Емкости разделительных конденсаторов выбирают из соотношения:

(30)

II. РАССЧЁТ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (СН)
2.1. Задания на расчёт

1) Разработать функциональную схему (блок-схему) компенсационного стабилизатора напряжения.

2) Разработать (выбрать) принципиальную электрическую схему стабилизатора напряжения.

3) Рассчитать режимы работы всех элементов СН и выбрать их конкретный тип.
2.2. Исходные данные для расчёта СН

1) Номинальное значение напряжения первичного источника питания . .U_пн=27 В

2) Допускаемое отклонение питающего напряжения от номинального . .∆U_п=±0,2U_пн

3) Номинальное выходное напряжение (на нагрузке) . . . . . . . . . . . . . . . . .U_н=10 В

4) Пределы регулирования выходного напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . U_{вых мин}=[5+0,1(n-1)] В

U_{вых макс}=[15-0,1(n-1)] В

5) Максимальная активная мощность на выходе источника . . . . . . . . . . . P_{вых макс}=2n ,Вт,

где n – порядковый номер студента в списке группы.

2.3. Алгоритм расчёта стабилизатора напряжения

2.3.1. Разработка функциональной схемы (блок-схемы) компенсационного стабилизатора постоянного напряжения
Блок-схема разрабатываемого стабилизатора напряжения может быть реализована в соответствии с рис. 2.1.



Рис. 2.1. Обобщенная блок схема компенсационного СН.

На схеме обозначено:

ист. пит. - первичный источник питания;

РЭ - регулирующий элемент;

Н - нагрузка;

ИО - измерительный орган;

УС - устройство сравнения;

U_оп - источник опорного напряжения;

УПТ - усилитель постоянного тока.

Рассматриваемый стабилизатор в автоматическом режиме регулирования в соответствии с рис. 1 работает следующим образом. Предположим, что в результате воздействия одного из возмущающих факторов, например, повышения входного напряжения, напряжение на выходе также несколько возросло. При этом возросло напряжение на выходе измерительного органа, а, следовательно, и напряжение ошибки на выходе узла сравнения

U_c=U_ио-U_оп.

Напряжение ошибки U_c усиливается усилителем постоянного тока и воздействует на

---

регулирующий элемент РЭ таким образом, что его сопротивление возрастает. Падение напряжения на нём также возрастает, а напряжение на выходе стабилизатора уменьшается, возвращаясь, с допустимой погрешностью, к заданному исходному значению. В этом проявляется действие отрицательной обратной связи по напряжению в стабилизаторе.

2.3.2. Разработка принципиальной электрической схемы стабилизатора

О дин из вариантов реализации принципиальной электрической схемы представлен на рис. 2. 2.
Рис. 2.2 Схема линейного компенсационного стабилизатора напряжения с УПТ на базе операционного усилителя

Регулирующий элемент стабилизатора выполнен на силовом транзисторе VT1. Источник опорного напряжения реализован на элементах R6VD5, а измерительный орган — на резисторах R7-R9. Сравнение измеренного и опорного напряжений осуществляется на входах микросхемы DA. Это может быть как простой дифференциальный усилитель, так и операционный усилитель. Роль усилителя постоянного тока выполняют последовательно включённые микросхема DA и транзисторы VT2VT3..

2.3.3 Последовательность расчёта

2.3.3.1 Расшифровка исходных данных для расчёта по конкретно заданному варианту

2.3.3.2 Выбор силового транзистора для регулирующего элемента

Для выбора силового транзистора, работающего в качестве регулирующего элемента, необходимо знать режим его работы по основным параметрам: максимально возможному току коллектора при работе в самом нагруженном режиме и максимально возможному напряжению на нём. Так как транзистор включён последовательно с нагрузкой, то указанные параметры легко определяются из исходных данных по нагрузке и параметрам источника питания.

2.3.3.3 Расчёт и выбор элементов для узла сравнения и предварительного усиления.

В соответствии с принципиальной электрической схемой стабилизатора узел сравнения реализован на операционном усилителе DA. Тип усилителя выбирается из условия, чтобы при минимально возможном входном напряжении стабилизатора можно было бы сформировать из него двухполярный источник питания для микросхемы. Этот источник выполнен на элементах R1VD1VD2C1C2.

---

2.3.3.4 Расчёт режима работы и выбор элементов для источника опорного напряжения.

Источник опорного напряжения представляет собой простейший параметрический стабилизатор, выполненный на элементах R6VD5. Параметры этих элементов должны быть такими, чтобы:

1)Протекающий через них ток и входной ток микросхемы соотносились бы следующим образом - I_R6VD5≈(10-100)I_{вх оу};

2)I_R6VD5≥I_{ст мин VD5}.

2.3.3.5 Определение параметров измерительного органа.

Измерительный орган выполнен на элементах R7R8R9. Сопротивления этих резисторов выбираются такими, чтобы:

1)ток через них I_R7R8R9≈(10-100)I_{вх оу};

2)пропорции между ними были такими, чтобы можно было устанавливать любые значения выходного напряжения стабилизатора, оговоренные в исходных данных для расчёта всего СН.

2.3.3.6 Выбор транзисторов для усилителя постоянного тока (VT2VT3).

На этих транзисторах, наряду с микросхемой и самим силовым транзистором VT1, выполнен усилитель постоянного тока (УПТ). Их эквивалентный коэффициент усиления β_экв=β₂*β₃ должен быть таким, чтобы обеспечить необходимое усиление по току выходного сигнала микросхемы (I_{вых оу}≈1-2мА) до необходимого уровня тока базы транзистора VT1 регулирующего элемента

I_бVT1=I_{вых макс}/β_VT1.

2.3.3.7Определение коэффициента полезного действия стабилизатора напряжения в предельных режимах его работы.

Коэффициент полезного действия стабилизатора напряжения рассматриваемого типа равен η=U_вых/U_вх. Подставляя в это уравнение максимальные и минимальные значения U_вх и U_вых, получаем диапазон изменения КПД во всех режимах работы стабилизатора.

2.4. Пример расчёта стабилизатора напряжения.

2.4.1 Исходные данные для расчёта по варианту №20:

1. 
   U_пн=27 В
   
2. 
   U_{п макс}=27+0,2*27=32,4 В
   
3. 
   U_{п мин}=27-0,2*27=21,6 В
   
4. 
   U_н=10 В
   
5. 
   U_{вых мин}=5+0,1(20-1)=6,9 В
   
6. 
   Uвых макс=15-0,1(20-1)=13,1 В
   
7. 
   Pвых мак=2*20=40 Вт
   

2.4.2 Выбор силового транзистора для регулирующего элемент.

Для выбора транзистора, работающего в линейном режиме усиления, необходимо знать максимальные значения его тока и напряжения на нём во всём диапазоне их изменения.

---

Максимальное значение напряжения на транзисторе будет определяться из условия

U_{кэ макс расч}=U_{п макс}-U_{вых мин}=32,4-6,9=25,5 В.

Максимальное значение тока в транзисторе будет равно его максимальному значению в нагрузке, так как они включены последовательно.

I_{к макс расч}=I_{нагр макс}=P_{вых макс}/U_{вых мин}=40/6,9=5,8 А

Силовой транзистор (регулирующий элемент) выбирается из условия

I_{к макс расч}≤I_{к макс}, U_{кэ макс расч}≤U_{кэ макс},

где I_{кэ макс} и U_{кэ макс} — максимально допустимые справочные параметры выбранного транзистора. Полученным условиям соответствует транзистор КТ908Б, для которого I_{к макс}=10 А, U_{кэ макс}=60В, β=20. (См. таблица 2.1)

Определяем сопротивление резистора смещения R2, обеспечивающего необходимое значение тока базы силового транзистора VT1. При максимальном значении тока нагрузки I_{н макс}=I_{кVT1 макс}=5,8А ток базы транзистора VT1 будет равен

I_{бVT1 макс}=I_{кVT1 макс}/ β=5,8/20 = 0,29 А.

Если принять, что ответвлённый при этом в транзистор VT3 ток

I_кVT3≈0,2I_бVT1=0,2·0,29=0,058 А, то I_R2=I_бVT1+I_кVT3=0,29+0,058=0,35 А.

Для предельного режима работы стабилизатора

U_R2=U_{вх мин}-U_АБ=U_{вх мин}-(U_бэVT1+U_{вых макс})=21,6-(1+13,1)=7,5 В.

Таким образом, получаем R2=U_R2/I_R2=7,5/0,35=21,4 Ом.

По ГОСТ выбираем R2=20 Ом. При этом резистор должен быть способен рассеивать выделяющуюся на нём мощность P_R2=I²R=0,35²*20=2,45 Вт. Для обеспечения такого условия резистор с эквивалентным сопротивлением 20 Ом может быть получен путём последовательного включения двух двухваттных резисторов по 10 Ом каждый.

2.4.3 Расчёт и выбор элементов для узла сравнения и предварительного усиления.

В соответствии с принципиальной электрической схемой стабилизатора напряжения (рис.2.2) в качестве узла сравнения (микросхема DA) выбираем операционный усилитель К140УД2Б. Он обладает следующими параметрами:

Напряжение источника питания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .U_п=±6,3В

Коэффициент усиления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .К_у=3000-35000

Входной ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I_вх=0,7 мА

Выходное напряжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .U_вых=±3 В

Потребляемый ток . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .I

---

_п≤5 мА

Так как операционный усилитель требует своего напряжения питания U_п=6,3 В, то для него необходим свой индивидуальный встроенный стабилизатор напряжения. В соответствии с рис.2.2 такой стабилизатор выполнен на элементах R1VD1VD2C1C2. Он представляет собой простой параметрический двухполярный стабилизатор напряжения. В соответствии с параметрами микросхемы, U_п=6,3 В и потребляемый ею ток I_п=5 мА. Так как свой двухполярный источник питания выполнен на стабилитронах VD1VD2, то протекающий по ним рабочий ток должен быть значительно больше тока, потребляемого микросхемой DA. Принимая I_ст=(2-3)I_п, получаем I_ст=15 мА. По справочнику выбираем стабилитрон КС156А, для которого U_ст=5,6 В I_{ст мин}=3мА I_{ст макс}=55 мА.

Так как напряжение стабилизации выбранного стабилитрона U_ст=5,6 В меньше необходимого питания микросхемы U_п=6,3 В, то для коррекции этого напряжения последовательно со стабилитронами включаем диоды VD3VD4 типа КД219А, для которого падение напряжения в прямом направлении равно U_VD=0,8 В. Тогда общее напряжение питания, подаваемое на микросхему будет равно U_{п оу}=U_ст+U_вд=5,6+0,8=6,4 В. Именно такое напряжение питания и требуется для микросхемы К140УД2Б.

Общий ток, протекающий через балластный резистор R1, при минимально возможном входном напряжении всего устройства U_{п мин}=21,6 В должен быть равен I_R1=I_ст+I_{п оу}=15+5=20 мА. Тогда U_{R1 мин}=21,6-2U_{п оу}=21,6-2*6,4=8,8 В. Таким образом R1=8,8/(20*10^-3)=440 Ом. По ГОСТ принимаем R1=430 Ом.

Для сглаживания возможных пульсаций напряжения на стабилитронах включаем параллельно им конденсаторы фильтра C1=C2=10мкФ с рабочим напряжением U_c=16В.

Так как операционный усилитель обладает огромным коэффициентом усиления, то использование его в усилительном режиме с таким усилением приведёт к неустойчивости работы всей системы стабилизации напряжения из-за слишком большой чувствительности микросхемы. В этом случае в сам операционный усилитель необходимо ввести внутреннюю обратную отрицательную связь. На схеме её функцию выполняют резисторы R3 и R4. При наличии такой связи коэффициент усиления микросхемы будет равен K_ус=R3/R4. Принимая предварительно K_ус=50 и R4=1кОм, определяем необходимое значение сопротивления резистора R3.

R3=K_ус*R4=50*1*10³=5*10⁴Ом по ГОСТ принимаем R3=51кОм.

Определяем сопротивление нагрузки операционного усилителя R2. На практике через этот резистор течёт выходной ток операционного усилителя. Он ограничен его нагрузочной способностью. Принимая его равным (1-2) мА, получим

---

Смотрите также файлы

• Тестовые задания повышения квалификации по специальности Физиотерапия.docx

• Таырыбы Баланы жауапкершілігі жне жауапсыздыы. Оны артында не бар Масаты.docx

• Курсовая работа на тему Ассортимент, приготовление и способы оформления и подачи запеченных горячих блюд сложного ассортимента для предприятий общественного питания.docx

• Лёгкая атлетика. Прыжок в длину с разбега способом согнув ноги.docx

• Реферат чрезвычайные ситуации природного происхождения студент группы с15 Тухфатуллин Дамир.docx