Розробка стабілізованого джерела постійної напруги

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Курсовий проект

На тему: “Розробка стабілізованого джерела постійної напруги”

Зміст

Вступ

1. Розрахунок транзисторного стабілізатора напруги компенсаційного типу

2. Розрахунок випрямляча і електронного фільтра

3. Розрахунок випрямляча

Список літератури



Вступ

випрямляч споживач напруга компенсаційний

Стабілізатором напруги називається пристрій, який автоматично і з необхідною точністю підтримує напругу на споживачі при змінні напруги на вході стабілізатора чи при змінні опору навантаження споживача.

Існує два принципово різних методи стабілізації напруги: параметричний і компенсаційний, який в свою чергу може працювати в неперервному (аналоговому) або імпульсному (ключовому) режимі.

В параметричному методі дестабілізуючий фактор діє на параметр нелінійного елемента, що певним чином послаблює дію дестабілізуючої величини. В стабілізаторах цього типу використовуються елементи з нелінійною залежністю між струмом та напругою. Принцип стабілізації тут базується на змінні опору не лінійного елемента, що входить до складу схеми, при змінні прикладеної напруги чи протікаю чого через них струму. В результаті перерозподілі струмів і напруги між окремими елементами схеми досягається стабілізація вихідної напруги. Перевагою параметричного методу стабілізації є простота схеми, що складається з невеликої кількості елементів. Недоліки: ККД і невисокий коефіцієнт стабілізації.

Компенсаційний метод стабілізації передбачає порівняння стабілізованої вихідної напруги з еталонною напругою. Різниця напруг після порівняння діє на регулюючий елемент стабілізатора так, що він компенсує змінну вихідної напруги, що відбулась.

Регулюючий елемент стабілізатора може працювати в безперервному (активному) режимі або в імпульсному.

За цією ознакою стабілізатори компенсаційного типу поділяються на безперервні і імпульсні.

Компенсаційні безперервні стабілізатори складаються з подільника напруги, зібраного з резисторів , , , який разом з резистором , і стабілізатором утворюють вимірювальний міст, на одну діагональ якого надходить вихідна напруга стабілізатора. До другої діагоналі моста підключають транзистор . Міст працює, як схема порівняння.

Якщо вихідна напруга відхилилась від номінального значення, з виходу моста на базу транзистора , що являє собою підсилювач постійного струму, подається керуюча напруга, що дорівнює різниці двох напруг Е еталонної (на стабілізаторі ) та вихідної. Після підсилення керуюча напруга діє через транзистор на регулюючий транзистор таким чином, що він компенсує зміни вихідної напруги. Транзистор використовується для узгодження великого вихідного опору підсилювача на транзисторі з малим вхідним опором регулюючого транзистора .

Крім цього транзистора і утворюючи збірний транзистор, мають загальний коефіцієнт стабілізації напруги, що дорівнює.

Основним показником, що характеризує роботу будь-якого стабілізатора, є коефіцієнт стабілізації напруги, що дорівнює:

,

де і - номінальна напруга на вході і виході стабілізатора;

і - абсолютні зміни напруги на вході і виході стабілізатора.

Компенсаційні стабілізатори мають значно вищий коефіцієнт стабілізації в порівнянні з параметричним і більшим ККД, досягаючи 70% (у параметричного не більше 40%).

В компенсаційних стабілізаторах неперервної дії регулюючий елемент працює в активному режимі, і на ньому безперервно виділяється потужність. Окрім цього, для компенсації зміни дестабілізуючих факторів регулюючий елемент повинен мати значний запас напруги, що зменшує його ККД.

В компенсаційних стабілізаторах імпульсного типу регулюючий елемент перетворює вхідну постійну напругу в серію послідовних імпульсів певної тривалості та частоти, що виробляються системою керування, а згладжуючий фільтр де модулює їх знову в постійну напругу.

При зміні вихідної напруги з пристрою порівняння різниця сигналу надходить на систему керування, що формує імпульси керування регулюючим елементом та змінює їх тривалість таким чином, що вихідна напруга залишається стабільною. Таким чином, регулюючий елемент працює в ключовому режимі, вмикаючись та вимикаючись у відповідності з керуючими імпульсами, що підвищує ККД до 98%.

Склад курсового проекту.

Курсовий проект містить розрахунок стабілізованого джерела струму, ділиться на розрахунок компенсаційного стабілізатора напруги неперервної дії, розрахунок згладжую чого фільтра та розрахунок випрямляча.

За результатами розрахунків необхідно визначити типи та величини всіх елементів залучених в схему джерела струму, необхідні вхідні та вихідні параметри напруги і струму, а також параметри, що характеризують ефективність роботи схеми, коефіцієнт стабілізації і ККД. Після закінчення розрахунку складається принципова схема розрахункового пристрою з необхідною специфікацією використаних елементів.



1. Розрахунок транзисторного стабілізатора напруги компенсаційного типу

Розрахунок транзисторного стабілізатора напруги неперервної дії компенсаційного типу виконується згідно з завданням на проектування.

В завданні надаються вихідні дані для розрахунку:

номінальна вихідна напруга стабілізатора 100,0 В і межи плавного її регулювання 9,4 В;

номінальний струм навантаження Iвих=0,12 А

припустиме відхилення напруги на вході стабілізатора від номінального значення в бік збільшення авх=0,12 % і в бік зменшення bвих=6,0%;

припустимі відхилення вихідної напруги від номінального в бік збільшення і в бік зменшення ;

коефіцієнт пульсації на вході стабілізатора не повинен перевищувати 0,001.

В результаті розрахунку необхідно визначити типи транзисторів, стабілізатора, розміри всіх деталей, що складають схему стабілізатора і забезпечують заданий режим його роботи, а також необхідну величину вихідної напруги, коефіцієнт стабілізації напруги і ККД стабілізатора.

Розрахунок

Визначається необхідне значення коефіцієнта стабілізації напруги:

Знаходиться величина мінімальної напруги на вході стабілізатора:

,

де - мінімальна допустима напруга між емітером і колектором регулюючого транзистора, при якій транзистор працює ще в активному режимі. Для більшості транзисторів ця величина становить від 1 до 3 В;

- відхилення напруги на вході стабілізатора від номінальної (дано в завданні).

Визначається номінальна і максимальна напруга на вході стабілізатора з урахуванням заданих відхилень напруги на вході і :

,

Визначається максимальний спад напруги на переході емітер-колектор регулюючого транзистора:

.

Вибираємо значення максимальної потужності, що розсіюється на колекторі регулюючого транзистора

.

Вибирається тип регулюючого транзистора за умов:

,

,

.

Із таблиці 1 вибираємо транзистор з необхідними параметрами:

Тип	В		Uк-є.max	Iк-є.max	Pк.max	Pк.max (з т-о)	Iк.з (мА)	Rк (кОм)
П201АЄ	40	0,97	30	1,5	1	10	0,4	2-30

Вибирається тип погоджую чого транзистора , що забезпечує погодження великого вихідного опору підсилювача постійного струму (в межах 5-15 кОм) на транзисторі з малим вхідним опором регулюючого транзистора (в межах 10 Ом).

Утворюючи збірний транзистор, транзистори і мають спільний коефіцієнт підсилення по струму:

,

де і - коефіцієнти підсилення струму транзисторів і (дані в таблиці 1).

При збільшенні таким чином коефіцієнта підсилення струму підвищується коефіцієнт стабілізації схеми по напрузі.

Визначаємо параметри погоджуючого транзистора . Приймається , де і - струми колектора і емітера , - струм бази транзистора :

; 0.006 A

Потужність, що розсіяна на транзисторі , складає:

Вт

де .

З таблиці 1 вибираємо з потрібними параметрами:

Тип	В		Uк-є.max	Iк-є.max	Pк.max	Pк.max (с т-о)	Iк.o	Rк
П201Є	20	0,95	30	1,5	1	10	0.4	2-30

Вибирається тип кремнієвого стабілізатора, що використовується в якості джерела еталонної напруги.

Номінальна напруга стабілізатора визначається з виразу:

в.

З таблиці 2 вибираємо тип і його параметри: , , .

Тип	Uст	Iст	Iст.max	Iст.min	C
КС568B	64,6..68..71,4	10,0	10,0	3,0	- -

Знаходиться коефіцієнт розподілення напруги подільником, складеного з резисторів , , :

Вибирається тип керуючого транзистора VT3, що використовується в якості підсилювача постійного струму. Підсилювач повинен мати по можливості більший коефіцієнт підсилення напруги, щоб забезпечити підсилення напруги, щоб забезпечити підсилення мінімальних відхилень вихідної напруги від заданої.

Колективний струм транзистора VT3 вибирається незначним, але завжди дещо більший за струм бази VT2. звичайно струм Iк3 вибирається в межах 0,5ч2 мА.

Необхідне значення коефіцієнта підсилення напруги знаходиться за формулою:

де

В якості керуючих транзисторів звичайно використовують низькочастотні або середньо частотні транзистори малої потужності. З таблиці 3 (методичні вказівки) вибирається тип транзистора з параметрами:

, , , , .

Тип	В	Uк-є.max.доп	Iк-є.max.доп	Pк.max.доп	S
МП20Б	80	20	300	150	120

Визначається фактичний коефіцієнт підсилення каскаду постійного струму:

,

де - крутизна характеристики транзистора в ,

- опір резистора в колі колектора .

Величина резистора визначається за формулою:

= 6.7 кОм



Величини всіх розрахованих транзисторів округляють до найбільшого номінального за шкалою номінальних опорів табл.4. (методичні вказівки).

Визначається потужність, яка розсіяна на резисторі :

0.007 .

Розрахункову величину порівнюють з . Якщо , то транзистор VT3 підібрано вірно. При невиконанні цієї умови необхідно підібрати транзистор VT3 з більшою крутизною коефіцієнта підсилення до струму.

Визначається потужність, розсіяна на колекторному переході транзистора VT3:

Вт,

приймаючи Вт

Величина повинна бути менше .

Визначається параметри резисторів вихідного подільника.

Вибір струму подільника здійснюється з розрахунку виключення помітного впливу, струму бази VT3 на роботу подільника.

Звичайно вибирається з розрахунку:

A.

Номінальний струм бази VT3 знаходиться за формулою:

.

Звідси загальний опір подільника складає:

кОм.

Враховуючи, що напруга вибраного стабілізатора має певну розбіжність величина розбіжності визначається з табл.2 (методичні вказівки) і вихідна напруга стабілізатора має плавне регулювання в межах , визначаються:

кОм,

кОм,

Величини резисторів R3 і R4 визначаються з виразів:

кОм,

кОм,

R5=Rn-R3-R4=100-23.82-5=71.2 кОм

Отримані значення опорів округлюються до найбільшого номіналу згідно табл.4 (методичні вказівки) для резисторів R3 і R5 і у відповідності з табл.5.(методичні вказівки) для змінного резистора R4.

Визначається величина потужності, розсіяної на цих резисторах, і вибирається їх тип у відповідності до табл.5.



R5

Тип	Pном	R (кОм)	Ряд +5%
МЛТ	0,125	7,5	Е 24

R3

Тип	Pном	R (кОм)	Ряд +5%
МЛТ	0,125	2,4	Е 24

R4

Тип	Pном	R (кОм)	Ряд +5%
МЛТ	0,5	5,1	Е 24

Визначається величина резистора R2, що має призначення задавати номінальний струм через стабілітрон. Звичайно величина цього струму відповідає номінальному струму стабілітрона, наведеного в таблиці 2 (методичні вказівки).

кОм

В відповідності до табл. 4 і 5 (методичні вказівки) вибирається тип і опір резистора R2.

R2

Тип	Pном	R (кОм)	Ряд +5%
МЛТ	1,0	1,5	Е 24

Ємність конденсатора С1, що використовується для збільшення швидкодії стабілізатора, вибирається в межах 10,0ч50,0 мкФ. Робоча напруга конденсатора розраховується виходячи зі спаду напруги на резисторах R3 і R4:



28.8

Тип конденсатора, робоча напруга і величина ємності вибирається по табл.6. (методичні вказівки).

С1

Тип	Uном (В)	мкФ	Ряд
К 50-6	50	47,0	Е 3

Конденсатор С використовується в схемі для зменшення вхідного опору стабілізатора і підвищення стійкості роботи схеми.

Величина ємності приймається близько 500,0ч5000,0 мкФ з робочою напругою не нище . Тип конденсатора вибирається в відповідності до табл.6.

С2

Тип	Uном (В)	мкФ	Ряд
К 50-6	6,3	5..500	Е 3

Знаходиться коефіцієнт стабілізації розрахованого стабілізатора:

Знайдена величина повинна задовольняти умові.

ККД стабілізатора при номінальному режимі його роботи знаходиться за формулою:

91.6% 

деA.

2. Розрахунок випрямляча і електронного фільтра

Загальні відомості

В курсовому проекті передбачається випрямляч на напівпровідникових діодах, зібраних на мостовій схемі. Вихідна напруга випрямляча визначається, як сума напруг стабілізатора і спаду напруги на згладжуючому фільтрі :

.

Значення визначається в результаті розрахунку згладжуючого фільтра.

Згладжуючий фільтр застосовується для зменшення пульсацій на виході випрямляча і характеризується коефіцієнтом згладження , який дорівнює відношенню коефіцієнтів пульсації на вході фільтра до коефіцієнта пульсації на виході фільтра :

.

На практиці застосовуються LC, RC і електронні фільтри. LC і RC фільтри можуть бути одно ланкові або дволанкові. Фільтри LC мають кращу характеристику, ніж RC фільтри, але в них можуть виникати резонансні явища, характерні для LC - схем. Для запобігання цього рекомендується застосовувати для одно ланкових LC - фільтри .

LC фільтри застосовуються при згладжуванні струму більше 50 мА. Для дволанкових фільтрів , де і коефіцієнти згладжування першої і другої ланки фільтра.

В якості індуктивності в фільтрах даного типа використовуються дроселі, збільшуючи габарити, масу і вартість фільтра.

RC фільтри застосовують при малих значеннях струму (до 50 мА). Мають невеликі габарити, вагу і вартість в порівнянні з LC фільтрами. Але відносно велике падіння напруги на опорі фільтра, з відси слідує і втрата випрямлення напруги дозволяють використовувати їх лише при невеликих струмах.

Електронні фільтри. Електронні фільтри не містять згладжуючи дроселів, тому і не мають перелічених недоліків. Замість дроселів в них використовуються транзистори, вольт-амперна колекторна характеристика яка формою нагадує криву намагнічування феромагнітного осердя дроселя.

Електроні фільтри застосовуються при струмах навантаження до кількох ампер і напрузі до кількох десятків вольт. В наведеній схемі (мал. 4), (методичні вказівки), зменшення пульсації напруги на колекторі транзистора досягається уведенням негативного зворотнього зв'язку через резистор R, а коло RБ, СБ, використовуючи роль загладжую чого фільтра, послаблює змінну складову на вході транзистора.

Розрахунок електронного фільтра

Транзистор, що працює в якості згладжуючого елемента фільтра, повинен мати максимальний струм колектора, який перевищує струм навантаження I не менше ніж в 1,5ч2 рази.

А,

де .

Звичайно в схемах згладжуючи фільтрів використовуються низькочастотні потужні транзистори, дані яких наведені в табл.1.

VT4

Тип	В		Uк-є.max	Iк-є.max	Pк.max	Pк.max (с т-о)	Iк.o	Rк
ГТ402Б	60	0,98	30	0,5	0,6	-	0,025	10-50

Знаходяться параметри емітерного опору в колі транзистора. Опір резистора в залежності від струму навантаження вибирається в межах 5ч100 Ом і має забезпечувати спад напруги .

Велика величина спаду напруги призводить до через мірного виділення потужності на резисторі R і втратам випрямленої напруги.

Ом.

Знаходиться величина потужності, що розсіяна на резисторі :

Вт.

З табл.4 і 5 вибирається тип і опір резистора :

Тип	Pном	R (Ом)	Ряд +5%
ПЕВ	7,5	24	Е 24

Ємність визначається за формулою:

мкФ,

де - в Ом;

- число фаз випрямляча ();

- частота випрямленого струму, Гц.

З табл.6 вибирається величина ємності конденсатора, при цьому робоча напруга конденсатора:

В,

Сф2

Тип	Uном (В)	мкФ	Ряд
К 50-6	6,3	217,39	Е 3

Визначається напруга на ділянці колектор-емітер транзистора , але не повинно перевищувати 10 - 12 В.

Загальний склад напруги на фільтрі визначається як сума:

.

Визначається опір резистора фільтра:

31.5 кОм

де - коефіцієнт підсилення транзистора по струму (таблиця 1);

-випрямлена напруга на вході фільтра: ;

- опір навантаження на виходи випрямляча з фільтром;

- напруга на дільниці колектор-емітер;

- опір колекторного переходу транзистора (таблиця 1);

- зворотній струм колектора (таблиця 1).

Опір навантаження визначається за формулою:

кОм.

По таблиці 4 і 5 вибирається величина опору резистора . Потужність, що розсіяна на цьому резисторі не значна і в усіх випадках можна використовувати резистор МЛТ-0,125.

Rф

Тип	Pном	R (кОм)	Ряд +5%
МЛТ	0,125	3	Е 24

Коефіцієнт згладжування фільтра визначається за формулою:

40.0

де - в Ом;

0.03 в мкФ;

- в Гц.

Ємність конденсатора визначається аналогічно розрахований в LC - фільтрах для забезпечення величини пульсації на вході фільтра не більше 10%.

За отриманим значенням вибирається з табл. 6 стандартний конденсатор, який має робочу напругу, яка дорівнює :

СФ1=СФ3

Тип	Uном (В)	мкФ	Ряд
К 50-6	160	300	Е 3

Уточнюємо коефіцієнт пульсації на вході фільтра за формулою:

.

Коефіцієнт пульсацій на виході фільтра складає:

0.0003

Одержана величина коефіцієнта пульсації має не перевищувати даної в завданні .

3. Розрахунок випрямляча

В курсовій роботі використовують двонапівперіодний випрямляч, зібраний за мостовою схемою. Вихідна напруга випрямляча визначається як сума напруг стабілізатора і спаду напруги на згладжую чому фільтрі.

В результаті попередніх розрахунків одержані вихідні дані для розрахунку:

В

де - спад напруги на діодах складає змінну величину .

(приведена в табл. 9).

Визначається потужність, що знімається з вторинної обмотки трансформатора: Вт

Приймається ККД силового трансформатора .

Знаходиться потужність, що споживає випрямляч від мережі:

Вт.

Знаходиться величина струму в мереженій обмотці трансформатора А . Та вибирається тип плавкого запобіжника для захисту джерела струму перевантаження і короткого замикання.

Визначається тип напівпровідникових діодів.

Зворотна напруга на діодах для однофазної мостової схеми з навантаженням ємкісного характеру складає В.

Середнє значення струму через діод для мостової схеми складає А.

З таблиці 9 підбираємо діоди:

VD1 - VD4

Тип	Uзвр.доп	Iст.доп	UД
Д 226Е	200	0,3	1



Список використаної літератури

1. Б.С.Гершунський. Расчет основних электронных и олупроводниковых схем в примерах. - Изд-во Киевского университета, 1968 г.

2. Полупроводниковые приборы. Диода выпрямительные, стабилитроны, тиристоры /А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др./ Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1989. -528с.

3. Бальян Р.Х. Трансформаторы для радиоэлектроники. Изд-во «Советское радио», 1971.-720с.

4. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусеинов и др.: Под ред. Г.С. Найвельта.-М.: Радио и связь, 1986.-576с.

5. Преобразовательная техника. Руденко В.С., Сенько В.И., Чиженко И.М. - Киев: Вища школа, 1983.-431с.

6. Марченко А.Н. Переменные резисторы. М.: Энергия, 1980.-72 с.

Размещено на Allbest.ru

...