1.2.6. Методика расчета стабилизатора последовательного типа

При проектировании и расчетах ИВЭП необходимо учиты­вать номинальное напряжение питающей сети переменного U_c или постоянного тока U_п, предельные значения отклонения напряжения питающей сети переменного тока U_{c max}, U_{c min} или постоянного тока U_{п max}, U_{п min}. При этом относительное изменение напряжения пи­тающей сети в сторону повышения:

ac = (Uc max - Uc)/Uc;	(1.2.25а)
aп = (Uп max - Uп)/Uп;	(1.2.25б)

в сторону понижения:

bc = (Uc - Uc min)/Uc;	(1.2.26а)
bc = (Uc - Uc min)/Uc;	(1.2.26б)

а изменение входного питающего напряжения сети переменного и постоянного тока определяется как

Uc = Uc max - Uc min = (ac + bc) Uc;	(1.2.27а)
Uп = Uп max - Uп min = (aп + bп) Uп.	(1.2.27б)

Проведем расчет стабилизатора последовательного типа (рис. 1.29, а) со следующими исходными данными: номинальное напряжение питающей сети U_c = 220 В; частота f_с = 50 Гц; пределы изменения напряжения сети a_c = b_c = 0,1; номинальное выходное напряжение U_н = 12 В; допустимые установочные отклоне­ния U_н = ±1 В; номинальный ток нагрузки I_н = 0,7 А; пределы изменения тока нагрузки I_н min =0,5 А и I_н max = 1 А; коэффициент стабилизации при изменении на­пряжения сети K_ст  500; внутреннее сопротивление r_н 0,7 Ом; амплитуда пульсаций выходного напряжения U_н~  3 мВ; температура окружающей среды T_c max = 60°C; T_c min = 10°С; максимальный температурный уход напряжения U_н. т = 0,12 В; U_н. доп = 0,05 В.

1. Выбираем в качестве регулирующего элемента VT₂ (рис. 1.29, а) транзистор типа КТ817А с параметрами: I_K max = 3 A; U_КЭ max = 25 B; P_К max = 14 Вт; h_21Э min = 25; I_КБ = 0,4 мА. При заданном токе нагрузки I_н max = 1 А принимаем напряжение насыщения на транзисторе U_КЭ нас = 3 В, а максимальный уровень пульсаций входного напряжения U_п~ = 0,15 В.

2. Определяем входное напряжение питания

U_{п max} = (U_{КЭ нас0} + U_п + U_н + U_н)(1 + a_c)/(1 b_c)= = (3 + 0,15 + 12,6 + 1)(1 + 0,1) / (1  0,1) = 20,6 В;

U_п = U_{п max} / (1 + a_c) = 20,6 / (1 + 0,1) = 18,5 В;

U_{п min} = U_п (1  b_c) = 18,5 (1  0,1) = 16,8 В.

Расчет выпрямителя для получения требуемого напряжения питания U_п и сглаживающего фильтра для получения пульсации U_п~ при заданном токе нагрузки I_н max производится по методикам, из­ложенным в [5,6,8].

Максимальная мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе,

P_{т max} = (U_{п max}  U_н  U_н) I_{н mаx} = (20,6  12,6  1)  1 =7 Вт.

3. По входным и выходным характеристикам транзистора КТ817А (рис. 1.30) определяем:

U_ЭБ2 = 8,8 B; U_ЭБ2 = 0,04 B; U_КЭ = 6 B; _т2 = U_КЭ / U_ЭБ = 6 / 0,04 = 150;

h_11Э2 = U_ЭБ / (I_Б2  I_Б1) = 0,1 / (1,5  10^3  0,3  10^3) =83 Ом.

Максимальные значения коллекторного тока, напряжения коллектор-эмиттер (в момент включения) и рассеиваемой мощно­сти для составного транзистора VT₁ соответственно равны:

I_K1 = I_{н max} / h_{21Э2 min} = 1 / 25 = 0,04 A;

U_КЭ1  E_{п max} = 20,6 B;

P_K1 = P_{т max} / h_{21Э2 min} = 7 / 25 = 0,28 Вт.

Выбираем в качестве составного транзистора КТ603Б с пара­метрами: I_K1 max = 0,3 A > 0,04 A; U_КЭ1 max = 30 B > 20,6 B; P_K1 max = 0,4 Вт (при T_c max = 60^oC) > 0,28 Вт; U_{КЭ нас1} = 0,25 B; h_21Э1 min = 60; U_ЭБ1 = 0,7 B; h_11Э1 = 300 Ом; I_КБ01 = 0,03 мА; _т1 = 600. Ток базы транзистора VT₁ I_Б1 = I_К1 / h_{21Э1 min} = 0,04 / 60 = 0,7 мА.

а б

Рис. 1.30. Статические характеристики транзистора КТ817А: а  входная; б  выходная

4. Принимаем схему составного транзистора без вспомога­тельного источника питания (см. рис. 1.22, а). Минимальное на­пряжение на регулирующем элементе

U_{КЭ нас} = U_{КЭ нас1} + U_ЭБ2 = 0,25 + 0,8 = 1,05 В.

Уточняем значения напряжения питания, рассеиваемой на транзисторах мощности, а также _т22 и h_11Э по приведенным формулам:

U_{п max} = (1,05 + 0,15 + 12,6 + 1)(1 + 0,1) / (1  0,1) = 18,1 B;

U_н = 18,1(1  0,1) = 16,3 B;

U_{п min} = 16,3 / (1 + 0,1) = 14,8 B;

P_K2 = (18,1  12,6  1) = 4,5 Вт;

P_K1 = (U_{п max}  U_н  U_н  U_ЭБ2) I_{н max}/h_{21Э2 min} = = (18,1  12,6  1  0,8)  1/25 = 0,15 Вт;

_т22 = _т1_т2 / (_т1 + _т2) = 150  600 / (150 + 600)  120;

h_11Э = h_11Э1 + h_11Э2 h_{11Э1 min} = 300 + 83  60  5,3 кОм;

r_iт = _т22h_11Э / (h_{21Э1 min} h_{21Э2 min}) = 120  5300 / (60  25) = 425 Ом.

5. Максимальное значение напряжения U_{вых. у} равно

U_{вых. у}= U_н + U_н + U_ЭБ1 + U_ЭБ2 = 12,6 + 1 + 0,7 + 0,8 = 15,1 B.

6. Проводим расчет цепи обратной связи:

а) выбираем стабилитрон типа Д818Б с параметрами: U_ст min = 7,65 B; U_ст max = 9 B; I_ст min = 3 мА; I_ст max = 33 мА; r_диф = 18 Ом; _н = 1,8 мВ/^oC;

б) принимаем

E_доп = 0,4 (U_н + U_н) = 0,4 (12,6 + 1) = 5,45 B;

E_доп + U_н + U_н = 5,45 + 12,6 + 1  19 B > U_{вых. у} (U_вых.у = 15,1 B)

и выбираем в качестве VT₃ транзистор КТ312Б с параметрами: U_КЭ3 max = 35 B; I_K3 max = 30 мА; _т3 = 2 мВ/^oC; h_21Э3 min = 25; U_ЭБ3 = 0,8 B; r_Э3 = 50 Ом; r_ЭБ3 = 1 кОм; h_11Э3 = 1 кОм; _т3 = 1000;

в) принимаем коллекторный ток транзистора VT₃ равным:

I_K3 = 2,8 мА > I_Б1 = I_{вых. у} = 0,7 мА

и вычисляем

R₁ = (E_доп + U_н + U_н  U_{вых. у}) / (I_K3 + I_{вых. у}) = = (19,0  15,1) / (2,8  10^3 + 0,7  10^3) = 1,1 кОм;

R₃ = (U_н  U_н  U_{ст max}) / (I_{ст min}  I_K3) = = (12,6  1  9) / (3  10^3  2,8  10^3) = 13 кОм;

г) определяем ток базы транзистора VT₃ и сопротивления ре­зисторов делителя напряжения:

I_Б3 = I_K3 / h_{21Э3 min} = 2,8 / 25  0,1 мА; I_дел = 10 I_Б3 = 1 мА;

R₅  (U_{ст min} + U_ЭБ3) / [I_дел (1 + U_н / U_н)] = = (7,65 + 0,8) / [10^3 (1 + 1 / 12,6)]  7,2 кОм;

R₄  R₅ (U_н  U_н  U_{ст max}  U_ЭБ3) / (U_{ст max} + U_ЭБ3) = = 7,2  10^3 (12,6  1  9  0,8) / (9 + 0,8)  1,3 кОм;

R_P  U_н / I_дел  R₄  R₅ = 12,6 / 10^3  1300  7200 = 4,1 кОм.

Принимаем R_P =4,7 кОм;

д) коэффициент передачи по напряжению

K_н = (U_{ст min} / U_н) {h_{21Э3 min} R_K / [h_11Э3 + h_{21Э3 min} (r_Э3 + r_диф)]} = = (7,65 / 12,6) {25  10³ / [10³ + 25 (50 + 18)]} = 5,9;

где

R_н = U_{вых. у} / I_{вых. у} = 15,1 / (0,7  10^3)  22 кОм;

R_K = R₁R_н/(R₁ + R_н) = 1,1  10³ 22  10³/(1,1  10³+ 22  10³)  1 кОм;

е) для повышения устойчивости КСН выбираем C_о. с = 0,1 мкф. Емкостное сопротивление на частоте 100 Гц равно

x_C = 1 / (2fC_{о. с}) = 1 / (6,3  100  0,1  10^6) = 16 кОм.

Это сопротивление, образующее отрицательную обратную связь по переменному напряжению, уменьшит коэффициент передачи K_н цепи обратной связи на частоте 100 Гц не более чем в 2 раза, т.е. K_н  3.

7. Определяем значения K_ст, r_н, U_н и E_доп (принимаем r₀ = 2 Ом):

K_ст = K_н _т22U_н / U_п = 5,9  120  12,6 / 16,3 = 550 > 500;

r_н = (r_iт + r₀) / (_т22K_н) = (425 + 2) / (120  5,9) = 0,6 Ом < 0,7 Ом;

U_н = U_п / (K_н _т22) = 0,15 / (3  120) = 0,42 мВ < 3 мВ;

E_доп = U_{н. доп} K_н = 0,05  5,9 = 0,296 B.

8. Определяем температурную нестабильность выходного напряжения КСН, учитывая _н = 1,8 мВ/°С, _н. т = 2 мВ/°С, _н. д = 1 мВ/°С:

U_{н. т+} = [(U_н + U_н) / U_{ст min}] (_н  _{н. т}  _{н. д}) (T_{c max}  T_c) = = [(12,6+1)/7,65](1,821)(6020) = 2,1310^340 = 85 мВ < 120 мВ;

U_{н. т} = 2,13  10^3(T_{c min} + T_c) = 2,1310^3(20 + 10) = 64 мВ < 120 мВ,

где _н. д  общий температурный коэффициент резисторов R_P, R₄, R₅ делителя напряжения.

Знак "минус" в полученном результате для U_н. т+ означает уменьшение выходного напряжения с повышением температуры.

9. Вычисляем

R₂ = (U_н + U_н) / I_КБ02 = (12,6  1) / (0,4  10^3)  30 кОм.

10. Определяем номинальное и минимальное значения КПД стабилизатора:

 = U_нI_н / (U_пI_н + P_{с. у}) = 12,6  0,7 / (16,3  0,7 + 0,083) = 0,77;

_min = (U_н  U_н) I_{н max} / (U_{п max} I_{н max} + P_{с. у}) = = (12,6  1)  1 / (18,1  1 + 0,083) = 0,64,

где P_с. у  (E_доп + U_н)(I_Б1 + I_K3) + U_н(I_КБ02 + I_ст min  I_K3 + I_дел) =

= (5,45 + 12,6)(0,7 + 2,8)10^3+12,6(0,4+3  2,8 + 1)  10^3  83 мВт – потребляемая всей схемой управления мощность.