2.2 Выбор силового транзистора и напряжения питания

После выбора схемы стабилизатора необходимо выбрать силовой транзистор VT1. Для этого необходимо предварительно оценить предельные режимы работы, которые испытывает транзистор в данной схеме, а именно, максимальные значения тока, напряжения и мощности рассеивания.

(2.2),

где К_П – коэффициент превышения тока при перегрузке (К_П=1,1…1,2).

Для нашего варианта принимаем I_1max=1,2·2=2.4 А, U_1max=1,3·(24+6)=39 В, P_1max=2.4·(39–3)=86.4Вт.

По справочнику /11,16/ в качестве VT1 выбираем транзистор n-p-n типа, большой мощности, низкой или средней частоты, например КТ819БМ. Основные параметры транзистора КТ819БМ приведены в табл. 3.

Табл. 3

№ п/п	Параметр	Значение
1	Максимально допустимый ток коллектора IKmax	15
2	Максимально допустимое напряжение UКЭmax	40
3	Максимальная мощность рассеивания PKmax , Вт при ТК=25 °С;	100
4	Максимальная температура перехода ТПmax, °C	125
5	Максимальная температура корпуса ТKmax, °C	100
6	Коэффициент усиления по току h21Э	20
7	Напряжение насыщения UКЭнас, В	2
8	Обратный ток коллекторного перехода IКБо, мА	1
9	Граничная частота усиления fГР, Гц	1000
10	Емкость коллекторного перехода СК, пФ	1000
11	Время выключения tВЫК, мкс	2,5
12	Тепловое сопротивление переход-корпус RTп-к, °С/Вт	1,0

Внешний вид транзистора представлен на рис. 6.

Рис. 6. Транзистор КТ819БМ

Определим минимально необходимое напряжение питания при условии обеспечения максимального напряжения на нагрузке

(2.3)

где U_RЭ – падение напряжения на выравнивающем резисторе R_Э в случае использования параллельного соединения нескольких транзисторов;

U_H – ожидаемый коэффициент нестабильности напряжения на нагрузке.

Согласно рекомендациям /4/ падение напряжения на выравнивающих резисторах выбирается как U_RЭ=(0,1…0,15)U_КЭнас. Поскольку в справочных данных не приводится значение напряжения между базой и эмиттером силового транзистора VT1, принимаем U_БЭU_КЭнас. Падение напряжения на резисторном шунте R10 выбирается равным напряжению отпирания защитного транзистора VT9 микросхемы A1 /5/.

Необходимое номинальное напряжение питания:

(2.4)

где b_C – коэффициент снижения напряжения сети; U_П – коэффициент пульсаций напряжения питания.

Максимальное напряжение питания:

(2.5)

где a_C – коэффициент увеличения напряжения сети.

Мощность, рассеиваемая на транзисторе:

(2.6)

Для рассматриваемого варианта U_Пmin=24·(1+0,04)+2+0,2+0,7=27,86 В, U_П=27,86/[(1–0,1)·(1–0,04)]=32,25 В, U_Пmax=32,25·(1+0,1)·(1+0,04)=36,89 В.

На основании полученных данных проверим правильность выбора транзистора по напряжению VT1, U_КЭmax>36,89 В. При напряжении на нагрузке U_H=24 В имеем Р₁=(32,25·(1+0,1)–24–0,2–0,7)·2,4=25,38 Вт. При U_H=3 В, Р₁=(32.25·(1+0,1)–3–0,2–0,7)·2,4=75,78 Вт. Для увеличения теплоотдачи силовые транзисторы устанавливают на внешние радиаторы. Согласно рекомендациям /6–8/ рассеиваемая мощность радиатора с одним транзистором в режиме естественной конвекции принимается не более 20 Вт, в режиме вынужденной конвекции (обдув вентилятором) – до 100 Вт. В данном проекте принимаем режим естественной конвекции как наиболее распространенный в источниках питания. Из расчета мощности видно, что в качестве силового элемента схемы необходимо применить несколько параллельно соединенных транзисторов. Предварительно полагаем, что максимально допустимая мощность рассеивания на них P_VT1max=(25,38 +75,78 )/2≈60 Вт. Пусть количество параллельных транзисторов N_VT1=60/20=3. Определим минимальное напряжение на нагрузке, при котором мощность рассеивания на регулирующем элементе не превышает P_VT1max. Из (6) имеем

(2.7)

Для нашего случая U_H1min=32,25·1,1–0,2–0,7–60/2,4=9,58 В. Данное значение является минимально возможным выходным напряжением для питающего напряжения U_П=32,25 В. Для обеспечения выходного напряжения ниже 9,58 В (второй диапазон регулирования) необходимо использовать меньшее напряжение питания. Напряжение питания второго диапазона можно определить из выражений (2.3) и (2.4), в которых максимальное значение выходного напряжения принимается равным минимальному значению этого напряжения в первом диапазоне регулирования U_H2max=U_H1min=10 В. Используя формулы (2.3) и (2.4) имеем: U_П2min=10·(1+0,04)+2+0,2+0,7=12.94 В, U_П2=12.94/[(1–0,1)·(1–0,04)]=14.97 В.

Минимально возможное напряжение на нагрузке во втором диапазоне найдется из выражения (2.7): U_H2min=14.97·1,1–0,2–0,7–60/2.4 < 0В. Оно меньше заданного U_Hmin=3 В, поэтому достаточно двух дискретных диапазонов регулирования U_H2=3…10 B, U_H1=10…24 B, для которых используются разные напряжения питания U_П2=33В, U_П1= 10 В.