Методика расчета последовательного компенсатора

Методика расчета последовательного компенсатора

Методика расчета последовательного компенсационного стабилизатора

Схема стабилизатора

Порядок расчета

.Требуемое значение коэффициента стабилизации

_{ст треб} = a_вх +b_вх /a_вых + b_вых = 10/0.2 = 50

2.Минимальное напряжение на входе стабилизатора

_{вх min} = U_вых + U_{кэi min} + ΔU_вых = 14 + 3+ 2 = 19В

_{кэi min} - минимальное допустимое напряжение эммитер-коллектор регулирующего транзистора, при котором работа еще происходит на линейном участке выходной характеристики I_к=f(U_кэ) при I_в= const

ΔU_вых - отклонение напряжения на выходе стабилизатора от номинального

Напряжение U_{кэi min} для большинства транзисторов не превышает 3В. Примем для расчета 3В

ΔU_вых определяется верхним пределом регулировки выходного напряжения, т.е. 2В

. Номинальное напряжение на входе стабилизатора с учетом допустимых отклонений входного напряжения a_вх=b_вх

стабилизатор напряжение рассеивание резистор

U_вх = U_{вх min}/(1-b_вх/100) = 1.9/(1-0.1) = 21В

4. Максимальное напряжение на входе стабилизатора

_{вх max} = U_вх*(1+a_вх/100) = 21*(1*0.1) = 23В

5. Максимальное падение напряжения на участке эмиттер-коллектор регулирующего транзистора

_{кэi max} = U_{вх max} - U_вых = 23 -14 = 9В

6. Максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе регулирующего транзистора

_{ki max} = U_{кэi max}*I_{вых max} = 9*0.60012 = 5,4Вт

Где I_{вых max} максимальное значение тока нагрузки I_{вых max} = I_вых +(а_вых/100) = 0,0012 + 0,6 = 0,60012А

. Выбираем тип регулирующего мощного, низкочастотного транзистора VT1

I_вых <= I_{ki max доп}; U_{кэi max} <= U_{кэi max доп}; P_{ki max} <= P_{ki max доп};

Взяв параметры из справочника мы выбираем транзистор VT1 - 2Т321А

60мА = 800мА; 9В < 50В; 5,4Вт = 20Вт.

8. Выбираем тип согласующего транзистора VT2, аналогичный VT1(в нашем случае, это транзистор 2Т321А), который предназначен для согласования большого выходного сопротивления УПТ с малым входным сопротивлением регулирующего транзистора. Кроме того VT1 и VT2, образуя составной транзистор имеют общий коэффициент усиления по току β = β₁=β₂ = 120, что позволяет значительно повысить коэффициент стабилизации схемы. Принимая I_k2 ~ I_э2 ~ I_б1 и учитывая, что

_б1~ I_k1/ β₁ ~ I_вых/ β₁ = 0.6/120 = 0.005А, получим I_k2

Кроме того U_{кэi max} ~ U_{кэi2 max} и мощность , рассеиваемая на коллекторе VT2 P_{k2 max} ~ U_{kэ2 max}*I_k2

. Выбираем тип стабилитрона, используемого в качестве источника эталонного напряжения. Номинальное напряжение стабилизации

_ст = (0.6 - 0.7) U_вых = (0.6 - 0.7)*14 = 8В

Исходя за данных напряжения стабилизации выбираем стабилитрон типа Д809 (I_ст = 5мА; U_{ст ,min} = 8B; U_{ст max} = 9,5B)

. Находим коэффициент деления напряжения делителем

α = U_2вых/U_вых = 8,4/14 = 0,6

11. Выбираем тип управляющего транзистора. На транзисторе VT3 собран усилитель, который должен реагировать на самые незначительные колебания выходного напряжения и усиливать их до величины, достаточной для управления регулирующим транзистором. Обычно величина тока I_k3 выбирается в пределах 0,5 - 2 мА. Возьмем I_k3 = 2 мА. Требуемое значение коэффициента усиления по напряжению для управляющего транзистора

К_{3 треб} = (ΔU_вх*100)/(Uвых(а_вых + в_вых) *α) = 4*100/14*0,4*0,6 = 119,

где ΔU_вх = U_{вх max} - U_{вх min} = 23 - 19 = 4B

Из данного параметра выбираем транзистор марки 1Т101( I_k3 = 2мА, β₃ = 30).

. Определяем фактический коэффициент усиления управляющего каскада

_{3 рас} = (ΔI_k3/ΔI_бэ3)*R1 = 30*36* = 10800

ΔI_k3/ΔI_бэ3 = S₃ - крутизна характеристики VT3. Для маломощных низкочастотных транзисторов, используемых в схемах стабилитронов напряжения, значение лежит в пределах от 20 до 40 мА/В. Примем S₃ = 30 мА/В

R₁ = сопротивление нагрузки в цепи коллектора VT₃

. R₁ = сопротивление нагрузки в цепи коллектора VT₃ находиться из формулы

₁ = (0,5U_{кэ1 min} *β₁*β₂)/I_вых = 0,5*3*120*120/0,6 = 36 кОм

Мощность рассеивания на резисторе

P_RI = _K3*R₁ + (I_K2/β₂)R1 = * 36**(**36* = 9*Вт

Выбираем R1

. Сравниваем K_{3 расч} > K_{3 треб}

10800 > 119 => ВЕРНО

15. Определяем мощность, рассеиваемую на коллекторе VT3

P_{K3 MAX} = U_{KЭ3 MAX}*I_K3 = 7,6* 0,002 = 0.0152 Вт,

где U_{KЭ3 MAX} = U_ВЫХ + ΔU_ВЫХ - U_СТ = 14 + 2 - 8,4 = 7,6В

Сравнивает P_{КЭ MAX} < P_{КЭ MAX ДОП}

0,0152Вт < 50 Вт = > ВЕРНО

16. Найдем сопротивление выходного делителя. Ток делителя I_Д обычно выбирают на один-два порядка выше тока базы управляющего транзистора VT₃. Номинальный ток базы VT₃

I_БЗ = I_КЗ/β₃ = 2*/30 = 6.7*А,

Выбирая ток делителя I_д, найдем общее сопротивление делителя

R_Д = 14/0.0134 = 1044 Ом

17.Выходное сопротивление стабилизатора должно регулироваться в пределах ±2В. Определить сопротивление нижнего плеча делителя для крайних значений U_ВЫХ, U_СТ

R₄ = R_{Д.Н. MIN} = R_Д(U_{СТ. MIN}/(U_ВЫХ + ΔU_ВЫХ)) = 1044*(8/(14+4)) = 464 Ом

R_{Д.Н. MAX} = R_Д(U_{СТ. MAX}/(U_ВЫХ - ΔU_ВЫХ)) = 1044*(9.5/(14-4)) = 992 Ом

18. Величина сопротивлений R₂ и R₃, где R₃ - регулировочный резистор.

R₃ = R_{Д.Н. MAX} - R_{Д.Н. MIN} = 992 - 464 = 528 Ом

R₂ = R_Д - R₃ - R₄ = 1044 - 528 - 464 = 52 Ом

Рассчитав мощность рассеивания резисторов по формуле P = *R, выбираем резисторы

R₁ = *R = *1044 = 4,1 Вт

R₄ = *R = *464 = 8,33 Вт

R₂ = *R = *580 = 94.8 Вт

R₅ = *R = *13.16 = 0,32 Вт

R₃ (переменный) = *R = *528 = 1 Вт

Исходя из мощности, выбираем марки резисторов

R₁ - C542В (5Вт, 5.1Ом),

R₂ - C5-40 (100Вт, 9.1Ом),

R₃ - CП II (1Вт, 1Ом),

R₄ - П3ВР (10Вт, 9.1Ом)

R₅ - С213 (1Вт, 13.3Ом)

19.Сопротивление R₅ берется такой величины, чтобы задаваемый им ток через стабилитрон составлял I_{ст. н}

R₅ = U_вых - U_ст / I_{ст. н} 14 - 13,93 /0.005 = 13.16 Ом

20. Для увеличения быстродействия стабилизатора применяют ёмкостную связь между выходом стабилизатора и входом УПТ. С этой целью в схему стабилизатора подключают конденсатор С1 марки К5016 емкостью 10 мкр Фа.

21.Конденсатор С2 марки К5018 емкостью 2000 мкр Фа, который служит для повышения устойчивости стабилизатора и одновременно позволяет уменьшить выходное сопротивление схемы.

22.Коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора

K_{СТ. РАС} = α*K_{3 РАС}*(U_ВЫХ/U_ВХ) = 0.6*1.08* *(14/21) = 4323

K_{СТ. РАС} > K_{ст треб}

> 50 => ВЕРНО

23.К.П.Д стабилизатора в номинальном режиме

η = U_ВЫХ*I_ВЫХ/U_ВХ*I_ВХ = 14*0,6/21*0,6184 = 65%

I_ВХ=I_ВЫХ + I_СТ + I_Д = 0,6 + 0,005 + 0,0134 = 0,6184 А.

Вывод

Мы провели расчет и разобрали схему компенсационного стабилизатора. Напряжение стабилизации равно 8.4 В, КПД при номинальном режиме 65%. Коэффициент стабилизации данного стабилизатора по сравнению с требуемым больше почти в 86,5 раз, что обеспечивает высокое качество стабилизации напряжения у данного стабилизатора.

Проведя необходимые расчеты мы выбрали марки транзисторов, конденсаторов и резисторов из справочников, данные которых соответствуют ГОСТ 20003-74.

Транзисторы

1.      VT1 - 2Е321А

2.      VT2 - 2Т321А

3.      VT3 - Д809

Резисторы

1.      R1 - C542В

2.      R2 - C5-40

3.      R3 - CП II

4.      R4 - П3ВР

5.      R5 - С213

Конденсаторы

1.      C1 - К5016

2.      C2 - К5018