Расчет компенсационного стабилизированного источника напряжения

⇐ ПредыдущаяСтр 25 из 28Следующая ⇒

Для нормальной работы усилителя на него необходимо подавать устойчивое постоянное напряжение питания. Так как для реализации этого условия простого выпрямителя переменного напряжения недостаточно, между последним и усилительным устройством ставят стабилизатор напряжения, который сглаживает пульсации напряжения питания, обеспечивая корректную работу усилительного устройства.

Компенсационный стабилизатор напряжения представляет собой управляемый делитель входного напряжения, состоящий из сопротивления нагрузки и регулирующего элемента, работающего в линейном (усилительном) режиме. Выходное напряжение стабилизатора сравнивается с эталонным (опорным), возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается усилителем и воздействует на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось достичь эталонного уровня.

Рис. 16.1

Принципиальная схема компенсационного стабилизатора напряжения приведена на рис. 16.1.

Исходные параметры стабилизатора следующие:

– нестабильность входного напряжения a_вх........................0.15

– нестабильность выходного напряжения а_вых.................0.001

– выходное напряжение U_вых, В..............................................12

Максимальный выходной ток I_вых есть сумма токов делителя и коллектора, т.е.

I_вых = I_дел + I_К0 = + I_К0 = 8.4 мА,

или, с запасом,

I_вых = 10 мА.

Входное напряжение стабилизатора выберем из условия

U_вх – DU_вх> U_вых + DU_вых,

или

U_вх (1–a_вх)> U_вых (1+а_вых),

или, подставив числа,

U_вх> 14, 2 В.

Выберем значение входного напряжения с запасом:

U_вх = 18 В.

Далее, максимальное напряжение эмиттер-коллектор транзистора VT1:

U_{КЭ1макс} = U_вх + DU_вх – U_вых + DU_вых = 8, 7 В.

Выберем транзистор VT1 таким же, как и транзистор усилителя: КТ315Б. Для него:

U_{КЭ1макс} = 8, 7 В < U_{КЭ макс доп} = 25 В,

I_К1»I_{н макс} = 10мА < I_{К доп} = 100мА.

Выберем опорный стабилитрон из соображений, что напряжение на нем должно быть меньше минимального выходного напряжения стабилизатора:

U_оп < U_вых – DU_вых.

Выбираем стабилитрон КС168А, т.к. его опорное напряжение – 6.8 В – удовлетворяет поставленному условию. Для выбора транзистора VT2 зададимся максимальным напряжением коллектор-эмиттер:

U_{КЭ2макс} = U_{вых макс} – U_оп = U_вых + DU_вых – U_оп = 5, 2 В.

Из соображений технологической простоты и стоимости выберем транзистор таким же, как и предыдущий – КТ315Б – так как он удовлетворяет поставленному условию.

Номинальный ток стабилитрона I_{ст. ном}=20мА. Зададимся I_Э2 = 10 мА, тогда

R2 = = 0, 51 кОм,

R1 = = 0, 6 кОм.

Здесь

I_{Б1 макс} = = 0, 2 мА.

Теперь рассчитаем сопротивления делителя R3R4R5.

R3 = = 1, 8 кОм,

где

I_дел = 15...20 = 3мА;

далее,

R4 = = 1, 8 кОм,

R5 = = 1, 8 кОм.

Расчет выпрямителя

Рис. 16.2

Выпрямитель источника напряжения строится по схеме, и изображенной на рис. 16.2. Трансформатор Т понижает напряжение сети до 18 В, диоды V1–V4, включенные по мостовой схеме, выпрямляют это напряжение, а конденсатор фильтра C_ф сглаживает его пульсации. Нагрузкой выпрямителя является стабилизатор напряжения питания усилителя, отсюда имеем исходные параметры для расчета выпрямителя:

U_н = 18 В,

I_{н макс} = 0, 1 А.

Далее, зная ток нагрузки, определяем максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:

I_VD=0.5 А · I_{н max}=0, 12 А

Таким образом, для выпрямителя можно использовать диоды серий Д7, Д226, Д229 с любыми буквенными обозначениями, поскольку их средний выпрямленный ток и обратное напряжение значительно больше расчетных.

Выбираем диоды Д226Б. Обратное напряжение диодов должно быть в 1, 5 раза больше напряжения источника питания:

U_обр = 1.5 U_н = 27 В.

Емкость фильтрующего конденсатора С_ф определяют по формуле:

С_ф = 3200 (мкФ),

где K_п – коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения – обычно берется равным 0, 01, откуда

С_ф = 2000 мкФ.

Номинальное напряжение конденсатора С_ф берем равным 25В.

Теперь произведем электрический расчет трансформатора блока питания. Габаритная мощность трансформатора:

P_Г = U_Н I_Н /h= 2.25 Вт,

где h = 0, 8 – коэффициент полезного действия трансформатора, который задается.

Далее, площадь сечения сердечника составит

S = 1.2 = 1, 8 см.

Легко видеть, что в данном случае имеет смысл использовать магнитопровод с минимальной площадью сечения сердечника, поэтому принимаем магнитопровод УШ15x15 (площадь поперечного сечения принимается равной 2, 25 см²).

Далее, рассчитываем число витков на 1 В:

n = = 18,

где k берется равным 40. Теперь число витков первичной обмотки

W_I = U_I n = 3960,

а вторичной

W_II = U_I n = 324.

Ток первичной обмотки

I_I = = 8, 2 мА.

Выберем для обеих обмоток провод ПЭВ-2. Диаметр провода первичной обмотки

d_I = p = 0, 06 мм,

где p = 0, 69 для выбранного типа провода. Диаметр провода вторичной обмотки

d_II = p = 0.1 мм.

Таким образом, для первичной и вторичной обмоток трансформатора можно использовать провод диаметром 0, 1¸ 0, 12 мм.

Источники питания

Устройства, собранные на полупроводниковых приборах, питаются от источников постоянного напряжения. Как правило, отклонения напряжения от номинального значения не должны выходить за границы определенных допусков (например, для микросхем серии К155 питающее напряжение должно составлять 5В±5%). Поэтому источник питания устройств, кроме трансформатора и выпрямителя, должен содержать еще и стабилизатор напряжения.

Основой стабилизатора напряжения чаще всего служит кремниевый стабилитрон, включенный в обратном направлении (катодом к положительному полюсу источника питания, анодом – к отрицательному). При таком включении напряжение на стабилитроне (напряжение стабилизации U_cт) мало зависит от тока через стабилитрон (тока стабилизации 1ст). Эти две величины и являются основными параметрами стабилитронов. Так, для стабилитрона КС156А напряжение стабилизации (номинальное) составляет 5, 6 В (при номинальном токе стабилизации 10 мА), а ток стабилизации может быть в пределах 3¸ 50 мА. Если нагрузка потребляет больший ток, применяют усилитель тока. В простейшем случае это может быть транзистор, включенный по схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель).

Рис. 16.3

Схема такого источника питания показана на рис. 16.3. Напряжение сети, пониженное трансформатором Т1 до 8¸ 10 В, выпрямляется диодным мостом VD1 и подается на стабилизатор напряжения, в котором транзистор VT1 включен эмиттерным повторителем. Напряжение на выходе стабилизатора на 0, 5¸ 1 В меньше напряжения на стабилитроне VD2. По аналогичной схеме можно строить стабилизаторы и на другие значения питающих напряжений, следует лишь для каждого случая подобрать соответствующие стабилитрон и сопротивление резистора R1. Максимальный выходной ток стабилизатора I_{вых mах} зависит от используемого стабилитрона и статического коэффициента передачи тока транзистора h_21э и может быть найден по формуле

I_{вых max}=h_21эI_{ст max}.

Стабилизатор напряжения, собранный по схеме на рис. 16.1, обладает сравнительно невысокими эксплуатационными характеристиками, но тем не менее может успешно применяться для питания многих радиотехнических устройств.

На рис. 16.4 приведена схема еще одного стабилизатора напряжения, но с использованием ОУ. Такие усилители имеют очень большой коэффициент усиления (несколько сотен и даже тысяч) и два входа – инвертирующий (на графическом изображении ОУ обозначают кружком) и неинвертирующий. Сигналы, поданные на эти входы, суммируются с учетом их знака и многократно усиливаются. Характерная особенность стабилизатора напряжения с применением ОУ заключается в том, что в нем выходное напряжение сравнивается с образцовым (опорным) и таким образом поддерживается на заданном уровне.

Рис. 16.4

Рассмотрим по схеме более подробно работу такого стабилизатора напряжения. Выходное напряжение с делителя R2R3 подается на инвертирующий вход ОУ, а образцовое напряжение, снимаемое со стабилитрона VD1, – на неинвертирующий вход. При небольшом изменении напряжения на выходе стабилизатора на инвертирующем входе (вывод 9) появляется сигнал рассогласования, который многократно усиливается и изменяет напряжение на регулирующем транзисторе VT1 таким образом, что напряжение на выходе стабилизатора практически не изменяется. Этот процесс длится всего несколько микросекунд.

Напряжение на выходе стабилизатора можно определить по упрощенной формуле

U_выx=U_ст(R2+R3)/R3.

Изменяя в небольших пределах сопротивления резисторов R2 и R3, можно изменять выходное напряжение стабилизатора. При этом, как видно из формулы, выходное напряжение не может быть меньше напряжения стабилизации стабилитрона.

Резистор R4 ограничивает выходной ток ОУ, конденсатор С1 предотвращает возбуждение устройства. Коэффициент стабилизации этого источника напряжения составляет 200 – 400, а выходное сопротивление – несколько мОм. Максимальный выходной ток равен произведению предельно допустимого выходного тока ОУ на коэффициент h_21э транзистора VT1 и для данной схемы составляет 500–600 мА. Если же для питания устройства требуется больший ток, чем может обеспечить один регулирующий транзистор, следует применять составной транзистор (например, типов КТ972, КТ825, КТ827). При отсутствии составного транзистора в одном корпусе его можно выполнить из двух обычных транзисторов одной или разных структур.

Рис. 16.5

На рис. 16.5, а показана схема составного транзистора, образованного транзисторами одной структуры (n-р-n), на рис. 16.5, б –образованного транзисторами разных структур (VT1 – р-n-р, VT2 – n-р-n). Резистор R1 обеспечивает нормальную работу стабилизатора при высоких температурах окружающей среды и малых токах нагрузки. Ток, протекающий через этот резистор, должен быть значительно больше обратного тока коллекторного перехода транзистора VT1 при наибольшей рабочей температуре. Если ток через регулирующий транзистор VT1 превышает 70¸ 100 мА, транзистор следует устанавливать на радиатор. Площадь радиатора можно приближенно определить по формуле (для температуры окружающего воздуха около 20°С):

Рис. 16.6

S=25U_кэ´ I_нагр,

где S – площадь поверхности охлаждения радиатора, см²; U_кэ–напряжение между коллектором и эмиттером регулирующего транзистора, В; I_нагр – ток нагрузки стабилизатора, А.

На рис. 16.6 приведена схема еще одного варианта стабилизатора напряжения. В нем применена интегральная микросхема К142ЕН1Б, представляющая собой стабилизатор напряжения. Вот ее основные параметры:

· диапазон изменения входного напряжения 9–20 В;

· пределы установки выходного напряжения 3–12 В;

· максимальный ток нагрузки 0, 15 А;

· минимальное падение напряжения на регулирующем элементе 4 В.

В микросхеме предусмотрена защита от перегрузок по току и коротких замыкании.

Для указанных на схеме рис. 16.6 транзисторов и номиналов резисторов выходное напряжение составляет 5 В, а ток срабатывания защитного устройства около 1 А (при уменьшении тока через нагрузку устройство автоматически принимает исходное состояние). При необходимости ток ограничения I_oгр может быть изменен подбором резистора R3. Его сопротивление рассчитывают по формуле

R3=0, 5/I_oгp,

где R3 – в омах; I_oгp - в амперах.

Выходное напряжение устанавливают подбором резистора R6.

В микросхеме предусмотрен вход выключения стабилизатора. При подаче на вывод 9 через резистор R5 напряжения 2...3 В напряжение на выходе становится равным нулю. Удобно управлять включением и выключением стабилизатора с помощью цифровых микросхем, имеющих питание 5 В.

Рис. 16.7

В настоящее время промышленность выпускает интегральные стабилизаторы с фиксированным напряжением, содержащие в одном корпусе регулирующий транзистор и узлы управления им (микросхемы серий К142, КР142). Схема стабилизатора напряжением 5 В представлена на рис. 16.7. Микросхема КР142ЕН5А содержит узел защиты от перегрузки по току. Максимальное значение тока для этой микросхемы составляет около 3 А.

На микросхеме К142ЕН3А можно выполнить стабилизированный источник напряжения, регулируемого в пределах от 3 до 30 В при токе нагрузки до 1 А. Схема представлена на рис. 16.8. Выходное напряжение регулируется резистором R4 и может быть вычислено по формуле U_выx=2, 6(R4+R5)/R5, В. Суммарное сопротивление резисторов R4 и R5 не должно превышать 20 кОм. Ток ограничения I_oгp устанавливают резистором R3, сопротивление которого может быть вычислено по приближенной формуле R3=0, 6/I_oгp, где сопротивление берут в омах, а ток – в амперах. В стабилизаторе предусмотрена возможность отключения внешним сигналом. Для этого на резистор R1 подают положительное напряжение, которое должно обеспечивать ток через резистор R1 не более 3 мА. В стабилизаторе предусмотрена также тепловая защита (при нагревании корпуса микросхемы до определенной температуры выходное напряжение уменьшается до нуля). Температура отключения определяется сопротивлением резистора R2.

Микросхема DA1 должна быть установлена на радиаторе, обеспечивающем требуемую рассеиваемую мощность. Она не должна превышать 6 Вт. Для обеспечения этого условия во всем диапазоне регулируемого выходного напряжения следует применять ступенчатое регулирование выходного напряжения.

Если требуется увеличить допустимый выходной ток, можно применить усилитель тока на транзисторе.

Рис. 16.8 Рис. 16.9

Фрагмент схемы приведен на рис. 16.9. Резистор R1 подбирают исходя из требуемого тока ограничения (он выполняет ту же функцию, что и резистор R3 в предыдущей схеме). Ток нагрузки может достигать 5–10 А.

Иногда возникает необходимость получить двуполярное напряжение от однополярного источника (например, для питания операционных усилителей). В этом случае можно воспользоваться приставкой, схема которой приведена на рис. 16.10.

Устройство представляет собой усилитель постоянного тока, выполненный на операционном усилителе DA1 и транзисторах VT1, VT2, включенных по схеме эмиттерного повторителя. Работает устройство следующим образом. Задающее напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ (вывод 3) с делителя R1-R3 через резистор R4. На инвертирующий вход ОУ (вывод 2) подается сигнал с выхода эмиттерного повторителя (сигнал отрицательной обратной связи).

Рис. 16.10

Допустим, что по какой-либо причине напряжение на выходе эмиттерного повторителя стало больше, чем напряжение на движке переменного резистора R2. Тогда на входах ОУ будет действовать результирующий отрицательный сигнал. Напряжение на выходе ОУ при этом уменьшится, что вызовет приоткрывание транзистора VT2 и призакрывание транзистора VT1. В результате напряжение на выходе снизится. Поскольку коэффициент усиления ОУ составляет несколько десятков тысяч (для данного типа более 30 000), то в процессе работы напряжения на входах ОУ будут равны, следовательно, напряжение на выходе эмиттерного повторителя полностью определяется положением движка переменного резистора. Операционный усилитель К140УД7 можно заменить на К140УД8 – К140УД14 К140УД20, К140УД9. Выбор транзисторов VT1, VT2 определяется максимальным током, который необходимо получить от источника. Через эти транзисторы протекает ток, равный разности токов нагрузок, подключенных к положительному и отрицательному выходам. Исходя из этого следует выбирать и радиаторы для транзисторов. Кроме того, ток через транзисторы не может быть больше максимального выходного тока ОУ, умноженного на статический коэффициент передачи тока транзисторов h_21э. В данном случае он может достигать 200 мА. При необходимости получения больших токов следует применять составные транзисторы.

⇐ Предыдущая 19 20 21 22 23 242526 27 28 Следующая ⇒