Рисунок 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 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:
Ом (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)
Ом (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 = *100%=0,016%, что не превышает заданного значения в 2%.
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%
