курсовая работа / Стабилизатор постоянного напряжения № 5-8 / Пояснительная записка

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Разработать и рассчитать стабилизатор напряжения на дискретной элементной базе или ОУ с параметрами, приведенными в таблице

Вариант	Входное напряжение	Uвых., В	Iвых., А	Кст.	Кп,%	Элементная база, наличие защиты
5-8	± 20 В ± 10%	3 - 15	5	5000	0,1	ОУ, защита по току

ВВЕДЕНИЕ

Широкое развитие радиоэлектроники и внедрение ее во все отрасли науки и техники являются реалией нашего времени. Для нормального функционирования всех видов радиоэлектронных устройств (вычислительных комплексов, аппаратуры радио и связи, робототехнических средств и т.д.) необходимы системы энергетического снабжения.

Высокие технико-экономические показатели радиоэлектронных устройств во многом зависят от параметров источников вторичного электропитания.

Наиболее распространенной являются ИВЭ (источники вторичного электропитания), состоящие из источника переменного напряжения, выпрямителей и стабилизаторов постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как стабильные источники питания, обеспечивающие надежность работы, в других – еще и как источники эталонного (образцового) напряжения.

Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности и небольших габаритов. Дальнейшее развитие ИВЭ привело к созданию и развитию класса силовых интегральных микросхем.

1 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

По используемому принципу действия полупроводниковые стабилизаторы напряжения (ПСН) делятся на параметрические и компенсационные.

В первом типе ПСН используют постоянство напряжения на некоторых видах приборов при изменении протекающего через них тока. Во втором типе ПСН задачу стабилизации напряжения решают по компенсационному принципу, основанном на автоматическом регулировании напряжения подводимого к нагрузке.

По режиму работы различают ПСН непрерывного и импульсного действия.

В ПСН непрерывного действия регулирующий элемент (РЭ) работает в активном режиме и стабилизация Uвых осуществляется непрерывно, за счет компенсации изменения напряжения на нагрузке изменением напряжения на РЭ.

В ПСН импульсного действия РЭ работает в импульсном, т.е. ключевом режиме. В импульсном ПСН энергия поступает от источника прерывисто, при этом возможно два режима регулирования напряжения на нагрузке:

- при постоянной частоте, изменением длительности импульса;

- при постоянной длительности импульса, изменением их частоты.

Импульсные стабилизаторы имеют следующие достоинства по сравнению с ПСН с непрерывным регулированием:

- в несколько раз меньше мощность рассеяния регулирующего

транзистора;

- более высокий КПД;

Недостатки:

- большая величина пульсации U_ВЫХ;

- большая сложность схемы;

- плохие динамические свойства при импульсном изменении тока нагрузки.

ПСН непрерывного действия имеют высокий коэффициент стабилизации,

низкое выходное сопротивление и малую величину пульсации выходного напряжения. По месту включения РЭ относительно нагрузки ПСН делятся на параллельные и последовательные. В первых из них регулирующий транзистор включается параллельно нагрузке, а во вторых – последовательно с ней.

Так как на вход подается сетевое напряжение, то необходимо использовать выпрямитель с фильтром, для выпрямления напряжения и уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

В результате синтезируем следующую структурную схему:

РЭ – регулирующий элемент, Тр – трансформатор, В - выпрямитель, Ф – фильтр, Н – нагрузка, И – источник опорного (эталонного) напряжения, ЭС – элемент сравнения, У – усилитель постоянного тока.

Рисунок 1- Структурная схема

2 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

В источниках питания находят применение различные схемы выпрямителей. Чаще всего они выполняются со сглаживающим конденсатором на выходе и, следовательно, работают на емкостную нагрузку. В данном случае воспользуемся мостовой схемой выпрямителя.

Однофазная мостовая схема выпрямителя характеризуется более эффективным использованием трансформатора.

Высокие качественные показатели имеют ПСН, в качестве УПТ которых применены ОУ в интегральном исполнении. Улучшение параметров ПСН при применении в них ОУ обуславливается высоким коэффициентом усиления ОУ и глубокой ООС, охватывающей стабилизатор.

Рисунок 2 - Принципиальная схема ПСН на основе ОУ

Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1, в качестве УПТ применен ОУ DA1.

Неинвертирующий вход ОУ подключен к параметрическому стабилизатору на резисторе R2 и стабилитроне VD1, служащему источником опорного напряжения. С делителя R3, R4, R5 снимается часть выходного напряжения, которое в ОУ сравнивается с опорным напряжением. Выход ОУ подключен к базе VT1, включенного по схеме с ОК, что обуславливает более низкое выходное сопротивление ПСН, чем при включении VT1 по схеме с ОЭ.

Для питания ОУ и устройств на них применяются, как правило, двухполярное напряжение. Для его получения могут использоваться 2 одинаковых ПСН (Рисунок 3).

В номинальном режиме потенциал средней точки делителя R7 – R8 будет равен потенциалу общей шины, т.е. 0. Т. о., U_ДИФ2 = U₀₂ = 0. При уменьшении отрицательного U_ВЫХ2 потенциал инвертирующего входа DA2 становится положительным. Это напряжение усиливается и инвертируется, поэтому U_ВЫХ DA2 становится более отрицательным; токи базы, коллектора, эмиттера увеличиваются, U_КЭ VT2 падает, а U_ВЫХ увеличивается до номинального значения.

При уменьшении положительного UВЫХ1 из-за внешних факторов или за счет регулировки резистором R4, потенциал средней точки делителя R7 – R8 становится отрицательным. Это напряжение усиливается и инвертируется ОУ DA2. его выходное напряжение становится более отрицательным. В результате UБЭ2 падает, его токи базы, коллектора, эмиттера уменьшаются, а UКЭ2 возрастает до тех пор, пока потенциал средней точки делителя R7 – R8 не станет равным 0. это произойдет при U_ВЫХ1 = U_ВЫХ2.

Рисунок 3- Принципиальная схема с двумя ПСН

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 А- 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 следующие 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 коэффициентов:

B=0,99;

D=2,3;

F=6,5;

H=300;

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода и эффективное 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 конденсатор 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/мк

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

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

Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:

К_ст = 18750 > К_ст.зад = 5000;

К_п = 4´ 10^-3 % < К_п.зад = 100´10^-3 %.

Полученные параметры удовлетворяют заданным условиям.

4 РАСЧЕТ КПД УСТРОЙСТВА

Определяем номинальное и минимальное значения КПД :

U_H * I_H 15 * 0.3

η_ном = ——— = ——— = 0,75

U_ВХ * I_H 20 * 0,3

U_H * I_H 15 * 0,3

η_ном = ————— = ——— = 0,68

U_ВХМАХ * I_H 22 * 0,3

Определяем КПД выпрямителя:

где потери в вентиле:

P_Д = I0 U_ПР N = 0,314=1,2 Вт.

Расчет КПД устройства:

Коэффициент полезного действия рассчитываемого устройства может быть найден из произведения КПД его составных частей – выпрямителя и стабилизатора:

КПД компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения порядка 50-60%, следовательно, сравнительно низкий полученный КПД является недостатком данного типа стабилизаторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Курсовой проект выполнен в соответствии с заданием на проектирование, полученные результаты К_СТАБ=18750, К_П0.004% удовлетворяют требуемым заданиям.

КПД устройства 63%, это говорит об эффективности использования стабилизаторов напряжения на основе операционного усилителя.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Додик С.Д. Полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения и тока (с непрерывным регулированием).- М.: Сов.радио, 1980.- 618 c.

2. Вересов Г.П. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры.- М.: Энергия, 1978.- 192 с.

3. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. - Киев: Вища школа, 1983. – 240 с.

4. Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоэлектронной радиоаппаратуры. – М.: Высшая школа, 1989. – 463 с.

5. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник/ В. Л. Аронов, А. В. Баюков, А. А. Зайцев и др. Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 904 с.

6. Интегральные микросхемы: Операционные усилители и компараторы: Справочник/ В. Д. Авербух, Н. В. Каратаев, А. В. Макашов и др. – 2-е изд., испр. и доп. – М.: Додэка – XXI, 2002. – (Интегральные микросхемы). – 560 с.

7. Путеводитель по электронным компонентам: Справочное пособие/ Жан-Франсуа Машу; Пер с фр. О. З. Попкова. – М.: Додэка – XXI, 2001. – 176 с.

8. Резисторы. Конденсаторы. Транзисторы. Дроссели. Коммутационные устройства. РЭА: Справочник/ Н. Н. Акимов, Е. П. Ващуков, Ю. П. Прохоренко. – Минск: Беларусь, 1994. – 591 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(обязательное)

Графическая часть

1 Схема электрическая принципиальная 21

2 Перечень элементов 22

21

УИТС.ХХХХХХ.104 ПЗ

Лист

Дата

Подпись

№ документа

Лист

Изм.