3 Расчет схемы блока питания
Однофазный стабилизированный источник питания, подключаемый к сети переменного тока 220В, содержит: трансформатор, выпрямитель на полупроводниковых диодах, сглаживающий емкостный фильтр, и стабилизатор выходного напряжения. Структурная схема источника питания представлена на рисунке 8.
Рисунок 9 − Структурная схема источника питания
3.1 Расчет стабилизатора напряжения и выбор элементов схемы
Таблица 1– Исходные данные
Напряжение на выходе стабилизатора Uн , В |
Ток нагрузки Iн , А |
Коэффициент пульсаций напряжения Кп , % |
24 |
1 |
5 |
3.1.1 Cоставим приблизительную схему компенсационного стабилизатора напряжения (рисунок 10). После проведения расчета данная схема будет доработана.
Данная схема состоит из регулирующего элемента, источника опорного напряжения и усилителя обратной связи. Роль регулирующего элемента играет комплиментарный транзистор (состоит из двух транзисторов VT2 и VT3). Источник опорного напряжения – VD1, R1, R2, VT1. Усилитель обратной связи – R4, VD2, VT4, R5, R6, R7.
Рисунок 10 – Схема стабилизатора с усилителем в цепи обратной связи
3.1.2 Определяем наименьшее напряжение на входе стабилизатора
, (3)
где
–
минимальное напряжение на регулирующем
транзисторе VT3.
Исходя из того, что VT3 предположительно кремниевый, то выбираем в пределе 2…5 В.
Подставляя численные значения в формулу (3), получим
В.
3.1.3 Учитывая нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора 10%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:
; (4)
. (5)
Подставляя численные значения в формулы (4) и (5), получим
В;
В.
3.1.4 Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер VT3
. (6)
Подставляя численные значения в формулу (6), получим
В.
3.1.5 Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT3, равняется
. (7)
Подставляя численные значения в формулу (7), получим
Вт.
По полученным
значениям
,
Iн,
P3
выбираем тип регулирующего транзистора
VT3
и выписываем его параметры (таблица 2).
Таблица 2 − Параметры транзистора VT3
Тип прибора |
Iк.max , А |
Pк.max , Вт |
Uкэmax , В |
h21э |
Uкэ.нас |
КТ817А |
3 |
10 |
40 |
40 – 70 |
0,6 |
3.1.6 Определяем ток базы транзистора VT3
, (8)
где
–
коэффициент передачи тока базы.
Подставляя численные значения в формулу (8), получим
А.
3.1.7 Определяем напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT3 по выходным (рисунок 11) и входной характеристикам (рисунок 12).
Рисунок 11 – Семейство выходных характеристик транзистора КТ817А
Рисунок 12 – Входная характеристика транзистора КТ817А
Напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT3
В.
3.1.8 Определяем начальные данные для выбора транзистора VT2. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер VT2
. (9)
Подставляя численные значения в формулу (9), получим
В.
3.1.9 Ток коллектора VT2 состоит из тока базы VT3 и тока потерь, который протекает через резистор R3
. (10)
Подставляя численные значения в формулу (10), получим
А
= 15,5 мА.
3.1.10 Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT2, равняется
. (11)
Подставляя численные значения в формулу (11), получим
Вт.
По полученным
значениям
,
,
Р2
выбираем тип транзистора VT2
и выписываем его параметры (таблица 3).
Таблица 3 − Параметры транзистора VT2
Тип прибора |
Iк.max , А |
Pк.max , Вт |
Uкэmax , В |
h21э |
Uкэ.нас |
2Т603Б |
0,3 |
0,5 |
30 |
40 – 70 |
0,6 |
3.1.11 Рассчитываем ток базы VT2
. (12)
Подставляя численные значения в формулу (12), получим
А
= 0,23 мА.
3.1.12 Находим сопротивление резистора R3
, (13)
где
– ток, протекающий через резистор R3.
Подставляя численные значения в формулу (13), получим
Ом
.
Выбираем ближайший по стандарту номинал с учетом рассеиваемой на резисторе мощности:
. (14)
Подставляя численные значения в формулу (14), получим
Вт.
В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор МЛТ-0,12 51 кОм 5%.
3.1.13 Источником эталонного напряжения берем параметрический стабилизатор напряжения на кремневом стабилитроне VD2 из расчета[4]:
В. (15)
Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры (таблица 4).
Таблица 4 − Параметры полупроводникового стабилитрона
Тип |
Uст.ном , В |
Iст.мin , мА |
Iст.ср , мА |
Iст.мах , мА |
rст , Ом |
КС218Ж |
18 |
0,5 |
3,7 |
6,9 |
70 |
3.1.14 Вычисляем сопротивление резистора R4:
. (16)
Подставляя численные значения в формулу (16), получим
Ом.
3.1.15 Мощность, рассеиваемая на резисторе R4, равняется
. (17)
Подставляя численные значения в формулу (17), получим
Вт.
В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор МЛТ-0,12 1,8 кОм 5%.
3.1.16 Определяем начальные данные для выбора транзистора VT4. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер транзистора
. (18)
Подставляя численные значения в формулу (18), получим
В.
3.1.17 Задаем ток коллектора VT4 меньшим нежили средний стабилитрона VD2
А.
3.1.18 Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT4:
. (19)
Подставляя численные значения в формулу (19), получим
Вт.
По полученным
значениям
,
,
выбираем
тип транзистора и выписываем его
параметры (таблица 5)
Таблица 5 − Параметры транзистора VT4
Тип прибора |
Iк.max , А |
Pк.max , Вт |
Uкэmax , В |
h21э |
Uкэ.нас |
КТ312В |
0,03 |
0,22 |
15 |
50 |
0,6 |
3.1.19 Рассчитываем ток базы VT4
. (20)
Подставляя численные значения в формулу (20), получим
.
Ток последовательно соединенных резисторов R5, R6, R7 берем равным
. (21)
3.1.20 Определяем суммарное сопротивление делителя:
Ом. (22)
3.1.21 Находим сопротивления резисторов:
Ом;
Ом; (23)
Ом.
В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор R5 МЛТ-0,12 24 кОм 5%, резистор R7 типа МЛТ-0,12 51кОм 5%. Резистор R6 выбираем СП3-44 0,25 Вт 8,2 кОм.
3.1.22 Рабочее напряжение стабилитрона VD1 определяем из соотношения
. (24)
Подставляя численные значения в формулу (24), получим
В.
Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры (таблица 6).
Таблица 6 − Параметры полупроводникового стабилитрона VD1
Тип прибора |
Uст.ном , В |
Iст.мin , мА |
Iст.ср , мА |
Iст.мах , мА |
rст , Ом |
КС133А |
3,3 |
3 |
42 |
81 |
65 |
3.1.23 Вычисляем сопротивление резистора R1:
. (25)
Подставляя численные значения в формулу (25), получим
Ом.
3.1.24 Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, равняется
.
(26)
Подставляя численные значения в формулу (26), получим
Вт.
В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор МЛТ-0,12 680 Ом 5%.
3.1.25 Определяем начальные данные для выбора транзистора VT1. Рассчитываем ток коллектора транзистора VT1
. (27)
Подставляя численные значения в формулу (27), получим
А.
3.1.26 Находим напряжение коллектор-эмиттер VT1
, (28)
где
–
падение напряжения на резисторе R2.
Подставляя численные значения в формулу (28), получим
В.
3.1.27 Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзисторa VT1,
. (29)
Подставляя численные значения в формулу (29), получим
Вт.
По полученным
значениям
,
,
выбираем тип транзистора VT1
и выписываем его параметры (таблица 7)
Таблица 7 − Параметры транзистора VT1
Тип прибора |
Iк.max , А |
Pк.max , Вт |
Uкэmax , В |
h21э |
Uкэ.нас |
КТ312В |
0,03 |
0,22 |
15 |
50 |
0,6 |
3.1.28 Рассчитываем сопротивление резистора R2
. (30)
Подставляя численные значения в формулу (30), получим
Ом.
3.1.29 Мощность, рассеиваемая на резисторе R2, равняется
.
(31)
Подставляя численные значения в формулу (31), получим
Вт.
В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор МЛТ-0,12 9,1 кОм 5%.
3.1.30 Определяем ток на входе стабилизатора:
; (32)
А.
3.1.31 Определяем коэффициент усиления напряжения усилителя:
, (33)
где
– входное сопротивление транзистора
VT4,
равное 208,3 Ом.
Подставляя численные значения в формулу (33), получим
.
3.1.32 Рассчитываем величину пульсаций на выходе:
, (34)
где
– коэффициент передачи напряжения
транзистора, равный 3,84.
Подставляя численные значения в формулу (34), получим
В.
3.1.33 Рассчитываем коэффициент пульсаций:
. (35)
Подставляя численные значения в формулу (35), получим
.
3.1.34 Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:
; (36)
0,35% < 5%.
Найденные параметры удовлетворяют заданным условиям.