Полупроводниковые стабилизаторы

Содержание

 

Приложение 1. Схема электрическая принципиальная

Приложение 2. Габаритный чертёж трансформатора (общий вид)

Приложение 3. Габаритный чертёж ИМС

Приложение 4. Габаритный чертёж диода выпрямительного

Приложение 5. Чертёж платы с радиоэлементами (общий вид)

Приложение 6. Спецификации радиоэлементов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

 

На сегодняшний день появляются всё более сложные электронные системы, использующие в качестве элементной базы новейшие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы с высокой степенью интеграции.

Успешное развитие науки и техники в рамках жестокой конкуренции во многом обусловлено успехами электроники. Трудно себе представить какую-либо отрасль производства, в которой бы в той или иной степени не использовались электронные приборы или электронные устройства автоматики.

Неотъемлемой частью многих радиоэлектронных и электронных устройств являются стабилизаторы постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как высокостабильные источники питания, обеспечивающие необходимую надежность работы, в других – не только как источники питания, но и как источники эталонного (образцового) напряжения. Образцовое напряжение необходимо во многих системах авторегулирования и телеметрии, измерительных схемах, схемах преобразования непрерывных величин в дискретную форму, в схемах электрического моделирования.

Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности.

Полупроводниковые стабилизаторы могут также использоваться взамен аккумуляторных и сухих батарей в измерительных и поверочных лабораториях.

Наиболее характерной чертой дальнейшего научно-технического прогресса в нашей стране является переход к полностью автоматизированному производству на базе использования электронной техники.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Обзор и анализ источников питания

 

 

Основным источником питания электронных устройств в настоящее время являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным. Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств. Основными причинами нестабильности являются изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения.

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее автоматически и с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Несмотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении (сглаживающих фильтров) нагрузки выпрямителя может изменяться. Это объясняется тем, что сглаживание пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки.

Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный.

Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения.

В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины входного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор и анализ структурной схемы

 

 

Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения весьма разнообразны. Они могут быть собраны как на дискретных полупроводниковых приборах, так и на базе интегральных микросхем. Общим для всех этих схем является то, что в них производится сравнение фактической величины выходного напряжения с его заданной величиной  и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования [1]. На рис. 1. показаны структурные схемы стабилизаторов постоянного напряжения компенсационного типа. Основными элементами таких стабилизаторов являются: регулирующий элемент Р, источник опорного (эталонного) напряжения Э, сравнивающего устройства СУ.

 

                              а)                                                            б)                                              

Рис. 1. Структурная схема компенсационного стабилизатора.

 

В стабилизаторах последовательного типа (рис. 1, а) регулирующий элемент включен последовательно с источником входного напряжения и нагрузкой . Если по каким-либо причинам (например, из-за нестабильности или при изменении ) напряжение на выходе отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжения изменяется. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение распределится между Р и таким образом, чтобы компенсировать происшедшее изменения напряжения на нагрузке.

В схеме параллельного типа (рис. 1, б) при отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал рассогласования, равный разности опорного и выходного напряжений. Далее он усиливается и воздействует на регулирующий элемент, включенный параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента изменяется, на сопротивлении балластного резистора изменяется падение напряжения, а напряжение на выходе остается стабильным.

Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко. Для стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках обычно применяются стабилизаторы напряжения последовательного типа. Их недостатком является то, что при коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу будет приложено всё входное напряжение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

Основными параметрами, характеризующими стабилизатор, являются:

1. Коэффициент стабилизации, представляющий собой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительному изменению напряжения на выходе стабилизатора.

,

где и – номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора;

  и - изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.

Коэффициенты стабилизации служат основными критериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки её параметров.

2. Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении.

, при  .

3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

.

4. Дрейф (допустимая нестабильность) выходного напряжения. Временной и температурный дрейф характеризуется величиной относительного и абсолютного изменения выходного напряжения за определённый промежуток времени или в определённом интервале температур.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Электрическая схема стабилизатора компенсационного типа на дискретных элементах

 

 

В соответствии со структурной схемой (рис. 1, а) составляем приблизительную схему компенсационного стабилизатора напряжения. После приведения расчёта, данная схема будет доработана. Только после полного расчёта режимов работы и выбора элементов можно составить окончательный вариант схемы электрической принципиальной компенсационного стабилизатора напряжения.

  

Рис. 2. Принципиальная схема стабилизатора.

 

В данной схеме (рис. 2) в качестве регулирующего элемента используется составной транзистор, состоящий из двух транзисторов VT2, VT3, включенных по схеме Дарлингтона. Питание транзистора VT4, выполняющего функции элемента сравнения и усилителя постоянного тока, осуществляется через стабилизатор тока (токостабилизурующий двухполюсник VD1R1, R2VT1, представляющий собой эмиттерный повторитель). Такой способ питания позволяет существенно повысить стабильность работы усилителя постоянного тока. Источником опорного напряжения служит стабилитрон VD2. Выходной делитель напряжения собран на резисторах R5, R6, R7.

Напряжение на эмиттере транзистора VT4 равно опорному напряжению (напряжению стабилизации) стабилитрона VD2. Напряжение на базе VT4 приложено в прямом направлении по отношению к эмиттерному переходу. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастет, то возрастет и напряжение базы VT4, что приведет к увеличению эмиттерного и коллекторного тока данного транзистора. Поскольку коллекторные токи VT1 и VT4 имеют противоположные направления, в результате их сложения ток базы VT2 уменьшится и возрастет падение напряжение на эмиттерном переходе транзистора VT3, что приведет к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Аналогичные рассуждения будут и для случая уменьшения напряжения на нагрузке.

 

Современные тенденции развития электронной техники  выражаются в миниатюризации  и уменьшении числа используемых элементов, что приводит к упрощению схемы, повышению её надежности и технологичности готового изделия.  Этого можно достичь применением интегральных микросхем. Поэтому далее расчет будет приведен для стабилизатора, выполненного на базе ИМС.

 

 

 

4. Исходные данные для расчёта

 

 

Номинальное выходное напряжение Uвых, В	7,4
Номинальный ток нагрузки Iн, мА	1470
Коэффициент пульсаций Кп, %	0,01
Коэффициент стабилизации Кст	100
Температура окружающей среды tср, ◦С	+20
Климатические условия	нормальные

 

                                               

                                                             

                                                                  

                                                                  

                                                    

                                                                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Расчёт трансформатора

 

 

Трансформатор для данного устройства требуется для формирования на входе стабилизатора оптимального режима питания. На вход трансформатора поступает сетевое напряжение 220 вольт. На выходе требуется получить напряжение питания, которое складывается из выходного напряжения и падение напряжения на регуляторе стабилизатора. Обычно, падение напряжение на регуляторе интегральных микросхем составляет 2-3 В. Кроме того, для устойчивой работы стабилизатора необходимо предусмотреть запас по входному напряжению не менее 15%.

 

.

 

В соответствии с входными данными получаем значение .

Для подбора трансформатора по мощности воспользуемся приближенной формулой [1]:

 

Вт.

Где - КПД стабилизатора [].

В данной работе применяется унифицированный трансформатор ТПП254 с уменьшенным расходом меди на броневом сердечнике ШЛМ со следующими характеристиками:

 

- U1 = 127/220В 50Гц;

- I1 = 0,110/0,061A;

- U2 = 11-12, 13-14: 2,54 B;

       = 15-16, 17-18: 5,0 B;

       = 19-20, 21-22: 1,34 B;

- I2 = 1,9A;

- m = 0,7;

- габаритные размеры: 53 х 68 х 72 мм.

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Принципиальная схема трансформаторов ТПП. Все обмотки трансформатора располагаются на среднем стержне.

 

 

При использовании трансформаторов ТПП – 127/220В с броневыми сердечниками ШЛ и ШЛМ на 220В необходимо соединить выводы 3 и 7, подать напряжение 220В на выводы 2 и 9 или соединить выводы 4 и 7, подать напряжение 220В на выводы 2 и 8.

Для питания стабилизатора переменное напряжение вторичной обмотки трансформатора необходимо выпрямить и отфильтровать, вследствие чего, примерно равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки. Тогда, необходимое эффективное значение напряжения вторичной обмотки :

Чтобы получить необходимое напряжение вторичной обмотки соединим последовательно обмотки 15-16 и 17-18. Тогда и