Стабилизаторы напряжения тока реферат

Раздел 4. Стабилизаторы напряжения (8 часов)

Лекция 11. Тема 4.1. Параметрические стабилизаторы (2 часа)

Стабилизаторами напряжения (тока) называются устройства, автоматически поддерживающие напряжение (ток) на стороне потребителя с заданной степенью точности.

Для нормальной работы РЭУ требуется стабильность питающих напряжений (Приложение 1). Основными причинами нестабильности питающих напряжений являются колебания напряжения питающей сети и изменение нагрузки на выходе выпрямителя.

Стабилизаторы напряжения (тока) классифицируются:

* по роду стабилизируемого напряжения (тока) на стабилизаторы переменного и постоянного напряжения (тока);

* по принципу действия (или методу стабилизации) на параметрические, компенсационные и импульсные;

* по способу включения регулирующего элемента (РЭ) на последовательное и параллельное включение РЭ относительно нагрузки.

Принцип действия параметрических стабилизаторов основан на использовании элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Структурная схема такого стабилизатора (рис. 4.1, а) состоит из двух элементов: линейного 1 и нелинейного 2. На рис. 4.1, б приведены ВАХ линейного элемента (U₁), нелинейного элемента (U₂) и всей схемы (U_вх), из которых видно, что при изменении входного напряжения на ΔU_вх большая часть его падает на линейном элементе 1 и незначительная часть – на нелинейном элементе 2. Следовательно, и на нагрузке напряжение изменяется незначительно (ΔU_вых). Это объясняется тем, что в области стабилизации нелинейного элемента 2 крутизна его ВАХ значительно меньше, чем у линейного элемента 1.

В параметрических стабилизаторах постоянного напряжения в качестве линейных элементов используются резисторы, а нелинейных – кремниевые стабилитроны и стабисторы. Стабилитроны работают на обратной ветви ВАХ в области электрического пробоя (рис. 4.2, а), а стабисторы – на прямой ветви ВАХ (рис. 4.2, б). Стабилитрон в области электрического пробоя сохраняет свою работоспособность, если ток не превышает предельного значения I _{СТ max} .

Кремниевые стабилитроны выпускаются с напряжением стабилизации от единиц до сотен вольт и с ТКН от -6 до +288 мВ/ о С, а стабисторы – с напряжением стабилизации до 3 В.

Простейшая схема параметрического стабилизатора на стабилитроне показана на рис. 4.2, в. Сопротивление балластного резистора подбирается так, чтобы падение напряжения на нем составляло (0,5 – 3) U_н . КПД такого стабилизатора не более 30 % , а коэффициент стабилизации К_ст = 20 – 50.

Для увеличения значения К_ст применяют каскадное включение стабилитронов, но при этом уменьшается КПД стабилизатора.

Рис. 4.1. Структурная схема параметрического стабилизатора напряжения (а) и его ВАХ (б)

Рис. 4.2. ВАХ стабилитрона (а), стабистора (б) и схема стабилизатора на стабилитроне (в)

Напряжение стабилизации U_ст кремниевых стабилитронов увеличивается при повышении температуры окружающей среды. Для уменьшения влияния температуры на К_ст схемы включают последовательно со стабилитроном элементы с отрицательным ТКН (обычные полупроводниковые диоды или стабилитроны, включаемые в прямом направлении) – рис. 4.3. Последовательное включение нескольких стабилитронов позволяет получить большее напряжение стабилизации, чем на одном стабилитроне.

Рис. 4.3. Параметрические стабилизаторы с термокомпенсацией: а – однокаскадный; б – двухкаскадный

В параметрических стабилизаторах переменного напряжения используются реактивные линейные (ненасыщенные дроссели и конденсаторы) и нелинейные элементы (насыщенные дроссели).

Эти стабилизаторы очень просты, но имеют ряд недостатков: коэффициент стабилизации небольшой (до 10), низкие КПД (40 – 60 %) и коэффициент мощности (0,6), существенное искажение выходного синусоидального напряжения.

Более широко применяются феррорезонансные стабилизаторы напряжения (с использованием резонанса токов и напряжений). Их достоинства: простота устройства, высокая надежность, большой срок службы, КПД до 90 % ; недостатки: существенное искажение формы напряжения, большие габариты и вес, значительные изменения выходного напряжения при колебаниях частоты сети.

Лекция 12. Тема 4.2. Компенсационные стабилизаторы (2 часа)

Высокие коэффициенты стабилизации и плавное регулирование выходного напряжения можно получить только в стабилизаторах компенсационного типа, выполняемых по структурным схемам, приведенным на рис. 4.4.

Выходное напряжение подается на схему сравнения (СС), в которой оно сравнивается с его заданным значением. При отклонении значения U_ВЫХ от заданного на выходе СС появляется сигнал рассогласования U_у, который после усиления подается на регулирующий элемент (РЭ). При этом изменяется внутреннее сопротивление РЭ и соответственно и падение напряжения на нем, которое компенсирует отклонение U_ВЫХ от его заданного значения. Таким образом, по окончании процесса стабилизации выходное напряжение будет постоянным, равным заданному. Здесь происходит автоматическое регулирование выходного напряжения благодаря отрицательной обратной связи на РЭ схемы.

РЭ может включаться как параллельно, так и последовательно относительно нагрузки. Стабилизаторы с параллельным включением РЭ имеют меньший КПД (поэтому применяются в маломощных источниках питания), но более высокую надежность (отсутствует опасность перегрузки стабилизатора при коротких замыканиях на выходе).

В компенсационных стабилизаторах напряжения в качестве усилителя и РЭ используются транзисторы, а в качестве источника опорного (заданного) напряжения – кремниевые стабилитроны.

На рис. 4.5, а приведена схема полупроводникового стабилизатора напряжения с последовательно включенным регулирующим транзистором VT₁ ; VT₂ — усилительный транзистор; схема сравнения: делитель RР и источник опорного напряжения, состоящий из стабилитрона VD и резистора R_б . Смещающее напряжение на базе VT₂ представляет собой разность напряжений U_{вых II} (на нижней части делителя) и опорного U_оп . При увеличении выходного напряжения U_вых (вследствие изменения тока нагрузки или входного напряжения схемы) увеличится отрицательный потенциал базы VT₂ , что приведет к увеличению тока коллектора I _к2 транзистора VT₂ . А этот ток создает на резисторе R_к2 соответственно увеличенное падение напряжения. В результате этого понизится отрицательный потенциал базы VT₁ , уменьшится ток его базы I _б1 и ток коллектора I _к1 , который позволит восстановить напряжение U_ВЫХ практически до прежнего значения.

Рис. 4.4. Структурнгые схемы стабилизатора компенсационного типа с последовательно (а) и параллельно (б) включенным регулирующим элементом

Рис. 4.5. Принципиальные схемы полупроводниковых стабилизаторов напряжения с последовательно включенными регулирующими элементами: а- с одним регулирующим транзистором; б – с составным регулирующим транзистором

При больших токах нагрузки ток базы регулирующего транзистора может достигать больших значений. В таких случаях для согласования мощности регулирующего транзистора с маломощным усилителем постоянного тока в схемах стабилизаторов применяется составной регулирующий транзистор (рис. 4.5, б – тройной составной транзистор).

Регулировка выходного напряжения U_ВЫХ в схеме рис. 4.5, а осуществляется потенциометром RР. При перемещении движка вверх (увеличиваются отрицательный потенциал базы VT₂ , ток базы и коллектора VT₂ ; уменьшаются токи базы и коллектора VT₁ ) выходное напряжение U_ВЫХ уменьшается, а вниз – увеличивается.

Для получения малых выходных напряжений (когда U_вых 5 / 9 5 6 7 8 9 > Следующая > >>

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Курсовая работа: Стабилизаторы напряжения и тока

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Беларусь

Белорусский государственный аграрный технический университет

Кафедра автоматизированных систем управления производством

по дисциплине «Электроника и основы микропроцессорной техники»

Стабилизаторы напряжения и тока

студент гр.3эаПашкевич А. П.

к.т.н., доцент Матвеенко И.П.

1. Проектирование и расчет стабилизатор напряжения последовательного типа…………………………………………..…………………………………….6

2. Проектирование и расчет однофазного мостового выпрямителя….………10

Список использованных источников……………………………………. ……15

Стабилизатор напряжения (или тока) – это устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения ( или тока) нагрузочного устройства с заданной степенью точности.

Напряжение (или ток) нагрузочного устройства может сильно изменяться при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, каковыми являются: изменение напряжения в сети, изменение температуры, колебание частоты тока и т.д. Чтобы эти факторы не оказывали влияния на работу электрических устройств, применяют стабилизаторы.

1) по стабилизируемой величине :

2) по способу стабилизации:

С помощью параметрического стабилизатора ( ПС) напряжения можно получить напряжение стабилизации Uст от нескольких В до нескольких сотен В. В ПС используется полупроводниковый стабилитрон VD, который включают параллельно Rн . Последовательно со стабилитроном включают балластный резистор Rб для создания требуемого режима работы (рис.1).

При изменении Uвх под действием колебания напряжения питающей сети или изменения сопротивления нагрузки Rн, Uн изменяется незначительно, так как оно определяется Uст стабилитрона, которое мало изменяется при изменении протекающего через него тока, что видно на ВАХ стабилитрона (рис.2).

Для получения электрической энергии нужного вида часто приходится преобразовывать энергию переменного тока в энергию постоянного тока (процесс выпрямления), либо энергию постоянного тока в энергию переменного тока ( процесс инвертирования).

Устройства, с помощью которых осуществляются такие преобразования, называются выпрямителями и инверторами, соответственно. Выпрямители и инверторы являются вторичными источниками электропитания (ИВЭ).

1) по возможности управления:

-неуправляемые, когда на выходе выпрямителя получают выпрямленное постоянное напряжение;

— управляемые, когда на выходе выпрямителя необходимо изменить значение выпрямленного тока;

2) по числу фаз первичного источника питания:

— однофазные (выпрямители малой и средней мощности);

— многофазные, обычно 3-х фазные (выпрямители большой мощности);

3) по форме выпрямленного напряжения:

Выпрямители переменного тока

На вход выпрямителя подается переменное напряжение U1, которое с помощью трансформатора Тр изменяется до требуемого значения U2, которое преобразуется вентильной группой ( или одним вентилем) в пульсирующее напряжение U01. Выпрямленное напряжение U01 имеет, кроме постоянной составляющей, еще и переменную составляющую, которая с помощью сглаживающего фильтра Сф снижается до требуемого уровня, и напряжение U02 на выходе фильтра подается на стабилизатор Ст , который поддерживает неизменным напряжение на нагрузке Uн при изменении значений входного напряжения и сопротивления Rн .

Для выпрямления однофазного переменного напряжения применяют 3 основных типа выпрямителей:

— двухполупериодный с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора.

Рисунок 3. Схема однофазного выпрямителя.

1. Проектирование и расчет стабилизатор напряжения последовательного типа

В результате расчета:

Выбрать типы используемых транзисторов;

Рассчитать параметры элементов схемы;

Начертить принципиальную электрическую схему стабилизатора напряжения.

Исходными данными являются:

Выходное напряжение U вых = 15 В;

Предельное отклонение ΔU вых= ± 1 В;

Ток нагрузки Iн=0.3 А;

Допустимые относительные изменения входного напряжения

5)Коэффициент стабилизации Кст = 60.

Методика выполнения задания №1.

Выбираем тип регулирующего транзистора VТ1 и его режима:

Uвх min= Uвых+ Δ Uвых+|U КЭmin|=15+1+3=19 B, где

| U КЭmin | — минимальное напряжение между коллектором и эмиттером

транзистора Т1, при котором его работа не заходит в область насыщения.

Для мощных транзисторов, которые используются в качестве регулирующего элемента, | U КЭmin |=1÷ 3 В При расчете принимают | U КЭmin |=3 В

Uвхmin = 1,1 ⋅ 19 = 20,9В

Uвх= 1,1 ⋅ 20,9 = 22,9В

Находим |UКЭ1mах| и максимальную мощность, рассеиваемую на регулирующем транзисторе РКmах:

|UКЭ1mах | = Uвхmах -Uвыхmin = 22,9-14= 8,9 В

РКmах =|UКЭ1mах |⋅Iн = 8,9 ⋅0,3=2,67 Вт

Выбираем по справочнику [2] транзистор КТ8426, для которого

Рк mах = 3Вт, Iк mах = 5А, h21Э >15, |U КЭmin|= 200 В

2.Выбор типа согласующего транзистора VТ2 и его режима. Коллекторный ток транзистора VТ2:

Iк2 ≈ Iэ2=Iδ1 +IR4 = Iк1/ h21Э + IR4 = Iн / h21Э + IR4 ,

где IR4 — дополнительный ток, протекающий через резистор R4 Для маломощных транзисторов, используемых в качестве согласующего элемента, дополнительный ток выбирают в пределах 1-2 mА. Приняв IR4= 1,5 mА , получим: Iк2=0,3 ⋅103 /30+1,5 = 11,5mА .

Определяем максимальные значения напряжения UКЭ2 и мощности РК2 согласующего транзистора:

|UКЭ2mах |≈ |UКЭ1mах | = 8,9 В

РК = Iк2 ⋅ |UКЭ2mах |= 11,5⋅10-3⋅8,9=102 mВт

Выбираем по справочнику транзистор типа КТ201В со следующими параметрами:

Iк max = 20 mА > 11,5 mА ;

|UКЭmах | = 10В >8,9В;

3.Рассчитываем сопротивление резистора R4:

R4 = Uвых / IR4 =15 / 1,5 ⋅ 10-3 = 10 кОм

4.Выбор усилительного транзистора VТ3 и его режима.

В качестве усилительного транзистора используют маломощные транзисторы. Обычно, из технологических соображений транзисторы VТ2, VТ3 выбирают одного типа. Выбираем КТ201B.

Задаемся напряжением |UКЭ3| = 8,9 В (5 ÷10) Iδ3.

Iдел = 100 ⋅ Iδ3 = 100 ⋅ Iк3 / h21Э =100⋅1/30= 3,3 mА.

Зададимся значением R8=1,5кОм, тогда

R7 = 6,1 – 3,3 ⋅ 10-3 ⋅ 1,5 ⋅ 10-3 / 0,5 ⋅ 3,3 ⋅10-3 = 1,15 / 1,65 = 0,7 кОм.

По выражению Iдел (R6 + 0.5R7) ≈ Uвых -Uоп находим:

R6 =Uвых -Uоп-0,5⋅ Iдел ⋅R7 / Iдел =15- 6,1-0,5⋅3,3 ⋅10-3 ⋅0,7⋅10-3 / 3,3⋅10-3 =2,3 кОм

-емкость конденсатора С1, включаемого для предотвращения возбуждения стабилизатора, подбирают экспериментально, С1≤0,5. 1мкФ;

-емкость конденсатора С2, включение которого к незначительному уменьшению пульсаций выходного напряжения и замкнутому уменьшению выходного сопротивления стабилизатора переменному току, выбирают в пределах 1000. 2000 мкФ, выбираем С1=0,5 мкФ, С2=1000 мкФ.

8.Определяем коэффициент стабилизации напряжения:

Кст = Кдел ⋅ К3 ⋅ Uвых/Uвх= 0,4 ⋅ 320⋅15/20,9= 92 , где

Кдел = Uоп / Uвых = 6,1/15= 0,4

— коэффициент деления напряжения делителя R6, R7, R8;

К3 =(h21Э3 / h11Э3 ) ⋅ R3 =(30/600) ⋅6,4⋅103 =320

Если значение Кст окажется недостаточным, то следует выбрать транзисторы VТ2 и VТЗ с большим коэффициентом усиления тока h21Э.

9. Начертим принципиальную электрическую схему стабилизатора напряжения (рис.4).

2. Проектирование и расчет однофазного мостового выпрямителя

Выбираем диод для однофазного мостового выпрямителя, работающего на нагрузку с сопротивлением Rн и постоянной составляющей выпрямленного напряжения Uн. Определить ток и напряжение вторичной обмотки трансформатора, и мощность трансформатора.

В результате расчета определить:

Определить параметры элементов схемы: VD1-VD4.

Выбрать входной трансформатор по расчетной мощности.

Получить временные диаграммы для входного и выходного напряжений (зависимость Uвх от времени t; и зависимость Uвых от времени t).

Методика выполнения задания №2:

1.Определяем постоянную составляющую выпрямленного тока (ток нагрузки) Iн:

Iн= Uн / Rн= 10 / 100 = 0,1 А

2.Определяем действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора U2, воспользовавшись таблицей 1, где указаны количественные соотношения напряжений, токов и мощностей для различных схем выпрямления:

U2 = 1.1⋅Uн = 1.11⋅10 = 11.1 В

3.Определяем действующее значение тока, протекающего через вторичную обмотку трансформатора:

I2 = 1.11 ⋅ Iн = 1.11 ⋅ 0.1 = 0.111 A

4.Максимальное значение обратного напряжения на закрытом диоде (табл.4):

Uобрmax = 1.57 ⋅Uн =1.57 ⋅10 =15.7 В

5.Так как ток через диоды протекает полпериода, то среднее значение тока диода равно:

Iпр=Iн / 2=0.1/ 2 = 0,05 мА

Выбираем диоды по двум параметрам: Iпр и Uобр.mах, которые должны быть не менее расчетных значений. Выбираем по справочнику [1] диод КД409А, который имеет Iпрmах=50 mА, Uoбр.mах=24 В.

Определить зарубежный аналог выбранного диода по справочнику [1]. Для нашего примера зарубежный аналог диода КД409А — это диод BAT18.

Для выбора типового трансформатора определяем расчетную мощность трансформатора:

Рт= 1.23 ⋅Рн= 1.23⋅Uн⋅Iн = 1.23⋅10⋅0.1 = 1,23 Вт

Создаем принципиальную электрическую схему (рис.5) с помощью программы «Мiсгосар» в соответствии с расчетными параметрами элементов; если выбранный зарубежный аналог отсутствует в списке диодов программы «Мiсгосар», то следует выбрать ближайший по маркировке, в данном примере это ВАТ18;

Получаем временные диаграммы для входного и выходного напряжений (рис.6).

В процессе выполнения курсовой работы был спроектирован и рассчитан стабилизатор напряжения последовательного типа для которого были выбраны типы используемых транзисторов, произведены рассчеты параметров элементов схемы, а также начерчена принципиальная электрическая схема стабилизатора напряжения.

Спроектирован и рассчитан однофазный мостовой выпрямитель, для которого по справочнику выбран диод для однофазного мостового выпрямителя, работающего на нагрузку с сопротивлением Rн и постоянной составляющей выпрямленного напряжения Uн. Определен ток и напряжение вторичной обмотки трансформатора, и мощность трансформатора.

Также была смоделирована и исследована рассчитанная схема на ПЭВМ, были получены временные диаграммы, с помощью программы «Microcap» (зависимость Uвх от времени t; и зависимость Uвых от времени t).

Список использованных источников

1. Аксенов А.И., Нефедов А.В. Отечественные полупроводниковые приборы/ Справочное пособие – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2005 – 583с.

2. Галкин В.И., Булычев А.Л. Полупроводниковые приборы: Транзисторы широкого применения/ Справочник – Мн.: Беларусь, 1995 – 383с.

3. Галкин В.И. Полупроводниковые приборы/ Справочник – Мн.: Беларусь, 1987 – 321с.

4. Разевиг В.Д. Система схемотехнического проектирования Micro-CAP V.-М.: “СОЛОН”, 1997.– 273с.

5. ГОСТ 2.702-75 ЕСКД. Правила выполнения электрических схем.

6. ГОСТ 2.710-81 ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.

7. ГОСТ 2.770-73 ЕСКД. Обозначения условные графические. Приборы полупроводниковые.

8. ГОСТ 2.743-91 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники.

9. ГОСТ 2.759-82 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы аналоговой техники.

Разработка двухполярного стабилизатора согласованных напряжений

Инженер электронной техники должен быть специалистом по проектированию, конструированию, технологии и применению приборов и устройств, основанных на различных физических процессах в твёрдом теле. Без знания принципа действия и свойств конкретного полупроводникового прибора невозможно правильно выполнить расчёт, разработать технологию изготовления и организовать производство, использовать свойства и измерить параметры этого прибора, а также рационально использовать этот прибор в той или иной установке при различных условиях эксплуатации.

При проектировании источников питания для радиоэлектронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности выходного напряжения.

Простейшими стабилизаторами напряжения являются схемы, использующие нелинейные элементы, вольт-амперная характеристика которых содержит участок, где напряжение почти не зависит от тока. Такую вольт-амперную характеристику имеет стабилитрон, работающий при обратном напряжении в области пробоя.

Схема простейшего стабилизатора напряжения, называемого параметрическим, приведена на рис.1. В этой схеме стабильность выходного напряжения определяется в основном параметрами стабилитрона. Колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят к изменению тока через стабилитрон, однако напряжение на стабилитроне, подключенном параллельно нагрузке, изменятся незначительно.

Рис.1. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения

Высокое качество стабилизации напряжения можно получить при использовании компенсационных стабилизаторов, представляющих собой автоматические регуляторы, в которых фактическое выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) напряжением. Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось достичь эталонного уровня. В качестве источника опорного напряжения обычно используют параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки, реже – гальванические батареи.

1.РАСЧЁТ НОМИНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ

На резисторах R1 и R2 собрана цепь делителя напряжения. Она позволяет нам из значения +Uвых =5В получить –Uвых =6В. Для расчёта сопротивлений выбираем один из них произвольно: R2 = 2000 Ом, тогда ток в цепи делителя будет:

I = U/R2 = 6/2000 = 0.003(А) = 3(мА).

Так как сопротивления R1 и R2 включены последовательно, то

Следовательно, второе сопротивление рассчитаем как:

R1= U / I = 5/0,003 = 1666(Ом).

Определим мощности, падающие на каждом из сопротивлений:

P1 = (3∙103)2 ∙1666 = 0,015 (Вт) = 15( мВт);

P2 = (3∙103)2 ∙2000 = 0,018 (Вт) = 18 (мВт).

2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТИПА ЭЛЕМЕНТОВ

Из приведённого выше расчёта следует, что можно использовать резисторы с рассеиваемой мощностью Pрас = 0,25 Вт.

Выбираем резисторы МЛТ типа:

R1 МЛТ-0,25-1,6 кОм±5%

R2 МЛТ-0,25-2,0 кОм±5%

Выбор транзисторов произведём с учётом тока коллектора IК и напряжения на участке коллектор-эмиттер UКЭ.

Через транзистор VT1 протекает ток 1А, а напряжение UКЭ должно быть больше или равно 15В. следовательно, для него можно использовать транзистор 2Т920В. Это кремниевый n-p-n транзистор со следующими параметрами:

напряжение коллектор – эмиттер UКЭ=36 В;

коэффициент передачи тока h21Э=50…150;

напряжение эмиттер – база UЭБ max=4 В;

максимальный ток коллектора IК. МАХ=3 А;

рассеиваемая мощность на коллекторе PК max=25 Вт.

Выбор операционного усилителя

Для выбора операционного усилителя DD2 необходимо определить, какой выходной ток он должен обеспечивать. Поскольку выход операционного усилителя соединён с базой транзистора VT1, значит необходимо подсчитать величину тока базы IБ. Максимальный выходной ток операционного усилителя должен быть больше тока базы:

Iвх макс ОУ>IБ макс.

Определим ток базы транзистора по формуле:

IБ = 1/100 = 0,01 (А) = 10 (мА)

Таким образом, операционный усилитель должен иметь выходной ток свыше 10 мА. Данным требованиям удовлетворяет операционный усилитель К140УД12. Это операционный усилитель со следующими параметрами:

выходной ток IВЫХ=10 мА;

напряжение питания UИП1=(15+1,5) В, UИП2=(-15+1,5) В;

потребляемый ток IПОТ=170 мА;

разность входных токов ∆IВХ=15 нА;

напряжение смещения UСМ=+5мВ;

коэффициент усиления КU=100В/мВ;

входное сопротивление RВХ=5 МОм.

Выбор стабилизатора напряжения

Для выбора стабилизатора напряжения DD1 необходимо, что бы его входное напряжение было больше или равно 15В (Uвх=15В), его выходное напряжение должно быть больше или равно 5В (Uвых=5В). Рассчитаем мощность, рассеиваемую на стабилизаторе:

Pрас = Iст∙(Uвх – Uстаб) = (15 – 5) ∙1 = 10(Вт)

Ток через него должен быть не менее 1А. В соответствиями с данными расчётами выберем микросхему КР142ЕН5А с параметрами:

минимальное входное напряжение UВХ min=8,5В;

максимальное входное напряжениеUВХ max=15В;

минимальное выходное напряжение UВЫХ min=4,9В;

максимальное выходное напряжение UВЫХ max=5,1В;

максимальный ток Imax=3А;

рассеиваемая мощность Pрассеив=10Вт;

коэффициент стабилизации Кстаб=60.

Конденсаторы С1 и С2 необходимы для нормальной работы стабилизатора.

Для выбора конденсаторов необходимо знать что конденсаторы С1 и С3 стоят в цепи с напряжением в 15В, а С2 и С4 в цепи с напряжениями 5В и 6В соответственно. А так как значения номиналов нам известны из определения стабилизатора, то выбираем конденсатор К10-47 с параметрами:

Номинальное напряжение 50В;

Диапазон номинальных емкостей 1,0….2,2мкФ.

Тогда для: С1 и С3 выберем К10-47-50В-1,0мкФ+5%; для С2 и С4 К10-47-50В-2,2мкФ+5%.

Таким образом, в результате выполнения данной курсовой работы был проведён анализ принципа действия двухполярного стабилизатора согласованных напряжений. Были рассчитаны номинальные значения выбранных элементов и на основании этих расчётов был произведён выбор типа этих элементов.

Стабилизатор напряжения (2)

Главная > Курсовая работа >Коммуникации и связь

1. Тема Стабилизатор напряжения

2. Срок сдачи студентом работы к защите ______ ___________2009 г.

3. Исходные данные на выполнение курсовой работы: схема электрическая принципиальная. Классификационная группа изделия ЭС — стационарное. Тип производства – мелкосерийный.

4. Содержание пояснительной записки: Введение; назначение и область применения изделия ЭС; анализ технического задания и постановка задач проектирования; конструкторский анализ электрической принципиальной схемы (Э3); разработка и расчёт варианта компоновки печатной платы заданной Э3; расчёт теплового режима и надёжности; заключение; приложение А; приложение Б.

5. Перечень графического материала: Лист 1 (А1) — схема электрическая принципиальная, Лист 2 (А1) — сборочный чертеж.

Руководитель работы ____________

Задание принял к исполнению _____ _____________ 2009 г.

Подпись студента ____________

Введение

Производство ЭС в настоящее время находит все более широкое применение во многих областях народного хозяйства и в значительной мере определяет уровень научно-технического прогресса.

В связи с этим возникает потребность в расширении функциональных возможностей ЭС и серьезном улучшении таких технико-экономических показателей как надежность, стоимость, габариты, масса. Эти задачи могут быть решены только на основе рассмотрения целого комплекса вопросов системо- и схемотехники, конструирования и технологии, производства и эксплуатации. Именно на стадиях конструирования и производства ЭС реализуются системо- и схемотехнические идеи, создаются изделия, отвечающие современным требованиям.

Проектирование современных ЭС сложный процесс, в котором взаимно увязаны принципы действия электронно-вычислительных систем, схемы, конструкции аппаратуры и технология её изготовления.

Основное требование при проектировании ЭС состоит в том, чтобы создаваемое устройство было эффективнее своего аналога, т.е. превосходило его по качеству функционирования, степени миниатюризации и технико-экономической целесообразности. Современные методы конструирования должны обеспечивать: снижение стоимости, в том числе и энергоемкости; уменьшение объема и массы; расширение области использования микроэлектронной базы; увеличение степени интеграции, микроминиатюризации межэлементных соединений и элементов несущих конструкций; магнитную совместимость и интенсификацию теплоотвода; высокую технологичность; однородность структуры; максимальное использование стандартизации.

Все возрастающие требования к проектированию ЭС приводят к усложнению конструкций, повышению трудоемкости их проектирования и изготовления, увеличению себестоимости.

Сокращение сроков проектирования до определенных пределов при использовании традиционных ручных методов возможно за счет увеличения численности конструкторов и разработчиков. Однако при этом снижается удельная производительность труда из-за трудностей, возникающих при управлении, и ошибок, неизбежных при ручном проектировании (эти ошибки часто обнаруживаются уже в процессе производства, а даже небольшие коррекции в документации требуют разработки новых чертежей, объем которых сравним с основным объемом документации). Кроме того, число людей, занятых в сфере конструкторской деятельности, ограничено. Ускорить и удешевить проектно-конструкторские работы можно как за счет обоснованного применения типовых базовых конструкций, так и путем разработки и внедрения прогрессивных методов конструирования на основе достижений вычислительной техники.

Цель курсовой работы заключается в приобретении навыков конструирования и микроминиатюризации изделий ЭС, способствующих формированию конструкторского мышления, которое развивается на базе накопленных в процессе обучения технологических решений.

1. Техническое задание

1. Наименование изделия: стабилизатор напряжения.

2. Назначение: устройство предназначено для работы в лаборатории.

3. Комплектность: один блок.

4. Технические параметры:

напряжение питания 18. 25 В;

— потребляемый ток – не более 10 мА.

5. Требования к конструкции:

— стабилизатор напряжения относится к группе стационарных устройств;

— внешний вид устройства должен отвечать современным требованиям к аппаратуре;

— масса не более 0, 2 кг;

— габаритные размеры не более 70х45х30;

6. Характеристики внешних воздействий:

— окружающая темепратура +10. +40 °С;

— относительная влажность 80% при температуре 25 °С.

7. Среднее время наработки на отказ должно быть не менее 100000ч.

8. Тип производства — мелкосерийный.

2. Назначение и область применения изделия ЭС

Стабилизатор напряжения — электрическое устройство, получающее питание от внешнего источника питания и выдающее на своём выходе напряжение, не зависящее от напряжения питания. Данный стабилизатор предназначен для питания устройств в процессе их налаживания.

Он защищает устройства от повышения или понижения напряжения питающей сети. Работа стабилизатора происходит без разрыва цепи нагрузки, без искажения формы выходного напряжения, что имеет большое значение. Использование стабилизатора напряжения позволяет увеличить ресурс и срок службы оборудования, а так же к экономии электроэнергии.

3. Анализ технического задания

Согласно техническому заданию разрабатываемое устройство относится к группе стационарных устройств, которые работают в отапливаемых помещениях. Конструктивно блок устройства выполнен на плате из стеклотекстолита прямоугольной формы с четырьмя отверстиями для его крепления к корпусу. Для аппаратуры этой группы наиболее важными требованиями являются надежность, интенсивность отказов, потребляемая мощность и стоимость. Необходимым является применение недорогой и надежной элементной базы, соответствие элементов заданным характеристикам внешних воздействий, использование типовых конструкторских решений, повышение помехоустойчивости схемы, совместимость ЭРЭ и ИС.

В соответствии с этим из возможных вариантов конструкторских решений был произведен выбор наиболее оптимального, который может быть реализован в соответствии с техническим заданием.

Элементная база состоит из стандартных ИС и элементов. При разработке устройства необходимо учитывать требования к диапазону температур и влажности. Предусматривать особые меры защиты от механических и радиационных воздействий нет необходимости. Для обеспечения требований, предъявленных в техническом задании, проведем поиск аналогов для определения целесообразности разработки устройства. Также необходимо произвести расчеты компоновки, теплового режима, надежности и технологичности.

4. Конструкторский анализ электрической принципиальной схемы ЭС

Стабилизатор вырабатывает напряжение от 0 до 15 В, которое можно изменять с шагом 1 В. Максимальный ток нагрузки – 0,5 А, при его превышении узел защиты отключает нагрузку. В случае необходимости порог срабатывания узла токовой защиты может быть увеличен до 7 А. Напряжение питания стабилизатора может быть не стабилизированным, его значение с учетом пульсаций должно оставаться в пределах 18. 25 В при изменении тока нагрузки от нуля до максимального значения.

Устройство содержит следующие узлы: стабилизатор напряжения питания цифровых микросхем DA1; цифровой формирователь кода выходного напряжения DD1, DD2, VD1, C3, R1 – R4; цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) на прецизионных резисторах R7 – R10; выходной усилитель DA2.1, VT2, R11, R12 и узел токовой защиты R5, R6, VD2, VT1, R13, R14.

Микросхема DA1 вырабатывает стабильное напряжение 6 В, используемое для питания цифровых микросхем DD1 и DD2. Цифровой код выходного напряжения формирует двоичный реверсивный счетчик импульсов DD2. Импульсы поступают на счетчик с генератора на элементе DD1.4. Направление счета определяет состояние RS-триггера на элементах DD1.2 и DD1.3. Когда на входе U микросхемы DD2 высокий уровень, счетчик работает в режиме сложения, в противном случае – в режиме вычитания.

Элемент DD1.1 управляет генератором импульсов. Если ни одна из кнопок SB1 и SB2 не нажата, низкий уровень на выходе этого элемента через резистор R3 и диод VD1 препятствует зарядке конденсатора С3 до порога переключения триггера Шмитта, в результате чего генерация импульсов невозможна. Состояние счетчика DD2 (число N) не изменяется.

Отношение значений сопротивлений резисторов ЦАП R7:R8:R9:R10 – 8:4:2:1. Поэтому напряжение в точке их соединения и, соответственно, на неинвертирующем входе ОУ DA2.1 равно N*U 1 /15, где U 1 – напряжение питания микросхемы DD2. Отношение R12/R11 в цепи ООС выбрано так, чтобы коэффициент усиления ОУ DA2.1 и транзистора VD2 был равен 2,5. Поэтому выходное напряжение равно N вольт при условии, что U 1 = 6 В.

При нажатии на кнопку SB1 «+» (режим увеличения напряжения) низкий уровень на нижнем по схеме входе элемента DD1.3 устанавливает RS-триггер в единичное состояние (на выходе этого элемента и, соответственно, на входе U микросхемы DD2 – высокий уровень), переключая счетчик в режим сложения. Одновременно низкий уровень на верхнем по схеме входе элемента DD1.1 приводит к установлению на его выходе высокого уровня, закрыванию диода VD1 и возникновению генерации. Каждый импульс увеличивает состояние счетчика на 1 и выходное напряжение на 1 В.

Если нажать кнопку SB2 «-» (режим уменьшения напряжения), низкий уровень на верхнем по схеме входе элемента DD1.2 устанавливает RS-триггер в нулевое состояние (на выходе элемента DD1.3 и, соответственно, на входе U микросхемы DD2 – низкий уровень), переключая счетчик в режим вычитания. Одновременно низкий уровень на нижнем по схеме входе элемента DD1.1 аналогично приводит к установлению на его выходе высокого уровня, закрыванию диода VD1 и возникновению генерации. Каждый импульс уменьшает состояние счетчика на 1 и выходное напряжение на 1 В. Когда состояние N счетчика достигнет нуля, на выходе Р микросхемы DD2 появится низкий уровень. Поскольку этот выход соединен с нижним по схеме входом элемента DD1.4, то работа генератора будет приостановлена. Поэтому опасный для нагрузки переход от нулевого напряжения к максимальному запрещен. Возобновить работу генратора можно лишь нажатием на кнопку SB1.

Аналогично запрещен бросок от максимального до нуля в режиме увеличения напряжения. После достижения максимального значения 15 В генерация импульсов также приостановлена, ее можно возобновить только нажатием на кнопку SB2.

Работа устройства не предусмотрена в случае, когда нажаты обе кнопки SB1 и SB2. Однако этот случай для устройства не опасен. На выходах элементов DD1.1 и DD1.3 будут те же логические уровни, что и при одной нажатой кнопке SB1. Следовательно, кнопка SB1 приоритетнее: если она нажата, состояние кнопки SB2 не имеет значения.

Если ток, потребляемый нагрузкой, достигнет порога срабатывания узла защиты, падение напряжения на резисторе R14 превысит напряжение открывания транзистора VT1, напряжение на входе R микросхемы DD2 достигнет высокого логического уровня и вызовет обнуление счетчика, соответственно, выходное напряжение упадет до нуля. Стабилитрон VD2 ограничивает напряжение на входе R до уровня, не превышающего напряжение питания счетчика DD2.

Проведём анализ проектируемого устройства и сравним его с аналогами.

Разрабатываемое устройство стабилизатора напряжения не является уникальным, а является улучшенным вариантом разработанных ранее изделий. Был произведен поиск аналогов и прототипов, основные технические и эксплуатационные характеристики которых приведены в таблице .

Стабилизаторы напряжения

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра систем телекоммуникаций

СТ характеризуются следующими параметрами (рис. 1, а): максимальное (оно же номинальное) выходное напряжение U 2 m ах , диапазон его регулирования и допустимая относительная нестабильность ; максимальный (он же номинальный) ток I Н нагрузки и диапазон его изменений  I Н (обычно принимают I Н min = 0 и  I Н = I Н max , иначе СТ может выйти из строя при холостом ходе или в моменты включения при индуктивном характере нагрузки); выходное сопротивление ; коэффициент стабилизации коэффициент полезного действия ( U 1 ном , I 1 ном – номинальные входные напряжение и ток). Временной (температурный) дрейф характеризуют абсолютным либо относительным изменением выходного напряжения за определенное время (в определенном диапазоне температур).

Рис. 1. Функциональные схемы

c табилизатров напряжения:

а – общая; б – параллельного типа

СТ бывают параллельного и последовательного типов. Параллельный СТ (рис.1, б) содержит регулирующий 1 и опорный 3 элементы, сравнивающий и усилительный элемент 2. В нем при пренебрежении током через внутреннее сопротивление R i элемента 1 выполняется условие , откуда [4]

,(1)

где  I У ,  I Р ,  I Н ,  U 1 ,  U 2 – приращения (изменения) соответственно токов сравнивающего, регулирующего элементов и нагрузки, входного и выходного напряжений.

В реальных СТ I У I Р . С учетом этого при  U 1 =  U 2 = 0 (неизменное входное и идеальная стабилизация выходного напряжений) следует  I Р = –  I Н , т.е. токи нагрузки и регулирующего элементов изменяются противоположно. Если же I Н = const , то – изменение тока прямо пропорционально приращению напряжения U 1 . Из этого вытекает, что минимальный ток I Р min регулирующего элемента соответствует максимальному току I Н max нагрузки и минимальному входному напряжению U 1 min . Тогда при

.

Очевидно, I Р ном >> I Р min , если сопротивление R 0 СТ мало. Максимальный ток I Р max , по которому подбирают элемент 1, соответствует режиму холостого хода и напряжению U 1 max :

где I 1 min = I Р min + I Н max – минимальный входной ток параллельного СТ.

Полагая  U 1 = 0, подставляя и , приходим к выражению для выходного сопротивления СТ

, (2)

где – так называемое характеристическое сопротивление, равное выходному сопротивлению активной части СТ (при );

R У – суммарное входное сопротивление элемента 2 с учетом элемента 3;

K i – суммарный коэффициент усиления тока элементов 2 и 1.

Часто . Тогда .

Подставляя , и , можно получить

. (3)

В большинстве случаев , поэтому , т.е. для увеличения коэффициента стабилизации надо уменьшать характеристическое сопротивление. Это же необходимо для снижения выходного сопротивления. Требуемое достигают повышением коэффициента K i усиления.

На практике часто применяют простейший параллельный СТ напряжения, называемый параметрическим (рис. 2, а). Стабилитрон VD совмещает функции опорного и регулирующего элементов. Колебания напряжения U 1 или тока I Н приводят к изменению тока I д = I ст , но напряжение U 2 = U ст изменяется незначительно: U ст  const . Поэтому  U 1 =  U R 0 и , где  U 1 ,  U R 0 ,  I ст – изменения соответственно напряжений U 1 , U R 0 и тока I ст стабилитрона; R 0 – балластное сопротивление (рис. 2, в).

Рис. 2. Параметрические

а, б – схемы; в – характеристики

Для рассматриваемого диодного СТ справедливы соотношения (1 – 2) при K i = 0 и

,

где r д – дифференциальное сопротивление стабилитрона, который подбирают исходя из значений напряжения U 2 и тока I Н . Очевидно, при K i = 0 = r д , т.е. в диодных СТ характеристическое сопротивление является величиной заданной. Соответственно и . Ток I ст min выбирают в пределах 2…3 мА для маломощных и 3…5 мА для мощных стабилитронов. Сопротивление r д , зависящее от тока I ст , принимают равным номинальному (среднему) значению. Исходя из допустимого тока I ст доп оценивают максимальный ток нагрузки.

Диодные СТ просты и надежны, но их недостатками являются невозможность регулировки выходного напряжения и невысокий коэффициент стабилизации (порядка 15…50), особенно при больших токах нагрузки I Н > I ст ном . Возможный способ увеличения параметра K – применение каскадных схем (рис. 2, б). Расчет такого СТ выполняется “справа налево”. Выходное сопротивление определяется стабилитроном VD 2. Диодные СТ применяются в основном в качестве источников опорного напряжения в более мощных СТ и для питания слаботочных схем, например, цепей смещения. В этом случае удается обеспечить условие I Н max  I ст min , при котором стабильность может быть приемлемой. Температурный и временной дрейф параметрического СТ такой же, как у отдельного стабилитрона. В широком интервале температур дрейф напряжения U 2 доходит до 10% и более, т.е. намного превышает нестабильность напряжения U 1 и тока I Н . Анализ показывает, что однокаскадный параллельный СТ (содержит однокаскадный регулирующий элемент) не имеет преимуществ перед диодным, а двухкаскадный (с двухкаскадным регулирующим элементом) уступает двухкаскадному последовательному СТ.

Последовательный СТ (рис.3) напряжения содержит регулирующий 1 и опорный 3 элементы, сравнивающий и усилительный элемент 2. В нем выполняется условие ( R i – внутреннее сопротивление элемента 1), откуда для приращений

. (4)