Проектирование стабилизированных источников питания электронной аппаратуры различного назначения

Проектирование стабилизированных источников питания электронной аппаратуры различного назначения

Для работы электронных устройств (ЭУ) ответственного назначения необходимы стабилизированные источники питания, которые используются для питания анодных цепей электронных ламп, транзисторных и интегральных схем, различных цепей смещения и т. п.

Структурная схема стабилизированного источника питания ЭУ Основными частями стабилизированного источника питания являются выпрямитель и стабилизатор постоянного напряжения (СПН) Выпрямитель состоит из следующих элементов

— силового трансформатора;

— схемы выпрямления;

— сглаживающего фильтра.

Силовой трансформатор служит для повышения или понижения напряжения сети до необходимой величины. Схема выпрямления состоит из одного или нескольких вентилей, обладающих односторонней проводимостью тока и выполняющих основную функцию выпрямителя — преобразование переменного тока в постоянный (пульсирующий). Сглаживающий фильтр предназначен для уменьшения пульсаций выпрямленного тока. Стабилизатор постоянного напряжения предназначен для автоматического поддержания с требуемой точностью постоянного напряжения на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

Целью работы является синтезирование блока питания с компенсационным стабилизатором напряжения (КСН). 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.

Принимаем КСН последовательного типа, со следующей функциональной схемой.

КСН состоит из следующих функциональных блоков: регулирующего элемента (РЭ); схемы сравнения (СС), включающей в себя источник опорного напряжения и сравнивающий делитель, вырабатывающий сигнал рассогласования между выходным и опорным напряжениями; усилителя постоянного тока (У), усиливающего сигнал рассогласования между выходным и опорным напряжениями и управляющего работой регулирующего элемента.

Основными параметрами, характеризирующими стабилизатор, являются:

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

где:

U_вх и U_вых — номинальное напряжение на входе и выходе стабилизатора.

ДU_вх и ДU_вых — изменение напряжений на входе и выходе стабилизатора.

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

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

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 определенный промежуток времени или в определенном интервале температур.

1. Исходные данные для расчета

Номинальное напряжение питающей сети U_с = 220 В

Частота питающей сети ?_с = 50 Гц

Отклонения напряжения сети от номинального, а = ±3%

Номинальное выходное напряжение стабилизатора U_вых = 30 В

Минимальное выходное напряжение стабилизатора U_вых.min = 15 В

Максимальное выходное напряжение стабилизатора U_вых.max = 40 В

Максимальный ток нагрузки I_н.max = 4 А

Минимальный ток нагрузки I_н.min = 0

Коэффициент стабилизации К_ст = 1000

Выходное сопротивление r_i = 0,01 Ом

Допустимая амплитуда пульсаций выходного напряжения U_вх~ = 3 мВ

Изменение выходного напряжения при работе в заданном диапазоне температур ДU_вых(t) = 0,3 мВ/°С.

Температурный диапазон: t_окр = -20.+ 40 °C.

2. Расчет силовой части стабилизатора

Так как требуется высокий коэффициент стабилизации и маленькое температурное отклонение напряжения, применяем следующую принципиальную схему КСН

Регулирующим элементом служит составной транзистор. В качестве усилительного элемента обратной связи применяем дифференциальный усилитель постоянного тока, в котором происходит компенсация температурного дрейфа.

Источником питания усилителя служит источник тока на транзисторе.

Определяем максимальный коллекторный ток регулирующего транзистора

I_кр1.max = I_н.max + I_вн = 4 + 0,02 = 4,02 А

где I_вн = 20.30 мА — ток, потребляемый схемой стабилизатора.

Так как усилитель постоянного тока питается от входа стабилизатора через стабилизатор тока принимаем в качестве VD1 2 диода Д223Б с параметрами:

Допустимое обратное напряжение U_обр = 150 В

Среднее значение выпрямленного тока I_VD1ср = 0,05 А

Падение напряжения в прямом направлении U_VD1.max = 1 В

Зададимся минимальным напряжением регулирующего транзистора.

U_кэ1.min = U_VD1 + (2.3) = nU_VD1.max + (2.3) = 21 + 2 = 2 + 2 = 4 B,

где U_VD1 = nU_VD1.max — падение напряжения в диодном плече VD1 стабилизатора тока;

n = 2 — количество диодов в плече;

Амплитуда пульсаций напряжения на входе КСН:

U_~ = (0,05. 0,1)(U_вых.max + U_кэ1.min) = 0,05(40 + 4) = 3,85 B

Напряжения на входе стабилизатора минимальное

U_вх.min = U_вых.max + U_кэ1.min + U_вх~ = 40 + 4 + 3,85 = 47,85 B

номинальное

максимальное

U_вх.max = U_вх(1 + а) = 49,33 (1 + 0,03) = 50,81 В

Максимальное напряжение на входе КСН при минимальной силе тока нагрузки

где r_o = (0,05. 0,15)U_вх/I_н.max — ориентировочное внутреннее сопротивление выпрямителя с фильтром

Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером регулирующего транзистора

U_кэ1.max = U_вх.м.max — U_вых.min = 53,28 — 15 = 38,28 В

Максимальная мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором

Р_кр1.max = (U_вх.max — U_вых.min) I_кр1.max = (50,81 — 15) 4,02 = 143,96 Вт

В качестве VT1 принимаем n_пар = 4 параллельных транзистора 2Т825 Б (n-p-n) с параметрами U_кэ.max = 60 B, I_к.max = 20 A

P_к.max = 160 Вт (с теплоотводом)

Коэффициент передачи по току

h_21э = в = 750.18 000

Максимальный обратный ток коллектора

I_к0.max = 20 мА

Максимальная температура перехода

t_п.max = 175°C

Тепловое сопротивление «переход-корпус»

R_{t п-к} = 1,2°С / Вт

Мощность рассеиваемая каждым транзистором

Р'_кр1.max = Р_кр1.max/n_пар = 143,96/4 = 35,99 Вт

Площадь теплоотвода:

Для выравнивания силы токов парараллельно включенных транзисторов в цепи эмиттеров вводим симметрирующие резисторы

Для транзистора 2Т825 Б падение напряжения «коллектор-эмиттер» при токе I_кр1.max = 4А

U_кэ = 2 B.

Сопротивление симметрирующего резистора

R_с = n_парU_кэ/I_кр1.max = 42/4 = 2,000 Ом

Мощность, выделяемая резистором

P_Rc = [I_кр1.max/ n_пар]² R_c = [4,02/ 4]² 2 = 2,02 Вт

Уточняем значения напряжений с учетом симметрирующих сопротивлений

U_Rc = [I_кр1.max/ n_пар]R_c = [4,02/ 4]2 = 2,68 В

U_вх.min = U_вых.max + U_кэ1.min + U_вх~ + U_Rc = 40 + 4 + 3,85 + 2,68 = 50,53 B

U_вх.max = U_вх(1 + а) = 52,09 (1 + 0,03) = 53,66 В

U_кэ1.max = U_вх.м.max — U_вых.min = 56,26 — 15 = 41,26 В

Определяем количество каскадно включенных транзисторов, входящих в составной регулирующий транзистор.

Базовый ток составного регулирующего транзистора должен быть на порядок меньше коллекторного тока усилителя ПТ обратной связи. Так как в качестве VTy могут быть использованы маломощные транзисторы, то значение I_кy принимаем равным 2.5 мА.

Тогда ток базы составного регулирующего транзистора не должен превышать 0,2. 0,5 мА.

Определяем суммарный максимальный и минимальный базовые токи параллельно включенных транзисторов VT1:

Ток через резистор R_б1:

I_Rб1 = (1.15)n_пар (I_к0.1.max — I_б1.min) = 1,54 (20 — 0,001)10^-3 = 120,010^-3 А

Сопротивление резистора R_б1:

Принимаем по Е24 R_б1 = 120 Ом

Мощность резистора R_б1:

Находим условия работы транзистора VT2:

U_кэ2.max? U_кэ1.max = 41,26 В

Р_кр2.max = (U_вх.max — U_вых.min) I_к2.max = (53,66 — 15) 0,339 = 13,09 Вт

В качестве VT2 принимаем транзистор КТ805Б (n-p-n) с параметрами

U_кэ.max = 135 B

I_к.max = 8 A

P_к.max = 30 Вт (с теплоотводом)

Коэффициент передачи по току

h_21э = в = 15.35

Максимальный обратный ток коллектора

I_к0.max = 5 мА

Максимальная температура перехода

t_п.max = 150°C

Тепловое сопротивление перехода

R_t = 35 °C / Вт

Тепловое сопротивление «переход-корпус»

R_{t п-к} = 3,3°С / Вт

Тепловое сопротивление «корпус-среда»

R_{t к-m} = 0,4°С / Вт

Рассчитываем предельную мощность, которую может рассеивать транзистор без теплоотвода при максимальной температуре среды

Поскольку Р_кр2.max > Р_пред рассчитываем теплоотвод

Площадь теплоотвода:

Определяем максимальный и минимальный базовые токи транзистора VT2:

Ток через резистор R_б2:

I_Rб2 = (1.15) (I_к0.2.max — I_б2.min) = 1,5 (5 — 3,43)10^-3 = 2,3610^-3 А

Сопротивление резистора R_б2:

Принимаем по Е24 R_б2 = 6800 Ом = 6,8 кОм

Мощность резистора R_б2:

Находим условия работы транзистора VT3:

U_кэ3.max = U_кэ2.max? U_кэ1.max = 41,26 В

Р_кр3.max = (U_вх.max — U_вых.min) I_к3.max = (53,66 — 15) 15,5610^-3 = 0,601 Вт

В качестве VT3 принимаем транзистор КТ807Б (n-p-n) с параметрами

U_кэ.max = 100 B

I_к.max = 0,5 A

P_к.max = 10 Вт (без теплоотвода)

Коэффициент передачи по току

h_21э = в = 60.200

Максимальный обратный ток коллектора

I_к0.max = 0,03 мА

Максимальная температура перехода

t_п.max = 150°C

Тепловое сопротивление перехода

R_t = 120 °C / Вт

Рассчитываем предельную мощность, которую может рассеивать транзистор без теплоотвода при максимальной температуре среды

Поскольку Р_кр3.max < P_к.max тепловой расчет не требуется

Максимальный входной ток базы составного регулирующего транзистора

Входной ток базы соответствует ранее выбранным пределам (0,2. 0,5 мА). Принимаем три каскадно включенных транзистора в составном регулирующем транзисторе.

3. Расчет измерительного и усилительного элементов

Стабилитрон VD_оп, используемый в качестве источника опорного напряжения выбираем из условия максимального напряжения:

U_оп.max? U_вых.min — (2.3B) = 15 — 3 = 12 B

Выбираем стабилитрон Д818Б с параметрами:

Среднее напряжение стабилизации

U_ст.ср = 8,3 В

U_ст.min = 7,65 В

U_ст.max = 9 В

I_ст.min = 3 A

I_ст.max = 32 A

Температурный коэффициент

н_ст.max = -0,02%/°C

Гасящее сопротивление опорного стабилитрона усилителя ПТ:

Принимаем по Е24 R_Г2 = 2000 Ом = 2 кОм

Мощность резистора R_Г2:

Задаемся максимальным током коллектора транзисторов VT_y1, VT_y2 усилителя ПТ обратной связи в пределах 2.5 мА

I_ку1.max = I_ку2.max = I_ку.max = 2 мА

Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером

U_кэу1.max = U_кэу2.max = U_кэу.max = U_вх.max — U_ст.min = 53,66 — 7,65 = 46,01 B

Мощность, рассеваемая коллектором

P_ку1.max = P_ку2.max = P_ку.max = U_кэу.max I_ку.max = 46,1 210^-3 = 0,092 Вт = 92 мВт

В качестве VTу1 и VTу2 принимаем транзисторы КТ301A (n-p-n) с параметрами

U_кэ.max = 20 B

I_к.max = 10 мA

P_к.max = 150 мВт (при 75°С)

Коэффициент передачи по току

h_21э = в = 40.120

Максимальный обратный ток коллектора

I_к0.max = 10 мкА

Максимальная температура перехода

t_п.max = 120°C

Поскольку P_ку.max < P_к.max тепловой расчет не ведем.

Эмиттерное сопротивление усилителя ПТ

Принимаем по Е24 R_эу = 2000 Ом

Мощность резистора R_эу:

Рассчитываем стабилизатор тока, являющийся нагрузкой усилителя ПТ обратной связи.

Минимальный ток выпрямления через диод VD1 соответствующий на вольтамперной характеристике Д223Б минимальному току линейного участка равен: I_VD1.min = 5 мА.

Гасящее сопротивление стабилизатора тока:

Принимаем по Е24 R_Г1 = 2700 Ом

Мощность резистора R_Г1:

Так как транзистор VTc маломощный принимаем среднее напряжение «база-эмиттер»

U_бэ.с = 0,7 В

Эмиттерное сопротивление стабилизатора тока:

Принимаем по Е24 R_э1 = 820 Ом

Мощность резистора R_э1:

Находим условия работы транзистора VTс:

I_кс.max = I_ку.max + I_б3.max = 210^-3 + 0,2610^-3 = 10,2 593 210^-3 А

U_кэ.с.max = U_кэ1.max — U_VD1 = 41,26 — 2 = 36,28 В

Р_кс.max = U_кэ.с.max I_кс.max = 36,28 10,2 593 210^-3 = 0,372 Вт = 372 мВт

В качестве VTс принимаем транзистор КТ203Б (n-p-n) с параметрами

U_кэ.max = 30 B

I_к.max = 10 мA

P_к.max = 150 мВт (при 75°С)

Коэффициент передачи по току

h_21э = в = 30.100

Максимальный обратный ток коллектора

I_к0.max = 15 мкА

Максимальная температура перехода

t_п.max = 150°C

Поскольку P_кс.max < P_к.max тепловой расчет не ведем.

Рассчитываем максимальную силу тока стабилитрона VD_оп:

Принимаем ток измерительного делителя напряжения равным I_дел = 2 мА

Находим коэффициенты

Ориентировочное сопротивление делителя

R_д2 = б_min R_дел = 0,2 017 500 = 1506,9 375 Ом

Принимаем по Е24 R_д2 = 1500 Ом

P_Rд2 = R_д2 I_дел² = 1500(210^-3)² = 0,0060 Вт

R_д1 = (1 — б_max) R_дел = (1 — 0,600)7500 = 3000 Ом

Принимаем по Е24 R_д1 = 3000 Ом

P_Rд1 = R_д1 I_дел² = 3000(210^-3)² = 0,012 Вт

R_п? R_дел — R_д1 — R_д2 = 7500 — 1500 — 3000 = 3000 Ом

Принимаем по Е24 R_п = 3000 Ом

Пересчитаем сопротивление делителя

R_дел = R_д1 + R_д2 + R_п = 1500 + 3000 + 3000 = 7500 Ом.

4. Расчет температурной компенсации

стабилизированный питание транзистор ток

Температурную компенсацию выполняем включением в плечо делителя компенсационного диода VDk, если расчетное значение температурного коэффициента стабилизатора больше заданного. Если ТКС положителен включаем компенсирующий диод в верхнее плечо, если отрицателен, то в нижнее.

Максимальный ТКН опорного стабилитрона:

г_оп.max = н_ст.maxU_ст.ср = -0,028,3 = -1,66 мВ/°С

Для маломощных транзисторов VTy1, VTy2 усилителя ПT максимальный и минимальный температурные коэффициенты перехода «база-эмиттер» принимаем равными:

г_бэ.у.min = -1,9 мВ/°С

г_бэ.у.max = -2,5 мВ/°С

Вычисляем максимальный ТКС при отсутствии термокомпенсирующих диодов

Уточняем силу тока делителя

Выбираем в качестве компенсирующего диод Д814Б и по графику рис. 2.1 при токе 4,00 мА находим температурный коэффициент диода г_k = -1,85 мВ/°С

Рассчитываем количество компенсирующих диодов

Принимаем в нижнем плече 4 диода Д814Б.

Принимая, что термокомпенсирующие диоды имеют разброс температурного коэффициента Дг = ±0,1 мВ/°С, находим минимальный температурный коэффициент термокомпенсирующего диода

г_k.min = г_k + Дг = -1,85 + 0,1 = -1,75 мВ/°С

Наибольший температурный коэффициент стабилизатора при наличии термокомпенсации:

г_k.max = г_max — N_k г_k.min = -7,33 — 4(-1,75) = -0,33 мВ/°С

Расчетное значение приблизительно равняется заданному 0,3 мВ/°С.

Выводы

В результате выполнения курсовой работы был получен стабилизированный источник питания с высоким коэффициентом стабилизации. Конструкция источника питания получилась громоздкой. Но благодаря развитию импульсной техники большинство маломощных источников питания обладает импульсным принципом работы. При этом снижаются габариты, и повышается КПД источников питания.

1. Электротехника и основы электроники: Учебное пособие по курсовому проектированию для студентов специальностей 2102 всех форм обучения / Норильский индустр. ин-т./ М. А. Авербух, А. Г. Карпов — Норильск, 2008.

2. Полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения и тока. — М. Сов. Радио. 1980.

3. Справочник по полупроводниковым диодам транзисторам и интегральным схемам/ Под ред. Н. Н. Горюнова — М. Энергия, 1977.

4. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник/ Под ред. Н. Н. Горюнова — М. Энергоиздат, 1982.

5. Источники электропитания на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет/ Под ред. С. Д. Додика и Е. И. Гальперина — М. Сов. Радио. 1968.