СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4 1. Исходные данные 5 2. Проектирование и расчет схемы стабилизатора 6 2.1 Выбор и описание схемы источника питания 6 2.2 Выбор силового транзистора и напряжения питания 11 2.3 Расчет величины резистора R7 14 2.4 Выбор составного транзистора VT5 16 2.5 Определение величины дополнительного напряжения питания 18 2.6 Расчет величины резистора R02 20 2.7 Выбор резисторов делителя обратной связи 21 2.8 Расчет цепи защиты от перегрузки по току 24 2.9 Выбор емкостей С3–С7 27 2.10 Выбор резистора R1 29 3. Расчет выпрямителя и сглаживающего фильтра 30 3.1 Расчет сглаживающего фильтра 30 3.2 Расчет выпрямителя 35 4. Расчет тепловых режимов 38 5. Расчет основных параметров стабилизатора 41 Список литературы 44

ВВЕДЕНИЕ

Задачей данного курсового проекта является проектирование и расчет стабилизированного источника питания. В состав источника питания входит понижающий трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр, а также стабилизатор напряжения. Трансформатор осуществляет преобразование напряжения питающей сети в более низкое напряжение. Выпрямитель преобразует это напряжение в однополярное пульсирующее напряжение, а сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения до необходимого уровня. Напряжение будет стабилизироваться с помощью линейного стабилизатора напряжения серии К142ЕН.

В проектируемом стабилизаторе необходимо обеспечить отвод тепла в окружающую среду без перегрева элементов схемы. Исходными данными для расчета являются заданная температура окружающей среды Т_С, мощность рассеивания на элементах схемы и теплотехнические параметры этих элементов. Помимо резисторов, которые выбираются в соответствии с рассеваемой на них мощностью, тепловыделяющими элементами являются микросхемы и транзисторы. Для увеличения теплоотдачи в окружающую среду их устанавливают на дополнительном теплоотводе – радиаторе. Задача радиатора – удержать переходы транзистора или микросхемы при температуре, не превышающей указанной для них максимальной рабочей температуры.

1. Исходные данные

В табл. 1 приведены исходные данные для расчета.

Табл. 1

№ п/п	Параметры	Значения
1	Номинальное напряжение питающей сети, UC, В	220
2	Число фаз питающей сети	2
3	Частота питающей сети, fС, Гц	50
4	Коэффициент изменения напряжения сети, аС = bC, отн. ед.	0,1
5	Минимальное и максимальное значения выходного напряжения, UHmin/UHmax, В	3/24
6	Минимальное и максимальное значения тока нагрузки, IH, А	0.2/2
7	Коэффициент нестабильности выходного напряжения, ΔUH, отн. ед.	0,04
8	Коэффициент пульсаций выходного напряжения, ΔUH–, отн. ед.	0,01
9	Коэффициент пульсаций на входе стабилизатора, ΔUП, отн. ед.	0,03
10	Минимальная и максимальная температура окружающей среды, TCmin/TCmax, °С	0/+40

2. Проектирование и расчет схемы стабилизатора

2.1 Выбор исн

Согласно заданию требуется спроектировать источник питания с регулируемым выходным напряжением. Среди ИСН с регулируемым выходным напряжением наибольшее распространение получили маломощные микросхемы типа К142ЕН1, К142ЕН2 и стабилизаторы средней мощности типа К142ЕН3, К142ЕН4, К142ЕН10, К142ЕН11. Основные параметры первых четырех микросхем приведены в табл. 2. /6, 10/. Требуемый в задании диапазон выходных напряжений составляет 18÷24 В. Для обеспечения этого диапазона выбираем ИСН типа К142ЕН2.

Табл. 2

Параметры ИСН серии К142

Параметры	К142ЕН1	К142ЕН2	К142ЕН3	К142ЕН4
Макс. Входное напряжение, В	20	40	60	60
Миним. Входное напряжение	9	20	9,5	9,5
Пределы установки вых. Напряжения, В	3/12	12/30	3/30	3/30
Макс. ток нагрузки, А	0,15	0,15	1,0	1,0
Макс. падение напряжения на регулирующем транзисторе, В	4	4	3	4
Макс. ток потерь ,мА	4	4	10	10
Нестабильность по напряжению, КU,%, В для групп:			0,1	0,1
А	0,3	0,3
Б	0,1	0,1
В, Г	0,8	0,8
Нестабильность по току, КI,%, А для групп:			0,25	0,25
А	0,5	0,5
Б	0,2	0,2
В	2,0	2,0
Г	1,0	1,0
Относительный температурный коэффициент напряжения, КI,%, С ,для групп:			0,01	0,01
А, Б	0,01	0,01
В, Г	0,05	0,05
Макс. рассеиваемая мощность, Pmax, Вт	0,9	0,9	6	6
Макс. температура перехода, Tn max, С	150	150	150	150
Макс. температура перехода, Tк max, С	100	100	100	100
Тепловое сопротивление перход-корпус Rп-к, C/Bт	40	40	5	5
Тепловое сопротивление перход-среда Rп-с, C/Bт	110	110	50	50
Диапазон рабочих температур,	-60÷100	-60÷100	-60÷100	-60÷100
Дрейф напряжения за 24 часа, %	0,5	0,5

На рис. 1 представлена схема интегрального стабилизатора напряжения типа К142ЕН1,2.

Рис. 1 Схема ИСН

В схему входят: силовой составной транзистор VT6, VT7; дифференциальный усилитель – на элементах VT4, VT5, VT2, R3; цепь для формирования опорного напряжения – VT1, VT3, R1, R2, VD1, VD2; защитный транзистор VT9; цепь VT8, VD3, R4, предназначенная для внешнего управления стабилизатором. Напряжение обратной связи (вывод 12) сравнивается с помощью дифференциального усилителя с опорным напряжением, формируемым на базе VT4. Для повышения коэффициента стабилизации схемы, в коллекторной цепи транзистора VT5 используется динамическая нагрузка – стабилизатор тока на полевом транзисторе VT2. Опорное напряжение формируется эмиттерным повторителем VT3, R1, R2. На базе VT3 устанавливается стабилизированное напряжение с помощью стабилитрона VD5 и источника тока на VT1. Транзистор VT9 используется, как правило, для защиты стабилизатора от перегрузки по току. В момент перегрузки VT9 открывается, шунтируя цепь управления силовыми транзисторами VT7, VT6, в результате чего последние запираются. Транзистор VT8 выполняет аналогичные действия по внешнему сигналу, подаваемому на вывод 9.

Поскольку ИСН не обеспечивает требуемого по заданию тока нагрузки, необходимо в качестве мощного регулирующего элемента использовать дополнительно один или несколько составных транзисторов. Необходимое число составных транзисторов можно определить из выражения:

(2.1)

где  - ожидаемый минимальный коэффициент усиления по току одного (из составных) транзистора;

I_H – требуемый ток нагрузки стабилизатора;

I_Cmax – максимальный ток нагрузки выбранного ИСН.

Для нашего случая N_ТРlog₁₀(2/0,15)=1,12, т. е. требуется 2 каскада усиления.

Рис. 2 Схема стабилизатора напряжения

На рис. 2 приведена схема стабилизатора с требуемыми в данном курсовом проекте техническими характеристиками /6/. В схеме используется ИСН типа К142ЕН2. Регулирующий элемент выполнен на составных транзисторах VT1…VT4, VT5. Делитель выходного напряжения R12, R13, R14 обеспечивает отрицательную обратную связь по выходному напряжению и регулирование уровня этого напряжения. В том случае, если одного силового транзистора (VT1) недостаточно, чтобы обеспечить отвод тепла, его заменяют параллельно включенными транзисторами с соответствующими выравнивающими резисторами (рис. 3) /5/.

Рис. 3. Параллельное соед. силовых транзисторов

Цепь защиты стабилизатора от короткого замыкания и перегрузки по току состоит из VD5, R7–R10, R11. Сигнал перегрузки по току снимается с резистора R10 и поступает на защитный транзистор VT9 (выводы 11, 12) интегрального стабилизатора DA1. Стабилитрон VD5 создает между эмиттером силового транзистора VT1 и средней точкой резисторов R9, R11 постоянное напряжение смещения U_VD. Во всех режимах работы стабилизатора транзистор VT1 находится в активном состоянии, поэтому напряжение U_БЭ1 остается практически постоянной величиной. Напряжение смещения U_VD также остается неизменным в широком диапазоне выходных напряжений. Таким образом, напряжение U_11,12 определяется в основном падением напряжения на измерительном резисторе R10. При перегрузке стабилизатора по току управляющее напряжение U_11,12 растет. При этом транзистор защиты VT9 (DA1) отпирается и шунтирует цепь управления силовыми транзисторами стабилизатора. В результате сопротивление VT1 увеличивается, ограничивая ток нагрузки на безопасном уровне. При коротком замыкании в нагрузке напряжение смещения U_VD резко уменьшается и транзистор защиты VT9 (DA1) поддерживается в открытом состоянии при гораздо меньшем токе нагрузки I_КЗ<I_Hmax, где I_КЗ – установившийся ток в нагрузке в режиме короткого замыкания; I_Hmax – максимальный ток нагрузки в режиме перегрузки.

Нагрузочная характеристика стабилизатора имеет падающий участок с отрицательным сопротивлением (рис. 4) /1/. Таким образом, обеспечивается защита стабилизатора от перегрузок по току в цепи нагрузки.

Рис. 5. Внешний вид ИСН К142ЕН2

Рис. 4. Нагрузочная характеристика стабилизатора

В нешний вид ИСН К142ЕН2 приведен на рис. 5.

Резистор R7 обеспечивает лучшую управляемость силовым транзистором при запирании. Для уменьшения потерь в регулирующем транзисторе VT1 и для повышения КПД в схеме использовано отдельное питание микросхемы DA1 и транзистора VT5. При этом снижается максимальное напряжение для микросхемы DA1. Конденсаторы С3, С5, С7 выполняют функции высокочастотных фильтров для питающих и выходного напряжений соответственно. Конденсатор С6 уменьшает коэффициент разомкнутой системы регулирования по напряжению для высокочастотной составляющей сигнала. Тем самым предотвращается возможность возбуждения схемы стабилизатора. Резистор R2 снижает потери мощности в микросхеме A1 и транзисторе VT5. Через резистор R1 осуществляется включение и выключение стабилизатора внешним сигналом.