Расчет стабилизатора напряжения

Рассчитаем непрерывный компенсационный стабилизатор напряжения, рис 9.38 предназначенный для питания нагрузки, (U_н, I_н) при заданном диапазоне изменения входного напряжения.

1. Выберем силовой транзистор из следующих условий:

I_{k max доп} ≥I_k/K_зап;

U_{кэmax доп} ≥U_{вх max}/К_зап;

Р_к>=I_{k max} (U_{Bx max} – U_Bых),

2. Максимальный ток базы транзистора I_Б = I_н/(h_21Э+1).

Рис.3. 14. Схема непрерывного компенсационного стабилизатора постоянного напряжения.

Максимальный управляющий ток регулирующего элемента

I_упр=(I_н/h_21Э1+1 + U_БЭ1/R_бэ1) ∙ 1/h_21э2+1 + U_БЭ2/R_бэ2;

где R_бэ1 – резистор, шунтирующий эмиттерный переход транзистора.

3. Сопротивление резистора R_см выбираем из условия обеспечения протекания тока I_упр при наименьшем входном напряжении

R_см=(U_{вх min} – U_вых)/I_упр.

В этом случае максимальный выходной ток операционного усилителя

I_{DA вых max}=(U_{вх max} – U_вых)/R_см.

4. В качестве источника эталонного напряжения используем параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне. Стабилитрон выбираем из условия U_ст0<U_{вых .}. Сопротивление балластного резистора R_З выберем в предположении, что I_вх операционного усилителя равно нулю и I_{ст min}: R_З=U_вых – U_{ст0 мах}/I_{ст min} – r_ст.

При выбранном R_З максимально возможный ток стабилитрона

I_{ст мах}=(U_вых - U_{ст 0 мах})/(R_З+r_ст),

5. Найдем требуемый коэффициент передачи делителя на резисторах R2, R3: К_дел=U_cт0/U_вых.

6. Определим допустимый диапазон изменения сопротивления резистора R3: R_Змах=R2(U_вых - U_{ст 0 min})/U_{ст 0 min};

U′_{ст 0 мах}=U_{ст0 мах}+∆I_{ст rст};

R_Зmin= R2(U_вых - U_{ст 0 max})/U′_{ст 0 max}

7. Пренебрегая значением К_Uст0, из выражения для коэффициента усиления операционного усилителя получим

К_{U0 min}>(К_U)_{ст ООС} U_вх/U_выхК_{дел min.}

4. Выбор элементов

Транзисторы. Они характеризуются эксплуатационными параметрами, предельные значения которых указывают на возможности их практического применения. Основными эксплуатационными параметрами являются максимально допустимые ток I_kmax (I_cmax), напряжение U_kэmax (U_cumax) и рассеиваемая выходным электродом мощность Р_kmax (Р_cmax). Не допускается превышения эксплуатационных параметров, указанных в справочнике.

В соответствии с ОСТ 11.336.919-81 транзисторы имеют буквенно-цифровое обозначение, например:

- ГТ101А − германиевый биполярный маломощный низкочастотный транзистор, порядковый номер разработки 1, группа А;

- 2П904Б − кремниевый полевой мощный высокочастотный транзистор, порядковый номер разработки 4, группа Б.

По мощности транзисторы подразделяются на маломощные (Р_max ≤ 0,3 Вт), средней мощности (0,3 Вт < Р_max < 1,5 Вт) и большой мощности (Р_max > 1,5 Вт).

По частоте транзисторы бывают низкочастотные (f ≤ 3 МГц), средней частоты (3 МГц ≤ f≤ 30 МГц) и высокочастотные (f > 30 МГц).

В справочнике приводятся значения параметров транзисторов для соответствующих оптимальных или предельных режимов эксплуатации. Рабочий режим транзистора, в проектируемом ЭУ, часто отличается от указанного в справочнике. В таком случае необходимо по имеющимся в справочнике характеристикам и формулам, а также методом интерполяции определить значения параметров транзистора, соответствующие выбранному режиму.

Применение высокочастотных транзисторов в низкочастотных электронных устройствах нежелательно, так как они дороги, склонны к самовозбуждению и развитию вторичного пробоя, обладают меньшими эксплуатационными запасами.

Не следует применять мощные транзисторы там, где можно применить маломощные, так как при использовании мощных транзисторов в режиме малых токов их коэффициент передачи по току мал и сильно зависит как от тока, так и от температуры окружающей среды. Кроме того, ухудшаются массогабаритные и стоимостные показатели ЭУ.

Необходимо применять транзистор минимально возможный для данных конкретных условий мощности, но так, чтобы он при этом не перегревался. Лучше применить транзистор малой мощности с небольшим теплоотводом, чем большой мощности без теплоотвода.

Если нет особых причин для применения германиевого транзистора, лучше применить кремниевый. Кремниевые транзисторы лучше работают при высоких температурах, имеют более высокие пробивные напряжения и меньшие обратные токи.

Коэффициент передачи тока зависит от тока коллектора и при некотором значении обычно имеет максимальное значение. Для хорошего усиления на низких частотах желательно выбирать это максимальное значение или близкое к нему по приводимым в справочнике графикам. В других случаях коэффициент передачи тока следует принимать равным указанному в справочнике типового значения или среднему арифметическому от минимального и максимального значения параметра.

Диоды. Основными эксплуатационными параметрами выпрямительных диодов являются максимальное обратное напряжение и максимальное значение прямого тока.

Высокочастотные диоды используются для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до сотен МГц), модуляции, детектирования и других нелинейных преобразований электрических сигналов. Они характеризуются следующими параметрами: падением напряжения на диоде, обратным током и сопротивлением переменному току.

Импульсные диоды используются в качестве ключевых элементов и обеспечивают переходные процессы в доли микросекунд. Они имеют малое значение барьерной емкости.

Стабилитроны используются для стабилизации напряжения в схеме при изменении тока, протекающего через стабилитрон. Основным параметром является напряжение стабилизации в рабочей точке, для которой задается дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Необходимо применять диоды по указанному в справочнике назначению, например, в выпрямителях следует применять выпрямительные диоды, в импульсных устройствах - импульсные диоды и т.д.

Обратное напряжение на диоде и прямой ток через него (в том числе импульсный) не должен превышать 70-80% от максимально допустимых значений.

Рабочая частота не должна превышать указанного в справочнике предельного значения.

Резисторы. Резисторы бывают общего назначения и специальные (прецизионные, высокочастотные, высоковольтные, высокомегаомные).

Резисторы общего назначения используются в качестве различных нагрузок, делителей, элементов фильтров, шунтов в цепях формирования импульсов и т.д.

Прецизионные резисторы применяются в основном в измерительных приборах и системах автоматики.

Высокочастотные резисторы используются в высокочастотных цепях, в кабелях и волноводах в качестве согласующих нагрузок, направленных ответвителей и т.п.

Высоковольтные резисторы применяются в качестве делителей напряжений, поглотителей, в зарядных и разрядных высоковольтных цепях и т.п.

При курсовом проектировании рекомендуется применять резисторы постоянные общего назначения типа МЛТ или ОМЛТ.

Резисторы специальные (прецизионные, высокочастотные, высокоомные, высоковольтные и др.) следует применять в тех случаях,когда значения соответствующих параметров резисторов общего назначения оказываются недостаточными, например, малы точности сопротивления и т.д.

Допускаемые отклонения сопротивления от номинального значения следует выбирать с учетом чувствительности к нему выходных параметров, принимая при этом во внимание требование ограничения существующей номенклатуры резисторов.

Переменные резисторы следует применять по назначению. Подстроечные резисторы, подвижная система которых рассчитана на небольшое число перемещений (до 1000 циклов), - в качестве только подстроечных; регулировочные, масса, габариты и стоимость которых выше, - только в качестве регулировочных.

Конденсаторы. Тип конденсатора выбирают по совокупности значений его номинальных емкости и рабочего напряжения. Если конденсатор выбирают для работы в цепи переменного и импульсного тока, то принимают во внимание его тангенс угла потерь.

Допускаемое отклонение емкости от номинального значения следует выбирать с учетом чувствительности к нему выходных параметров ЭС.

Для большинства типов конденсаторов в справочниках указывают номинальное рабочее напряжение постоянного тока. Эффективное значение переменного напряжения на конденсаторе должно быть в полтора - два раза меньше указанного рабочего напряжения для постоянного тока.

При работе конденсаторов в цепи пульсирующего тока сумма постоянного напряжения и амплитудного значения переменного напряжения на нем не должно превышать его номинального рабочего напряжения.

Не следует без необходимости применять конденсатор с номинальным напряжением, значительно превышающем рабочее, так как при этом ухудшаются массогабаритный и стоимостной показатели изделия.

Оксидные конденсаторы изготавливаются двух типов: полярные и неполярные. Полярные конденсаторы можно устанавливать лишь в тех цепях, в которых постоянная составляющая напряжения на конденсаторе будет больше амплитуды переменной составляющей. На неполярные конденсаторы это ограничение не распространяется.