Расчет параметрических стабилизаторов напряжения

Основным параметром стабилизатора напряжения, по которому оценивают его качество работы, является коэффициент стабилизации

К_стU = (Δ U_вх / U_вх) / (Δ U_вых / U_вых).

Простейшим стабилизатором напряжения является параметрический, схема которого представлена на рис. 1.6.

Рис. 1.6. Параметрический стабилизатор напряжения без термокомпенсации

Расчет параметрического стабилизатора обычно сводится к расчету сопротивления балластного резистора R_о и выбору типа стабилитрона.

Основными электрическими параметрами стабилитрона являются:

U_ст – напряжение стабилизации;

I_{ст.макс} – максимальный ток стабилитрона на рабочем участке вольт-амперной

характеристики;

I_ст.мин – минимальный ток стабилитрона на рабочем участке вольт-амперной

характеристики;

R_д – дифференциальное сопротивление на рабочем участке вольт-амперной

характеристики.

Методику расчета рассмотрим на примере.

Дано: U_вых = 9 В; I_н = 10 мА; Δ I_н = ± 2 мА; Δ U_вх = ± 10% U_вх..

Порядок расчета.

1. По справочнику выбираем стабилитрон типа Д814Б с параметрами

U_ст = 9 В; I_{ст.макс} = 36 мА; I_ст.мин = 3 мА; R_д = 10 Ом.

2. Рассчитаем необходимое входное напряжение по формуле

U_вх = n_ст U_вых,

где n_ст – коэффициент передачи стабилизатора.

Для оптимальных условий работы стабилизатора рекомендуется выбирать n_ст в пределах от 1, 4 до 2.

Примем n_ст = 1, 6, тогда U_вх = 1, 6 · 9 = 14, 4 В.

3. Рассчитаем сопротивление балластного резистора R_о

R_о = (U_вх – U_вых) / (I_ст + I_н).

Ток I_ст выбирают из следующих соображений: I_ст ≥ I_н.

При одновременном изменении U_вх на величину Δ U_вх и I_н на величину Δ I_н ток стабилитрона не должен выходить за пределы I_{ст.макс} и I_ст.мин.

По этой причине обычно выбирают I_ст из середины диапазона допустимых значений.

Принимаем I_ст = 0, 015 А.

Тогда R_о = (14, 4 – 9) / (0, 015 + 0, 01) = 216 Ом.

Выберем стандартное значение сопротивления резистора R_о по параметрическому ряду Е24 (см. приложение 4).

Принимаем R_о = 220 Ом.

Для выбора типа резистора необходимо рассчитать рассеиваемую на корпусе резистора мощность

Р = I² R_о; Р = (25· 10^-3)² · 220 = 0, 138 Вт.

Принимаем стандартное значение мощности рассеяния на резисторе 0, 25 Вт.

Выбираем тип резистора МЛТ-0, 25-220 Ом ± 10 %.

4. Произведем проверку правильности выбора режима работы стабилитрона в схеме стабилизатора напряжения:

I_ст.мин = (U_вх – Δ U_вх – U_вых) / Rо – (I_н + Δ I_н);

I_ст.мин = (14, 4 – 1, 44 – 9) · 10³ / 220 – (10 + 2) = 6 мА;

I_{ст.макс} = (U_вх + Δ U_вх – U_вых) / Rо – (I_н – Δ I_н);

I_{ст.макс} = (14, 4 + 1, 44 – 9) · 10³ / 220 – (10 – 2) = 23 мА.

Если рассчитанные значения токов I_ст.мин и I_{ст.макс} выходят за пределы допустимых значений, то необходимо или выбрать другое значение I_ст, или изменить сопротивление резистора R_о, или заменить стабилитрон.

5. Коэффициент стабилизации по напряжению для параметрического стабилизатора определяется по формуле:

К_ст = (R_о / R_д + 1) / n_ст,

К_ст = (220 / 10 + 1) / 1, 6 = 14, 3.

6. Выходное сопротивление параметрического стабилизатора напряжения

R_вых = R_о = 10 Ом.

На рис. 1.7 представлена схема параметрического стабилизатора напряжения с температурной стабилизацией режима работы его основного элемента – стабилитрона.

Для повышения температурной стабильности выходного напряжения в этой схеме последовательно со стабилитроном включены несколько кремниевых диодов.

Температурный коэффициент напряжения (ТКН) диода по знаку противоположен ТКН стабилитрона, однако меньше по модулю. Поэтому для температурной компенсации U_ст требуется несколько диодов. Кремниевые стабилитроны, включенные в прямом направлении также могут быть использованы для термостабилизации. Количество термостабилизирующих элементов определяют по отношению модуля ТКН стабилитрона к модулю ТКН элемента (диода). Результат деления округляется до целого числа.

Численные значения ТКН стабилитронов и диодов приведены в справочниках и выражены в %/^о С. Для кремниевых диодов, включенных в прямом направлении ТКН незначительно отличаются друг от друга для разных типов и находятся в пределах

1, 4…1, 7 мВ/ ^оС. Для германиевых диодов, например у Д7А – Д7Ж, величина ТКН составляет –1, 9 мВ/ ^оС. Для выполнения расчетов термостабилизации в РГР-1 использовать диод Д7Ж, у которого ТКН составляет –1, 9 мВ/ ^оС.

При этом следует иметь в виду, что при большом количестве термостабилизирующих диодов (три и более) необходимо учитывать прямое падение напряжение на них и динамическое сопротивление. Для диода Д7Ж прямое напряжение составляет 0, 5 В, а динамическое сопротивление 2 Ом. Общее напряжение стабилизации определяется при этом как сумма напряжений стабилитрона и диодов, а общее динамическое сопротивление определяется как сумма динамических сопротивлений стабилитрона и диодов.

Расчет такого стабилизатора производится по методике, приведенной выше.

Рис. 1.7. Параметрический стабилизатор напряжения с термокомпенсацией

Примечание:

Последовательность расчета источника вторичного электропитания следующая – сначала выполняется расчет стабилизатора напряжения, затем сглаживающего фильтра и далее - выпрямительной схемы.

Принципиальную электрическую схему устройства выполнить в соответствии с ГОСТ и с учетом структурной схемы (рис 1.1)

Контрольная работа № 2

Расчет усилительного каскада на биполярном транзисторе

по схеме с общим эмиттером

2.1. Задание на выполнение

1. Провести графоаналитический расчет усилительного каскада на биполярном

транзисторе по схеме сообщим эмиттером в соответствии с номером варианта

задания.

2. Выбрать по справочнику типы элементов схемы со стандартными

параметрами и свести в таблицу.

3. Оформить отчет в соответствии с существующими

требованиями на стандартных листах формата А4.

2.2. Исходные данные

Таблица 2.1

2.3. Методические указания

В соответствии с номером варианта задания из таблицы 2.1 выписать исходные

данные:

U_вых – действующее значение синусоидального выходного сигнала усилителя,

В;

f_н – нижняя граничная частота усиливаемых сигналом, Гц;

R_г – внутреннее сопротивление источника входного сигнала, Ом;

R_н – сопротивление нагрузки усилителя, Ом;

М_н – коэффициент частотных искажений в области низких частот.

Произвести графоаналитический расчет усилительного каскада по одной из типовых методик.