Реферат Курсовой проект имеет объем 19 страниц, содержится шесть рисунков, использовано 6 источников. Разработанный стабилизатор постоянного напряжения предназначен для стабильности работы транзисторных и микроэлектронных устройств. Был разработан двухполюсный стабилизатор на основе операционного усилителя с защитой по току. Полученные параметры КСТАБ=16666,7, КП 0,005%, входные и выходные значения напряжений и токов удовлетворяют техническому заданию. Содержание Введение 2 1 Выбор и обоснование структурной схемы 3 2 Выбор и обоснование принципиальной схемы 5 2.1 Защита ПСН на основе ОУ от перегрузок по току и КЗ в нагрузке 7 3 Расчет принципиальной схемы 10 3.1 Расчет схемы сравнения и усилителя 10 3.1.1. Выбор стабилитрона 10 3.1.2 Расчет сопротивлений R3, R4, R5 10 3.1.3 Расчет сопротивлений R7, R8 11 3.1.4 Расчет ОУ 11 3.2 Расчет регулирующего элемента 12 3.3 Расчет защиты от перегрузок по току и КЗ в нагрузке 13 3.4 Расчет параметров стабилизации 14 4 Расчет КПД устройства 15 5 Конструкторская часть 16 Заключение 17 Список литературы 18 Приложение 19 Изм Лист № докум Подпись Дата . Безруков Ю.В Разраб. Провер. Кутдусов Ф.Х. Реценз. Н. Контр. Утверд. 5092.084000.000 ПЗ Стабилизатор постоянного напряжения Пояснительная записка Лит. У Лист Листов УГАТУ ВМ 216 Введение Широкое развитие радиоэлектроники и внедрение ее во все отрасли науки и техники являются реалией нашего времени. Для нормального функционирования всех видов радиоэлектронных устройств (вычислительных комплексов, аппаратуры радио и связи, робототехнических средств и т.д.) необходимы системы энергетического снабжения. Высокие технико-экономические показатели радиоэлектронных устройств во многом зависят от параметров источников вторичного электропитания. Наиболее распространенной являются ИВЭ (источники вторичного электропитания), состоящие из источника переменного напряжения, выпрямителей и стабилизаторов постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как стабильные источники питания, обеспечивающие надежность работы, в других – еще и как источники эталонного (образцового) напряжения. Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности и небольших габаритов. Дальнейшее развитие ИВЭ привело к созданию и развитию класса силовых интегральных микросхем. Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист 1 Выбор и обоснование структурной схемы По используемому принципу действия полупроводниковые стабилизаторы напряжения (ПСН) делятся на параметрические и компенсационные. В первом типе ПСН используют постоянство напряжения на некоторых видах приборов при изменении протекающего через них тока. Во втором типе ПСН задачу стабилизации напряжения решают по компенсационному принципу, основанном на автоматическом регулировании напряжения подводимого к нагрузке. По режиму работы различают ПСН непрерывного и импульсного действия. В ПСН непрерывного действия регулирующий элемент (РЭ) работает в активном режиме и стабилизация Uвых осуществляется непрерывно, за счет компенсации изменения напряжения на нагрузке изменением напряжения на РЭ. В ПСН импульсного действия РЭ работает в импульсном, т.е. ключевом режиме. В импульсном ПСН энергия поступает от источника прерывисто, при этом возможно два режима регулирования напряжения на нагрузке: - при постоянной частоте, изменением длительности импульса; - при постоянной длительности импульса, изменением их частоты. Импульсные стабилизаторы имеют следующие достоинства по сравнению с ПСН с непрерывным регулированием: - в несколько раз меньше мощность рассеяния регулирующего транзистора; - более высокий КПД; Недостатки: - большая величина пульсации UВЫХ; - большая сложность схемы; - плохие динамические свойства при импульсном изменении тока нагрузки. ПСН непрерывного действия имеют высокий коэффициент стабилизации, низкое выходное сопротивление и малую величину пульсации выходного напряжения. По месту включения РЭ относительно нагрузки ПСН делятся на параллельные и последовательные. В первых из них регулирующий транзистор включается параллельно нагрузке (Рисунок 1б), а во вторых – последовательно с ней (Рисунок 1а). Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист Iвх Iвх РЭ У ЭС Rн UВых R1 РЭ У ЭС Rн UВых И И а) б) РЭ – регулирующий элемент, И – источник опорного (эталонного) напряжения, ЭС – элемент сравнения, У – усилитель постоянного тока. Рисунок 1 Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист 2 Выбор и обоснование принципиальной схемы Высокие качественные показатели имеют ПСН, в качестве УПТ которых применены ОУ в интегральном исполнении. Улучшение параметров ПСН при применении в них ОУ обуславливается высоким коэффициентом усиления ОУ и глубокой ООС, охватывающей стабилизатор. Vt 1 Da1 R1 R2 R3 R4 -U Vd 1 R5 Рисунок 2 - Принципиальная схема ПСН на основе ОУ Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1, в качестве УПТ применен ОУ DA1. Неинвертирующий вход ОУ подключен к параметрическому стабилизатору на резисторе R2 и стабилитроне VD1, служащему источником опорного напряжения. С делителя R3, R4, R5 снимается часть выходного напряжения, которое в ОУ сравнивается с опорным напряжением. Выход ОУ подключен к базе VT1, включенного по схеме с ОК, что обуславливает более низкое выходное сопротивление ПСН, чем при включении VT1 по схеме с ОЭ. Для питания ОУ и устройств на них применяются, как правило, двухполярное напряжение. Для его получения могут использоваться 2 одинаковых ПСН (Рисунок 3). В номинальном режиме потенциал средней точки делителя R7 – R8 будет равен потенциалу общей шины, т.е. 0. Т. о., UДИФ2 = U02 = 0. При уменьшении отрицательного UВЫХ2 потенциал инвертирующего входа DA2 становится положительным. Это напряжение усиливается и инвертируется, поэтому UВЫХ DA2 становится более отрицательным; токи базы, коллектора, эмиттера увеличиваются, UКЭ VT2 падает, а UВЫХ увеличивается до номинального значения. При уменьшении положительного UВЫХ1 из-за внешних факторов или за счет регулировки резистором R4, потенциал средней точки делителя R7 – R8 становится отрицательным. Это напряжение усиливается и инвертируется ОУ DA2. его выходное напряжение становится более Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист отрицательным. В результате UБЭ2 падает, его токи базы, коллектора, эмиттера уменьшаются, а UКЭ2 возрастает до тех пор, пока потенциал средней точки делителя R7 – R8 не станет равным 0. это произойдет при UВЫХ1 = UВЫХ2. Vt 1 Da1 R1 R2 R3 R4 -U Vd 1 Da2 R6 UВЫХ1 R5 R7 UВЫХ2 Vt 2 -U R8 Рисунок 3 Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист 2.1 Защита ПСН на основе ОУ от перегрузок по току и КЗ в нагрузке Перегрузки по току в полупроводниковых ПСН возникают при недопустимом снижении сопротивления нагрузки и при КЗ выхода стабилизатора. При этом ток через РЭ увеличивается до недопустимой величины и он выход из строя. Впоследствии из строя могут выйти ОУ, выпрямитель, трансформатор. Для предотвращения выхода из строя элементов стабилизатора в его схему вводится защита по току. R s1 PЭ RH ИУ УПТ RS1 – шунт (датчик тока), УПТ – усилитель постоянного тока, ИУ – исполнительное устройство; Рисунок 4 - Структурная схема защиты Работа защиты осуществляется следующим образом: в номинальном режиме работы стабилизатора через сопротивление нагрузки и шунт RS1 протекает ток IHном, не превышающий установленной величины тока защиты IЗ. В УПТ ток через RS1 или пропорциональные ему падения напряжения на RS1 сравниваются с величиной UЗ или IЗ и превышение тока через RS1 над IЗ вызывает появление сигнала на выходе УПТ и срабатывание ИУ, которое либо разрывает цепь нагрузки, выключая РЭ, либо подзапирает регулирующий транзистор. Т.о., защита может осуществляться двумя способами: а) полное обесточивание нагрузки, т.е. отсечка тока нагрузки; б) ограничение тока нагрузки на определенном уровне. В качестве элементов защиты, как правило, используются полупроводниковые элементы и иногда электромагнитные реле. Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист R s1 Vt 1 Vt 2 Da1 R2 R3 R1 R4 -U Vd 1 Da2 R6 R5 R7 Vt 4 Vt 3 R s2 R8 -U Рисунок 5 - Схема стабилизатора с защитой по второму способу Защита с ограничением тока основана на форме характеристики кремниевого транзистора, имеющей вид: входной Iб Uпор Uбэ Рисунок 6 Точка перегиба входной характеристики UПОР (пороговое) характеризует напряжение между базой и эмиттером, выше которого наблюдается быстрый рост тока базы, поэтому при превышении током IH значение IЗ = UПОР / RS1, IБ начинает резко увеличиваться, VD2 входит в Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист насыщение, при котором UКЭ2 приблизительно равно нулю, и шунтирует эмиттерный переход VT1 в запирающем направлении, поэтому IЭ VT1 не может превышать заданной величины IЗ. В качестве VT2 необходимо выбирать кремниевый транзистор с частотными свойствами не хуже, чем у VT1. элементы RS1 и VT2 могут быть включены в общую шину питания. Полное запирание РЭ по первому способу защиты можно осуществить, если базу VT1 подключить к общей шине стабилизатора через очень малое сопротивление. При этом в качестве элемента защиты можно использовать тиристор (транзисторный триггер). Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист 3 Расчет принципиальной схемы 3.1 Расчет схемы сравнения и усилителя 3.1.1. Выбор стабилитрона Для выбора типа стабилитрона, используемого в качестве источника опорного напряжения, найдем величину требуемого опорного напряжения по формуле: UОП = (0,6…0,7) . UВЫХ min , UОП = 0,7 . 3 = 2,1 В. Тип кремниевого стабилитрона подбираем, имея в виду, что напряжение стабилизации выбранного прибора должно соответствовать значению опорного напряжения (UСТ ~ UОП). Параметры стабилитрона КС191С приведены в таблице 1. Таблица 1 – параметры стабилитрона КС 191С Uст,В 9,1 ТКН,%/C 0,005 Iст.мин., мA 3 Iст.макс., мA 20 Rст., Ом 70 Таким образом сопротивление резистора R2 (IR2 = IVD1): UВЫХ max – UСТ 30 – 9,1 R2 = –—––––––––– = ———— = 6966,666 ~ 6967 Ом. ICT min 3 . 10 –3 Из ряда Е24 выбираем номинал 6,8 кОм. Рассеиваемая мощность на R2 равна: PR2 = (UВЫХ max – UСТ)2 / R2 = (30 – 9,1)2 / 6967 = 0,063 Bт . 3.1.2 Расчет сопротивлений R3, R4, R5 Для расчета задаемся током делителя (обычно Iд = (5…10) мА). Далее находим общее сопротивление выходного делителя: RД=R3 + R4 + R5 = UВЫХ max / IД = 30 / 10 . 10-3 = 3000 Ом. Вычисляем минимальный и максимальный коэффициенты передачи делителя: αmin = UСТ min / UВЫХ max = 9,1 / 30 = 0,3, αmax = UСТ max / UВЫХ min = 9,1 / 3 = 3. Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист Сопротивление резистора R5 равно: R5 = αmin . RД = 0,3 . 3000 = 900 = 0,9 кОм Из ряда Е24 выбираем номинал 1 кОм. Сопротивление резистора R3 равно: R3 = R5 . (1 - αmax) / αmin = 900 . (1 – 3) / 0,3 = 6 кОм. Из ряда Е24 выбираем номинал 6,2 кОм. Сопротивление переменного резистора R4 равно: R4 = RД - R3 - R5 = 3000 + 6200 – 900 = 8300 = 8,3 кОм. Выбираем номинал 8,2 кОм. Резистор R4 выбираем типа СП5-39-8,2 кОм ± 10% 3.1.3 Расчет сопротивлений R7, R8 RД рассчитываем аналогично резисторам R3, R4, R5: RД = R7 + R8 = UВЫХ max / IД = 30 / 10 . 10-3 = 3000 Ом, R7 = R8 = RД / 2 = 3000 / 2 = 1500 = 1,5 кОм. Из ряда Е24 выбираем номинал 1,5 кОм. 3.1.4 Расчет ОУ Критериями выбора ОУ являются: синфазное напряжение UСФ, равное UСТ, входное напряжение UВХ, скорость нарастания выходного напряжения ОУ VUВЫХ. Для снижения динамических потерь в РЭ необходимо, чтобы фронт и срез выходных импульсов ОУ не превышал 1-2 мкс. Ориентировочно необходимую величину VUвых можно определить по формуле: UВХ 36 VUВЫХ ––––– ——— 13 - 36 В/мкс tф 1-2 Указанным требованиям удовлетворят ОУ типа КР554УД2А. Параметры ОУ КТ315А приведены в таблице 2. Таблица 2 – параметры ОУ типа КР554УД2А Резистор R0 выбираем в расчете, что у обоих ОУ ±UПИТ = 15в, а IПОТР=7 мA, таким образом КU 20000 ±UПИТ, В 15 IПОТР, мA 7 R0=(39-15)/(2*0.007)=1714,29 ±UВЫХ, В ±10 Из ряда Е24 выбираем номинал 1,8 кОм. UСФ, В 10 VUВЫХ, В/мкс 20 RН, кОм 2 RВХ, Мом 10 Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист Ограничение выходного тока ОУ DA1 осуществляется резистором R1, который не должен превышать 5 миллиампер. ОУ DA2 выбираем такой же как DA1, следовательно, ток на резисторе R6 также не должен превышать 5 миллиампер. 3.2 Расчет регулирующего элемента Согласно заданию выходной ток один ампер, т.е. ток IЭ =1 А. Ток базы VT1 равен току резистора R1: IБ = 5 мА. Ток коллектора транзистора VT1 равен: IК = IЭ - IБ = 1 – 5 . 10-3 = 0,995. Тогда коэффициент усиления по току РЭ и УМ равен: КI ≥ IК / IЭ = 0,995 / 1 = 0,995. В качестве РЭ необходим транзистор с допустимым напряжением коллектор-эмиттер: UКЭ.ДОП.≥ 1,5·UВХ , UКЭ.ДОП.≥ 1,5 · 36 = 54 В. Выберем транзистор VT1 КТ630Е. Параметры транзистора КТ630Е приведены в таблице 3. Таблица 3 – параметры транзистора КТ630Е Марка транзистора КТ630Е Тип транзистора N-P-N Iнmax, А 1 Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк мах , В 60 Рассеиваемая мощность коллектора, Pмах , Вт 0,8 Минимальный коэф. передачи тока базы, h21Э min 160 Сопротивление резистора R1 рассчитаем по формуле: R1 = (UВЫХ.ОУmax – UБЭНАС ) / IR5, где IR1 = 5·10 А; -3 R1 = (24– 0,85) / 5 · 10–3 = 4,63 · 103 Ом. Из ряда Е24 выбираем номинал 4,7 кОм. Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, равна: PR1 = IR12·R1 = (5 ·10-3)2 · 4,7 · 103 = 1,17 . 10-3 Вт. Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист Подобно VT1 выбираем транзистор VT3. Параметры транзистора КТ933Б приведены в таблице 4. Таблица 4 – параметры транзистора КТ933Б Марка транзистора КТ933Б Тип транзистора P-N-Р Iнmax, А 0,5 Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк мах , В 60 Рассеиваемая мощность коллектора, Pмах , Вт 50 Резистор R6 выбираем такой же как R1. 3.3 Расчет защиты от перегрузок по току и КЗ в нагрузке Расчет регулирующего транзистора и резистора Зададим значение Iз = 50 мA, а UПОР = 50 В. Iз =UПОР / RS1, RS1 = UПОР / Iз = 50 / 50 . 10-3 = 1 кОм. Выбираем транзисторVT2 типа КТ608Б. Параметры транзистора КТ608Б приведены в таблице 5. Таблица 5 – параметры транзистора КТ608Б Марка транзистора КТ608Б Тип транзистора N-Р-N Iнmax, А 0,8 Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк мах , В 60 Рассеиваемая мощность коллектора, Pмах , Вт 0,5 Подобно VT2 выбираем транзистор VT4. Параметры транзистора КТ620А приведены в таблице 6. Таблица 6 – параметры транзистора КТ620А Марка транзистора КТ620А Тип транзистора Р-N-Р Iнmax, А 0,5 Доп. напряжение коллектор-эмиттер, Uк мах , В 50 Рассеиваемая мощность коллектора, Pмах , Вт 0,2 Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист Резистор RS2 выбираем такой же как RS1. 3.4 Расчет параметров стабилизации 3.4.1 Рассчитываем коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора напряжения, а также величину пульсаций на выходе: КСТ = (UH * K) / UBX =(30 * 20000) / 36 = 16666,7 Рассчитываем коэффициент пульсаций: ∆UВЫХ = ∆UВХ / К = 36 / 20000 = 0,0018 KП = (∆UВЫХ * 100) / UВХ = (0,0018 * 100) / 36 =0,005 3.4.2 Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям: КСТ = 16666,7 > КСТ.ЗАД = 5000; КП = 5 10-3 % < КП.ЗАД = 5010-3 %. Полученные параметры удовлетворяют заданным условиям. Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист 4 Расчет КПД устройства Определяем номинальное и минимальное значения КПД: UH * IH 30 * 1 ηном = ——— = ——— = 0,83 UВХ * IH 36 * 1 UHмин * IH 3*1 ηмин = ———— = ——— = 0,083 UВХ * IH 36 * 1 Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист 5 Конструкторская часть В результате структурной и принципиальной электрических схем стабилизатора постоянного напряжения была дополнительно разработана печатная плата 140102 мм с соответствующими навесными радиоэлементами. Для улучшения теплоотдачи радиоэлементы расположены на большом расстоянии друг от друга. Печатная плата выполнена из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5-2 мм фотохимическим методом. Пайка выводов элементов выполнена припоем ПОС-61. Шаг координатной сетки 2,5 мм. Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист Заключение Курсовой проект выполнен в соответствии с заданием на проектирование, полученные результаты КСТАБ=16666,7, КП 0,005% удовлетворяют требуемым заданиям. Номинальный КПД устройства превышает 80%, это говорит об эффективности использования стабилизаторов напряжения на основе операционного усилителя. Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист Список литературы 1. Додик С.Д. Полупроводниковые стабилизаторы постоянного напряжения и тока (с непрерывным регулированием).- М.: Сов.радио, 1980.- 618 c. 2. Вересов Г.П. Стабилизированные источники питания радиоаппаратуры.- М.: Энергия, 1978.- 192 с. 3. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. - Киев: Вища школа, 1983. – 240 с. 4. Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоэлектронной радиоаппаратуры. – М.: Высшая школа, 1989. – 463 с. 5. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник/ В. Л. Аронов, А. В. Баюков, А. А. Зайцев и др. Под общ. ред. Н.Н. Горюнова. – 2-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 904 с. 6. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник/ А. Б. Гитцевич, А. А. Зайцев, В. В. Мокряков и др. Под ред. А. В. Голомедова. – М.: Радио и связь, 1988. – 528 с. Изм Лист . № докум Подпись Дата 5092.084000.000 Лист Приложение А ВАХ транзисторов КТ630Е, КТ933Б, КТ608Б ВАХ транзистора КТ630Е UКЭ.нас, В 0,8 UБЭ.нас, В 1,3 0,7 1,2 0,6 1,1 0,5 1 IK / IБ = 5 0,4 0,9 0,3 0,8 0,2 0,7 0,1 0,6 0,5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 IК, мА IK / IБ = 5 100 200 300 400 500 600 700 IК, мА ВАХ транзистора КТ933Б CK, пФ H21э 140 80 120 100 60 80 40 60 40 20 0 20 UКЭ = 3В 0,1 0,2 0,3 0,4 IK, A 0 10 20 UКБ, В ВАХ транзистора КТ608Б UБЭ.нас, В 1,4 UБЭ.нас, В 0,8 1,2 0,6 IK / IБ = 10 1 0,4 IK / IБ = 5 0,8 0,6 Изм Лист . 0,2 100 № докум 200 300 Подпись Дата IK, MA 0 IK / IБ = 5 - 10 100 200 300 IK, MA 5092.084000.000 Лист Параметры элементов платы Ширина проводников Расстояние между двумя проводниками или поводником и контактной площадкой, не менее Размеры,мм В свободн. В узких местах местах 1,4 1,4 0,9 0,3 5092.084000.000 СБ Лит. Изм Лист № докум . Безруков Ю.В. Разраб. Провер. Т. Контр. Реценз. Н. Контр. Утверд. Кутдусов Ф.Х. Подпись Дата Стабилизатор постоянного напряжения Сборочный чертеж У Лист 1 Масса Масштаб 1:1 Листов 2 УГАТУ ВМ 213 R3 Rs1 R4 R2 Vt1 Vt2 Uвх R1 R6 Uвых R5 R7 Vd1 Da1 Da2 R8 Vt4 Vt3 Обозначение Rs2 Диам., мм 1,1+0,1 2,5 2,5 Изм Лист . № докум Подпись Дата Диам. конт.площ. мм 2,5 Наличие металлизации Есть Есть Нет Кол. 41 6 4 5092.084000.000 СБ Лист 2 5092.084000.000 Э1 Лит. Изм Лист № докум . Безруков Ю.В. Разраб. Провер. Т. Контр. Реценз. Н. Контр. Утверд. Кутдусов Ф.Х. Подпись Дата Стабилизатор постоянного напряжения Структурная схема Масса Масштаб У Лист Листов УГАТУ ВМ 213 Vt 1 R s1 Vt 2 Da1 R2 R3 R1 R4 -U Vd 1 R5 Da2 R6 R7 Vt 4 Vt 3 R s2 R8 -U 5092.084000.000 Э3 Лит. Изм Лист № докум . Безруков Ю.В. Разраб. Провер. Т. Контр. Реценз. Н. Контр. Утверд. Кутдусов Ф.Х. Подпись Дата Стабилизатор постоянного напряжения Принципиальная схема Масса Масштаб У Лист Листов УГАТУ ВМ 213