Курсовий проект має обсяг 19 сторінок, міститься шість малюнків, використано 6 джерел. Розроблений стабілізатор постійної напруги призначений для стабільності роботи транзисторних і мік

Курсовий проект має обсяг 19 сторінок, міститься шість малюнків, використано 6 джерел. Розроблений стабілізатор постійної напруги призначений для стабільності роботи транзисторних і мікроелектронних пристроїв. Був розроблений двополюсний стабілізатор на основі операційного підсилювача з захистом по струму. Отримані параметри До _СТАБ = 16666,7, К _П 0,005%, вхідні і вихідні значення напруг і струмів задовольняють технічним завданням.

Вступ

Широкий розвиток радіоелектроніки та впровадження її в усі галузі науки і техніки є реалією нашого часу. Для нормального функціонування всіх видів радіоелектронних пристроїв (обчислювальних комплексів, апаратури радіо і зв'язку, робототехнічних засобів і т.д.) необхідні системи енергетичного постачання.

Високі техніко-економічні показники радіоелектронних пристроїв багато в чому залежать від параметрів джерел вторинного електроживлення.

Найбільш поширеною є ІВЕ (джерела вторинного електроживлення), що складаються з джерела змінної напруги, випрямлячів і стабілізується торів постійної напруги. В одних пристроях вони використовуються як стабільні джерела живлення, що забезпечують надійність роботи, в інших - ще й як джерела еталонного (зразкового) напруги.

Розвиток напівпровідникової техніки дало можливість отримати прості високостабільні джерела зразкового напруги практично будь-якої потужності і невеликих габаритів. Подальший розвиток ІВЕ призвело до створення і розвитку класу силових інтегральних мікросхем.

1 Вибір і обгрунтування структурної схеми

По використовуваному принципом дії напівпровідникові стабілізатори напруги (ПСН) діляться на параметричні та компенсаційні.

У першому типі ПСН використовують сталість напруги на деяких видах приладів при зміні протікає через них струму. У другому типі ПСН завдання стабілізації напруги вирішують по компенсаційним принципом, заснованому на автоматичному регулюванні напруги підводиться до навантаження.

По режиму роботи розрізняють ПСН безперервного і імпульсної дії.

У ПСН безперервної дії регулюючий елемент (РЕ) працює в активному режимі і стабілізація U _вих здійснюється безперервно, за рахунок компенсації зміни напруги на навантаженні зміною напруги на РЕ.

У ПСН імпульсної дії РЕ працює в імпульсному, тобто ключовому режимі. В імпульсному ПСН енергія надходить від джерела переривчасто, при цьому можливо два режими регулювання напруги на навантаженні:

- при постійній частоті, зміною тривалості імпульсу;

- при постійній тривалості імпульсу, зміною їх частоти.

Імпульсні стабілізатори мають такі переваги в порівнянні з ПСН з безперервним регулюванням:

- в кілька разів менше потужність розсіювання регулює

транзистора;

- більш високий ККД;

недоліки:

- велика величина пульсації U _ВИХІД;

- велика складність схеми;

- погані динамічні властивості при імпульсному зміні струму навантаження.

ПСН безперервної дії мають високий коефіцієнт стабілізації, низький вихідний опір і малу величину пульсації вихідної напруги. За місцем включення РЕ щодо навантаження ПСН діляться на паралельні і послідовні. У перших з них регулюючий транзистор включається паралельно навантаженню (Малюнок 1б), а по-друге - послідовно з нею (Малюнок 1а).

а) б)

РЕ - регулюючий елемент, І - джерело опорного (еталонного) напруги, ЕС - елемент порівняння, У - підсилювач постійного струму.

Малюнок 1

2 Вибір і обгрунтування принципової схеми

Високі якісні показники мають ПСН, як УПТ яких застосовані ОУ в інтегральному виконанні. Поліпшення параметрів ПСН при застосуванні в них ОУ обумовлюється високим коефіцієнтом посилення ОУ і глибокої ООС, охоплює стабілізатор.

Малюнок 2 - Принципова схема ПСН на основі ОУ

Регулюючий елемент виконаний на транзисторі VT1, як УПТ застосований ОУ DA1.

Для живлення ОП і пристроїв на них застосовуються, як правило, двухполярной напруга. Для його отримання можуть використовуватися 2 однакових ПСН (Малюнок 3).

У номінальному режимі потенціал середньої точки дільника R7 - R8 буде дорівнює потенціалу загальної шини, тобто 0. Т. о., U _ДІФ2 = U ₀₂ = 0. При зменшенні негативного U _вих2 потенціал инвертирующего входу DA2 стає позитивним. Ця напруга посилюється і інвертується, тому U _ВИХІД DA2 стає більш негативним; струми бази, колектора, емітера збільшуються, U _КЕ VT2 падає, а U _ВИХІД збільшується до номінального значення.

При зменшенні позитивного U _ВИХ1 через зовнішніх факторів або за рахунок регулювання резистором R4, потенціал середньої точки дільника R7 - R8 стає негативним. Ця напруга посилюється і інвертується ОУ DA2. його вихідна напруга стає більш

негативним. В результаті U _БЕ2 падає, його струми бази, колектора, емітера зменшуються, а U _КЕ2 зростає до тих пір, поки потенціал середньої точки дільника R7 - R8 не стане рівним 0. це станеться при U _ВИХ1 = U _вих2.

малюнок 3

2.1 Захист ПСН на основі ОУ від перевантаження ок по току і КЗ в навантаженні

Перевантаження по струму в напівпровідникових ПСН виникають при неприпустимому зниженні опору навантаження і при КЗ виходу стабілізатора. При цьому струм через РЕ збільшується до неприпустимою величини і він вихід з ладу. Згодом з ладу можуть вийти ОУ, випрямляч, трансформатор. Для запобігання виходу з ладу елементів стабілізатора в його схему вводиться захист по струму.

RS1 - шунт (датчик струму), УПТ - підсилювач постійного струму, ІУ - виконавчий пристрій;

Малюнок 4 - Структурна схема захисту

Робота захисту здійснюється наступним чином: в номінальному режимі роботи стабілізатора через опір навантаження і шунт RS1 протікає струм I _{H ном,} що не перевищує встановленої величини струму захисту I _З. У УПТ струм через RS1 або пропорційні йому падіння напруги на RS1 порівнюються з величиною U _З або I _З і перевищення струму через RS1 над I _З викликає появу сигналу на виході УПТ і спрацьовування ІУ, яке або розриває ланцюг навантаження, вимикаючи РЕ, або подзапірает регулює транзистор. Т.ч., захист може здійснюватися двома способами:

а) повне знеструмлення навантаження, тобто відсічення струму навантаження;

б) обмеження струму навантаження на певному рівні.

Як елементи захисту, як правило, використовуються напівпровідникові елементи і іноді електромагнітні реле.

Малюнок 5 - Схема стабілізатора із захистом по другому сп особу

Захист з обмеженням струму заснована на формі вхідний характеристики кремнієвого транзистора, що має вигляд:

малюнок 6

Точка перегину вхідний характеристики U _ПОР (порогове) характеризує напруга між базою і емітером, вище якого спостерігається швидке зростання струму бази, тому при перевищенні струмом I _H значення I _З = U _ПОР / RS1, I _Б починає різко збільшуватися, VD2 входить в

насичення, при якому U _КЕ2 приблизно дорівнює нулю, і шунтирует емітерний перехід VT1 в замикаючому напрямку, тому I _Е VT1 не може перевищувати заданої величини I _З. Як VT2 необхідно вибирати кремнієвий транзистор з частотними властивостями не гірше, ніж у VT1. елементи RS1 і VT2 можуть бути включені в загальну шину живлення.

Повне замикання РЕ за першим способом захисту можна здійснити, якщо базу VT1 підключити до загальної шині стабілізатора через дуже малий опір. При цьому в якості елемента захисту можна використовувати тиристор (транзисторний тригер).

3 Розрахунок принципової схеми

3.1 Розрахунок схеми порівняння і підсилювача

3.1.1. вибір стабилитрона

Для вибору типу стабілітрона, що використовується в якості джерела опорного напруги, знайдемо величину необхідного опорного напруги по формулі:

U _ОП = (0,6 ... ^0,7). U _{ВИХІД min,}

U _ОП = ^0,7. 3 = 2,1 В.

Тип кремнієвого стабілітрона підбираємо, маючи на увазі, що напруга стабілізації вики ного приладу повинна відповідати значенням опорного напруги (U _СТ ~ U _ОП). Параметри стабілітрона КС191С наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 - параметри стабілітрона КС 191с

Таким чином опір резистора R ₂ (I _{R 2} = I _{VD 1):}

U _{ВИХІД max} - U _СТ 30 - 9,1

R ₂ = ----------- = ---- = 6966,666 ~ 6967 Ом.

I _{CT min} ^3. 10 ^-3

З ряду Е24 вибираємо номінал 6,8 кОм. Потужність, що розсіюється на R ₂ дорівнює:

P _{R 2} = (U _{ВИХІД max} - U _СТ) ² / R ₂ = (30 - 9,1) ^2/6967 = 0,063 Bт.

3.1.2 Розрахунок опорів R _3, R _4, R ₅

Для розрахунку задаємося струмом подільника (зазвичай I _д = (5 ... 10) мА). Далі знаходимо загальний опір вихідного дільника:

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

Обчислюємо мінімальний і максимальний коефіцієнти передачі подільника:

α _min = U _{СТ min} / U _{ВИХІД max} = 9,1 / 30 = 0,3,

α _max = U _{СТ max} / U _{ВИХІД min} = 9,1 / 3 = 3.

Опір резистора R ₅ одно:

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

З ряду Е24 вибираємо номінал 1 кОм.

Опір резистора R ₃ одно:

R ₃ = R ^_5. (1 - α _max) / α _min = ^900. (1 - 3) / 0,3 = 6 кОм.

З ряду Е24 вибираємо номінал 6,2 кОм.

Опір змінного резистора R ₄ одно:

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

Вибираємо номінал 8,2 кОм.

Резистор R ₄ вибираємо типу СП5-39-8,2 кОм ± 10%

3.1.3 Розрахунок опорів R _7, R ₈

R _Д розраховуємо аналогічно резисторам R _3, R _4, R _5:

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

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

З ряду Е24 вибираємо номінал 1,5 кОм.

3.1.4 Розрахунок ОУ

Критеріями вибору ОУ є виручкою я: синфазное напруга U _СФ, рівне U _СТ, вхідна напруга U _ВХ, швидкість наростання вихідної напруги ОП V _{U ВИХІД.} Для зниження динамічних втрат в РЕ необхідно, щоб фронт і зріз вихідних імпульсів ОУ не перевищував

1-2 мкс. Орієнтовно необхідну величину V _{U вих} можна визначити за формулою:

U _ВХ 36

V _{U ВИХІД} ³ ----- ³ --- ³ 13 - 36 В / мкс

t _ф 1 - 2

Зазначеним вимогам задовольнять ОУ типу КР554УД2А. Параметри ОУ КТ315А наведені в таблиці 2.

Таблиця 2 - параметри ОУ типу КР554УД2А

Резистор R0 вибираємо в розрахунку, що у обох ОУ ± U _ПІТ = 15в, а I _Потро = 7 мА, таким чином

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

З ряду Е24 вибираємо номінал 1,8 кОм.

Обмеження вихідного струму ОУ DA 1 здійснюється резистором

R _1, який не повинен перевищувати 5 міліампер.

ОУ DA 2 вибираємо такий же як DA 1, отже, струм на резіс торі R ₆ також не повинен перевищувати 5 міліампер.

3.2 Розрахунок регулюючого елемента

Згідно з завданням вихідний струм один ампер, тобто ток I _Е = 1 А. Струм бази VT 1 дорівнює току резистора R _1:

I _Б = 5 мА.

Струм колектора транзистора VT 1 дорівнює:

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

Тоді коефіцієнт посилення по току РЕ і УМ дорівнює:

До _I ≥ _{I К} / I _Е = 0,995 / 1 = 0,995.

Як РЕ необхідний транзистор з допустимою напругою колектор-емітер:

U _ке.доп. ≥ 1,5 · U _ВХ,

U _ке.доп. ≥ 1,5 · 36 = 54 В.

Виберемо транзистор VT1 КТ630Е. Параметри транзистора КТ630Е наведені в таблиці 3.

Таблиця 3 - параметри транзистора КТ630Е

Опір резистора R ₁ розрахуємо за формулою:

R ₁ = (U _{ВИХ.ОУ max} - U _БЕНАС) / I _{R 5,}

де I _{R 1} = 5 · 10 ^-3 А;

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

З ряду Е24 вибираємо номінал 4,7 кОм.

Потужність, що розсіюється на резисторі R _1, дорівнює:

P _{R 1} = I _{R 1} ² · R ₁ = (5 · 10 ^{-3) 2} · 4,7 · 10 ³ = ^1,17. 10 ^-3 Вт.

Подібно VT1 вибираємо транзи стор VT3. Параметри транзистора КТ933Б наведені в таблиці 4.

Таблиця 4 - параметри транзистора КТ933Б

Резистор R ₆ вибираємо такий же як R _1.

3.3 Розрахунок захисту від перевантажень по струму і КЗ в навантаженні

Розрахунок регулюючого транзистора і резистора

Задамо значення I _з = 50 мА, а U _ПОР = 50 В.

I _з = U _ПОР / RS1,

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

Вибираємо транзісторVT2 тип а КТ608Б.Параметри транзистора КТ608Б наведені в таблиці 5.

Таблиця 5 - параметри транзистора КТ608Б

Подібно VT2 вибираємо транзистор VT4. Параметри транзистора КТ620А наведені в таблиці 6.

Таблиця 6 - параметри транзистора КТ620А

Резистор RS2 вибираємо такий же як RS1.

3.4 Розрахунок параметрів стабілізації

3.4.1 Розраховуємо коефіцієнт стабілізації розрахованого стабілізатора напруги, а також величину пульсацій на виході:

До _СТ = (U _H * K) / U _BX = (30 * 20000) / 36 = 16666,7

Розраховуємо коефіцієнт пульсацій:

Δ U _ВИХІД = Δ U _ВХ / К = 36/20000 = 0,0018

K _П = (Δ U _ВИХІД * 100) / U _ВХ = (0,0018 * 100) / 36 = 0,005

3.4.2 Перевіряємо відповідність розрахованих параметрів заданим умовам:

До _ст = 16666,7> До _ст.зад = 5000;

До _п = 5 10 ^-3% <�До _п.зад = 50'10 ^-3%.

Отримані параметри задовольняють заданим умовам.

4 Розрахунок ККД пристрою

Визначаємо номінальне і мінімальне значення ККД:

U _H * I _H 30 * 1

η _ном = --- = --- = 0,83

U _ВХ * I _H 36 * 1

U _Hмін * I _H 3 * 1

η _хв = ---- = --- = 0,083

U _ВХ * I _H 36 * 1

5 Конструкторська частина

В результаті структурної і принципової електричних схем стабілізатора постійної напруги була додатково розроблена друкована плата 140'102 мм з відповідними навісними радіоелементами. Для поліпшення тепловіддачі радіоелементи розташовані на великій відстані один від одного.

Друкована плата виконана з двостороннього фольгованого склотекстоліти товщиною 1,5-2 мм фотохимическим методом. Пайка висновків елементів виконана припоєм ПО З-61. Крок координатної сітки 2,5 мм.

висновок

Курсовий проект виконаний відповідно до завдання на проектування, отримані результати До _СТАБ = 16666,7, К _П 0,005% задовольняють необхідним завданням.

Номінальний ККД пристрою перевищує 80%, це говорить про ефективність використання стабілізаторів напруги на основі операційного підсилювача.

Список літератури

1. Додік С.Д. Напівпровідникові стабілізатори постійної напруги і струму (з безперервним регулюванням) .- М .: Сов.радіо, 1980.- 618 c.

2. Вересів Г.П. Стабілізовані джерела живлення радіоаппаратури.- М .: Енергія, 1978.- 192 с.

3. Гершунский Б.С. Довідник по розрахунок у електронних схем. - Київ: Вища школа, 1983. - 240 с.

4. Фрумкін Г.Д. Розрахунок і конструювання радіоелектронної радіоапаратури. - М .: Вища школа, 1989. - 463 с.

5. Напівпровідникові прилади: Транзистори. Довідник / В. Л. Аронов, А. В. Баюк, А. А. Зайцев та ін. За заг. ред. М.М. Горюнова. - 2-е изд., Перераб. - М .: Вища школа, 1986. - 904 с.

6. Напівпровідникові прилади. Діоди випрямляючі, стабілітрони, тиристори: Довідник / А. Б. Гітцевіч, А. А. Зайцев, В. В. Мокряк та ін. Під ред. А. В. Голомедова. - М .: Радио и связь, 1988. - 528 с.

додаток А

ВАХ транзисторів КТ630Е, КТ933Б, КТ608Б