Файл: Техническое задание на курсовую работу по дисциплине Элементная база телекоммуникационных систем на тему Стабилизатор напряжения студента группы.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 64
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Структурная схема стабилизатора
2. Общие вопросы проектирования
3. Определение исходных данных
6. СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА СТАБИЛИТРОНОВ
Рис. 8. Зависимость сопротивления стабилитрона от тока стабилизации
7. Расчет параметров стабилизатора
8. Защита стабилизатора по току
9. Защита нагрузки от перенапряжения
UИ.
Ток коллектора транзистора VT2 задаёт ток стабилитронов VD1, VD2 и ток базы транзистора VT1.
При выборе транзистора VT1 было принято напряжение UКЭ = 12 В. При этом напряжение UКБ составляет 10,2 В (потенциал базы транзистора VT1 выше потенциала эмиттера на 0,8В). Это напряжение приложено к цепи транзистора VT2 (URэ+ UЭК = UКБ) и его следует поделить поровну между транзистором и резистором, т.е. URэ = UЭК = 5,1 В.
Выбор транзистора VТ2.
С целью уменьшения сопротивления rСТ стабилитронов VD1 и VD2 зададимся допустимым током через них равным 20 мА.
Учтём также ток базы транзистора VT1 IБ = 1,2 мА.
По транзистору VT2 и по резистору RЭ должен протекать ток, равный
IК2 = (IСТ + IБ) =20+1,2=21,2 мА.
По полученному току коллектора выбирается транзистор VT2. Допустимый ток коллектора должен быть больше полученного в расчёте. Проверяется допустимая мощность рассеяния транзистора VT2.
РКдоп >UКЭ∙IK = 5,1∙21,2 ≈ 108,1 мВт.
По допустимой мощности и току коллектора выбирается транзистор из таблицы 3. Например, применить транзистор малой мощности типа КТ203В. По транзистору VT2 и по резистору RЭ должен протекать ток, равный 21,2 мА. Сопротивление RЭ = URэ/IRэ = 5,1 В/21,2 мА = 241 Ом. Примем номинальное значение RЭ = 245 Ом.
Напряжение на сопротивлении RЭ равно URэ= 5,1 В. Напряжение UБЭ = 0,8 В. Напряжение UБ = (5,1 + 0,8) = 5,9 В. Теперь можно выбрать стабилитрон на напряжение UCT = 5,9B.
По справочным данным выберем стабилитрон КС156Б.
Зададим ток стабилитрона VD3 равным 5 мА. При минимальном напряжении источника UП по сопротивлению R1 будет протекать ток 5 мА. Прикладывается напряжение UП за вычетом напряжения на диодах VD3 (5,6 В) и VD2 (UК = 3,1 В). Эти напряжения в сумме дают UR1 = 8,7 В. Тогда сопротивление R1= (20 – 8,7) / 5 = 2,26 кОм.
Выбираем номинальное значение (округлив в меньшую сторону), например 2,2 кОм (ряд Е24), на схеме обозначается 2К2.
Поскольку принято иное значение резистора, то следует вычислить фактическое значение тока
IR1 = (20 В –8,7 В)/2,2 К = 5,14 мА.
Рассеиваемая резистором мощность
PR1=IR1·UR1=5,14 мА · 8,7 В=44,72 мВт.
Можно выбрать резистор с мощностью 1/8 Вт.
Определяем реальные сопротивления диодов VD1 и VD2.
По диоду VD1 течёт ток 20 мА (стабилитрон КС140А), по диоду VD2 (диод КС131А) течёт ток 25.14 мА (ток IК2 и ток стабилитрона VD3). Воспользуемся графиками рис. 20, на которых указаны токи, протекающие по стабилитрону. Проведем сечения (штрихпунктирные линии) для напряжений стабилизации и токов, протекающих по стабилитронам.
Согласно построению, сопротивление диода VD1 составляет примерно 10 Ом, сопротивление диода VD2 примерно 21 Ом. Общее сопротивление, включённое в цепь базы транзистора VТ1, составляет 31 Ом (rСТΣ = 31 Ом).
Коэффициент стабилизации определяется по соотношении (3.2 в методических указаниях)
где rСТ – общее сопротивление стабилитронов,
rК– сопротивление коллекторной цепи транзистора VT1,
h11 – входное сопротивление транзистора, которое определяется по входной характеристике IБ = f(UБЭ) для тока базы, определенного в предыдущих разделах.
Определяем параметры транзистора VT1.
Параметр h11 определяется по приращениям тока и напряжения на входной характеристике h11 = ∆UБЭ /∆IБ.Ток базы был вычислен ранее (в примере IБ = 1,2 мА). Значение тока базы откладываем на оси тока базы, проводим прямую линию до пересечения с характеристикой, получаем положение рабочей точки (РТ). Строим характеристический прямоугольный треугольник так, чтобы РТ оказалась примерно в средине гипотенузы треугольника. Катеты проецируем на ось тока и напряжения. Вычисляем значения ∆ UБЭ и ∆IБ.
Из построения находим, что ∆UБЭ≈ 0,05 В, ∆IБ = 0,6 мА. h11 = ∆UБЭ /∆IБ =0,05В / 0,6 мА = 83 Ом.
Сопротивление rК определяется по коллекторным вольт - амперным характеристикам транзистора. Для этого проводим вертикальную прямую для напряжения 11 В, находится точка пересечения прямой с характеристикой тока базы, принятого в расчете. Возле этой точки строится характеристический треугольник, катеты которого проецируются на оси и находятся значения приращения тока и напряжения ∆
UКЭ и ∆IК. Вычисляется сопротивление rК. Построения показаны на рис. 4.
Из построения определяем ∆UКЭ = 10 В, ∆IК ≈ 6,5 мА.
rК = ∆UКЭ /∆IК=10/6,5 = 1,538 кОм = 1538.
Коэффициент В определяется аналогичным способом В = ∆IК/∆IБ. На рисунке ∆IК ≈ 15 мА (показано стрелкой на сечении), ∆IБ = 0,3 мА. Получаем В ≈ 50.
Выходное сопротивление стабилизатора.
RВЫХ = rЭ + (rСТ + rб )/(1 + B) (3.3 в методических указаниях).
Сопротивление rб = h11 – rЭ (1 + B) = 83 – 0,52·51 = 56,48 Ом.
RВЫХ = 0,52 + (31 + 56,48) / 51 = 2,24 Ом.
В случае уменьшения сопротивления нагрузки увеличивается ток вплоть до короткого замыкания. В этом случае силовой транзистор VT1 может сгореть. В таких ситуациях необходима защита стабилизатора по току.
Включим в токовую цепь нагрузки специальное сопротивление RT, выполняющего роль преобразователя тока в напряжение. При протекании по сопротивлению тока выделяется напряжение с полярностью, указанной на рис. 9.
Это напряжение воздействует на вход транзистора VT3. При заданном токе транзистор открывается и берет на себя часть тока базы транзистора VT1. Последний закрывается и ограничивает ток коллектора. При максимальном токе нагрузки транзистор VT3 закрыт и не оказывает влияния на работу стабилизатора.
Примем, что защита должна включиться, если ток превышает двойной максимальный ток нагрузки.
Примем транзистор VT3 германиевый n-p-n типа. Напряжение открывания у такого транзистора составляет 0,3В.
(0.3 IНmax = 0,15A). Вычисляем величину сопротивления RT.
RT = 0,3 В/0,15 А = 2 Ом. Выбираем меньшее номинальное значение. Выбираем меньшее номинальное значение 1,9 Ом. Вычисляется мощность рассеяния на резисторе и его тип.
Транзистор VT3 можно выбрать любой германиевый n-p-n типа.
В случае выхода транзистора VT1 из строя на нагрузку попадает полное напряжение питания, что может вывести нагрузку из строя. Необходима схема защиты нагрузки от возможного перенапряжения. В таких случаях используются быстродействующие электронные схемы защиты (рисунок 6).
Состоит из тиристора VS5, стабилитрона VD4 и двух резисторов. В исходном состоянии тиристор VS5 закрыт, его управляющий вход подключен к катоду через сопротивление R2. Стабилитрон VD4 также закрыт его напряжение включения на 10% больше напряжения нагрузки. Как только напряжение на нагрузке увеличивается по каким-либо причинам, стабилитронVD4 открывается, открывается тиристор и закорачивает выходную цепь стабилизатора. После этого сгорает плавкий предохранитель FU.
Сопротивление R2 ограничивает ток стабилитрона на уровне 5 ÷ 10 мА. Из этих условий выбирается стабилитрон и резистор. В рассматриваемом примере UH = 10 В. Можно использовать стабилитрон КС210А с напряжением включения 10 В (таблица 2). При выходе из строя транзистора VT1 на стабилитрон VD4 может поступать минимальное напряжение питания, равное 20 В. Зададимся током стабилитрона равным 5 мА. При пробое стабилитрона к резистору R2 прикладывается напряжение (20 – 10) = 10 В. Сопротивление R2 = 10 В/5мА = 2 кОм.
Проверим, не превышает ли ток через стабилитрон допустимое значение при максимальном напряжении источника питания равным 20,9 В.
(20,9 – 10) В / 2 кОм = 5,45 мА, что вполне допустимо для выбранного типа стабилитрона.
Напряжение включения тиристора должно быть больше напряжения питания UИmax (параметр UA таблица 5). При выборе тиристора можно ориентироваться следующим условием. Если
ток нагрузки меньше 100 мА, то выбирается тиристор с током анода 100 мА и менее. Если ток нагрузки больше 100 мА, то выбирается тиристор с током анода 100 мА и более. В примере можно выбрать тиристор КУ101В UА = 50 В, IА = 80 мА.
Выбранные элементы вносятся в перечень элементов схемы.
Рис. 11. Схема защиты и индикации
Сопротивление R3 ограничивает ток анода тиристора. Выбираем его исходя из допустимого тока тиристора, который равен 670 Ом.
Индикация состояния стабилизатора осуществляется с помощью светодиодов. Нормальное состояние принято индицировать зеленым цветом, критическое состояние – красным. В нормальном состоянии тиристор закрыт и напряжение на аноде равно напряжению на нагрузке. Светодиод VD6 (СИД) светится. Сопротивление R4. Вычисляется мощность рассеяния на резисторе, выбирается его тип.
Индикация состояния перегрузки стабилизатора осуществляется с помощью СИД VD8. В исходном состоянии диод не светится, т.к. напряжение ограничено стабилитроном VD7. Напряжение включения стабилитрона выбирается на 10% больше максимального напряжения UКЭ транзистора VT1. Получим 26 В Расчет сопротивления R5 выберем резистор с сопротивлением 1,2В/5мА=240 Ом.
СИД выбирается с красным свечением.
Ток этой цепи удерживает тиристор в открытом состоянии.
Плавкий предохранитель FU выбирается на такой ток, чтобы он сработал при допустимом
Ток коллектора транзистора VT2 задаёт ток стабилитронов VD1, VD2 и ток базы транзистора VT1.
При выборе транзистора VT1 было принято напряжение UКЭ = 12 В. При этом напряжение UКБ составляет 10,2 В (потенциал базы транзистора VT1 выше потенциала эмиттера на 0,8В). Это напряжение приложено к цепи транзистора VT2 (URэ+ UЭК = UКБ) и его следует поделить поровну между транзистором и резистором, т.е. URэ = UЭК = 5,1 В.
Выбор транзистора VТ2.
С целью уменьшения сопротивления rСТ стабилитронов VD1 и VD2 зададимся допустимым током через них равным 20 мА.
Учтём также ток базы транзистора VT1 IБ = 1,2 мА.
По транзистору VT2 и по резистору RЭ должен протекать ток, равный
IК2 = (IСТ + IБ) =20+1,2=21,2 мА.
По полученному току коллектора выбирается транзистор VT2. Допустимый ток коллектора должен быть больше полученного в расчёте. Проверяется допустимая мощность рассеяния транзистора VT2.
РКдоп >UКЭ∙IK = 5,1∙21,2 ≈ 108,1 мВт.
По допустимой мощности и току коллектора выбирается транзистор из таблицы 3. Например, применить транзистор малой мощности типа КТ203В. По транзистору VT2 и по резистору RЭ должен протекать ток, равный 21,2 мА. Сопротивление RЭ = URэ/IRэ = 5,1 В/21,2 мА = 241 Ом. Примем номинальное значение RЭ = 245 Ом.
Напряжение на сопротивлении RЭ равно URэ= 5,1 В. Напряжение UБЭ = 0,8 В. Напряжение UБ = (5,1 + 0,8) = 5,9 В. Теперь можно выбрать стабилитрон на напряжение UCT = 5,9B.
По справочным данным выберем стабилитрон КС156Б.
Зададим ток стабилитрона VD3 равным 5 мА. При минимальном напряжении источника UП по сопротивлению R1 будет протекать ток 5 мА. Прикладывается напряжение UП за вычетом напряжения на диодах VD3 (5,6 В) и VD2 (UК = 3,1 В). Эти напряжения в сумме дают UR1 = 8,7 В. Тогда сопротивление R1= (20 – 8,7) / 5 = 2,26 кОм.
Выбираем номинальное значение (округлив в меньшую сторону), например 2,2 кОм (ряд Е24), на схеме обозначается 2К2.
Поскольку принято иное значение резистора, то следует вычислить фактическое значение тока
IR1 = (20 В –8,7 В)/2,2 К = 5,14 мА.
Рассеиваемая резистором мощность
PR1=IR1·UR1=5,14 мА · 8,7 В=44,72 мВт.
Можно выбрать резистор с мощностью 1/8 Вт.
Определяем реальные сопротивления диодов VD1 и VD2.
По диоду VD1 течёт ток 20 мА (стабилитрон КС140А), по диоду VD2 (диод КС131А) течёт ток 25.14 мА (ток IК2 и ток стабилитрона VD3). Воспользуемся графиками рис. 20, на которых указаны токи, протекающие по стабилитрону. Проведем сечения (штрихпунктирные линии) для напряжений стабилизации и токов, протекающих по стабилитронам.
Согласно построению, сопротивление диода VD1 составляет примерно 10 Ом, сопротивление диода VD2 примерно 21 Ом. Общее сопротивление, включённое в цепь базы транзистора VТ1, составляет 31 Ом (rСТΣ = 31 Ом).
Рис. 8. Зависимость сопротивления стабилитрона от тока стабилизации
7. Расчет параметров стабилизатора
Коэффициент стабилизации определяется по соотношении (3.2 в методических указаниях)
где rСТ – общее сопротивление стабилитронов,
rК– сопротивление коллекторной цепи транзистора VT1,
h11 – входное сопротивление транзистора, которое определяется по входной характеристике IБ = f(UБЭ) для тока базы, определенного в предыдущих разделах.
Определяем параметры транзистора VT1.
Параметр h11 определяется по приращениям тока и напряжения на входной характеристике h11 = ∆UБЭ /∆IБ.Ток базы был вычислен ранее (в примере IБ = 1,2 мА). Значение тока базы откладываем на оси тока базы, проводим прямую линию до пересечения с характеристикой, получаем положение рабочей точки (РТ). Строим характеристический прямоугольный треугольник так, чтобы РТ оказалась примерно в средине гипотенузы треугольника. Катеты проецируем на ось тока и напряжения. Вычисляем значения ∆ UБЭ и ∆IБ.
Из построения находим, что ∆UБЭ≈ 0,05 В, ∆IБ = 0,6 мА. h11 = ∆UБЭ /∆IБ =0,05В / 0,6 мА = 83 Ом.
Сопротивление rК определяется по коллекторным вольт - амперным характеристикам транзистора. Для этого проводим вертикальную прямую для напряжения 11 В, находится точка пересечения прямой с характеристикой тока базы, принятого в расчете. Возле этой точки строится характеристический треугольник, катеты которого проецируются на оси и находятся значения приращения тока и напряжения ∆
UКЭ и ∆IК. Вычисляется сопротивление rК. Построения показаны на рис. 4.
Из построения определяем ∆UКЭ = 10 В, ∆IК ≈ 6,5 мА.
rК = ∆UКЭ /∆IК=10/6,5 = 1,538 кОм = 1538.
Коэффициент В определяется аналогичным способом В = ∆IК/∆IБ. На рисунке ∆IК ≈ 15 мА (показано стрелкой на сечении), ∆IБ = 0,3 мА. Получаем В ≈ 50.
Выходное сопротивление стабилизатора.
RВЫХ = rЭ + (rСТ + rб )/(1 + B) (3.3 в методических указаниях).
Сопротивление rб = h11 – rЭ (1 + B) = 83 – 0,52·51 = 56,48 Ом.
RВЫХ = 0,52 + (31 + 56,48) / 51 = 2,24 Ом.
8. Защита стабилизатора по току
В случае уменьшения сопротивления нагрузки увеличивается ток вплоть до короткого замыкания. В этом случае силовой транзистор VT1 может сгореть. В таких ситуациях необходима защита стабилизатора по току.
Включим в токовую цепь нагрузки специальное сопротивление RT, выполняющего роль преобразователя тока в напряжение. При протекании по сопротивлению тока выделяется напряжение с полярностью, указанной на рис. 9.
Это напряжение воздействует на вход транзистора VT3. При заданном токе транзистор открывается и берет на себя часть тока базы транзистора VT1. Последний закрывается и ограничивает ток коллектора. При максимальном токе нагрузки транзистор VT3 закрыт и не оказывает влияния на работу стабилизатора. Примем, что защита должна включиться, если ток превышает двойной максимальный ток нагрузки.Примем транзистор VT3 германиевый n-p-n типа. Напряжение открывания у такого транзистора составляет 0,3В.
(0.3 IНmax = 0,15A). Вычисляем величину сопротивления RT.
RT = 0,3 В/0,15 А = 2 Ом. Выбираем меньшее номинальное значение. Выбираем меньшее номинальное значение 1,9 Ом. Вычисляется мощность рассеяния на резисторе и его тип.
Транзистор VT3 можно выбрать любой германиевый n-p-n типа.
9. Защита нагрузки от перенапряжения
В случае выхода транзистора VT1 из строя на нагрузку попадает полное напряжение питания, что может вывести нагрузку из строя. Необходима схема защиты нагрузки от возможного перенапряжения. В таких случаях используются быстродействующие электронные схемы защиты (рисунок 6).
Состоит из тиристора VS5, стабилитрона VD4 и двух резисторов. В исходном состоянии тиристор VS5 закрыт, его управляющий вход подключен к катоду через сопротивление R2. Стабилитрон VD4 также закрыт его напряжение включения на 10% больше напряжения нагрузки. Как только напряжение на нагрузке увеличивается по каким-либо причинам, стабилитронVD4 открывается, открывается тиристор и закорачивает выходную цепь стабилизатора. После этого сгорает плавкий предохранитель FU.
Сопротивление R2 ограничивает ток стабилитрона на уровне 5 ÷ 10 мА. Из этих условий выбирается стабилитрон и резистор. В рассматриваемом примере UH = 10 В. Можно использовать стабилитрон КС210А с напряжением включения 10 В (таблица 2). При выходе из строя транзистора VT1 на стабилитрон VD4 может поступать минимальное напряжение питания, равное 20 В. Зададимся током стабилитрона равным 5 мА. При пробое стабилитрона к резистору R2 прикладывается напряжение (20 – 10) = 10 В. Сопротивление R2 = 10 В/5мА = 2 кОм.
Проверим, не превышает ли ток через стабилитрон допустимое значение при максимальном напряжении источника питания равным 20,9 В.
(20,9 – 10) В / 2 кОм = 5,45 мА, что вполне допустимо для выбранного типа стабилитрона.
Напряжение включения тиристора должно быть больше напряжения питания UИmax (параметр UA таблица 5). При выборе тиристора можно ориентироваться следующим условием. Если
ток нагрузки меньше 100 мА, то выбирается тиристор с током анода 100 мА и менее. Если ток нагрузки больше 100 мА, то выбирается тиристор с током анода 100 мА и более. В примере можно выбрать тиристор КУ101В UА = 50 В, IА = 80 мА.
Выбранные элементы вносятся в перечень элементов схемы.
Рис. 11. Схема защиты и индикации
Сопротивление R3 ограничивает ток анода тиристора. Выбираем его исходя из допустимого тока тиристора, который равен 670 Ом.
10. Индикация состояния стабилизатора
Индикация состояния стабилизатора осуществляется с помощью светодиодов. Нормальное состояние принято индицировать зеленым цветом, критическое состояние – красным. В нормальном состоянии тиристор закрыт и напряжение на аноде равно напряжению на нагрузке. Светодиод VD6 (СИД) светится. Сопротивление R4. Вычисляется мощность рассеяния на резисторе, выбирается его тип.
Индикация состояния перегрузки стабилизатора осуществляется с помощью СИД VD8. В исходном состоянии диод не светится, т.к. напряжение ограничено стабилитроном VD7. Напряжение включения стабилитрона выбирается на 10% больше максимального напряжения UКЭ транзистора VT1. Получим 26 В Расчет сопротивления R5 выберем резистор с сопротивлением 1,2В/5мА=240 Ом.
СИД выбирается с красным свечением.
Ток этой цепи удерживает тиристор в открытом состоянии.
Плавкий предохранитель FU выбирается на такой ток, чтобы он сработал при допустимом