Сравнительная оценка стабилизаторов различного типа.

Параметрические стабилизаторы напряжения являются наиболее простыми устройствами. Однако большой коэффициент стабилизации можно получить, применяя каскадное соединение стабилизаторов. Но КПД такой схемы очень низок.

Поэтому широкое распространение для питания различных нагрузок получили компенсационные стабилизаторы напряжения.

Компенсационные стабилизаторы последовательного типа обладают значительным КПД, экономичностью в режиме холостого хода и высоким коэффициентом стабилизации. Ввиду этих достоинств именно такие стабилизаторы получили широкое распространение. Однако их весьма существенным недостатком является низкая надёжность при перегрузках и в режиме короткого замыкания в цепи нагрузки, что необходимо при эксплуатации стабилизатора.

Важнейшим преимуществом стабилизатора параллельного типа является высокая надёжность при перегрузках и коротких замыканиях на выходе. Основным недостатком компенсационных стабилизаторов параллельного типа является их относительно низкий КПД, особенно при работе с малыми токами нагрузки.

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы.

В настоящее время наибольшее распространение получили схемы стабилизаторов напряжения, выполненные на основе операционных усилителей (ОУ).

Интегральные ОУ имеют встроенные средства ограничения выходного тока, то есть ограничен ток базы регулирующего транзистора и, соответственно, ток нагрузки Iн max=βiб max. Но величина β имеет значительный разброс и растет с увеличением температуры. Поэтому желательно включать схему ограничения выходного тока: резистор R3 и транзистор VT2 (рис.4.). VT2 — нормально закрытый транзистор, но если падение напряжения на R3 превысит величину, равную приблизительно 0,6 В, транзистор VT2 откроется и предотвратит дальнейшее увеличение базового тока транзистора VT1.

Рис.4. Принципиальная схема стабилизатора с ограничителем тока.

3. Расчёт принципиальной схемы.

1. Исходные данные для расчёта:

Номинальное выходное напряжение Uвых=12В

Номинальный ток нагрузки Iн=1 А

Относительное изменение входного напряжения ΔUвх= 20%

Коэффициент стабилизации Кст=10

Выходное сопротивление Rвых=0,02 Ом

Частота сети f=400 Гц

Дрейф выходного напряжения (%/С)=0,5

2) Находим максимальное, среднее и минимальное напряжениие на входе. Определяем наименьшее напряжение на входе стабилизатора:

Uвх min=Uн + Uкэ min=12+3=15 В ,

где Uкэ min-минимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT1. Исходя из того, что VT1 кремниевый, Uкэ min выбираем в пределе 3..5 В.

Учитывая нестабильность входого напряжения на входе стабилизатора 20%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

Uвх ср= Uвх min/0,80=15/0,80=18,75 В

Uвх max=1,2Uвх ср=1,2*18,75=22,5В

3) Выбор регулирующего транзистора.

Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе:

Uкэ max= Uвх max – Uн=22,5-12=10,5В

Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT1, равняется:

P1= Uкэ max*Iн=10,5*1 А=10,5Вт

По полученным значениям Uкэ max, Iн, P1 выбираем тип регулирующего транзистора.

Марка транзистора	КТ823А-1
Тип транзистора	n-p-n
Допустимый ток коллектора, Iк доп	3 А
Допустимое напряжение коллектор-эмиттер, Uк доп	45 В
Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред	20 Вт
Минимальный коэффициент передачи тока базы, h21min	25

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

-входное сопротивление транзистора h11э1=250 Ом;

-коэффициент передачи напряжения:

μ1= ΔUкб1/ ΔUэб1=1/ h12э1=1/0,042 = 23,8

μ1- коэффициент передачи напряжения

h12э1-коэффициент обратной связи.Равен отношению входного напряжения к выходному при разомкнутой входной цепи.

Находим ток базы транзистора VT1:

Iбз=Iн/h21эmin=1/25=0,04 А.

4) Расчёт схемы сравнения и УПТ. Величина опорного напряжения:

Uоп=Uст= (0.6…0.7) Uн=0,6*12=7,2В

В качестве источника опорного напряжения выбран стабилитрон Д815Б

Напряжение стабилизации Uст, В	7,2
Средний ток стабилизации Icт ном, мА	1000
Минимальный ток стабилизации Icт min, мА	50
Максимальный ток стабилизации Icт mах, мА	1100
Дифференциальное сопротивление стабилизатора Rд, Ом	0,8

Температурный коэффициент напряжения стабилизации ТК Uст=0,05(%/С)

Вычислим сопротивление резистора:

Rб= (Uвых- Uоп)/ Icт=(12-7,2) /1=4,8Ом

Выбираем в качестве усилительного элемента ОУ. Критериями выбора являются: симфазное напряжение:Uсф,равное Uст, входное напряжение Uвх, скорость нарастания выходного напряжения ОУ Vuвых.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:

Vuвыx<Uвх/tф 18,75/1-2<7-20 В/мкс

Указанным требованиям удовлетворяет ОУ типа КР574УД2Б

Выбираем ОУ с параметрами:

Коу=1000

Uпит,В=15

Iпотр,мА=10

Uвых,В=10

Ucф,В=5

Vcф,В/мкс=9.4

5)Расчёт делителя: выбираем ток делителя 5 мА, коэффициент деления 0,6

Резисторы выбираем из ряда номинальных значений сопротивления Е24

R2=Uст/Iдел=7,2/5=1,6кОм

R1=((Uн-Uст)/Uст)R2=1кОм

6) Выходное сопротивление стабилизатора. Регулирующий транзистор включен по схеме с ОК и охвачен отрицательной обратной связью через ОУ, поэтому:

Rвых=rэ/kоу; rэ=φт/Iэ= 0,025/1=0,025 Ом;

Rвых=25*(10^(-6)) Ом < 0,02 Ом

7) Коэффициент стабилизации стабилизатора напряжения:

Кст=(Uн* μ1*Коу)*Кдел/U вх max= ((12*23,8*1000)/22,5)*0,6= 7616

Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:

К_ст = 7616 > К_ст.зад = 10

8) Нестабильность выходного напряжения определяется увеличением напряжения стабилизации стабилитрона на 0,05 %/С. Нестабильностью резисторов R1и R2 с температурой можно пренебречь, так как оба резистора меняются с одинаковым температурным коэффициентом, так что

Найденные параметры удовлетворяют заданным условиям

9. Расчёт схемы защиты компенсационного стабилизатора от перегрузки. Устройства защиты стабилизаторов напряжения от перегрузок можно разделить на встроенные, воздействующие на регулирующий элемент стабилизатора, и автономные, содержащие отдельный ключевой элемент.

Обычно к стабилизаторам с защитой от короткого замыкания выходной цепи предъявляется требование автоматического возврата в рабочий режим после устранения перегрузки. Схема защиты компенсационного стабилизатора от перегрузки реализована на элементах VT1 и R3. Для расчёта принимаем ток срабатывания защиты равным 120% от Iн:

Iн max= 1,20 Iн=1,20*1=1,20 А

При напряжении на сопротивлении R3, равном 0,7 В, открывается транзистор VT2 и шунтирует регулирующий транзистор VT1.

R3=Uбэ2/ Iн max=0,7/1,2=0,58 Ом

Резистор такого номинала должен быть прецизионным (проволочным).