Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»

Кафедра Микросистемная техника,

материаловедение и технологии

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ СРЕДСТВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ

Методические указания к курсовой работе по курсу «Автоматизация проектирования систем измерений и испытаний» для специальности «Метрология и метрологическое обеспечение»

Москва 2012

Введение

Курсовая работа "Проектирование стабилизатора напряжения с применением средств математического моделирования физических процессов и показателей надежности" выполняется студентами специальности «Метрология и метрологическое обеспечение» в 9-ом семестре. Цель работы: приобретение практических навыков разработки узлов электронных средств, входящих в состав систем измерений и испытаний, с использованием средств автоматизации проектирования.

Выполнение курсовой работы происходит в соответствии с планом и контролируется руководителем. В процессе работы студентом выбирается схемное и конструктивное решение стабилизатора напряжения, выполняются необходимые расчеты и чертежи, оформляется пояснительная записка. Защита курсового проекта проводится в назначенный преподавателем срок. Материалы курсовых работ передаются на хранение на кафедру Микросистемная техника, материаловедение и технологии.

1. Основные сведения об объекте проектирования

Объектом проектирования в данной курсовой работе является стабилизатор напряжения.

Стабилизатор напряжения – преобразователь электрической энергии, позволяющий при значительных колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах.

По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы напряжения постоянного тока и переменного тока. В данной работе рассматриваются линейные стабилизаторы постоянного тока.

Линейный стабилизатор [4] представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах.

Преимуществами линейного стабилизатора являются простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

Основной недостаток линейного стабилизатора проявляется при большом отношении величин входного/выходного напряжений. В этом случае он имеет низкий КПД, так как рассеиваемая на регулирующем элементе мощность P_расс = (U_вх – U_вых)·I_т преобразуется в тепло. Поэтому при конструктивной реализации регулирующий элемент должен быть установлен на радиатор.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа:

Последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.

Параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

По способу стабилизации линейные стабилизаторы делятся на:

Параметрические – принцип действия основан на использовании участка ВАХ прибора, имеющего большую крутизну.

Компенсационные – основанные на использовании обратной связи, когда напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, и из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Пример параллельного параметрического стабилизатора на стабилитроне приведён на рисунке 1.

Рисунок 1. Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Применение данного стабилизатора ограничивается слаботочными схемами, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке R_Н. Часто такая схема применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов.

Схема последовательного стабилизатора на биполярном транзисторе показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

Его работа основана на следующем принципе:

1) Напряжение U_бэ слабо зависит от величины тока, протекающего через p-n переход и для приборов на основе кремния приблизительно составляет примерно 0,6-0,7 В. Это напряжение, необходимое для преодоления потенциального барьера p-n перехода, существующего между областями эмиттера и базы.

2) Напряжение U_оп определяется напряжением стабилизации стабилитрона.

3) Выходное напряжение U_вых = U_оп – U_бэ. То есть выходное напряжение U_вых постоянно и не зависит от тока и сопротивления нагрузки, а также от изменения входного напряжения U_вх.

Схема последовательного компенсационного стабилизатора с применением операционного усилителя приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Последовательный компенсационный стабилизатор с применением ОУ

Часть выходного напряжения U_вых снимаемая с подстроечного резистора R2 сравнивается с опорным напряжением U_оп на стабилитроне D1. Разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора. Делитель напряжения (R1, R2, R3) позволяет настроить значение U_вых в пределах от U_оп до U_вх (в отличии от стабилизатора на биполярном транзисторе, где U_вых всегда меньше U_оп).