Расчет компенсационного стабилизатора

Произвести расчет компенсационного стабилизатора напряжения, схема которого представлена на рис. 3, по методике, представленной ниже.

Рис. 3 – схема компенсационного стабилизатора напряжения

Исходные параметры для данного расчета заданы в таблице 3. Справочные данные транзисторов – в таблице 4. Номинальные значения сопротивлений выбираются из ряда Е24 (таблица 5).

Таблица 3

Исходные и справочные данные

Таблица 4

Справочные данные транзисторов [2]

Таблица 5

Международные стандартные ряды для резисторов и конденсаторов

Компенсационные стабилизаторы напряжения обеспечивают стабильность напряжения на нагрузке при помощи отрицательной обратной связи, воздействующей на регулирующий элемент (РЭ). Широкое распространение имеют стабилизаторы напряжения с включением регулирующего элемента последовательно нагрузке (рис. 3).

Стабилизатор состоит из регулирующего элемента (транзисторы VT1, VT2), усилителя постоянного тока (VT0, R5), источника опорного напряжения (VD, R4), делителя напряжения (R1, R2, R3), резистора R6, используемого для выбора режима по постоянному току транзистора VT1 и конденсатора C1. Для регулировки выходного напряжения в состав делителя включен резистор R2.

Число транзисторов, входящих в РЭ, зависит от тока нагрузки I_H [3].

При I_H < (0, 2 – 0, 3) А можно использовать только один транзистор.

При I_H < (5 – 6) А можно использовать два транзистора.

Стабилизатор работает следующим образом. При увеличении входного напряжения U_BX увеличивается выходное напряжение U_BЫX, что вызывает увеличение напряжения на базе транзистора VT0 и, соответственно его коллекторного тока, в результате чего напряжение на его коллекторе уменьшается, что вызывает уменьшение тока через транзисторы РЭ и, следовательно, приводит к пропорциональному уменьшению U_BЫX. Аналогичные процессы происходят при уменьшении тока нагрузки. При увеличении тока нагрузки U_BЫX уменьшается, транзистор VT0 начинает закрываться, напряжение на его коллекторе и на базе РЭ увеличивается, в результате чего U_BЫX увеличивается до номинального значения.

Определяем максимальное напряжение коллектор-эмиттер регулирующего транзистора VТ1: U_КЭ1max = U_BX + DU_BX –U_Нmin=U_BXmax –U_Нmin= = 30+2, 5-16 = 16, 5 В.

Определяем максимальную мощность, рассеиваемую на транзисторе VТ1: P_К1max = U_КЭ1max I_Нmax = 16, 5·4 = 66 Вт.

По данным расчета выбираем транзистор VT1, для которого:

I_Кmaxдоп ³ I_Нmax /К_зап = 5, 33; U_{КЭmaxдоп} ³ U_КЭ1max /К_зап = 22; P_К ³ P_К1max =66, где К_зап – коэффициент запаса, равный 0, 75.

Этим требованиям удовлетворяет, транзистор КТ819Б с параметрами: U_{КЭmaxдоп} = 40 В (R_БЭ £ 1 кОм); I_Кmaxдоп = 10 А; P_К ³ 60 Вт; b₁ = 20.

Максимальный ток базы транзистора: I_Б =I_Нmax /(b₁ + 1)=4/21=190, 5 мА, где b₁ – статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ.

Необходимо согласовать уровень базового тока регулирующего транзистора (VT1) и величину выходного тока УПТ (VT0), поэтому в качестве регулирующего элемента воспользуемся схемой составного транзистора, дополнив выбранный транзистор VT1 транзистором КТ315В (VT2). Данный составной регулирующий элемент построен по схеме Дарлингтона для получения высокого коэффициента усиления выходного каскада и обеспечения тока базы I_Б = I_упр на несколько порядков меньшего, чем I_Нmax.

В этом случае максимальный управляющий ток регулирующего элемента [3]:

где R_БЭ1 и R_БЭ2 – резисторы, шунтирующие эмиттерные переходы транзисторов VT1, VT2. Величины этих сопротивлений приводятся в справочных данных на транзисторы. Так как ток коллектора VТ2 равен току базы VT1, т.е. I_B1 = I_К2 = I_H /b₁, то транзистор VТ2 выбираем из условий:

|U_K2maxдоп| > |U_BХmax -U_Нmin|, I_K2 = I_Hmax / b₁ < I_{K2maxдоп..}

При использовании дополнительного транзистора VТ2 коэффициент стабили­зации схемы увеличивается в b₂ раз.

Для транзистора КТ315В имеем: b_2min = 30; R_БЭ2 = 10 кОм. Тогда, полагая, что U_БЭ1 = U_БЭ2 = 1В, получаем I_упр = 16 мА.

Сопротивление резистора R_СМ должно быть выбрано так, чтобы при любых условиях был обеспечен достаточный ток I_упр для работы схемы Дарлингтона, а ток I_СТ, протекающий через стабилитрон, должен лежать в пределах допустимого диапазона.

R_СМ £ (U_ВХmin –U_Нmах)/I_упр = (33, 5 - 21) / 0, 016 = 781, 25 Ом.

Выбираем с запасом из стандартного ряда Е24: R_СМ = 750 Ом.

Для создания опорного напряжения выбирается стабилитрон VD с параметрами U_CT = U_ОП. Из условия U_CT < U_Hmin выбираем (задается в исходных данных) стабилитрон типа Д814Д (U_CT0 = 13 В при I_СТном = 20 мА; r_СТ = 18 Ом).

Определяем максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора VT0, работающего в качестве УПТ: U_КЭ0max» U_Нmax – U_ОП = 21 - 13 = 8 В.

Исходя из условия U_{КЭmaxдоп} ³ U_{КЭ0 max} /К_зап = 10, 66, выбираем транзистор типа КТ315В с коэффициентом усиления по току b_0min = 30; R_БЭ0 = 10 кОм.

Полагая, что I_К0» I_Э0 = 10 mA < I_К0доп , найдем сопротивление балластного резистора R_Б (рис.3) [1]:

кОм,

где В.

Выбираем R_Б с запасом из стандартного ряда Е24: R_Б = 0, 51 кОм.

Выбор смещения составных транзисторов должен быть таким, чтобы схема выполняла свои функции даже при неблагоприятных условиях (наихудших возможных сочетаниях отклонений входного напряжения и сопротивления нагрузки). Через проходной составной транзистор постоянно течет обратный ток I_KOS. Поэтому для того, чтобы схема сохранила способность стабилизировать выходное напряжение при токе нагрузки I_Нmin = 0, в нее включают балластную нагрузку для отвода через нее обратного тока. Роль балластной нагрузки может выполняться, например, делителем, состоящим из резисторов R1, R2 и R3. Если пренебречь током базы I_Б0, то сопротивление этих резисторов может быть нормировано следующим образом [4]:

.

Определим сопротивления резисторов делителя R1, R2, R3, зная их суммарную величину. Если движок потенциометра R2 находится в крайнем верхнем положении, то выходное напряжение стабилизатора имеет минимальное заданное значение U_Нmin, если в крайнем нижнем положении, то – максимальное U_Нmax. Тогда можно записать уравнения [1]:

;

;

Ток через делитель выбирают обычно на порядок выше (в 5¸ 20 раз), чем ток базы транзистора VT0. Полагая, что:

мА,

определяем величины сопротивлений резисторов делителя из выражений:

кОм

кОм

кОм

Выбираем из стандартного ряда Е24: R₁ = 0, 43 кОм, R₂ = 0, 75 кОм, R₃ = 1, 91 кОм.

Коэффициент стабилизации напряжения определяется из выражения:

,

где r_К1 – сопротивление коллекторного перехода транзистора VT1.

,

где U_ЭРЛИ» 100 В, I_K1 = I_Нmax = 4 А.

При использовании составного транзистора коэффициент стабилизации [1, 4]:

,

где r_K12 – сопротивление коллекторного перехода составного транзистора VT1, VT2.

R_ВХБ0 = (r_СТ + r_Э0)½ ½ (R₁ + R₂’)½ ½ (R₂” + R₃) = 0, 012 кОм;

R₂’= R₂”= R₂/2 = 0, 375; .

Следует иметь ввиду, что при использовании составного транзистора r_K12 по сравнению с r_K1 увеличивается в b₂ раз: r_K12 = b₂·r_K1 = 30·25 = 750.

С учетом делителя на выходе стабилизатора: К_СТ.ДЕЛ = К_СТ·К_ДЕЛ = 19, 9,

где < 1 – множитель, обусловленный влиянием делителя на коэффициент стабилизации К_СТ.

Если полученное значение коэффициента стабилизации меньше заданного, то необходимо увеличить коэффициент усиления УПТ, или включить в цепь регулирующего элемента дополнительный транзистор VТ2 с большим коэффициентом усиления b₂. При этом коэффициент стабилизации схемы увеличится в b₂ раз: К’_СТ.ДЕЛ = К_СТ.ДЕЛ× b_2min = 19, 9·30 = 597.

Литература

1. Г. И. Изъюрова, Г. В. Королев, В. А. Терехов и др. Расчет электронных схем. Примеры и задачи. – М.: Высш. шк., 1987. – 335 с.

2. К. М. Брежнева, Е. И. Гантман, Т. И. Давыдова и др. Под ред. Б. Л. Перельмана. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник. – М.: Радио и связь, 1981. – 656 с.

3. Опадчий Ю. Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника: Учебник для вузов/ Ю. Ф. Опадчий, О. П. Глудкин, А. И. Гуров; Под ред. О. П. Глудкина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2002. – 768 с.

4. Агаханян Т. М. Интегральные микросхемы: Учеб. Пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 464 с.