СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА СТАБИЛИТРОНОВ

СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Курсовая работа по дисциплине "Электроника"

Пояснительная записка

210700 000 000 060 ПЗ

 

 

Вариант № 2

 

Руководитель		В.И.Паутов
кандидат технических наук, доцент
Студент группы ИТЕ-32б		Бирюков Н.А.

 

Екатеринбург 2014

Оглавление

 

ВВЕДЕНИЕ 3

1. Структурная схема стабилизатора 4

2. Общие вопросы проектирования 5

3. Определение исходных данных 6

4. Выбор транзистора 7

5. Выбор стабилитрона 9

6.Стабилизация токов стабилитронов 10

7. Расчет параметров стабилизатора 12

8. Защита стабилизатора по току 14

9. Защита нагрузки от перенапряжения 15

10. Индикация состояния стабилизатора 16

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 17

Литература 19

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Курсовая работа ставит своей целью закрепить знания, полученные при изучении теоретической части дисциплины в частности, применения полупроводниковых диодов и транзисторов, привить навыки самостоятельной работы по разработке и анализу схем аппаратуры связи, пользование справочной и специализированной литературой.

В данной курсовой работе были использованы следующие основные термины: транзистор, стабилитрон. Вышеперечисленные понятия и механизмы рассмотрены мною ниже:

Транзистор — электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т.п.

Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для поддержания напряженияисточника питания на заданном уровне. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию легирующих элементов (примесей). Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

Стабилизаторы, рассматриваемые в курсовой работе, широко используются в зарядных устройствах, в качестве источников питания маломощных радиоэлектронных устройств.

 

Структурная схема стабилизатора

Структурная схема стабилизатора представлена на рисунке 1.

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

 

ИП

СЭ

ИОН

СЗ

И

Н

Рис. 1. Структурная схема стабилизатора

 

 

2. 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

По соотношениям оценивается возможность использования параметрического стабилизатора. Если параметрический стабилизатор не может обеспечить требуемый ток нагрузки, то можно попытаться включить транзистор для увеличения выходного тока стабилизатора Введение транзистора VТ позволит увеличить ток нагрузки I_H в В раз по сравнению с допустимым током стабилитрона. В – статический коэффициент усиления транзистора. В схеме использован эмиттерный повторитель напряжения стабилитрона VD.

Выбор транзистора

Выберем напряжение стабилизации равным 7 В, номинальное значение тока нагрузки I_Н = 60 мА. Ток нагрузки может изменяться на ± 40. Тогда I_Hmax = 100 мА, I_Hmin = 20 мА.

Транзистор включен по схеме общий коллектор, поэтому можно принять, что ток коллектора равен току эмиттера. Транзистор выбирается по максимальному значению тока коллектора I_Kmax и допустимой мощности рассеяния. Максимальный ток коллектора, указанный на ВАХ, должен лежать в пределах (1,1÷1,5) ∙ I_Hmax, т.е. 110<I_Kmax<150. Для указанного условия подходит транзистор типа КТ503Б.

 

По максимальному значению тока выбирается транзистор и по справочным данным определяются его параметры: коэффициент передачи тока базы В, допустимая мощность рассеяния коллектора при заданном максимальном значении окружающей температуры Р_Кдоп. Коэффициент усиления В можно определить по вольт - амперным коллекторным характеристикам транзистора В = ∆I_K/∆I_Б при напряжении 7 В.

Исходя из характеристик рис.3 транзистор типа КТ503Б получаем В ≈ 59,3.

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

Рисунок 3. - Входная и выходная характеристики транзистора КТ503Б

 

Определяется необходимый максимальный ток базы:

I_Бmax= I_Кmax /В = 150/59,3 = 2,53мА

 

Для нормальной работы транзистора средней мощности и с учетом изменения напряжения питания, напряжение между коллектором и эмиттером должно быть не менее 9 вольт. Примем напряжение U_КЭ = 10В. При этом минимальное напряжение на коллекторе оказывается равным U_Kmin = U_Иmin = 17 В

По заданию напряжение источника питания может изменяться в диапазоне ±15%, что составит 19.55 ± 2,93 В, U_Иmах = 22,48 В.

Таким образом, к транзистору прикладывается максимальное напряжение U_КЭmax = U_Иmах – U_Н = 22,48 – 10,0 = 12,48 В. Для всех транзисторов средней мощности такое напряжение вполне допустимо.

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

Теперь можно определить мощность рассеяния:

 

Р_К=U_КЭmax*I_Кmax=22,48 · 0,15= 3,37 Вт > Р_КДОП = 1,5 Вт.

 

Полученная мощность рассеяния превышает допустимую, то транзистор следует поместить на радиатор. Выбор необходимой площади радиатора проводится по графикам рисунка 4. Превышение мощности 45 %, проводится горизонтальная линия до пересечения с графиком, и получаем площадь радиатора равную 90 .

 

Ge

%

РКm

S

см2

Рис. 4. Выбор радиатора с необходимой площадью

Si

 

Выбор стабилитрона

 

Учитывая падение напряжения U_БЭ ≈ 0,25 В выберем стабилитрон

КС168Б. Его напряжение U_СТ = 10 В, максимальный ток I_СТmax = 20 мА, ТКН менее 0,8 %, ξ = + 7,5 10^‑2 %/^ОС.

Оценим изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на Δt= 40⁰С. ΔU_СТ=U_СТ∙ξ∙Δt = 7 ∙ 0,75 · 40 = 0,210 В. Напряжение
U_СТ = 7 В изменяется на 0,210 В (0,210 мВ). Такой температурный дрейф недопустим по заданию.

VD1

R1

VD2

RH

VT1

UБЭ

+UИ

Рис. 5. Включение термокомпен- сирующего диода

UСТ

UК

Рис. 6. Зависимость относительного ξСТ стабилитрона от напряжения стабилизации

– 0,08

0,04

– 0,04

0,08

4 8 12 16 В UСТ

ξСТ

% 0С

Чтобы скомпенсировать положительный ТКН стабилитрона VD1,

 

включим последовательно стабилитрон с отрицательным ТКН. Напряжение компенсации U_К определим по графику рис.6. На оси ξ_СТ выберем значение включим последовательно стабилитрон с отрицательным ТКН. Напряжение компенсации U_К определим по графику рис.4. На оси ξ_СТ выберем значение ξ_СТ = – 0,075 (у стабилитрона ξ_СТ = +0,075). Проведём стрелку до пересечения с графиком ТКН. Через полученную точку проведём сечение (штрихпунктирная линия). Согласно построению необходим стабилитрон с напряжением стабилизации равным примерно 3,1 В. Такому напряжению соответствует стабилитрон КС131А, его напряжение стабилизации U_СТ = 3,1 В (таблица 2).

После этого необходимо выбрать основной стабилитрон VD1 с напряжением U_СТ ≈ (U_Н – U_К+ 0,8В)= (7 – 3,1 + 0,25) = 4,15 В (при условии, что транзистор на основе германия U_БЭ = 0,25 В). Для рассматриваемого примера подходит стабилитрон КС140А с напряжением U_CT = 4,15 ± 5% B.

 

СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА СТАБИЛИТРОНОВ

Ток стабилитронов задает резистор R1, подключенный к источнику питания. Изменение напряжения источника приводит к изменению тока стабилитронов, их сопротивления и в конечном итоге влияет на выходное напряжение стабилизатора (рис. 7).

 

 

VD3

IК2

UБ2

UБЭ

UСТ

UК

IH ±20%

URэ

UКБ

UKЭ

UЭK

VT2

RЭ

VD2

RH

VT1

UИ±15%

VD1

Рис. 7. Расчетная схема стабилизатора

R1

UH

 

Для уменьшения влияния дрейфа напряжения источника питания U_И на параметры стабилизатора за стабилизируем ток стабилитронов с помощью специальной схемы, называемой генератором стабильного тока (ГСТ) (рис. 19).

Напряжение на базе транзистора VT2 рис. 19 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, VD2 и 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 VD2 зададимся допустимым током через них равным 20 мА.

Учтём также ток базы транзистора VT1 I_Б = 1,2 мА.

По транзистору VT2 и по резистору R_Э должен протекать ток, равный I_К2 = (I_СТ + I_Б) =20+1,2=21,2 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∙21,2 ≈ 100 мВт.

По допустимой мощности и току коллектора выбирается транзистор из таблицы 3. Например, применить транзистор малой мощности типа КТ203В.

По транзистору VT2 и по резистору R_Э должен протекать ток, равный 21,2 мА. Сопротивление R_Э = U_Rэ/I_Rэ = 4,6 В/21,2 мА = 217 Ом. Примем номинальное значение R_Э = 220 Ом.

Напряжение на сопротивлении R_Э = 4,6 В. Напряжение U_БЭ = 0,8 В. Напряжение U_Б = (4,6 + 0,8) = 5,4 В. Теперь можно выбрать стабилитрон на напряжение U_CT = 5,4B.

По справочным данным выберем стабилитрон КС156А.

Зададим ток стабилитрона VD3 равным 5 мА. При минимальном напряжении источника U_П по сопротивлению R1 будет протекать ток 5 мА. Прикладывается напряжение U_П за вычетом напряжения на диодах VD3 (5,6 В) и VD2 (U_К = 3,1 В). Эти напряжения в сумме дают U_R1 = 8,7 В. Тогда сопротивление
R1= (20 – 8,7) / 5 = 2,26 кОм.

Выбираем номинальное значение (округлив в меньшую сторону), например 2,2 кОм (ряд Е24), на схеме обозначается 2К2.

Поскольку принято иное значение резистора, то следует вычислить фактическое значение тока

I_R1 = (20 В –8,7 В)/2,2 К = 5,14 мА.

Рассеиваемая резистором мощность P_R1=I_R1·U_R1=5,14 мА · 8,7 В=44,72 мВт. Можно выбрать резистор с мощностью 1/8 Вт.

Определяем реальные сопротивления диодов VD1 и VD2.

По диоду VD1 течёт ток 20 мА (стабилитрон КС140А), по диоду VD2 (диод КС131А) течёт ток 25.14 мА (ток I_К2 и ток стабилитрона VD3). Воспользуемся графиками рис. 20, на которых указаны токи, протекающие по стабилитрону. Проведем сечения (штрихпунктирные линии) для напряжений стабилизации и токов, протекающих по стабилитронам.

Согласно построению сопротивление диода VD1 составляет примерно 10 Ом, сопротивление диода VD2 примерно 21 Ом. Общее сопротивление, включённое в цепь базы транзистора VТ1, составляет 31 Ом (r_СТΣ = 31 Ом).

ICT= 15мА

Ом

rСТ

ICT= 25мА

20

0

Рис. 8. Зависимость сопротивления стабилитрона от тока стабилизации

5 10 15 ВUСТ

20мА

30мА

7. Расчет параметров стабилизатора

 

Коэффициент стабилизации определяется по соотношении

КСТ =

rK

UH

UИ

rСТ+ h11 (1 + В)

(3.2 в методических указаниях)

 

где r_СТ – общее сопротивление стабилитронов,

r_К– сопротивление коллекторной цепи транзистора VT1,

h₁₁ – входное сопротивление транзистора, которое определяется по входной характеристике I_Б = f(U_БЭ) для тока базы, определенного в предыдущих разделах.

Определяем параметры транзистора VT1.

Параметр h₁₁ определяется по приращениям тока и напряжения на входной характеристике h₁₁ = ∆U_БЭ /∆I_Б.Ток базы был вычислен ранее (в примере I_Б = 1,2 мА). Значение тока базы откладываем на оси тока базы, проводим прямую линию до пересечения с характеристикой, получаем положение рабочей точки (РТ). Строим характеристический прямоугольный треугольник так, чтобы РТ оказалась примерно в средине гипотенузы треугольника. Катеты проецируем на ось тока и напряжения. Вычисляем значения ∆U_БЭ и ∆I_Б.

Из построения находим, что ∆U_БЭ≈ 0,05 В, ∆I_Б = 0,6 мА.

h₁₁ = ∆U_БЭ /∆I_Б =0,05В / 0,6 мА = 83 Ом.

Сопротивление r_К определяется по коллекторным вольт - амперным характеристикам транзистора. Для этого проводим вертикальную прямую для напряжения 7 В, находится точка пересечения прямой с характеристикой токабазы, принятого в расчете. Возле этой точки строится характеристический треугольник, катеты которого проецируются на оси и находятся значения приращения тока и напряжения ∆U_КЭ и ∆I_К. Вычисляется сопротивление r_К. Построения показаны на рис. 6.

 

Из построения определяем∆U_КЭ = 10 В, ∆I_К ≈ 7,5 мА.

 

r_К = ∆U_КЭ /∆I_К = 10 В / 7,5 мА = 1,22 кОм.

 

Коэффициент В определяется аналогичным способом В = ∆I_К/∆I_Б.

На рисунке 6 ∆I_К ≈ 15 мА (показано стрелкой на сечении), ∆I_Б = 0,3 мА.

Получаем В ≈ 50.

 

 

ΔIБ = 0,3мА мА

1,5

IБ ,мА

UБЭ ,В

2,0,

1,0

0,5

0,7

0,8

IК,мА

UКЭ,В

0,9

IБ = 1,2 мА

1,5

0,9

0,6

Рис. 9. Входная и выходная характеристики транзистора КТ503Б

 

∙

КСТ =

rK

UH

UИm

rСТ+ h11 (1 + В) (1 + В)

∙

1220 Ом

10В

= 317 Ом

 

(31 + 83) Ом

25 В

=

 

 

Выходное сопротивление стабилизатора

 

R_ВЫХ = r_Э + (r_СТ + r_б )/(1 + B) (3.3 в методических указаниях)

 

Сопротивление r_б = h₁₁ – r_Э (1 + B) = 83 – 0,52*51 = 56,48 Ом.

 

R_ВЫХ = 0,52 + (31 + 56,48) / 51 = 2,24 Ом.