Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет

Кафедра САПР

Курсовой проект по дисциплине схемотехника

на тему:

"Проектирование интегрального стабилизатора напряжения"

Выполнил:

Студент гр.3352

Сергеев М. В.

Проверил:

Соколов Ю. М.

Санкт-Петербург

2005г.

Техническое задание

Вариант №20.

Параметры	Значение
Номинальное выходное напряжение Uвых, В	18
Максимально допустимый ток нагрузки Iн.max, A	1
Падение напряжения вход-выход, не более Uвх-вых, В	3
Диапазон допустимых входных напряжений Uвх. min, B Uвх. max, B	21 33
Ток потребления в режиме холостого хода, не более Iпотр.,мА -	10
Коэффициент стабилизации, не менее Кст -	3*103
Выходное сопротивление, не более Rвых, Ом -	5*10-2
Относительная температурная нестабильность выходного напряжения , не более %/С -	0,01
Коэффициент сглаживания пульсаций, не менее Дб
Диапазон рабочих температур	-10…+70

Содержание

1. Общие сведения об источниках вторичного электропитания (ивэп)

ИВЭП, как правило, преобразуют напряжение сети Uc=220В±10% (переменное, нестабилизированное, f=50Гц) в стабилизированное низковольтное напряжение с малой пульсацией (например Uвых=15В±0,1%). Это обусловлено тем, что большинство электронных устройств и приборов питается от стабилизированного постоянного напряжения.

Типовая структурная схема ИВЭП:

U_c

U_вых

1

3

2

1 - силовой понижающий трансформатор, преобразует высокое переменное напряжение сети в низкое переменное напряжение при высоком КПД без изменения частоты;

2 - выпрямитель и фильтр (например, диодный мост с конденсатором на выходе), преобразующие переменное напряжение в низкое постоянное напряжение с некоторой пульсацией;

3 - стабилизатор постоянного напряжения. Его функции: а) стабилизирует выходное напряжение при изменении напряжения сети и тока нагрузки ИВЭП; б) уменьшает выходное сопротивление всего ИВЭП; в) осуществляющий дополнительную фильтрацию выходного напряжения, уменьшая его пульсацию.

Основной недостаток традиционной структуры ИВЭП  большие габариты и вес силового понижающего трансформатора, что обусловлено большим количеством обмотки для работы на низкой частоте (50 Гц). От этого недостатка свободно-перспективная структура ИВЭП:

U_c

U_вых

1

2

4

3

u

t

u

t

u

t

1 - высоковольтный выпрямитель и фильтр (например, диодный мост с конденсатором на выходе), преобразующий высоковольтное переменное напряжение в высоковольтное постоянное напряжение с некоторой пульсацией;

2 - понижающий преобразователь постоянного напряжения, преобразует высокое постоянное напряжение в низкое переменное напряжение, как правило, прямоугольной формы;

3 - выходной выпрямитель и фильтр, преобразует низкое переменное напряжение в низкое постоянное;

4 - выходной стабилизатор постоянного напряжения, как правило, необходим для уменьшения сопротивления всей схемы.

В перспективной структуре, также как и в традиционной, есть силовой понижающий трансформатор, преобразователи напряжения. Но т.к. трансформатор работает на частотах fk=50-100 кГц в сотни и тысячи раз больше fс , и значит его габариты и вес для той же выходной мощности в десятки раз меньше, чем в традиционной структуре.

Таким образом, двойное преобразование переменного напряжения в постоянное в перспективной структуре необходимо только для того, чтобы силовой понижающий трансформатор работал на высокой частоте и следовательно имел меньшие габариты и вес.

2. Стабилизаторы постоянного напряжения и их параметры

СПН – электронное устройство, которое стабилизирует постоянное напряжение на его выходе U_вых при изменении в широких пределах входного постоянного напряжения U_вх и тока нагрузки I_н. Таким образом, и U_вх, и U_вых постоянные напряжения, т.е. не знакопеременные, только U_вых стабилизированное напряжение, а U_вх нестабилизированное напряжение. Изменение напряжения U_вх, как правило, связано с изменением напряжения сети U_с (±10%), а напряжение тока нагрузки I_н связано с изменением эквивалента нагрузки R_н электронного устройства, получающего питание с выхода стабилизатора.

Основные параметры СН:

U_вых – номинальное выходное напряжение (напряжение стабилизации);

I_н.макс – максимальный ток нагрузки. СН должен стабилизировать выходное напряжение с заданной точностью при изменении тока нагрузки от 0 до I_н.макс;

K_u – коэффициент передачи по напряжению

k_ст – коэффициент стабилизации СН:

K_ст=( ∆ U_вх / ∆ U_вых )*( U_вых / U_вх) = ( 1/K_U )*( U_вых / U_вх)

R_вых – выходное сопротивление стабилизатора

R_вых = ∆ U_вых / ∆ I_н

α_Т – относительная температурная нестабильность выходного напряжения. Показывает на сколько % изменится U_вых при изменении температуры на один градус

α_Т = ( ∆ U_вых*100% ) / (∆ T*U_вых), [% / ˚C]

Параметры идеального стабилизатора

U_вых → сonst

I_{н макс} → ∞

K_ст → ∞

K_U → 0

В плане параметров K_ст и K_U стабилизатор дуален (противоположен) усилителю, так как усилитель должен в возможно большей степени увеличивать входной сигнал (K_ст → 0 , K_U → ∞), а стабилизатор должен ослаблять входной сигнал, воспринимая его как нестабильность (K_ст → ∞ , K_U → 0, R_вых → 0). В плане R_вых идеальный стабилизатор напряжения дуален идеальному стабилизатору тока (R_вых → ∞)

СПН классифицируются следующим образом:

1) параметрические стабилизаторы (КПД, η=0,3-0,4; I_н.макс=10-100 мА)

Их действие основано на нелинейности ВАХ кремниевых стабилитронов или диодов.

ВАХ стабилитрона

А

U_СТАБ

I_{СТ макс}

I_{СТ мин}

I_{СТ А}

U_СТ

I_СТ

R1, VD1 – параметрический стабилизатор, где VD1 – интегральный стабилитрон с напряжением стабилизации 6,3 В.

R_н - нагрузка

Из ВАХ видно, что в первом квадранте стабилитрон работает как открытый диод с напряжением на нём порядка 0,6 В, в третьем же квадранте стабилитрон работает в зоне обратного пробоя, где напряжение на нём практически не изменяется при вариации тока через стабилитрон в широких пределах. Это свойство (неизменность напряжения при изменении тока) и используется в параметрическом стабилизаторе.

При существенном изменении и тока значительно изменяется ток через стабилитрон, т.е. изменяется рабочая точка A, но при этом напряжение на стабилитроне, а, следовательно, на выходе стабилизатора практически не изменяется.

2) компенсационные стабилизаторы напряжения (КПД η=0,6-0,8; I_н.макс=100 - 1000 мА)

Их действие основано на общей отрицательной обратной связи (ООС), стабилизирующей напряжение на выходе СН. Регулирующий элемент (РЭ) в этих СН работает в непрерывном (активном) режиме, поэтому на нем рассеивается достаточно большая мощность. 3. импульсные стабилизаторы

U_вых

РЭ – регулирующий элемент.

ДУ – диференциальный усилитель сигнала рассогласования.

ИОН – источник опорного напряжения.

R1, R2 - делитель выходного напряжения.

Rн – эквивалент сопротивления нагрузки

Uвх ,Uвых – соответственно нестабилизированное входное и нестабилизированное выходное напряжение.

Iн - ток нагрузки.

Основное уравнение стабилизатора:

Основная идея такого стабилизатора состоит в том, что всё приращение входного напряжения выделяется на регулирующем элементе, при этом напряжение остаётся стабилизированным, т.е.:

.

Силовой ток нагрузки , измеряемый амперами в схеме на рис.5 течёт лишь по одной цепи:

.

Таким образом, в компенсационном стабилизаторе только одна цепь является сильноточной. Все остальные цепи – слаботочные (доли миллиампер).

Связь между входным и опорным напряжением в предположении, что ДУ - идеален:

.

Определим максимальную мощность рассеивания на регулирующем элементе данного стабилизатора. Она рассматривается при напряжении и определяется соотношением:

.

Если P > 1 – 2 Вт, то интегральную микросхему стабилизатора необходимо ставить теплоотвод.

3) Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (КПД, η=0,9-0,97; I_н.макс=1-10 А)

В этих стабилизаторах регулирующий элемент работает в ключевом режиме (открыт/закрыт). Стабильное напряжение на выходе поддерживается за счет вариации относительной длительности включенного и отключенного состояния регулирующего элемента.

Проектируемый стабилизатор – это компенсационный стабилизатор с отрицательной обратной связью.