В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор R5 типа МЛТ- 0.125 11 кОм ±5%, резистор R7 типа МЛТ- 0.125 22кОм ±5% . Резистор R6 выбираем СП3-44 0.25Вт 3.3кОм.
Рабочее напряжение стабилитрона VD1 определяем из соотношения
UVD1 = 0.1 Uвх max = 0.1 ´ 22 = 2.2 В. (4.21)
Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:
стабилитрон 2С119А;
I VD1 = 5´10-3 А – средний ток стабилизации;
r VD1 = 15 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.
Вычисляем сопротивление резистора R1, задавши средний ток стабилитрона (I R1 = I VD1)
R1 = 0.9 Uвх max / I R1 = 0.9 ´ 22 / 5´10-3 = 3960 Ом. (4.22)
Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, равняется
R1 = 0.9Uвх max ´ I R1 = 0.9´ 22´ 5´10-3 = 99´10-3Вт (4.23)
В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 3.9 кОм ±5%.
Определяем начальные данные для выбора транзистора VT1. Рассчитываем ток коллектора транзистора VT1
Iк1 = Iк4 + Iб2 = 4´10-3 + 12´10-5 =412´10-5 (4.24)
Находим напряжение коллектор-эмиттер VT1
Uк1max = Uвх max - UR2 + Uк4max - UVD2 = 4.1 В, (4.25)
где UR2 = UVD1 - Uбэ1 – падение напряжения на резисторе R2.
Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзисторa VT1
Р1 = Uк1max ´ Iк1 = 4.1 ´ 412´10-5 = 16´10-3 Вт. (4.26)
По полученным значениям Uк1 max , Iк1 , Р1 выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:
Марка транзистора
КТ313Б
Тип транзистора
РNP
Допустимый ток коллектора, Iк доп
350 мА
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк доп
30 В
Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред
0.30 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h21Э1 min
50
Рассчитываем сопротивление резистора R2
R2 = UR2 / IК1 = 1.5 / 412´10-5 = 364 Ом, (4.27)
РR2 = UR2 ´ IК1 = 1.5 ´ 412´10-5 = 618´10-5 Вт. (4.28)
В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 360 Ом ±5%.
Рассчитываем основные параметры составного транзистора:
входное сопротивление транзистора
h11Э ск =h11Э2+h11Э3h21Э2min= 36.36 + 33´60 =2016 Ом; (4.29)
коэффициент передачи напряжения транзистора
mск = m2m3 / (m2 + m3) = 45.4´4.2 / (45.4 + 4.2)=3.84 ; (4.30)
выходное сопротивление транзистора
rск = mск h11Э ск / h21Э2min h21Э3min = 0.1723 Ом. (4.31)
Рассчитываем входное сопротивление источника стабильного тока
RTD = R1 ´ R2 / r VD1 = 3900´360 / 15 = 57024 Ом. (4.32)
Рассчитываем параметры усилителя обратной связи:
сопротивление нагрузки усилителя
RК = h11Э ск RTD / (h11Э ск + RTD) = 1947.49 Ом; (4.33)
коэффициент усиления напряжения усилителя
Кu = 0.7 h21Э4min RК / (h11Э4 + h21Э4min r VD2) = 71.13 . (4.34)
Рассчитываем коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора напряжения, а также величину пульсаций на выходе
Кст = mскКuUн / Uвх = 3.845 ´ 71.13 ´ 15 / 22 = 186.4, (4.35)
DUвих = DUвх / mскКu = 4 / 3.845 ´ 71.13 = 12´10-4, (4.36)
Рассчитываем коэффициент пульсаций
Кп = DUвих ´ 100 / Uвх = 12´10-4 ´ 100 / 15 = 8´10-3%. (4.37)
Выходное сопротивление компенсационного стабилизатора будет
Rвых = rск / mскКu = 0.17 / 3.845 ´ 71.13 = 63´10-5 Ом. (4.38)
Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:
Кст = 186.4 > Кст.зад = 100;
Кп = 8´10-3% < Кп.зад = 10´10-3%.
Найденные параметры удовлетворяют заданным условиям.
4.3 Расчет схемы защиты компенсационного стабилизатора от перегрузки.
Устройства защиты стабилизаторов напряжения от перегрузок можно разделить на встроенные, воздействующие на регулирующий элемент стабилизатора, и автономные, содержащие отдельный ключевой элемент. Обычно к стабилизаторам с защитой от короткого замыкания выходной цепи предъявляется требование автоматического возврата в рабочий режим после устранения перегрузки.
Разрабатываем схему защиты компенсационного стабилизатора напряжения от перегрузки (рис 4.1).
Рис. 4.1
Схема защиты компенсационного стабилизатора от перегрузки реализована на элементах VT5 и R8.
Для расчета принимаем ток срабатывания защиты равный 110% от Iн .
Iн max = 1.1 Iн = 1.1 ´ 5 = 5.5 А.
Рассчитываем сопротивление R8 в соответствии с методикой изложенной в [3]:
R8 = Uбе5 / Iн max = 0.7 / 5.5 = 0.127 Ом. (4.39)
Рассчитываем мощность проволочного резистора
РR8 = Uбе5 ´ Iн max = 0.7 ´ 5.5 = 3.85 Вт. (4.40)
Выбираем транзистор VT5 из условия Iк5 = Iб3 ;
Uк5 max =Uбэ3 + R8´Iн max = 0.7 + 0.127 ´ 5.5 =1.4 B; (4.41)
P5 = Uк5 max ´ Iб3 = 1.4 ´ 6.7´10-3 = 9.38 ´10-3 Вт. (4.42)
По полученным значениям Uк5 max , Iк5 , Р5 выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:
Марка транзистора
КТ315А
Тип транзистора
NPN
Допустимый ток коллектора, Iк доп
100 мА
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк доп
20 В
Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред
0.15 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h21Э5 min
20.
4.3 Разработка схемы компенсационного стабилизатора напряжения на базе ИМС.
Разработка схемы компенсационного стабилизатора напряжения на базе ИМС сводится к выбору стандартной серийно выпускаемой ИМС и расчета (если необходимо) навесных элементов.
Таблица 4.1
Марка ИМС
Максимальное выходное напряжение, В
Максимальное входное напряжение, В
Минимальное входное напряжение, В
Максимальный выходной ток, А
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт
Предельно допустимая температура, °С
Нестабильность по току, %
К142ЕН1А
12
20
9
0.15
0.8
0.5
К142ЕН1Б
12
20
9
0.15
0.8
0.2
К142ЕН1В
12
20
9
0.15
0.8
2
К142ЕН2А
30
40
20
0.15
0.8
0.5
К142ЕН2Б
30
40
20
0.15
0.8
0.2
К142ЕН2Б
30
40
20
0.15
0.8
2
К403ЕН1А
5
2
10
1
К403ЕН1Б
5
2
10
5
К403ЕН2А
6
2
10
1
К403ЕН2Б
6
2
10
5
К403ЕН3А
9
2
10
1
К403ЕН3Б
9
2
10
5
К403ЕН4А
12
2
10
1
К403ЕН5А
15
1.5
8.5
1
К403ЕН5Б
15
1.5
8.5
5
К403ЕН7А
27
1
6
1
SD1083
12
40
7.5
50
170
0.7
SD1084
15
40
5
25
170
0.7
SD1085
20
40
3
15
170
0.7
LAS1520
20
40
1.5
6
150
0.6
В качестве интегрального стабилизатора напряжения выбираем ИМС серии SD 1084. Составляем схему стабилизатора (рис. 4.2).
Рис. 4.2
Выбираем навесные элементы в соответствии и с методикой изложенной в [4].
Рабочее напряжение стабилитрона VD1 определяем из соотношения
UVD1 = 0.9 Uвых = 0.9 ´ 15 = 13.5 В. (4.43)
Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:
стабилитрон 2С515А;
I VD1 = 45´10-3 А – средний ток стабилизации;
r VD1 = 25 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.
Рассчитываем сопротивление резистора R1
R1 = 0.9Uвых / I VD1= 0.9´15 / 45´10-3 = 300 Ом. (4.44)
РR1 = 0.9Uвых´I VD1= 0.9´15´45´10-3 = 608´10-3 Вт. (4.45)
В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МТ-1,0 300 Ом ±5%.
Рассчитываем сопротивление делителя R2R3
R23 = UVD1 / ( 3´ Iп) = 13.5 / ( 3 ´ 5´10-3) = 900 Ом, (4.46)
где Iп – ток потерь микросхемы, А (5´10-3 А).
Рассчитываем сопротивление резисторов R2 и R3:
R2 = 2 ´ R23 / 3 = 2´ 900 / 3 = 600 Ом, (4.47)
R3 = R23 / 3 = 900 / 3 = 300 Ом, (4.48)
РR2 = (3´ Iп)2 ´ R2 = 600´225´10-6 = 135´10-3 Вт, (4.49)
РR3 = (3´ Iп)2 ´ R3 = 300´225´10-6 = 67.5´10-3 Вт. (4.50)
В соответствии с рядом Е24 выбираем резисторы типа МТ-0,25 600 Ом ±5% и СП5-16Т 300 Ом ±5% соответственно.
Конденсаторы С1 и С2 имеют емкости 100мкФ и 5мкФ соответственно. Более точный расчет емкости конденсаторов и их выбор производится в соответствии с данными про сопряженные со стабилизатором устройства.
5. АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ОШИБОК
Качество работы компенсационного стабилизатора напряжения во многом зависит от разброса параметров электронных компонентов, входящих в его состав. Во многом это связано с невозможностью изготовления компонентов с одинаковыми параметрами. Сильное влияние на разброс параметров оказывает колебания температуры окружающей среды и температуры мощности рассеивания этих элементов. С целью уменьшения колебаний параметров от температуры мощности рассеивания для элементов высокой мощности устанавливаются радиаторы.
Для примера влияния разброса параметров элементов на работу компенсационного стабилизатора напряжения приведем расчет основных параметров схемы для критических случаев с помощью ЭВМ (Приложение 6).
Физические явления в компонентах устройств, вызывающие переход в подмножество неисправных состояний, называется дефектами. В зависимости от структуры системы дефект может порождать или не порождать ошибку. Ошибка не всегда следствие дефекта. Одна и та же ошибка может быть следствием разных дефектов [5].
Приводим расчет работы схемы на отказ.
Таблица 5.1
Элементы схемы.
Кол-во, шт
Интенсивность отказов,
×10-6 1/год
Стабилитроны
2
0.12
Транзисторы
1
0.1
------ // ------
4
0.28
Резисторы
7
0.07
Резистор перм.
1
0.2
Места паек
40
0.04
Всего:
0.81
Рассчитываем наработку на отказ
Т0 = 1 / l = 1 / 0.81´10-6 = 123456.79 час, (5.1)
где l - интенсивность отказов.
Рассчитываем вероятность отказов
, (5.2)
. (5.3)
Строим график вероятности отказов.
Рис. 5.1
6. ВЫВОД
Курсовой проект выполнен в соответствии с заданием на проектирование, и полученные результаты удовлетворяют требованиям действующих ГОСТов на радиоаппаратуру. По результатам проверки и анализа работы схемы видно, что данная схема отличается высокой работоспособностью и наработкой на отказ. В данный момент наиболее перспективно использование компенсационных стабилизаторов напряжения на базе ИМС, так как это снижает затраты на монтаж, уменьшает энергоемкость стабилизатора, уменьшает его габаритные размеры, что сказывается на стоимости устройства.
В данной схеме возможно установить элементы индикации о состоянии регулирующего элемента, о перегрузке компенсационного стабилизатора, о наличии питающего напряжения. Кроме вышеперечисленного возможно установить в схеме тепловую защиту регулирующего элемента.
При выборе элементной базы производился сравнительный анализ отечественного и импортного ассортимента радиоэлементов. Анализ проводился по качественным, технологическим и экономическим показателям. В большинстве случаев предпочтение было отдано в пользу отечественных компонентов.
7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. - К: Вища школа, 1983. - 240с.
2. Методические указания к курсовому проекту по дисциплине «Аналоговая и цифровая электроника» для студентов специальности 7.091.002. / Составитель И.П.Пашкин. – Житомир: ЖИТИ, 1998,- 35с.
3. Терещук З.М., Терещук К.М., Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. Справочник радиолюбителя. – К: Наукова думка, 1989. – 820с.
4. Овсянников Н. ИМС серии К403. «РАДИО» №12, 1992г. стр.61.
5. Электронные промышленные устройства. / Ю.М. Гусин, В.И. Васильев, и др. – М.: Высш. шк., 1988. – 303с.
6. Перельман Б.Л. Полупроводниковые приборы. Справочник. – М: СОЛОН, МИКРОТЕХ, 1996. – 176с.
