Файл: Проектирование стабилизированного блока питания на 2 напряжения 24В 1А, 12В 2А.docx

Конденсатор является пассивным электронным компонентом. В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин, называемых обкладками, разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Практически применяемые конденсаторы имеют много слоёв диэлектрика и многослойные электроды, или ленты чередующихся диэлектрика и электродов, свёрнутые в цилиндр или параллелепипед со скруглёнными четырьмя рёбрами. С примером такого конденсатора можем ознакомиться на рисунке 3.




Рис. 3. Конденсатор
Транзисторы
Транзистор – это прибор, работающий по принципу полупроводника и предназначен для усиления сигнала. Из-за особенностей строения кристаллической решетки и своих полупроводниковых свойств, транзистор увеличивает протекающий через нее ток. Сами же вещества, имеющие такие свойства, препятствуют его протеканию. Самими основными элементами считаются германий (Gr) или кремний (Si).

Транзисторы применяются в очень многих технических устройствах. Самые яркие примеры:

1. 
   Усилительные схемы.
   
2. 
   Генераторы сигналов.
   
3. 
   Электронные ключи.
   

Во всех устройствах связи усиление сигнала необходимо. Во-первых, электрические сигналы имеют естественное затухание. Во-вторых, довольно часто бывает, что амплитуды одного из параметров сигнала недостаточно для корректной работы устройства.

Информация передаётся с помощью электрических сигналов. Чтобы доставка была гарантированной и качество информации высоким, нам необходимо усиливать сигналы. Транзисторы способны влиять не только на амплитуду, но и на форму электрического сигнала. В зависимости от требуемой формы генерируемого сигнала в генераторе будет установлен соответствующий тип полупроводникового прибора. Электронные ключи нужны для управления силой тока в цепи. В состав этих ключей входит множество транзисторов. Электронные ключи являются одним из важнейших элементов схем.

Внешний вид транзистора представлен на рисунке 4.



Рис. 4. Внешний вид транзистора
Резисторы
Самым распространённым элементом в электрических схемах является резистор. Эта несложная в изготовлении радиодеталь используется для ограничения проходящего через него тока, а также изменения напряжения. По своей сути она является пассивным элементом, преобразующим электрическую энергию в тепло.

---

Свойства резистивных элементов можно использовать в следующих целях:

1. 
   преобразование силы тока в напряжение и наоборот;
   
2. 
   ограничение протекающего тока с получением его заданной величины;
   
3. 
   создание делителей напряжения (например, в измерительных приборах);
   
4. 
   решение других специальных задач (например, уменьшение радиопомех).
   

Внешний вид резистора показан на рисунке 5.


Рис. 5. Резистор

Расчет, выбор элементов

1. 
   Стабилитрон VD1 выбирается со значением напряжения стабилизации, равном половине выходного напряжения стабилизатора:
   U_CT=U_BЫХ/2=24/2 = 12 В
   При этом условии обеспечивается наилучшая стабилизация. Выбираем стабилитрон, максимально близкий по напряжению стабилизации – КС212Ж, у которого U_ст = 12 В, I_ст =(0.0005- 0,011 А), среднее значение 0,00575 А.
   
2. 
   Расчет резистора U_Rб = U_BЫХ – U_C = 24 – 12 = 12 В
   

Зная падение напряжения и номинальный ток стабилизации стабилитрона, по закону Ома определяем сопротивление резистора:

R_б = U_Rб/ I_ст = 12/ 0,00575= 2087 Ближайшее значение сопротивления резистора по номинальному ряду – 2,2 кОм.

Мощность резистора находим из условия Р_Rб = U_Rб x I_ст x 2 = 12 * 0,00575* 2 = 0,138 Вт.

Ближайшее значение мощности по номинальному ряду – 0,25 Вт. Таким образом, параметры R_б – 2,2 кОм на 0,25 Вт.

3. 
   Определим токи стабилизации стабилитрона при изменении напряжения в пределах регулировки стабилизатора. Для того, чтоб обеспечить 24 В на выходе с учетом разброса параметров элементов требуется иметь возможность регулировки напряжения в пределах 20% получаем U_ВЫХ  19,2  28,8 В
   
4. 
   Они должны не выходить за предельные токи стабилитрона, стоящего в мостовой измерительной цепи.
   а) Определим минимальный ток при выходном напряжении 19,2 В
   I_{СТ min}=(U_MIN-U_CT)/R_Б=(19,2-12 )/2200=0,0033А  I_MIN=0,0005A стабилитрона.
   б) Определим максимальный ток стабилитрона при максимальном выходном напряжении 28,8 В
   I_{СТ max}=(U_MIN-U_CT)/R_Б=(28,8-12)/2200=0,0076А  I_MАХ=0,011A стабилитрона
   Диапазон выбранных напряжений не выходит за предельные значения тока стабилизации и находится на уровне средних значений.
   в) В связи с тем, что ток через стабилитрон изменился, следует проверить, достаточна ли его мощность для работы в таком режиме:
   Р_Rб = R_б*I²_CT.MAX*2 = 2200 * 0,0076² * 2 = 0,254 Вт
   В данном случае следует взять сопротивление со следующими параметрами:
   2,2 кОм 0,5 Вт
   
5. 
   Рассчитаем делитель R₁,R₂,R₃:
   На стабилитроне КС212Ж падает – 12 вольт. Параметры режима транзистора VT1 определяют для "рабочей точки", при котором напряжение U_ЭБ = 0,65 В для кремневого транзистора проводимости n-p-n. Следовательно, что на базе должно быть всегда напряжение относительно корпуса стабилизатора
   U_Б=U_CТ+U_БЭ= 12 + 0,65 = 12,65 В.
   База соединена с выводом контактного движка регулировочного резистора R2, значит, что напряжение 12,65 В всегда должно быть в данной точке цепи.
   Исходя из этого, можно составить и решить, систему уравнений с тремя неизвестными.
   Для упрощения в делают расчеты для двух крайних случаев:
   При максимальном напряжении стабилизации U_вых.max = 28,8 вольт, вывод движка находится в нижнем по схеме положении, ток стабилизации I_ст.max = 0,076 A, а ток делителя R₁,R₂,R₃ принимают в 10 раз меньше (учитывается коэффициент усиления транзистора по току, который для маломощных транзисторов не может быть менее 10): I_цепи = 0,0076 А , следовательно: R₃=U_Б/I_ЦЕПИ= 12,65/0,0076 = 1665 Ом;
   R₁ + R₂ = (U_вых.max - U_R3) / I_цепи = (28,8 – 12,65)/0,0076=2125 Ом.
   

---

Суммарное сопротивление R_СУМ=R₁ + R₂ + R₃ = 1665 + 2125 = 3790 Ом
При минимальном напряжении стабилизации U_вых.min = 19,2 В, вывод движка находится в верхнем положении и ток делителя будет:
I_цепи = U_вых.min / (R₁ + R₂ + R₃) = 19,2/3790 = 0,005 А
Также определим значение R_1.

R₁ = (U_вых.min – U_Б) / I_цепи = (19,2–12,65)/0,005 = 1310 Ом, отсюда значение R₂ определяем как R₂ = R_СУМ-R₁-R₃=3790–1310-1665= 815 Ом, выбираем значения резисторов из значений номинального ряда: R₁ = 1,3 кОм, R₂ = 0,82 кОм (переменный), R₃ = 1,6 кОм
Мощности резисторов следует выбрать аналогично пункту 3,в)
P_R1=I²_MAX*R₁=0,0076²х1300=0,075 Вт выбираем 0,125 Вт

P_R2=I²_MAX*R₂=0,0076²х820=0,047 Вт выбираем 0,125 Вт

P_R3=I²_MAX*R₃=0,0076²х1600=0,092 Вт выбираем 0,125 Вт

6. 
   Расчет второго источника опорного напряжения и смещения VT2.
   Напряжение стабилизации VT2 должно обеспечивать рабочий режим выходных транзисторов не менее чем U_БЭ для одного силового транзистора или суммарное напряжение для составного.
   Учитывая что U_БЭ мощных транзисторов может иметь значение до 1,2 В следует выбирать
   U_CT=U_{ВЫХ.МАХ}+nU_БЭ, где n – число транзисторов в каскаде составного транзистора (в данном случае n=2) U_CT=28,8+1,2x2=31,2 В.
   В качестве стабилитрона выбираем КС222Ж и КС191Ж, у которого U_ст = 31,1 В, I_ст = 10,5 мА .
   

При выборе напряжения трансформатора его надо задать следующим:
U_ТР=U_CT*1,2=31,1 * 1,2=37,3 В.
Определим R_см. Выходное напряжение трансформатора после выпрямления и сглаживания фильтром = 19 вольт, тогда R_см = (U_тр. - U_ст) / I_ст = (37,3 – 31,1) / 0,0105А = 590 Ом.
Мощность резистора Р_Rсм = U_Rсм * I_ст = 6,2 * 0,0105 = 0,0651 Вт, ближайшая из номинального ряда - 0,125 Вт.
Для стабильной работы цепи опорного напряжения R_см VD2, необходимо, чтобы R_к не оказывал на эту цепь шунтирующего действия. Поэтому ток R_к должен быть как минимум в 2 раза меньше тока стабилитрона. Кроме того, на нём падает разность между входным и выходным напряжением:
U_Rк = U_тр. - U_вых. = 37,3 – 19,2 = 18,1 В,
отсюда: R_к = U_Rк / (I_ст/2) = 18,1 /(0,0105/2) = 3448 Ом. Выбираем 3,6 кОм
Мощность Р_Rк = U_Rк * (I_ст / 2) = 18,1 *(0,0105/2) = 0,095 Вт, ближайший 0,125 Вт

7. 
   Выбор транзисторов.
   

В качестве VT1 следует выбирать маломощный транзистор типа КТ361В. Он удовлетворяет следующим требованиям:

---

-достаточно высокий коэффициент усиления (передачи) h21Э = 40;
-допустимое напряжение коллектор-эмиттер – 40 вольт.
-ток коллектора 0,05 А.
В качестве VT2 желательно использовать транзистор средней мощности типа КТ815Б со следующими параметрами:
-коэффициент передачи h21Э = 40
-напряжение коллектор – эмиттер 40 В;
-ток коллектора до 1,5 А.
Он обеспечит усиление тока коллектора VT1 в 40 раз;
В качестве VT3 требуется выбрать транзистор с номинальным током коллектора не ниже
максимального тока стабилизатора 1 А с запасом как минимум 50%.

Транзистор КТ816Б с параметрами:
-коэффициент передачи h21Э = 25
-напряжение коллектор-эмиттер 45В;
-ток коллектора до 3А;
-допустимая мощность до 25 ВА.
Следует проверить мощность, рассеиваемую на n-p-n переходе силового транзистора:
P_MAX=(U_MAX*I_MAX)/2=((U_TP-U_CT.MIN)xI_MAX)/2=((37,3-19,2)*1)/2=9 ВА

8. 
   Расчет резистора смещения Rэ.
   Rэ = (U_БЭ/I_MAX)*h21Э=(0,9/1)х25= 22,5 Ом
   
9. 
   Расчет выпрямительных диодов:
   

Ток нагрузки 1 А, следовательно ток диода в 2 раза меньше и равен 0,5 А. Выпрямленное напряжение 24 В, следовательно обратное напряжение в 1,41 раза больше и равно 34В. Тогда выбираем диод Д305.
Проведем расчет под вторые значения напряжений и силы тока.

1. 
   Стабилитрон VD3 выбирается со значением напряжения стабилизации, равном половине выходного напряжения стабилизатора:
   U_CT=U_BЫХ/2=12/2 = 6 В. При этом условии обеспечивается наилучшая стабилизация. Выбираем стабилитрон, максимально близкий по напряжению стабилизации – КС175Ж, у которого U_ст = 7,5 В, I_ст =(0.005-
   0,017 А), среднее значение 0,011 А.
   
2. 
   Расчет резистора
   

U_Rб = U_BЫХ – U_Cт = 12 – 7,5 = 4,5 В

Зная падение напряжения и номинальный ток стабилизации стабилитрона, по закону Ома определяем сопротивление резистора:

R_б = U_Rб/ I_ст = 6,4/ 0,029= 409

Ближайшее значение сопротивления резистора по номинальному ряду – 430 Ом.

Мощность резистора находим из условия

Р_Rб = U_Rб * I_ст * 2 = 4,5 * 0,011* 2 = 0,1Вт.

Ближайшее значение мощности по номинальному ряду – 0,125 Вт. Таким образом, параметры R_б – 430 Ом на 0,125 Вт.

3. 
   Определим токи стабилизации стабилитрона при изменении напряжения в пределах регулировки стабилизатора. Для того, чтоб обеспечить 12 В на выходе с учетом разброса параметров элементов требуется иметь возможность регулировки напряжения в пределах 20% получаем U_ВЫХ  9,6  14,4 В. Они должны не выходить за предельные токи стабилитрона, стоящего в мостовой измерительной цепи.
   а) Определим минимальный ток при выходном напряжении 9,6 В
   I_{СТ min}=(U_MIN-U_CT)/R_Б=(9,6-7,5 )/430=0,005А  I_MIN=0,0005A стабилитрона.
   б) Определим максимальный ток стабилитрона при максимальном выходном напряжении 14,4 В. I_{СТ max}=(U_MIN-U_CT)/R_Б=(14,4-7,5)/430=0,016А  I_MАХ=0,017A стабилитрона.
   Диапазон выбранных напряжений не выходит за предельные значения тока стабилизации и находится на уровне средних значений.
   в) В связи с тем, что ток через стабилитрон изменился, следует проверить, достаточна ли его мощность для работы в таком режиме:
   Р_Rб = R_б*I²_CT.MAX*2 = 430 * 0,011² * 2 = 0,1 Вт. В данном случае видим, что мощности для работы в изменившихся условиях достаточно.
   
4. 
   Рассчитаем делитель R₄,R₅,R₆:
   На стабилитроне КС175Ж падает – 7,5 вольт. Параметры режима транзистора VT4 определяют для "рабочей точки", при котором напряжение U_ЭБ = 0,65 В для кремневого транзистора проводимости n-p-n. Следовательно, что на базе должно быть всегда напряжение относительно корпуса стабилизатора
   U_Б=U_CТ+U_БЭ= 7,5 + 0,65 = 8,15 В. База соединена с выводом контактного движка регулировочного резистора R2, значит, что напряжение 8,15 В всегда должно быть в данной точке цепи.
   Исходя из этого, можно составить и решить, систему уравнений с тремя неизвестными.
   Для упрощения в делают расчеты для двух крайних случаев:
   При максимальном напряжении стабилизации U_вых.max = 14,4 вольт, вывод движка находится в нижнем по схеме положении, ток стабилизации I_ст.max = 0,016 A, а ток делителя R₄,R₅,R₆ принимают в 10 раз меньше (учитывается коэффициент усиления транзистора по току, который для маломощных транзисторов не может быть менее 10): I_цепи = 0,0016 А , следовательно:
   R₆=U_Б/I_ЦЕПИ=  8,15/0,0016 = 5094 Ом;
   R₄ + R₅ = (U_вых.max - U_R6) / I_цепи = (14,4 – 8,15)/0,0016=3906 Ом.
   

---

Суммарное сопротивление R_СУМ= R₄ + R₅ + R₆ = 5094 + 3906 = 9000 Ом
При минимальном напряжении стабилизации U_вых.min = 9,6 В, вывод движка находится в верхнем положении и ток делителя будет:
I_цепи = U_вых.min / (R₄ + R₅ + R₆) = 9,6/9000 = 0,001 А определим значение R₄
R₄ = (U_вых.min – U_Б) / I_цепи = (9,6–8,15)/0,001 = 1450 Ом, отсюда значение R2 определяем как R₅ = R_СУМ-R₄-R₆=9000–1450-5094= 2456 Ом, выбираем значения резисторов из значений номинального ряда: R₄ = 1,3 кОм, R₅ = 2,7 кОм
(переменный), R₆ = 5,1 кОм
Мощности резисторов следует выбрать аналогично пункту 3,в)
P_R4=I²_MAX*R₄=0,001²х1300=0,0013 Вт выбираем 0,125 Вт

P_R5=I²_MAX*R₅=0,001²х2700=0,0027 Вт выбираем 0,125 Вт

P_R6=I²_MAX*R₆=0,001²х5100=0,0051 Вт выбираем 0,125 Вт

5. 
   Расчет второго источника опорного напряжения и смещения VT5.
   Напряжение стабилизации VT5 должно обеспечивать рабочий режим выходных транзисторов не менее чем U_БЭ для одного силового транзистора или суммарное напряжение для составного. Учитывая что U_БЭ мощных транзисторов может иметь значение до 1,2 В следует выбирать U_CT=U_{ВЫХ.МАХ}+nU_БЭ, где n – число транзисторов в каскаде составного транзистора (в данном случае n=2) U_CT=14,4+1,2x2=16,8 В.
   В качестве стабилитрона выбираем КС218Ж, у которого Uст = 18 В, Iст = (0,00050,007)А среднее значение IСТ=0,00375 мА. При выборе рабочих параметров этой схемы выяснилось, что напряжение 16 В трансформатора
   недостаточно и его следует увеличить на 1520% больше опорного напряжения. При выборе напряжения трансформатора его надо задать следующим: U_ТР=U_CT*1,2=18*1,2=21,6 В
   Определим Rсм. Выходное напряжение трансформатора после выпрямления и сглаживания фильтром = 19 вольт, тогда Rсм = (Uтр. - Uст) / Iст = (21,6 – 18) / 0,00375А = 960 Ом.
   Мощность резистора Р_Rсм = U_Rсм * Iст = 3,6 *0,00375 = 0,0135 Вт, ближайшая из номинального ряда - 0,125 Вт
   Для стабильной работы цепи опорного напряжения Rсм VD4, необходимо, чтобы Rк не оказывал на эту цепь шунтирующего действия. Поэтому ток Rк должен быть как минимум в 2 раза меньше тока стабилитрона. Кроме того, на нём падает разность между входным и выходным напряжением:
   U_Rк = U_тр. - U_вых. = 21,6 – 9,6 = 12 В, отсюда: R_к = U_Rк / (I_ст/2) = 12 /(0,00375/2) = 6400 Ом. Выбираем 6,8 кОм
   Мощность Р_Rк = U_Rк * (I_ст / 2) = 12 *(0,00375/2) = 0,0225 Вт, ближайший 0,125 Вт.
   
6. 
   Выбор транзисторов. В качестве VT4 следует выбирать маломощный транзистор типа КТ315Б. Он удовлетворяет
   требованиям:
   -достаточно высокий коэффициент усиления (передачи) h21Э = 50;
   -допустимое напряжение коллектор-эмиттер – 20 вольт.
   -ток коллектора 0,1 А.
   В качестве VT5 желательно использовать транзистор средней мощности типа КТ815Б с параметрами:
   -коэффициент передачи h21Э = 40
   -напряжение коллектор – эмиттер 40 В;
   -ток коллектора до 1,5 А.
   Он обеспечит усиление тока коллектора VT1 в 40 раз;
   В качестве VT6 требуется выбрать транзистор с номинальным током коллектора не ниже максимального тока стабилизатора 2,5А с запасом как минимум 50%.
   

---