Стабилизация тока стабилитронов

Содержание.

 

Введение. 3

Структурная схема стабилизатора. 4

Общие вопросы проектирования. 4

Определение исходных данных. 4

Выбор транзистора. 5

Выбор стабилитрона. 7

Стабилизация тока стабилитронов. 8

Расчет параметров стабилизатора. 10

Защита стабилизатора по току. 12

Защита нагрузки от перенапряжения. 13

Индикация состояния стабилизатора. 14

Заключение. 15

Литература. 16

 

 

 

Введение.

Курсовая работа ставит своей целью закрепить знания, полученные при изучении теоретической части дисциплины в частности, применения полупроводниковых диодов и транзисторов, развить навыки самостоятельной работы по разработке и анализу схем аппаратуры связи, пользование справочной и специализированной литературой. Для перечисленного в работе необходимо произвести расчет и выбор всех элементов схемы стабилизатора напряжения.

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

Стабилизаторы, рассматриваемые в курсовой работе, широко используются в зарядных устройствах, в качестве источников питания маломощных радиоэлектронных устройств. Источники питания РЭА будут рассмотрены далее в специальном курсе.

 

 

 

Структурная схема стабилизатора.

ИП

СЭ

ИОН

СЗ

И

Н

Рис. 1. Структурная схема стабилизатора

ИП – источник питания стабилизатора, СЭ – силовой элемент - транзистор, ИОН - источник опорного напряжения - стабилитрон, СЗ – схема защиты, И ‑ индикация состояния стабилизатора,
Н – нагрузка стабилизатора.

Общие вопросы проектирования.

При выборе элементов схемы руководствуются минимально возможными параметрами. Например, если по расчёту получается мощность, выделяющаяся на резисторе равна 0,25 Вт, то элемент следует выбирать на эту мощность, возможно с небольшим запасом. Без необходимости не следует выбирать элемент высокого класса. Например, во многих электронных схемах вполне устраивает разброс параметров резисторов ±5%, что соответствует ряду Е24.

При выборе режимов работы элементов и схем следует выбирать минимально возможные значения токов и напряжений.

Определение исходных данных.

VD

IH

VT

UИ

RН

R1

Рис. 2. Параметрический стабилизатор с усилителем тока

UКЭ = 10 В

UН = 10 В

Выбор транзистора.

Напряжение стабилизации Uст=8±0,1 В, номинальное значение тока нагрузки Iн=70±20% мА. Таким образом, необходимо обеспечить работу стабилизатора при I_Hmax = 84 мА. Такой ток эмиттера могут обеспечить транзисторы средней мощности серий 401-499 или 501-599.

Транзистор включён по схеме с общим коллектором, поэтому можно принять, что ток коллектора равен току эмиттера I_К ≈ I_Э. Кроме того нагрузка включена последовательно в цепь эмиттера транзистора, поэтому I_Э = I_Н.

Выбор транзистора.

Транзистор выбирается по максимальному значению тока коллектора I_Kmax и допустимой мощности рассеяния. При выборе руководствуются следующим: максимальный ток коллектора, указанный на ВАХ, должен лежать в пределах (1,1÷1,5)∙I_Hmax. Не следует выбирать транзисторы со слишком большим запасом по допустимому току. Выбирается транзистор с током коллектора 92,4 мА ≤ I_Kmax ≤ 126 мА. Для указанного условия подходит транзистор типа КТ503Б.

Определяется коэффициент усиления В по вольт-амперным коллекторным характеристикам выбранного транзистора В = ∆I_K/∆I_Б при напряжении U_KЭ = 10 В. Для выбранного транзистора получаем В ≈ 66.

1,5

IБ мА

UБЭ ,В

2,0

1,0

0,5

0,7

0,8

UКЭ=5 В

IК мА

UКЭ,В

0,9

IБ = 1,2 мА

1,5

0,9

0,6

Рис. 3. Входная и выходная характеристики транзистора КТ503Б

Определяем необходимый максимальный ток базы
I_Бmax= I_Кmax/В = 150/66= 2,3 мА.

 

Для нормальной работы транзистора средней мощности напряжение между коллектором и эмиттером должно быть не менее 10 вольт. Примем напряжение U_КЭ = 10 В. При этом минимальное напряжение на коллекторе оказывается равным U_Kmin= U_Иmin= 20 В . По заданию напряжение источника питания может изменяться в диапазоне ±15%, что составит 20,0 ±3 В, U_Иmах= 23 В. Таким образом, к транзистору прикладывается максимальное напряжение U_КЭmax = U_Иmах – U_Н = 23 – 10,0 = 13 В.

На основании приведённых расчётов выбирается источник питания для стабилизатора. Среднее значение напряжения U_Иср = 20 В.

Определяется мощность рассеяния на коллекторе транзистора Р_К = U_КЭmax∙I_Кmax= 13·0,01 = 0,13 Вт < Р_КДОП = 1,8 Вт.

Выбор стабилитрона.

Напряжение стабилизации U_СТ = 8 В. Стабилитрон включён в цепь базы транзистора. Его напряжение стабилизации должно быть больше на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер U_БЭ. Для кремниевых транзисторов U_БЭ ≈ 0,8 В.

Учитывая падение напряжения U_БЭ ≈ 0,8 В выберем стабилитрон типа 2С190Б. Его напряжение U_СТ = 9 В, максимальный ток I_СТmax = 26 мА, ТКН ξ = 0,065 %/^ОС.

Оценим изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на Δt = 40⁰С. ΔU_СТ = U_СТ ∙ξ∙Δt = 9∙0,065·40 = 0,234 В. Напряжение
U_СТ = 9 В изменяется на 0,234 В. Такой температурный дрейф недопустим по заданию.

Требуется введение термокомпенсации.

Чтобы скомпенсировать положительный ТКН стабилитрона VD1,

включим последовательно стабилитрон с отрицательным ТКН. Напряжение компенсации U_К определим по графику рис. 5. На оси ξ_СТ выберем значение ξ_СТ = – 0,065 (у стабилитрона ξ_СТ = +0,065). Проведём стрелку до пересечения с графиком ТКН.

 

VD1

R1

VD2

RH

VT1

UБЭ

+UИ

Рис. 17. Включение термокомпен- сирующего диода

UСТ

UК

Рис. 18. Зависимость относительного ξСТ стабилитрона от напряжения стабилизации

– 0,08

0,04

– 0,04

0,08

4 8 12 16 В UСТ

ξСТ

% 0С

Через полученную точку проведём сечение (штрихпунктирная линия). Согласно построению необходим стабилитрон с напряжением стабилизации равным примерно 4 В. Такому напряжению соответствует стабилитрон КС140А, его напряжение стабилизации U_СТ = 4 В.

 

После этого необходимо выбрать основной стабилитрон VD1 с напряжением U_СТ ≈ (U_Н – U_К+ 0,8 В) = (10 – 4 + 0,8) = 6,8 В. Для рассматриваемого примера подходит стабилитрон КС170А с напряжением U_CT = 7 ± 5% B.

Стабилизация тока стабилитронов.

Ток стабилитронов (рис. 4) задаётся резистором R1, подключённым к источнику питания. Изменение напряжения источника приводит к изменению тока стабилитронов, их сопротивления и в конечном итоге влияет на выходное напряжение стабилизатора.

Для уменьшения влияния изменения напряжения U_И на параметры стабилизатора необходимо обеспечить постоянство тока стабилитронов. Обычно для этого используют специальную схему – источник стабильного тока.

VD3

IК2

UБ2

UБЭ

UСТ

UК

IH ±20%

URэ

UКБ

UKЭ

UЭK

VT2

RЭ

VD2

RH

VT1

UИ±15%

VD1

Рис. 6. Расчетная схема стабилизатора

R1

UH

Напряжение на базе транзистора VT2 рис. 6 застабилизировано с помощью стабилитрона VD3, поэтому транзистор включён по схеме общая база.

R1

Он работает в режиме стабилизатора тока, в котором ток коллектора не зависит от изменения напряжения U_И.

Ток коллектора транзистора VT2 задаёт ток стабилитронов VD1, VD2и ток базы транзистора VT1.

При выборе транзистора VT1 было принято напряжение U_КЭ = 10 В. При этом напряжение U_КБ составляет 9,2 В (потенциал базы транзистора VT1 выше потенциала эмиттера на 0,8В). Это напряжение приложено к цепи транзистора VT2 (U_Rэ+ U_ЭК = U_КБ) и его следует поделить поровну между транзистором и резистором, т.е. U_Rэ = U_ЭК = 4,6 В.

Выбор транзистора VТ2.

С целью уменьшения сопротивления r_СТ стабилитронов VD1 и VD2зададимся допустимым током через них равным 20 мА.

Учтём также ток базы транзистора VT1 I_Б = 2,3 мА.

По транзистору VT2 и по резистору R_Э должен протекать ток, равный I_К2 = (I_СТ + I_Б) = 20+2,3= 22,3 мА.

По полученному току коллектора выбирается транзистор VT2. Допустимый ток коллектора должен быть больше полученного в расчёте. Проверяется допустимая мощность рассеяния транзистора VT2.

Р_Кдоп > U_КЭ∙I_K = 4,6∙22,3 ≈ 102,6 мВт.

По допустимой мощности и току коллектора выбирается транзистор из таблицы 3. Например, применить транзистор малой мощности типа КТ104Г.

Сопротивление R_Э.
Сопротивление R_Э = U_Rэ/I_Rэ = 4,6 В/22,3 мА = 206 Ом.

Примем номинальное значение сопротивления R_Э = 210 Ом.

Выбор стабилитрона.

Напряжение на сопротивлении R_Э равно U_Rэ= 4,6 В. Напряжение
U_БЭ2 = 0,8 В. Напряжение U_Б2 = (4,6 + 0,8) = 5,4 В. Это напряжение задаётся стабилитроном VD3.

По справочным данным выберем стабилитрон КС156Б с напряжением стабилизации U_CT = 5,6 В.