Разработка и исследование компенсационного стабилизатора с импульсным регулированием и входным фильтром

Разработка и исследование компенсационного стабилизатора с импульсным регулированием и входным фильтром

• Введение
• Стабилизатор напряжения — это устройство, которое поддерживает на определенном уровне с определенной погрешностью напряжение у себя на выходе при значительных колебаниях напряжения на входе.
• Почти любая электронная схема — от простых схем на транзисторах и операционных усилителях и до сложнейших цифровых и микропроцессорных систем — требует для своей работы одного или нескольких стабильных источников питания постоянного тока. Простые нерегулируемые источники питания типа трансформатор — мостовой выпрямитель — конденсатор, не годятся, так как их выходное напряжение, зависит от тока нагрузки и напряжения в сети, хотя, они и входят в состав источников питания; Для поддержания стабильного заданного напряжения используются стабилизаторы. Существуют как простые стабилизаторы, состоящие из пары простых элементов, так и более сложные, способные сравнивать выходное напряжение с опорным (эталонным).
• Целью выполнения данной работы является рассмотрение различных видов стабилизаторов, разбор принципа их работы, сравнение различных схем и выбор лучшего варианта. Также, в данной работе производится расчет параметров элементов для удовлетворения ограничений исходных данных технического задания. В качестве проверки проводится моделирование схемы с использованием полученных параметров.
• Анализ технического задания, обоснование выбора схемы
• Основные виды стабилизаторов:

· Параметрические

· Компенсационные

Параметрический стабилизатор наиболее простой. Его работа основана на свойствах полупроводникового диода, а точнее на одной из его разновидностей — стабилитрона. В кремниевом стабилитроне при определённом Uст развивается лавинный пробой p-n перехода.

Простейшая схема параметрического стабилизатора приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 — Параметрический стабилизатор напряжения

стабилизатор схема напряжение моделирование Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3−10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке RL. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов.

Большой мощи с вышерассмотренной схемы не снять. Поэтому придумали следующую схему с усилителем мощности:

Рисунок 2 — Параметрический стабилизатор напряжения с усилителем мощности

Тип транзистора в схеме на рисунке 2 выбирается из учета мощности нагрузки. Часто, когда ток нагрузки велик, применяют составной транзистор (рисунок 3).

Рисунок 3 — составной транзистор

Компенсационный стабилизатор отличается наличием отрицательной обратной связи, посредством которой сигнал рассогласования усиливается и воздействует на регулируемый элемент, изменяя его сопротивление, что ведёт к стабилизации. Компенсационные стабилизаторы, в которых регулируемый транзистор постоянно (непрерывно) находится в открытом состоянии, называются линейными или с непрерывным регулированием. В импульсном стабилизаторе регулируемый транзистор работает в ключевом режиме.

На рисунке 4 приведена структурная схема компенсационного стабилизатора.

Рисунок 4 — структурная схема компенсационного стабилизатора

РЭ — это регулирующий элемент, в качестве которого чаще всего используется транзистор (биполярный или полевой), СУ — схема управления — управляет работой РЭ. Его задача — усилить сигнал рассогласования и подать его на РЭ. Д — делитель напряжения, ИОН — источник опорного напряжения. В качестве ИОН применяют схему параметрического стабилизатора. Источник опорного напряжения и делитель объединяют в так называемый измерительный элемент (ИЭ).

Итак, источник опорного напряжения (ИОН) задает опорное напряжение, поступающее на вход СУ. С делителя часть выходного напряжения (соизмеримого с напряжением ИОН) также подается на вход схемы управления (СУ). В результате сравнения выходного напряжения (или его части) с опорным СУ управляет РЭ, сопротивление которого меняется в ту или иную сторону. К примеру, напряжение на входе резко возросло, оно, естественно, передается на выход. Сигнал с делителя напряжения подается на схему управления и та, в свою очередь, сравнивая напряжение с ИОН, дает команду РЭ увеличить (уменьшить) сопротивление. В результате на нагрузке напряжение остается постоянным.

Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами соответствующие им импульсные стабилизаторы обладают следующими основными достоинствами:

· меньшим весом за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных тяжелых низкочастотных силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме;

· значительно более высоким КПД (вплоть до 90−98%) за счет того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (т.е. либо включен, либо выключен) потери энергии минимальны;

· меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;

На рисунке 5 изображена структурная схема компенсационного стабилизатора с импульсным регулированием.

Рисунок 5 — Структурная схема импульсного стабилизатора РЭ — регулирующий элемент. Его функции в импульсных стабилизаторах выполняет ключ на биполярном транзисторе. Когда он открыт, он находится в насыщении, поэтому падение напряжения ан нем мало, что обеспечивает малую мощность рассеивания. Другое его состояние соответствует отсечке. В этом случае ток транзистора практически равен нулю, и мощность рассеивания также равна нулю. Для уменьшения пульсаций выходного напряжения частоту переключения элемента необходимо выбирать как можно больше, однако при этом возрастает время, в течение которого транзистор находится в переходном (активном) режиме, когда имеет место относительно большое падение напряжения на транзисторе и относительно большой ток, и, соответственно, рассеивается повышенная мощность. Поэтому рабочая частота импульсного стабилизатора является результатом некоторого компромисса и находится в пределах от 5кГц до 20кГц. В данной работе частота преобразования равна 20кГц, что удовлетворяет этому условию.

УС — устройство сравнения. Оно сравнивает выходное напряжение с опорным. В компенсационных стабилизаторах с импульсным регулированием устройство сравнения выполнено на компараторе. Компаратор напряжения — это логическое устройство, предназначенное для сравнения двух аналоговых сигналов. При их равенстве компаратор резко меняет состояние своего выхода.

НЭ — накопительный элемент. Его роль выполняет конденсатор. Он заряжается, когда транзистор ключевого элемента находится в насыщении, и питает нагрузку, когда транзистор находится в отсечке.

R₁ и R₂ — делитель напряжения для согласования уровней выходного и опорного напряжений.

(1).

Базовый вариант схемы компенсационного стабилизатора напряжения с импульсным регулированием приведен на рис. 6.

Рисунок 6 — Базовая схема импульсного стабилизатора Однако в задании говорится о том, что в данной схеме необходим входной фильтр. Роль фильтра выполняет конденсатор. Для подачи U_оп. на компаратор можно использовать отдельный источник питания, но это не очень удобно, т.к. в этом случае нужен дополнительный источник питания. Вместо этого можно использовать один источник U_вх., поставив между ним и входом компаратора простейший параметрический стабилизатор, состоящий из стабилитрона и резистора. Таким образом схема, которую я выбрал для расчета выглядит так, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7 — Выбранная схема для расчета

Назначение элементов и принцип работы схемы

VT₁, R₁, R₂, R₃ — ключ на биполярном транзисторе. В нем R₁ обеспечивает второй способ надежного закрывания ключа. R₂ задает входной базовый ток. R₃ ограничивает ток коллектора транзистора в режиме насыщения.

А₁ — интегральный компаратор напряжения, необходимый для сравнения выходного и опорного напряжений.

С₁ — конденсатор, выполняющий роль входного фильтра.

С₂ — конденсатор, выполняющий роль накопительного элемента.

R₄ — резистор, обеспечивающий положительную обратную связь для быстрого и устойчивого переключения компаратора.

VD₁, R₅ — простейший параметрический стабилизатор напряжения, обеспечивающий подачу на компаратор опорного напряжения от входного источника.

R₆, R₇ — цепь для согласования уровней выходного и опорного напряжений.

В исходном состоянии при отключенном входном напряжении конденсатор С₂ разряжен, поэтому U_вых.=0. В момент подачи входного напряжения U_оп становится больше, чем U_А, т.к. конденсатор мгновенно зарядиться не может. При этом компаратор будет находиться в состоянии низкого импеданса, благодаря чему появляется базовый ток транзистора VT₁, открывающий его. Появляется ток коллектора, заряжающий конденсатор С₂. В результате возрастает выходное напряжение, а вместе с ним и напряжение в точке А. В этом случае напряжение в точке, А определяется по эквивалентной схеме, изображенной на рисунке 8а.

Рисунок 8 — Эквивалентные схемы для определения напряжения в точке А:

а) когда компаратор в состоянии низкого импеданса

б) когда компаратор в состоянии высокого импеданса

Как только напряжение в точке, А становится равным опорному, компаратор переключается и входит в состояние высокого импеданса. При этом левый вывод R₄ подключается к источнику входного напряжения через резисторы R₁ и R₂, т.к. сопротивление компаратора в этом состоянии очень велико. За счет этого напряжение в точке, А скачком увеличится, т.к. теперь на него влияют два источника — U_вх. и U_вых. Это увеличение форсирует переключение компаратора. При этом ток базы транзистора VT₁ мал, и транзистор входит в отсечку. Конденсатор С₂ начинает разряжаться через нагрузку (резисторы R₆ и R₇ не учитываются, т.к. они высокоомные, и по ним потечет маленький ток, не соизмеримый с током нагрузки). Вместе с выходным уменьшается и напряжение в точке А. Как только оно достигнет величины опорного напряжения, компаратор снова переключится. При этом напряжение в точке, А скачком уменьшится, т.к. теперь левый вывод резистора R₄ отключится от входного источника и вновь подключится к «земле», т.к. в этом состоянии сопротивление компаратора близко к нулю. Это уменьшение напряжения в точке, А обеспечивает устойчивое переключение компаратора. Транзистор VT₁ вновь входит в насыщение и начинает заряжать конденсатор С₂. Цикл повторяется. В результате получается картина изменения напряжений, изображенная на рисунке 9.

Рисунок 9 — Графики изменения выходного напряжения (а) и напряжения в точке, А (б)

Таким образом, выходное напряжение с небольшими пульсациями поддерживается постоянным относительно уровня, определенного в формуле (1). Емкость конденсатора С₂ влияет только на частоту переключения. Амплитуда пульсаций определяется степенью влияния положительной обратной связи, т. е. сопротивлением R₄.

Разработка алгоритма расчета схемы

Рисунок 10 — Алгоритм расчета схемы

Первым элементом в цепи после питания идет транзистор. Он выбирается в зависимости от исходных данных — входного и выходного напряжений Также, при выборе, следует учитывать ток нагрузки. Большинство компараторов имеют схожие параметры, поэтому они существенно не влияют на параметры всей схемы. Конденсатор C₁, предназначенный для сглаживания входных пульсаций, не должен существенно изменять входное напряжение. Для лучшего сглаживания можно выбрать конденсатор повышенной ёмкости. Зная параметры транзистора можно рассчитать сопротивления R₁, R_2, R_3. Стабилитрон и резистор R₇ представляют собой параметрический стабилизатор, служат для подачи опорного напряжения на компаратор и не оказывают никакого влияния на остальную часть схемы. Выбираются исходя из значения требуемого напряжения на выходе. Для расчета делителя R₆-R₇ необходимо задаться определенным током, протекающим через него. Причем этот ток должен значительно превышать входной ток компаратора, чтобы последний не влиял на делитель напряжения, а также он должен быть значительно меньше тока нагрузки, чтобы в свою очередь не вносить существенного вклада в процесс заряда и разряда конденсатора С₂. Резистор R₄ рассчитывается исходя из параметров выбранного компаратора и сопротивлений делителя напряжения. От емкости конденсатора C₂ зависит частота пульсаций напряжения на выходе. Частота пульсаций напряжения на выходе указана в техническом задании. Поэтому выбор конденсатора осуществляется с учетом данного значения.

Расчет схемы

Выбор транзистора.

Определим максимальное напряжение на переходе коллектор-эмиттер транзистора:

(2).

Определим мощность, рассеиваемую на транзисторе:

(3).

Транзистор должен удовлетворять этим требованиям с некоторым запасом. Кроме этого его максимальный ток коллектора должен быть больше удвоенного тока нагрузки, т.к. в режиме насыщения транзистора его ток коллектора должен вдвое превосходить необходимый ток нагрузки, потому что ему необходимо питать нагрузку и заряжать конденсатор. Конденсатор должен заряжаться примерно таким же током, какой идет в нагрузку. Это необходимо для обеспечения равномерных пульсаций выходного напряжения, а ток заряда конденсатора непосредственно влияет на время его заряда.

Данным требованиям удовлетворяет транзистор КТ835А. У него U_КЭдоп.=30 В, что обеспечивает выполнение условия (2) с запасом в 20В. Постоянная рассеиваемая мощность его с теплоотводом Р=25Вт, что также обеспечивает запас. Крепить его к теплоотводу не составляет труда, т.к. это предусмотрено его конструкцией. Его максимально допустимый ток коллектора I_кmax=3А, что обеспечивает запас по току в 2А от необходимого уровня. В силу всего вышеизложенного для расчета данной схемы можно использовать транзистор КТ835А.

Параметры транзистора КТ835А:

статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ при U_КЭ=1В, I_К=1А не в менее 25

граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ не менее 1Мгц.

напряжение насыщения U_КЭнас не более 0,35В.

напряжение открытого перехода БЭ U_БЭот=0,8В.

обратный ток коллектора не более 100мкА.

максимальный постоянный ток коллектора 3А.

постоянная рассеиваемая мощность при t=-40.+25С — 25Вт.

Выбор компаратора

Большинство компараторов имеют схожие параметры, поэтому они существенно не влияют на параметры всей схемы. Я выбрал компаратор К554СА3 как наиболее распространенный. Вот его основные параметры:

U_и п1=15В10%

U_и п2=-15В10%

I_{вх. ср.} не более 100нА

U_см не более 3мВ

интервал рабочих температур: -45.+85С

относительная влажность воздуха 95% при температуре 25С

Расчет конденсатора C₁

Конденсатор С₁ играет роль входного фильтра. Он необходим для сглаживания пульсаций входного напряжения. Напряжение на вход схемы подается с выпрямителя с частотой 100Гц. На рисунке 11 изображено изменение входного напряжения и изменение напряжения на конденсаторе С₁.

Определим период изменения входного напряжения:

(4).

Время заряда и разряда конденсатора будут примерно одинаковы. Исходя из этого, определим время заряда конденсатора:

(5).

Рисунок 11 — Изменение входного напряжения

Емкость конденсатора фильтра может быть определена из формулы:

(6).

Средний ток, протекающий через конденсатор, равен току, уходящему в нагрузку. Определим максимально допустимое изменение входного напряжения в схеме:

(7).

(8).

Возьмем минимально допустимое значение входного напряжения с запасом в 2−3В. U_вх.min=13В. По формуле (7) определим допустимое изменение входного напряжения:

(9).

По формуле (6) определим емкость конденсатора С₁:

(10).

Разброс входного напряжения влияет на ток коллектора транзистора в насыщенном режиме, поэтому я решил взять конденсатор большей емкости для лучшего сглаживания пульсаций напряжения на входе. Я взял конденсатор К50−35 — 25В — 1000мкФ. Рассчитаем изменение входного напряжения при этом конденсаторе:

(11).

Расчет резистора R₁

Резистор R₁ должен обеспечить отвод I_К0 из базы транзистора, когда он находится в отсечке. Это необходимо для надежного закрывания транзистора. Из рисунка 12 видно, что:

(12).

Рисунок 12 — схема для расчета R₁

Номинал этого резистора должен быть таким, чтобы ток через него превышал ток через переход БЭ транзистора хотя бы на порядок, т. е.

(13).

(14).

Ток через резистор определяется как отношение падения напряжения на переходе БЭ транзистора к номиналу резистора.

(15).

Выразим из формулы (13) номинал R₁ и найдем его, подставив числовые значения. Причем падение напряжения на переходе БЭ транзистора должно быть не достаточным для его открывания. Возьмем U_БЭ=0,2В. I_К0=100мкА.

(16).

В стандартном ряду сопротивлений есть такой номинал. Рассчитаем мощность, рассеиваемую на этом сопротивлении:

(17).

Максимальный ток необходимо брать для обеспечения некоторого запаса. Ток через это сопротивление будет максимальным, когда переход БЭ будет открыт. При этом на нем падает напряжение U_БЭот=0,8В.

(18).

(19).

Я решил взять распространенный резистор МЛТ — 0,125 — 2,2к 5%.

Расчет резистора R₃

Из рисунка 13 видно, что справедлива следующая формула:

(20)

Рисунок 13 — схема для расчета R₃

При этом необходимо, чтобы при среднем входном напряжении ток коллектора вдвое превышал ток нагрузки. При выполнении этого условия будет обеспечено равенство времен заряда и разряда конденсатора С₂, что в свою очередь обеспечит равномерность импульсов выходного напряжения. При расчете конденсатора С₁ мы определили, что. Поэтому. Выразим из формулы (20) сопротивление R₃ и подставим численные значения всех величин:

(21)

Ближайшее стандартное сопротивление 8,2В. Рассчитаем среднюю рассеиваемую на нем мощность, причем средний ток, протекающий через него равен току нагрузки:

(22)

Можно взять пятиваттный резистор с необходимым сопротивлением, но такие резисторы получили широкого распространения, поэтому лучше вместо одного резистора R₃ поставить два параллельно подключенных двуваттных резистора, причем их номинал должен быть вдвое больше, т.к. при параллельном соединении одинаковых сопротивлений их суммарное сопротивление будет в два раза меньше. Таким образом необходимы два резистора номиналом около 16,4Ом. Ближайшее сопротивление в стандартном ряду — 16Ом. При этом их эквивалентное сопротивление R₃=8Ом. Итак, для ограничения тока коллектора я выбрал два следующих резистора: МЛТ — 2 — 165%.

Рассчитаем крайние величины тока коллектора при максимальном и минимальном входных напряжениях:

(23)

(24)

Определим входное напряжение, при котором ток коллектора будет равен 1А:

(25)

Расчет резистора R₂

Резистор R₂ должен обеспечить поступление в базу транзистора необходимого для открывания тока. Этот ток можно определить по формуле:

(26)

Т.к. изменение входного напряжения вызывает изменение тока насыщения коллектора транзистора и изменение тока через резистор R₂, то надо рассчитать сопротивление для крайних значений тока. Для этого сначала надо найти необходимый ток базы при минимальном и максимальном входных напряжениях:

(27)

(28)

Из рисунка 14 видно, что

(29)

но ток через резистор R₁ значительно меньше тока базы транзистора в открытом состоянии, поэтому им можно пренебречь. При открывании транзистора компаратор уже открыт, поэтому нижний вывод R₂ получается подключенным к нулевому потенциалу, т. е. к «земле».

Рисунок — 14 — схема для расчета R₂

Ток через это сопротивление можно определить по следующей формуле:

(30).

Выразим из этой формулы R₂ и, подставив крайние величины входного напряжения и базового тока при этом напряжении, найдем две величины сопротивления:

(31)

(32)

Из них надо выбрать минимальное сопротивление, т.к. оно будет обеспечивать наибольший ток, т. е. надо выбрать из стандартного ряда сопротивлений номинал, близкий к в меньшую сторону (опять же для обеспечения наибольшего тока базы). Ближайшее стандартное сопротивление — 390Ом. Рассчитаем мощность, рассеиваемую на этом сопротивлении. Через этот резистор половину периода ток практически равен нулю, а вторую половину ток равен:

(33)

Средний ток, протекающий через R₂, равен половине этого значения, т. е. примерно 25мА. Средняя рассеиваемая мощность равна:

(34)

Я решил взять резистор МЛТ — 0,5 — 3905%, т.к. он обеспечивает определенный запас по рассеиваемой мощности.

7. Выбор стабилитрона VD₁ и резистора R₅

Стабилитрон VD₁ и резистор R₅ используются для подачи опорного напряжения на один из входов компаратора. Резистор задает ток, проходящий через стабилитрон. Параметры стабилитронов в основном имеют сходственный характер, поэтому выбор какого-то конкретного стабилитрона существенно не повлияет на параметры всей схемы. Он должен обеспечить подачу опорного напряжения на один из входов компаратора.

Исходя из величины этого напряжения будет рассчитываться делитель для подачи напряжения с выхода на второй вход компаратора. Я выбрал стабилитрон КС147А, обладающий следующими параметрами:

номинальное напряжение стабилизации U_ст.ном.=4,7В.

номинальный ток стабилизации I_ст.ном.=10мА.

минимальный ток стабилизации I_ст.min=3мА.

максимальный ток стабилизации I_ст.max=58мА.

интервал рабочих температур: -60.+125С.

Ток через резистор при среднем входном напряжении должен быть равен номинальному току стабилитрона, т.к. входной ток компаратора пренебрежимо мал по сравнению с ним, т. е.

(35).

Из этой формулы выразим R₅ и определим его величину:

(36).

Ближайшее стандартное сопротивление — 1,5кОм. Определим величину минимального и максимального токов, протекающих по этой цепи, которые будут при минимальном и максимальном входном напряжении соответственно:

(37)

(38)

Величины этих токов лежат в пределах допустимых норм, поэтому можно использовать данный стабилитрон и резистор. Определим среднюю рассеваемую на нем мощность (средний ток через резистор равен 9,35мА):

(39)

Можно взять резистор МЛТ — 0,25 — 1,5к5%.

8. Расчет делителя R₆-R₇

Для расчета данного делителя необходимо задаться определенным током, протекающим через него. Причем этот ток должен значительно превышать входной ток компаратора (100нА), чтобы последний не влиял на делитель напряжения, а также он должен быть значительно меньше тока нагрузки (0,5А), чтобы в свою очередь не вносить существенного вклада в процесс заряда и разряда конденсатора С₂. Таким образом, ток делителя должен быть порядка единиц миллиампер. Поэтому величины сопротивлений R₆ и R₇ должны быть порядка единиц килоом. Определим коэффициент делителя, т. е. соотношение номиналов его резисторов.

(40)

(41)

т.е. номинал резистора R₆ должен в 1,1 раза превышать номинал R₇, причем их величины должны быть порядка единиц килоом. В стандартном ряду сопротивлений наиболее хорошо удовлетворяют этому соотношению сопротивления 4,3 и 3,9кОм. Поэтому возьмем в качестве сопротивления R₆ 4,3кОм, а в качестве R₇ — 3,9кОм. Определим ток, протекающий при этом через делитель:

(42)

(43)

Определим мощность рассеиваемую на этих сопротивлениях:

(44)

(45)

Я решил взять в качестве R₆ резистор МЛТ — 0,125 — 4,3к5%, а в качестве R₇ — резистор МЛТ — 0,125 — 3,9к5%.

9. Расчет резистора R₄

На рисунке 8а представлена эквивалентная схема для определения напряжения в точке А, когда компаратор находится в состоянии низкого импеданса. Из нее видно, что:

(46)

На рисунке 8б изображена эквивалентная схема для определения напряжения в точке А, когда компаратор находится в состоянии высокого импеданса. Причем на ней между источником U_вх и точкой, А стоят резисторы R₁, R₂ и R₄. Сопротивление резистора R₄ значительно больше сопротивлений R₁ и R₂, поэтому их величинами можно пренебречь и использовать для расчета R_экв=R₄.

(47)

Из последних двух формул выразим изменение напряжения в точке А:

(48)

С другой стороны изменение напряжения в точке, А можно определить, зная заданное изменение выходного напряжения следующим образом:

(49)

Выразим из формулы (48) значение сопротивления R₄:

(50)

(51)

поэтому значением величины справа можно пренебречь.

(52)

(53)

Подставим в формулу (52) численные значения всех величин и определим сопротивление R₄. Причем в качестве U_вх возьмем максимальное значение входного напряжения, т.к. при этом изменение напряжения в точке, А будет максимальным.

(54)

Выберем ближайшее стандартное сопротивление в большую сторону 3МОм, необходимо брать его в большую сторону, т.к. при этом будет обеспечено более маленькое изменение выходного напряжения. Через этот резистор будет протекать очень маленький ток, поэтому на нем мощность рассеивания практически равна нулю. Поэтому я выбрал резистор МЛТ — 0,125 — 3М5%.

Определим величины изменения выходного напряжения при токе коллектора VT₁ в режиме насыщения, равном 1А (при U_вх.ср.), а также в крайних значениях входного напряжения (при U_вх.max и U_вх.min):

(55)

(56)

(57)

(58)

(59)

(60)

10. Расчет конденсатора С₂

График изменения напряжения на конденсаторе С₂ представлен на рисунке 15.

Рисунок 15 — Изменение напряжения на С₂.

Частота импульсов задана: 20кГц. Определим период:

(61).

Рассчитаем емкость конденсатора по формуле (6) при условии, что ток коллектора VT₁ в насыщенном режиме равен 1А. При этом через конденсатор все время идет ток, равный 0,5А, но меняющийся по направлению. Изменение напряжения на выходе схемы при этом равно. Время заряда и время разряда конденсатора будут одинаковы, поэтому. Изменение напряжения на конденсаторе равно заданному изменению выходного напряжения. Подставим в формулу (6) все численные значения и определим емкость конденсатора:

(62).

Ближайшая стандартная емкость — 470мкФ. Этот конденсатор должен выдерживать напряжение, равное выходному, т. е. 10В, поэтому я выбрал конденсатор К50−35 — 16В — 470мкФ.

Теперь необходимо рассчитать, в каких пределах будет изменяться частота пульсации выходного напряжения. Она будет изменяться вследствие того, что ток заряда конденсатора и величина пульсаций выходного напряжения изменяются в некоторых пределах, из-за чего будет изменяться время заряда конденсатора. Период следования импульсов определяется следующим образом:

(63).

Определим время заряда и разряда конденсатора при минимальном входном напряжении. При этом величина изменения выходного напряжения равна, ток заряда равен (), ток разряда равен I_Н:

(64),

(65).

Определим время заряда и разряда конденсатора при максимальном входном напряжении. При этом величина изменения выходного напряжения равна, ток заряда равен (), ток разряда равен I_H:

(66),

(67).

Определим границы изменения периода и частоты пульсаций выходного напряжения.

(68),

(69),

(70),

(71).

Таким образом, частота пульсаций выходного напряжения будет изменяться то 19кГц до 22,4кГц, что вполне удовлетворяет исходному заданию. Если же понадобится получить более точную частоту, то можно поставить в качестве входного фильтра конденсатор большей емкости. При этом уменьшится величина изменения входного напряжения, что вызовет снижение величины изменения тока коллектора VT₁ в режиме насыщения. А это, в свою очередь, приведет к стабилизации тока заряда конденсатора С₂ и величины пульсаций выходного напряжения. Соответственно время заряда и разряда конденсатора будут более стабильны, что в свою очередь приведет к стабилизации частоты пульсаций выходного напряжения.

Расчет КПД схемы

КПД схемы определяется по следующей формуле:

(72).

(73);

(74).

Подставим численные значения известных величин и вычислим КПД:

(75).

КПД рассчитан без учета потерь при переключении транзистора, когда он находится в активном режиме, и имеют место относительно большое падение напряжения на нем и относительно большой ток, протекающий через транзистор.

Заключение

В результате выполнения данной работы была рассчитана схема компенсационного стабилизатора напряжения с импульсным регулированием и входным фильтром с со следующими параметрами:;. Пульсации выходного напряжения данной схемы лежат в пределах от 24,6мВ до 27,9мВ. Их изменение вызвано непостоянством входного напряжения схемы. КПД получившейся схемы равен 70% без учета потерь при переключении транзистора.

Основным недостатком данной схемы является необходимость в использовании двухполярного источника питания на 15В для подачи питания на компаратор. Выше было показано, что вместо конкретного компаратора, выбранного мной, можно использовать практически любой другой. Это может изменить только величину питающего его напряжения.

К недостаткам также можно отнести изменение частоты пульсаций выходного напряжения, которое возникает вследствие непостоянства входного напряжения. Однако в работе было показано, что можно получить требуемый интервал изменения частоты пульсаций выходного напряжения, изменяя емкость конденсатора С₁, который выполняет роль входного фильтра и ограничивает изменение входного напряжения.

Фрумкин Г. Д. Расчет и конструирование радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Высш. школа, 1985.

Расчет электронных схем: Примеры и задачи / Г. И. Изъюрова, Г. В. Королев и др. — М.: Высш. школа, 1987. — 335 с.

Китаев В.Е., Бокуняев А. А. Расчет источников электропитания устройств связи. — М.: Связь, 1979. — 215 с.

Лекции по курсу «Электроника».

Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Диоды. Транзисторы: Справочник / А. И. Аксенов, А. В. Нефедов, А. М. Юшин. — М.: Радио и связь, 1993. — 224 с.

Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник / Под ред. Н. Н. Горюнова. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 904 с.

Интегральные микросхемы. Справочник. / Под ред. Б. В. Тарабрина. — М.: Радио и связь, 1984. — 528 с.

Разработка и оформление конструкторской документации радиоэлектронной аппаратуры: Справочник. / Под ред. Э. Т. Романычевой. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1989. — 448 с.

Александров К.К., Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 288 с.