При выборе необходимо выполнить условия

 

I К1. МАКС I ВЫХ.  I К1. МАКС. ДОП.; (3.7)

 

UК.Э1 МАКС UК.Э1 МАКС. ДОП.; (3.8)

 

РК1 МАКС  РК1 МАКС. ДОП. (3.9)

Пользуясь таблицами соответствующих справочников выбираем транзистор Т1 типа П4БЭ с такими параметрами: коэффициент усиления по току В1 = 20, максимально допустимое напряжение коллектор — эмиттер UК.Э1 МАКС. ДОП. = 60 в;

максимально допустимый ток коллектора I К1. МАКС. ДОП. = 5 а; максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе (без дополнительного теплоотвода), РК1 МАКС. ДОП = 3 вт.

Таким образом, для выбранного транзистора П4БЭ условия (3.7)  (3.9) выполняются.

6. Выбираем тип согласующего транзистора Т2. Транзистор Т2 предназначен для согласования большого выходного сопротивления (порядка 10 ком) усилителя постоянного тока, собранного на транзисторе Т3, с малым входным сопротивлением (порядка 10 ом) регулирующего транзистора Т1.

Кроме того, транзисторы Т1 и Т2, образуя составной транзистор, имеют общий коэффициент усиления по току

 

Вобщ. = В1 • В2 (3.10)

 

где В1 и В2 — коэффициенты усиления по току транзисторов Т1 и Т2. Большой коэффициент усиления по току Вобщ. позволяет значительно повысить коэффициент стабилизации схемы по напряжению.

Принимая

 

I К2 I Э2.= I б1, (3.11)

 

где I К2 иI Э2. — токи коллектора и эмиттера транзистора Т2; I б1 — ток базы транзистора Т1 и учитывая, что

 

I б1 I К1 / В1 = 100 /20 = 5 мА, (3.12)

 

получим

I К2 5 мА.

Кроме того,

 

UК.Э2 МАКС UК.Э1 МАКС  8,2 в. (3.13)

 

Таким образом, мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора Т2, равна Рк2 макс  Uк.э2 макс • I к2 = 8,2 • 5х10-3 = 0,041 Вт = 41 мВт.

По справочнику выбираем транзистор Т2 типа П201А с параметрами:

коэффициент усиления по току В2 = 40, максимальное напряжение между коллектором и эмиттером Uк.э2 макс. доп.=22 в, максимальный ток коллектора I к2. макс. доп = 1,5 а, максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе, Рк2 макс. доп = 1 вт. Поскольку Рк2 макс. = 0,041 вт < Рк2 макс. доп = 1 вт, то транзистор Т2 выбран правильно.

7. Выбираем тип кремниевого стабилитрона. В качестве источника эталонного напряжения обычно используется кремниевый стабилитрон, который должен иметь номинальное напряжение стабилизации, который должен иметь номинальное напряжение стабилизации

 

Uст  (,6 ,7) • Uвых, (3.14)

 

Uст  (,6 ,7) • 9 = 5,4 в.

По справочнику выбираем стабилитрон типа Д808, у которого

Uст = Uэт = 8 в.; I ст 5 мА; I ст. макс. мА.

8. Находим коэффициент деления напряжения делителем R5,R6 и R7

 

 = U2 вых / Uвых  Uэт / Uвых = 8 / 12 = 0,667 (3.15)

 

9. Выбираем тип управляющего (усилительного) транзистора Т3. На транзисторе Т3 собран усилитель, который должен реагировать на самые незначительные колебания выходного напряжения и усиливать их до величины, достаточной для управления регулирующим транзистором. Поэтому управляющий транзистор должен обеспечивать достаточное усиление сигнала по напряжению. При выборе транзистора необходимо обратить внимание на величину коллекторного тока I кз. Этот ток должен быть по возможности небольшим, но всегда превышать ток базы согласующего транзистора Т2. Обычно величина тока I кз выбирается в пределах 0,5  2 ма. Требуемое значение коэффициента усиления по напряжению для управляющего транзистора можно найти по формуле

 

(3.16)

 

где Uвх = Uвх. макс — Uвх. мин = 17,2 – 14 = 3,2 в.

Наиболее часто в качестве управляющих используются маломощные низкочастотные транзисторы.

Предварительно выберем транзистор тира МП41 (П15) с такими данными: коэффициент усиления по току B3 = 30, максимально допустимое напряжение коллектор—эмиттер UК.Э3 МАКС. ДОП. == 20 в, максимальный ток коллектора
I К3. МАКС. ДОП = 20 ма, максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе Рк3 макс. доп = 0,15 вт. Определим фактический коэффициент усиления каскада на транзисторе МП41 (П15). Для этого можно воспользоваться формулой

 

(3.17)

где , — крутизна характеристики транзистора Т3 (число, показывающее,

на сколько миллиампер изменится коллекторный ток при изменении напряжения между базой и эмиттером транзистора на 1 в);

R1 — сопротивление нагрузки в цепи коллектора транзистора Т3.

Для маломощных низкочастотных транзисторов, используемых в схемах стабилизаторов напряжения, значение крутизны лежит в пределах

S3 = (20  4) мАв.

Принимаем S3 = 30 ма/в.

Сопротивление R1 может быть найдено по формуле

 

(3.18)

 

Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, составляет

PR1 = (IK3)2 • R1 = 12000 • (2х10-3)2 = 0,048 Вт.

Определим величину мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора T3,

 

Рк3 макс. = U к.э3 макс. • IкЗ. (3.19)

 

Принимая

U к.э3 макс. = U вых. + U вых – U эт = 12 + 0.4 – 8 = 4.4 B. и IкЗ = 2 х 10 –3 А получим

Рк3 макс. = 4.4• 2 х 10 –3 = 0,0088 Вт < Рк3 макс. доп. = 0,15 Вт.

Следовательно, транзистор Т3 выбран правильно.

10. Определяем величины сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов схемы. Как мы уже выяснили, сопротивление нагрузки в цепи коллектора транзистора Т3 R1 = 12 кОм. Найдем сопротивления выходного делителя. Ток делителя I д обычно выбирают на один – два порядка выше тока базы управляющего транзистора Т3. Номинальный ток базы транзистора Т3 можно найти по формуле

 

IбЗ = IкЗ / В3, (3.20)

 

IбЗ = 2 х 10 –3 / 30 = 0,66 мА.

Выбирая ток делителя Iд = 5 ма, найдем общее сопротивление делителя

 

Rд = R5 + R6 + R7 = U вых / Iд, (3.21)

 

Rд = 12 / 5х10– 3 =2.4 кОм.

Выходное напряжение стабилизатора можно регулироваться в пределах ± 2 в. Учитывая также, что напряжение стабилизации стабилитрона Д808 может меняться в пределах 7—8,5 в, определим сопротивление нижнего плеча делителя для крайних значений U эт и U вых

 

(3.22)

 

Ом;

 

(3.23)

.

Величины сопротивлений R5 и R6 равны

 

R6 = (Rд.н.)макс – (Rд.н.)мин; (3.24)

 

R6 = 1758 – 1354 = 404 Ом;

 

R5 = Rд – (Rд.н.)макс; (3.25)

 

R5 = 640 Ом;

Полученные значения сопротивлений делителя соответствуют номинальным. Поэтому окончательно принимаем R5 = 640 ом; R6 = 400 Ом; R7 ==1,4 кОм (тип резисторов R7 — УЛМ-0,12, R5 и R6 — СПО). Сопротивление R8 берется такой величины, чтобы задаваемый им ток через стабилитрон составлял Iст = 5 ма,

 

R8 = (3.26)

 

R8 = (12 – 8) / 5х10–3 = 800 Ом

По справочнику выбираем резистор с сопротивлением R8 = 800 Ом (тип резистора—УЛМ-0,12).

Для увеличения быстродействия стабилизатора используется емкостная связь между выходом стабилизатора и входом усилителя, собранного на транзисторе Т3. С этой целью в схему стабилизатора включают конденсатор С2. Величина емкости этого конденсатора выбирается порядка единиц — десятков микрофарад. Например, для рассчитываемой схемы можно использовать электролитический конденсатор типа ЭМ емкостью 3 мкф с рабочим напряжением 20 в.

Конденсатор С3 служит для повышения устойчивости стабилизатора и одновременно позволяет уменьшить выходное сопротивление схемы. Емкость конденсатора С3 выбирается порядка 1000— 2000 мкф. Для нашей схемы можно, использовать электролитический конденсатор типа ЭТО-2 емкостью 1000 мкф с рабочим напряжением 35 в.

11. Находим коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора по формуле

 

(3.27)

 

Таким образом, коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора оказался больше требуемого, так как

12. К. п. д. стабилизатора в номинальном режиме находим, по формуле

 

(3.28)

 

где I вх = I вых +I ст +I д = 100 + 5 + 5 = 110 мА. Следовательно

13. Расчет схемы защиты от короткого замыкания. Цепь состоит из транзистора МП41; делителя напряжения, собранного на резисторах R2 и R3;

и балансного сопротивления R4. Расчет дополнен моделированием в программе Electronics Workbench для подбора наиболее оптимальных параметров цепи.

Выберем резистор R4 = 3 Ом; расчитаем падение напряжения на нем

U R4 = I * R = 0,1 * 3 = 0,3 В.

Расчитаем делитель, таким образом, дабы в верхнем плече делителя, обеспечивалось падение напряжения равное U R4.

R2 = 0,3 / 0,005 = 60 Ом,

R3 = 12 / 0,005 = 2,4 кОм.

Анализ всей схемы в программе Electronics Workbench показал, подключение системы защиты, снижает к.п.д. стабилизатора и приводит к снижению выходного напряжения. Подъем входного напряжения стабилизатора до уровня 30 В а также изменение R2 с 60 на 3 Ома, с одной стороны позволяют сохранить выходные параметры и показатели качества на неизменном уровне, а с другой стороны потребляемая схемой мощность возрастет незначительно.

В итоге выбираем R2 = 3 Ом и R3 = 2,4 кОм.

14. Расчитаем необходимую схему выпрямления в составе: трансформатор питания; диодный мост; сглаживающий сонденсатор

Определяем емкость конденсатора на входе стабилизатора, обеспечивающего пульсацию выпрямленного тока не более 10%. Для мостовой схемы

 

, (3.29)

 

По каталогу выбираем стандартный электролитический конденсатор типа ЭТО-2 емкостью 300 мкф на 25 в.

Выбор трансформатора осуществляется по справочнику (хотя можно усуществить расчет и самостоятельно) исходя из определенных нами входных параметров стабилизатора, выберем трансформатор типа ТПП 237–127/220–50,
со следующими параметрами: номинальный ток вторичной обмотки I2Н=0,1 A; напряжение на вторичной обмотке U2Н=20 B (стоит отметить, что данное напряжение заранее учитывает все потери найденные в процессе моделирования: потери на вентилях и в цепи защиты от короткого замыкания; Все остальные потери были учтены в процессе расчета схемы стабилизатора.).

Выберем тип вентилей. Обратное напряжение на вентиль для однофазной мостовой схемы составляет

 

U обр =1,5 * U0, (3.30)

 

U обр =1,5 * 20 = 30 в.

Среднее значение тока вентиля для данной схемы составит

 

Iср= 0,5 * I0, (3.31)

 

Iср= 0,5 * 0,1 = 0,05А = 50 мА.

Для данного случая хорошо подходит диод Д 206, со следующими параметрами

U обр.доп = 100 В,

Iср.доп. = 100 мА.