5.6. Методика расчета стабилизаторов напряжения

Стабилизатор напряжения рассчитывают с учетом исходных данных, основными из которых являются (см. рисунок 5.12,6): макси­мальное U_{и mах}, номинальное U_Н, минимальное U_{н min1} напряжения на выходе стабилизатора; максимальный I_{н mах}, минимальный I_{н min}, токи нагрузки; коэффициент стабилизации К_ст; выходное сопро­тивление R_щых; температурная нестабильность выходного напряже­ния; минимально допустимая амплитуда пульсации выходного напряжения U_П; технические данные на полупроводниковые при­боры.

Входное напряжение U_вх стабилизатора может быть определено с учетом максимального выходного напряжения U_{н mах} и падения напряжения U_кэ на участке коллектор-эмиттер регулирующего транзистора. При этом необходимо учитывать колебания входного напряжения U_вх, напряжение пульсации U_П (амплитудное зна­чение), падение напряжения U_в на внутреннем сопротивлении источ­ника питания (выпрямитель):

. (5.6)

Уменьшение входного напряжения U_вх выразим через относи­тельный коэффициент отклонения , т.е. .Амплитуду напряжения пульсации U_п выразим через относительный коэффициент пульсации , откуда . Подставляя эти выражения в формулу (5.6), получим

отсюда .

При питании от выпрямителя коэффициент пульсации выбирают зависимости от выходного напряжения стабилизатора: при ,а при U_H< 5 В .

Минимально допустимое напряжение на участке коллектор -эмиттер регулирующего транзистора в активном режиме выбирают из технических данных. Для трехкаскадного регулирующего эле­мента, состоящего из германиевых транзисторов, , а для трехкаскадного регулирующего элемента, состоящего из кремниевых транзисторов, В. При параллельном включение транзисторов в регулирующем элементе U_кэmin должно быть увеличено на значение падения напряжения на симметрирую­щих резисторах U_c ≈ 0,5 В. Необходимо учитывать и падение на­пряжения в выпрямителе U_B, которое зависит от входного тока I_вх и внутреннего сопротивления выпрямителя R_B, тогда U_B=I_BXR_B. Входной ток равен сумме тока нагрузки и дополнительного тока управления схемой стабилизатора, т.е. I_BX=I_H+I_Д. В свою оче­редь, дополнительный ток включает в себя токи стабилитрона и делителя . Дополнительный ток можно определить из соотношения . Внутреннее сопротивление выпря­мителя рассчитывается в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки стабилизатора. При напряжении на выходе U_я < 5 В ; при В .

На основании выбранных значений можно определить искомые напряжения, в том числе номинальное входное ; максимальное входное ; мгновенное максимальное входное ненагруженного источника ; номинальное входное нагру­женного источника ; максимальное входное нагруженного выпрямителя .

Выбор регулирующего транзистора осуществляется по макси­мальной мощности, выделяемой в нем,

Максимальное мгновенное падение напряжения на участке кол­лектор-эмиттер регулирующего транзистора

.

Сопротивление R_с учитывают только при параллельном включе­нии регулирующих транзисторов. На основании полученных значе­ний Р_кmах и U_кэmах определяют максимальный ток коллектора регулирующего транзистора, а для повышения надежности необ­ходимо выбрать транзистор с допустимым током, в раз превышающим ток нагрузки стабилизатора ( ).

При Вт в регулирующем элементе применяют параллельное соединение транзисторов. Тогда сопротивление сим­метрирующих резисторов , где N -число параллельно соединяемых транзисторов.

При меньшей мощности выясняется необходимость применения составного транзистора и числа его каскадов. Определяется максимально возможное изменение тока базы регулирующего транзисто­ра где I_н - максимально возможное изменение тока нагрузки.

Если мА, то следует применять составной транзистор, общий коэффициент которого определяется из условия

Ток I_б max выбирают равным (0,05 - 0,1) мА.

Число транзисторов составного регулирующего элемента определяют по общему коэффициенту .

Используя минимальное значение коэффициента передачи тока

мощного транзистора VТ1, найдем режимы транзистора VТЗ. Его максимальный коллекторный ток , где I_R5-ток, протекающий через резистор R5, который выбирают с учетом максимального обратного тока коллектора VT1\ в зави­симости от температуры окружающей среды:

где I_коб - обратный ток коллектора при температуре окружающей среды

T_max - максимально допустимая температура окружающей среды.

Падение напряжения на участке коллектор –эмиттер

Сопротивление резистора .

Расчет цепи обратной связи сводится в основном к расчету источника опорного напряжения, сопротивления делителя RЗR4, резистора R1 и к выбору транзистора усилителя постоянного тока. Расчет источника опорного напряжения сводится к выбору со­противления резистора R2, с помощью которого задается ток

стабилитрона VD1. Как видно из схемы (см. рисунок 5.12,6) .В процессе стабилизации будет изменяться ток стаби­литрона I_ст, и сопротивление гасящего резистора R2 необходимо

выбрать таким, чтобы выполнялось условие , тогда (ток I_к2 выбирается равным от 2 до 3 мА). Сопротивление .Максимальный ток стаби­литрона .

Сопротивление резисторов выходного делителя напряжения: .

Сопротивление делителя R_Д=R3+R4, тогда: ; .

Сопротивление резистора .

Максимальный коллекторный ток , а

мощность, рассеиваемая на транзисторе, .

Полученные значения сравнивают с предельно допустимыми для выбранного транзистора. Если они превышают их, то выбранное значение тока I_к2 снижают и расчет выполняют повторно. Остальные параметры стабилизатора определяются по выражениям (5.1)-(5.4).

Стабилизаторы напряжения с непрерывным регулированием, обладая довольно высокими качественными показателями, вместе с тем имеют сравнительно низкий к. п. д., повышение которого прак­тически невозможно без увеличения массы и габаритных размеров радиаторов регулирующих элементов. Значительное увеличение к. п. д. при снижении габаритных размеров возможно в стабилиза­торах с импульсным регулированием.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какими параметрами характеризуются стабилизаторы напряжения и тока?

2. Почему аккумуляторы в буферном режиме подразделяют на основную и дополнительную группы?

3. Что такое угол запаздывания? Как регулируется напряжение в тиристорных выпрямителях?

4. Как регулируется напряжение дросселями насыщения?

5. Как с помощью вольтодобавочного трансформатора осуществляется стаби­лизация напряжения?

6. За счет чего стабилизируется напряжение в феррорезонансных стабилизаторах напряжения?

7. В чем состоит преимущество компенсационных стабилизаторов напряжения перед параметрическими?

8. Для чего в регулирующем элементе компенсационного стабилизатора на­пряжения применяют составной транзистор?

9. Для чего в компенсационном стабилизаторе напряжения применяют диффе­ренциальный усилитель постоянного тока?

10. Как регулируется напряжение в понижающем, повышающем и полярно-инвертирующем импульсном стабилизаторе напряжения?