Б.1 Расчет маломощного стабилизатора напряжения

Исходные данные:

Напряжение на нагрузке: U _н = 12 В;

Ток нагрузки: I _н = 50 мА;

Расчет схемы стабилизатора (см. рисунок 4.13) проводится в направлении «с выхода на вход».

1. Определение мощности нагрузки Р_н.

Р_н= U _н^. I _н=12^.0,05=0,6Вт.

2. Определение номинальной мощности стабилизатора Р₀.

Р₀ > К_з^. Р_н,

где К_з =(1,5...3) –коэффициент запаса мощности.

Принимаем К_з=2; Р₀=2^.0,6=1,2Вт.

3. Выбор величины напряжения Е_нест.

Е_нест=(1,5...3)U_н.

Принимаем Е_нест=2U_н=12^.2=24В.

4. Определение требуемого коэффициента усиления тока базы ß_i транзистора VT1.

ß_i=I_н/ I^оу _вых =50/5=10.

Здесь I^оу _вых=(3...5)мА – выходной ток ОУ.

5. Выбор транзистора усилителя мощности.

Выбор транзистора VT1 осуществляется по максимально допустимому току коллектора I_km, напряжению коллектор–эмиттер U_кэ, рассеиваемой мощности на коллекторе Р_к и коэффициенту усиления тока базы ß=ß_i.

Выбираем транзистор КТ815А (ß=10...30; I_km=3A; U_кэ=25В).

6. Определение величины эмиттерного резистора R2

R2= U _н/I_э0=12/0.1^.10^-3=120 кОм,

где I_э0–обратный эмиттерный ток транзистора (для транзистора КТ815 I_э0=0,1 мА) [4].

7.Определение мощности резистора R2 P_R2

P_R2= I² _э0^.R2=0,01^.10^-6.10⁵=1мВт.

8. Выбор операционного усилителя.

Выбираем операционный усилитель К140 УД14А. Данный ОУ имеет внутреннюю защиту от короткого замыкания на выходе и высокое входное сопротивление.

9. Расчет балластного резистора источника опорного напряжения стабилизатора.

Выбираем стабилитрон VD1 типа Д814Г с напряжением стабилизации U_ст=12В (в соответствии с исходными данными) при токе стабилизации I_ст=(3...20мА) [4]. Принимаем для расчета I_ст=6мА.

Определяем величину балластного резистора R1 и его мощность P_R1

R1=(Е_нест-U_ст)/I_ст= (24-12)/6^.10^-3=2 кОм;

P_R1= I² _ст^.R1=36^.10^-6. 2^.10³=72 мВт

Б.2 Расчет мощного стабилизатора с малыми пульсациями

Исходные данные:

Напряжение на нагрузке: U _н = 5 В;

Ток нагрузки: I _н = 3 А;

Диапазон регулирования: D _р = 50 %.

Заданные технические характеристики обеспечивает стабилизатор с высоким коэффициентом стабилизации (см. рисунок 4.14). Выбираем интегральный ОУ с малым температурным коэффициентом напряжения смещения ( например, К 140 УД 14 А).

Расчет стабилизатора (см. рисунок 4.14) ведется в следующей последовательности.

1. Определение мощности нагрузки Р_н.

Р_н= U _н^. I _н= 5^.3 = 15 Вт.

2. Определение номинальной мощности стабилизатора Р₀.

Р₀ > К_з^. Р_н,

где К_з =(1,5...3) –коэффициент запаса мощности.

Принимаем К_з=2; Р₀=2^.15 =30 Вт.

3. Выбор нестабилизированного напряжения

Е _нест = (1,5... 3)U_н.

Принимаем Е_нест = 2,5^.Uн =2,5^.5= =12,5В.

3. Определение минимального U_min и максимального U_max напряжения на выходе стабилизатора

U_min = U_н - U;

U_max = U_н + U,

где U = (D_p^. U_н)/100.

U = 50^.5/100 = 2,5 В;

U_min = 5 - 2.5 = 2.5 В;

U_max = 5 + 2.5 = 7.5 В.

Примечание.

Исходя из величины U_min = 2.5В параметрический стабилизатор опорного напряжения реализуется на кремниевых стабилитронах КС 107А (выбранный стабилитрон имеет напряжение стабилизации U_ст = 0,7 В при токе стабилизации I_ст = 3...20 мA). Стабилитроны включены в прямом направлении через ограничивающий резистор, обеспечивающий необходимый ток стабилизации стабилитрона. Для обеспечения минимального значения выходного напряжения U_min =2.5 В в параметрическом стабилизаторе используются три последовательно соединенных стабилитрона. В этом случае опорное напряжение U₀=3^. U_ст = 3^. 0,7 = 2,1 В  U_min.

5. Выбор тока стабилизации стабилитронов I_ст.=5мA. Поскольку последние питаются от выходного напряжения U_н, резистор R4 должен обеспечить напряжение U₀ при U_н=U_min=2.5В.

Величина резистора R4 определяется из выражения:

R4 = (U_min-U₀)/I_ст=2,5-2,1/5^.10^-3 = 0,8 кОм

Выбираем по ГОСТ: R4 =820 Ом.

6. Определение максимального тока стабилизации стабилитрона I_ст1 при U_н=U_max.

I_ст1=U_max/R4=7,5/820=9,15 мАI _ст.max.

7. Определение мощности P4 резистора R4

R4= (I_ст1)^{2 .}R4=9,15^2.10^{-6 .}820=68.6мВт.

Выбираем по ГОСТ: R4 = ОМЛТ-0,125-8205%

8. Выбор тока отрицательной обратной связи

Принимается I_ос, = 0,1мA;

9. Определение суммарного сопротивления обратной связи ОУ:

R_oc = (R₁ +R₂ +R₃)

R_oc =U_max/ I_ос=7,5/10^-4=75 кОм.

10. Определение минимального К_min. и максимального К_max. коэффициентов усиления ОУ, обеспечивающих выходное напряжение U_min. и U_max. соответственно

К_min.=U_min/U₀=2,5/2,1=1.19;

К_max.=U_max/U₀=7,5/2,1=3.57.

11.Определение соотношения резисторов R₁, R₂,R₃, от которых зависят полученные коэффициенты усиления К_min. и К_max.

а) верхнее положение движка резистора R2:

K_min=1+R1/(R2+R3);

б) нижнее положение движка резистора R2:

К_max.=1+(R1+R2)/R3.

Из этих уравнений находим:

(К_min-1)=R1/(R2+R3)=1,19-1=0,19;

(К_max-1)=(R1+R2)/R3=3,57-1=2,57.

Составляем систему уравнений:

R1/(R2+R3) = (К_min-1);

(R1+R2)/R3= (К_max-1);

(R₁ +R₂ +R₃)= R_oc.

Решая данную систему уравнений, получаем :

R1=R_oc[(K_min-1)/K_min];

R2=R_oc{[(K_max-1)/K_max]-[(K_min-1)/K_min]};

R3=R_oc[1-(K_max-1)/K_max];

R1=75(0,19/1,19)=11,975 kOм;

R2=75(2,57/3,57)-(0,19/1,19)=42 kОм;

R3=75[1-(2,57/3,57)]=21 кОм.

Значения резисторов R₁ ,R₂ ,R₃, выбираем по ГОСТ:

R1 = 12 кОм; R2 = 43 кОм, R3 = 20 кОм.

12. Определение мощности резисторов R1,R2,R3:

P₁= I²_oc * R₁= (0.1*10^-3)²*12*10³= 0.12 мВт;

P₂= I²_oc * R₂= (0.1*10^-3)²*43*10³= 0.43 ìВт;

P₃= I²_oc * R₃= (0.1*10^-3)²*20*10³= 0. 2 мВт.

Тип резисторов выбираем по ГОСТ :

R1- ОМЛТ - 0,125 - 12к  5 %;

R2- СПЗ-9а - 0,5 - 43к  5 %;

R3- ОМЛТ - 0,125 - 20к  5 %.

13. Выбор типа выходного транзистора VТ1.

В режиме холостого хода на выходе стабилизатора ток через резистор R5 соответствует обратному эмиттерному току I_эо транзистора VТ1. Последний должен обеспечить номинальный ток нагрузки I_н. При большом значении коэффициента усиления тока базы (_тр>>1) коллекторный ток I_ко практически равен току эмиттера I_эо.

Определяем требуемый коэффициент передачи тока выходного транзистора _тр определяется отношением:

_тр= I_н/ I^оу _вых,

где I^оу _вых =(3...5) мA. - выходной ток ОУ.

Полагая I^оу _вых = 5 мA, получаем : _тр=3000/5=600.

Для обеспечения полученного значения ₀ в качестве выходного транзистора VT1 используем составной транзистор КТ 827, который имеет следующие характеристики:

I_ко = 50 мA; ₀.=500 - 3000.

14. Определение величины резистора R5.

R5U_max/ I_ко=7,5/50^.10^-3 = 150кОм.

15. Определение величины конденсаторов С1,С2:

Конденсатор С1 является элементом емкостного фильтра источника питания Е_нест. Его величина определяется двумя способами: расчетным путем с помощью диаграмм (см. рисунок 3.1, 3.2); по номограммам (см. рисунок 3.3).

Для заданного тока нагрузки I_н= 3 А по номограмме (см. рисунок 3.3) принимаем С1=5000мкФ.

Выбираем по ГОСТ: С1-К56-5000мкФ х25В 10%.

Величина конденсатора С2 определяется из условия: R_oc^.C2 1/f_п,

где f_п- частота пульсаций выпрямленного напряжения.

Примечание.

Если нестабилизированное напряжение Е_нест формируется на выходе двухполупериодной схемы выпрямления (см. рисунок 4.2 б), либо диодного моста (см. рисунок 4.2 в), то частота пульсаций f_п в два раза превышает частоту питающей сети f_c (f_п=2f_c).

В случае двухполупериодного выпрямителя имеем:

С2 1/2f_cR_oc; 1/2f_cR_oc=1/100^.75^.10³=0,135мкФ.

Принимаем С2=0,15мкФ.

Выбираем по ГОСТ: C2-КМ-5 - 0,15х25В 10%.

В случае однополупериодной схемы (см. рисунок 4.2 а): f_п=f_c; С2 1/f_cR_oc.

Принимаем 1/f_cR_oc=1/50^.75^.10³=0,27мкФ. Выбираем С2=0,33мкФ.

Выбираем по ГОСТ: C2-КМ-6 - 0,33х25В 10%.