РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

3.  РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

 

В соответствии с выбранной структурной схемой (рис. 2.1) составляем приблизительную схему компенсационного стабилизатора напряжения. После проведения расчета, данная схема будет доработана. Только после полного расчета режимов работы и выбора элементов можно составить окончательный вариант схемы электрической принципиальной компенсационного стабилизатора напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.1.

 

Данная схема состоит из регулирующего элемента, источника опорного напряжения и усилителя обратной связи. Роль регулирующего элемента играет комплиментарный транзистор (состоит из 2^х транзисторов VT2 и VT3). Источник опорного напряжения –VD1R1,R2VT1. Усилитель обратной связи – R4VD2VT4,R5R6R7.

 

 

4.  РАСЧЕТ СХЕМЫ ЕЛЕКТРИЧЕСКОЙ

ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

 

4.1    Исходные данные для расчета

 

Номинальное выходное напряжение Uн , В	15
Номинальный ток нагрузки Ін , А	5
Коэффициент пульсаций Кп , %	0,01
Коэффициент стабилизации Кст	100
Температура окружающей среды tср , °С	+20
Климатические условия	норм.

 

 

4.2    Расчет схемы компенсационного стабилизатора

 

Порядок расчетов приводится в соответствии с методикой приведенной в [2].

Согласно схеме (рис 3.1) находим наименьшее напряжение на выходе стабилизатора:

 

U _{вх min} = U_н + U_{кз min} = 15 + 3 = 18 B, (4.1)

 

где U_{кз min} – минимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT3.

Исходя из того, что VT3 предположительно кремневый, то U_{кз min} выбираем в пределе 3..5 В.

Учитывая нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора ±10%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

 

U _{вх сер}  = U _{вх min}  / 0.9 = 18 / 0.9 = 20 В , (4.2)

U _{вх max}= 1.1 ´ U _{вх сер} = 1.1 ´ 20 = 22 В . (4.3)

 

Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе

 

U _{к3 max} = U _{вх max} - U_н = 22 – 15 = 7 В . (4.4)

 

Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT3, равняется

 

Р₃ = U_{к3 max} ´ I_н = 7 ´ 5 = 35 Вт. (4.5)

 

По полученным значениям U_{к3 max} , I_н , Р₃ выбираем тип регулирующего транзистора и выписываем его параметры:

 

Марка транзистора	2Т827В
Тип транзистора	NPN
Допустимый ток коллектора, Iк доп	20 А
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк доп	100 В
Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред	125 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h21Э3 min	750

 

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h_11Э3 = 33.0 Ом ,

m₃ = 1 / h_12Э3 = 1 / 0.23 = 4.20 ,

 

где h_11Э3 – входное сопротивление транзистора, Ом; m₃ – коэффициент передачи напряжения; h_12Э3 – коэффициент обратной связи.

Находим ток базы транзистора VT3

I_Б3= I_н / h_{21Э3 min} = 5 / 750 = 6.67´10^-3 А . (4.6)

 

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT2. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер VT2

 

U_{к2 max} = U_{к3 max} - U_бэ3 = 7 – 0.7 = 6.3 В , (4.7)

 

где U_бэ3 – падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3 (0.7 В).

 

 

 

Ток коллектора VT2 состоит из тока базы VT3 и тока потерь, который протекает через резистор R3,

 

I_к2= I_б3 + I_R3 = 5´10^-4 + 6.7´10^-3 = 7.2´10^-3 А. (4.8)

 

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT2, равняется

 

Р₂ = I_к2 ´ U_{к2 max} = 7.2´10^-3 ´ 6.3 = 45.2´10^-3 Вт. (4.9)

 

По полученным значениям U_{к2 max} , I_к2 , Р₂ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

 

Марка транзистора	2Т603Б
Тип транзистора	NPN
Допустимый ток коллектора, Iк доп	300 мА
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк доп	30 В
Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред	0.5 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h21Э2 min	60

 

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h_11Э2 = 36.36 Ом ,

m₃ = 1 / h_12Э2 = 1 / 0.022 = 45.45 .

 

Рассчитываем ток базы VT2

 

I_Б2= I_к2 / h_{21Э2 min} = 7.2´10^-3 / 60 = 1.2´10^-4 А. (4.10)

 

Находим сопротивление резистора R3

R3 = (U_н + U_бэ3) / I_R3 = (15 + 0.7) / 5´10^-4 =31400 Ом. (4.11)

 

Выбираем ближайший по стандарту номинал с учетом рассеиваемой на резисторе мощности

 

Р_R3 = (U_н + U_бэ3) ´ I_R3 = (15 + 0.7) ´ 5´10^-4 = 7.85´10^-3 Вт. (4.12)

 

 

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 33 кОм ±5%.

Источником эталонного напряжения берем параметрический стабилизатор напряжения на кремневом стабилитроне VD2 из расчета

 

U_VD2 = 0.7 U_н = 0.7 ´ 15 = 13.5 В. (4.13)

 

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон 2С213Б;

I _VD2 = 5´10^-3 А – средний ток стабилизации;

r _VD2 = 25 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Вычисляем сопротивление резистора R4, задавши средний ток стабилитрона (I _R4 = I _VD2)

R4 = 0.3 U_н / I _R4 = 0.3 ´ 15 / 5´10^-3 = 900 Ом. (4.14)

 

Мощность, рассеиваемая на резисторе R4, равняется

Р_R4 =0.3U_н ´ I _R4 = 0.3´15´ 5´10^-3= 22.5´10^-3 Вт. (4.15)

 

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 910 Ом ±5%.

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT4. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер транзистора

 

U_к4max= U_н + U_бэ3 + U_бэ2 - U_VD2 = 2.90 В (4.16)

 

Задаем ток коллектора VT4 меньшим нежили средний стабилитронаVD2

I _К4 = 4´10^-3А .

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT4

 

Р₂ = I_к4 ´ U_к4max = 4´10^-3 ´ 2.90 = 11.6´10^-3 Вт (4.17)

 

 

По полученным значениям U_к4max , I_к4, Р₄ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

 

Марка транзистора	КТ312В
Тип транзистора	NPN
Допустимый ток коллектора, Iк доп	30 мА
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк доп	15 В
Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред	0.22 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h21Э4 min	50

 

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

h_11Э4 = 208,3 Ом ,

m₃ = 1 / h_12Э4 = 1 / 0.034 = 29.41

 

Рассчитываем ток базы VT4

 

I_Б4= I_к4 / h_{21Э4 min} = 4´10^-3 / 50 = 8´10^-5 А. (4.18)

 

Ток последовательно соединенных резисторов R5, R6, R7 берем равным 5I_б4и определяем суммарное сопротивление делителя

 

R_дел = U_н / I_дел­ = 15 / (5 ´ 8´10^-5) = 37500 Ом. (4.19)

 

Находим сопротивления резисторов:

 

R5 = 0.3 R_дел = 0.3 ´ 37500 = 11250 Ом;

R6 = 0.1 R_дел = 0.1 ´ 37500 = 3750 Ом;

R7 = 0.6 R_дел = 0.6 ´ 37500 = 22500 Ом. (4.20)

 

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор R5 типа МЛТ- 0.125 11 кОм ±5%, резистор R7 типа МЛТ- 0.125 22кОм ±5% . Резистор R6 выбираем СП3-44 0.25Вт 3.3кОм.

 

 

 

Рабочее напряжение стабилитрона VD1 определяем из соотношения

 

U_VD1 = 0.1 U_{вх max} = 0.1 ´ 22 = 2.2 В. (4.21)

 

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

стабилитрон 2С119А;

I _VD1 = 5´10^-3 А – средний ток стабилизации;

r _VD1 = 15 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона.

Вычисляем сопротивление резистора R1, задавши средний ток стабилитрона (I _R1 = I _VD1)

R1 = 0.9 U_{вх max} / I _R1 = 0.9 ´ 22 / 5´10^-3 = 3960 Ом. (4.22)

 

Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, равняется

 

R1 = 0.9U_{вх max} ´ I _R1 = 0.9´ 22´ 5´10^-3 = 99´10^-3Вт (4.23)

 

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 3.9 кОм ±5%.

 

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT1. Рассчитываем ток коллектора транзистора VT1

 

I_к1 = I_к4 + I_б2 = 4´10^-3 + 12´10^-5 =412´10^-5 (4.24)

 

Находим напряжение коллектор-эмиттер VT1

 

U_к1max= U_{вх max} - U_R2+ U_к4max - U_VD2 = 4.1 В, (4.25)

 

где U_R2 = U_VD1 - U_бэ1 – падение напряжения на резисторе R2.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзисторa VT1

Р₁ = U_к1max ´ I_к1 = 4.1 ´ 412´10^-5 = 16´10^-3 Вт. (4.26)

 

 

По полученным значениям U_{к1 max} , I_к1 , Р₁ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

 

Марка транзистора	КТ313Б
Тип транзистора	РNP
Допустимый ток коллектора, Iк доп	350 мА
Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк доп	30 В
Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред	0.30 Вт
Минимальный коэф. передачи тока базы, h21Э1 min	50

Рассчитываем сопротивление резистора R2

 

R2 = U_R2 / I_К1= 1.5 / 412´10^-5 = 364 Ом, (4.27)

Р_R2 = U_R2 ´ I_К1= 1.5 ´ 412´10^-5 = 618´10^-5 Вт. (4.28)

 

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0.125 360 Ом ±5%.

Рассчитываем основные параметры составного транзистора:

входное сопротивление транзистора

 

h_{11Э ск} =h_11Э2+h_11Э3h_21Э2min= 36.36 + 33´60 =2016 Ом; (4.29)

 

коэффициент передачи напряжения транзистора

 

m_ск = m₂m₃ / (m₂ + m₃) = 45.4´4.2 / (45.4 + 4.2)=3.84 ; (4.30)

 

выходное сопротивление транзистора

 

r_ск = m_ск h_{11Э ск} / h_21Э2min h_21Э3min = 0.1723 Ом. (4.31)

 

Рассчитываем входное сопротивление источника стабильного тока

 

R_TD­ = R1 ´ R2 / r _VD1 = 3900´360 / 15 = 57024 Ом. (4.32)

 

 

Рассчитываем параметры усилителя обратной связи:

сопротивление нагрузки усилителя

 

R_К = h_{11Э ск} R_TD / (h_{11Э ск} + R_TD) = 1947.49 Ом; (4.33)

 

коэффициент усиления напряжения усилителя

 

К_u = 0.7 h_21Э4min R_К / (h_11Э4 + h_21Э4min r _VD2) = 71.13 . (4.34)

 

Рассчитываем коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора напряжения, а также величину пульсаций на выходе

 

К_ст = m_скК_uU_н / U_вх = 3.845 ´ 71.13 ´ 15 / 22 = 186.4, (4.35)

DU_вих = DU_вх / m_скК_u = 4 / 3.845 ´ 71.13 = 12´10^-4, (4.36)

 

Рассчитываем коэффициент пульсаций

К_п = DU_вих ´ 100 / U_вх = 12´10^-4´ 100 / 15 = 8´10^-3%.(4.37)

 

Выходное сопротивление компенсационного стабилизатора будет

R_вых = r_ск / m_скК_u = 0.17 / 3.845 ´ 71.13 = 63´10^-5Ом. (4.38)

 

Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:

 

К_ст = 186.4 > К_ст.зад = 100;

 

К_п = 8´10^-3% < К_п.зад = 10´10^-3%.

 

Найденные параметры удовлетворяют заданным условиям.