

15. В помощь радиолюбителю: сборник / Сост. И.Н. Алексеева. - М.: Патриот, 1991. . Вып. 109. - 80 с.

16. Хоровиц П. Искусство схемотехники: в 3 т. Пер. с англ. / П. Хоровиц, У. Хилл. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Мир, 1993.-413 с.

17. Александров К.К. Электротехнические чертежи и схемы / К.К. Александров, Е.Г. Кузьмина. - М.: Энергоатом­издат, 1990. - 288 с.

Введение

1. Исходные данные для проектирования стабилизированного источника питания

2. Проектирование и расчет схемы стабилизатора

   1. Выбор и описание схемы

   2. Выбор силового транзистора и напряжения питания

   3. Расчет сопротивления резистора R4

   4. Выбор составного транзистора VT2

   5. Определение величины дополнительного напряжения питания U_Д

   6. Расчет максимального напряжения

   7. Выбор резисторов делителя обратной связи

   8. Расчет цепи от перегрузки по току

   9. Выбор конденсаторов С1÷С5

   10. Выбор резистора R1

3. Расчет выпрямителя и сглаживающего фильтра

   1. Расчет сглаживающего фильтра

   2. Расчет выпрямителя

4. Расчет тепловых режимов

5. Расчет основных параметров стабилизатора

5.1 Расчет коэффициента сглаживания

5.2 Расчет коэффициента нестабильности

5.3 Расчет КПД стабилизатора

Введение

В настоящей работе проведем расчет линейного стабилизатора последовательного типа с использованием интегрального линейного стабилизатора на­пряжения (ИСН) серии К142ЕН. Расчет приводится для 7-го варианта задания.

1 Исходные данные для проектирования стабилизированного источника питания.

U_C = 380 В - номинальное напряжение питающей сети;

h = 3 - число фаз питающей сети;

f_C = 50 Гц - частота питающей сети;

а_C = в_С = 0.1 отн. ед.- коэффициент изменения напряжения сети;

U_Hmin/U_Hmax = 5/9 В - минимальное и максимальное значения выходного напряжения;

I_Hmin/I_Hmax = 1/9 А - минимальное и максимальное значения тока нагрузки;

∆U_H = 0.06 отн. ед.- коэффициент нестабильности выходного напряжения;

∆U_H~ = 0,01 отн. ед.- коэффициент пульсаций выходного напряжения;

∆U_П = 0,03 отн. ед.- коэффициент пульсаций на входе стабилизатора;

Т_Сmin/T_Cmax = -5/30 °С - минимальная и максимальная температура окружающей среды;

Необходимо:

спроектировать и рассчитать цепи питания стабилизатора (выпрямитель, сглаживающий фильтр);

определить основные параметры силового трансформатора;

предусмотреть электрическую защиту потребителя от превышения напряжения;

предусмотреть электрическую защиту источника питания от перегрузки по току;

разработать конструкцию печатной платы;

привести схему электрическую принципиальную, чертеж печатной платы, сборочный чертеж, перечень элементов;

рассчитать внутреннее сопротивление и КПД стабилизатора.

2. Проектирование и расчет схемы стабилизатора

2.1 Выбор и описание схемы

Согласно заданию требуется спроектировать источник питания с регулируемым выходным напряжением. На первом этапе выберем схему стабилизатора серии К142ЕН. Среди ИСН серии К142ЕН с регулируемым выходным напряжением наибольшее распространение получили маломощные микросхемы типа К142ЕН1, К142ЕН2 и стабилизаторы средней мощности типа К142ЕНЗ, К142ЕН4, К142ЕН10, К142ЕН11.. Требуемый в задании диапазон выходных напряжений составляет 3÷12 В. Для обеспечения этого диапазона выбираем ИСН типа К142ЕН1.

Рисунок 1 - Схема интегрального стабилизатора напряжения типа К142ЕН1.

На рисунке 1 представлена схема интегрального стабилизатора напряжения типа К142ЕН1. В схему входят: силовой составной транзистор VT6, VT7; дифференциальный усилитель - на элементах VT4, VT5, VT2, R3; цепь для формирования опорного напряжения - VT1, VT3, Rl, R2. VD1, VD2; защитный транзистор VT9; цепь VT8, VD3, R4, предназначенная для внешнего управления стабилизатором. Напряжение обратной связи (вывод 12) сравнивается с помо­щью дифференциального усилителя с опорным напряжением, формируемым на базе VT4. Для повышения коэффициента стабилизации схемы, в коллекторной цепи транзистора VT5 используется динамическая нагрузка - стабилизатор тока на полевом транзисторе VT2. Опорное напряжение формируется эмиттерным повторителем VT3, Rl, R2. На базе VT3 устанавливается стабилизированное напряжение с помощью стабилитрона VD1 и источника тока на VT1. Транзистор VT9 используется, как правило, для защиты стабилизатора от перегрузки по току.

В момент перегрузки VT9 открывается, шунтируя цепь управления силовыми транзисторами VT7, VT6, в результате чего последние запираются. Транзистор VT8 выполняет аналогичные действия по внешнему сигналу, подаваемому на вывод 9. Поскольку ИСН не обеспечивает требуемого по заданию тока нагрузки, необходимо в качестве мощного регулирующе­го элемента использовать дополнительно один или несколько составных транзисторов.

Н а рисунке 2 приведена схема для проектирования стабилизатора с требуемыми в данном курсовом проекте техническими характеристиками.

Рисунок 3 - Параллельное соединение силовых транзисторов

В схеме используется ИСН типаК142ЕН1. Регулирующий элемент выполнен на составных транзисторах VT1, VT2. Делитель выходного напряжения R9, R10, R11 обеспечивает отрицательную обратную связь по выходному напряже­нию и регулирование уровня этого напряжения. В том случае, если одного силового транзистора (VT1) недостаточно, чтобы обеспечить отвод тепла, его заменяют параллельно включенными транзисторами с соответствующими выравнивающими резисторами (рисунок 3). Цепь защиты стабилизатора от короткого замыкания и перегрузки по току состоит из VD1, R4÷R7, R8. Сигнал перегрузки по току снимается с резистора R8 и поступает на защитный транзистор VT9 (выводы 11, 12) интегрального стабилизатора А1 (рисунок 1). Стабилитрон VD1 создает между эмиттером силового транзистора VT1 и средней точкой резисторов R6, R7 постоянное напряжение смещения U_VD. Во всех режимах работы стабилизатора транзистор VT1 находится в активном состоянии, поэтому напряжение UБЭ1 остается практически постоянной величиной. Напряжение смещения UVD также остается неизменным в широком диапазоне в ыходных напряжений.

Таким образом, напряжение U_11,12 определяется в основном падением напряжения на измерительном резисторе R8. При перегрузке стабилизатора по току управляющее напряжение U_11,12 растет.При этом транзистор защиты VT9 (А1) отпирается и шунтирует цепь управления силовыми транзисторами стабилизатора.

В

Рисунок 4 - Нагрузочная характеристика стабилизатора

результате сопротивление VT1 увеличивается. ограничивая ток нагрузки на безопасном уровне. При коротком замыкании в нагрузке напряжение смещения U_VD резко уменьшается и транзистор защиты VT9 (А 1) поддерживается в открытом состоянии при гораздо меньшем токе нагрузки I_КЗ < I_Hmax,

где I_КЗ - установившийся ток в нагрузке в режиме короткого замыкания,

I_Hmax -максимальный ток нагрузки в режиме перегрузки. Нагрузочная характеристика стабилизатора имеет падающий участок с отрицательным сопротивлением (рисунок 4). Таким образом, обеспечивается защита стабилизатора от перегрузок по току в цепи нагрузки.

Резистор R4 обеспечивает лучшую управляемость силовым транзистором при запирании. Для уменьшения потерь в регулирующем транзисторе VT1 и для повышения КПД в схеме использовано отдельное питание микросхемы А1 и транзистора VT2. При этом снижается максимальное напряжение для микросхемы А1.

Конденсаторы С1, С2, С5 выполняют функции высокочастотных фильтров для питающих и выходного напряжений соответственно. Конденсатор С4 уменьшает коэффициент разомкнутой системы регулирования по напряжению для высокочастотной составляющей сигнала. Тем самым предотвращается возможность возбуждения схемы стабилизатора. Резисторы R2, R3 снижают потери мощности в микросхеме А1 и транзисторе VT2. Через резистор R1 осуществляется включение и выключение стабилизатора внешним сигналом.