С ограничением выходного тока и защитой от короткого замыкания

Рассматриваемый компенсационный стабилизатор предназначен для стабилизации напряжения усилителя мощности для улучшения его технических характеристик.

Стабилизатор напряжения непрерывного действия снижает максимальное значение мощности, рассеиваемое регулирующим транзистором в режиме короткого замыкания. Принципиальная электрическая схема стабилизатора приведена на рис. 5.

Режим ограничения тока

Резистор R₁ является датчиком тока. При перегрузке по току на R₁ возникает напряжение, которое через резистор R₂ подается на базо-эмиттерный переход транзистора VT3, который

 

Рис. 5. Принципиальная электрическая схема стабилизатора напряжения

на ОУ с изменяющимся уровнем ограничения тока

и с защитой от короткого замыкания

 

приоткрывается. В результате появляются базовый и коллекторный токи VT3, которые уменьшают базовый ток транзистора VT2, соответственно уменьшаются коллекторные токи транзисторов VT2 иVT1, что приводит к ограничению выходного тока стабилизатора напряжения.

Защита от короткого замыкания

Для защиты используется 2 резистора – R₂ и R₃ и при нормальном режиме работы

напряжение на эмиттере транзистора VT1 равно выходному. При коротком замыкании выходное напряжение равно нулю, соответственно напряжение на эмиттере транзистора VT1

тоже равно нулю и все входное напряжение приложено к резисторам R₂ и R₃. Напряжение на

R₂ возрастает и к нему прибавляется падение напряжения на R₁, что приводит к открытию

транзистора VT3. Резисторы R₂ и R₃ рассчитаны таким образом, чтобы коллекторный ток VT3 в режиме короткого замыкания составлял примерно 80% от базового тока VT2. Соответственно, базовый ток VT2 снижается примерно в 5 раз, что приводит к снижению коллекторного тока VT1 тоже примерно во столько же раз. Тем самым транзистор VT1 буден защищен от перегрузки при коротком замыкании.

Стабилизация выходного напряжения

Если в нормальном режиме работы по каким-то причинам выходное напряжение стабилизатора изменяется, то изменяется и напряжение, создаваемое делителем R₆, R₇, R₈ в точке А. Операционный усилитель DA1 усиливает разницу между опорным напряжением ( ) и напряжением в точке A ( ), которое можно посчитать по формуле

Если напряжение на выходе стабилизатора уменьшилось, то разница будетположительной и увеличивается, что приводит к уменьшению тока , проходящего через стабилитрон VD3, который является частью тока, проходящего через R₄.Другая часть уходит на базу транзистора VT2и на выход операционного усилителяDA1. Соответственно, если уменьшается, то увеличиваются токи , и , и, соответственно, увеличивается . При увеличении схема стабилизации работает по аналогичной цепочке ( уменьшая отклонение .

Стабилитрон VD3 включается для того, чтобы операционный усилитель DA1 работал в активном режиме, при котором должно составлять примерно половину напряжения питания операционного усилителя(+U). Выходное напряжение самого стабилизатора ( ) может быть значительно выше. На базе транзистора VT2 напряжение выше, чем на 2 . Соответственно, разница между и напряжением на базе VT2 составляет определенную величину, которая компенсируется с помощью стабилитрона VD3

Стабилитрон VD1 служит источником опорного напряжения ( , а VD2 и R₉ образуют напряжение питания операционного усилителя(+U), если больше напряжения питания операционного усилителя DA1.

Исходные данные для расчета:

- выходное стабилизированное напряжение стабилизатора, В;

- максимальный ток нагрузки, А;

- напряжение пульсаций (двойная амплитуда на выходе), В;

T_max - максимальная температура окружающей среды, °С.

Расчет

1. Определяем величину минимального допустимого входного напряжения стабилизатора

,

где - максимальное выходное напряжение стабилизатора,

- минимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT1, при котором он может работать в линейном режиме.

В - для кремниевых транзисторов.

Параметр можно уточнить по справочнику [7] при выборе типа транзистора VT1.

2. Находим номинальное и максимальное значения напряжения на входе стабилизатора с учетом колебаний напряжения питающей сети на

,

.

3. Определяем максимальное падение напряжения на регулирующем транзисторе VT1

при большом коэффициенте стабилизации ,

где - минимальное выходное напряжение стабилизатора.

4. Рассчитываем максимальную мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора VT1

5. По известным значениям выбираем из справочника [7] тип транзистора и выписываем его основные параметры.

6. Определяем полную мощность, рассеиваемую на транзисторе VT1

где - для кремниевого транзистора,

- минимальный коэффициент усиления выбранного типа транзистора.

7. Ориентировочно рассчитываем необходимую поверхность охлаждения резистора, на котором будет установлен транзистор VT1

,

где - температура перехода транзистора VT1, °С,

- тепловое сопротивление переход-корпус, °С/Вт.

8. Находим значение максимальной мощности, рассеиваемой согласующим транзистором VT2

9. Выбираем тип транзистора VT2 и выписываем его основные параметры.

10. Вычисляем базовый ток транзистора VT2

,

где - минимальный коэффициент усиления транзистора VT2.

Если полученное значение базового тока транзистора VT2 не превышает значения выходного тока операционного усилителя DA1, то второй согласующий транзистор не требуется. В противном случае его необходимо включить в схему.

11. Из справочника [11] выбираем тип микросхемы DA1широкого применения исходя из следующих основных условий: рабочее напряжение питания микросхемы DA1 должно соответствовать напряжению питания на входе стабилизатора. Если входное напряжения стабилизатора не превышает напряжение питания усилителя, то цепочка R₉, VD2 не нужна, тогда = .

Определяем значение резистора R₉

,

Выписываем основные технические параметры выбранного типа микросхемы.

 

 

Рассчитываем напряжение стабилизации стабилитрона по формуле

и выбираем тип стабилитрона из справочника.

12. Определяем значение резистора R₄

,

где - рабочий выходной ток выбранной микросхемы DA1.

Для нормальной работа стабилизатора необходимо, чтобы соблюдалось условие .

По таблице ряда номиналовЕ24[8] или приложения 2 определяем ближайшее значение резистора R₄.

Рассчитываем мощность рассеивания резистора R₄ по формуле

Выбираем соответствующий тип резистора R₄ из справочника [8].

13. Выбираем из справочника [10] или приложения 1маломощный стабилитрон VD1 со средним напряжением стабилизации

,

где - минимальное значение выходного напряжения стабилизатора,

– напряжение питания усилителя DA1.

Выписываем основные параметры стабилитрона VD1.

14. Вычисляем значение резистора R₅ в цепи смещения стабилитрона VD1

,

где - рабочий ток стабилитрона, который рассчитывается как

.

15. Рассчитываем параметры резисторов R₆…R₈ в цепи делителя напряжения. Сначала зададим ток делителя в пределах .

Коэффициенты передачи делителя

где и - соответственно минимальное и максимальное значения напряжений стабилизации выбранного типа стабилитрона VD1.

 

Суммарное сопротивление делителя:

.

Сопротивление резистора

 

Сопротивление резистора

Переменный резистор

16. Выбираем значение корректирующей емкости конденсатора C₁в пределах

(0,01...0,1) мкФ.

Выбираем из справочника [9]соответствующее значение емкости и тип конденсатора.

17. Выбираем значение выходной емкости конденсатора С₂в пределах

(10,0...100,0) мкФ.

18. Из справочника [7]или приложения 1выбираем практически любой тип маломощного транзистора VT3 с условием, что коллекторный ток транзистора

и .

Выписываем его основные параметры.

19. Считаем, что ток ограничения стабилизатора при коротком замыкании должен быть снижен в 5 раз, тогда

20. Рассчитаем значение резистора R₁

,

где - значение входного напряжения, при котором транзистор VT3 закрыт.

Приблизительно это значение можно снять с графика входной вольт-амперной характеристики транзистора.

21. Определяем базовый ток транзистора VT3 в режиме ограничения

,

где - минимальное значение коэффициента усиления транзистора VT3 по току.

 

22. Вычислим значение резистора R₂

,

где - значение входного напряжения, при котором транзистор VT3 открыт;

- ток через резистор R₂;

 

23. Находим значение резистора R_З

,

где - ток через резистор R₃.

24. Находим значение балластного резистора R₉

25. Проверим погрешность стабилизации схемы при изменении входного напряжения

где изменение входного напряжения с учетом колебаний напряжения питающей сети на ±10%,

– среднее напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT1,

- минимальное значение коэффициента усиления микросхемы DА1 без обратной связи.

26. Проверяем погрешность стабилизации схемы при изменении тока нагрузки в пределах от 0...

,

27. Приблизительно оцениваем КПД стабилизатора по формуле

.

Сумма мощностей, выделяемых на остальных активных элементах схемы стабилизатора,

.

 

Мощности, выделяемые на резисторах,

где , - параметры, которые можно найти в расчетах резисторов.

28. Ток, потребляемый стабилизатором от выпрямителя с фильтром