Курсовой проект имеет объем 19 страниц, содержится шесть рисунков, использовано 6 источников. Разработанный стабилизатор постоянного напряжения предназначен для стабильности работы транзисторных и микроэлектронных устройств. - реферат

Реферат

Курсовой проект имеет объем 19 страниц, содержится шесть рисунков, использовано 6 источников. Разработанный стабилизатор постоянного напряжения предназначен для стабильности работы транзисторных и микроэлектронных устройств. Был разработан двухполюсный стабилизатор на основе операционного усилителя с защитой по току. Полученные параметры К_СТАБ = 16666,7, К_П 0,005%, входные и выходные значения напряжений и токов удовлетворяют техническому заданию.

Содержание

Введение

Широкое развитие радиоэлектроники и внедрение ее во все отрасли науки и техники являются реалией нашего времени. Для нормального функционирования всех видов радиоэлектронных устройств (вычислительных комплексов, аппаратуры радио и связи, робототехнических средств и т.д.) необходимы системы энергетического снабжения.

Высокие технико-экономические показатели радиоэлектронных устройств во многом зависят от параметров источников вторичного электропитания.

Наиболее распространенной являются ИВЭ (источники вторичного электропитания), состоящие из источника переменного напряжения, выпрямителей и стабилиза торов постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как стабильные источники питания, обеспечивающие надежность работы, в других – еще и как источники эталонного (образцового) напряжения.

Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности и небольших габаритов. Дальнейшее развитие ИВЭ привело к созданию и развитию класса силовых интегральных микросхем.

1 Выбор и обоснование структурной схемы

По используемому принципу действия полупроводниковые стабилизаторы напряжения (ПСН) делятся на параметрические и компенсационные.

В первом типе ПСН используют постоянство напряжения на некоторых видах приборов при изменении протекающего через них тока. Во втором типе ПСН задачу стабилизации напряжения решают по компенсационному принципу, основанном на автоматическом регулировании напряжения подводимого к нагрузке.

По режиму работы различают ПСН непрерывного и импульсного действия.

В ПСН непрерывного действия регулирующий элемент (РЭ) работает в активном режиме и стабилизация U _вых осуществляется непрерывно, за счет компенсации изменения напряжения на нагрузке изменением напряжения на РЭ.

В ПСН импульсного действия РЭ работает в импульсном, т.е. ключевом режиме. В импульсном ПСН энергия поступает от источника прерывисто, при этом возможно два режима регулирования напряжения на нагрузке:

- при постоянной частоте, изменением длительности импульса;

- при постоянной длительности импульса, изменением их частоты.

Импульсные стабилизаторы имеют следующие достоинства по сравнению с ПСН с непрерывным регулированием:

- в несколько раз меньше мощность рассеяния регулирующего

транзистора;

- более высокий КПД;

Недостатки:

- большая величина пульсации U_ВЫХ ;

- большая сложность схемы;

- плохие динамические свойства при импульсном изменении тока нагрузки.

ПСН непрерывного действия имеют высокий коэффициент стабилизации, низкое выходное сопротивление и малую величину пульсации выходного напряжения. По месту включения РЭ относительно нагрузки ПСН делятся на параллельные и последовательные. В первых из них регулирующий транзистор включается параллельно нагрузке (Рисунок 1б), а во вторых – последовательно с ней (Рисунок 1а).

а) б)

РЭ – регулирующий элемент, И – источник опорного (эталонного) напряжения, ЭС – элемент сравнения, У – усилитель постоянного тока.

Рисунок 1

2 Выбор и обоснование принципиальной схемы

Высокие качественные показатели имеют ПСН, в качестве УПТ которых применены ОУ в интегральном исполнении. Улучшение параметров ПСН при применении в них ОУ обуславливается высоким коэффициентом усиления ОУ и глубокой ООС, охватывающей стабилизатор.

Рисунок 2 - Принципиальная схема ПСН на основе ОУ

Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1, в качестве УПТ применен ОУ DA1.

Неинвертирующий вход ОУ подключен к параметрическому стабилизатору на резисторе R2 и стабилитроне VD1, служащему источником опорного напряжения. С делителя R3, R4, R5 снимается часть выходного напряжения, которое в ОУ сравнивается с опорным напряжением. Выход ОУ подключен к базе VT1, включенного по схеме с ОК, что обуславливает более низкое выходное сопротивление ПСН, чем при включении VT1 по схеме с ОЭ.

Для питания ОУ и устройств на них применяются, как правило, двухполярное напряжение. Для его получения могут использоваться 2 одинаковых ПСН (Рисунок 3).

В номинальном режиме потенциал средней точки делителя R7 – R8 будет равен потенциалу общей шины, т.е. 0. Т. о., U_ДИФ2 = U₀₂ = 0. При уменьшении отрицательного U_ВЫХ2 потенциал инвертирующего входа DA2 становится положительным. Это напряжение усиливается и инвертируется, поэтому U_ВЫХ DA2 становится более отрицательным; токи базы, коллектора, эмиттера увеличиваются, U_КЭ VT2 падает, а U_ВЫХ увеличивается до номинального значения.

При уменьшении положительного U_ВЫХ1 из-за внешних факторов или за счет регулировки резистором R4, потенциал средней точки делителя R7 – R8 становится отрицательным. Это напряжение усиливается и инвертируется ОУ DA2. его выходное напряжение становится более

отрицательным. В результате U_БЭ2 падает, его токи базы, коллектора, эмиттера уменьшаются, а U_КЭ2 возрастает до тех пор, пока потенциал средней точки делителя R7 – R8 не станет равным 0. это произойдет при U_ВЫХ1 = U_ВЫХ2 .

Рисунок 3

2.1 Защита ПСН на основе ОУ от перегруз ок по току и КЗ в нагрузке

Перегрузки по току в полупроводниковых ПСН возникают при недопустимом снижении сопротивления нагрузки и при КЗ выхода стабилизатора. При этом ток через РЭ увеличивается до недопустимой величины и он выход из строя. Впоследствии из строя могут выйти ОУ, выпрямитель, трансформатор. Для предотвращения выхода из строя элементов стабилизатора в его схему вводится защита по току.

RS1 – шунт (датчик тока), УПТ – усилитель постоянного тока, ИУ – исполнительное устройство;

Рисунок 4 - Структурная схема защиты

Работа защиты осуществляется следующим образом: в номинальном режиме работы стабилизатора через сопротивление нагрузки и шунт RS1 протекает ток I_{H ном} , не превышающий установленной величины тока защиты I_З . В УПТ ток через RS1 или пропорциональные ему падения напряжения на RS1 сравниваются с величиной U_З или I_З и превышение тока через RS1 над I_З вызывает появление сигнала на выходе УПТ и срабатывание ИУ, которое либо разрывает цепь нагрузки, выключая РЭ, либо подзапирает регулирующий транзистор. Т.о., защита может осуществляться двумя способами:

а) полное обесточивание нагрузки, т.е. отсечка тока нагрузки;

б) ограничение тока нагрузки на определенном уровне.

В качестве элементов защиты, как правило, используются полупроводниковые элементы и иногда электромагнитные реле.

Рисунок 5 - Схема стабилизатора с защитой по второму сп особу

Защита с ограничением тока основана на форме входной характеристики кремниевого транзистора, имеющей вид:

Рисунок 6

Точка перегиба входной характеристики U_ПОР (пороговое) характеризует напряжение между базой и эмиттером, выше которого наблюдается быстрый рост тока базы, поэтому при превышении током I_H значение I_З = U_ПОР / RS1, I_Б начинает резко увеличиваться, VD2 входит в

насыщение, при котором U_КЭ2 приблизительно равно нулю, и шунтирует эмиттерный переход VT1 в запирающем направлении, поэтому I_Э VT1 не может превышать заданной величины I_З . В качестве VT2 необходимо выбирать кремниевый транзистор с частотными свойствами не хуже, чем у VT1. элементы RS1 и VT2 могут быть включены в общую шину питания.

Полное запирание РЭ по первому способу защиты можно осуществить, если базу VT1 подключить к общей шине стабилизатора через очень малое сопротивление. При этом в качестве элемента защиты можно использовать тиристор (транзисторный триггер).

3 Расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет схемы сравнения и усилителя

3.1.1. Выбор стабилитрона

Для выбора типа стабилитрона, используемого в качестве источника опорного напряжения, найдем величину требуемого опорного напряжения по формуле:

U _ОП = (0,6…0,7) ^. U _{ВЫХ min} ,

U _ОП = 0,7 ^. 3 = 2,1 В.

Тип кремниевого стабилитрона подбираем, имея в виду, что напряжение стабилизации выбра нного прибора должно соответствовать значению опорного напряжения (U_СТ ~ U_ОП ). Параметры стабилитрона КС191С приведены в таблице 1.

Таблица 1 – параметры стабилитрона КС 191С

Таким образом сопротивление резистора R ₂ (I _{R 2} = I _{VD 1} ):

U _{ВЫХ max} – U _СТ 30 – 9,1

R ₂ = –—––––––––– = ———— = 6966,666 ~ 6967 Ом.

I_{CT min} 3 ^. 10 ^–3

Из ряда Е24 выбираем номинал 6,8 кОм. Рассеиваемая мощность на R ₂ равна:

P_{R 2} = (U _{ВЫХ max} – U _СТ )² / R ₂ = (30 – 9,1)² / 6967 = 0,063 Bт .

3.1.2 Расчет сопротивлений R ₃ , R ₄ , R ₅

Для расчета задаемся током делителя (обычно I _д = (5…10) мА). Далее находим общее сопротивление выходного делителя:

R _Д = R ₃ + R ₄ + R ₅ = U _{ВЫХ max} / I _Д = 30 / 10 ^. 10^-3 = 3000 Ом.

Вычисляем минимальный и максимальный коэффициенты передачи делителя:

α_min = U _{СТ min} / U _{ВЫХ max} = 9,1 / 30 = 0,3,

α_max = U _{СТ max} / U _{ВЫХ min} = 9,1 / 3 = 3.

Сопротивление резистора R ₅ равно:

R ₅ = α_min ^. R _Д = 0,3 ^. 3000 = 900 = 0,9 кОм

Из ряда Е24 выбираем номинал 1 кОм.

Сопротивление резистора R ₃ равно:

R ₃ = R ₅ ^. (1 - α_max ) / α_min = 900 ^. (1 – 3) / 0,3 = 6 кОм.

Из ряда Е24 выбираем номинал 6,2 кОм.

Сопротивление переменного резистора R ₄ равно:

R ₄ = R _Д - R ₃ - R ₅ = 3000 + 6200 – 900 = 8300 = 8,3 кОм.

Выбираем номинал 8,2 кОм.

Резистор R ₄ выбираем типа СП5-39-8,2 кОм ± 10%

3.1.3 Расчет сопротивлений R ₇ , R ₈

R _Д рассчитываем аналогично резисторам R ₃ , R ₄ , R ₅ :

R _Д = R ₇ + R ₈ = U _{ВЫХ max} / I _Д = 30 / 10 ^. 10^-3 = 3000 Ом,

R ₇ = R ₈ = R _Д / 2 = 3000 / 2 = 1500 = 1,5 кОм.

Из ряда Е24 выбираем номинал 1,5 кОм.

3.1.4 Расчет ОУ

Критериями выбора ОУ являютс я: синфазное напряжение U _СФ , равное U _СТ , входное напряжение U_ВХ , скорость нарастания выходного напряжения ОУ V_{U ВЫХ} . Для снижения динамических потерь в РЭ необходимо, чтобы фронт и срез выходных импульсов ОУ не превышал

1-2 мкс. Ориентировочно необходимую величину V_{U вых} можно определить по формуле:

U_ВХ 36

V_{U ВЫХ} ³ ––––– ³ ——— ³ 13 - 36 В/мкс

t _ф 1 - 2

Указанным требованиям удовлетворят ОУ типа КР554УД2А. Параметры ОУ КТ315А приведены в таблице 2.

Таблица 2 – параметры ОУ типа КР554УД2А

Резистор R0 выбираем в расчете, что у обоих ОУ ±U _ПИТ = 15в, а I _ПОТР =7 мA, таким образом

R0=(39-15)/(2*0.007)=1714,29

Из ряда Е24 выбираем номинал 1,8 кОм.

Ограничение выходного тока ОУ DA 1 осуществляется резистором

R ₁ , который не должен превышать 5 миллиампер.

ОУ DA 2 выбираем такой же как DA 1, следовательно, ток на резис торе R ₆ также не должен превышать 5 миллиампер.

3.2 Расчет регулирующего элемента

Согласно заданию выходной ток один ампер, т.е. ток I _Э =1 А. Ток базы VT 1 равен току резистора R ₁ :

I _Б = 5 мА.

Ток коллектора транзистора VT 1 равен:

I _К = I _Э - I _Б = 1 – 5 ^. 10^-3 = 0,995.

Тогда коэффициент усиления по току РЭ и УМ равен:

К _I ≥ I _К / I _Э = 0,995 / 1 = 0,995.

В качестве РЭ необходим транзистор с допустимым напряжением коллектор-эмиттер:

U _КЭ.ДОП. ≥ 1,5·U_ВХ ,

U _КЭ.ДОП. ≥ 1,5 · 36 = 54 В.

Выберем транзистор VT1 КТ630Е. Параметры транзистора КТ630Е приведены в таблице 3.

Таблица 3 – параметры транзистора КТ630Е

Сопротивление резистора R ₁ рассчитаем по формуле:

R₁ = (U _{ВЫХ.ОУ max} – U _БЭНАС ) / I_{R 5} ,

где I_{R 1} = 5·10^-3 А;

R ₁ = (24– 0,85) / 5 · 10^–3 = 4,63 · 10³ Ом.

Из ряда Е24 выбираем номинал 4,7 кОм.

Мощность, рассеиваемая на резисторе R ₁ , равна:

P_{R 1} = I_{R 1} ² ·R ₁ = (5 ·10^-3 )² · 4,7 · 10³ = 1,17 ^. 10^-3 Вт.

Подобно VT1 выбираем транзи стор VT3. Параметры транзистора КТ933Б приведены в таблице 4.

Таблица 4 – параметры транзистора КТ933Б

Резистор R₆ выбираем такой же как R ₁ .

3.3 Расчет защиты от перегрузок по току и КЗ в нагрузке

Расчет регулирующего транзистора и резистора

Зададим значение I _з = 50 мA, а U _ПОР = 50 В.

I _з =U _ПОР / RS1,

RS1 = U _ПОР / I _з = 50 / 50 ^. 10^-3 = 1 кОм.

Выбираем транзисторVT2 тип а КТ608Б. Параметры транзистора КТ608Б приведены в таблице 5.

Таблица 5 – параметры транзистора КТ608Б

Подобно VT2 выбираем транзистор VT4. Параметры транзистора КТ620А приведены в таблице 6.

Таблица 6 – параметры транзистора КТ620А

Резистор RS2 выбираем такой же как RS1.

3.4 Расчет параметров стабилизации

3.4.1 Рассчитываем коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора напряжения, а также величину пульсаций на выходе:

К_СТ = (U_H * K ) / U_BX =(30 * 20000) / 36 = 16666,7

Рассчитываем коэффициент пульсаций:

∆U _ВЫХ = ∆U _ВХ / К = 36 / 20000 = 0,0018

K _П = (∆U _ВЫХ * 100) / U _ВХ = (0,0018 * 100) / 36 =0,005

3.4.2 Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:

К_ст = 16666,7 > К_ст.зад = 5000;

К_п = 5 10^-3 % < К_п.зад = 50´10^-3 %.

Полученные параметры удовлетворяют заданным условиям.

4 Расчет КПД устройства

Определяем номинальное и минимальное значения КПД:

U_H * I_H 30 * 1

η_ном = ——— = ——— = 0,83

U_ВХ * I_H 36 * 1

U_Hмин * I_H 3 * 1

η_мин = ———— = ——— = 0,083

U_ВХ * I_H 36 * 1

5 Конструкторская часть

В результате структурной и принципиальной электрических схем стабилизатора постоянного напряжения была дополнительно разработана печатная плата 140´102 мм с соответствующими навесными радиоэлементами. Для улучшения теплоотдачи радиоэлементы расположены на большом расстоянии друг от друга.

Печатная плата выполнена из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5-2 мм фотохимическим методом. Пайка выводов элементов выполнена припоем ПО С-61. Шаг координатной сетки 2,5 мм.

Заключение

Курсовой проект выполнен в соответствии с заданием на проектирование, полученные результаты К_СТАБ = 16666,7, К_П 0,005% удовлетворяют требуемым заданиям.

Номинальный КПД устройства превышает 80%, это говорит об эффективности использования стабилизаторов напряжения на основе операционного усилителя.

Список литературы

1. Додик С.Д. Полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения и тока (с непрерывным регулированием).- М.: Сов.радио, 1980.- 618 c.

2. Вересов Г.П. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры.- М.: Энергия, 1978.- 192 с.

3. Гершунский Б.С. Справочник по расчет у электронных схем. - Киев: Вища школа, 1983. – 240 с.

4. Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоэлектронной радиоаппаратуры. – М.: Высшая школа, 1989. – 463 с.

5. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник/ В. Л. Аронов, А. В. Баюков, А. А. Зайцев и др. Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 904 с.

6. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник/ А. Б. Гитцевич, А. А. Зайцев, В. В. Мокряков и др. Под ред. А. В. Голомедова. – М.: Радио и связь, 1988. – 528 с.

Приложение А

ВАХ транзисторов КТ630Е, КТ933Б, КТ608Б