Проводниковые материалы Электропроводность полупроводников

Расчет компенсирующего стабилизатора постоянного напряжения

Рис.3.1. Схема компенсационного стабилизатора напряжения

Схема рис. 3.1 содержит три основных элемента: регулирующий элемент на транзисторах VТ1 и VТ2, усилительный элемент (усилитель постоянного тока) на транзисторе VТ3 и источник опорного напряжения на стабилит­ронах. Собственно регулирующим элементом является транзистор VТ1, а транзистор VТ2 является согласующим элементом между большим выходным сопротивлением усилителя постоянного тока и малым входным сопротив­лением регулирующего транзистора VТ1.

Достоинством транзисторных стабилизаторов является возможность получения большого тока нагрузки и регулировки выходного напряже­ния, а также малое выходное сопротивление. Выходное напряжение ре­гулируется путем изменения сопротивления резистора R7.

Исходными данными для расчета стабилизатора являются:

Uвых - выходное напряжение, В;

ΔUвых  - пределы регулирования выходного напряжения, В;

Iн - ток нагрузки, А;

ΔUвх/Uвх - допустимое относительное изменение входного напряжения;

Кст - коэффициент стабилизации.

Расчет.

Дано: Uвых = 8 В; ΔUвых = 5 В; Iн = 4 А; ΔUвх/Uвх = 0,4.

3.1. ВЫБОР ТИПА РЕГУЛИРУЮЩЕГО ТРАНЗИСТОРА И ЕГО РЕЖИМА

Минимальное входное напряжение

Uвх.мин = Uвых + ΔUвых + UКЭмин = 8 + 5 + 2 = 15 В,

где UКЭмин - минимальное напряжение между эмиттером и коллектором транзистора VТ1, при котором его работа не заходит в область насыщения. Для мощных транзисторов, которые используются в качестве регулирующих элементов, эта величина равна (1 ÷ 3) В.

С учетом допустимых изменений входного напряжения определяют его номинальное Uвх и максимальное Uвх.макс значения.

Uвх = Uвх.мин /(1 - ΔUвх / Uвх) = 15 / (1 – 0,4) = 25 В,

Uвх.макс = Uвх (1 + ΔUвх / Uвх) = 25(1 + 0,4) = 35 В.

Находят максимальное напряжение UКЭ1макс и максимальную мощность, рассеиваемую на регулирующем транзисторе:

UКЭ1макс = Uвх.макс - Uвых. = 35 – 8 = 27 В;

PК1макс =UКЭ1макс Iн = 27 · 4 = 108 Вт.

По этим двум величинам из справочника выбирают подходящий транзистор, для которого выписывают PКмакс, IКмакс, h21, UКЭмакс.

Выбираем транзистор p-n-p КТ818ВМ с PКмакс = 100 Вт; IКмакс = 20 А; UКЭмакс = 60 В; h21 = 20.

3.2. ВЫБОР ТИПА СОГЛАСУЮЩЕГО ТРАНЗИСТОРА И ЕГО РЕЖИМА

Коллекторный ток транзистора VT2

IК2 ≈ IЭ2 = IБ1 + IR4 = Iн/h21,1 + IR4 = 4000/20 + 2 = 202 мА = 0,2 А,

где IR4 - дополнительный ток, протекающий через резистор R4. Для маломощных транзисторов, используемых в качестве согласующего элемента, дополнительный ток выбирают в пределах 1…2 мА.

Определяют максимальные значения напряжения UКЭ2 и мощности PК2 согласующего транзистора:

UКЭ2макс ≈ UКЭ1макс = 27 В;

PК2 = IК2UКЭ2макс = 0,2 · 27 = 5,45 Вт.

Согласующий транзистор выбирают по двум параметрам UКЭ2макс и PК2, при этом должно соблюдаться неравенство IКмакс > IК2.

Выбираем в качестве VT2 транзистор p-n-p КТ814Г c PКмакс = 10 Вт; IКмакс = 1,5 А; UКЭмакс = 80 В; h21 = 30.

Сопротивление резистора

R4 = Uвых/IR4 = 8 / 2 = 4 Ом.

3.3. ВЫБОР УСИЛИТЕЛЬНОГО ТРАНЗИСТОРА Т3 И ЕГО РЕЖИМА

В качестве усилительного обычно выбирают маломощный транзистор. Это должен быть низко или среднечастотный транзистор подходящего напряжения и соответствующей структуры.

Выбираем p-n-p транзистор КТ104Б c PКмакс = 0,15 Вт; IКмакс = 50 мА; UКЭмакс = 15 В; h21 = 60.

Задаваясь напряжением 

UКЭ3 = (0,1 ÷ 0,5)Uвых = 0,3·8 = 2,4 В , 

определяют опорное напряжение

Uоп = Uвых - UКЭ3 = 8 – 2,4 = 5,6 В.

Исходя из полученного опорного напряжения, по справочнику подби­рают один или несколько стабилитронов, как правило, малой мощности, обеспечивающих заданное опорное напряжение. Для выбранного стаби­литрона выписывают напряжение стабилизации и максимальный и мини­мальный токи стабилизации.

Выбираем стабилитрон КС 156 с Iст. мах = 55 мА, и UСТ = 5,6 В.

Задаются рабочим током стабилитрона Iст в пределах возможного изменения этого тока и определяют ограничива­ющее «балластное» сопротивление R5.  Примем Iст = 10 мА.

R5 = (Uвых - Uоп) / (Iст - IК3) = (8 – 5,6) / (10 – 1,2) = 0,27 кОм.

Коллекторный ток усилительного транзистора IК3 выбирают в преде­лах 1…1,5 мА. Затем находят сопротивление резистора R1.

При

IБ2 = IК2/h21,2 = 0,2/30 = 0,0067 А = 6,7 мА,

и

UКЭ1 = UКЭ1макс - ΔUвых = 27 – 5 = 22 В,

R1 = UКЭ1 / (IК3 + IБ2) = 22 / (1,2 + 6,7) = 2,78 кОм.

  РАСЧЕТ ДЕЛИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

При IБ3 = IК3 / h21,3 = 1,2 / 60 = 0,02 мА;

Ток делителя Iдел выбирают в пределах (20 ÷ 70)IБ3

Iдел = 60 · 0,02 = 1,2 мА.

Задаемся величиной R8 в пределах (0,5…3) кОм, R8 = 3 кОм.

R7 = (Uоп - Iдел R8) / (0,5 Iдел) = (5,6 – 1,2·3) / (0,5· 1,2) = 3,3 кОм,

R6 = (Uвых - Uоп - 0,5 Iдел R7)/Iдел = (8 – 5,6 – 0,5· 1,2·3,3) / 1,2 = 0,35 кОм.

3.5. ВЫБОР КОНДЕНСАТОРОВ

Емкость конденсатора С1, включаемого для предотвращения возбуждения стабилизатора, подбирают эксперименталь­но. Обычно берут С1 , 0,5 ÷ 1 мкФ. Емкость конденсатора С2, вклю­чение которого приводит к незначительному уменьшению пульсации вы­ходного напряжения и заметному уменьшению выходного сопротивления стабилизатора переменному току, выбирают в пределах 1000 ÷ 2000 мкФ.


Магнитные цепи