Схема транзисторного компенсационного стабилизатора напряжения
СОДЕРЖАНИЕ
Содержание
Техническое
задание
Введение
Расчёт
.
Регулирующий транзистор VT1
.
Согласующий транзистор VT2
.
Стабилитрон VD1
.Управляющий
(усилительный) транзистор VT3
.Резисторы
и конденсаторы
.Коэффициент
стабилизации и КПД
Заключение
Список
литературы
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Исходные данные:
номинальное выходное напряжение Uвых
= −27 В
регулировка выходного напряжения ∆Uвых
= ±3 В
максимальный ток нагрузки IHmax =
500 мА
максимальные отклонения входного
напряжения ∆Uвх = ±5 %
коэффициент стабилизации Кст ≥
10
Задание:
Рассчитать схему транзисторного
компенсационного стабилизатора напряжения.
Отчёт должен состоять из
пояснительной записки и графической части.
ВВЕДЕНИЕ
Величина напряжения на выходе
выпрямителей, предназначенных для питания различных электронных устройств,
может колебаться в значительных пределах, что ухудшает работу аппаратуры.
Основными причинами этих колебаний являются изменения напряжения на входе
выпрямителя и изменение нагрузки. В сетях переменного тока наблюдаются изменения
напряжения двух видов: медленные, происходящие в течение от нескольких минут до
нескольких часов, и быстрые, длительностью доли секунды. Как те, так и другие
изменения отрицательно сказываются на работе аппаратуры. Для обеспечения
заданной точности измерительных приборов (электронных вольтметров,
осциллографов и др.) также необходима стабилизация напряжения.
Стабилизатором напряжения называется
устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при
изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.
Рис. 1. Функциональная
схема последовательного компенсационного стабилизатора напряжения
На рис. 1 представлена типичная схема
автоматического регулирования с отрицательной обратной связью, где 1 - регулятор
(достаточно мощный транзистор), 2 -
источник опорного напряжения, 3 - усилитель сигнала ошибки.
Усилитель сравнивает сигналы Uоп и
Uвых, усиливает разность между ними (сигнал ошибки) и выдаёт управляющее
воздействие на регулятор. При изменении Uвх или Rн управляющее воздействие
меняется таким образом, чтобы уменьшить ∆Uвых:
при положительном сигнале
рассогласования (Uвых - Uоп> 0)внутреннее сопротивление регулятора
возрастает и падение напряжения Uр на нём увеличивается. Поскольку регулятор и
нагрузка включены последовательно, при увеличении Uр выходное напряжение
уменьшается, стремясь к значению Uоп;
при отрицательном сигнале
рассогласования (Uвых - Uоп< 0)наоборот, внутреннее сопротивление регулятора
и Uр уменьшаются, что приводит к возрастанию выходного напряжения Uвых.
Рис. 2. Схема транзисторного
компенсационного стабилизатора напряжения
В схеме, приведённой на рис. 2, роль
регулятора играет транзистор VT1, согласующий транзистор VT2 предназначен для
согласования большого выходного сопротивления усилителя постоянного тока,
собранного на транзисторе VT3, с малым входным сопротивлением регулирующего
транзистора VT1. Кроме того,VT1 и VT2 вместе образуют составной транзистор,
имеющий коэффициент усиления по току, равный произведению соответствующих
коэффициентов транзисторов VT1 и VT2, что позволяет значительно повысить
коэффициент стабилизации по напряжению.
Опорное напряжение формируется
стабилитроном VD1 и сравнивается с выходным напряжением на усилителе сигнала
ошибки, выполненном на транзисторе VT3. Управляющий (усилительный) транзистор
VT3 должен обеспечивать достаточное усиление сигнала по напряжению, чтобы иметь
возможность реагировать на незначительные колебания выходного напряжения.
Выходное напряжение схемы
регулируется с помощью делителя напряжения, собранного на резисторахR2, R3 и
R4.
Конденсатор C1 выполняет функцию
увеличения быстродействия стабилизатора и реализует емкостную связь между
выходом стабилизатора и входом усилителя.
Конденсатор C2 служит для повышения
устойчивости стабилизатора и одновременно позволяет уменьшить выходное
сопротивление схемы.
РАСЧЁТ
1.Регулирующий транзистор VT1
Находим величину минимального напряжения на
входе стабилизатора
Uвх.мин. = Uвых+Uк.э1 мин+ΔU,
где Uк.э1
мин. - минимально допустимое напряжение между эмиттером и коллектором
регулирующего транзистора, при котором работа происходит на линейном участке
выходной характеристики
Iк
= f(Uк.э)
приIб
=const.
Напряжение Uк.э1
мин. для большинства транзисторов не превышает 1−3 В. Для расчёта примем Uк.э1
мин. = 3 В :вх.мин. = 27+3+3 = 33В
Номинальное и максимальное
напряжения на входе стабилизатора с учётом допустимого отклонения напряжения ∆Uвх
= ±5 % соответственно равны
Uвх = 
= 
=34,74 Ввх.
макс. =
= 
= 36,477 В
Максимальное и минимальное падения напряжения на
участке эмиттер−коллектор регулирующего транзистора VT1
Uк.э1 макс. = Uвх. макс. - Uвых.
мин. = 36,477 - (27 - 3) = 12,477 В
Uк.э1 мин. = Uвх. мин. - Uвых. макс.
= 33 - (27 + 3) = 3 В
Максимальная мощность, рассеиваемая на
коллекторе VT1
Pк1 макс. = Uк.э1 макс.· Iн макс =
12,477 · 0,1 = 1,2477 Вт
При выборе транзистора необходимо
выполнить условияк1 макс. = Iн. макс≤ Iк1 макс. доп.;к.э1 макс. ≤
Uк.э1 макс. доп.;к1 макс.≤ Pк1 макс.доп.
Выбираем регулирующий транзисторVT1
типа КТ610А со следующими параметрами: коэффициент усиления по току B1 = 100,
Uк.э1 макс. доп.= 26 В, Iк1 макс. доп. = 0,7 А, Pк1 макс. доп. = 1,5 Вт.
2.Согласующий транзистор VT2
Iб1 = 
= 
= 
= 5 мА,к2 =
Iэ2 = Iб1 = 5 мАк.э2 макс.=Uк.э1 макс. =12,477 В
Pк2 макс. =
Uк.э2 макс. Iк2
= 0,005·12,477 = 62,385 мВт
Выбираем согласующий транзистор VT2
типа KT668Aсо
следующими параметрами: коэффициент усиления по току B2
= 80, Uк.э2 макс. доп.
= 50 В, Iк2 макс. доп. = 0,5 А, Pк2 макс. доп. = 0,5 Вт, Iб2 ≤ 15 мкА.
.Стабилитрон VD1
В качестве источника опорного
напряжения будем использовать кремниевый стабилитрон с номинальным напряжением
стабилизации
Uст = (0,6
÷ 0,7)· Uвых = (0,6
÷ 0,7)· 27 =16,2
÷ 18,9 В
Uоп мин. = 16,2Воп макс. = 18,9В
Выбираем стабилитрон типа Д809 со
следующими параметрами: Uст = Uоп = 17,9 В, Iст = 5 мА, Iст макс. = 29 мА.
.Управляющий (усилительный) транзистор
VT3
Коэффициент деления напряжения
делителем R2, R3, R4
α
= 
= 
= 
= 0,663
При выборе управляющего (усилительного)
транзистора VT3 необходимо,
чтобы коллекторный ток Iк3
был небольшим, но в тоже время превышал ток базы согласующего транзистора VT2.
Примем
к3 = 1 мА> Iб2
= 15 мкА
Допустимое отклонение выходного напряжения от
номинала
∆Uвыхоткл
= 
= 
= 0,5
Требуемое значение коэффициента
усиления
K3(u)треб = 
= 
= 19,42
В качестве управляющего будем
использовать маломощный низкочастотный транзистор, крутизна характеристики S3
которого лежит в пределах
= (20 ÷ 40) мА/В
Примем S3 = 30 мА/В
Для нахождения фактического
коэффициента усиления определим
R1 = 
= 
= 24кОм
Тогда(u)расч = S3 · R1 = 0,03 ·
24000 = 720>K3(u)треб
Мощность, рассеиваемая на резисторе
R1= (Iк3)2 · R1 = 10−6 · 24000 = 24мВт
В качестве сопротивления R1 выберем
резистор типа ОМЛТ−0,25. Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора
VT3к.э3 макс. = Uвых + ∆Uвых − Uоп = 27 + 3 -17,9 = 12,1 Вк3 макс.
= Uк.э3 макс.· Iк3 = 12,1 · 10−3 = 12,1 мВт
Учитывая рассчитанные требования
выберем транзистор VT3 типа КТ307Г−1 со следующими параметрами:
коэффициент усиления по току B3 = 80, Uк.э3 макс. доп. = 15 В, Iк3 макс. доп. =
20 мА, Pк3 макс. доп. = 150 мВт.
.
Резисторы и конденсаторы
Номинальный ток базы транзистора VT3
Iб3 = 
= 
= 0,0125 мА
Номинальный ток базы транзистора VT3
Iб3 = = = 0,0125 мА
Выберем ток делителя напряжения на 1−2
порядка выше, чем Iб3
д = 1 мА
Общее сопротивление делителя
Rд = R2 + R3
+ R4 = 
= 
= 27 кОм
Сопротивление нижнего плеча делителя
Rд.н. мин = 
= 
= 16,11кОм
В качестве R4 берём ближайшее
номинальное значения сопротивления= 16кОм
Rд.н. макс =
= 
= 21,26кОм
Тогда величины R2
и R3 равны
R3 = Rд.н. макс − Rд.н. мин =
21260 − 16000 = 5,26кОм ≈ 5,3 кОм= Rд − Rд.н. макс = 27000 −
21260 = 5,74 кОм≈5,7 кОм
Тип резисторов R3 и R2 − МЛТ−0,125;
Зная величину токаIст, задаваемую для стабилитрона, рассчитаем величину
сопротивления R5
R5 = 
= 
= 1820 Ом
В качестве R5
выбираем резистор типа МЛТ−0,125.
Величина конденсатора C1, служащего
для увеличения быстродействия стабилизатора, выбирается порядка единиц−десятков
микрофарад. Для рассчитываемой схемы в качестве C1 выберем электролитический
конденсатор типа ЭМ ёмкостью 3 мкФ и рабочим напряжением 20 В.
Ёмкость конденсатора C2 выбирается
порядка 1000−2000 мкФ. Выберем электролитический конденсатор типа ЭТО−2
ёмкостью 1000 мкФ с рабочим напряжением 25 В.
6.Коэффициент стабилизации и КПД
Расчётный коэффициент стабилизации
Кст(u)расч =
α
· К3(u)расч·
= 0,663·
720 · 
= 371>
10
К.п.д.
стабилизатора в номинальном режиме
Iвх = Iвых + Iст + Iд = 0,5 + 0,005
+ 0,001 = 0,506 мА
η
= 
= 
= 0,768
(76,8%)
напряжение стабилизатор
конденсатор
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате расчетов получена
типовая схема транзисторного компенсационного стабилизатора напряжения с
плавной регулировкой выхода, параметры которой соответствуют поставленному
техническому заданию.
Коэффициент стабилизации полученной
схемы (371) превышает минимально требуемый техническим заданием (10) почти в 37
раз, что обеспечивает повышенную стабильность выходного напряжения и надёжность
работы стабилизатора.
КПД полученного компенсационного стабилизатора
напряжения соответствует типичному значению для этого класса приборов и
составляет 76,8%.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Расчет
электронных схем / Под ред. Г.И.Изъюровой - М.: Высш. шк., 1987.
Гершунский
Б.С. Расчет основных электронных и полупроводниковых схем в примерах, М.; 1968.
Воронков,
Овечкин. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах.
Аксёнов
А. И. и др. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Диоды. Транзисторы:
Справочник. − М.: Радио и связь, 1992.
Малогабаритная
радиоаппаратура. Справочник радиолюбителя. − Киев: Наукова думка, 1976.
1.