Вторичный источник электропитания с защитой от перегрузок
Министерство образования и науки Республики Казахстан
ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. Серикбаева
Кафедра «Приборостроение и автоматизация технологических процессов»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе
Тема: «Вторичный источник электропитания с защитой от перегрузок»
Руководитель ст.преподаватель кафедры __________Н.В.Аринова “___”__декабря_2005 г.
Нормоконтролер
ст.преподаватель кафедры __________Л.А.Проходова “___”___декабря_2005 г.
Студент Булейко Д.В.
Специальность 3401
Группа 03-ПС-1
Усть-Каменогорск
2005
ЗАДАНИЕ
Рассчитать вторичный источник электропитания с защитой от перегрузок. По следующим исходным данным:
- номинальное значение выходного напряжение Uн = 10В;
- ток нагрузки Iн = 3А;
- ток срабатывания схемы защиты от перегрузок Iн max = 5А;
- напряжение питания Uп = 18В;
- температура окружающей среды tокр ср +30 оС;
- нестабильность выходного напряжения при изменении питания и температуры окружающей среды dUн = 2%;
- питания в процессе работы изменяется на dUn = ±10%.
Содержание
TOC o "1-3" h z u Введение. h 4
1. Литературный обзор. PAGEREF _Toc123119775 h 5
1.2 Основные элементы источников питания. h 6
1.3 Стабилизаторы напряжения. h 7
Параметрический стабилизатор. h 8
Компенсационный стабилизатор. h 8
2. Выбор и обоснование структурной схемы.. h 10
3. Расчет принципиальной электрической схемы.. h 14
3.1 Расчет регулирующего элемента. h 14
3.3 Расчет источника опорного напяжения. h 16
3.4 Расчет усилительного элемента. h 16
3.4 Расчёт измерительного элемента. h 17
3.5 выходное сопротивление и Проверочные расчёты. h 17
Введение
Для обеспечения нормального функционирования электронных устройств, прежде всего, необходимы источники энергии, которые называют источниками питания. Для этой цели в большинстве случаев используют источники постоянного напряжения.
На начальном этапе развития радиоэлектроники в качестве источников питания преимущественно использовались гальванические батареи, основными недостатками которых (особенно при постоянных напряжениях в сотни вольт), являются громоздкость и малый срок службы. Поэтому вскоре были разработаны более совершенные устройства, в которых осуществляется преобразование переменного напряжения в постоянное. Удобство таких источников питания связано с тем, что в них применяют низкочастотные переменное напряжение так называемой промышленной частоты. Однако развитие транзисторной электроники, особенно маломощных переносных устройств, для питания которых нужны низковольтные маломощные источники, снова вызвало интерес к гальваническим батареям. Сейчас используют оба типа источников питания: в переносной аппаратуре – малогабаритные гальванические батареи и аккумуляторы, а в стационарной аппаратуре – источники питания, в которых происходит преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное.
Т.к. по заданию нам необходимо преобразовать постоянное входное напряжение в постоянное напряжение с большей стабильностью, я использовал компенсационный стабилизатор. Он является одним из ключевых элементов вторичных источников питания и позволяет получить на выходе стабилизированное напряжение с меньшим коэффициентом пульсации. Это может быть полезно для питания и стабильной работы низковольтной аппаратуры (в первую очередь транзисторной), различных устройств электроники.
1. Литературный обзор
1.1 Источники питания.
В настоящее время источниками питания называют устройства, предназначенные для снабжения электронной аппаратуры электрической энергией и представляющие собой комплекс приборов и аппаратов, которые вырабатывают электрическую энергию и преобразуют её к виду, необходимому для нормальной работы каждого узла электронной аппаратуры.
SHAPE * MERGEFORMAT
|
Источник первичного питания |
|
Стабилизатор первичного напряжения |
|
Выпрямитель |
|
Сглаживающий фильтр |
|
Стабилизатор напряжения |
|
Нагрузка |
|
Источник вторичного питания |
Рисунок SEQ Рисунок * ARABIC 1
В общем случае структурная схема источника питания имеем вид, представленный на Рисунке 1. Электрическая энергия, вырабатываемая первичными источниками, не всегда может быть непосредственно использована для питания электронной аппаратуры, поэтому следующим элементом является источник вторичного электропитания – устройство, в котором происходит преобразование одного вида электрической энергии в другую. Если источник первичного питания создаёт переменное напряжение, основными узлами источников вторичного питания является: выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизаторы первичного и выходного напряжения. Т.к. по заданию источник первичного питания создаёт постоянное напряжение, то основными узлами схемы будут стабилизатор выходного напряжения и схема защиты от перегрузок.
Основными параметрами источника питания являются номинальное значение выходного напряжения и выходное сопротивление. Номинальным значением постоянного напряжения Uном источника питания называют условное, указываемое в технической документации значение постоянного напряжения, относительно которого устанавливают и определяют его отклонения. Выходное сопротивление принимают равным внутреннему сопротивлению эквивалентной схемы источника питания.
Следующим важным параметром является максимальная мощность, отдаваемая источником питания:
Pmax=Uном*Imax.
На выходе источников вторичного питания никогда не бывает идеального постоянного напряжения. Кроме постоянной такое напряжение всегда содержит и переменную составляющую. Последнюю называют напряжение пульсации, а параметром, характеризующим отклонение выходного напряжения от постоянного, служит коэффициент пульсации. Используют два определения этого коэффициента.
Коэффициентом напряжения по амплитудному значению называют отношение амплитуды напряжения пульсации к номинальному значению постоянной составляющей напряжения:
KпА=ΔU/Uo=Umax-Umin/Umax+Umin,
который используют, когда имеется возможность визуально наблюдать форму выходного напряжения источника питания.
Коэффициентом пульсации по действующему значению называют отношение действующего значения напряжения пульсации к номинальному значению постоянной составляющей напряжения:
Кп=Uп/Uo.
Наконец, в связи с тем что источники питания принадлежат к мощным (силовым) устройствам, ещё одним важным их параметром является коэффициент полезного действия.
Кроме основных электрических параметров каждый источник питания характеризуется рядом конструкторско-экономических показателей, к которым, в первую очередь, относятся габариты, масса и стоимость.
1.2 Основные элементы источников питания
Основным источником питания электронных устройств в настоящее время являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным. Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств. Основным причинами нестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения.
Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающие автоматически и с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.
Не смотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении (сглаживающих фильтров) нагрузки выпрямителя может изменяться. Это объясняется тем, что сглаживание пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки.
Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный.
Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения.
В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины входного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.
1.3 Стабилизаторы напряжения
Стабилизатором напряжения называют устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения нагрузочного устройства с заданной степенью точности.
Напряжение нагрузочного устройства может сильно изменяться не только при изменениях нагрузочного тока IH, но и за счет воздействия ряда дестабилизирующих факторов. Одним из них является изменение напряжение промышленных сетей переменного тока. В соответствии с ГОСТ 5237 – 69 это напряжение может отличаться от номинального значения в пределах то +5 до –15%. Другими дестабилизирующими факторами являются изменение температуры окружающей среды, колебание частоты тока и т.д. Применение стабилизаторов диктуется тем, что современная электронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильности питающего напряжения 0,1 – 3%, а для отдельных функциональных узлов электронных устройств нестабильность должна быть и меньше.
Стабилизаторы классифицируют по ряду признаков:
по роду стабилизируемой величины – стабилизаторы напряжения и тока;
по способу стабилизации – параметрические и компенсационные стабилизаторы.
В настоящее время широкое применение получили компенсационные стабилизаторы, которые подразделяют на стабилизаторы непрерывного и импульсного регулирования. При параметрическом способе стабилизации используют некоторые приборы с нелинейной вольтамперной характеристикой, имеющий пологий участок, где напряжение мало зависит от дестабилизирующих факторов. К таким приборам относят стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания и др. при компенсационном способе стабилизации постоянство напряжения обеспечивается за счет автоматического регулирования выходного напряжения источника питания. Это достигается за счет введения отрицательной обратной связи между выходом и регулирующим элементом, которое изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины.
Основным параметром, характеризующим качество работы всех стабилизаторов, является коэффициент стабилизации. Как отмечалось определяющими дестабилизирующими факторами, из-за которых изменяются выходные величины стабилизатора, являются входное напряжение стабилизатора UВХ и нагрузочный ток IН.
Для стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации равен
KстU=(ΔUВХ/UВХ)/(ΔUВЫХ/UВЫХ),
где ΔUВХ и ΔUВЫХ – приращение входного и выходного напряжений, а UВХ и UВЫХ – номинальные значения входного и выходного напряжений.
Параметрический стабилизатор
С помощью параметрического стабилизатора, в котором применяется полупроводниковый стабилитрон Д, можно получать стабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт при токах от единиц миллиампер до единиц ампер. Если необходимо стабилизировать напряжение менее 3 В, то вместо стабилитронов используют стабисторы.
Стабилитрон в параметрическом стабилизаторе включают параллельно нагрузочному резистору RH. Последовательно со стабилитроном для создания требуемого режима работы включают балластный резистор RВ.
Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопротивление резистора RВ должно быть таким, чтобы его вольт - амперная характеристика пересекла вольт – амперную характеристику стабилитрона в точке, соответствующей номинальному току стабилитрона и IСТ.НОМ, значение которого указано в паспортных данных стабилитрона.
Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне может достигать 30 – 50.
Компенсационный стабилизатор
Компенсационные стабилизаторы напряжения обладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с параметрическими. Их принцип работы основан на том, что изменения напряжения на нагрузке передается на специально вводимый в схему регулирующий элемент, препятствующий изменению напряжения UН.
Регулирующий элемент может быть включен либо параллельно нагрузке, либо последовательно с ней. В зависимости от этого различают два типа компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельные и последовательные
Воздействие на регулирующий элемент в обоих типах стабилизаторов осуществляется управляющей схемой, в которую входят усилитель постоянного тока У и источник опорного напряжения ИОН. С помощью ИОН производят сравнения напряжения на нагрузке с опорным напряжением. Функция усилителя сводится к усилению разности сравниваемых напряжений и подаче усиленного сигнала непосредственно на регулирующий элемент.
В параллельном компенсационном стабилизация напряжения на нагрузке достигается, как и в параметрическом стабилизаторе, изменением напряжения на балластном резисторе RВ путем изменения тока регулирующего элемента. Если принять входное напряжение стабилизатора неизменным, то постоянству напряжения на нагрузке будет соответствовать постоянство напряжения на балластном резисторе.
В последовательном стабилизаторе регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой. Стабилизация напряжения нагрузки осуществляется путем напряжения на регулирующем элементе. Ток регулирующего элемента здесь равен току нагрузки.
В соответствии с рассмотренным принцип действия компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения основан на изменении сопротивления регулирующего элемента. Наличие регулирующего элемента обуславливается неизбежной потерей в стабилизаторе.
Также существую компенсационные стабилизаторы напряжения с импульсным регулированием. Принцип действия такого стабилизатора заключается в преобразовании регулирующим элементом постоянного напряжения питании UП в последовательность периодических импульсов прямоугольной формы .
Основными преимуществами, которыми обладают компенсационные стабилизаторы напряжения с импульсным регулированием, являются: высокий КПД, меньшая масса и габариты по сравнению с другими компенсационными стабилизаторами.
Недостатками являются относительная сложность схемы, повышенный уровень пульсаций выходного напряжения, невысокие динамические характеристики.
2. Выбор и обоснование структурной схемы
По заданию надо разработать стабилизатор напряжения, который обеспечивает достаточно большой ток (5 А) при напряжении (18 В).
Поэтому в качестве стабилизатора нежелательно использовать параметрический стабилизатор напряжения, который малоэффективен при высоком токе нагрузки IН, а также нежелательно использовать и импульсный стабилизатор, который не обеспечивает должного уровня сглаживания пульсаций на выходе.
Остановим выбор на компенсационном стабилизаторе.
Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения бывают последовательного и параллельного типов [1].
|
P |
|
СУ |
|
О |
|
Rн |
Uвых |
|
Uвх |
|
Iвх |
|
Iн = Iвх |
|
P |
|
СУ |
|
О |
|
Rн |
|
Uвых |
|
Uвх |
|
Iвх |
|
Iн = Iвх |
|
Rб |
|
IР |
|
|||||
|
Различие приведенных схем состоит в следующем. В последовательных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе возрастает при увеличении напряжения на нагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузки. В параллельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входного напряжения, а ток находится в прямой зависимости от напряжения на нагрузке.
Параллельные стабилизаторы не чувствительны к перегрузкам по току, так как с увеличением тока Iн ток регулирующего элемента уменьшается. При токах Iн, заметно больших расчётного значения Iн.макс, регулирующий элемент запирается. При коротком замыкании на выходе напряжение Uвx полностью падает на балластном сопративлении Ro и регулирующий транзистор оказывается в не опасности. Последовательные стабилизаторы чувствительны к перегрузкам, поскольку ток нагрузки и ток регулирующего элемента возрастают одновременно и в равной степени. При токах Iн>Iн.макс усилительный и опорный элементы оказываются запертыми, а регулирующий транзистор работает с максимальным базовым током, определяемым величиной токоотводящего сопротивления и разностью потенциалов Uвх-Uвых. Короткое замыкание на выходе (Uвых=0) увеличивает базовый ток регулирующего транзистора и напряжение на нём обычно в несколько раз. При этом рассеиваемая мощность возрастает на порядок и больше и транзистор неизбежно выходит из строя. Этот недостаток последовательных стабилизаторов заставляет дополнять их схему тем или иным типом защиты.
Такая защита при заданном повышении нагрузочного тока над расчётным значением Iн.макс либо быстро снимает напряжение питания, либо резко уменьшает ток регулирующего транзистора, отключая его базу от токоотводящего резитсра.
При одном и том же выходном напряжении и обчных значениях допусков в последовательных стаблизаторах требуется менее высоковольтный транзистор, чем в параллельных. Однако этот вывод не учитывает аварийной ситуации, когда на регулирующем транзисторе может в течении короткого времени действовать полное напряжение питания. Поэтому практически в обоих типах стабилизаторов ориентируются на одно и то же условие Up.доп≥Uвх.макс. Усилительные транзисторы выбирают из того же условия, что и регулирующий элемент.
При одном и том же токе нагрузке в параллельных стабилизаторах требуется примерно вдвое более сильноточные транзисторы, чем в последовательных. По мощности разница получается ещё больше. Однако при наличии «гасящего» сопративления в параллельных стабилизаторах разница в допустимой мощности регулирующих элементов делается практически несущественной.
Коэффициент полезного действия у последовательных стабилизаторов зависит от напряжения Uр.мин, которое не входит в выражении для параллельных стабилизаторов. Поэтому однозначное сравнение, строго говоря, невозможно. Всё же, КПД у последовательных стабилизаторов несомненно выше, чем у параллеьных.
Таким образом, при решении конткретных задач параллельные стабилизаторы могут быть практически равноценным, а с учётом перегрузочной способности – даже оптимальным вариантом.
Учитывая всё выше сказанное, выбираем компенсационный параллельный стабилизатор.
Согласно заданию курсовой работы, нам необходимо разработать вторичный источник электропитания с защитой от перегрузок. Параллельный компенсационный стабилизатор идеально подходит условию защиты от перегрузок. Тем более, что целью разработки данного источника питания является ничто иное, как получение более стабильного напряжение. КПД схемы и Кст не являеются решающими величинами в расчёте. Поэтому, я считаю, оптимальным выбром для построения вторичного источника питания с защитой от перегрузок является компенсациооный стабилизатор параллельного типа.
Структурная схема компенсационного стабилизатора параллельного типа.
|
|
P |
|
СУ |
|
О |
|
Rн |
|
Uвых |
|
Uвх |
|
Iвх |
|
Iн = Iвх |
|
Rб |
|
IР |
Рисунок SEQ Рисунок * ARABIC 4
где
Rб - баластное сопративление
Р – регулирующий элемент
СУ – сравнивающее устройство
О – опорный элемент
Rн – сопративление на нагрузке
На основании рис. 4 легко записать:
Iy+Ip+Iн=Uвх-Uвых/Ro.
Т.е. ток регулирующего элемента зависит от двух величин – тока нагрузки и входного напряжения. А именно, если Uвх=const, то изменение тока Iн сопровождается таким же, но противоположным по знаку изменением тока Ip; иначе говоря, токи Ip и Iн меняются во взаимно противоположных направлениях:
ΔIp=-ΔIн.
Данное выражение приводит к выводу, что ток регулирующего элемента минимален при максимальном токе нагрузки и минимальном входном напряжении.
Оканчательная схема, по которой будем проводить расчёт представлена на рис. 5.
Рисунок SEQ Рисунок * ARABIC 5
Где транзистор Т1 играет роль регулирующего элемента, Т2 усилительного транзистора, стабилитрон Д – источник опорного напряжения, резисторы Rд1 и Rд2 – делитель напряжения.
Основными параметрами, характеризирующими стабилизатор, являются:
1. Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора при постоянной нагрузке.
Kсти = DUвх / Uвх : DUвых / Uвых ,
где Uвх и Uвых - номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора.
DUвх и DUвых - изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.
Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров.
2. Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении.
Rвых = DUвых / DIвых , при Uвх = const.
3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.
h = Uвых ´ Iвых / Uвх ´ Iвх .
4. Дрейф (допустимая нестабильность) выходного напряжения. Временной и температурный дрейф характеризуется величиной относительного и абсолютного изменения выходного напряжения за определенный промежуток времени или в определенном интервале температур.
3. Расчет принципиальной электрической схемы
3.1 Расчет регулирующего элемента
Расчёт регулирующего элемента производим по методике, изложенной в [1, c 624] и [2, с 66].
Реглулирующий транзистор выбирается таким образом, чтобы он выдерживал коллекторное напряжения, равное максимальному выходному напряжению Uн.макс.
Uр.макс=Uн.макс <Uкэ.макс, (1)
где Uкэ – напряжение колллектор-эмитер регулир. транзистора,В
Uн.макс – максимальное напряжение на нагрузке, Uн.макс=10 В
Uкэ.макс – максимальное напряжение колллектор-эмитер регулир. транзистора,В.
Находим минимальный входной ток Iвх.мин, величина характерная для параллельных стабилизаторов:
Iвх.мин=Ip.мин+Iн.макс, (2)
где Ip.мин – минимально допустимый ток регулирующего элемента, выбирается из условий сохранения приемлемых параметров регулирующего элемента. Принимаем за Iвх.мин минимально допустимый ток коллектора, равный 1 мА.
Iн.макс – максимальный ток на нагрузке, по заданию Iн.макс=5 А.
Iвх.мин=5+1*10-3=5,001 А.
Находим величину балластного сопративления Ro по формуле:
(3)
где δпит – нестабильность питающего напряжения.
Uвых – выходное напряжение.
Т.к по рекомендациям в [1, с 625] значения Ro<Rопт применять на практике не следует, так как они, не давая никаких преимуществ, уменьшают коэффициент стабилизации. Поэтому принимаем Ro=0.7 Ом.
Мощность баллластного сопративления Ro равна:
Pбл=(Uпит.мин-Uн)2/Ro=(16,2-10)2/0,7=54,9 Вт (4)
Выбираем резистор МЛТ – 0,125 – 0,7 Ом.
Расчитываем номинальный ток регулирующего элемента Ip.ном:
Ip.ном=Iр.мин+(Uвх.ном-Uвх.мин)/Ro=
Ip.мин+δпитUвх.мин/Ro=0,001+0,1*18/0,7=2,572 А (5)
где Uвх.ном – номинальное входное напряжения,18 В
Uвх.мин – минимальное входное напряжение.
Максимальный ток регулирующего элемента:
Ip.макс= Iвх.мин+δпитUвх.мин/Ro=
5,001+0,1*18/0,7=7,572 А (6)
Максимальная мощность регулируемого элемента:
Pр.макс=Iр.максUвых=7,572*10=75,72 Вт (7)
По рекомендациям [1, с 626] Pр.макс можно существенно уменьшить, если последовательно с регулирующим элементом включить «гасящее» сопративление R2. Максимальная рассеиваемая мощность Рр.макс получается при Uр=Uвых/2, т.е. Pmax=Uвых2/4R. Сопротивление R2 выбирают из условия: Iр.максR2≤Uвых, т.е.
R2≤Uвых/Iр.макс=10/7.572=1.32 Ом (8)
Рассеиваимая мощность на гасящем сопративлении R2:
P2=3/4*Uвых*Iр.макс=3/4*75.72=56.8 Вт (9)
Тогда максимальную мощность регулирующего элемента Pр.макс перещитываем:
Pр.макс =1/4*Uвых*Iр.макс=1/4*7,572*10=18,93 Вт (10)
В качестве гасящего соптротивления R2 выбираем транзистр МЛТ – 0,125 – 1,3 Ом.
Т.к. последовательно с регулирующим элементом мы включили «гасящее» сопративление R2, то напряжение на регулирующем элементе Up=Uкэ будет:
Uкэ=Uн.макс-Ip.ном*R2 =10-2,572*1,32=6,6 В (11)
Однако, выбор регулирующиего транзистора должен осуществляться в соответствии с (1), для того, чтобы обеспечить большую стабильность и предотвращения выхода из строя при случайных перегрузках стабилизатора.
По полученным значениям, Iр.макс, Uр.макс, Pр.макс выбираем по [5, c. 470] в качестве регулирующего транзистора Т1 мощный кремниевый транзистор КТ803А n-p-n типа с параметрами:
Iк.макс=10 А
Uкэ.макс=60 В
Pк.макс=60 Вт
Uэб.макс=4 В
Параметры h транзистора определяем из ВАХ:
Из графиков находим коэффициенты h11э и h21э.
h11э=ΔUбэ/ΔIб=0,2/100*10-3 =2 Ом
h21э при при номинальном токе Ik=2 А, равен ≈16
3.3 Расчет источника опорного напяжения.
Расчёт и выбор источника опорного напряжения произовдим по [2, c 80].
Выбираем источник опорного напряжения – кремниевый стабилитрон 2С156А с характеристиками:
Uст=5,6 В (напряжение стабилизации)
Iст.min=3 мА (минимальный ток стабилизации)
Iст.max=55 мА (максимальный ток стабилизации)
rст=46 Ом (сопротивление стабилитрона)
TKU=±0,005% (температурный коэффициент напряжения)
Выбираем сопротивление стабилизации Rст для стабилизации заданного напряжения на стабилитроне
Rст=Uн-Uст.макс/Iст.мин=10-5,6/8*10-3=550 Ом (12)
Мощность, рассеиваемая на Rст:
PRст=(Uн-Uст.мин)2/Rст=(10-5.6)2/550=0.0352 Вт (13)
Выбираем резистр МЛТ – 0,125 – 550 Ом.
3.4 Расчет усилительного элемента
Расчёт усилительного элемента производим по методике в [2, c 80].
Задаём рабочий коллекторный ток Iк2=1,5*10-3
Определяем предельное рабочие напряжение в транзисторе T2 Uэк2
Uкэ2=Uн-Uст.мин + Uбэ1.макс=10.2-5.6+4=8.6 В (14)
Выбираем усилительный транзистор Т2 по [5, c 153] ГТ402А с параметрами:
Uкэ.макс=25 В (предельное напряжение коллектор-эммитер)
Iк=0,5 А (предельный ток коллектора)
Pк=0,3 Вт (предельная рассеиваемая мощность коллектора)
Параметры h транзистора определяем из ВАХ:
Из графиков находим коэффициенты h11э и h21э.
h11э=ΔUбэ/ΔIб=100/4,5 =22 Ом
h21э при при номинальном токе Ik=1,5 мА, равен ≈50
Проверяем величину рассеиваемой мощности на коллекторе
P2max=Iк2*Uэк2=1,5*10-3*14,6=0,0219 Вт (15)
Таким образом условие Р2max<Pдоп выполняется.
3.4 Расчёт измерительного элемента.
Расчёт измерительного элемента производим по [3,с 24] и [2, с 81].
Учитывая, что Uст1≈Urд1 и Uн=Urд2+Urд1=10 В
Задаём минимальный ток через делитель напряжения Iд=0,03 А.
По рекоменндациям Iд должен быть на порядок больше чем Iб2, но не превышать ≤10% от Iн=3 А
Рассчитываем сопротивление делителя:
Rд2=Uст/Iд=5.6/0.03=187 Ом (16)
Rд1=(Uпит-Uст)/Iд=(10-5.6)/0.03=147 Ом (17)
Общая рассеиваимая мощность делителя равна:
Prд=Uн.макс2/Rд1+Rд2=100/187+147=100/334=0.3 Вт (18)
3.5 выходное сопротивление и Проверочные расчёты.
Выходное сопротивление Rвых расчитываем по [1, с 626] с помощью программы Mathcad (см. Приложение):
(19)
где Ro – баллстное сопративление
Ry – сумма входных сопротивлений транзисторов
Ki – суммарный коэффициент усиления тока в Т2 и Т1 транзисторах
R∞ - характеристическое сопротивление.
Ry=h11э1+H11э2=2+22=24 Ом (20)
Кi=h21э1*h21э2=16*50=800 (21)
(22)
Rвых=Ro|| R∞=0.7*0.003/0.7+0.003=0.029 Ом (23)
Коэффициент стабилизации Кст найдём по формуле:
(24)
Общую нестабильность системы определяем по формулам [1, c 622].
Общая нестабильность системы равна сумме частных нестабильностей выходного напряжения по току и напряжению.
(25)
где - частная нестабильность выходного напряжения по току
- частная нестабильность выходного напряжения по напряжению
(26)
(27)
Общая нестаильность системы в процентах
Для определения коэфициент полезного действия найдём суммарные потери мощности в схеме
ΣРпот=Рк1+Рк2+Ркд+РRб+РRст+РR2=
75,72+0,0219+0,3+54,9+0,0352=131 Вт (28)
Минимальный коэфициент полезного действия (при максимальном токе на нагрузке) стабилизатора:
Заключение
В данной работе я произвел расчёт вторичного источника электропитания с защитой от перегрузок. В качестве принципиальной схемы я использовал компенсационный стабилизатор параллельного типа, который предусматривает защиту от перегрузок. Недостаток данной схемы состоит в низком коэффициенте полезного действия и коэффициенте стабилизации. Данную схему можно модернизировать, использовав составной транзистор в регулирующем элементе или использовав стабилизатор последовательного типа (с дополнительной схемой защиты). В данной работе приведено оптимальное решение задания о разработке вторичного источника электропитания с защитой от перегрузок. К сожалению, для расчёта стабилизаторов параллельного типа не приводится единой методики расчета, и количество литературы по стабилизаторам параллельного типа ограничено. Поэтому в результате выполнения, автору данной работы пришлось выработать свою методику расчёта на основании [1], [2], [3]. Большая часть расчёта взята из [1], включая расчёты регулирующего источника, выходного сопротивления, нестабильности. Из [2] была взята методика расчёта усилительного элемента и источника опорного напряжения. Таким образом, я получил рабочую схему компенсационного стабилизатора параллельного типа. Данное устройство может быть применено на практике в соответствии с заданием. Разработанную схему можно модернизировать, увеличив коэффициент стабилизации и коэффициент полезного действия.
Список литературы
1. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Издание 4-е, перераб. и доп. М.: Энергия, 1977.
2. Вересов Г.П., Смуряков Ю.Л. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры. – М.: Энергия, 1978.
3. Карпов В.И. Полупроводниковые компенсационные стабилизаторы напряжения и тока. – М.: Энергия, 1967
4. Ушаков В.Н., Долженко О.В. Электроника: от транзистора до устройства. – М.: Радио и связь, 1983.
5. Горюнов Н.Н. Полупроводниковые транзисторы. Справочник – М.: Энергоатомиздат, 1983
6. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1982.
7. Г.К. Шадрин, Н.В. Аринова. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ. Методические указания к выполнению курсовой работы.
8. Герасимов В.Г., Князев О.М. и др. Основы промышленной электроники. – М.: Высшая школа, 1986.
Приложение
Расчёт выходного сопротивления и проверочных расчётов в программе Mathcad:
сумма вход сопративления транзисторов:
Общая нестабильность системы:
что не превышает 2%