транзистора VT1, а током нагрузки стабилитрона VD является ток базы VT1,
который в десятки раз меньше тока базы VT2.
Важной особенностью транзисторных стабилизаторов напряжения является
еще следующее. Напряжение на нагрузке UH отличается от напряжения
стабилизации кремниевого стабилитрона UCT на напряжение, падающее на
переходе эмиттер—база UЭБ транзистора VT (рис. 1.2, а), т. е. UH=UCT-UЭБ.
Для германиевых транзисторов напряжение UЭБ составляет всего 0,2...0,5 В, а
для кремниевых — не более 1 В. Поэтому если вместо стабилитрона VD взять
стабилитрон с другим напряжением стабилизации, то изменится и напряжение на
нагрузке. Это позволяет создавать регулируемые стабилизаторы напряжения.
Одна из схем такого стабилизатора дана на рис. 1.2, в. В ней кроме
ограничительного резистора R1 используется дополнительный переменный
резистор RУСТ, подключаемый параллельно стабилитрону VD. Напряжение на
нагрузке UH вместе с напряжением на переходе эмиттер—база UЭБ транзистора
VT равно напряжению UУСТ, снимаемому с переменного резистора RУСТ, т. е.
UH+UЭБ=UУСT, откуда следует: UH=UУСТ-UЭБ.
При перемещении движка переменного резистора RУСТ будет изменяться
снимаемое с него напряжение и, следовательно, напряжение на нагрузке UH.
Таким способом можно регулировать напряжение на нагрузке от нуля до
значения, равного напряжению стабилизации стабилитрона VD (точнее, до
значения UCT-UЭБ).
Если ток базы регулирующего транзистора VT1 велик, в стабилизатор
вводят дополнительный усилитель постоянного тока. Одна из схем такого
стабилизатора приведена на рис. 1.3. Напряжение, подаваемое с движка
потенциометра R3 на базу транзистора VT2, на котором выполнен
дополнительный усилитель постоянного тока, называется напряжением обратной
связи (UOC). Из рисунка видно, что UOC=UCТ+ UЭБ. Ток, протекающий через
потенциометр R3, не должен превышать 10...15 мА. Сопротивление резистора R1
обычно составляет несколько килоом.
Коэффициент стабилизации стабилизатора около 100, а выходное
сопротивление составляет десятые доли ома.
Расчет компенсационного стабилизатора напряжения начинают с выбора
регулирующего транзистора VT1. Максимально допустимое его напряжение
UКЭ.МАКС должно превышать наибольшее напряжение на входе стабилизатора
(UВХ.МАКС), а максимально допустимый ток коллектора IK.МАКС - быть больше
предельного значения тока нагрузки.
Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором VT1, определяется по
формуле:
[pic]
Значение этой мощности должно составлять не более 75% от максимально
допустимой мощности РК.МАКС” приводимой в справочнике. Если это условие
невыполнимо, необходимо выбрать другой транзистор — с большим значением
РК.МАКС.
Определив по справочнику для выбранного транзистора VT1 минимальное
значение статического коэффициента передачи тока базы h21E, рассчитывают
максимальный ток базы, соответствующий максимальному току нагрузки:
Поскольку ток IБ макс транзистора VT1 является током нагрузки
простейшего стабилизатора, состоящего из резистора R1 и стабилитрона VD, то
по его значению находят сопротивление резистора R1 по условию:
(Uвх.макс-Uст.мин)/Iст.мах?R1?(Uвх.мин-Uст.мин)/ (Iст.мин-IБ.макс)
Сопротивление резистора R2 можно определить по формуле:
R2= Uвых/Iн*(0,05...0,1).
Для нормальной работы стабилизатора требуется, чтобы напряжение на
переходе коллектор—эмиттер транзистора VT1 было не менее 1 В, если
транзистор VT1 германиевый, и не менее 3 В — если кремниевый.
Cложность построения рассмотренных стабилизаторов возрастает с
увеличением требований к параметрам выходного напряжения.
Задача конструирования высококачественных стабилизаторов напряжения
значительно упрощается, если использовать интегральные стабилизаторы. Эти
стабилизаторы отличаются малыми размерами и в то же время позволяют
получить стабильные параметры выходного напряжения, малочувствительные к
изменениям температуры, влажности и другим внешним воздействиям.
Примером интегрального стабилизатора напряжения, получившего
широкое распространение в радиолюбительской практике, является микросхема
серии 142, имеющая множество разновидностей. ИМС этой серии позволяют
получать фиксированное выходное напряжение, имеют защиту от перегрузок по
току, выпускаются в металлополимерных корпусах, могут работать при
температурах от -45 до +100°С и весят всего 2,5 г. У них всего три
вывода—вход, выход и общий. Корпус микросхемы соединен с металлической
пластинкой, в которой имеется отверстие для крепления на
терморассеивающем радиаторе. Несмотря на наличие всего трех выводов, в
миниатюрном кристалле этих микросхем выполнено более 17 биполярных
транзисторов, 3 диода, два из которых являются стабилитронами, 19
резисторов и 1 конденсатор.
2. Описание электрической схемы выбранного устройства
В результате анализа технического задания было выяснено, что получить
требуемые параметры, используя типовые схемы стабилизаторов не возможно,
вследствие сложности проектирования: большое количество каскадов (больше
10) и большое количество элементов обвязки. Расчет такого стабилизатора
также будет затруднен необходимостью подбора радиоэлементов по параметрам и
согласование каскадов. Оптимальным решением в данном случае будет
применение интегрального стабилизатора напряжения. Такие стабилизаторы
содержат большое количество транзисторов (больше 10) , подобранных по
параметрам, каскады включения согласованы. Не маловажным фактором является
и то, что основные каскады стабилизации содержаться в одном корпусе. Это
обеспечивает термостабильность (работу стабилизатора при температурах -40(С
до +100(С).
На рис. 2.1 приведена типовая схема включения стабилизатора с
обвязкой, необходимой для работы микросхемы.
На приведенной схеме стабилизатора напряжения резисторы R1, R2 и
конденсатор C1 составляют обвязку микросхемы, их номиналы содержатся в
справочнике по параметрах стабилизаторов.
Резистор R3 - это резистор защиты стабилизатора от перегрузки
выходным током.
Пара резисторов R4, R5 задают порог срабатывания тепловой защиты
стабилизатора.
Конденсатор C2 позволяет снизить уровень пульсаций и помех при большом
входном напряжении.
Конденсатор С3 – для уменьшения броска тока при подключении нагрузки и
снижения пульсаций выходного напряжения.
3. Расчёт элементов схемы
Из рассмотренных в справочниках микросхем выбираем интегральный
стабилизатор напряжения зарубежного производства LM317T, параметры которого
приведены в табл.3.1.
Табл. 3.1
Параметры микросхемы LM317T
|Выходное стабилизированное напряжение UВЫХСТ, В |12…30 |
|Максимальный ток нагрузки стабилизатора IНАГРMAX, А |1.5 |
|Максимальное входное напряжение стабилизатора UВХMAX, В |40 |
|Минимальное входное напряжение стабилизатора UВХMIN, В |20 |
|Минимальная разность напряжений на входе и выходе |4 |
|стабилизатора | |
|(UВХ-UВыХ)MIN, В | |
|Ток потребления микросхемы IПОТР, мА |4 |
|Коэффициент стабилизации КСТ |50 |
|КнI, % |0,5 |
|Температурный коэффициент изменения выходного напряжения |0,5 |
|ТКUВЫХ, %/К | |
Как уже говорилось в предыдущем разделе резисторы R1, R2 и конденсатор
C1 составляют обвязку микросхемы, их номиналы были получены из справочника
по интегральным стабилизаторам:
R1=1.2 кОм
R2=2 кОм
C1=0.1 мкФ
выходным током. Сопротивление этого резистора определяется по формуле
(3.1).
R3=(1.25-0.5*IПОТР-0,023(UВХ- UВЫХ))/IПОТР (3.1)
Подставив необходимые значения в формулу получаем значение
сопротивления R3=199 Ом, по которому из ряда Е24, номинальных значений
сопротивлений выбираем R3=200 Ом (2%.
стабилизатора. Для отключения интегрального стабилизатора на третьей его
ножке должно падать 1/3 выходного максимального напряжения, тогда R4/R5=3.
Рассчитаем сопротивления так, чтобы рассеиваемая ими мощность не
превышала 0.125 Вт:
R4=(2/3*UВЫХMAX)/PРАСС (3.2)
R5=(1/3*UВЫХMAX)/PРАСС (3.3)
Подставив необходимые значения в формулы (3.2) и (3.3) получили
значения R4=160 Ом, R5=80 Ом. Из ряда Е24, номинальных значений
сопротивлений выбираем R5=82 Ом (2%, R4=160 Ом (2%.
входном напряжении. В справочнике интегральных стабилизаторов напряжения
советуют ставить конденсатор емкостью 10 мкФ и более. Следовательно С2=16
мкФ.
снижения пульсаций выходного напряжения. Вследствие сказанного конденсатор
должен иметь достаточно большую емкость (сотни микрофарад) и должен
выдерживать напряжение в раза 1.5-3 больше чем максимальное выходное
стабилизированное напряжение на выходе интегрального стабилизатора.
Выбираем С3=470 мкФ (5% -50 В.
Мощности резисторов схемы рассчитываются по следующей формуле:
PR=URIR=UR*UR/R (3.4)
По схеме видно, что мощности всех сопротивлений не будут превышать
0.125 Вт.
В результате проведенных расчетов, получили следующие номинальные
значения элементов:
R1 - МЛТ-0.125- 1.2 кОм (5%;
R2 - МЛТ-0.125- 2 кОм (5%;
R3 - МЛТ-0.125- 200 Ом (2%;
R4 - МЛТ-0.125- 160 Ом (2%;
R5 - МЛТ-0.125- 82 Ом (2%;
C1 – К10-7B- 0.1 мкФ ±5%;
C2 – TESLA-16 мкФ ±5%;
C3 – TESLA-50 мкФ ±5%;
DA1 –LM337T;
4. Методика испытания устройства
Методика испытаний данного устройства состоит в замере напряжений на
входе и выходе стабилизатора напряжения. Измерения будем проводить при
помощи осциллографа, подключенного соответствующими каналами ко входу и
выходу стабилизатора напряжения. Для получения входного напряжения для
стабилизатора используем понижающий трансформатор (как наиболее простое и
распространенное решение), со вторичной обмотки которого снимаем переменное
напряжение, которое выпрямляем при помощи диодного моста
(двухполупериодного) и подаем на вход рассчитанного стабилизатора, U=20 В.
К выходу стабилизатора подключаем нагрузку, рассчитанную по формуле (4.1),
Rнагрузки=10 Ом.
Rнагрузки=Uвых/ Iвых (4.1)
Схема испытаний приведена в приложении.
Заключение
В данной курсовой работе была рассмотрена методика разработки
электронных устройств на стабилизатора напряжения на интегральной
микросхеме, рассмотрены основные условия стабилизации напряжения и методы
их реализации. Согласно техническому заданию была выбрана и рассчитана
схема стабилизатора напряжения.
В результате проделанной работы была создана следующая документация:
- пояснительная записка;
- схема электрическая принципиальная и перечень элементов
стабилизатора напряжения;
- чертёж печатной платы и компоновочный эскиз;
- схема испытаний устройства.
Данный стабилизатор может применяться в составе постоянных источников
питания радиоаппаратуры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Борисов В.Г. Кружок радиотехнического конструирования: Пособие для
руководителей кружков. — М.: Просвещение, 1986.
2. Забродин Ю.С. Промышленная электроника.
3. Терещук Р.М., Терещук К.М. Полупроводниковые приемно-усилительные
устройства: справочник радиолюбителя. — Киев: Наукова думка, 1988.
4. Полупроводниковые приборы: транзисторы, справочник под ред.
Горюнова Н.Н. М.: Энергоатомиздат, 1983.
|40 |
-----------------------
Рис. 1.3. Схема транзисторного мощного регулируемого стабилизатора
напряжения
Рис. 1.2. Схемы транзисторных стабилизаторов напряжения
Рис. 2.1. Схема стабилизатора напряжения
Рис. 1.1. Схема простейшего стабилизатора напряжения (а) и делителя (б),
образованного балластным резистором R1 и дифференциальным
сопротивлением стабилитрона
1
R5
МЛТ-0.125- 82 Ом (2%
R4
МЛТ-0.125- 160 Ом (2%
R3
МЛТ-0.125- 200 Ом (2%
R2
МЛТ-0.125- 2 кОм (5%
R1
МЛТ-0.125- 1.2 кОм (5%
Резисторы
X1
10x04MTA
Разъемы
DA1
LM337T
Микросхемы
С3
TESLA-50 мкФ ±5%
С2
TESLA-16 мкФ ±5%
C1
К10-7B- 0.1 мкФ ±5%
Конденсаторы
Кол.
Примечание
Наименование
Листов
Лит.
Стабилизатор напряжения
Н. Контр.
Провер.
Разраб.
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Изм.
Поз.
обозн.
Масштаб
Масса
Реценз.
Стабилизатор
Схема электрическая принципиальная
Утверд.
Т. Контр.
Схема испытаний
2:1
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Чертеж печатной платы
3:1
Компоновочный эскиз
Страницы: 1, 2
