Расчет стабилизатора напряжения

Пример 3. Расчет компенсационного стабилизатора напряжения на ОУ

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 R ₁ является датчиком тока. При перегрузке по току на R ₁ возникает напряжение, которое через резистор R ₂ подается на базо-эмиттерный переход транзистора VT 3, 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 VT 3, которые уменьшают базовый ток транзистора VT 2, соответственно уменьшаются коллекторные токи транзисторов VT 2 иVT 1, что приводит к ограничению выходного тока стабилизатора напряжения.

Защита от короткого замыкания

Для защиты используется 2 резистора – R ₂ и R ₃ и при нормальном режиме работы

напряжение на эмиттере транзистора VT 1 равно выходному. При коротком замыкании выходное напряжение равно нулю, соответственно напряжение на эмиттере транзистора VT 1

тоже равно нулю и все входное напряжение приложено к резисторам R ₂ и R ₃. Напряжение на

R ₂ возрастает и к нему прибавляется падение напряжения на R ₁, что приводит к открытию

транзистора VT 3. Резисторы R ₂ и R ₃ рассчитаны таким образом, чтобы коллекторный ток VT 3 в режиме короткого замыкания составлял примерно 80% от базового тока VT 2. Соответственно, базовый ток VT 2 снижается примерно в 5 раз, что приводит к снижению коллекторного тока VT 1 тоже примерно во столько же раз. Тем самым транзистор VT 1 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 R ₆, R ₇, R ₈ в точке А. Операционный усилитель DA 1 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 VD 3, который является частью тока, проходящего через R ₄.Другая часть уходит на базу транзистора VT 2и на выход операционного усилителяDA 1. Соответственно, если уменьшается, то увеличиваются токи ,  и ,  и, соответственно, увеличивается . При увеличении схема стабилизации работает по аналогичной цепочке (  уменьшая отклонение .

       Стабилитрон VD 3 включается для того, чтобы операционный усилитель DA 1 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 VT 2 напряжение выше, чем  на 2 . Соответственно, разница между  и напряжением на базе VT 2 составляет определенную величину, которая компенсируется с помощью стабилитрона VD 3

       Стабилитрон VD 1 служит источником опорного напряжения ( , а VD 2 и R ₉ образуют напряжение питания операционного усилителя(+U), если  больше напряжения питания операционного усилителя DA 1.

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 VT 1, при котором он может работать в линейном режиме.

В - для кремниевых транзисторов.

Параметр  можно уточнить по справочнику [7] при выборе типа транзистора VT 1.

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 VT 1

при большом коэффициенте стабилизации ,

где  - минимальное выходное напряжение стабилизатора.

4. Рассчитываем максимальную мощность, рассеиваемую на коллекторе транзистора VT 1

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

6. Определяем полную мощность, рассеиваемую на транзисторе VT 1

где  - для кремниевого транзистора,

 - минимальный коэффициент усиления выбранного типа транзистора.

7. Ориентировочно рассчитываем необходимую поверхность охлаждения резистора, на котором будет установлен транзистор VT 1

,

где  - температура перехода транзистора VT 1, °С,

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

8. Находим значение максимальной мощности, рассеиваемой согласующим транзистором VT 2

9. Выбираем тип транзистора VT 2 и выписываем его основные параметры.

10. Вычисляем базовый ток транзистора VT 2

,

где  - минимальный коэффициент усиления транзистора VT 2.

Если полученное значение базового тока транзистора VT 2 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 DA 1широкого применения исходя из следующих основных условий: рабочее напряжение питания микросхемы DA 1 должно соответствовать напряжению питания на входе стабилизатора. Если входное напряжения  стабилизатора не превышает напряжение питания усилителя, то цепочка R ₉, VD 2 не нужна, тогда = .

Определяем значение резистора R ₉

 ,

Выписываем основные технические параметры выбранного типа микросхемы.

 

 

Рассчитываем напряжение стабилизации стабилитрона  по формуле

и выбираем тип стабилитрона из справочника.

12. Определяем значение резистора R ₄

 ,

где  - рабочий выходной ток выбранной микросхемы DA 1.

Для нормальной работа стабилизатора необходимо, чтобы соблюдалось условие .

По таблице ряда номиналовЕ24[8] или приложения 2 определяем ближайшее значение резистора R ₄.

Рассчитываем мощность рассеивания резистора R ₄ по формуле

Выбираем соответствующий тип резистора R ₄ из справочника [8].

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

,

где  - минимальное значение выходного напряжения стабилизатора,

 – напряжение питания усилителя DA 1.

Выписываем основные параметры стабилитрона VD 1.

14. Вычисляем значение резистора R ₅ в цепи смещения стабилитрона VD 1

,

где  - рабочий ток стабилитрона, который рассчитывается как

.

15. Рассчитываем параметры резисторов R ₆ … R ₈ 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 VD 1.

 

Суммарное сопротивление делителя:

.

Сопротивление резистора

 

Сопротивление резистора

Переменный резистор

16. Выбираем значение корректирующей емкости конденсатора C ₁в 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 VT 3 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 R ₁

 ,

где  - значение входного напряжения, при котором транзистор VT 3 закрыт.

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

21. Определяем базовый ток транзистора VT 3 в режиме ограничения

,

где  - минимальное значение коэффициента усиления транзистора VT 3 по току.

 

22. Вычислим значение резистора R ₂

 ,

где  - значение входного напряжения, при котором транзистор VT 3 открыт;

 - ток через резистор R ₂;

 

23. Находим значение резистора R _З

 ,

где  - ток через резистор R ₃.

24. Находим значение балластного резистора R ₉

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 VT 1,

 - минимальное значение коэффициента усиления микросхемы D А1 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

---

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 287; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!