Размещено на http://www.allbest.ru/

Проектирование стабилизированных источников питания электронной аппаратуры различного назначения

Введение

Для работы электронных устройств (ЭУ) ответственного назначения необходимы стабилизированные источники питания, которые используются для питания анодных цепей электронных ламп, транзисторных и интегральных схем, различных цепей смещения и т.п.

Структурная схема стабилизированного источника питания ЭУ

Основными частями стабилизированного источника питания являются выпрямитель и стабилизатор постоянного напряжения (СПН)

Выпрямитель состоит из следующих элементов

- силового трансформатора;

- схемы выпрямления;

- сглаживающего фильтра.

Силовой трансформатор служит для повышения или понижения напряжения сети до необходимой величины. Схема выпрямления состоит из одного или нескольких вентилей, обладающих односторонней проводимостью тока и выполняющих основную функцию выпрямителя - преобразование переменного тока в постоянный (пульсирующий). Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного тока. Стабилизатор постоянного напряжения предназначен для автоматического поддержания с требуемой точностью постоянного напряжения на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Целью работы является синтезирование блока питания с компенсационным стабилизатором напряжения (КСН). 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.

Принимаем КСН последовательного типа, со следующей функциональной схемой.

Размещено на http://www.allbest.ru/

КСН состоит из следующих функциональных блоков: регулирующего элемента (РЭ); схемы сравнения (СС), включающей в себя источник опорного напряжения и сравнивающий делитель, вырабатывающий сигнал рассогласования между выходным и опорным напряжениями; усилителя постоянного тока (У), усиливающего сигнал рассогласования между выходным и опорным напряжениями и управляющего работой регулирующего элемента.

Основными параметрами, характеризирующими стабилизатор, являются:

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

где:

U_вх и U_вых - номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора.

ДU_вх и ДU_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.

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

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.

1. Исходные данные для расчета

Номинальное напряжение питающей сети U_с = 220 В

Частота питающей сети ?_с = 50 Гц

Отклонения напряжения сети от номинального а = ±3%

Номинальное выходное напряжение стабилизатора U_вых = 30 В

Минимальное выходное напряжение стабилизатора U_вых.min = 15 В

Максимальное выходное напряжение стабилизатора U_вых.max = 40 В

Максимальный ток нагрузки I_н.max = 4 А

Минимальный ток нагрузки I_н.min = 0

Коэффициент стабилизации К_ст = 1000

Выходное сопротивление r_i = 0,01 Ом

Допустимая амплитуда пульсаций выходного напряжения U_вх~ = 3 мВ

Изменение выходного напряжения при работе в заданном диапазоне температур ДU_вых(t) = 0,3 мВ/°С.

Температурный диапазон: t_окр = -20..+ 40°C.

2. Расчет силовой части стабилизатора

Так как требуется высокий коэффициент стабилизации и маленькое температурное отклонение напряжения, применяем следующую принципиальную схему КСН

Регулирующим элементом служит составной транзистор. В качестве усилительного элемента обратной связи применяем дифференциальный усилитель постоянного тока, в котором происходит компенсация температурного дрейфа.

Источником питания усилителя служит источник тока на транзисторе.

Определяем максимальный коллекторный ток регулирующего транзистора

I_кр1.max = I_н.max + I_вн = 4 + 0,02 = 4,02 А

где I_вн = 20..30 мА - ток, потребляемый схемой стабилизатора.

Так как усилитель постоянного тока питается от входа стабилизатора через стабилизатор тока принимаем в качестве VD1 2 диода Д223Б с параметрами:

Допустимое обратное напряжение U_обр = 150 В

Среднее значение выпрямленного тока I_VD1ср = 0,05 А

Падение напряжения в прямом направлении U_VD1.max = 1 В

Зададимся минимальным напряжением регулирующего транзистора.

U_кэ1.min = U_VD1 + (2..3) = nU_VD1.max + (2..3) = 21 + 2 = 2 + 2 = 4 B,

где U_VD1 = nU_VD1.max - падение напряжения в диодном плече VD1 стабилизатора тока;

n = 2 - количество диодов в плече;

Амплитуда пульсаций напряжения на входе КСН:

U_~ = (0,05.. 0,1)(U_вых.max + U_кэ1.min) = 0,05(40 + 4) = 3,85 B

Напряжения на входе стабилизатора минимальное

U_вх.min = U_вых.max + U_кэ1.min + U_вх~ = 40 + 4 + 3,85 = 47,85 B

номинальное

Uвх =	Uвх.min	=	47,85	= 49,33 В
	1 - а		1 - 0,03

максимальное

U_вх.max = U_вх(1 + а) = 49,33 (1 + 0,03) = 50,81 В

Максимальное напряжение на входе КСН при минимальной силе тока нагрузки

Uвх.м.max = Uвх.max + (Iн.max - Iн.min)ro = 50,81 + (4 - 0)0,07	49,33	= 53,28 В
	4

где r_o = (0,05.. 0,15)U_вх/I_н.max - ориентировочное внутреннее сопротивление выпрямителя с фильтром

Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером регулирующего транзистора

U_кэ1.max = U_вх.м.max - U_вых.min = 53,28 - 15 = 38,28 В

Максимальная мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором

Р_кр1.max = (U_вх.max - U_вых.min) I_кр1.max = (50,81 - 15) 4,02 = 143,96 Вт

В качестве VT1 принимаем n_пар = 4 параллельных транзистора 2Т825 Б (n-p-n) с параметрами U_кэ.max = 60 B, I_к.max = 20 A

P_к.max = 160 Вт (с теплоотводом)

Коэффициент передачи по току

h_21э = в = 750..18000

Максимальный обратный ток коллектора

I_к0.max = 20 мА

Максимальная температура перехода

t_п.max = 175°C

Тепловое сопротивление «переход-корпус»

R_{t п-к} = 1,2°С / Вт

Мощность рассеиваемая каждым транзистором

Р'_кр1.max = Р_кр1.max/n_пар = 143,96/4 = 35,99 Вт

Площадь теплоотвода:

S'VT1 =	Р'кр1.max	=
	kt[tп.max - tокр.max - Р'кр1.max (Rt п-к + Rt к-m)]

=	35,99	= 1307 см2 < 1500 см2
	0,0003 [175 - 40 - 35,991,2]

Для выравнивания силы токов парараллельно включенных транзисторов в цепи эмиттеров вводим симметрирующие резисторы

Для транзистора 2Т825 Б падение напряжения «коллектор-эмиттер» при токе I_кр1.max = 4А

U_кэ = 2 B.

Сопротивление симметрирующего резистора

R_с = n_парU_кэ/I_кр1.max = 42/4 = 2,000 Ом

Мощность, выделяемая резистором

P_Rc = [I_кр1.max/ n_пар]² R_c = [4,02/ 4]² 2 = 2,02 Вт

Уточняем значения напряжений с учетом симметрирующих сопротивлений

U_Rc = [I_кр1.max/ n_пар]R_c = [4,02/ 4]2 = 2,68 В

U_вх.min = U_вых.max + U_кэ1.min + U_вх~ + U_Rc = 40 + 4 + 3,85 + 2,68 = 50,53 B

Uвх =	Uвх.min	=	50,53	= 52,09 В
	1 - а		1 - 0,03

U_вх.max = U_вх(1 + а) = 52,09 (1 + 0,03) = 53,66 В

Uвх.м.max = Uвх.max + (Iн.max - Iн.min)ro = 53,66 + (4 - 0)0,07	52,09	= 56,26 В
	4

U_кэ1.max = U_вх.м.max - U_вых.min = 56,26 - 15 = 41,26 В

Определяем количество каскадно включенных транзисторов, входящих в составной регулирующий транзистор.

Базовый ток составного регулирующего транзистора должен быть на порядок меньше коллекторного тока усилителя ПТ обратной связи. Так как в качестве VTy могут быть использованы маломощные транзисторы, то значение I_кy принимаем равным 2..5 мА.

Тогда ток базы составного регулирующего транзистора не должен превышать 0,2.. 0,5 мА.

Определяем суммарный максимальный и минимальный базовые токи параллельно включенных транзисторов VT1:

Iб1.max = У I'б1.max =	Iкр1.max	=	4,02	= 5,3610-3 А
	в1min		750



Iб1.min = У I'б1.min =	Iкр1.min	=	0,02	= 0,00110-3 А
	в1max		18000

Ток через резистор R_б1:

I_Rб1 = (1..15)n_пар (I_к0.1.max - I_б1.min) = 1,54 (20 - 0,001)10^-3 = 120,010^-3 А

Сопротивление резистора R_б1:

Rб1 =	Uвых.min	=	15	= 125,01 Ом
	IRб1		120,010-3

Принимаем по Е24 R_б1 = 120 Ом

Мощность резистора R_б1:

РRб1 =	(Uвых.max)2	=	402	= 13,33 Вт
	Rб1		120

Находим условия работы транзистора VT2:

Iк2.max ? Iэ2.max = Iб1.max+IRб1.max=Iб1.max+	Uвых.max	=5,3610-3+	40	= 0,339 А
	Rб1		120

U_кэ2.max ? U_кэ1.max = 41,26 В

Р_кр2.max = (U_вх.max - U_вых.min) I_к2.max = (53,66 - 15) 0,339 = 13,09 Вт

В качестве VT2 принимаем транзистор КТ805Б (n-p-n) с параметрами

U_кэ.max = 135 B

I_к.max = 8 A

P_к.max = 30 Вт (с теплоотводом)

Коэффициент передачи по току

h_21э = в = 15..35

Максимальный обратный ток коллектора

I_к0.max = 5 мА

Максимальная температура перехода

t_п.max = 150°C

Тепловое сопротивление перехода

R_t = 35°С / Вт

Тепловое сопротивление «переход-корпус»

R_{t п-к} = 3,3°С / Вт

Тепловое сопротивление «корпус-среда»

R_{t к-m} = 0,4°С / Вт

Рассчитываем предельную мощность, которую может рассеивать транзистор без теплоотвода при максимальной температуре среды

Рпред =	tп.max - tокр.max	=	150 - 40	= 3,14 Вт
	Rt		35

Поскольку Р_кр2.max > Р_пред рассчитываем теплоотвод

Площадь теплоотвода:

SVT2 =	Ркр2.max	=
	kt[tп.max - tокр.max - Ркр2.max (Rt п-к + Rt к-m)]

=	13,09	= 532 см2
	0,0004 [150 - 40 - 13,09(3,3 + 0,4)]

Определяем максимальный и минимальный базовые токи транзистора VT2:

Iб2.max =	Iк2.max	=	0,339	= 22,610-3 А
	в2min		15



Iб2.min =	Iкр1.min	+	IRб1	=	0,02	+	120,010-3	= 3,4310-3 А
	в1min в2max		в2max		75035		35

Ток через резистор R_б2:

I_Rб2 = (1..15) (I_к0.2.max - I_б2.min) = 1,5 (5 - 3,43)10^-3 = 2,3610^-3 А

Сопротивление резистора R_б2:

Rб2 =	Uвых.min	=	15	= 6366,0 Ом
	IRб2		2,3610-3

Принимаем по Е24 R_б2 = 6800 Ом = 6,8 кОм

Мощность резистора R_б2:

РRб2 =	(Uвых.max)2	=	402	= 0,24 Вт
	Rб2		6800

Находим условия работы транзистора VT3:

Iк3.max =	Iк2.max	+	Uвых.max	=	0,339	+	40	= 15,5610-3 А
	в2max		Rб2		35		6800

U_кэ3.max = U_кэ2.max ? U_кэ1.max = 41,26 В

Р_кр3.max = (U_вх.max - U_вых.min) I_к3.max = (53,66 - 15) 15,5610^-3 = 0,601 Вт

В качестве VT3 принимаем транзистор КТ807Б (n-p-n) с параметрами

U_кэ.max = 100 B

I_к.max = 0,5 A

P_к.max = 10 Вт (без теплоотвода)

Коэффициент передачи по току

h_21э = в = 60..200

Максимальный обратный ток коллектора

I_к0.max = 0,03 мА

Максимальная температура перехода

t_п.max = 150°C

Тепловое сопротивление перехода

R_t = 120°С / Вт

Рассчитываем предельную мощность, которую может рассеивать транзистор без теплоотвода при максимальной температуре среды

Поскольку Р_кр3.max < P_к.max тепловой расчет не требуется

Максимальный входной ток базы составного регулирующего транзистора

Iб3.max =	Iк3.max	=	15,56	= 0,26 мА
	в3min		60

Входной ток базы соответствует ранее выбранным пределам (0,2.. 0,5 мА). Принимаем три каскадно включенных транзистора в составном регулирующем транзисторе.

3. Расчет измерительного и усилительного элементов

Стабилитрон VD_оп, используемый в качестве источника опорного напряжения выбираем из условия максимального напряжения:

U_оп.max ? U_вых.min - (2..3B) = 15 - 3 = 12 B

Выбираем стабилитрон Д818Б с параметрами:

Среднее напряжение стабилизации

U_ст.ср = 8,3 В

U_ст.min = 7,65 В

U_ст.max = 9 В

I_ст.min = 3 A

I_ст.max = 32 A

Температурный коэффициент

н_ст.max = -0,02%/°C

Гасящее сопротивление опорного стабилитрона усилителя ПТ:

RГ2 =	Uвых.min - Uст.max	=	15 - 9	= 2000 Ом
	Icт.min		310-3

Принимаем по Е24 R_Г2 = 2000 Ом = 2 кОм

Мощность резистора R_Г2:

РRГ2 =	(Uвых.max - Uст.min)2	=	(40 - 7,65)2	= 0,523 Вт
	RГ2		2000

Задаемся максимальным током коллектора транзисторов VT_y1, VT_y2 усилителя ПТ обратной связи в пределах 2..5 мА

I_ку1.max = I_ку2.max = I_ку.max = 2 мА

Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером

U_кэу1.max = U_кэу2.max = U_кэу.max = U_вх.max - U_ст.min = 53,66 - 7,65 = 46,01 B

Мощность, рассеваемая коллектором

P_ку1.max = P_ку2.max = P_ку.max = U_кэу.max I_ку.max = 46,01210^-3 = 0,092 Вт = 92 мВт

В качестве VTу1 и VTу2 принимаем транзисторы КТ301A (n-p-n) с параметрами

U_кэ.max = 20 B

I_к.max = 10 мA

P_к.max = 150 мВт (при 75°С)

Коэффициент передачи по току

h_21э = в = 40..120

Максимальный обратный ток коллектора

I_к0.max = 10 мкА

Максимальная температура перехода

t_п.max = 120°C

Поскольку P_ку.max < P_к.max тепловой расчет не ведем.

Эмиттерное сопротивление усилителя ПТ

Rэу =	Uст.min	=	7,65	= 1912,50 Ом
	2Iку.max		2210-3

Принимаем по Е24 R_эу = 2000 Ом

Мощность резистора R_эу:

РRэу =	(Uст.max)2	=	92	= 0,0405 Вт
	Rэу		2000

Рассчитываем стабилизатор тока, являющийся нагрузкой усилителя ПТ обратной связи.

Минимальный ток выпрямления через диод VD1 соответствующий на вольтамперной характеристике Д223Б минимальному току линейного участка равен: I_VD1.min = 5 мА.

Гасящее сопротивление стабилизатора тока:



RГ1 =	Uвых.min - UVD1	=	15 - 2	= 2600,00 Ом
	IVD1.min		510-3

Принимаем по Е24 R_Г1 = 2700 Ом

Мощность резистора R_Г1:

РRГ1 =	(Uст.max)2	=	92	= 0,988 Вт
	RГ1		2700

Так как транзистор VTc маломощный принимаем среднее напряжение «база-эмиттер»

U_бэ.с = 0,7 В

Эмиттерное сопротивление стабилизатора тока:

Rэ1 =	UVD1 - Uбэ.с	=	2 - 0,7	= 746,8 Ом
	Iку.max + Iб3.max		210-3 + 0,2610-3

Принимаем по Е24 R_э1 = 820 Ом

Мощность резистора R_э1:

РRэ1 =	(UVD1 - Uбэ.)2	=	(2 - 0,7)2	= 0,002 Вт
	Rэ1		820

Находим условия работы транзистора VTс:

I_кс.max = I_ку.max + I_б3.max = 210^-3 + 0,2610^-3 = 10,2593210^-3 А

U_кэ.с.max = U_кэ1.max - U_VD1 = 41,26 - 2 = 36,28 В

Р_кс.max = U_кэ.с.max I_кс.max = 36,28 10,2593210^-3 = 0,372 Вт = 372 мВт

В качестве VTс принимаем транзистор КТ203Б (n-p-n) с параметрами

U_кэ.max = 30 B

I_к.max = 10 мA

P_к.max = 150 мВт (при 75°С)

Коэффициент передачи по току

h_21э = в = 30..100

Максимальный обратный ток коллектора

I_к0.max = 15 мкА

Максимальная температура перехода

t_п.max = 150°C

Поскольку P_кс.max < P_к.max тепловой расчет не ведем.

Рассчитываем максимальную силу тока стабилитрона VD_оп:

IVDоп.max =	Uвых.max - Uст.min	+ Iку.max =	40 - 7,65	+ 210-3 = 16,1810-3 А = 16,18мА< Iст.max
	RГ2		2000

Принимаем ток измерительного делителя напряжения равным I_дел = 2 мА

Находим коэффициенты

бmin =	Uст.min	=	7,65	= 0,201
	Uвых.max		40

бmax =	Uст.max	=	9	= 0,600
	Uвых.min		15

Ориентировочное сопротивление делителя

Rдел =	Uвых.min	=	15	= 7500 Ом
	Iдел		210-3

R_д2 = б_min R_дел = 0,2017500 = 1506,09375 Ом

Принимаем по Е24 R_д2 = 1500 Ом

P_Rд2 = R_д2 I_дел² = 1500(210^-3)² = 0,0060 Вт

R_д1 = (1 - б_max) R_дел = (1 - 0,600)7500 = 3000 Ом

Принимаем по Е24 R_д1 = 3000 Ом

P_Rд1 = R_д1 I_дел² = 3000(210^-3)² = 0,012 Вт

R_п ? R_дел - R_д1 - R_д2 = 7500 - 1500 - 3000 = 3000 Ом

Принимаем по Е24 R_п = 3000 Ом

Пересчитаем сопротивление делителя

R_дел = R_д1 + R_д2 + R_п = 1500 + 3000 + 3000 = 7500 Ом.

4. Расчет температурной компенсации

стабилизированный питание транзистор ток

Температурную компенсацию выполняем включением в плечо делителя компенсационного диода VDk, если расчетное значение температурного коэффициента стабилизатора больше заданного. Если ТКС положителен включаем компенсирующий диод в верхнее плечо, если отрицателен, то в нижнее.

Максимальный ТКН опорного стабилитрона:

г_оп.max = н_ст.maxU_ст.ср = -0,028,3 = -1,66 мВ/°С

Для маломощных транзисторов VTy1, VTy2 усилителя ПT максимальный и минимальный температурные коэффициенты перехода «база-эмиттер» принимаем равными:

г_бэ.у.min = -1,9 мВ/°С

г_бэ.у.max = -2,5 мВ/°С

Вычисляем максимальный ТКС при отсутствии термокомпенсирующих диодов

гmax =	Uвых(гоп.max - гбэ.у.min + гбэ.у.max)	=	30 [-1,66 - (-1,9) +(-2,5)]	= -7,33 мВ/°С
	Uст.max		9

Уточняем силу тока делителя

Iдел =	Uвых	=	30	= 4,00 мА
	Rдел		7500

Выбираем в качестве компенсирующего диод Д814Б и по графику рис. 2.1 [1] при токе 4,00 мА находим температурный коэффициент диода г_k = -1,85 мВ/°С

Рассчитываем количество компенсирующих диодов

Nk =	Uвыхгоп.max	=	-1,6630	= 3,2
	Uст.maxгk		-1,859

Принимаем в нижнем плече 4 диода Д814Б.

Принимая, что термокомпенсирующие диоды имеют разброс температурного коэффициента Дг = ±0,1 мВ/°С, находим минимальный температурный коэффициент термокомпенсирующего диода

г_k.min = г_k + Дг = -1,85 + 0,1 = -1,75 мВ/°С

Наибольший температурный коэффициент стабилизатора при наличии термокомпенсации:

г_k.max = г_max - N_k г_k.min = -7,33 - 4(-1,75) = -0,33 мВ/°С

Расчетное значение приблизительно равняется заданному 0,3 мВ/°С.

Выводы

В результате выполнения курсовой работы был получен стабилизированный источник питания с высоким коэффициентом стабилизации. Конструкция источника питания получилась громоздкой. Но благодаря развитию импульсной техники большинство маломощных источников питания обладает импульсным принципом работы. При этом снижаются габариты, и повышается КПД источников питания.

Список литературы

1. Электротехника и основы электроники: Учебное пособие по курсовому проектированию для студентов специальностей 2102 всех форм обучения / Норильский индустр. ин-т./ М.А. Авербух, А.Г. Карпов - Норильск, 2008.

2. Полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения и тока. - М. Сов. Радио. 1980.

3. Справочник по полупроводниковым диодам транзисторам и интегральным схемам/ Под ред. Н.Н. Горюнова - М. Энергия, 1977.

4. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник/ Под ред. Н.Н. Горюнова - М. Энергоиздат, 1982.

5. Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет/ Под ред. С.Д. Додика и Е.И. Гальперина - М. Сов. Радио. 1968.

Размещено на Allbest.ru