Остановим выбор на компенсационном стабилизаторе.

Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения бывают последовательного и параллельного типов [1].

	Рисунок 2

 

	Рисунок 3

 

        Различие приведенных схем состоит в следующем. В последовательных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе возрастает при увеличении напряжения на нагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузки. В параллельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входного напряжения, а ток находится в прямой зависимости от напряжения на нагрузке.

        Параллельные стабилизаторы не чувствительны к перегрузкам по току, так как с увеличением  тока Iн ток регулирующего элемента уменьшается. При токах Iн, заметно больших расчётного значения Iн.макс, регулирующий элемент запирается. При коротком замыкании на выходе напряжение Uвx полностью падает на балластном сопративлении Ro и регулирующий транзистор оказывается в не опасности. Последовательные стабилизаторы чувствительны к перегрузкам, поскольку ток нагрузки и ток регулирующего элемента возрастают одновременно и в равной степени. При токах Iн>Iн.макс усилительный и опорный элементы оказываются запертыми, а регулирующий транзистор работает с максимальным базовым током, определяемым величиной токоотводящего сопротивления и разностью потенциалов Uвх-Uвых. Короткое замыкание на выходе (Uвых=0) увеличивает базовый ток регулирующего транзистора и напряжение на нём обычно в несколько раз. При этом рассеиваемая мощность возрастает на порядок и больше и транзистор неизбежно выходит из строя. Этот недостаток последовательных стабилизаторов заставляет дополнять их схему тем или иным типом защиты.

Такая защита при заданном повышении нагрузочного тока над расчётным значением Iн.макс либо быстро снимает напряжение питания, либо резко уменьшает ток регулирующего транзистора, отключая его базу от токоотводящего резитсра.

При одном и том же выходном напряжении и обчных значениях допусков в последовательных стаблизаторах требуется менее высоковольтный транзистор, чем в параллельных. Однако этот вывод не учитывает аварийной ситуации, когда на регулирующем транзисторе может в течении короткого времени действовать полное напряжение питания. Поэтому практически в обоих типах стабилизаторов ориентируются на одно и то же условие Up.доп≥Uвх.макс. Усилительные транзисторы выбирают из того же условия, что и регулирующий элемент.

При одном и том же токе нагрузке в параллельных стабилизаторах требуется примерно вдвое более сильноточные транзисторы, чем в последовательных. По мощности разница получается ещё больше. Однако при наличии «гасящего» сопративления в параллельных стабилизаторах разница в допустимой мощности регулирующих элементов делается практически несущественной.

Коэффициент полезного действия у последовательных стабилизаторов зависит от напряжения Uр.мин, которое не входит в выражении для параллельных стабилизаторов. Поэтому однозначное сравнение, строго говоря, невозможно. Всё же, КПД у последовательных стабилизаторов несомненно выше, чем у параллеьных.

Таким образом, при решении конткретных задач параллельные стабилизаторы могут быть практически равноценным, а с учётом перегрузочной способности – даже оптимальным вариантом.

Учитывая всё выше сказанное, выбираем компенсационный параллельный стабилизатор.

Согласно заданию курсовой работы, нам необходимо разработать вторичный источник электропитания с защитой от перегрузок. Параллельный компенсационный стабилизатор идеально подходит условию защиты от перегрузок. Тем более, что целью разработки данного источника питания является ничто иное, как получение более стабильного напряжение. КПД схемы и Кст не являеются решающими величинами в расчёте. Поэтому, я считаю, оптимальным выбром для построения вторичного источника питания с защитой от перегрузок является компенсациооный стабилизатор параллельного типа.

Структурная схема компенсационного стабилизатора параллельного типа.

Iy

Рисунок 4

где

Rб - баластное сопративление

Р – регулирующий элемент

СУ – сравнивающее устройство

О – опорный элемент

Rн – сопративление на нагрузке

На основании рис. 4 легко записать:

Iy+Ip+Iн=Uвх-Uвых/Ro.

Т.е. ток регулирующего элемента зависит от двух величин – тока нагрузки и входного напряжения. А именно, если Uвх=const, то изменение тока Iн сопровождается таким же, но противоположным по знаку изменением тока Ip; иначе говоря, токи Ip и Iн меняются во взаимно противоположных направлениях:

ΔIp=-ΔIн.

Данное выражение приводит к выводу, что ток регулирующего элемента минимален при максимальном токе нагрузки и минимальном входном напряжении.

Оканчательная схема, по которой будем проводить расчёт представлена на рис. 5.

Рисунок 5

Где транзистор Т1 играет роль регулирующего элемента, Т2 усилительного транзистора, стабилитрон Д – источник опорного напряжения, резисторы Rд1 и Rд2 – делитель напряжения.

                Основными параметрами, характеризирующими стабилизатор, являются:

1. Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора при постоянной нагрузке.

Kсти = DUвх / Uвх : DUвых / Uвых ,

где Uвх и Uвых - номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора.

DUвх и DUвых  - изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.

Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров.

2. Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении.

Rвых = DUвых / DIвых ,  при Uвх = const.

3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

h = Uвых ´ Iвых  /  Uвх ´ Iвх .

4. Дрейф (допустимая нестабильность) выходного напряжения. Временной и температурный дрейф характеризуется величиной относительного и абсолютного изменения выходного напряжения за определенный промежуток времени или в определенном интервале температур.

3. Расчет принципиальной электрической схемы

3.1 Расчет регулирующего элемента

Расчёт регулирующего элемента производим по методике, изложенной в [1, c 624]  и [2, с 66].

Реглулирующий транзистор выбирается таким образом, чтобы он выдерживал коллекторное напряжения, равное максимальному выходному напряжению Uн.макс.

Uр.макс=Uн.макс <Uкэ.макс,                                                    (1)

где Uкэ – напряжение колллектор-эмитер регулир. транзистора,В

Uн.макс – максимальное напряжение на нагрузке, Uн.макс=10 В

Uкэ.макс – максимальное напряжение колллектор-эмитер регулир. транзистора,В.

Находим минимальный входной ток Iвх.мин, величина характерная для параллельных стабилизаторов:

Iвх.мин=Ip.мин+Iн.макс,                                         (2)

где Ip.мин – минимально допустимый ток регулирующего элемента, выбирается из условий сохранения приемлемых параметров регулирующего элемента. Принимаем за Iвх.мин минимально допустимый ток коллектора, равный 1 мА.

Iн.макс – максимальный ток на нагрузке, по заданию Iн.макс=5 А.

Iвх.мин=5+1*10-3=5,001 А.

Находим величину балластного сопративления Ro  по формуле:

Ом                                  (3)

где δпит – нестабильность питающего напряжения.

Uвых – выходное напряжение.

Т.к по рекомендациям в [1, с 625] значения Ro<Rопт применять на практике не следует, так как они, не давая никаких преимуществ, уменьшают коэффициент стабилизации. Поэтому принимаем Ro=0.7 Ом.

Мощность баллластного сопративления Ro равна:

Pбл=(Uпит.мин-Uн)2/Ro=(16,2-10)2/0,7=54,9 Вт                        (4)

Выбираем резистор МЛТ – 0,125 – 0,7 Ом.

Расчитываем номинальный ток регулирующего элемента Ip.ном:

Ip.ном=Iр.мин+(Uвх.ном-Uвх.мин)/Ro=

Ip.мин+δпитUвх.мин/Ro=0,001+0,1*18/0,7=2,572 А           (5)

где Uвх.ном – номинальное входное напряжения,18 В

Uвх.мин – минимальное входное напряжение.

Максимальный ток регулирующего элемента:

Ip.макс= Iвх.мин+δпитUвх.мин/Ro=

5,001+0,1*18/0,7=7,572 А                         (6)

Максимальная мощность регулируемого элемента:

Pр.макс=Iр.максUвых=7,572*10=75,72 Вт                  (7)

По рекомендациям [1, с 626] Pр.макс можно существенно уменьшить, если последовательно с регулирующим элементом включить «гасящее» сопративление R2. Максимальная рассеиваемая мощность Рр.макс получается при Uр=Uвых/2, т.е. Pmax=Uвых2/4R. Сопротивление R2 выбирают из условия: Iр.максR2≤Uвых, т.е.

R2≤Uвых/Iр.макс=10/7.572=1.32 Ом                 (8)

Рассеиваимая мощность на гасящем сопративлении R2:

P2=3/4*Uвых*Iр.макс=3/4*75.72=56.8 Вт          (9)

Тогда максимальную мощность регулирующего элемента Pр.макс перещитываем:

Pр.макс =1/4*Uвых*Iр.макс=1/4*7,572*10=18,93 Вт          (10)

В качестве гасящего соптротивления R2 выбираем транзистр МЛТ – 0,125 – 1,3 Ом.

Т.к. последовательно с регулирующим элементом мы включили «гасящее» сопративление R2, то напряжение на регулирующем элементе Up=Uкэ будет:

Uкэ=Uн.макс-Ip.ном*R2 =10-2,572*1,32=6,6 В                   (11)

Однако, выбор регулирующиего транзистора должен осуществляться в соответствии с (1), для того, чтобы обеспечить большую стабильность и предотвращения выхода из строя при случайных перегрузках стабилизатора.

По полученным значениям, Iр.макс, Uр.макс, Pр.макс выбираем по [5, c. 470] в качестве регулирующего транзистора Т1 мощный кремниевый транзистор КТ803А n-p-n типа с параметрами:

Iк.макс=10 А

Uкэ.макс=60 В

Pк.макс=60 Вт

Uэб.макс=4 В

Параметры h транзистора определяем из ВАХ:

Из графиков находим коэффициенты h11э и  h21э.

h11э=ΔUбэ/ΔIб=0,2/100*10-3 =2 Ом

h21э при при номинальном токе Ik=2 А, равен ≈16

3.3 Расчет источника опорного напяжения.

Расчёт и выбор источника опорного напряжения произовдим по [2, c 80].

Выбираем источник опорного напряжения – кремниевый стабилитрон 2С156А с характеристиками:

Uст=5,6 В (напряжение стабилизации)

Iст.min=3 мА (минимальный ток стабилизации)

Iст.max=55 мА (максимальный ток стабилизации)

rст=46 Ом (сопротивление стабилитрона)

TKU=±0,005% (температурный коэффициент напряжения)

Выбираем сопротивление стабилизации Rст  для стабилизации заданного напряжения на стабилитроне

Rст=Uн-Uст.макс/Iст.мин=10-5,6/8*10-3=550 Ом                        (12)

Мощность, рассеиваемая на Rст:

PRст=(Uн-Uст.мин)2/Rст=(10-5.6)2/550=0.0352 Вт                        (13)

Выбираем резистр МЛТ – 0,125 – 550 Ом.

3.4 Расчет усилительного    элемента

Расчёт усилительного элемента производим по методике в [2, c 80].

Задаём рабочий коллекторный ток Iк2=1,5*10-3

Определяем предельное рабочие напряжение в транзисторе T2 Uэк2

Uкэ2=Uн-Uст.мин + Uбэ1.макс=10.2-5.6+4=8.6 В                (14)

Выбираем усилительный транзистор Т2 по [5, c 153]  ГТ402А с параметрами:

Uкэ.макс=25 В (предельное напряжение коллектор-эммитер)

Iк=0,5 А (предельный ток коллектора)

Pк=0,3 Вт (предельная рассеиваемая мощность коллектора)

Параметры h транзистора определяем из ВАХ:

Из графиков находим коэффициенты h11э и  h21э.

h11э=ΔUбэ/ΔIб=100/4,5 =22 Ом

h21э при при номинальном токе Ik=1,5 мА, равен ≈50

Проверяем величину рассеиваемой мощности на коллекторе

P2max=Iк2*Uэк2=1,5*10-3*14,6=0,0219 Вт                      (15)

Таким образом условие Р2max<Pдоп выполняется.

3.4 Расчёт измерительного элемента.

Расчёт измерительного элемента производим по [3,с 24] и [2, с 81].

Учитывая, что Uст1≈Urд1 и  Uн=Urд2+Urд1=10 В

Задаём минимальный ток через делитель напряжения Iд=0,03 А.

По рекоменндациям Iд должен быть на порядок больше чем Iб2, но не превышать ≤10% от Iн=3 А

Рассчитываем сопротивление делителя:

Rд2=Uст/Iд=5.6/0.03=187 Ом                                    (16)

Rд1=(Uпит-Uст)/Iд=(10-5.6)/0.03=147 Ом                           (17)

Общая рассеиваимая мощность делителя равна:

Prд=Uн.макс2/Rд1+Rд2=100/187+147=100/334=0.3 Вт              (18)

3.5 выходное сопротивление и Проверочные расчёты.

Выходное сопротивление Rвых расчитываем по [1, с 626] с помощью программы Mathcad (см. Приложение):

                             (19)

где Ro – баллстное сопративление

Ry – сумма входных сопротивлений транзисторов

Ki – суммарный коэффициент усиления тока в Т2 и Т1 транзисторах

R∞ - характеристическое сопротивление.

Ry=h11э1+H11э2=2+22=24 Ом                             (20)

Кi=h21э1*h21э2=16*50=800                                 (21)

Ом                                  (22)

Rвых=Ro|| R∞=0.7*0.003/0.7+0.003=0.029 Ом           (23)

Коэффициент стабилизации Кст найдём по формуле:

     (24)

Общую нестабильность системы  определяем по формулам [1, c 622].

Общая нестабильность системы  равна сумме частных нестабильностей выходного напряжения по току и напряжению.

                               (25)

где  - частная нестабильность выходного напряжения по току

 - частная нестабильность выходного напряжения по напряжению

                            (26)

                               (27)

Общая нестаильность системы в процентах = *100%=0,016%, что не превышает заданного значения в 2%.

Для определения коэфициент полезного действия найдём суммарные потери мощности в схеме

ΣРпот=Рк1+Рк2+Ркд+РRб+РRст+РR2=

75,72+0,0219+0,3+54,9+0,0352=131 Вт                     (28)

Минимальный коэфициент полезного действия (при максимальном токе на нагрузке) стабилизатора:

Заключение

В данной работе я произвел расчёт вторичного источника электропитания с защитой от перегрузок. В качестве принципиальной схемы я использовал компенсационный стабилизатор параллельного типа, который предусматривает защиту от перегрузок. Недостаток данной схемы состоит в низком коэффициенте полезного действия и коэффициенте стабилизации. Данную схему можно модернизировать, использовав составной транзистор в регулирующем элементе или использовав стабилизатор последовательного типа (с дополнительной схемой защиты). В данной работе приведено оптимальное решение задания о разработке вторичного источника электропитания с защитой от перегрузок. К сожалению, для расчёта стабилизаторов параллельного типа не приводится единой методики расчета, и количество литературы по стабилизаторам параллельного типа ограничено. Поэтому в результате выполнения, автору данной работы пришлось выработать свою методику расчёта на основании [1], [2], [3].  Большая часть расчёта взята из [1], включая расчёты регулирующего источника, выходного сопротивления, нестабильности. Из [2] была взята методика расчёта усилительного элемента и источника опорного напряжения. Таким образом, я получил рабочую схему компенсационного стабилизатора параллельного типа. Данное устройство может быть применено на практике в соответствии с заданием. Разработанную схему можно модернизировать, увеличив коэффициент стабилизации и коэффициент полезного действия.

Список литературы

1.     Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Издание 4-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1977.

2.     Вересов Г.П., Смуряков Ю.Л. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры. – М.: Энергия, 1978.

3.     Карпов В.И. Полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения и тока. – М.: Энергия, 1967

4.     Ушаков В.Н., Долженко О.В. Электроника: от транзистора до устройства. – М.: Радио и связь, 1983.

5.     Горюнов Н.Н. Полупроводниковые транзисторы. Справочник – М.: Энергоатомиздат, 1983

6.     Забродин Ю.С. Промышленная электроника. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1982.

7.     Г.К. Шадрин, Н.В. Аринова. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ. Методические указания к выполнению курсовой работы.

8.     Герасимов В.Г., Князев О.М. и др. Основы промышленной электроники. – М.: Высшая школа, 1986.

Приложение

Расчёт выходного сопротивления и  проверочных расчётов в программе Mathcad:

сумма вход сопративления транзисторов:

Общая нестабильность системы:

что не превышает 2%

Страницы: 1, 2