Разработка двухполярного стабилизатора согласованных напряжений

ВВЕДЕНИЕ

Инженер электронной техники должен быть специалистом по проектированию, конструированию, технологии и применению приборов и устройств, основанных на различных физических процессах в твёрдом теле. Без знания принципа действия и свойств конкретного полупроводникового прибора невозможно правильно выполнить расчёт, разработать технологию изготовления и организовать производство, использовать свойства и измерить параметры этого прибора, а также рационально использовать этот прибор в той или иной установке при различных условиях эксплуатации.

При проектировании источников питания для радиоэлектронной аппаратуры предъявляются высокие требования к стабильности выходного напряжения.

Простейшими стабилизаторами напряжения являются схемы, использующие нелинейные элементы, вольт-амперная характеристика которых содержит участок, где напряжение почти не зависит от тока. Такую вольт-амперную характеристику имеет стабилитрон, работающий при обратном напряжении в области пробоя.

 

Схема простейшего стабилизатора напряжения, называемого параметрическим, приведена на рис.1. В этой схеме стабильность выходного напряжения определяется в основном параметрами стабилитрона. Колебания входного напряжения или тока нагрузки приводят к изменению тока через стабилитрон, однако напряжение на стабилитроне, подключенном параллельно нагрузке, изменятся незначительно.

 

Рис.1. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения

 

Высокое качество стабилизации напряжения можно получить при использовании компенсационных стабилизаторов, представляющих собой автоматические регуляторы, в которых фактическое выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) напряжением. Возникающий при этом сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулирующий элемент стабилизатора таким образом, чтобы выходное напряжение стремилось достичь эталонного уровня. В качестве источника опорного напряжения обычно используют параметрический стабилизатор, работающий с малыми токами нагрузки, реже – гальванические батареи.

1.РАСЧЁТ НОМИНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ

На резисторах R1 и R2 собрана цепь делителя напряжения. Она позволяет нам из значения +Uвых =5В получить –Uвых =6В. Для расчёта сопротивлений выбираем один из них произвольно: R2 = 2000 Ом, тогда ток в цепи делителя будет:

I = U/R2 = 6/2000 = 0.003(А) = 3(мА).

Так как сопротивления R1 и R2 включены последовательно, то

IR1=IR2=I.

Следовательно, второе сопротивление рассчитаем как:

R1= U / I = 5/0,003 = 1666(Ом).

Определим мощности, падающие на каждом из сопротивлений:

P1 = (3∙103)2 ∙1666 = 0,015 (Вт) = 15( мВт);

P2 = (3∙103)2 ∙2000 = 0,018 (Вт) = 18 (мВт).

 

2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ТИПА ЭЛЕМЕНТОВ

 

Выбор резисторов

 

Из приведённого выше расчёта следует, что можно использовать резисторы с рассеиваемой мощностью Pрас = 0,25 Вт.

Выбираем резисторы МЛТ типа:

R1 МЛТ-0,25-1,6 кОм±5%

R2 МЛТ-0,25-2,0 кОм±5%

 

Выбор транзистора

 

Выбор транзисторов произведём с учётом тока коллектора IК и напряжения на участке коллектор-эмиттер UКЭ.

Через транзистор VT1 протекает ток 1А, а напряжение UКЭ должно быть больше или равно 15В. следовательно, для него можно использовать транзистор 2Т920В. Это кремниевый n-p-n транзистор со следующими параметрами:

напряжение коллектор – эмиттер  UКЭ=36 В;

коэффициент передачи тока h21Э=50…150;

напряжение  эмиттер – база  UЭБ  max=4 В;

максимальный ток коллектора IК. МАХ=3 А;

рассеиваемая мощность на коллекторе PК max=25 Вт.

Выбор операционного усилителя

Для выбора операционного усилителя DD2 необходимо определить, какой выходной ток он должен обеспечивать. Поскольку выход операционного усилителя соединён с базой транзистора VT1, значит необходимо подсчитать величину тока базы IБ. Максимальный выходной ток операционного усилителя должен быть больше тока базы:

Iвх макс ОУ>IБ макс.

Определим ток базы транзистора по формуле:

IБ = 1/100 = 0,01 (А) = 10 (мА)

Таким образом, операционный усилитель должен иметь выходной ток свыше 10 мА. Данным требованиям удовлетворяет операционный усилитель К140УД12. Это операционный усилитель со следующими параметрами:

выходной ток IВЫХ=10 мА;

напряжение питания UИП1=(15+1,5) В, UИП2=(-15+1,5) В;

потребляемый ток IПОТ=170 мА;

разность входных токов ∆IВХ=15 нА;

напряжение смещения UСМ=+5мВ;

коэффициент усиления КU=100В/мВ;

входное сопротивление RВХ=5 МОм.

Выбор стабилизатора напряжения

Для выбора стабилизатора напряжения DD1 необходимо, что бы его входное напряжение было больше или равно 15В (Uвх=15В), его выходное напряжение должно быть больше или равно 5В (Uвых=5В). Рассчитаем мощность, рассеиваемую на стабилизаторе:

Pрас = Iст∙(Uвх – Uстаб) = (15 – 5) ∙1 = 10(Вт)

Ток через него должен быть не менее 1А. В соответствиями с данными расчётами выберем микросхему КР142ЕН5А с параметрами:

минимальное входное напряжение UВХ min=8,5В;

максимальное входное напряжениеUВХ max=15В;

минимальное выходное напряжение UВЫХ min=4,9В;

максимальное выходное напряжение UВЫХ max=5,1В;

максимальный ток Imax=3А;

рассеиваемая мощность Pрассеив=10Вт;

коэффициент стабилизации Кстаб=60.

Выбор конденсаторов

 

Конденсаторы С1 и С2 необходимы для  нормальной работы стабилизатора.

Для выбора  конденсаторов    необходимо знать что конденсаторы С1 и С3 стоят в  цепи с напряжением в 15В, а  С2 и С4 в цепи с напряжениями 5В и 6В соответственно. А так как значения номиналов нам известны из определения стабилизатора, то выбираем конденсатор К10-47 с параметрами:

Номинальное напряжение 50В;

Диапазон номинальных емкостей 1,0….2,2мкФ.

Тогда для: С1 и С3 выберем К10-47-50В-1,0мкФ+5%; для С2 и С4 К10-47-50В-2,2мкФ+5%.

ВЫВОДЫ

Таким образом, в результате выполнения данной курсовой работы был проведён анализ принципа действия двухполярного стабилизатора согласованных напряжений. Были рассчитаны номинальные значения выбранных элементов и на основании этих расчётов был произведён выбор типа этих элементов.