Расчет стабилизатора напряжения на транзисторе: Расчёт компенсационного стабилизатора напряжения

Содержание

Расчёт компенсационного стабилизатора напряжения

При проектировании источников питания электронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности питающего напряжения. Как медленные, так и быстрые колебания (нестабильности и пульсации) напряжения питания существенно изменяют режимы и параметры работы радиоэлектронных схем. Причинами нестабильности могут быть колебания напряжения и частоты питающей сети, изменения нагрузки, пульсации выпрямленного напряжения, колебания влажности окружающей среды. Например, для питания измерительных устройств, работающих с точностью 0,1%, требуется стабильность напряжения питания не хуже 0,01%.
Компенсационный стабилизатор

Различают компенсационные стабилизаторы напряжения непрерывного и импульсного действия. Стабилизаторы напряжения непрерывного действия представляют собой систему автоматического регулирования, в которой фактическое значение выходного напряжения сравнивается с заданным значением эталонного (опорного) напряжения.

Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается и должен воздействовать на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось вернуться к заданному уровню. В качестве источника опорного напряжения обычно используют параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки, представляющий собой цепочку, состоящую из резистора и стабилитрона. В зависимости от способа включения регулирующего элемента различают компенсационные стабилизаторы последовательного и параллельного типов.
Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа представлена на рис. В этой схеме регулирующий элемент
РЭ включен последовательно с нагрузкой и играет роль управляемого балластного сопротивления. Схему, состоящую из регулирующего элемента и сопротивления нагрузки можно представить как делитель напряжения, в котором определённая часть входного напряжения «падает» на сопротивлении нагрузки, а всё остальное напряжение – на регулирующем элементе.

При этом, и все изменения входного напряжения отражаются не на нагрузке, а на регулирующем элементе.
      Опорное стабилизированное напряжение формируется источником опорного напряжения ИОН. Схема сравнения СС сравнивает выходное напряжение Uн с опорным напряжением Uоп. Разностный сигнал рассогласования Uн — Uоп, формируемый схемой сравнения СС, поступает на вход усилителя постоянного тока У, усиливается и воздействует на регулирующий элемент РЭ.
      Если в нагрузке оказывается напряжение Uн большее, чем опорное Uоп – имеет место положительный сигнал рассогласования (Uн — Uоп) > 0, тогда внутреннее сопротивление РЭ возрастает и падение напряжения Uрэ на нем увеличивается. Так как регулирующий элемент и нагрузка включены последовательно, то при увеличении Uрэ выходное напряжение уменьшается.
      При уменьшении выходного напряжения Uн, отрицательном сигнале рассогласования (Uн — Uоп) , наоборот, внутреннее сопротивление РЭ и падение напряжения на нем уменьшаются, что приводит к возрастанию выходного напряжения Uн.
      Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа на транзисторах приведена на следующем рисунке. Для более простого понимания того, как работает схема, мы рассмотрим её работу поэлементно.
      Источник опорного напряжения выполнен на резисторе Rб и стабилитроне VD.
      Схема сравнения выполнена по принципу измерительного моста. Это – типовая измерительная схема сравнения, которая довольно часто применяется в различных схемах, поэтому актуальна не только в стабилизаторах напряжения.
      Рассмотрим измерительный мост более подробно. Для этого мы изобразим его отдельно от остальных элементов стабилизатора.
      Источник опорного напряжения Rб-VD и делитель напряжения R1-R2-R3 подключены к выходу стабилизатора параллельно. Переменный резистор R2 для наглядности поделен на схеме на две половины – два постоянных резистора R2/1 и R2/2. Если к средним точкам этих цепочек подключить вольтметр, то он будет реагировать на разность напряжений, между этими точками. А если использовать вольтметр со шкалой, у которой нуль находится посередине, тогда наглядно будет видно в какой средней точке напряжение выше, а в какой ниже. Основное состояние измерительного моста, которое используется в стабилизаторе напряжения, это — явление баланса моста, состояние, при котором значение напряжения в средних точках равно.
Предположим, что сопротивление резисторов R1 и R3 равны, а «ползунок» резистора R2 находится в среднем положении. Тогда сопротивления плеч R1+R2/1 и R2/2+R3 равны. Это означает, что на выводе «ползунка» резистора R2 будет ровно половина находящегося на клеммах напряжения. Предположим, что мы подали на клеммы ровно 9 вольт, тогда в средней точке резисторов будет 4,5 вольта (ровно половина). Источник опорного напряжения мы поставим на напряжение стабилизации 4,5 вольта – равное значению средней точки делителя на резисторах
R1, R2, R3. Поэтому, по причине отсутствия разности потенциалов в средних точках стрелка вольтметра будет стоять на нуле.
Если мы увеличим напряжение до 10 вольт, то в средней точке делителя R1+R2/1 и R2/2+R3 напряжение поднимется до 5 вольт, а на источнике опорного напряжения оно так и останется 4,5 вольта (стабилитрон не позволит увеличиться напряжению на своём кристале) и стрелка вольтметра отклонится влево на 0,5 вольта.
      Если наоборот, мы уменьшим напряжение до 8 вольт, то в средней точке делителя R1+R2/1 и R2/2+R3 напряжение уменьшится до 4 вольт, а на источнике опорного напряжения оно по-прежнему останется 4,5 вольта и теперь, стрелка вольтметра отклонится вправо на 0,5 вольта.
      А теперь вернёмся к схеме стабилизатора напряжения. В ней функцию вольтметра выполняет транзистор VT2, который в процессе работы схемы стабилизации используется в «рабочем» усилительном режиме (полуоткрытом состоянии). Роль регулирующего элемента в этой схеме стабилизатора играет транзистор VT1. Его задача – в случае нарушения баланса измерительного моста, определяемого базо-эмиттерным переходом, восстановить этот баланс путём изменения сопротивления перехода эмиттер-коллектор управляющего элемента, и как следствие — уменьшение, или увеличение выходного напряжения.
     При увеличении Uвх, выходное напряжение возрастает по абсолютному значению, создавая отрицательный сигнал рассогласования напряжения Uэ62 на входе усилителя постоянного тока, выполненного на транзисторе VT2. Транзистор, подключенный к средним точкам измерительного моста «приоткрывается». Ток коллектора транзистора VT2 возрастает, а потенциал коллектора VT2 становится более положительным относительно потенциала земли. Напряжение эмиттер-база транзистора VT1 уменьшается, что приводит к возрастанию внутреннего сопротивления транзистора VT1 и падению напряжения на нем. Выходное напряжение при этом уменьшается, стремясь к прежнему значению.
      При уменьшении входного напряжения Uвх наоборот, транзистор VT2 «призакрывается», что приводит к увеличению напряжения база-эмиттер транзистора VT1, в результате чего сопротивление транзистора уменьшается и выходное напряжение повышается, стремясь к номинальному напряжению стабилизации.
      Обратите внимание, что на схемах изображалась «точка» подключения к какому то источнику напряжения Е0. Для повышения коэффициента стабилизации схемы резистор Rк, определяющий базовый ток регулирующего транзистора VT1, подключается к стабильному источнику напряжения – Е0. Если Е0 не стабилен, то его колебания передаются через резистор Rк на базу регулирующего транзистора VT1 и ухудшают коэффициент стабилизации схемы. Довольно часто встречаются радиолюбительские схемы стабилизаторов, в которых резистор Rк подключен напрямую ко входному контакту -Uвх. В результате этого, стабилизатор работает в качестве автоматического регулятора «среднего» выходного напряжения, и абсолютно не подавляет никакие пульсации сетевого напряжения.

Лучшим источником стабильного напряжения является гальванический элемент, но его использование в большинстве случаев – не оправдывает себя. В сложных устройствах с несколькими источниками стабилизированного питания часто для целей стабилизированного смещения одного более мощного стабилизатора используют выходное напряжение другого стабилизатора, но с меньшей нагрузкой.
      Наиболее простой способ – использовать дополнительный источник стабильного опорного напряжения, как показано на рисунке. Для исключения кратковременных скачков напряжения стабилизации, которые могут быть вызваны бросками входного напряжения, или сопротивления нагрузки, параллельно стабилитрону добавлен конденсатор С. Практически постоянно в радиолюбительской практике упускается важность этого источника опорного напряжения. В простейшем случае, как я писал, резистор Rк подключается напрямую к -Uвх, без всяких стабилитронов. Выбирать Вам – допускать пульсацию, или нет. Я думаю три дополнительных радиоэлемента – резистор, стабилитрон и конденсатор в этой схеме стабилизатора не помешают.

Расчёт стабилизатора постоянного напряжения компенсационного типа и практические советы конструкторам

Как и ранее, я не пишу сложные формулы радиолюбительских расчётов, которые отбивают желание вообще становиться радиолюбителями. Они мной применяются только тогда, когда их использование действительно необходимо. Кроме того, если Вы научитесь понимать их физический смысл, то Вы самостоятельно сможете применять их на практике для расчётов цепей.

      Расчёт стабилизированного блока питания мы будем проводить с использованием конкретной схемы, которую мы сначала изобразим, соблюдая правила построения схем, а потом рассчитаем на основе предъявляемых к ней требований.
      1. Прежде всего, обратите внимание, на то, что большинство блоков питания имеет минус на массе, поэтому мы так же выполняя условие – «минус на массе» изменим полярности диодов и конденсаторов, а кроме того — тип проводимости транзисторов с p-n-p на n-p-n.
      >2. Для повышения коэффициента стабилизации компенсационного стабилизатора в качестве регулирующего элемента мы будем использовать составной транзистор. Использование составного транзистора увеличивает коэффициент стабилизации на величину коэффициента усиления по току дополнительного транзистора, и на порядок увеличивает нагрузочную способность стабилизатора напряжения. Поэтому (см. схему) к ранее изученному стабилизатору, мы добавим этот транзистор VT3. Считаем, что каждый добавленный таким образом транзистор увеличивает нагрузочную способность в 10…20 раз, но не забываем, что основная часть мощности на него и «приложится». Поэтому чем мощнее транзистор, тем лучше.
      3. Ток через делитель Iдел состоящий из R1,R2,R3 выбирают обычно на порядок меньше (в 10 раз), чем ток, протекающий по цепи Rб, VD1. Увеличение или уменьшение тока делителя за счет снижения, или повышения сопротивлений R1,R2,R3 нецелесообразно, так как приводит к существенному уменьшению КПД, или чувствительности схемы к изменению выходного напряжения и его пульсациям.
      4. Резистор R2 предназначен для регулировки стабилизированного напряжения в небольших пределах. Пределы регулировок выходного напряжения такого стабилизатора ограничены параметрами стабилитрона – минимальным и максимальным током стабилизации. Как это выглядит практически, я затрону в процессе расчётов.
      5. Напряжение стабилизации дополнительного источника опорного напряжения, используемого для смещения транзистора регулирующего элемента должно не менее, чем в 1,5 раза превышать значение выходного напряжения стабилизатора. Иначе силовыми транзисторами VT2 и VT3 «нечем будет управлять» — напряжение на эмиттерах будет превышать базовое, и ни о какой стабилизации речи не будет.
      6. Предыдущее условие накладывает ограничения на нагрузочные способности стабилизатора потому, что разница входного и выходного напряжения стабилизатора помноженная на выходной ток, будет «падать» в виде рассеиваемой мощности на силовых транзисторах. Поэтому необходимо выбирать транзисторы способные выдерживать такую мощность – повторяется правило — чем мощнее транзистор, тем лучше. Но чем мощнее транзистор, тем меньше у него коэффициент передачи.

Расчёт

      Исходные данные (допустим, к разрабатываемому ИП предъявлены такие требования):
   — среднее выходное напряжение стабилизатора – 12 вольт;
   — максимальный ток нагрузки стабилизатора – 2 ампера;
   — используется трансформатор достаточной мощности, с выходным напряжением 25 вольт.

При расчётах сложных схем, обычно идут «с конца к началу», поэтому, предлагаю начать с расчёта схем опорного напряжения и сравнения.

1. Выберем стабилитрон измерительного моста Стабилитрон VD1 выбирается со значением напряжения стабилизации, равном половине выходного напряжения стабилизатора:

12в / 2 = 6 вольт.
При этом условии обеспечивается наилучшая стабилизация. Но стабилитрон на такое напряжение в рознице отсутствует, поэтому выбираем стабилитрон, максимально близкий по напряжению стабилизации – КС156А, у которого Uст = 5,6 вольт, Iст = 10 мА.

2. Найдём резистор Rб:
На резисторе падает напряжение:

URб = Uвых – Uст = 12в – 5,6в = 6,4в
Зная падение напряжения и ток стабилизации, по закону Ома определяем сопротивление резистора: Rб = URб / = 6,4в/0,01А = 640 Ом
Ближайшее значение сопротивления резистора по номинальному ряду — 620 Ом.

      Мощность резистора находим из условия РRб = URб * Iст * 2 = 6,4в * 0,01А * 2 = 0,128 Вт
      Если кто не знает, что в формуле обозначает цифра 2, поясню, это коэффициент запаса по мощности (чтобы резистор не грелся). Ближайшее наибольшее значение мощности резистора по номинальному ряду – 0,125 Вт.
      Таким образом, параметры Rб – 620 Ом на 0,125 Вт.

      3. Определим возможные значения выходного напряжения стабилизатора, при которых стабилизация происходит.
      Они ограничены предельными токами стабилитрона, стоящего в мостовой измерительной цепи.
   а) Определим минимальное (регулируемое) напряжение стабилизации: По справочнику минимальный ток стабилизации КС156А = 3 мА, при этом токе значение выходного напряжения стабилизатора составит:

Uвых.min = Uст + (Iст.min * Rб) = 5,6 в + (0,003 * 620) = 7,46 вольт
б) Определим максимальное (регулируемое) напряжение стабилизации:
По справочнику максимальный предельный ток стабилизации КС156А = 55 мА.

Это большой ток, при котором стабилитрон будет греться и нужны дополнительные меры защиты, поэтому ограничимся значением, в 2 раза превышающем номинальное — 20 мА. При этом токе значение выходного напряжения стабилизатора составит: Uвых.max = Uст + (Iст.max * Rб) = 5,6 в + (0,02 * 620) = 18 вольт
Поскольку мощность прикладываемая к резистору возросла, для того, чтобы резистор Rб не сгорел от большой прикладываемой мощности, его мощность следует увеличить до значения: РRб = URб * Iст * 2 = 12,4 в * 0,02 А * 2 = 0,5 Вт
Если Вы хотите, чтобы Ваш стабилизатор выдавал 18 вольт, то мощность резистора необходимо увеличить, но если Вы делаете стабилизатор на фиксированное напряжение (в данном случае 12 вольт), то этого можно не делать, удовлетворившись расчётом, приведённым в пункте 2.

      4. Рассчитаем делитель R1,R2,R3:
      Нам известно, что на стабилитроне КС156А падает – 5,6 вольта. А ещё мы знаем, что в режиме стабилизации, транзистор VT1 находится в «рабочей точке», это означает, что на его переходе база-эмиттер «падает» напряжение 0,65 вольта. А это в свою очередь означает, что на базе должно быть всегда 5,6 + 0,65 = 6,25 вольта относительно корпуса стабилизатора. База соединена с «ползунком» среднего регулировочного резистора, значит, это напряжение 6,25 вольта всегда присутствует на его «ползунке».
      Исходя из этого, можно составить, систему уравнений с тремя неизвестными, но это Вас только запутает, поэтому мы пойдем по более простому, но практичному пути.
      При максимальном напряжении стабилизации Uвых.max = 18 вольт, ползунок находится в нижнем по схеме положении, ток стабилизации Iст.max = 0,02 A, а ток делителя R1,R2,R3 в 10 раз меньше: Iцепи = 0,002 А , следовательно:

R3 = 6,25 / Iцепи = 6,25 / 0,002 = 3,125 кОм;
R1 + R2 = (Uвых.max — UR3) / Iцепи = 11,75 / 0,002 = 5,875 кОм.
      Суммарное сопротивление R1 + R2 + R3 = 5 875 + 3 125 = 9 кОм
      При минимальном напряжении стабилизации Uвых.min = 7,46 вольта, ток делителя будет: Iцепи = Uвых. min / (R1 + R2 + R3) = 7,46 / 9000 = 0,00083 А
      найдем значение R1 = (Uвых.min – 6,25) / Iцепи = (7,46 – 6,25) / 0,00083 = 1,46 кОм,
      отсюда значение R2 = 5,88 – 1,46 = 4,42 Ом,
      округлим значения резисторов до значений номинального ряда: R1 = 1,5 кОм, R2 = 4,3 кОм (переменный), R3 = 3 кОм

      5. Рассчитаем второй источник опорного напряжения и смещения VT2.
      В качестве стабилитрона выбираем Д816А, у которого Uст = 22 вольта, Iст = 10 мА.
      Найдём Rсм.
      Выходное напряжение трансформатора после выпрямления и сглаживания фильтром = 25 вольт, тогда Rсм = (Uтр. — Uст) / Iст = 25 – 22 / 0,01А = 300 Ом.
      Мощность резистора РRсм = URсм / Iст = 3 *0,01 = 0,03 Вт, ближайшая из номинального ряда — 0,125 Вт
      Для стабильной работы цепи опорного напряжения Rсм VD2, необходимо, чтобы Rк не оказывал на эту цепь шунтирующего действия. Поэтому ток Rк должен быть не менее, чем в 2 раза меньше тока стабилитрона. Кроме того, на нём падает разность между входным и выходным напряжением: URк = Uтр. — Uвых. = 25 – 12 = 13 вольт,

отсюда: Rк = URк / (Iст/2) = 13 / 0,005 = 2,7 кОм.

Мощность РRк = URк * Iст / 2 = 13 *0,005 = 0,0325 Вт, ближайший 0,125 Вт.

      6. Наконец дело дошло до транзисторов.
      В качестве VT1 подойдёт транзистор КТ315Г. Он удовлетворяет требованиям:
   — достаточно высокий коэффициент усиления (передачи) h31Э = 50…350;
   — допустимое напряжение коллектор-эмиттер – 35 вольт.
      В качестве VT2 подойдёт транзистор КТ815 с любым буквенным индексом. Коэффициент передачи h31Э = 40 – 70 , обеспечивает усиление тока резистора Rк с 5 мА до 250 мА;
      В качестве VT3 попробуем взять не то, что надо искать, а то, что есть — например КТ809А. Коэффициент передачи h31Э = 15…100 , что обеспечивает усиление тока с 250 мА до 3,7 А, но максимальный ток коллектора – 3 А это по справочнику – предел, нет «запаса прочности», поэтому ставим два транзистора в параллель. При выходном напряжении = 12 вольт и токе 2 ампера, на них должно падать 13 вольт, таким образом, общая мощность рассеивания транзисторов: РVT3 = UVT3 * I VT3 = 2 * 13 = 26 Вт.
      Это вполне приемлемое значение. Для выравнивания мощностей на транзисторах придётся использовать два резистора в эмитерных цепях выходных транзисторов. 0,05…1 Ом с мощностью по 2 Вт.

7. Остался один резистор Rэ. Rэ = 0,65 / 2 * 50 = 16 Ом,
где 0,65 – падение на переходе база-эмиттер, 2 – номинальный ток нагрузки = 2 ампер), 50 — усреднённое значение коэффициента передачи транзистора.

Итак, рисуем схему нашего стабилизатора Дополнения к статье
1. При выборе стабилитронов возможно последовательное их соединение, например два КС156А (по 5,6 вольта) можно соединить последовательно для получения стабилитрона на напряжение стабилизации 11,2 вольта;
2. Для возможности регулировки выходного напряжения в более широких пределах цепочку источника опорного напряжения R3, VD6 (см.

схему) подключают не к выходу, а на вход стабилизатора с применением цепей сглаживания (по аналогии с R1, VD5 и С2). Естественно, необходимо пересчитать резистор R3. В результате этого, входное напряжение ИОН не зависит от выходного напряжения, поэтому ток стабилизации номинальный и постоянен. Другой вариант расширения диапазона стабилизируемых напряжений — использование в качестве одного резистора Rб – галентного переключателя с несколькими резисторами;
      3. Для повышения нагрузочных свойств стабилизатора, и как следствие повышения надёжности рекомендую вместо двух КТ809А поставить один составной КТ827А без резисторов R4 – R6.
      4. Никогда не брезгуйте рассчитать мощность резисторов, иначе это может Вам выйти кучей сгоревших дорогих элементов;
      5. В приведённой схеме стабилизатора имеется защита по первичной обмотке трансформатора, а во вторичных цепях защита отсутствует. В простейшем случае поставьте на выходе стабилизатора двух-трехватный предохранитель, но лучше сделать более интеллектуальную схему защиты

Расчет компенсационных стабилизаторов напряжения | reshebniki-online.

com

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 2

1. Обзор и анализ источников питания 3

2. Выбор и анализ структурной схемы 4

3. Разработка принципиальной электрической схемы 6

4. Расчет схемы электрической принципиальной 7

4.1 Исходные данные для расчета 7

4.2 Расчет схемы компенсационного стабилизатора 7

4.3 Расчет схемы защиты КСН от перегрузок 15

4.4 Разработка схемы КСН на базе ИМС 17

5. Анализ и оценка ошибок 20

6. Вывод 22

7. Список литературы 23

Приложение 1. Схема электрическая принципиальная

на базе дискретных элементов 24

Приложение 2. Схема электрическая принципиальная

на базе ИМС 26

Приложение 3. ВАХ транзистора КТ827 28

Приложение 4. ВАХ транзистора КТ603 29

Приложение 5. ВАХ транзистора КТ312 30

Приложение 6. Влияние разброса параметров

электронных компонентов 31

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день появляются все более сложные электронные системы, использующие в качестве элементной базы новейшие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы с высокой степенью интеграции.

Успешное развитие науки и техники в рамках жестокой конкуренции во многом обусловлено успехами электроники. Трудно себе представить какую-либо отрасль производства, в которой бы в той или иной степени не использовались электронные приборы или электронные устройства автоматики.

Неотъемлемой частью многих радиоэлектронных и электронных устройств являются стабилизаторы постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как высокостабильные источники питания, обеспечивающие необходимую надежность работы, в других — не только как источники питания, но и как источники эталонного (образцового) напряжения. Образцовое напряжение необходимо во многих системах авторегулирования и телеметрии, измерительных схемах, схемах преобразования непрерывных величин в дискретную форму, в схемах электрического моделирования.

Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности.

Полупроводниковые стабилизаторы могут также использоваться в замен аккумуляторных и сухих батарей в измерительных и поверочных лабораториях.

Наиболее характерной чертой дальнейшего научно-технического прогресса в нашей стране является переход к полностью автоматизированному производству на базе использования электронной техники.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Основным источником питания электронных устройств в настоящее время являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным. Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств. Основным причинами нестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающие автоматически и с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Не смотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении (сглаживающих фильтров) нагрузки выпрямителя может изменяться. Это объясняется тем, что сглаживание пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки.

Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный.

Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения.

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины входного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.

2. ВЫБОР И АНАЛИЗ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения бывают последовательного и параллельного типов [1].

Рис. 2.1

Рис.2.2.

Различие приведенных схем состоит в следующем. В последовательных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе возрастает при увеличении напряжения на нагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузки. В параллельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входного напряжения, а ток находится в прямой зависимости от напряжения на нагрузке.

Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко. Для стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках обычно применяются стабилизаторы напряжения последовательного типа. Их недостатком является то, что при коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу будет приложено все входное напряжение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

Основными параметрами, характеризирующими стабилизатор, являются:

1. Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора.

K_сти = D U_вх / U_вх : D U_вых / U_вых ,

где: U_вх и U_вых — номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора.

D U_вх и D U_вых — 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.

R_вых = D U_вых / D I_вых , при U_вх = const.

3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

h = U_вых ´ I_вых / U_вх ´ I_вх .

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. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

В соответствии с выбранной структурной схемой (рис. 2.1) составляем приблизительную схему компенсационного стабилизатора напряжения. После проведения расчета, данная схема будет доработана. Только после полного расчета режимов работы и выбора элементов можно составить окончательный вариант схемы электрической принципиальной компенсационного стабилизатора напряжения.

Рис. 3.1.

Данная схема состоит из регулирующего элемента, источника опорного напряжения и усилителя обратной связи. Роль регулирующего элемента играет комплиментарный транзистор (состоит из 2^х транзисторов VT2 и VT3). Источник опорного напряжения – VD1R1,R2VT1. Усилитель обратной связи – R4VD2VT4,R5R6R7.

4. РАСЧЕТ СХЕМЫ ЕЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

4.1 Исходные данные для расчета

Номинальное выходное напряжение U _н , В	15
Номинальный ток нагрузки І_н , А	5
Коэффициент пульсаций К_п , %	0,01
Коэффициент стабилизации К_ст	100
Температура окружающей среды t _ср , ° С	+20
Климатические условия	норм.

4.2 Расчет схемы компенсационного стабилизатора

Порядок расчетов приводится в соответствии с методикой приведенной в [2] .

Согласно схеме (рис 3.1) находим наименьшее напряжение на выходе стабилизатора:

U _вх _min = U _н + U _кз _min = 15 + 3 = 18 B , (4.1)

где U _кз _min – минимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT3 .

Исходя из того, что VT3 предположительно кремневый, то U _кз _min выбираем в пределе 3..5 В.

Учитывая нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора ± 10%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

U _{вх сер} = U _вх _min / 0. 9 = 18 / 0.9 = 20 В , (4.2)

U _вх _max = 1.1 ´ U _{вх сер} = 1.1 ´ 20 = 22 В . (4.3)

Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе

U _к3 _max = U _вх _max — U _н = 22 – 15 = 7 В . (4.4)

Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT3 , равняется

Р₃ = U _к3 _max ´ I _н = 7 ´ 5 = 35 Вт. (4.5)

По полученным значениям U _к3 _max , I _н , Р₃ выбираем тип регулирующего транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	2Т827В
Тип транзистора	NPN
Допустимый ток коллектора, I _{к доп}	20 А
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, U _{к доп}	100 В
Рассеиваемая мощность коллектора, P _пред	125 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h _21Э3 _min	750

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h _11Э3 = 33.0 Ом ,

m ₃ = 1 / h _12Э3 = 1 / 0.23 = 4.20 ,

где h _11Э3 – входное сопротивление транзистора, Ом; m ₃ – коэффициент передачи напряжения; h _12Э3 – коэффициент обратной связи.

Находим ток базы транзистора VT3

I _Б3 = I _н / h _21Э3 _min = 5 / 750 = 6. 67 ´ 10^-3 А . (4.6)

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT2 . Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер VT2

U _к2 _max = U _к3 _max — U_бэ3 = 7 – 0.7 = 6.3 В , (4.7)

где U_бэ3 – падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3 (0.7 В).

Ток коллектора VT2 состоит из тока базы VT3 и тока потерь, который протекает через резистор R3 ,

I _к2 = I _б3 + I_R ₃ = 5 ´ 10^-4 + 6.7 ´ 10^-3 = 7.2 ´ 10^-3 А. (4.8)

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT2 , равняется

Р₂ = I _к2 ´ U _к2 _max = 7. 2 ´ 10^-3 ´ 6.3 = 45.2 ´ 10^-3 Вт. (4.9)

По полученным значениям U _к2 _max , I _к2 , Р₂ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	2Т603Б
Тип транзистора	NPN
Допустимый ток коллектора, I _{к доп}	300 мА
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, U _{к доп}	30 В
Рассеиваемая мощность коллектора, P _пред	0.5 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h _21Э2 _min	60

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h _11Э2 = 36. 36 Ом ,

m ₃ = 1 / h _12Э2 = 1 / 0.022 = 45.45 .

Рассчитываем ток базы VT2

I _Б2 = I _к2 / h _21Э2 _min = 7.2 ´ 10^-3 / 60 = 1.2 ´ 10^-4 А. (4.10)

Находим сопротивление резистора R3

R3 = (U _н + U _бэ3 ) / I_R3 = (15 + 0.7) / 5 ´ 10^-4 =31400 Ом. (4.11)

Выбираем ближайший по стандарту номинал с учетом рассеиваемой на резисторе мощности

Р _R3 = (U _н + U _бэ3 ) ´ I_R3 = (15 + 0.7) ´ 5 ´ 10^-4 = 7.85 ´ 10^-3 Вт. (4.12)

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 33 кОм ± 5%.

Источником эталонного напряжения берем параметрический стабилизатор напряжения на кремневом стабилитроне VD2 из расчета

U_VD2 = 0.7 U _н = 0.7 ´ 15 = 13.5 В. (4.13)

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон 2С213Б;

I _VD2 = 5 ´ 10^-3 А – средний ток стабилизации;

r _VD2 = 25 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Вычисляем сопротивление резистора R4 , задавши средний ток стабилитрона ( I _R4 = I _VD2 )

R4 = 0.3 U _н / I _R4 = 0.3 ´ 15 / 5 ´ 10^-3 = 900 Ом. (4.14)

Мощность, рассеиваемая на резисторе R4 , равняется

Р _R4 =0.3U _н ´ I _R4 = 0.3 ´ 15 ´ 5 ´ 10^-3 = 22.5 ´ 10^-3 Вт. (4.15)

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 910 Ом ± 5%.

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT4 . Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер транзистора

U _к4 _max = U _н + U _бэ3 + U _бэ2 — U_VD2 = 2.90 В (4.16)

Задаем ток коллектора VT4 меньшим нежили средний стабилитрона VD2

I _К4 = 4 ´ 10^-3 А .

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT4

Р₂ = I _к ₄ ´ U _к ₄ _max = 4 ´ 10^-3 ´ 2. 90 = 11.6 ´ 10^-3 Вт (4.17)

По полученным значениям U _к ₄ _max , I _к ₄ , Р ₄ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ312В
Тип транзистора	NPN
Допустимый ток коллектора, I _{к доп}	30 мА
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, U _{к доп}	15 В
Рассеиваемая мощность коллектора, P _пред	0.22 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h _21Э4 _min	50

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h _11Э4 = 208,3 Ом ,

m ₃ = 1 / h _12Э4 = 1 / 0. 034 = 29.41

Рассчитываем ток базы VT4

I _Б4 = I _к4 / h _21Э4 _min = 4 ´ 10^-3 / 50 = 8 ´ 10^-5 А. (4.18)

Ток последовательно соединенных резисторов R5, R6, R7 берем равным 5 I _б4 и определяем суммарное сопротивление делителя

R _дел = U _н / I _дел = 15 / (5 ´ 8 ´ 10^-5 ) = 37500 Ом. (4.19)

Находим сопротивления резисторов:

R5 = 0.3 R _дел = 0.3 ´ 37500 = 11250 Ом;

R6 = 0.1 R _дел = 0.1 ´ 37500 = 3750 Ом;

R7 = 0.6 R _дел = 0. 6 ´ 37500 = 22500 Ом. (4.20)

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

U_VD1 = 0.1 U _вх _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 U _вх _max / I _R1 = 0.9 ´ 22 / 5 ´ 10^-3 = 3960 Ом. (4.22)

Мощность, рассеиваемая на резисторе R1 , равняется

R1 = 0.9U _вх _max ´ I _R1 = 0.9 ´ 22 ´ 5 ´ 10^-3 = 99 ´ 10^-3 Вт (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

I _к1 = I _к4 + I _б2 = 4 ´ 10^-3 + 12 ´ 10^-5 =412 ´ 10^-5 (4.24)

Находим напряжение коллектор-эмиттер VT1

U _к _1max = U _вх _max — U_R2 + U _к _4max — U_VD2 = 4. 1 В, (4.25)

где U_R2 = U_VD1 — U_бэ1 – падение напряжения на резисторе R2.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистор a VT1

Р₁ = U _к _1max ´ I _к1 = 4.1 ´ 412 ´ 10^-5 = 16 ´ 10^-3 Вт. (4.26)

По полученным значениям U _к1 _max , I _к1 , Р₁ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ313Б
Тип транзистора	РNP
Допустимый ток коллектора, I _{к доп}	350 мА
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, U _{к доп}	30 В
Рассеиваемая мощность коллектора, P _пред	0.30 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h _21Э1 _min	50

Рассчитываем сопротивление резистора R2

R2 = U_R2 / I _К1 = 1.5 / 412 ´ 10^-5 = 364 Ом, (4.27)

Р _R2 = U_R2 ´ I _К1 = 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

h₁₁ _{Э ск} = h₁₁ _Э2 + h₁₁ _Э3 h₂₁ _Э2 _min = 36. 36 + 33 ´ 60 =2016 Ом; (4.29)

коэффициент передачи напряжения транзистора

m _ск = m ₂ m ₃ / ( m ₂ + m ₃ ) = 45.4 ´ 4.2 / (45.4 + 4.2)=3.84 ; (4.30)

выходное сопротивление транзистора

r _ск = m _ск h₁₁ _{Э ск} / h₂₁ _Э2 _min h₂₁ _Э3 _min = 0.1723 Ом. (4.31)

Рассчитываем входное сопротивление источника стабильного тока

R_TD = R1 ´ R2 / r _VD1 = 3900 ´ 360 / 15 = 57024 Ом. (4.32)

Рассчитываем параметры усилителя обратной связи:

сопротивление нагрузки усилителя

R _К = h₁₁ _{Э ск} R_TD / (h₁₁ _{Э ск} + R_TD ) = 1947. 49 Ом; (4.33)

коэффициент усиления напряжения усилителя

К _u = 0.7 h₂₁ _Э _4min R _К / (h₁₁ _Э ₄ + h₂₁ _Э _4min r _VD2 ) = 71.13 . (4.34)

Рассчитываем коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора напряжения, а также величину пульсаций на выходе

К_ст = m _ск К _u U _н / U _вх = 3.845 ´ 71.13 ´ 15 / 22 = 186.4, (4.35)

D U _вих = D U _вх / m _ск К _u = 4 / 3.845 ´ 71.13 = 12 ´ 10^-4 , (4. 36)

Рассчитываем коэффициент пульсаций

К_п = D U _вих ´ 100 / U _вх = 12 ´ 10^-4 ´ 100 / 15 = 8 ´ 10^-3 %. (4.37)

Выходное сопротивление компенсационного стабилизатора будет

R _вых = r _ск / m _ск К _u = 0.17 / 3.845 ´ 71.13 = 63 ´ 10^-5 Ом. (4.38)

Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:

К_ст = 186.4 > К_ст.зад = 100;

К_п = 8 ´ 10^-3 % < К_п.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 I _н .

I _н _max = 1.1 I _н = 1.1 ´ 5 = 5.5 А.

Рассчитываем сопротивление R8 в соответствии с методикой изложенной в [3] :

R8 = U _бе5 / I _н _max = 0.7 / 5.5 = 0.127 Ом. (4.39)

Рассчитываем мощность проволочного резистора

Р _R8 = U _бе5 ´ I _н _max = 0.7 ´ 5.5 = 3.85 Вт. (4.40)

Выбираем транзистор VT5 из условия I _к ₅ = I _б3 ;

U _к5 _max =U _бэ3 + R8 ´ I _н _max = 0.7 + 0.127 ´ 5.5 =1.4 B; (4.41)

P ₅ = U _к5 _max ´ I _б3 = 1. 4 ´ 6.7 ´ 10^-3 = 9.38 ´ 10^-3 Вт. (4.42)

По полученным значениям U _к ₅ _max , I _к ₅ , Р ₅ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ315А
Тип транзистора	NPN
Допустимый ток коллектора, I _{к доп}	100 мА
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, U _{к доп}	20 В
Рассеиваемая мощность коллектора, P _пред	0.15 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h _21Э5 _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

U_VD1 = 0 .9 U _вых = 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 = 0.9U_вых / I _VD1 = 0.9 ´ 15 / 45 ´ 10^-3 = 300 Ом. (4.44)

Р _R1 = 0.9U_вых ´ 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 = U_VD1 / ( 3 ´ I_п ) = 13.5 / ( 3 ´ 5 ´ 10^-3 ) = 900 Ом, (4.46)

где I_п – 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)

Р _R2 = ( 3 ´ I_п )² ´ R2 = 600 ´ 225 ´ 10^-6 = 135 ´ 10^-3 Вт, (4.49)

Р _R3 = ( 3 ´ I_п )² ´ R3 = 3 00 ´ 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.

2.2 Расчет стабилизатора второго канала, выбор стабилитрона и транзистора. Проектирование однофазного стабилизированного источника питания

Расчет компенсационных стабилизаторов напряжения реферат по радиоэлектронике

СОДЕРЖАНИЕ Введение 2 1. Обзор и анализ источников питания 3 2. Выбор и анализ структурной схемы 4 3. Разработка принципиальной электрической схемы 6 4. Расчет схемы электрической принципиальной 7 4.1 Исходные данные для расчета 7 4.2 Расчет схемы компенсационного стабилизатора 7 4.3 Расчет схемы защиты КСН от перегрузок 15 4.4 Разработка схемы КСН на базе ИМС 17 5. Анализ и оценка ошибок 20 6. Вывод 22 7. Список литературы 23 Приложение 1. Схема электрическая принципиальная на базе дискретных элементов 24 Приложение 2. Схема электрическая принципиальная на базе ИМС 26 Приложение 3. ВАХ транзистора КТ827 28 Приложение 4. ВАХ транзистора КТ603 29 Приложение 5. ВАХ транзистора КТ312 30 Приложение 6. Влияние разброса параметров электронных компонентов 31 ВВЕДЕНИЕ На сегодняшний день появляются все более сложные электронные системы, использующие в качестве элементной базы новейшие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы с высокой степенью интеграции. Успешное развитие науки и техники в рамках жестокой конкуренции во многом обусловлено успехами электроники. Трудно себе представить какую-либо отрасль производства, в которой бы в той или иной степени не использовались электронные приборы или электронные устройства автоматики. Неотъемлемой частью многих радиоэлектронных и электронных устройств являются стабилизаторы постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как высокостабильные источники питания, обеспечивающие необходимую надежность работы, в других — не только как источники питания, но и как источники эталонного (образцового) напряжения. Образцовое напряжение необходимо во многих системах авторегулирования и телеметрии, измерительных схемах, схемах преобразования непрерывных величин в дискретную форму, в схемах электрического моделирования. Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности. Полупроводниковые стабилизаторы могут также использоваться в замен аккумуляторных и сухих батарей в измерительных и поверочных лабораториях. Наиболее характерной чертой дальнейшего научно- технического прогресса в нашей стране является переход к полностью автоматизированному производству на базе использования электронной техники. стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках обычно применяются стабилизаторы напряжения последовательного типа. Их недостатком является то, что при коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу будет приложено все входное напряжение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора. Основными параметрами, характеризирующими стабилизатор, являются: 1. Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора. Kсти = F 04 4Uвх / Uвх : F 04 4Uвых / Uвых , где: Uвх и Uвых — номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора. F 0 4 4Uвх и F 0 4 4Uвых — 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 = F 04 4Uвых / F 04 4Iвых , при Uвх = const. 3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности. F 0 6 8 = Uвых F 0B 4 Iвых / Uвх F 0B 4 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. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ В соответствии с выбранной структурной схемой (рис. 2.1) составляем приблизительную схему компенсационного стабилизатора напряжения. После проведения расчета, данная схема будет доработана. Только после полного расчета режимов работы и выбора элементов можно составить окончательный вариант схемы электрической принципиальной компенсационного стабилизатора напряжения. Рис. 3.1. Данная схема состоит из регулирующего элемента, источника опорного напряжения и усилителя обратной связи. Роль регулирующего элемента играет комплиментарный транзистор (состоит из 2х транзисторов VT2 и VT3). Источник опорного напряжения – VD1R1,R2VT1. Усилитель обратной связи – R4VD2VT4,R5R6R7. 4. РАСЧЕТ СХЕМЫ ЕЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ 4.1. Исходные данные для расчета Номинальное выходное напряжение Uн , В 15 Номинальный ток нагрузки Ін , А 5 Коэффициент пульсаций Кп , % 0,01 Коэффициент стабилизации Кст 100 Температура окружающей среды tср , F 0B 0С +20 Климатические условия норм. 4.2. Расчет схемы компенсационного стабилизатора Порядок расчетов приводится в соответствии с методикой приведенной в [2]. Согласно схеме (рис 3.1) находим наименьшее напряжение на выходе стабилизатора: U вх min = Uн + Uкз min = 15 + 3 = 18 B, (4.1) где Uкз min – минимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT3. Исходя из того, что VT3 предположительно кремневый, то Uкз min выбираем в пределе 3..5 В. Учитывая нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора F 0B 1 0%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора: U вх сер = U вх min / 0.9 = 18 / 0.9 = 20 В , (4.2) U вх max = 1.1 F 0 B 4 U вх сер = 1.1 F 0 B 4 20 = 22 В . (4.3) Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе U к3 max = U вх max — Uн = 22 – 15 = 7 В . (4.4) Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT3, равняется Р3 = Uк3 max F 0B 4 Iн = 7 F 0B 4 5 = 35 Вт. (4.5) По полученным значениям Uк3 max , Iн , Р3 выбираем тип регулирующего транзистора и выписываем его параметры: Марка транзистора 2Т827В Тип транзистора NPN Допустимый ток коллектора, Iк доп 20 А Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк доп 100 В Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред 125 Вт Минимальный коэф. передачи тока базы, h31Э3 min 750 Вычисляем сопротивление резистора R4, задавши средний ток стабилитрона (I R4 = I VD2) R4 = 0.3 Uн / I R4 = 0.3 F 0B 4 15 / 5 F 0B 410-3 = 900 Ом. (4.14) Мощность, рассеиваемая на резисторе R4, равняется РR4 =0.3Uн F 0B 4 I R4 = 0.3 F 0B 415 F 0B 4 5 F 0B 410-3 = 22.5 F 0B 410-3 Вт. (4.15) В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 910 Ом F 0B 15%. Определяем начальные данные для выбора транзистора VT4. Рассчитываем напряжение коллектор- эмиттер транзистора Uк4max = Uн + Uбэ3 + Uбэ2 — UVD2 = 2.90 В (4.16) Задаем ток коллектора VT4 меньшим нежили средний стабилитронаVD2 I К4 = 4 F 0 B 410-3 А . Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT4 Р2 = Iк4 F 0B 4 Uк4 max = 4 F 0B 410-3 F 0B 4 2.90 = 11.6 F 0B 410-3 Вт (4.17) По полученным значениям Uк4 max , Iк4 , Р4 выбираем тип транзистора и выписываем его параметры: Марка транзистора КТ312В Тип транзистора NPN Допустимый ток коллектора, Iк доп 30 мА Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк доп 15 В Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред 0.22 Вт Минимальный коэф. передачи тока базы, h31Э4 min 50 По статическим ВАХ выбранного транзистора находим: h21Э4 = 208,3 Ом , F0 6D3 = 1 / h22Э4 = 1 / 0.034 = 29.41 Рассчитываем ток базы VT4 IБ4 = Iк4 / h31Э4 min = 4 F 0 B 410-3 / 50 = 8 F 0B 410-5 А. (4.18) Ток последовательно соединенных резисторов R5, R6, R7 берем равным 5Iб4 и определяем суммарное сопротивление делителя Rдел = Uн / I 0 0 1 Fдел = 15 / (5 F 0 B 4 8 F 0B 410-5) = 37500 Ом. (4.19) Находим сопротивления резисторов: R5 = 0.3 Rдел = 0.3 F 0 B 4 37500 = 11250 Ом; R6 = 0.1 Rдел = 0.1 F 0B 4 37500 = 3750 Ом; R7 = 0.6 Rдел = 0.6 F 0B 4 37500 = 22500 Ом. (4.20) В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор R5 типа МЛТ- 0.125 11 кОм F 0B 15%, резистор R7 типа МЛТ- 0.125 22кОм F 0B 15% . Резистор R6 выбираем СП3-44 0.25Вт 3.3кОм. Рабочее напряжение стабилитрона VD1 определяем из соотношения UVD1 = 0.1 Uвх max = 0.1 F 0B 4 22 = 2.2 В. (4.21) Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры: стабилитрон 2С119А; I VD1 = 5 F 0B 410-3 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 F 0B 4 22 / 5 F 0B 410-3 = 3960 Ом. (4.22) Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, равняется R1 = 0.9Uвх max F 0 B 4 I R1 = 0.9 F 0 B 4 22 F 0B 4 5 F 0B 410-3 = 99 F 0B 410-3Вт (4.23) В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 3.9 кОм F 0B 15%. Определяем начальные данные для выбора транзистора VT1. Рассчитываем ток коллектора транзистора VT1 Iк1 = Iк4 + Iб2 = 4 F 0 B 410-3 + 12 F 0B 410-5 =412 F 0B 410-5 (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 F 0B 4 Iк1 = 4.1 F 0B 4 412 F 0B 410-5 = 16 F 0B 410-3 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, h31Э1 min 50 Рассчитываем сопротивление резистора R2 R2 = UR2 / IК1 = 1.5 / 412 F 0B 410-5 = 364 Ом, (4.27) РR2 = UR2 F 0B 4 IК1 = 1.5 F 0B 4 412 F 0B 410-5 = 618 F 0B 410-5 Вт. (4.28) В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 360 Ом F 0B 15%. 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 F 0B 4 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 F 0B 4 Iн max = 0.7 F 0B 4 5.5 = 3.85 Вт. (4.40) Выбираем транзистор VT5 из условия Iк5 = Iб3 ; Uк5 max =Uбэ3 + R8 F 0B 4Iн max = 0.7 + 0.127 F 0B 4 5.5 =1.4 B; (4.41) P5 = Uк5 max F 0B 4 Iб3 = 1.4 F 0B 4 6.7 F 0B 410-3 = 9.38 F 0B 410-3 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, h31Э5 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, ВМаксималь входное апряжение, ВМиним ль входно напряжение, ВМаксимальный выход ой ток, АМаксимальная рассеиваемая мощность, ВтПредельно допусти ая темпера ура, F 0 B 0С Нестабильнос ь по ток , % К142ЕН1 А 1 2 2 0 9 0 .15 0 .8 0. 5 К142ЕН1 Б 1 2 2 0 9 0 .15 0 .8 0. 2 К142ЕН1 В 1 2 2 0 9 0 .15 0 .8 2 К142ЕН2 А 3 0 4 0 2 0 0 .15 0 .8 0. 5 К142ЕН2 Б 3 0 4 0 2 0 0 .15 0 .8 0. 2 К142ЕН2 Б 3 0 4 0 2 0 0 .15 0 .8 2 К403ЕН1 А 5 2 1 0 1 К403ЕН1 Б 5 2 1 0 5 К403ЕН2 А 6 2 1 0 1 К403ЕН2 Б 6 2 1 0 5 К403ЕН3 А 9 2 1 0 1 К403ЕН3 Б 9 2 1 0 5 К403ЕН4 А 1 2 2 1 0 1 К403ЕН5 А 1 5 1 .5 8 .5 1 К403ЕН5 Б 1 5 1 .5 8 .5 5 К403ЕН7 А 2 7 1 6 1 SD1083 1 2 4 0 7 .5 5 0 1 70 0. 7 SD1084 1 5 4 0 5 2 5 1 70 0. 7 SD1085 2 0 4 0 3 1 5 1 70 0. 7 LAS1520 2 0 4 0 1 .5 6 1 50 0. 6 В качестве интегрального стабилизатора напряжения выбираем ИМС серии SD 1084. Составляем схему стабилизатора (рис. 4.2). 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 / F0 6C = 1 / 0.81 F 0B 410-6 = 123456.79 час, (5.1) где F06C — 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.

У меня к вам вопрос.

Мощность и тепловыделение

По мере роста объема и сложности вашего встроенного проекта потребление энергии становится все более очевидной проблемой. По мере увеличения энергопотребления такие компоненты, как линейные регуляторы напряжения, могут нагреваться во время нормальной работы. Небольшой нагрев — это нормально, однако, когда становится слишком жарко, производительность линейного регулятора ухудшается.

Сколько — это много?

Хорошее практическое правило для регуляторов напряжения: если внешний корпус становится неудобным на ощупь, то деталь должна иметь эффективный способ передачи тепла другой среде.Хороший способ сделать это — добавить радиатор, как показано ниже.

Радиатор, прикрепленный к линейному регулятору напряжения на блоке питания макетной платы.

Радиатор часто представляет собой просто большой кусок металла, который помогает отводить тепло от детали под нагрузкой. За счет увеличения площади поверхности радиатора большее количество тепла передается более холодному воздуху, тем самым охлаждая деталь более эффективно. Вот почему вы видите «ребра» на некоторых радиаторах, как показано на рисунке выше.

Если вы используете радиатор, рекомендуется добавить радиатор или термоленту в зону физического контакта между регулятором напряжения и радиатором. Компаунд для радиатора или лента обеспечивает надлежащую передачу тепла от регулятора напряжения к радиатору. На картинке выше вы можете увидеть белый теплоотвод. Помните, что вам нужно совсем немного!

В вашем макете также можно использовать медные пластины в качестве радиаторов.

Иногда медные заливки на печатных платах используются в качестве радиаторов.На приведенном выше рисунке микросхема для зарядки LiPo-аккумулятора MCP73831 должна рассеивать тепло на печатной плате. Серые области — это медные плоскости, а черные точки — переходные отверстия (медные отверстия в нижнем слое). Вся эта медь составляет большую площадь излучающей тепловой массы, которая будет эффективно рассеивать тепло в наружный воздух.

Почему греется регулятор напряжения?

В этом кратком обсуждении мы поговорим о линейных регуляторах (по сравнению с SMPS).Эффективность линейного регулятора зависит от разницы между входным и выходным напряжениями и от величины тока, потребляемого вашей схемой. Чем больше разница между входным и выходным напряжением или больше ток, тем больше тепла будет рассеиваться регулятором. Это означает, что линейные регуляторы мощности не очень эффективны при регулировании напряжения, поскольку так много энергии теряется в виде тепла! Импульсные источники питания (SMPS) намного более эффективны и становятся все более распространенными, однако их трудно использовать, поскольку они иногда чувствительны к генерации шума при неправильном использовании.

Мы можем рассчитать среднее количество мощности, рассеиваемой регулятором, которое напрямую связано с теплом, выделяемым регулятором.

Чтобы рассчитать мощность, используемую регулятором в приведенной выше схеме, нам необходимо знать:

Vin, напряжение на входе регулятора.
Vout, выход регулятора и напряжение, которое используется для питания внешних устройств.
I, максимальное количество тока, которое может потреблять система.Для надежной оценки сложите указанный (RTFM) максимальный ток, потребляемый всеми устройствами (MCU, GPS, светодиоды и т. Д.).

Теперь мы можем использовать уравнение мощности и подставить три значения для расчета мощности, используемой регулятором.

ПРИМЕР 1

Сколько мощности потребляет регулятор на картинке выше? Вот данные значения:

Вин. Допустим, мы используем полностью заряженный аккумулятор на 9 В.
Vout. В нашем примере это 5 В.
I. Предположим, что максимальный ток, потребляемый всеми устройствами, составляет 2,5 А.

Используйте уравнение мощности:

Power = мощность в ваттах
V = напряжение в вольтах
I = ток в амперах

10 Вт — это много энергии, которую нужно рассеять через небольшой электронный компонент! Вот почему может потребоваться использование радиаторов с линейными регуляторами напряжения.

Важный момент, о котором следует помнить: наш расчет можно рассматривать как пиковую мощность, рассеиваемую регулятором, потому что в действительности система не потребляет 2,5 А непрерывно. Модули MCU, GPS и CELL обычно пульсируют током, который в среднем достигает гораздо меньшего значения. Но всегда полезно принимать значения наихудшего сценария!

Внешний проходной транзистор

снижает падение напряжения V

Для линейных регуляторов падение напряжения (V _IN — V _OUT) измеряется при минимальном входном напряжении, при котором поддерживается регулирование.Низкое падение напряжения означает более длительный срок службы батареи, поскольку цепь нагрузки продолжает работать, пока батарея разряжается до более низкого напряжения на клеммах. На рис. 1 показан внешний транзистор, который помогает сформировать схему линейного регулятора, падение напряжения которой при токе нагрузки 100 мА составляет всего 10 мВ. (ИС линейного регулятора с малым падением напряжения сама по себе имеет падение напряжения 100 мВ при этом токе нагрузки.) Внешний транзистор также увеличивает максимально доступный ток нагрузки до 1 А.

Рис. 1. Необычные соединения позволяют этой ИС линейного стабилизатора регулировать базовый ток транзистора, образуя общий линейный стабилизатор с гораздо меньшим падением напряжения.
Неортодоксальные соединения позволяют ИС управлять Q1. Подключение контакта 3 к базе транзистора позволяет току базы протекать через внутренний переключающий полевой МОП-транзистор, через контакт 4 и через R2 на землю. Затем полевой МОП-транзистор регулирует V _OUT, управляя базовым током Q1. Поскольку C2 устанавливает доминирующий полюс, который стабилизирует контур, он должен быть керамическим или другим конденсатором с низким ESR. C2 улучшает запас по фазе, формируя комбинацию полюс-ноль, которая увеличивает фазу при кроссовере.
Q1 насыщается, когда напряжение батареи падает настолько низко, что V _OUT выходит за пределы регулирования, а R2 ограничивает базовый ток для этого состояния примерно до 10 мА. Напряжение коллектор-эмиттер Q1 при насыщении, которое составляет 10 мВ при базовом токе 10 мА и токе коллектора 100 мА, устанавливает напряжение падения для этих условий. Измеренное падение напряжения зависит от тока нагрузки (, рис. 2, ).

Рис. 2. Падение напряжения для схемы на Рис. 1 изменяется (почти) линейно с током нагрузки.
Эта схема выдает до 1 А при 3,3 В. Вы можете отрегулировать выходной сигнал с 5,5 В до 1,25 В с помощью формулы V _OUT = 1,25 [1 + (R3 / R4)], с соответствующими изменениями значения R2, используя формулу R2 = (V _{IN (MIN )} — 0,7 В) / 10 мА. Компоненты небольшого размера (IC1 помещается в корпус SOT23) позволяют всей схеме занимать менее 0,24 дюйма² площади платы.
©, Maxim Integrated Products, Inc.
Содержимое этой веб-страницы защищено законами об авторских правах США и зарубежных стран.Для запросов на копирование этого контента свяжитесь с нами.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1853:
ПРИМЕЧАНИЕ ПО ПРИМЕНЕНИЮ 1853 г., AN1853, AN 1853, APP1853, Appnote1853, Appnote 1853 г.
maxim_web: en / products / power, maxim_web: en / products / power / linear-Regators
maxim_web: en / products / power, maxim_web: en / products / power / linear-Regators
Регуляторы серии
, март 1969 г. Electronics World
Март 1969 г. Мир электроники
Оглавление
Воск, ностальгирующий по истории ранней электроники.См. Статьи с Electronics World , опубликовано в мае 1959 г. — Декабрь 1971 г. Все авторские права подтверждаются.
Линейный последовательный регулятор напряжения представляет собой настолько простую схему, которую вы можете придумать, которая обеспечит разумную степень последовательности. С помощью всего лишь стабилитрона, транзистора и резистора смещения. Количество мелких деталей не учитывает температурную компенсацию, переменное выходное напряжение регулировка, максимальная токовая защита и т. д., но в большинстве случаев он выполняет свою работу. Недостаток линейного последовательного регулятора напряжения в том, что чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем больше неэффективность. Это потому, что общая мощность, рассеиваемая схемой, является произведением входного напряжения и тока. через нагрузку (В _в x I _{Нагрузка}) Так как транзистор последовательного прохода должна упасть разность напряжений между входом и выходом, а поскольку весь ток к нагрузке тоже течет через транзистор, она рассеивается (В _на — В _{на выходе}) x I _{Нагрузка}.Нагрузка рассеивается V _{на выходе} x I _{Нагрузка}, поэтому общая составляет [V _{на выходе} x I _{Нагрузка}] + [(V _{на выходе} — V _{на выходе}) x I _{Нагрузка}] = V _дюйм x I _{Нагрузка}.
Современные импульсные регуляторы напряжения (также известные как «переключатели») используют ширину импульса. модуляция, которая питает задерживающий конденсатор для выполнения работы с очень высокой эффективностью даже при большой разнице входного и выходного напряжения. Недостаток Switcher — это цифровой шум, который генерируется в процессе.Этот жужжащий шум Вы слышите в AM-радио при включении лампы CFL из-за переключения на дешевый блок питания в его основании.
Конструкция блока питания от 11 до 32 В, 700 мА с хорошей регулировкой и встроенная максимальная токовая защита.
Г. В. Фэй / Разработка приложений, Motorola Semiconductor Products Inc.
Рис.1 — В простом последовательно проходном транзисторе стабилизатора напряжения Q1 управляет регулируемым выходным напряжением Vo.
Идеальный источник питания с регулируемым напряжением имеет нулевое выходное сопротивление, так что выходной напряжение остается постоянным при любых требованиях к току нагрузки. Но нулевое выходное сопротивление не может быть достигнуто, хотя источники с импедансом в миллиом могут быть сконструированы. Кроме того, характеристики полупроводниковых устройств накладывают ограничения на ток и напряжение. который может быть доставлен в нагрузку.
Два простых регулятора напряжения с последовательным проходом показаны на рис.1 и 2. Транзистор Q1 в каждой из этих цепей регулируется выходное напряжение; таким образом, напряжение коллектор-эмиттер Рейтинг Q1 определяет максимальное напряжение ввода-вывода. Все текущие доставлены к нагрузке проходит через Q1. Следовательно, мощность, рассеиваемая в Q1, составляет (В _на -В _{на выходе}) раз I _{Загрузить}. Если высокое входное напряжение и низкое выходное напряжение и / или большая нагрузка токи необходимы, возможно, что Q1 придется рассеивать большое количество власть.Очевидно, что в этих условиях КПД регулятора невысокий, а мощность номинал (для конкретного теплоотвода) ограничивает регулирующую способность. Для ограниченной нагрузки вариации, Q1 может быть шунтирован резистором, тем самым сдвигая некоторую мощность с Q1 на резистор. Выходное напряжение схемы (рис.1) — это напряжение стабилитрона минус база-эмиттер. напряжение Q1. R1 должен обеспечивать достаточный ток для базы Q1 и D1, чтобы напряжение D1 всегда выше его колена.Если температурная характеристика D1 равна равное и противоположное напряжению перехода база-эмиттер Q1, выходное напряжение останется постоянная с температурой.
Когда требуются переменные выходные напряжения, можно использовать схему, аналогичную показанной на рис. использоваться. Здесь минимально возможное выходное напряжение — это напряжение пробоя D1 плюс напряжение база-эмиттер Q2.
Рис. 2 — В этом последовательном стабилизаторе переменного напряжения транзистор Q2 и потенциометр используются для установки уровня напряжения.
Рис. 3 — Этот источник переменного напряжения имеет защиту от перегрузки по току.
Максимальное выходное напряжение ограничено изменениями нерегулируемого входа плюс требования привода Q1. R1 обеспечивает ток смещения для D1, напряжение которого сравнивается на рычаг потенциометра. Если нагрузка увеличивается и вызывает выходное напряжение чтобы упасть, Q2 проводит меньше, а Q1 проводит больше, восстанавливая исходное напряжение уровень.
В основном, регуляторы последовательного действия ограничены по току, напряжению и мощности; и управляющий транзистор цепи всегда должен работать в безопасной рабочей зоне — области, где нет опасности вторичной поломки. Тем не менее, последовательные регуляторы обеспечивают чрезвычайно хорошее регулирование, быстрое время отклика, низкий выходной импеданс и низкие пульсации. Их производительность практически не зависит от колебаний входной частоты, и они имеют отличный динамический отклик.Они также обеспечивают переменное выходное напряжение и легко поддаются контролю. адаптируется к дистанционному измерению напряжения, дистанционному программированию и ограничению тока или тока регулирующие приложения. На выходе схемы практически отсутствуют переходные процессы.
Максимальная токовая защита
Схема, показанная на рис. 3, представляет собой регулируемый источник питания с максимальной токовой защитой. и выходом от 11 до 32 вольт постоянного тока. Максимальный выходной ток при указанной цепи компонентов составляет 700 мА.Диодный мост, состоящий из D1 — D4, обеспечивает двухполупериодный выпрямление 25-вольтной вторичной обмотки T1. Конденсатор С1 используется для фильтрации выпрямленного ток и поддерживайте положительное напряжение на коллекторах Q1 и Q2. Резистор R1 и конденсатор C2 дополнительно снижает пульсации, чтобы поддерживать стабильный постоянный ток. напряжение как коллекторное питание для Q3 и Q4, а также для вождения базы Q1. Транзистор Q2 — устройство последовательного прохода. который регулирует выходное напряжение. Резисторный делитель R4-R5-R6 образует измерительную цепь.Напряжение на плече потенциометра R5 подается на базу Q4, что сравнивает напряжение на стабилитрон D5. (Продолжение на странице 78)
Разница между двумя напряжениями определяет, сколько Q4 проводит. Если на выходе напряжение увеличивается, базовое напряжение Q4 увеличивается и толкает его дальше в проводимость область. Это уменьшает базовый ток Q1, что, в свою очередь, уменьшает ток через Q2, понижая выходное напряжение. Если выходное напряжение падает, Q4 движется в сторону отключения. и Q1 и Q2 включаются.Это увеличивает выходное напряжение. По сути, схема усилитель с обратной связью, который пытается поддерживать выходное напряжение на постоянном уровне независимо от состояния нагрузки.
Рис. 4 — Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки для схемы рис. 3.
Рис. 5 — Регулирование в зависимости от тока нагрузки для схемы, показанной на Рис. 3.
Выходное напряжение определяется настройкой потенциометра в соответствии со следующим уравнение:
Если R5 установлен на нижнем пределе (A), выход является максимальным и определяется выражением:
Минимальное выходное напряжение (11.2 В) возникает, когда плечо R5 установлено на сторону высокого напряжения. (В).
Регулировка является функцией настройки потенциометра, поскольку она определяет количество отзывов. Чем ближе база Q4 к положительному выходу, тем больше Обратная связь.
Максимальная токовая защита обеспечивается R2 и Q3. Поскольку R2 включен последовательно с выходом, напряжение на нем пропорционально выходному току. Это напряжение используется для управляйте Q3 так, чтобы чем больше становился выходной ток, тем больше проводил Q3.Когда Q3 включается, основной привод снимается с Q1, и это выключает регулятор мощности Q2, тем самым ограничивая выходной ток. В этом примере значения компонентов были выбраны для ограничения максимальный ток примерно до 700 мА. На рис. 4 показана эффективность тока. ограничитель.
Регулировка нагрузки на нескольких уровнях выходного напряжения показана на рис. 5. Максимальный ток фактически ухудшает работу схемы регулятора, особенно при более высоких текущих уровней, так как это уменьшает базовый драйв Q1.
Транзисторы силового каскада Q1 и Q2 были выбраны с учетом высокого коэффициента усиления при -55 ° C. Это максимизирует контроль регулятора напряжения и тока. При максимальном выходном напряжении а при низких температурах для Q1 требуется базовый ток около 1 мА. R1 был выбран для доставить примерно 2,5 мА. Устанавливает минимальный ток регулятора напряжения в Q4 (MPS6531). при 1,5 мА, когда регулятор тока не работает. Когда работает регулятор тока Q3 (2N4921) включается, он должен справиться с этим током.Для противоположных условий при высоких температурах и низких выходных напряжений, R1 обеспечивает максимальный ток около 25 мА. Требование привода для силового каскада здесь не критично, но Q3 и Q4 должны выдерживать этот ток. для эффективного контроля.
Максимальная температура, при которой будет работать контур, устанавливается теплоотводом. Q1 и Q2. Если эти транзисторы установить непосредственно на радиатор и хороший силикон смазки, тогда в худшем случае температура поднимется выше температуры нагрева Поглощение для Q2 составляет 25 ° C, а для Q1 — около 20 ° C.Поскольку максимальная рабочая температура Q1 составляет 150 ° C, это означает, что температура радиатора должна быть ниже чем 130 ° C.
Опубликовано: 25 декабря, 2017
Регулируемые блоки питания
Изучив этот раздел, вы сможете:
Понимать принципы работы шунтирующих регуляторов.
• Регулирующее действие стабилитрона.
• Работа основной цепи шунтирующего регулятора.
• Рассчитайте значения компонентов для основной цепи шунтирующего регулятора.
Признайте ограничения основного шунтирующего регулятора.
Узнайте о методах увеличения номинального тока.
Распознавать каскадные методы для улучшения регулирования линии.
Базовые схемы шунтирующего регулятора
Рис. 2.1.1 регулятор Basic Shunt

Шунтирующие регуляторы
широко используются, потому что они дешевы, эффективны и просты. Однако необычно найти шунтирующий стабилизатор, используемый в качестве главной регулирующей цепи в большом источнике питания. Шунтирующее регулирование действительно подходит, по разумной цене, только для относительно небольших токов и диапазона фиксированных, обычно довольно низких напряжений. Это связано с недостатком шунтирующего регулирования, заключающимся в том, что в дополнение к току нагрузки всегда должен протекать регулирующий ток (протекающий через стабилитрон).Если используются большие токи, это расточительно.
Базовая схема шунтирующего регулятора показана на рис. 2.1.1 и состоит всего из двух компонентов; последовательный резистор R _S, подающий ток на стабилитрон, который подключен с обратной полярностью) через нагрузку.
Стабилитрон.
Рис. 2.1.2 Характеристическая кривая стабилитрона
Основным свойством стабилитрона является то, что напряжение на диоде (V _Z) будет оставаться практически постоянным в широком диапазоне токов (I _Z), когда диод работает в режиме обратного смещения, как показано на Инжир.2.0.1.
Рис. 2.1.2 иллюстрирует характеристическую кривую стабилитрона, где рабочая область (показанная зеленым) стабилитрона представляет собой диапазон тока на почти вертикальной области пробоя кривой.
При условии, что обратный ток поддерживается на уровне примерно от 1 до 2 мА (избегая «перегиба» обратной характеристики) и не превышает безопасный рабочий ток для этого конкретного типа диода, обратное напряжение изменяется очень незначительно. Именно этот эффект используется для получения необходимого регулирующего эффекта.
Во время работы источника питания могут возникнуть два условия для изменения выходного напряжения;
а. Ток нагрузки может отличаться.
г. Напряжение питания может отличаться.
Схема устроена так, что полный ток питания I _S складывается из выходного тока нагрузки I _OUT и тока стабилитрона I _Z:
I _S = I _Z + I _ВЫХ
При условии, что стабилитрон работает в допустимом диапазоне тока, напряжение V _Z будет оставаться практически постоянным, отклоняясь лишь на очень небольшую величину (δV).
Регуляторы точки нагрузки
Рис. 2.1.3 Регуляторы точки нагрузки
Самый распространенный метод использования этих базовых стабилитронов — это система регулирования «точки нагрузки». В этом методе используется ряд стабилизаторов с фиксированным напряжением и относительно низким током в различных точках питаемой цепи. В этом случае в блоке питания можно использовать относительно неэффективный основной регулятор, поскольку каждая секция схемы имеет свой собственный регулятор. Например, для многих сложных схем требуются разные уровни напряжения для разных электрических и электромеханических частей.Каждый может иметь собственное регулируемое снабжение, например 9 В, 5 В или 3,3 В, используя шунтирующие регуляторы «точка нагрузки», питаемые от единого общего источника питания, как показано на рис. 2.1.3. Каждый из регуляторов напряжения обычно размещается как можно ближе к питающей цепи, насколько это физически возможно, и имеет дополнительные развязывающие конденсаторы для уменьшения любого шума или перекрестных помех между отдельными линиями питания.
Изменения тока нагрузки
Если ток в нагрузке Iout имеет тенденцию к падению, напряжение на нагрузке будет иметь тенденцию расти, но поскольку он подключен параллельно диоду, напряжение останется постоянным.Что изменится, так это ток (I _Z) через диод. Это повысится на величину, равную падению тока в нагрузке. Полный ток питания I _S всегда равен I _Z + I _OUT. Увеличение тока нагрузки I _OUT также вызовет падение тока стабилитрона I _Z, снова сохраняя V _Z и выходное напряжение на постоянном уровне.
Колебания входного напряжения
Если входное напряжение возрастает, в цепь будет протекать больший ток питания I _S.Без стабилитронного шунтирующего стабилизатора это привело бы к увеличению выходного напряжения Vout, но любая тенденция к увеличению V _OUT просто приведет к тому, что диод будет проводить более сильную проводимость, поглощая дополнительный ток питания без какого-либо увеличения V _{. Z}, таким образом, поддерживает постоянное выходное напряжение. Падение входного напряжения также вызовет уменьшение тока стабилитрона, снова поддерживая постоянное напряжение V _OUT.
Ограничения
Этот простой шунтирующий регулятор подходит только для относительно небольших токов и фиксированного диапазона напряжений.Существует ряд ограничений на использование этой схемы:
Выходное напряжение:
Выходное напряжение равно напряжению стабилитрона диода и поэтому фиксируется на одном из доступных уровней напряжения.
Выходной ток:
Если выходной ток по какой-либо причине падает до нуля (нагрузка может обрываться из-за неисправности или отключаться от источника питания), весь ток нагрузки должен проходить через стабилитрон. Следовательно, максимальный ток, доступный для нагрузки, не должен быть больше, чем максимальный безопасный ток для одного стабилитрона.
Входное напряжение:
Входное напряжение должно быть выше (обычно примерно на 30%), чем выходное напряжение, чтобы можно было регулировать. Однако он не должен быть слишком высоким, так как это приведет к увеличению мощности, рассеиваемой диодом.
Рассеиваемая мощность:
Мощность, рассеиваемая диодом, должна находиться в безопасных рабочих пределах для выбранного устройства. Максимальная мощность будет рассеиваться, если позволить нагрузке разомкнуться, пока входное напряжение находится на максимальном значении.Этот «наихудший случай» не должен превышать максимальную номинальную мощность диода.
Вышеуказанные ограничения контролируются подходящим выбором стабилитрона и последовательного резистора R _S. Конструкция простых схем регулятора довольно проста, если выполнить несколько простых шагов:
1. Определитесь с стабилитроном необходимого напряжения.
2. Выберите диод, максимальный ток которого, по крайней мере, соответствует, а предпочтительно превышает максимальный ток, необходимый для нагрузки.
Примечание. В номинальных значениях стабилитронов обычно указывается максимальная рассеиваемая мощность, а не ток, поэтому вам нужно будет рассчитать номинальный ток на основе мощности и напряжения, указанных для устройства.
3. Определите наивысшее возможное напряжение на входе источника питания. (V _IN _макс.)
4. Рассчитайте номинал подходящего последовательного резистора R _S по формуле:
Где:
В _IN _max = наиболее вероятное входное напряжение.
В _Z = напряжение стабилитрона
I _OUT _max = максимальный выходной ток.
I _Z _мин. = минимальный ток, при котором стабилитрон будет работать (скажем, от 1 до 2 мА).
5. Рассчитайте мощность, рассеиваемую в последовательном резисторе (R _S) по формуле:
Мощность, рассеиваемая R _S = V _R x I _IN
Примечание. При расчете номинальной мощности и сопротивления ваши ответы, вероятно, не будут в точности соответствовать коммерчески доступным предпочтительным значениям.Поэтому выберите ближайшее предпочтительное значение, а затем введите это значение в свои расчеты, чтобы убедиться, что схема будет правильно работать с предпочтительным значением. После этого вы сможете процитировать:
Подходящее номинал резистора и его номинальная мощность, а также подходящий номер типа стабилитрона.
Пример:
Рис. 2.1.4 Пример
Разработайте простой стабилитрон (см. Рис. 2.1.4) шунтирующего стабилизатора со следующими характеристиками:
Требуемый максимальный ток нагрузки.100 мА
Выходное напряжение. 12В
Входное напряжение. 15 В номинальное, 16 В макс.
При минимальном токе стабилитрона 1 мА
Проблема решается за 4 шага.
1. Найдите значение для R
_S
R _S должен обеспечивать ток, достаточный для поддержания I _Z на уровне или чуть выше 1 мА, когда стабилитрон пропускает свой минимальный ток.
Как полный ток цепи I _IN = I _OUT + I _Z
Минимальный ток стабилитрона будет иметь место, когда входное напряжение (V _IN) имеет минимальное значение, а ток нагрузки (I _OUT) имеет максимальное значение.
В этих условиях ток (I _IN), протекающий через R _S, будет I _OUT _max + I _Z _min
Что составляет 100 мА + 1 мА = 101 мА
As R = V / I и напряжение на R _S = V _{IN мин.} — V _Z
Тогда R _S = (V _{IN мин.} — V _Z) / I _IN = (15-12) / 101exp ^-3 = 29,7 Ом
Следовательно, практическое значение для R _S будет следующим наименьшим предпочтительным значением 27 Ом)
2.Рассчитайте максимальный ток (I
_IN _max), который пройдет через R _S.
Максимальный ток (I _IN _max) будет иметь место, когда V _IN находится на максимальном значении нит, т.е. 16V
I _IN _max = (V _{IN max} — V _Z) / R _S = (16 — 12) / 27 = 4/27 = 148 мА
3. Рассчитайте максимальную требуемую мощность для R
_S
Это произойдет, когда V _IN имеет максимальное значение).
(V _{IN max} — V _Z) x I _{IN max} = (16 — 12) x 148exp ^-3 = 0,592 Вт
Практическая номинальная мощность для R _S, следовательно, будет следующей по величине доступной номинальной мощностью = 1 Вт)
4. Рассчитайте максимальную мощность (P
_Z _max), которая должна рассеиваться стабилитроном.
Это будет мощность, которую стабилитрон должен рассеять, если нагрузка была отключена при максимальном входном напряжении, в результате чего через диод Венера протекает максимальный ток (I _IN _max) в 148 мА.
Поскольку мощность P = I x V, тогда P _Z _max = I _IN _max x V _Z = 148exp ^-3 x 12 = 1,776 = прибл. 1,8 Вт
Следовательно, подходящий шунтирующий стабилизатор будет состоять из резистора 27 Ом 1 Вт и стабилитрона 12 В с номинальной мощностью не менее 2 Вт.
Однако интересно сравнить мощность, подаваемую на нагрузку, (12 В x 100 мА) = 1,2 Вт с мощностью, рассеиваемой в шунтирующем стабилизаторе, (0,592 Вт в резисторе + 1.776Вт в диоде = 2.368Вт.
Только около 33% общей мощности приходится на нагрузку, причем около 66% рассеивается шунтирующим регулятором!
Поэтому простой шунтирующий стабилизатор на стабилитронах не очень эффективен при работе даже с такими значениями тока. Лучшим вариантом может быть добавление в схему транзистора для обработки больших токов.
Рис. 2.1.5 Транзисторный шунтирующий стабилизатор
Шунтирующие регуляторы большого тока
Ток, который может обрабатывать простой стабилитрон / резистивный шунтирующий стабилизатор, ограничен максимальным номинальным током стабилитрона, но есть способы увеличения максимальной допустимой токовой нагрузки шунтирующих стабилизаторов.Один из типичных методов показан на рис. 2.1.5, где используется силовой транзистор, способный пропускать ток эмиттера, намного превышающий ток стабилитрона.
Стабилитрон теперь обрабатывает только ток базы транзистора, а основной ток стабилизации I _E приблизительно равен току базы транзистора, умноженному на hfe транзистора:
I _E = I _B (1 + hfe)
Таким образом, регулятор может работать с током I _Z (1 + hfe), что позволяет регулятору обеспечивать гораздо большие токи нагрузки.
Обратите внимание, что выходное напряжение больше не равно V _Z, а V _Z + V _BE. Транзистор будет иметь напряжение V _BE, как правило, 0,7 В, поэтому для создания регулятора на 5 В будет выбран стабилитрон на 4,3 В.
Операция
Если ток в нагрузке, подключенной к выходу регулятора, уменьшается, напряжение на правом конце последовательного резистора (R) будет увеличиваться. Когда это происходит, напряжение база-эмиттер транзистора увеличивается на аналогичную величину, поскольку напряжение на стабилитроне постоянно.
Это увеличение напряжения база-эмиттер приведет к тому, что транзистор (Tr1) будет проводить более интенсивную проводку, пока дополнительный ток, потребляемый транзистором, не уравновесит уменьшение тока, потребляемого нагрузкой, поэтому выходное напряжение регулятора возвращается к своему прежнему значению. нормальное значение.
Если ток нагрузки увеличивается, происходит аналогичное действие, но на этот раз происходит снижение базового напряжения Tr1. Это уменьшит ток через транзистор, тем самым уравновешивая увеличение тока нагрузки.Опять же, выходное напряжение регулятора остается относительно постоянным.
Улучшение линейного регламента
Рис. 2.1.6 Каскадные шунтирующие регуляторы
Эффективная схема регулятора должна компенсировать колебания входного напряжения, а также изменения выходного напряжения (выходная стабилизация). Эти изменения на входе могут быть вызваны изменениями в сети переменного тока (отсюда и название линейное регулирование) или изменениями на входе выпрямленного постоянного тока в схему регулятора, вызванными изменениями в токе, потребляемом другими частями электронной системы, использующими то же самое. поставка.Насколько хорошо работает линейное регулирование, можно определить, сравнив любое изменение выходного напряжения регулятора с изменением входного напряжения регулятора (при условии постоянного тока нагрузки). Это можно выразить как коэффициент регулирования линии и указать в процентах. Например, если входное напряжение регулятора изменяется на ± 2 В, а выходное напряжение изменяется только на ± 0,2 В, коэффициент регулирования линии составляет ± 10%.
На рис. 2.1.6 показано, как можно улучшить линейное регулирование, используя ряд стабилизаторов стабилитрона, соединенных каскадом, каждый из которых будет иметь более низкое напряжение, чем предыдущий, но при каскадном подключении регуляторов общий коэффициент регулирования составляет произведение факторов отдельных цепей.Следовательно, два регулятора, каждый из которых имеет коэффициент регулирования 10% или 0,1, дадут общий коэффициент 0,1 x 0,1 = 0,01 или 1%.
Линейные регуляторы
— Practical EE
Существует два основных типа преобразователей постоянного тока: линейные регуляторы и импульсные регуляторы. Линейные регуляторы относительно просты, но обычно намного менее эффективны, чем более сложные импульсные регуляторы. Для любого типа преобразователя мощности постоянного тока неэффективность преобразования мощности рассеивается в виде тепла.
Базовый линейный регулятор
Линейный регулятор вырабатывает выходное напряжение, полученное из входного напряжения через транзистор, который управляется обратной связью. Выходное напряжение делится и сравнивается с опорным напряжением с помощью компаратора, который управляет базой транзистора. Обратная связь подключается к отрицательному входу компаратора, потому что в этой конфигурации база транзистора включается, когда выходное напряжение падает, заставляя транзистор включаться больше и уменьшать сопротивление между Vin и Vout.
В терминах высокого уровня линейный регулятор подобен резистору регулятора. Текущий ток, по существу, такой же, как текущий, поскольку схема управления потребляет незначительное количество тока по сравнению с током, потребляемым силовой нагрузкой. Как и во всех электронных компонентах, мощность, рассеиваемая линейным регулятором, равна напряжению на нем, умноженному на ток через него. Рассеиваемая мощность также равна входной мощности за вычетом выходной мощности по Закону сохранения энергии.Рассеиваемая мощность — это падение напряжения Vin — Vout, умноженное на ток Iout.
I
_ВЫХ = I _IN
P
_ПОТЕРЯ = (V _IN — V _OUT) * I _OUT
P
_ПОТЕРЯ = P _ВХОД — P _ВЫХ
Рассеивание мощности может быстро выйти из-под контроля. Преобразование с шины 5 В на шину 3,3 В для подачи мощности в один ампер или 3,3 Вт приведет к рассеиванию (5 — 3,3) / 1 = 1,7 Вт.Это половина вашей выходной мощности, 50% неэффективности! А достаточное охлаждение 1,7 Вт — нетривиальная задача. Как показывает опыт, охлаждение до 1 Вт часто может быть выполнено путем простого распределения тепла на плоскости заземления, для охлаждения 1 Вт — 3 Вт может потребоваться радиатор на компоненте, помимо этого вам, возможно, придется подумать о вентиляторе или специальном радиаторе.
Неэффективность пропорциональна падению напряжения от входа к выходу, поэтому минимизация этого значения минимизирует рассеяние мощности, если ток нагрузки постоянный.В последнее десятилетие производители линейных регуляторов выпустили регуляторы с малым падением напряжения (LDO) , которые работают при падении напряжения до 200 мВ или даже меньше между входом и выходом.
Таким образом, линейные регуляторы используются, когда разница между входным и выходным напряжением мала или требования к току нагрузки малы. Они отлично подходят для приложений, в которых они рассеивают 1 Вт или меньше. Кроме того, или если у вас есть строгие требования к эффективности, например, для устройства с батарейным питанием, подумайте об использовании импульсного регулятора.
Полезные видео
Отличный обучающий модуль от Texas Instruments: https://training.ti.com/linear-regulator-fundamentals-types-linear-regulators
Вот еще один обучающий модуль от TI, в котором основное внимание уделяется тепловым соображениям для линейных регуляторов.
Цепи стабилизатора на транзисторе-стабилитроне

Рис. 1 Типовая схема стабилитрона.
, автор: Льюис Лофлин
Обновлено, исправлено в октябре 2016 г.Здесь будут рассмотрены основные принципы работы стабилитронов и их использование в качестве регуляторов напряжения. Они будут использоваться вместе с обычными биполярными транзисторами для увеличения выходного тока и могут использоваться студентами и любителями для реальных регуляторов напряжения. Нижеследующее предназначено только для информационных целей и не дает никаких гарантий.
Связанные — Эксперименты с шунтирующим стабилизатором TL431A типа регулируемого стабилитрона.
Видео на YouTube: Учебное пособие по стабилитронам.
Стабилитрон — это твердотельное устройство с двумя выводами, которое при прямом смещении будет проводить и действовать как любой другой кремниевый диод.В режиме обратного смещения всегда используются стабилитроны, предназначенные для пробоя при определенном напряжении. На рис.1 показано базовое подключение стабилитрона.
Z1 и Rs включены последовательно, а нагрузочный резистор RL на 200 Ом параллельно Z1. Наш общий ток (Is) протекает через Rs и делится через Z1 (24 мА) и RL (51 мА). Z1 при 10,2 В поддерживает постоянное напряжение на RL, когда Vin изменяется в определенном диапазоне. Если Vin падает до 14 вольт, ток стабилитрона Iz падает, чтобы поддерживать напряжение на RL.Если Vin увеличивается до 18 вольт, то ток стабилитрона Iz увеличивается, поддерживая напряжение на RL.
В любое время падение напряжения на Z1 плюс Rs всегда равно напряжению питания Vin, в то время как напряжение на RL, таким образом, IL постоянно. Если Rs слишком мало, чрезмерный ток приведет к перегреву Z1. Если Rs слишком велико, нам не хватает минимального тока Iz для поддержания регулирования напряжения. Обратите внимание на следующее:
Is = Iz + IL = 24 мА + 51 мА = 75 мА; Rs = VRs / Is = 5,8 В / 75 мА = 77 Ом.
Следующий вопрос заключается в том, какой ток эта схема может обеспечить нагрузке? Давайте посмотрим на проблему.

Рис. 2
На Рис. 2 мы видим исправно работающую схему стабилизации стабилитрона при Z1 = 5,1 В при питании 10 В. Но что происходит, если мы увеличиваем нагрузку от RL? Обратите внимание, что для правильной работы мы должны поддерживать минимальное значение Iz.

Рис. 3
На рис. 3 мы понизили RL с 200 Ом до 150 Ом, увеличив IL.Хотя общий ток Rs остается неизменным, часть тока для Z1 (Iz) идет в RL, и мы находимся на грани отсутствия регулирования напряжения.

Рис. 4
На Рис. 4 RL теперь составляет 100 Ом и потребляет такой большой ток от Z1, что у нас больше нет никакого регулирования напряжения. Эта установка практически бесполезна как источник питания, за исключением малых токов. Вот почему мы используем транзисторы вместе со стабилитронами.

Рис. 5
Чтобы обойти ограничения мощности, мы используем транзистор с последовательным проходом.На рис. 5 NPN-транзистор с коэффициентом усиления Hfe или DC, равным 100, фактически «умножает» 1 мА из цепи стабилитрона до 100 мА. Причина, по которой я выбрал стабилитрон на 5,6 В, заключается в том, чтобы компенсировать падение 0,6 В на переходе B-E Q1. Да, вам нужен конденсатор емкостью 100 мкФ, чтобы пульсации источника питания не вызывали проблем. По мере того, как мы потребляем больший ток нагрузки, 99% тока происходит из Q1.

Рис. 6
На рис. 6 мы используем два NPN-транзистора в конфигурации Дарлингтона для увеличения выходного тока до 1 А через нагрузку 12 Ом.Мне пришлось использовать стабилитрон на 13,2 В, чтобы компенсировать падение напряжения на двух переходах B-E.

Рис. 7
На Рис. 7 мы используем Дарлингтона для увеличения выходного тока до 1 А через нагрузку 12 Ом.

Рис. 8
На Рис. 8 показан стабилизатор на стабилитроне для источника питания с отрицательной полярностью. Транзистор NPN был заменен транзистором PNP, а полярность стабилитрона и конденсатора 100 мкФ была изменена. Все текущие потоки также были почитаемы.
На этом завершается введение в регулирование напряжения на основе стабилитронов.
Учебное пособие: Схемы транзисторно-стабилитронного стабилизатора Уловки и подсказки
для регуляторов напряжения серии LM78XX
Базовое руководство по устранению неисправностей источника питания
Регуляторы напряжения — источники энергии
Источники энергии
В идеале на выходе большинства источников питания должно быть постоянное напряжение. К сожалению, этого сложно добиться.Есть два фактора, которые могут вызвать изменение выходного напряжения. Во-первых, напряжение в сети переменного тока непостоянно. Так называемое переменное напряжение 120 В (используется в США) может варьироваться от примерно 114 вольт до 126 вольт. Это означает, что пиковое напряжение переменного тока, до которого Ответ выпрямителя может варьироваться от 161 вольт до 178 вольт. Только напряжение сети переменного тока может вызвать 10-процентное изменение Выходное напряжение постоянного тока. Второй фактор, который может изменить выходное напряжение постоянного тока изменение сопротивления нагрузки.В сложном электронном оборудовании нагрузка может изменяться при включении и выключении цепей. В телевизионном приемнике нагрузка на конкретный блок питания может зависеть от яркости экрана, настройки управления или даже выбранный канал.
Эти изменения сопротивления нагрузки приводят к изменению приложенного постоянного напряжения. потому что источник питания имеет фиксированное внутреннее сопротивление. Если сопротивление нагрузки уменьшается, внутреннее сопротивление блока питания падает больше напряжения. Это вызывает снижение напряжения на нагрузке.
Многие схемы предназначены для работы с определенным напряжением питания. Когда при изменении напряжения питания работа схемы может ухудшиться. затронутый. Следовательно, некоторые типы оборудования должны иметь блоки питания, которые производить одинаковое выходное напряжение независимо от изменений нагрузки сопротивление или изменения сетевого напряжения переменного тока. Это постоянное выходное напряжение может быть достигнуто путем добавления схемы, называемой регулятором напряжения на выход фильтра. Есть много разных типов регуляторов, которые используются сегодня, и обсуждать их все было бы вне рамок объем этого раздела.
Регулирование нагрузки
Обычно используемый показатель качества для источника питания — это его процентов от нормы . Показатель заслуг показывает нам, как выходное напряжение сильно меняется в диапазоне нагрузки значения сопротивления. Процент регулирования помогает в определении необходимый тип регулирования нагрузки. Процент регулирования определяется уравнение:
Это уравнение сравнивает изменение выходного напряжения при двух нагрузках. крайние значения напряжения, получаемого при полной нагрузке ( В, _{, fL,}).Для Например, предположим, что источник питания выдает 12 вольт, когда нагрузка ток равен нулю ( V _nL). Если выходное напряжение упадет до 10 вольт когда протекает ток полной нагрузки, процент регулирования составляет:
В идеале выходное напряжение не должно изменяться во всем рабочем диапазоне. То есть блок питания на 12 вольт должен выдавать 12 вольт на холостом ходу, при полной нагрузке, и во всех точках между ними. В этом случае процент регулирования будет:
Таким образом, регулирование нагрузки с нулевым процентом является идеальной ситуацией.Это означает, что выходное напряжение постоянно при всех условиях нагрузки. Пока надо стремиться для регулирования нагрузки с нулевым процентом в практических схемах вы должны довольствоваться что-то менее идеальное. Даже в этом случае, используя регулятор напряжения, вы можете удерживать процент регулирования до очень низкого значения.
Основные типы
Существует два основных типа регуляторов напряжения. Базовые регуляторы напряжения: классифицируется как серия или шунтирующий , в зависимости от местоположения или положение регулирующего элемента (ов) по отношению к сопротивление нагрузки цепи.
Шунтирующий регулятор
Шунтирующий регулятор, будучи одним из простейших полупроводниковых регуляторов, обычно наименее эффективен. Может использоваться для обеспечения регулируемого выхода где нагрузка относительно постоянна, напряжение от низкого до среднего, а выходной ток высокий. В шунтирующем регуляторе используется принцип делителя напряжения. для регулирования выходного напряжения.
На рисунке ниже показан шунтирующий регулятор, приведенный к его основной форме. Он называется шунтирующим регулятором. потому что регулирующее устройство подключено параллельно с сопротивлением нагрузки.Постоянный резистор R _s включен последовательно с параллельной комбинацией нагрузочный резистор R _L и переменный резистор R _reg, и образует делитель напряжения во входной цепи.
Шунтирующий регулятор напряжения.
Краткое описание работы основного шунтирующего регулятора поможет объяснить способ, которым достигается регулирование выходного напряжения.
Весь ток, протекающий в полной цепи, проходит через серию резистор, R _с.Величина этого тока и, следовательно, значение падение напряжения на R _s контролируется переменным сопротивлением R _рег. Напряжение на R _s равно разница между большим напряжением источника постоянного тока и выходным напряжением на сопротивление нагрузке R _L. Разница напряжений между R _s составляет варьируется действием сопротивления R _reg, по мере необходимости, для компенсации для изменения схемы и поддержания выходного напряжения на постоянном уровне нагрузки по желаемому значению.
Если входное напряжение в цепи регулятора уменьшается, напряжение на нагрузочный резистор R _L и переменное сопротивление R _reg, имеет тенденцию к уменьшению. Чтобы противодействовать этому снижению, сопротивление R _reg увеличен, что снижает общий ток через R _s и тем самым падение напряжения на нем. Таким образом, уменьшая разность напряжений R _s для компенсации уменьшения входное напряжение, выходное напряжение остается постоянным на своем номинальном значении.И наоборот, если входное напряжение увеличивается, напряжение на R _L и R _reg имеет тенденцию к увеличению. Чтобы противодействовать увеличению, сопротивление R _reg уменьшено. Это приводит к большему току через R _s и, следовательно, увеличение напряжения, развиваемого на нем. Увеличение разности напряжений компенсирует увеличение входное напряжение, и снова выходное напряжение остается постоянным на регулируемом значении.
Шунтирующий регулятор должен выдерживать все выходное напряжение. источника постоянного тока; однако он не должен пропускать ток полной нагрузки, если только требуется регулировка от состояния холостого хода до состояния полной нагрузки. Поскольку последовательно понижающий резистор R _s, используемый с шунтирующим регулятором, имеет относительно высокая мощность рассеивания, общая эффективность этого типа Регулятор может быть меньше, чем у других типов. Одно из преимуществ шунта Регулятор представляет собой внутреннюю предлагаемую защиту от перегрузки и короткого замыкания.Последовательный резистор R _s находится между источником постоянного тока и нагрузкой; и, таким образом, короткое замыкание или перегрузка просто уменьшают выходное напряжение. от цепи регулятора. Обратите внимание, что в условиях холостого хода шунтирующее регулирующее устройство должно рассеивать полную мощность; следовательно, шунт Регулятор чаще всего используется в приложениях с постоянной нагрузкой.
Из общего обсуждения, приведенного в предыдущих параграфах, можно видно, что шунтирующий регулятор напряжения по сути представляет собой схему делителя напряжения, с постоянным выходным напряжением на нагрузке, независимо от изменений входного напряжения или тока нагрузки.Управляющее действие требуется варьировать сопротивление R _reg и, как следствие, развивают переменное падение напряжения, полностью автоматическое. Этот основной принцип регулирования напряжения используется в транзисторных, шунтирующих напряжениях. регуляторы, которые будут описаны позже в этом разделе.
Регулятор серии
Регулятор серии, как следует из названия, размещает регулирующее устройство в серия с грузом; регулирование происходит в результате изменения напряжения Разработанный для серийного устройства, серийный регулятор предпочтительнее для высоких приложения с напряжением и средним выходным током, где нагрузка может подвергаться со значительным разбросом.Наиболее важные полупроводниковые приложения требуют что в регулируемом источнике напряжения используется последовательный регулятор; и как В результате существует множество конфигураций схем регуляторов. Эти схемы конфигурации меняются от одного приложения к другому, в зависимости от регулирование, которое необходимо поддерживать в заданном диапазоне температур.
Последовательный регулятор можно сравнить с последовательно включенным переменным резистором. с источником постоянного тока и нагрузкой, образуя делитель напряжения. Действие переменного сопротивления последовательного регулирующего устройства поддерживает выходное напряжение на сопротивлении нагрузки при постоянном значении.
Простая схема последовательного регулятора напряжения показана на рисунке ниже, чтобы помочь объяснить. это принцип регулирования напряжения. Переменный резистор, R _s, находится в серия с нагрузочным сопротивлением R _L; таким образом, два сопротивления в последовательно образуют делитель напряжения на входном напряжении. Ток нагрузки проходит через R _s и вырабатывает напряжение на нем. Развиваемое напряжение по R _с зависит от значения сопротивления R _с и ток нагрузки через него.Поскольку входное напряжение в цепи регулятора всегда больше, чем желаемое выходное напряжение, напряжение, развиваемое на последовательный резистор R _s варьируется для получения желаемого значения выхода по сопротивлению нагрузки R _L.
Регулятор напряжения серии
.
Если входное напряжение в цепи регулятора уменьшается, напряжение на резистор нагрузки R _L и переменный резистор R _s также уменьшается.Чтобы противодействовать этому снижению напряжения, сопротивление переменного резистора R _с уменьшается, так что меньшее напряжение развивается через R _s, и напряжение на нагрузочном резисторе возвращается к прежнему значению. ценить. И наоборот, если входное напряжение в цепи регулятора увеличивается, напряжение на нагрузочном резисторе R _L также увеличивается. Чтобы противодействовать это увеличение напряжения, сопротивление R _s увеличивается так, чтобы большее падение напряжения происходит на R _s, и напряжение на нагрузке возвращается к прежнему значению.
Из анализа, проведенного в предыдущих параграфах, очевидно, что последовательный (а также шунтирующий) регулятор напряжения по сути схема делителя напряжения с выходным напряжением, создаваемым на нагрузке быть практически постоянным, независимо от входного напряжения или тока нагрузки вариации. Управляющее действие, необходимое для изменения серии регулирующих устройство и, следовательно, для создания соответствующего переменного напряжения через R _s полностью автоматический.
Шунтирующий стабилизатор стабилитрона
Стабилитрон, шунтирующий стабилизатор используется в качестве регулятора напряжения, где нагрузка относительно постоянная. Эта схема часто используется в более сложные схемы регуляторов в качестве источника опорного напряжения и предварительного регулятора в транзисторных регуляторах серии.
Характеристики
В качестве регулирующего устройства используется стабилитрон.
Регулируемое выходное напряжение на нагрузке почти постоянно, даже если оно меняется. входного напряжения или изменения тока нагрузки.
Используется принцип делителя напряжения с использованием постоянного резистора и Стабилитрон последовательно включенный; регулируемая нагрузка берется поперек диода.
Изменение в основной цепи позволяет регулировать положительное или отрицательное напряжение.
Стабилитрон-диод — это простейшая форма шунтирующего регулятора. Схема регулятора состоит из постоянного резистора, соединенного последовательно с стабилитроном. Регулируемое выходное напряжение создается на диоде; следовательно, нагрузка подключен через диод.Схема регулятора развивает определенный выход. напряжение, зависящее от характеристик конкретного стабилитрона.
Простые стабилитроны.
Стабилитрон — это PN переход, который был модифицирован во время его изготовления. для создания определенного уровня напряжения пробоя; он работает с относительно жесткие допуски по напряжению в значительном диапазоне обратного тока. Зенера Диод подвержен изменению сопротивления при изменении температуры диода.
Работа схемы
На рисунке выше схемы «A» и «B» иллюстрируют используемый стабилитрон. в базовой схеме регулятора напряжения. Резистор R ₁ есть последовательный резистор; semiconductor D ₁ — стабилитрон. Схема в «A» обеспечивает регулировку положительного входного напряжения, в то время как Схема в «B» обеспечивает регулировку отрицательного входного напряжения.
Последовательный резистор R ₁ нужен только для стабилизации нагрузки; Это компенсирует любую разницу между рабочим напряжением диода и нерегулируемым входное напряжение.Величина последовательного резистора зависит от комбинированного токи стабилитрона и нагрузки. Последовательный резистор обычно выбирается с учетом следующих факторов: минимальное значение входного напряжения (нерегулируемый), максимальное значение тока нагрузки, минимальное значение стабилитрона ток диода, и (зная характеристики диода) значение максимальное напряжение, которое должно развиваться на стабилитроне и его параллели сопротивление нагрузки. Как только значение последовательного резистора R ₁ равно определяется максимальная рассеиваемая мощность в диоде. учитывая максимальное значение входного напряжения (нерегулируемое), минимальное значение тока нагрузки и минимальное значение напряжения, развиваемого на диод (используя значение последовательного сопротивления установлена за R ₁).Для стабильной работы Стабилитрон должен работать так, чтобы его обратный ток находился в пределах минимума. и максимальные значения для указанного напряжения. Важно отметить, что в условиях холостого хода стабилитрон должен рассеивать полную выходную мощность.
Если входное напряжение в цепи регулятора уменьшается, напряжение уменьшение появляется поперек стабилитрона, D ₁, и сразу ток через диод уменьшается. Таким образом, полный ток через серию резистор R ₁ уменьшается, и напряжение, развиваемое на R ₁ уменьшается пропорционально, так что для всех практических целей выходное напряжение на нагрузке сопротивление (и стабилитрон) осталось прежним.И наоборот, если вход напряжение в цепи регулятора увеличивается, появляется повышение напряжения через стабилитрон, и сразу ток через диод увеличивается. Таким образом, полный ток через последовательный резистор R ₁ увеличивается, и напряжение, развиваемое на R ₁ увеличивается пропорционально, так что для для всех практических целей выходное напряжение на сопротивлении нагрузки (и Стабилитрон) остается прежним.
Если ток, потребляемый сопротивлением нагрузки, уменьшается или увеличивается, общий ток, потребляемый от источника ввода, не изменяется.Вместо, происходит соответствующее изменение тока через стабилитрон и ток, потребляемый от источника, остается постоянным, так что выходное напряжение сопротивление нагрузки остается постоянным.
Регулятор серии
на транзисторах
На рисунке ниже показаны упрощенные чертежи последовательного транзисторного регулятора. На этом рисунке схема «A» показывает стабилизатор положительного напряжения питания, а на схеме «B» показан регулятор отрицательного напряжения питания. Обратите внимание, что этот регулятор имеет транзистор ( Q ₁) вместо переменный резистор (потенциометр), найденный в регулятор базовой серии.Полярность Регулируемое питание определяет тип используемого транзистора. Поскольку полный ток нагрузки проходит через этот транзистор, иногда он называется «проходным транзистором». Другие компоненты, составляющие схемы: токоограничивающий резистор R ₁ и стабилитрон Д ₁.
Последовательно-транзисторные регуляторы.
Положительный регулятор в «A» использует транзистор NPN в качестве регулятора. Коллектор регулирующего транзистора подключен к нерегулируемому источник питания.Для правильного смещения на NPN-транзисторе положительный потенциал должен применяться к коллектору. База должна быть отрицательной по отношению к коллектор (или менее положительный). Эмиттер должен быть наиболее отрицательным (или наименьшим положительный) потенциал на транзисторе. Постоянный (эталонный) потенциал равен поддерживается на базе с помощью стабилитрона. В результате транзистор имеет прямое смещение, эмиттер к базе, и обратное смещение, коллектор к базе. Реверсивный приложенные полярности к транзистору PNP на схеме «B» рисунка выше применит правильную полярность для правильного смещения этого транзистора.
Чтобы понять регулирующее действие, представьте, что транзистор заменяет резистор R _s показан на регулятор базовой серии. С прямым уклоном приложенный к переходу эмиттер-база, транзистор проводит, в результате чего часть нерегулируемое напряжение питания, передаваемое от коллектора к эмиттеру через транзистор. Остальное нерегулируемое напряжение питания составляет разворачивается по нагрузке. Напряжение, развиваемое на нагрузке, — это регулируемое напряжение. Чтобы изменить проводящее сопротивление транзистора, надо менять прямое смещение.Увеличение прямого смещения причин увеличение проводимости и, следовательно, уменьшение проводящего сопротивления. Уменьшение прямого смещения вызывает увеличение сопротивления проводимости. Поскольку базовый потенциал поддерживается постоянным стабилитроном, единственный изменение смещения может быть вызвано попыткой изменения потенциала нагрузки, или регулируемый потенциал питания на эмиттере.
Таким образом, изменение прямого смещения дает тот же результат, что и поворот ручка потенциометра в регуляторе базовой серии.Чтобы проиллюстрировать этот момент, рассмотрим увеличение тока нагрузки. Это увеличение вызвано уменьшением сопротивления нагрузки (как при включении другого параллельный путь для тока). Напряжение нагрузки имеет тенденцию к снижению с нагрузкой сопротивление. Это рассматривается как изменение прямого смещения на регуляторе. транзистор. Поскольку напряжение эмиттера уменьшается, прямое смещение равно повысился. В результате транзистор (последовательно с нагрузкой) проводит новый более высокий ток нагрузки, и проводимость сопротивление транзистора уменьшается.Снижение сопротивления вызывает меньше напряжения питания, которое должно развиваться на транзисторе, оставляя почти такое же напряжение, доступное для нагрузки, которое было до изменение нагрузки.
Теперь рассмотрим увеличение нерегулируемого напряжения питания. Было показано Судя по характеристикам транзистора из предыдущих уроков, изменение коллектора напряжение оказывает незначительное влияние на ток коллектора.
No related posts.

Стабилизат