Стабилизация напряжения в электрической сети

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Обзор литературы по теме

2. Выбор описание электрической схемы устройства

3. Расчёт элементов схемы

4. Методика испытания устройства

Заключение

Список литературы

Приложения. Комплект документов на устройство (эскизный проект)

Введение

В промышленной сети напряжение не постоянно в течение суток: в зависимости от потребления энергии промышленными предприятиями, электрическим транспортом и расхода в наших квартирах напряжение в сети то возрастает, то убывает. Следовательно, при питании аппаратуры от этой сети будет изменяться напряжение и на обмотках трансформатора, а значит, и на выходах выпрямителя и фильтра. Если колебания напряжения сети составляют ±10%, то в таких же пределах изменяется и величина выпрямленного напряжения. При изменении питающего напряжения нарушается режим работы электронных приборов (транзисторов, электронных ламп), что приводит к ухудшению параметров всего устройства. Например, в радиоприемнике при изменении режима работы транзисторов могут возникнуть сильные искажения звука, хрипы, гудение. Такие же явления наблюдаются в нем при питании от химических источников тока, напряжение которых по мере разрядки уменьшается. Чтобы этого не происходило, напряжение питания электронных устройств часто стабилизируют. Здесь возможны два способа: стабилизация переменного напряжения на входе силового трансформатора или стабилизация выпрямленного напряжения. В первом случае применяют специальные феррорезонансные стабилизаторы. Их недостатками являются большие габариты и вес. Чаще прибегают к стабилизации выпрямленного напряжения, осуществляемой с помощью электронных стабилизаторов.

1. Обзор литературы по теме

Размещено на http://www.allbest.ru/

Простейшим стабилизатором напряжения является стабилизатор на кремниевом стабилитроне. Для нормальной работы такого стабилизатора необходимо, чтобы ток I_СТ, протекающий через стабилитрон, не был меньше, чем I_СТ.МИН, и больше, чем I_{СТ.МАКС}. При изменении тока, протекающего через стабилитрон в этих пределах, на нем и на подключенной параллельно ему нагрузке R_H напряжение, называемое напряжением стабилизации U_СТ стабилитрона, будет оставаться постоянным. Однако для стабилитронов одного и того же типа это напряжение будет неодинаковым. Поэтому в справочниках приводятся обычно минимальная и максимальная границы значений напряжения или указывается номинальное напряжение стабилизации U_CT и его допустимый разброс ДU_CT.

177

-- о

R1

/Ь-СТ

Рис. 7.22.

Если напряжение U_ВХ, поступающее на вход стабилизатора (рис. 1.1, а), в процессе работы может изменяться от некоторого наименьшего значения U_BX.МИН до наибольшего U_BX.МАКС, то при неизменном напряжении на стабилитроне все изменения входного напряжения должны гаситься на резисторе R1. Поэтому резистор R1 называют гасящим, или балластным. Чтобы при этом изменения тока, протекающего через стабилитрон, не выходили за пределы, ограниченные значениями I_СТ.МИН и I_{СТ.МАКС} с, нужно правильно рассчитать сопротивление этого резистора.

Отношение относительного изменения напряжения на входе стабилизатора (ДU_ВХ/U_ВХ) к относительному изменению напряжения на его выходе (ДU_ВыХ/U_ВыХ) называют коэффициентом стабилизации (К_СТ).

Следовательно,

Стабилизатор на кремниевом стабилитроне имеет еще одно свойство. Дело в том, что стабилитрон обладает очень малым сопротивлением переменному (пульсирующему) току, называемым дифференциальным сопротивлением -- r_д.ст. Чем круче характеристика в области пробоя, тем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона. Для большинства маломощных стабилитронов r_д.ст=5...15 Ом. Вместе с резистором R1 дифференциальное сопротивление стабилитрона образует делитель (рис. 1.1,б), между плечами которого распределяются как постоянная составляющая выпрямленного напряжения, так и его пульсации. Если амплитуду пульсаций на входе стабилизатора обозначить через U_П.ВХ, а на выходе -- через U_П.ВХ, то в соответствии с рис. 1.1, б получим

Так как r_д.ст«R1, то r_д.ст/(R1+ r_д.ст)«1 и оказывается, что U_П.ВЫХ«U_П.ВХ.

Снижение пульсаций в выходном напряжении свидетельствует об уменьшении коэффициента пульсаций. Таким образом, простейший стабилизатор помимо стабилизации выходного напряжения осуществляет сглаживание пульсаций в выходном напряжении.

Важным параметром стабилизатора является его выходное сопротивление (R_ВЫХ), которое определяется как отношение изменения выходного напряжения стабилизатора к изменению тока нагрузки (ДI_H) при неизменном входном напряжении:

Для простейшего стабилизатора R_ВЫХ= r_д.ст.

Рассмотренный стабилизатор напряжения на кремниевом стабилитроне имеет простое устройство, малое количество деталей и с успехом может применяться тогда, когда ток нагрузки не превышает среднего значения тока, протекающего через стабилитрон и находящегося в пределах между I_СТ.МИН и I_{СТ.МАКС}. При использовании стабилитронов типа Д808...Д814 ток нагрузки не должен превышать 20...30 мА. При больших токах нагрузки необходимы более мощные стабилитроны. Недостатком простейшего стабилизатора на кремниевом стабилитроне является потеря части напряжения на ограничительном резисторе R1, что приводит к снижению КПД стабилизатора. Кроме того, у этого стабилизатора сравнительно небольшой коэффициент стабилизации и значительное выходное сопротивление. Поэтому во всех случаях, когда требуется получить стабилизированное напряжение на нагрузке при большом токе, протекающем через нее, применяют транзисторные стабилизаторы напряжения. В качестве такового без существенного увеличения числа элементов и усложнения схемы используют транзисторный фильтр со своеобразной следящей системой, которая в зависимости от изменения напряжения на входе фильтра или на его выходе за счет изменения тока нагрузки изменяет сопротивление транзистора таким образом, что напряжение на выходе этого фильтра -- стабилизатора остается неизменным.

Схема транзисторного стабилизатора напряжения изображена на рис. 1.2, а. В нее входит рассмотренный уже стабилизатор на кремниевом стабилитроне VD с ограничительным резистором R1. Нагрузкой стабилизатора служит базовая цепь транзистора VT, в эммитерную цепь которого включена основная нагрузка Rн.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эмиттерный и коллекторный токи транзистора в десятки раз превышают ток базы, причем Iэ«Iк. Поэтому при токах базы, равных единицам миллиампер, в коллекторной и эмиттерной цепях протекают токи, измеряемые десятками и сотнями миллиампер (мА).

Рассмотрим работу транзисторного стабилизатора. Из рис. 1.2, а видно, что напряжение на нагрузке (U_H) отличается от напряжения на стабилитроне (U_СТ) на напряжение, падающее на эмиттерном переходе U_ЭБ транзистора VT2, т. е.

U_H=U_CT-U_ЭБ.

Если напряжение на входе стабилизатора увеличится, оно сразу передастся и на его выход, что приведет к увеличению тока, протекающего через нагрузку I_H, и напряжения U_H. Поскольку напряжение на стабилитроне практически не изменяется, возрастание напряжения на нагрузке вызовет уменьшение напряжения U_ЭБ, тока базы транзистора VT и увеличение сопротивления перехода коллектор--эмиттер. Вследствие увеличения сопротивления перехода коллектор--эмиттер на этом переходе будет большее падение напряжения, что повлечет за собой уменьшение напряжения на нагрузке. При уменьшении входного напряжения, наоборот, напряжение U_ЭБ повысится, что повлечет за собой увеличение тока базы, уменьшение сопротивления перехода коллектор--эмиттер и напряжения на этом переходе.

Таким образом, в рассматриваемом стабилизаторе напряжения транзистор VT совместно с сопротивлением нагрузки R_H образует делитель входного напряжения, причем сопротивление транзистора изменяется так, что компенсируются всякие изменения входного напряжения. Такой стабилизатор называют компенсационным, а транзистор VT с изменяющимся сопротивлением коллекторного перехода -- регулирующим.

Выходное сопротивление этого стабилизатора составляет несколько ом, а коэффициент стабилизации примерно такой же, как у простейшего стабилизатора, выполненного на резисторе R1 и стабилитроне VD. Но так как ток нагрузки через ограничительный резистор не протекает, а сопротивление постоянному току перехода коллектор -- эмиттер транзистора VT мало, стабилизатор напряжения на транзисторе обладает более высоким КПД по сравнению со стабилизатором на кремниевом стабилитроне. Если вместо VT использовать составной транзистор, состоящий из маломощного транзистора VT1 и транзистора большой мощности VT2 (рис. 1.2, б), то можно осуществить эффективную стабилизацию напряжения при токах, протекающих через нагрузку, измеряемых амперами.

При таком включении VT1 и VT2 в качестве тока базы мощного транзистора VT2 используется ток эмиттера маломощного (или средней мощности) транзистора VT1, а током нагрузки стабилитрона VD является ток базы VT1, который в десятки раз меньше тока базы VT2.

Важной особенностью транзисторных стабилизаторов напряжения является еще следующее. Напряжение на нагрузке U_H отличается от напряжения стабилизации кремниевого стабилитрона U_CT на напряжение, падающее на переходе эмиттер--база U_ЭБ транзистора VT (рис. 1.2, а), т. е. U_H=U_CT-U_ЭБ. Для германиевых транзисторов напряжение U_ЭБ составляет всего 0,2...0,5 В, а для кремниевых -- не более 1 В. Поэтому если вместо стабилитрона VD взять стабилитрон с другим напряжением стабилизации, то изменится и напряжение на нагрузке. Это позволяет создавать регулируемые стабилизаторы напряжения. Одна из схем такого стабилизатора дана на рис. 1.2, в. В ней кроме ограничительного резистора R1 используется дополнительный переменный резистор R_УСТ, подключаемый параллельно стабилитрону VD. Напряжение на нагрузке U_H вместе с напряжением на переходе эмиттер--база U_ЭБ транзистора VT равно напряжению U_УСТ, снимаемому с переменного резистора R_УСТ, т. е. U_H+U_ЭБ=U_УСT, откуда следует: U_H=U_УСТ-U_ЭБ.

При перемещении движка переменного резистора R_УСТ будет изменяться снимаемое с него напряжение и, следовательно, напряжение на нагрузке U_H. Таким способом можно регулировать напряжение на нагрузке от нуля до значения, равного напряжению стабилизации стабилитрона VD (точнее, до значения U_CT-U_ЭБ).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если ток базы регулирующего транзистора VT1 велик, в стабилизатор вводят дополнительный усилитель постоянного тока. Одна из схем такого стабилизатора приведена на рис. 1.3. Напряжение, подаваемое с движка потенциометра R3 на базу транзистора VT2, на котором выполнен дополнительный усилитель постоянного тока, называется напряжением обратной связи (U_OC). Из рисунка видно, что U_OC=U_CТ+ U_ЭБ. Ток, протекающий через потенциометр R3, не должен превышать 10...15 мА. Сопротивление резистора R1 обычно составляет несколько килоом.

Коэффициент стабилизации стабилизатора около 100, а выходное сопротивление составляет десятые доли ома.

Расчет компенсационного стабилизатора напряжения начинают с выбора регулирующего транзистора VT1. Максимально допустимое его напряжение U_{КЭ.МАКС} должно превышать наибольшее напряжение на входе стабилизатора (U_{ВХ.МАКС}), а максимально допустимый ток коллектора I_K.МАКС - быть больше предельного значения тока нагрузки.

Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором VT1, определяется по формуле:

Значение этой мощности должно составлять не более 75% от максимально допустимой мощности Р_{К.МАКС”} приводимой в справочнике. Если это условие невыполнимо, необходимо выбрать другой транзистор -- с большим значением Р_К.МАКС.

Определив по справочнику для выбранного транзистора VT1 минимальное значение статического коэффициента передачи тока базы h_21E, рассчитывают максимальный ток базы, соответствующий максимальному току нагрузки:

Поскольку ток I_Б макс транзистора VT1 является током нагрузки простейшего стабилизатора, состоящего из резистора R1 и стабилитрона VD, то по его значению находят сопротивление резистора R1 по условию:

(U_{вх.макс}-U_ст.мин)/I_ст.мах?R1?(U_вх.мин-U_ст.мин)/ (I_ст.мин-I_Б.макс)

Сопротивление резистора R2 можно определить по формуле:

R2= U_вых/I_н*(0,05...0,1).

Для нормальной работы стабилизатора требуется, чтобы напряжение на переходе коллектор--эмиттер транзистора VT1 было не менее 1 В, если транзистор VT1 германиевый, и не менее 3 В -- если кремниевый.

Cложность построения рассмотренных стабилизаторов возрастает с увеличением требований к параметрам выходного напряжения.

Задача конструирования высококачественных стабилизаторов напряжения значительно упрощается, если использовать интегральные стабилизаторы. Эти стабилизаторы отличаются малыми размерами и в то же время позволяют получить стабильные параметры выходного напряжения, малочувствительные к изменениям температуры, влажности и другим внешним воздействиям.

Примером интегрального стабилизатора напряжения, получившего широкое распространение в радиолюбительской практике, является микросхема серии 142, имеющая множество разновидностей. ИМС этой серии позволяют получать фиксированное выходное напряжение, имеют защиту от перегрузок по току, выпускаются в металлополимерных корпусах, могут работать при температурах от -45 до +100°С и весят всего 2,5 г. У них всего три вывода--вход, выход и общий. Корпус микросхемы соединен с металлической пластинкой, в которой имеется отверстие для крепления на терморассеивающем радиаторе. Несмотря на наличие всего трех выводов, в миниатюрном кристалле этих микросхем выполнено более 17 биполярных транзисторов, 3 диода, два из которых являются стабилитронами, 19 резисторов и 1 конденсатор.

2. Описание электрической схемы выбранного устройства

В результате анализа технического задания было выяснено, что получить требуемые параметры, используя типовые схемы стабилизаторов не возможно, вследствие сложности проектирования: большое количество каскадов (больше 10) и большое количество элементов обвязки. Расчет такого стабилизатора также будет затруднен необходимостью подбора радиоэлементов по параметрам и согласование каскадов. Оптимальным решением в данном случае будет применение интегрального стабилизатора напряжения. Такие стабилизаторы содержат большое количество транзисторов (больше 10), подобранных по параметрам, каскады включения согласованы. Не маловажным фактором является и то, что основные каскады стабилизации содержаться в одном корпусе. Это обеспечивает термостабильность (работу стабилизатора при температурах -40С до +100С).

На рис. 2.1 приведена типовая схема включения стабилизатора с обвязкой, необходимой для работы микросхемы.

На приведенной схеме стабилизатора напряжения резисторы R1, R2 и конденсатор C1 составляют обвязку микросхемы, их номиналы содержатся в справочнике по параметрах стабилизаторов.

Резистор R3 - это резистор защиты стабилизатора от перегрузки выходным током.

Пара резисторов R4, R5 задают порог срабатывания тепловой защиты стабилизатора.

Конденсатор C2 позволяет снизить уровень пульсаций и помех при большом входном напряжении.

Конденсатор С3 - для уменьшения броска тока при подключении нагрузки и снижения пульсаций выходного напряжения.

3. Расчёт элементов схемы

Из рассмотренных в справочниках микросхем выбираем интегральный стабилизатор напряжения зарубежного производства LM317T, параметры которого приведены в табл.3.1.

Табл. 3.1

Параметры микросхемы LM317T

R1=1.2 кОм

R2=2 кОм

C1=0.1 мкФ

Резистор R3 - это резистор защиты стабилизатора от перегрузки выходным током. Сопротивление этого резистора определяется по формуле (3.1).

R3=(1.25-0.5*IПОТР-0,023(UВХ- UВЫХ))/IПОТР (3.1)

Подставив необходимые значения в формулу получаем значение сопротивления R3=199 Ом, по которому из ряда Е24, номинальных значений сопротивлений выбираем R3=200 Ом 2%.

Пара резисторов R4, R5 задают порог срабатывания тепловой защиты стабилизатора. Для отключения интегрального стабилизатора на третьей его ножке должно падать 1/3 выходного максимального напряжения, тогда R4/R5=3. Рассчитаем сопротивления так, чтобы рассеиваемая ими мощность не превышала 0.125 Вт:

R4=(2/3*UВЫХ^MAX)/PРАСС (3.2)

R5=(1/3*UВЫХ^MAX)/PРАСС (3.3)

Подставив необходимые значения в формулы (3.2) и (3.3) получили значения R4=160 Ом, R5=80 Ом. Из ряда Е24, номинальных значений сопротивлений выбираем R5=82 Ом 2%, R4=160 Ом 2%.

Конденсатор C2 позволяет снизить уровень пульсаций и помех при большом входном напряжении. В справочнике интегральных стабилизаторов напряжения советуют ставить конденсатор емкостью 10 мкФ и более. Следовательно С2=16 мкФ.

Конденсатор С3 - для уменьшения броска тока при подключении нагрузки и снижения пульсаций выходного напряжения. Вследствие сказанного конденсатор должен иметь достаточно большую емкость (сотни микрофарад) и должен выдерживать напряжение в раза 1.5-3 больше чем максимальное выходное стабилизированное напряжение на выходе интегрального стабилизатора.

Выбираем С3=470 мкФ 5% -50 В.

Мощности резисторов схемы рассчитываются по следующей формуле:

PR=URIR=UR*UR/R (3.4)

По схеме видно, что мощности всех сопротивлений не будут превышать 0.125 Вт.

В результате проведенных расчетов, получили следующие номинальные значения элементов:

R1 - МЛТ-0.125- 1.2 кОм 5%;

R2 - МЛТ-0.125- 2 кОм 5%;

R3 - МЛТ-0.125- 200 Ом 2%;

R4 - МЛТ-0.125- 160 Ом 2%;

R5 - МЛТ-0.125- 82 Ом 2%;

C1 - К10-7B- 0.1 мкФ ±5%;

C2 - TESLA-16 мкФ ±5%;

C3 - TESLA-50 мкФ ±5%;

DA1 -LM337T;

4. Методика испытания устройства

Методика испытаний данного устройства состоит в замере напряжений на входе и выходе стабилизатора напряжения. Измерения будем проводить при помощи осциллографа, подключенного соответствующими каналами ко входу и выходу стабилизатора напряжения. Для получения входного напряжения для стабилизатора используем понижающий трансформатор (как наиболее простое и распространенное решение), со вторичной обмотки которого снимаем переменное напряжение, которое выпрямляем при помощи диодного моста (двухполупериодного) и подаем на вход рассчитанного стабилизатора, U=20 В. К выходу стабилизатора подключаем нагрузку, рассчитанную по формуле (4.1), R_{нагрузки}=10 Ом.

R_{нагрузки}=Uвых/ Iвых (4.1)

Схема испытаний приведена в приложении.

Заключение

В данной курсовой работе была рассмотрена методика разработки электронных устройств на стабилизатора напряжения на интегральной микросхеме, рассмотрены основные условия стабилизации напряжения и методы их реализации. Согласно техническому заданию была выбрана и рассчитана схема стабилизатора напряжения.

В результате проделанной работы была создана следующая документация:

- пояснительная записка;

- схема электрическая принципиальная и перечень элементов стабилизатора напряжения;

- чертёж печатной платы и компоновочный эскиз;

- схема испытаний устройства.

Данный стабилизатор может применяться в составе постоянных источников питания радиоаппаратуры.

1. Борисов В.Г. Кружок радиотехнического конструирования: Пособие для руководителей кружков. М.: Просвещение, 1986.

2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника.

3. Терещук Р.М., Терещук К.М. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: справочник радиолюбителя. Киев: Наукова думка, 1988.

4. Полупроводниковые приборы: транзисторы, справочник под ред. Горюнова Н.Н. М.: Энергоатомиздат, 1983.

Размещено на Allbest.ru