close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

ОТЧЕТ (7)

код для вставкиСкачать
Министерство образования Российской Федерации
ГОУ ВПО "Ижевский государственный технический университет" им. М. Т. Калашникова
Кафедра вычислительной техники
Пояснительная записка
к курсовой работе по электронике
"Расчет параметрического стабилизатора с
усилителем тока и входным фильтром"
Вариант 11
Выполнил: Студент группы 5-78-3
Левашев Н.С. Проверил: д.т.н., проф.
Куликов В.А.
Ижевск 2012
СОДЕРЖАНИЕ
1. Исходное задание.........................................................................................................................3
2. Выбор и анализ схемы.................................................................................................................3
3. Назначение элементов и принцип работы.................................................................................4
1) Назначение элементов......................................................................................................4
2) Принцип работы схемы....................................................................................................5
4. Расчет схемы стабилизатора........................................................................................................6
5. Проверочный анализ..................................................................................................................10
6. Моделирование в Micro-Cap......................................................................................................11
7. Заключение..................................................................................................................................13
8. Список литературы.....................................................................................................................14
Исходное задание
Параметрический стабилизатор с усилителем тока и входным фильтром:
* Максимальное входное напряжение * Выходное напряжение * Ток нагрузки * Коэффициент стабилизации Выбор и анализ схемы
Полупроводниковый стабилизатор постоянного тока и напряжения - это устройство на полупроводниковых приборах, поддерживающее с определенной точностью неизменным постоянное напряжение или ток на выходе.
Простейший стабилизатор постоянного напряжения (рис.1) представляет собой делитель напряжения, состоящий из двух сопротивлений, одно из которых является резистором с практически линейной вольтамперной характеристикой, а другое с нелинейной. В качестве последнего используется полупроводниковый стабилитрон.
Рис. 1 Параметрический стабилизатор напряжения
Такие стабилизаторы называют параметрическими, т.к. действие их основано на изменении параметров нелинейного элемента. Напряжение на нагрузку снимается с зажимов последнего. При достаточно большом сопротивлении резистора Rб и при соответствующем выборе рабочего режима стабилитрона, падение напряжения на нагрузке будет слабо зависеть от величины тока через нее.
Принцип действия параметрического стабилизатора основан на использовании p-n переходов на обратной ветви вольт-амперной характеристики (рис. 2).
Рис. 2 ВАХ p-n перехода
При обратном смещении неосновные носители разгоняются в переходе до больших энергий и ионизируют атомы полупроводника, выбивая дополнительные электроны, которые в свою очередь разгоняются и выбивают новые электроны. Возникает лавинный пробой, т.е. многократное возрастание числа носителей и резкое уменьшение сопротивления перехода. Процесс является обратимым. При больших токах происходит сильный разогрев кристалла и возникает необратимый тепловой пробой. Этому соответствует нижняя часть графика вольт-амперной характеристики.
Как следует из принципа действия, в частности, из условия работоспособности, максимальный ток нагрузки не может превышать IСТmax . Иначе при отключении нагрузки весь этот ток пойдет через стабилитрон и выведет его из строя. Для увеличения Iнмах используют в выходной цепи усилитель тока - биполярный транзистор, включенный по схеме с общим коллектором.
Очень часто на практике вместо одного транзистора используют составные транзисторы. Это дает возможность повысить коэффициент передачи тока и ток нагрузки стабилизатора. Однако в связи с небольшими значениями заданного тока нагрузки выберем схему с одним транзистором [3].
Назначение элементов и принцип работы
Назначение элементов
1. Rб - балластное сопротивление, которое гасит избыток напряжения между Uвх и Uвых. 2. VD1 - стабилитрон, который, за счет своей нелинейной ВАХ, стабилизирует Uвых на уровне, определяемом типом стабилитрона.
3. VT1 - транзистор, работающий в активном режиме и включенный по схеме эмиттерного повторителя, служит для увеличения максимального тока в нагрузке до уровня, превышающего максимальный ток стабилизации VD1. 4. С - конденсатор - входной фильтр, сглаживающий пульсации входного напряжения Uвх.
Принцип работы схемы:
Входное напряжение распределяется между балластным резистором и стабилитроном: ,(1)
где (2)
- падение напряжения на балластном резисторе от протекания тока и тока базы транзистора .
в соответствии с ВАХ почти не зависит от приращения , значит приращение входного напряжения равно приращению напряжения на резисторе .
Т.к. (3)
остается при этом неизменным, то , (4)
т. е. при изменении входного напряжения на значение ток стабилитрона изменяется на значение .
Предположим, что нагрузка изменилась, например, уменьшилось сопротивление , что привело к увеличению . Т.к. при неизменном входном напряжении должно сохраняться постоянство входного тока , (5)
то увеличение тока влечет за собой уменьшение на такое же значение тока стабилитрона.
Таким образом, принцип работы схемы основан на нелинейной характеристике стабилитрона (см. Рис. 2). При изменении Uвх или при изменении Iн (Rн), если при этом стабилитрон остается в рабочей области обратимого пробоя, резко изменяется сопротивление стабилитрона. Например, при увеличении Uвх, сопротивление стабилитрона резко уменьшается, вследствие чего избыточное напряжение падает на сопротивлении . Выходное напряжение (6)
остается примерно на прежнем уровне, т.е. стабилизируется. Качество стабилизации (Kст) напрямую зависит от параметров стабилитрона (дифференциальное сопротивление) и балластного резистора . Коэффициент стабилизации тем больше, чем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона и чем больше сопротивление резистора .
Расчет схемы стабилизатора
Для начала расчета схемы, определим направления всех токов, протекающих в ней (рис. 3).
Рис. 3 Токи, протекающие в ПСН
Определим максимальное напряжение коллектор-эмиттер регулирующего транзистора VT1:
UКЭmax = UВХmax - UH = 15 - 9 = 6 В (7)
Определим максимальную мощность, рассеиваемую на транзисторе VT1: PKmax = UКЭmax*IНmax = 6*0.7 = 4.2 Вт (8)
По данным расчета выбираем транзистор VT1 для которого:
UКЭ1max < UКЭmax допUКЭmax доп > 6 В IК1  IКmax < IКдопIКдоп > 0.7 А (9)
PK1max < PKmax доп PKmax доп > 4.2 Вт Этим требованиям удовлетворяет транзистор BD135 с параметрами [4]:
UКЭmax доп = 40 B
IК доп = 1.5 A(10)
PKmax доп = 10 Вт
1  40
Uвых = Uст - Uбэот Uст = Uвых + Uбэот, Uбэот << Uвых(10)
Uст  Uвых = 9 В
Номинальная величина напряжения на нагрузке Uвых равна напряжению стабилизации Uст примененного стабилитрона за вычетом малого напряжения между эмиттером и базой UБЭ транзистора VT1. Поскольку величина последнего не превышает десятых долей вольта, то обычно считают, что Uвых = Uст. Выбираем стабилитрон 1N4739A (VD1) с параметрами [5]:
Uстном = 9.1 В
Iстном = 5 мА
rдиф = 10 Ом(11)
Imin = 3 мА
Imax = 36 мА
P = 0.34 Вт
Расчет номинального значения балластного сопротивления . Расчет номинального значения балластного сопротивления будем производить, при и , чтобы рассмотреть предельные режимы работы стабилизатора. Найдем , при (12)
а) Определим параметры с учетом Iстmax и Iстmin стабилитрона:
Здесь в качестве значения Iнmax примем значение Iн, т.е. при Iбmax= Iб
(13)
(14)
б) Определим параметры с учетом минимального Кст:
(15)
Получили:
164Ом 295Ом(16)
Известно, что расчетный коэффициент стабилизации должен быть больше минимального значения не менее чем в 1,3...1,5 раза. Диапазон возможных значений сопротивления уже будет выглядеть так
(17)
Чем больше значение , тем выше коэффициент Кст и КПД устройства, но меньше диапазон изменений возможных значений Uвх и Iн. Кроме того, с увеличением ток через стабилитрон при номинальной нагрузке приближается к минимально возможному току Iстmin, поэтому Uст может существенно отличаться от своего номинального значения, заданного при номинальном токе через стабилитрон Iстном.
Попытаемся выбрать так, чтобы при номинальном токе нагрузки, ток через стабилитрон также был близок к номинальному.
в) Определим параметры с учетом номинального значения Iст стабилитрона:
(18)
(19)
Выберем такое номинальное значение сопротивления из стандартного ряда, которое с одной стороны лежало бы внутри диапазона (17), а с другой было бы достаточно близко к значению. Кроме того, нужно учитывать, что разброс реального значения сопротивления резистора может достигать . Поэтому в качестве номинального значения возьмем .
Для выбора типа сопротивления вычислим максимальную мощность, которая выделяется на резисторе. Ток, протекающий через , имеет максимальное значение при Uвх = Uвхmax.
(20)
Тогда (21)
В качестве сопротивления выберем МЛТ - 0.125 - 220 Ом 5% из ряда Е24 [6].
Расчет диапазона изменения возможных значений и.
Найдем минимальное значение входного напряжения , при котором еще будет наблюдаться стабилизация выходного напряжения на уровне 9В, т.е. ток через стабилитрон не будет меньше минимально допустимого. (22)
Тогда (23)
В качестве значения примем значение , т.е. (24)
(25)
Для окончательного выбора значения следует учесть, что изменение входного напряжения ведет к изменению тока через стабилитрон, а это приводит к изменению напряжения на стабилитроне. Т.к. последний имеет, хотя и малое, но отличное от нуля дифференциальное сопротивление , значит, с одной стороны, диапазон изменения входного напряжения должен быть достаточно малым, чтобы обеспечить приемлемую стабилизацию выходного напряжения , а с другой стороны уменьшение диапазона ведет к увеличению емкости конденсатора C, поэтому оптимальным является выбор: Вычислим максимальное значение тока нагрузки при заданном .
(26) или, что одно и тоже
(27)
В итоге при (28)
или (29)
(30)
на выходе будет стабилизированное напряжение .
Расчет емкости конденсатора C.
Для вычисления емкости конденсатора надо знать частоту входного сигнала. Предполагается следующее: переменное напряжение питания берется из сети с амплитудой 308В и частотой 50Гц. С помощью трансформатора оно преобразуется в переменное напряжение амплитудой 15В и той же частоты 50Гц. Затем с помощью двухполупериодного выпрямителя (например, диодного моста) преобразуется в пульсирующее с той же амплитудой, но с частотой в 2 раза большей, т.е. 100Гц. Это напряжение подается на вход фильтра стабилизатора.
Рис. 4 Сглаживающий фильтр с двухполупериодным выпрямителем
Когда U1 становится положительнее напряжения на конденсаторе, диоды открываются и конденсатор заряжается током выходной обмотки. Когда U1 начинает падать, при достижении UH, соответствующие диоды мостовой схемы закрываются, и СФ и RK отключаются от выходной обмотки трансформатора, питание RH осуществляется за счет энергии, накопленной в конденсаторе.
(31)
За длительность спада входного напряжения с 15В до 12.8В, т.е. за длительность разряда конденсатора возьмем пол периода напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя, т.е.
(32)
Емкость конденсатора должна быть такой, чтобы обеспечить максимальный ток в нагрузке, если сопротивление нагрузки минимально. (33) Учитывая, что (34)
Выберем конденсатор с номинальной емкостью из стандартного ряда, учитывая, что его напряжение должно быть > 15В, им оказался конденсатор К50-20 25В 2000мкФ5% [6]. Таким образом, с помощью фильтра в виде конденсатора происходит подавление пульсаций выпрямленного напряжения, поскольку он способен запасать энергию при увеличении напряжения и отдавать энергию при уменьшении напряжения. Чем меньше емкость фильтра, тем круче экспонента.
Проверочный анализ
Выполним проверочный анализ соответствия расчетных параметров схемы исходным данным.
1) Найдем минимальный коэффициент стабилизации рассчитанной схемы:
(35)
2) Выполним проверку по выходному сопротивлению:
- сопротивление стабилизатора;
(36)
Сопротивление транзистора со стороны эмиттера:
,(37)
где - температурный потенциал;
(38)
- дифференциальное сопротивление стабилитрона;
- минимальный коэффициент усиления по току транзистора VT1;
, (39)
что соответствует требованиям задания.
0.281Ом << 20.55Ом(40)
3) Проверим стабилизацию Uвых, при изменении Uвх от Uвхmin до Uвхmax:
Пусть , тогда
(41)
Т.к. стабилитрон все время остается в рабочем режиме обратимого пробоя, то происходит стабилизация выходного напряжения.
4) Проверим стабилизацию Uвых, при изменении тока в нагрузке от 0А до 0,439А: Пусть Uвх=15В, тогда
(42)
Т.к. стабилитрон все время остается в рабочем режиме обратимого пробоя, то происходит стабилизация выходного напряжения.
Моделирование в Micro-Cap
* * * * Заключение
В результате расчета получен стабилизатор напряжения с КСТ = 16.2. Моделирование в Micro-Cap подтвердило правильность наших расчетов, Uвых стабилизируется на уровне близком к 9В.
Схема используется для питания устройств низковольтной аппаратуры (в первую очередь транзисторной), т.к. получение больших напряжений, необходимых в случае с ламповой нагрузкой, связано с существенным усложнением схемы. Помимо этого, схема используется в качестве маломощного источника опорного напряжения, например в схеме ЦАП.
Однако схема параметрического стабилизатора имеет существенный недостаток: она боится короткого замыкания на выходе, поэтому требует защиты от короткого замыкания.
Список литературы
1. Электроника: Методические указания к курсовому проектированию для студентов специальности 22.01 / Сост. В.А. Куликов, А.В. Зорин. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2000.
2. Лекции по дисциплине "Электроника"
3. Электроника: Учеб. пособие для приборостроит. спец. вузов. В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев Электроника. М. Высшая школа, 1991г, 621с.
4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник / Под ред. Б.Л. Перельмана. -М.: Радио и связь, 1981.-656с.
5. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, опто-электронные приборы. Справочник. / Под ред. Н.Н.Горюнова./ Энергоатомиздат, 1987.-744с.
6. Электроника и схемотехника АЦУ: Методические указания к курсовому проектированию. Часть 2. Статические характеристики и параметры электронных компонент / Сост. В.А. Куликов, В.Н. Сяктерев. - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2003.
2
Документ
Категория
Рефераты
Просмотров
112
Размер файла
475 Кб
Теги
отчет
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа