| Номер варианта | Однополупериодная схема выпрямления с " С " фильтром | Двухполупериодная с " RC " фильтром | Мостовая с " LC " фильтром | |||
| U н(В) | I н(А) | U н(В) | I н(А) | U н(В) | I н(А) | |
| 0,1 | 0,12 | 0,12 | ||||
| 0,16 | 0,18 | 0,25 | ||||
| 0,12 | 0,26 | 0,3 | ||||
| 0,26 | 0,4 | 0,36 | ||||
| 0,28 | 0,48 | 0,5 | ||||
| 0,64 | 0,5 | 0,56 | ||||
| 0,9 | 0,46 | 0,8 | ||||
| 1,28 | 0,8 | 1,1 | ||||
| 1,7 | 0,96 | 1,6 | ||||
| 0,1 | 0,4 | 0,3 | ||||
| 0,2 | 0,4 | 0,1 | ||||
| 0,3 | 0,2 | 0,3 | ||||
| 0,4 | 0,3 | 0,4 | ||||
| 0,5 | 0,4 | 0,5 | ||||
| 0,6 | 0,5 | 0,4 | ||||
| 0,7 | 0,7 | 0,5 | ||||
| 0,4 | 0,6 | 0,6 | ||||
| 0,5 | 0,5 | 0,55 | ||||
| 0,6 | 0,5 | 0,7 | ||||
| 0,4 | 0,45 | 0,5 | ||||
| 0,8 | 0,9 | 0,8 | ||||
| 0,7 | 0,8 | 0,75 | ||||
| 0,2 | 0,3 | 0,3 | ||||
| 0,4 | 0,5 | 0,4 | ||||
| 0,5 | 0,6 | 0,5 | ||||
| 1,1 | 1,2 | 1,1 | ||||
| 1,2 | 1,3 | 1,2 | ||||
| 1,3 | 1,4 | 1,3 | ||||
| 0,8 | 0,9 | 0,8 | ||||
| 0,9 | 1,0 | 0,9 | ||||
| 1,0 | 1,1 | 1,1 | ||||
| 1,3 | 1,4 | 1,4 | ||||
| 0,9 | 0,5 | 0,8 | ||||
| 0,1 | 0,18 | 0,3 | ||||
| 0,28 | 0,8 | 1,1 | ||||
| 0,64 0.2 | 0,5 | 1,6 | ||||
| 0,2 | 0,6 | 1,9 | ||||
| 0,4 | 0,5 | 0,6 | ||||
| 0,5 | 0,7 | 0,2 | ||||
| 0,6 | 0,9 | 0,4 | ||||
| 0,4 | 0,45 | 0,6 | ||||
| Окончание табл. 4.1 | ||||||
| 1,4 | 0,8 | |||||
| 0,1 | 0,5 | 0,3 | ||||
| 0,16 | 0,18 | 1,1 | ||||
| 0,12 | 0,8 | 1,6 | ||||
| 0,26 | 0,5 | 1,9 | ||||
| 0,28 | 0,6 | 0,6 | ||||
| 0,64 | 0,5 | 0,2 | ||||
| 0,9 | 0,7 | 0,4 | ||||
| 1,28 | 0,9 | 0,6 |
5.3.1. Схема однополупериодного выпрямителя
Через напряжение U н = U d определяют действующее напряжение U 2 на вторичной обмотке трансформатора
. (5.3)
Максимальная величина тока вентиля выпрямителя I м зависит от амплитуды напряжения U 2м на вторичной обмотке трансформатора (рис. 4.1) и от R н.
I м = U 2м / R н. (5.4)
Рис. 5.1. Однополупериодная схема выпрямителя
Действующее значение тока во вторичной обмотке I 2:
; (5.5)
Мощность, расходуемая во вторичной обмотке трансформатора:
S 2 = I 2 U 2 = 3,5 Р н = 3,5 I н U н; (5.6)
Мощность, расходуемая в первичной обмотке трансформатора:
S 1 = U 1 I 1 = 2,7 Р н; (5.7)
Габаритная полная мощность трансформатора:
; (5.8)
Максимальное обратное напряжение на вентиле выпрямителя
; (5.9)
Коэффициент пульсаций в однополупериодной схеме выпрямителя
. (5.10)
5.3.2. Двухполупериодная схема выпрямителя со средней точкой.
В схеме двухполупериодного выпрямителя, рис. 5.2 вентили питаются напряжениями с двух вторичных обмоток, сдвинутыми по фазе на 180°, т.е. эту схему можно рассматривать как две однополупериодных, поочередно работающих на общую нагрузку R н, поэтому среднее значение выпрямленного тока I н = I dудвоится:
I н =2×I м / π. (5.11)
Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора:
I 2 =I d × π / 4 = 0,785 I d. (5.12)
Рис. 5.2. Двухполупериодная схема выпрямителя со средней точкой
Действующее значение напряжения одной из полуобмоток трансформатора U 2:
U 2 = 1,11 U d. (5.13)
Мощность, расходуемая во вторичной обмотке трансформатора:
S 2 = I 2 ×U 2 = 1,75 Р н. (5.14)
Полная мощность трансформатора:
S тр = 1,48 Р н; (5.15)
Коэффициент пульсаций на выходе двухполупериодного выпрямителя
; (5.16)
где К - номер гармоники, m - число фаз.
Обратное напряжение на вентиле
. (5.17)
5.3.3. Мостовая двухполупериодная схема выпрямителя
Мостовая схема состоит из трансформатора и четырех вентилей VD 1- VD 4. Переменное напряжение U 2 подводится к одной диагонали моста, а нагрузка R н подключена к другой. При этом вентили VD 1 и VD 3 пропускают ток в течение одного полупериода, а вентили VD 2 и VD 4 в течение другого полупериода. Так как ток протекает в оба полупериода по двум вентилям, то падение напряжения в мостовой схеме в два раза выше, чем в нулевой. Во вторичной обмотке ток проходит дважды за период в противоположных направлениях, поэтому вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током отсутствует (рис.5.3).
Рис.5.3. Мостовая двухполупериодная схема выпрямителя
Действующее значение напряжения на вторичной обмотке U2 :
U 2 = 1,11 ×U н. (5.18)
Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора I 2:
. (5.19)
Среднее и действующее значение тока через вентиль I в.ср и I в:
. (5.20)
Действующее значение тока первичной обмотки I 1 отличается от I 2 на коэффициент трансформации Кт. Kт = U 1/ U 2, где U1 = 220 в:
I 1 = 0,785* I d / Kт.. (5.21)
Расчетные мощности обмоток трансформатора равны между собой:
. (5.22)
Коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя:
. (5.23)
Обратное напряжение на вентиле U o6p:
. (5.24)
5.3.4. Фильтры
На выходе любой из рассмотренных схем выпрямителей содержатся постоянная и переменная составляющие и пульсация напряжения столь значительна, что непосредственное питание нагрузки от выпрямителя возможно лишь там, где приемник энергии не чувствителен к переменной составляющей (зарядка аккумуляторов, питание электродвигателей и цепей сигнализации). Для питания электронных устройств требуется напряжение с коэффициентом пульсаций 
. Для уменьшения пульсаций между выпрямителем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр - реактивный элемент, способный запасать энергию (С или L).
Основной параметр сглаживающих фильтров - коэффициент сглаживания S = q вх /q вых.
При емкостном фильтре переменные составляющие тока выпрямителя I m1+ I mn проходят через конденсатор, имеющий небольшое реактивное сопротивление Х с, поэтому для хорошего их сглаживания берут X c<< R H.
При небольшом Х c только малая часть переменной составляющей I m2 течет через R н, поэтому напряжение на нем равно U н, следовательно
, (5.25)
где ω - частота пульсаций U н, а m - число фаз.
При расчетах фильтра можно по заданному значению S c рассчитать емкость конденсатора, используя уравнение
, (5.26) При расчетах для всех вариантов принять S = 1000, т.е. Sc=Src=Slc.
Емкостной фильтр не только снижает q, но и влияет на U н, увеличивая его значение, поэтому ток через вентиль будет проходить при условия U2> U н, т.е. меньше половины периода в интервале 2 Q, при этом уменьшается угол отсечки Q (Q <90), что поясняет рис. 5.4,а.
В этом случае
, (5.27)
Длительность протекания тока через вентиль определяется двойным значением угла Q, называемого углом отсечки, который можно найти из равенства
, (5.28)
При расчете выпрямителя, работающего на емкостную нагрузку, исходными данными являются U н= U d и I н= I d, a I 2 и Cos Q представляют собой искомые величины.
Величина U 2 определяется из уравнения:
, (5.29)
Для определения U 2 и Сos Q необходимо построить по выражению (5.28) зависимость 1: U 2 = f (сos Q), (рис. 5.4,б) при заданном U d, а по выражению (5.29) зависимость 2: U 2 = f (сos Q) при заданном I н. При расчетах в (5.29) Q выразить в радианах. Значениями cos Q можно задаваться от 0,1 до 0,9 через 0,2.
Координаты точки пересечения этих графиков дают значения U 21 и cos Q.
Зная U 2 и U н выбирают вентили по допустимому напряжению. Значение cos Q используют для расчета трансформатора. Максимальное значение тока через вентиль
, (5.30)
где R i - внутреннее сопротивление вентиля (принять 1 Ом); U 21 – обратное напряжения на вентиле из рисунка 5.4.б; R т - активное сопротивление обмоток трансформатора, приведённое к вторичной обмотке (принять R т = 20 Ом).
Максимальное значение обратного напряжения на вентиле:
. (5.31)
В схеме индуктивного фильтра, когда L включена последовательно с R н в течение положительного полупериода, когда нарастает диода i в, дроссель L запасает энергию, благодаря чему в отрицательный полупериод накопленная энергия расходуется на поддержание нагрузочного тока. Недостатком этой простой схемы является большое выходное сопротивление выпрямителя из-за того, что берут X L>> R H для получения хорошего сглаживания.
Хорошие качества имеют сложные Г и П-образные фильтры из RC и LС цепей. Их строят из условия, что ωmL > R н,a(1 /mωC) < R н.
Рис. 5.4.а. Эпюры напряжения выпрямителя с ёмкостным фильтром
Рис. 5.4.б Зависимость U 2 от Cos Q
Коэффициент сглаживания Г-образного LC фильтра:
. (5.32)
Расчет фильтра ведут исходя из заданной величины и выбранной схемы выпрямления. Найдя значение LC а затем задавшись емкостью С рассчитывают величину L. Величину С берут из ряда Е6 или Е12 в [ 9 ]:
. (5.33)
При малых токах нагрузки и небольших значениях S используют RС фильтры. Коэффициент их сглаживания
. (5.34)
Приняв R ф = (0,15 ÷ 0,25)× R н вычисляют С:
. (5.35)
Рассчитав параметры С нужно также взять её величину из ряда Е12.
Расчетное задание № 6
Расчёт стабилизатора напряжения
6.1. Цель работы
6.1.1. Изучить влияние элементов схемы на режим работы стабилизаторов.
6.1.2. Научиться производить расчет стабилизаторов с использованием параметров транзисторов и микросхем.
6.2. Содержание расчетного задания
6.2.1. Выполнить расчет компенсационного стабилизатора напряжения (рис. 6.3.) с использованием параметров транзисторов и параметров операционных усилителей взятых из справочника
6.2.3. Определить Mв и КПД усилителя для случая работы в классе АВ и классе В, а также сопротивление нагрузки Rн, обеспечивающее максимум мощности, отдаваемой в нагрузку.
6.2.4. Изучить схемы стабилизаторов, приведенные на рис.6.1.- рис.6.3. и определить тип обратной связи.
Исходные данные для расчёта в соответствии с номером варианта взять в таблице 6.1. Диапазон рабочих температур и диапазон рабочих частот стабилизатора принять равными цифрам примера. Диапазон температуры окружающей среды в пределах 25—50°С.
Входные и выходные характеристики транзистора, выбранного по данным расчета, нужно взять в приложении.
. Таблица 6.1
Исходные данные для расчёта стабилизаторов
| Номер варианта | Uвх(В) | Iнmax(А) | ΔUвх(В) | Uнmin(B) | Uнmax(В) |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| 1 | 20 | 1,1 | 2.4 | 8,12 | 13.2 |
| 2 | 13.6 | 2,16 | 0.48 | 5,18 | 9.6 |
| 3 | 14.2 | 3,12 | 0.62 | 6,26 | 10.4 |
| 4 | 16.0 | 2,26 | 0.70 | 7,4 | 11.2 |
| 5 | 17.5 | 3,28 | 1.5 | 8.8 | 12.8 |
| 6 | 18.0 | 2,64 | 0.92 | 10,5 | 13.4 |
| 7 | 11.2 | 3,9 | 1.0 | 6,46 | 9.6 |
| 8 | 12.5 | 1,28 | 1.4 | 6,8 | 10 |
| 9 | 14.0 | 1,7 | 1.5 | 6,96 | 9.6 |
| 10 | 14.5 | 2,1 | 1.5 | 7,4 | 10.0 |
| 11 | 25.6 | 1,2 | 2.4 | 9,4 | 15.30 |
| 12 | 23.0 | 1,3 | 2.4 | 10,2 | 14.50 |
| 13 | 24.0 | 1,4 | 2.45 | 10,3 | 13.55 |
| 14 | 24.5 | 1,5 | 2.5 | 10,4 | 13.60 |
| 15 | 25.0 | 1,6 | 2.55 | 10,5 | 14.65 |
| 16 | 16.5 | 2,7 | 1.6 | 7,7 | 9.70 |
| 17 | 17.5 | 2,4 | 1.75 | 7,6 | 10.8 |
| 18 | 8.5 | 3,5 | 0.90 | 4,5 | 6.5 |
| 19 | 9.0 | 3,6 | 0.95 | 5,5 | 6.0 |
| 20 | 10.0 | 3,4 | 1.05 | 5,45 | 7.0 |
| 21 | 11.5 | 2,8 | 1.20 | 5,9 | 7.5 |
| 22 | 12.0 | 2,7 | 1.25 | 5,8 | 8.0 |
| 23 | 18 | 1,2 | 2.00 | 9,3 | 12.5 |
| 24 | 10.5 | 3,4 | 1.10 | 5,5 | 7.5 |
| 25 | 11.0 | 3,5 | 1.15 | 5,6 | 7.0 |
| 26 | 12.5 | 1,1 | 1.30 | 6,2 | 8.5 |
| 27 | 13.0 | 1,2 | 1.35 | 6,3 | 8.0 |
| 28 | 13.5 | 1,3 | 1.40 | 7,4 | 9.5 |
| 29 | 15.0 | 0,8 | 155 | 7,9 | 10.0 |
| 30 | 15.5 | 0,9 | 1.50 | 8,0 | 10.5 |
| 31 | 16.0 | 1,0 | 1.65 | 8,1 | 10.7 |
| 32 | 17.0 | 1,3 | 1.75 | 8,4 | 10.8 |
| 33 | 20 | 0,9 | 200 | 10,5 | 15.0 |
| 34 | 14.2 | 2,1 | 1.24 | 10,18 | 9.4 |
| 35 | 8.0 | 3,28 | 1.00 | 4,8 | 6.6 |
| 36 | 11.2 | 1,64 | 1.40 | 6,5 | 9.0 |
| 37 | 14.0 | 1,2 | 1.10 | 6,6 | 8.2 |
| 38 | 12 | 2,4 | 1.75 | 4,5 | 7.8 |
| 39 | 9.0 | 3,5 | 0.90 | 3,7 | 8.1 |
| 40 | 10.0 | 3,6 | 0.95 | 5,9 | 7.30 |
| 41 | 11.5 | 3,4 | 1.20 | 5,45 | 7.40 |
| 42 | 10.5 | 3 | 2.4 | 4,4 | 6.64 |
| 43 | 11.0 | 2,1 | 1.40 | 4,5 | 6.72 |
| 44 | 12.5 | 3,16 | 1.45 | 6,18 | 8.78 |
| 45 | 13.0 | 2,12 | 1.50 | 6,8 | 7.84 |
| 46 | 13.5 | 2,26 | 1.55 | 6,5 | 9.6 |
| 47 | 15.0 | 2,28 | 1.60 | 7,6 | 11.0 |
| 48 | 15.5 | 1,64 | 1.75 | 7,5 | 12.6 |
| 49 | 16.0 | 1,9 | 1.90 | 7,7 | 11.0 |
| 50 | 17.0 | 1,28 | 1.75 | 8,9 | 13.0 |
6.3. Методические указания
В большинстве силовых электрических сетей напряжение поддерживается с точностью не выше ±5 %. Для питания электронной аппаратуры (особенно для устройств, содержащих микросхемы) требуется значительно более высокая стабильность питающего напряжения, достигающая ±0,0001 - 0,5 %. Для обеспечения заданной стабильности питающего напряжения применяют стабилизаторы напряжения.
Стабилизатором напряжения называют устройства, автоматически поддерживающие напряжение на стороне потребителя с заданной степенью точности.
Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжения потребителя, являются колебания входного питающего напряжения, изменения тока нагрузки потребителя, колебания частоты тока сети, изменения окружающей температуры и др.
В зависимости от рода напряжения стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы переменного напряжения и стабилизаторы постоянного напряжения. По принципу стабилизации стабилизаторы подразделяются на параметрические стабилизаторы и компенсационные. В качестве параметрических стабилизаторов используют нелинейные элементы. Стабилизация напряжения в таких стабилизаторах осуществляется за счет нелинейности вольт-амперной характеристики нелинейного элемента. В параметрических стабилизаторах постоянного напряжения в качестве нелинейного элемента используют стабилитроны.
Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического регулирования, в которой эффект стабилизации достигается за счет изменения параметров управляемого элемента, называемого регулирующим.
В зависимости от способа включения регулирующего элемента относительно сопротивления нагрузки стабилизаторы напряжения подразделяются на последовательные и параллельные, а по режиму работы регулирующего элемента — на импульсные и стабилизаторы с непрерывным регулированием.
Основными параметрами стабилизатора являются: коэффициент стабилизации Kст, коэффициент сглаживания пульсаций SСТ, внутреннее сопротивление стабилизатора r ст.
Схема параметрического стабилизатора напряжения с кремниевым стабилитроном показана на рис. 6.1, а. В данном стабилизаторе используется нелинейность вольт-амперной характеристики полупроводникового стабилитрона (рис. 6.1,б). Как видно из характеристики, в рабочей области при токах ОТ Iст min ДО Iст mах обратная ветвь характеристики идет почти параллельно оси ординат и напряжение Uст почти не меняется.
Наиболее точная стабилизация у стабилитронов с напряжением стабилизации 5—7 В, так как они имеют наименьший температурный коэффициент. Для компенсации температурной нестабильности чаще всего последовательно со стабилитроном включают цепочку, составленную из нескольких диодов, включенных в прямом направлении. На рисунке 6.1.а это V1 и V2.
Недостатками параметрических стабилизаторов напряжения являются: сравнительно малый коэффициент стабилизации, ограниченный диапазон токов в цепи нагрузки, невозможность плавного регулирования выходного напряжения. От этих недостатков свободны компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения.
Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения представляют собой систему автоматического регулирования, которая обеспечивает постоянство выходного напряжения с высокой степенью точности при изменениях напряжения сети, тока нагрузки и т. д.
В зависимости от способа выполнения регулирующего элемента стабилизаторы подразделяются на последовательные и параллельные. В стабилизаторах первого типа регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой, в стабилизаторах второго типа — параллельно.
Рис. 6.1. Схема параметрического стабилизатора (а) и его вольт-амперная характеристика (б)
Стабилизатор последовательного типа (рис. 6.2, а) получает питание от сети переменного тока через трансформатор Тр, выпрямитель В и фильтр Ф. Стабилизатор состоит из регулирующего элемента Р включенного последовательно с нагрузкой, схемы сравнения СС и усилителя постоянного тока У.
Схема сравнения включает в себя источник опорного напряжения и сравнивающий делитель. В схеме сравниваются выходное и опорное напряжения. Сигнал разности этих двух напряжений подается на вход усилителя постоянного тока. При изменении выходного напряжения на выходе схемы сравнения появляется сигнал разности, который усиливается усилителем постоянного тока и поступает на вход регулирующего элемента. Изменение сигнала на входе регулирующего элемента приводит к изменению падений напряжения на нём и выходное напряжение изменяется до первоначального значения с определенной степенью точности.
Параллельная схема стабилизатора (рис. 6.2,б) состоит из тех же элементов. Отличие заключается в том, что регулирующий элемент включен параллельно нагрузке, а последовательно с ней включен гасящий резистор Rг. При изменении выходного напряжения появляется сигнал на выходе схемы сравнения, усиливается усилителем постоянного тока и воздействует на регулирующий элемент так, что ток последнего изменяется. Изменение тока регулирующего элемента вызывает изменение тока через гасящий резистор, что приводит к изменению падения напряжения на нем, в результате чего компенсируются изменения выходного напряжения с определенной степенью точности.
Рис. 6.2. Структурные схемы стабилизаторов
Качественные параметры рассмотренных схем приблизительно одинаковы. Схема с последовательным включением регулирующего элемента имеет более высокий КПД и применяется более часто.
Необходимо отметить, что низкое значение КПД (0,5 - 0,7) компенсационного стабилизатора, обусловленное потерей мощности на регулирующем элементе, является его основным недостатком. Несмотря на указанный недостаток в настоящее время стабилизаторы такого типа широко применяются в устройствах электропитания.
Типовая схема стабилизатора с последовательным включением регулирующего элемента приведена на рис. 6. 3.
Рис. 6.3. Схема транзисторного стабилизатора с последовательным включением регулирующего элемента
Стабилизатор состоит из регулирующего транзистора VТI, усилителя постоянного тока VТ2,R1, источника опорного напряжения VТ2,R2 и делителя напряжения R3,R4,R5.
При изменении входного напряжения Uвх, например при увеличении, в первый момент начинает увеличиваться выходное напряжение Uвых, что приводит к увеличению напряжения на нижнем плече делителя. Напряжение Uд, на базе VT2. сравнивается с опорным напряжением стабилитрона VD. Увеличение напряжения приводит к увеличению отрицательного потенциала на базе транзистора VТ2. Увеличиваются токи базы и коллектора транзистора VТ2 и уменьшается отрицательный потенциал на базе транзистора VТ1 относительно эмиттера. Ток базы транзистора VТI уменьшается, что приводит к увеличению падения напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VТI. Напряжение на выходе стабилизатора уменьшается до первоначального значения с определенной степенью точности.
При изменении тока нагрузки, например, увеличении выходное напряжение в первый момент начинает уменьшаться за счет увеличения падения напряжения на переходе коллектор — эмиттер регулирующего транзистора VТI. Это вызовет уменьшение напряжения на нижнем плече делителя R3,R4,R5. Уменьшаются отрицательный потенциал базы транзистора VT2 и его базовый и коллекторный токи. Ток базы транзистора VTI увеличивается, что приводит к уменьшению напряжения на переходе коллектор — эмиттер транзистора VT I. Выходное напряжение увеличивается до первоначального значения. Регулировка выходного напряжения в схеме осуществляется потенциометром R4.
Коэффициент стабилизации стабилизатора:
Kст = Ку α (гк + R1) Uвых / rkU0; (6.1)
где Ку — коэффициент усиления усилителя постоянного тока; гк — сопротивление коллектора транзистора VТ2 в схеме с общим эмиттером; α- коэффициент передачи делителя; α = R1/ R1+ R2.
Подобные стабилизаторы имеют kст ≤ 500-700. Для получения более высоких значений коэффициента стабилизации необходимо применять более сложные схемы компенсационных стабилизаторов напряжения. Широко применяют схемы с операционными усилителями, обеспечивающие большой Кст (рис. 6.4.).
Рис. 6.4. Схема транзисторного стабилизатора с ОУ и последовательным включением регулирующего элемента
Следует иметь в виду, что стабилизатор напряжения не только уменьшает нестабильность, но и сглаживает пульсации выпрямленного тока приблизительно в Кст раз. При необходимости стабилизировать большие токи регулирующий транзистор VТ делают составным.
При необходимости стабилизировать большие токи и для повышения коэффициента стабилизации компенсационного стабилизатора в качестве регулирующего элемента используют составной транзистор VТ1. Использование составного транзистора увеличивает коэффициент стабилизации на величину коэффициента усиления по току дополнительного транзистора.
Коэффициент стабилизации компенсационных последовательных стабилизаторов достигает нескольких тысяч и зависит от коэффициента усиления усилителя ОУ. Однако следует учитывать, что при увеличении коэффициента усиления до определенного значения схема стабилизатора самовозбуждается.
Выходное сопротивление компенсационных стабилизаторов имеет значение порядка нескольких Ом и даже долей Ом.
КПД у стабилизаторов параллельного типа ниже, чем у стабилизаторов последовательного типа, так как на балластном резисторе Rб расходуется дополнительная мощность.
6.4. Пример расчета компенсационного стабилизатора напряжения
Выбрать и рассчитать схему последовательного стабилизатора напряжения с параметрами Кст>104 (рис. 6.4.). Исходные данные для расчета: (Uвх = 12 В; ΔUвх = ±2 В; In max=2 А; Un min = 4 В; Un max = 6 В.
Решение
Выбираем тип регулирующего транзистора из условий:
U кэ mах = Uвх + UΔвх - Unmin = 10В < Uкэ mах доп»,
Рк mах = Uкэ махIк мах == 20 Вт < Рк мах доп,
Iк мах < Iк доп.
Этим условиям удовлетворяет транзистор типа КТ908А с параметрами
Iк mах доп =10А, Р к mах доп =50 Вт, Uкэ maх доп == 65 В, h21 =80.
Рассмотрим возможность получения заданных параметров схемы при использовании в качестве усилительного элемента операционного усилителя (см. рис. 6.4). Запишем:
Uвых оу = Uбэ + U n mах = 6,6 В< Uвых мах оу. (6.2)
Iвых оу = Iб мах = Iн мах / (1 + h21 min) = 25 мА < Iвыx mах оу, (6.3)
где Uвых мах оу, Iвых мах оу — предельные значения выходных напряжения и тока операционного усилителя.
Выбираем операционный усилитель типа К157УД1, с U вых мах =12 В, Iвых mах = 300 мА.
Если условие (6.1) не выполняется, то в качестве усилительного элемента следует использовать транзистор. При невыполнении условия (6.3) в качестве регулирующего элемента используют составной транзистор. Тогда
Iвых оу =Iн mах / (1 - h21э1 h21э2) < Iвых mах оу»,
где h21э1 и h21э2— коэффициенты усиления по току отдельных транзисторов.
Для создания опорного напряжения (Uоп = Ucт < Uн min. выбираем стабилитрон КС133А с данными Uст = Uоп=3 В, Rд=65 Ом, Iст nom = 10 мА.
Определяем сопротивление балластного резистора Rб, полагая, что Iст nом>>Iвхоу:
Rб = (Uвхср — Uоп)/ Icт nоm = 0,9 кОм.
Для расчета сопротивлений резисторов R3,R4, R5 предположим, что движок в потенциометре R4 стоит в крайнем верхнем положении. Тогда выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение. При крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально.
В первом случае
Uн min = Uвыхоу – Uбэ =(R3/ R4+R5 + 1) Uоп-U бэ. (6.4)
Во втором случае Uн max = (R3+ R4/ 3)Uоп- Uбэ. (6.5)
Полагая R3=1 кОм, из системы уравнений (6.3) и (6.4) находим
R3 =0,5 кОм, R4=0,5 кОм.
Определим минимальный коэффициент стабилизации схемы, применив общую формулу
К ст min = Un min R3 Kдел/ Uвх max Rвых. (6.6)
Так как R3= rk/(1 + h21э) — внутреннее сопротивление регулирующего транзистора, Rвых= rэ/Киоу — выходное сопротивление схемы без учета делителя, Кдел = (R5+R4)/(R3 + R5), то
Кст min = U n min rk* Ku оу Kдел/ U вх max rэ (1+ h21э) =1.2
Вопросы и задачи для самопроверки
Определить коэффициент стабилизации стабилизатора напряжения, если при изменении входного напряжения от 1 до 3В напряжение на нагрузке изменилось от 1 до 1,5 В. Ток нагрузки остался неизменным. Ответ. Кст = 4.
Определить выходное сопротивление стабилизатора напряжения, если изменение тока в нагрузке на величину ΔIн =2 А вызвало изменение нагрузочного напряжения ΔUн = 0,5 В. Ответ. RВых= 0,25 Ом.
Определить коэффициент стабилизации стабилизатора тока, если при изменении входного тока от IВХ = 1А до Iвх=5 А ток в нагрузке будет изменятся от I н1= 0,0.5А до Iн2=1,5 А. Ответ. Кст =2.
Определить номинальный ток стабилитрона, обеспечивающий стабилизацию напряжения. Максимальный и минимальный токи стабилитрона в режиме стабилизации соответственно составляют I ст max = 10 мА, Iст min=4 мА. Ответ. Iст ном = 7 МА.
РАСЧЕТНОЕ ЗАДАНИЕ № 7
ИЗУЧЕНИЕ МУЛЬТИВИБРАТОРА
7.1. Цель работы
7.1.1. Изучить схему и принцип действия мультивибратора с коллекторно-базовыми конденсаторами.
7.1.2. Изучить особенности работы транзистора в ключевом режиме.
7.1.3.Получить навыки расчета импульсных схем на примере схемы автоколебательного мультивибратора.
7.2. Содержание расчетного задания
7.2.1. Выполнить расчет ключевого режима работы транзисторов
указанных в индивидуальном задании к работе № 1.
7.2.2. Выполнить расчет схемы симметричного мультивибратора.
Варианты исходных параметров для расчета приведены в таблице 7.1
и указываются преподавателем.
7.3. Методические указания
7.3.1. Ключевой режим работы транзистора.
Основой сложных импульсных схем являются транзисторные ключи. Транзисторным ключом называют с