4.2.9 Исходные данные: Для схемы мостового стабилизатора напряжения параметры используемых стабилитронов приведены на рисунке 4.14

Рисунок 4.14 – Схема параметрического мостового стабилизатора

Определите напряжение на нагрузке (R_н).

Решение: Стабилитрон VD1 работает на обратном участке ВАХ (Uобратное), а VD2, VD3 и VD4 – на прямом. Поэтому, напряжение на нагрузке равно .

4.2.10 Исходные данные: Для схемы компенсационного стабилизатора рисунка 4.15 имеет место: U_ВХ = 48 В; Uэт = 6 В; R₁ = R₂ = R₃ = 1кОм.

Рисунок 4.15 – Схема компенсационного стабилизатора напряжения

Определите выходное напряжение стабилизатора.

Решение: Выходное напряжение зависит от коэффициента передачи следящего делителя R2, R3, который равен . В состоянии покоя напряжение, снимаемое с делителя равно эталонному. Тогда находим выходное напряжение:

.

4.2.11 Исходные данные: Параметры схемы компенсационного стабилизатора тока (рис. 4.16) следующие: U_ВХ = 48 В; Uэт = 6 В; R₁ = R₀ = 1кОм; R_Ш = =0,5 Ом; R_Н = 3 Ом.

Рисунок 4.16 – Схема компенсационного стабилизатора тока

Определите ток нагрузки стабилизатора.

Решение: Падение напряжения на шунте должно быть равно напряжению эталонного источника. Поэтому, ток нагрузки рассчитывается через эталонное напряжение и сопротивление шунта Rш:

.

4.2.12 Исходные данные: Параметры импульсного стабилизатора напряжения приведены на схеме рисунка 4.17.

Рисунок 4.17 – Схема импульсного стабилизатора

Определите выходное напряжение в схеме стабилизатора (все элементы идеальные).

Решение: В данной схеме напряжение на выходе зависит от эталонного источника и коэффициента передачи следящего делителя:

, .

4.3 Расчет стабилизатора постоянного напряжения

4.3.1. Расчет параметрического стабилизатора с УПТ.

Исходными данными для приближённого расчета параметрического стабилизатора напряжения (рис. 4.18) являются:

• напряжение в нагрузке U_Н , В;

• ток нагрузки I_Н , А.

Рисунок 4.18 – Схема параметрического стабилизатора с УПТ

Расчет простейшего параметрического стабилизатора с УПТ выполняется в следующей последовательности.

1. Определяется выходное напряжение выпрямителя :

, (4.9)

где .

2. Расчёт максимальной мощности рассеяния регулирующего транзистора

VT:

. (4.10)

3. Выбор регулирующего транзистора VT из условий [18]:

, ,,

где – максимально допустимая мощность рассеяния на коллекторе;

–максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер;

–максимально допустимый ток коллектора.

4. Расчёт максимально допустимого тока базы регулирующего транзистора VT

, (4.11)

где – минимальный коэффициент передачи тока выбранного____ транзистора.

5. Выбор стабилитрона VD. Его напряжение стабилизации должно быть равно выходному напряжению стабилизатора , а значение максимального тока стабилизациидолжно превышать максимальный ток базы , т.е.

, .

6. Расчёт величины сопротивления R параметрического стабилизатора напряжения

. (4.12)

Обычно .

7. Расчёт мощности, рассеиваемой резистором R

(4.13)

8. Выбираем типа и номинал резистора R [19].

9. Расчёт коэффициента стабилизации K_ст :

, (4.14)

где – дифференциальное сопротивление стабилитрона, определяемое по таблице П10 прил. Г.

10. Расчёт выходного сопротивления стабилизатора напряжения:

. (4.15)

На этом примерный расчет параметрического стабилизатора с УПТ на выходе закончен.

4.3.2. Расчет импульсного стабилизатора напряжения. Функциональная схема понижающего импульсного стабилизатора напряжения (ИСН) показана на рис. 4.19 [20] .

Рисунок 4.19 – Схема импульсного понижающего стабилизатора

Исходными данными для расчета ИСН являются:

- напряже­ние U_п и пределы его изменения DU;

- внутреннее сопротивление источника постоянного напряжения R_и;

- номинальное выходное на­пряжение стабилизатора U_н и допустимые пределы его регули­ровки DU_н;

- максимальный I_н max и минимальный I_н min токи нагрузки;

- допустимая амплитуда пульсаций выходного напряжения стабили­затора U_н~;

- коэффициент стабилизации К_cт и внутреннее сопротив­ление r_н;

- максимальный температурный уход напряжения dU_н. т на нагрузке;

- предельные значения температуры окружающей среды T_c min и Т_с mах.

Порядок расчета понижающего импульсного стабилизатора по схеме рис. 4.19.

1. Выбираем частоту преобразования f_п и принимаем ориен­тировочно значение КПД h_ст = 0,85…0,95.

2. Определяем минимальное и максимальное значения отно­сительной длительности (коэффициент заполнения) импульса на­пряжения на входе фильтра:

g_min = (U_н - DU_н) / [h_ст (U_п + DU_п)],

g_max = (U_н + DU_н) / [h_ст (U_п - DU_п)]. (4.16)

3. Из условия сохранения непрерывности тока дрос­селя определяем его минимальную индуктивность

L_min ³ (U_н + DU_н) (1 - g_min) / (2I_{н min} f_п). (4.17)

4. Вычисляем произведение LC_н по заданному значению пульсации напряжения на нагрузке

LC_н = (U_н - DU_н) (1 - g_min) / (16U_н~ f_п²) (4.18)

и определяем индуктивность дросселя (с током I_L ³ I_н max) и емкость конденсатора .

5. Амплитуда тока через конденсатор C_н :

I_{C max} = (U_н - DU_н) (1 - g_min) / (2L f_п).

Действующий ток через конденсатор

(4.19)

6. Определяем среднее и предельные значения тока, проте­кающего через дроссель при U_{п max} и I_{н max}:

I_Lср = I_{н max}, I_{L min} = I_{н max} - I_{C max}, I_{L max} = I_{н max} + I_{C max}. (4.20)

7. Задаемся значением I_K m = (1,2…2) I_L ср и с учетом частоты преобразования выбираем регулирующий транзистор по току и на­пряжению:

I_{K max} > I_{K m} или I_{K max} > I_{L max};

U_{КЭ max} > (U_п + DU_п).

8. Выбор импульсного диода проводится с учетом частоты преобразования по прямому току и обратному напряжению

I_пр > I_{L max};

U_{обр. и. р} > U_{п max} = (U_п + DU_п).

9. Вычисляем ток дросселя I_{L ср} и коэффициенты K_тр1 и K_тр2,

I_L = I_{н max} - (U_н - DU_н) (1 - g_min) / (2L f_п),

K_тр1 = I_{K m} / I_Б h_{21Э max},

K_тр2 = I_L / I_Б h_{21Э max}, (4.21)

где h_21Э min, h_21Э max, I_Б = I_Б max / h_21Э min - предельные значения коэф­фициента передачи и базовый ток регулирующего транзистора.

10. По графикам на рис. 4.20 определяем t_Б,

Рис. 4.20 - Зависимость относительной величины выброса коллекторного тока K_тр1 = I_{К m} / I_Б h_21Э от относительной величины тока дросселя K_тр2 = I_L / I_Бh_21Э для различных значений _Б/_эфф.

а затем емкость конденсатора C_Б » 1,6 I_Б t_Б / DU_ЭБ, включенного параллельно пере­ходу эмиттер-база транзистора (DU_ЭБ - изменение напряжения эмиттер-база на входной характеристике транзистора, соответст­вующее изменению базового тока на I_бн).

11. Определяем времена включения, выключения и рассасы­вания регулирующего транзистора (при t_Б < t_т) соответственно:

t_{вкл max} » t_Б ln[(1 - t_Б / 2t_т) (1 + K_{нас min})/K_{нас min}],

t_{выкл max} » t_Б ln[(I_зап + I_{L max}/h_{21Э min}) / I_зап],

t_{рас max} »t_нln{1-K_нас I_{К нас}/[h_{21Э max} (I_Б +I_зап)]}^-1/2, (4.22)

где t_т » h_21Э R_КC_К + 1/2 f_гр;

I_К нас = I_н min + (U_н + DU_н) (1 - g_min)/(2L f_п);

I_зап - запирающий транзисторный ток;

t_н - постоянная времени накопления заряда в базе насыщенного транзистора;

K_нас = (I_Б h_21Э - I_К нас) / I_Кнас - коэффициент насыщения;

f_гр, R_К - граничная частота и внешнее сопротивление в цепи коллектора транзистора соответственно.

12. Потери мощности на транзисторе определяются в основном потерями в режиме насыщения и динамическими (в моменты переключения):

P_{K нас} = I_{н max} U_{КЭ нас} g_max,

P_{K дин} = 0,5 f_п (U_п + DU_п) (I_{K m} t_вкл + I_{L max} t_выкл),

P_K = P_{K нас} + P_{K дин}.

13. Потери мощности на диоде определяются потерями в прямом направлении и динамическими при его выключении

P_д = I_{н max} U_пр (1 - g_min) +f_п (U_п + DU_п) (I_{K m} - I_{L min}) t_{вос. обр} / 6. (4.23)

14. По заданному значению K_ст вычисляем коэффициент передачи схемы управления

K_ШИМ = (K_ст - 1) / (U_п - DU_п). (4.24)

15. Вычислим потери мощности в дросселе и определим КПД и внутреннее сопротивление стабилизатора:

P_L » I_{L ср}² r_L,

h_ст = U_н I_{н max} / (U_н I_{н max} + P_т + P_д + P_L + P_{с. у}),

r_н = r_Э g_max / [1 + K_ШИМ (U_п - DU_т)], (4.25)

где r_L - сопротивление дросселя;

r_Э = R_и + r_L + r_КЭ;

R_и, r_КЭ - соответственно сопротивление источника питания и перехода коллектор-эмиттер насыщенного транзистора.

На этом расчёт стабилизатора закончен.