Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Балаковский инженерно-технологический институт РАСЧЕТ КОМПЕНСАЦИОННОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электроника» для студентов направления подготовки «Электроэнергетика и электротехника» всех форм обучения Одобрено редакционно-издательскимсоветом Балаковскогоинженерно-технологического института Балаково 2023 ВВЕДЕНИЕ Методические указания по курсу «Электроника» предназначены для студентов заочной формы всех технических направлений подготовки. Указания включают задания к контрольной работе, краткие теоретические сведения, необходимые для выполнения работы, пример ее выполнения и справочный материал. В рамках контрольной работы выполняется расчет компенсационного стабилизатора напряжения. Содержание заданий контрольной работы соответствует образовательным стандартам и рабочим программам. Методические указания могут быть использованы при выполнении заданий на практических занятиях, при выполнении самостоятельных и расчетно-графических работ по одноименным курсам студентами очной формы обучения. 1. ВЫБОР ВАРИАНТА КОНТРОЛЬНОГО ЗАДАНИЯ Методические указания содержат 70 вариантов заданий. Номер задания выбирается по номеру в журнале. Нумерация второй группы начинается с варианта, следующего за последним вариантом первой группы. Приступать к выполнению контрольной работы необходимо после изучения соответствующего теоретического материала, изложенного в рекомендованной литературе. В настоящих методических указаниях приведен минимум необходимой информации, который не охватывает всего объема курса. При выполнении работы необходимо пользоваться учебными пособиями и справочниками, включающими разделы по источникам питания. Методические указания содержат пример расчета компенсационного стабилизатора, который определяет общий алгоритм расчета для всех вариантов задания. Приведенный пример базируется на теории, кратко изложенной в методических указаний, и жестко привязан к ней обозначениями на схемах. При выполнении работы допускается то же позиционное обозначение элементов схемы или присвоение позиционных номеров по правилу стандартов «сверху вниз» и «слева направо». 2 2. ЗАДАНИЯ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ Выполнить расчет компенсационного стабилизатора напряжения, который обеспечивает на нагрузке требуемое напряжение UН при изменении тока нагрузки от IНmin до IНmax c коэффициентом стабилизации kст. Допустимое отклонение напряжения от заданного значения ΔUН. По результатам расчета выбрать все элементы типовой схемы, определить требуемое значение входного напряжения стабилизатора UВХ и его допустимое отклонение ΔUВХ. Данные для расчета приведены в таблице 1, а параметры некоторых транзисторов в приложении к методическим указаниям. Таблица 1 Таблица вариантов заданий № варианта Uн, В Iнmin, А Iнmax, А Kст 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 3 4 5 6 9 12 15 20 24 27 30 48 60 80 100 3 4 5 6 9 12 15 1 2 3 0,5 0,7 0,5 0,2 0,1 0,1 0,05 0,1 0,1 0,05 0,1 0,05 2 3 1 0,2 1 0,3 0,5 10 12 11 5 4 6 3 2 1,2 1,5 2 1 1 0,5 0,3 5 7 8 7 4 5 2 20 10 15 25 12 20 25 30 20 25 10 15 20 25 20 15 10 18 10 25 15 3 ΔUн, В 0,1 0,2 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,1 0,1 0,1 0,2 0,15 0,3 0,3 ΔUвх, В 3 4 5 - ΔUвх, В 15 27 35 70 8 15 20 № варианта Uн, В Iнmin, А Iнmax, А Kст 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 20 24 27 30 48 60 80 100 10 12,6 18 25 32 36 40 3 4 5 6 9 12 15 20 24 27 30 48 60 80 100 3 4 5 6 9 12 0,2 0,2 0,1 0,1 0,1 0,05 0,1 0,05 0,8 0,1 1,5 0,5 0,2 0,6 0,2 0,2 0,05 0,1 0,1 0,05 0,1 0,05 2 3 1 0,2 1 0,3 0,5 0,2 0,2 0,1 0,1 0,2 0,05 0,1 4 1 2 1 1 0,5 0,5 0,7 2 0,5 3 2,5 1,5 1,6 1 1 1 0,5 0,3 5 7 8 7 4 5 2 4 1 2 1 1 0,5 0,5 0,7 2 0,5 20 20 15 25 10 30 20 15 30 25 20 15 25 20 25 25 30 20 25 10 15 20 25 20 15 10 18 10 25 15 20 20 15 25 10 30 4 Продолжение таблицы 1 ΔUн, ΔUвх, В ΔUвх, В 0,35 0,4 0,5 0,5 0,6 0,6 0,7 0,7 0,5 0,3 0,2 0,4 0,4 0,5 0,3 0,2 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,1 0,1 0,1 0,2 0,15 0,3 0,3 0,35 3 5 7 10 5 7 5 3 В 8 15 - Окончание таблицы 1 № варианта Uн, В Iнmin, А Iнmax, А Kст 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 15 20 24 27 30 48 60 80 100 10 12,6 18 0,1 0,05 0,1 0,05 2 3 1 0,2 1 0,3 0,5 0,2 3 2,5 1,5 1,6 1 2 1 1 0,5 0,5 0,7 2 20 15 30 25 20 15 25 20 10 30 20 15 ΔUн, В 0,4 0,5 0,5 0,6 0,6 0,7 0,7 0,5 0,3 0,2 0,4 0,4 ΔUвх, В 3 - ΔUвх, В 20 - 3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СОДЕРЖАНИЮ ИОФОРМЛЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ В рамках контрольной работы выполняется расчет компенсационного стабилизатора напряжения. Расчет выполняется для типовой схемы, обоснованной в методических указаниях. Работа предполагает выполнение выбора всех элементов схемы, их взаимное согласование. Оформление контрольной работы начинается с варианта задания. Далее приводится схема стабилизатора, выполненная по правилам ЕСКД. Расчет должен содержать все необходимые комментарии по выбору элементов. Фрагменты расчета должны быть логически связаны. Контрольная работа выполняется на стандартных листах белой бумаги формата А4 в машинописном варианте объемом не более 20 страниц. В конце контрольной работы следует оставить 1 чистый лист для рекомендаций и исправлений преподавателя. Текст должен быть исполнен на одной стороне листа с использованием текстового редактора (Microsoft Word, Open Office), шрифт – «Times New Roman», размер шрифта – пт14, межстрочный интервал – полуторный, размеры полей: левое поле – 30 мм, правое поле – 10 мм, верхнее по5 ле – 20 мм, нижнее поле – 20 мм. Текст пояснений контрольной работы должен содержать ссылки на источники информации. Контрольная работа сдается в деканат или на кафедру и проверяется преподавателем. Если работа не зачтена, то она отдается студенту на исправление замечаний. Без выполненной контрольной работы студенты не допускаются к экзамену. Исправленная контрольная работа сдается на кафедру для повторной проверки исправлений. 4. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ Цельработы: освоитьметодику расчета компенсационного стабилизатора напряжения. Ряд потребителей постоянного тока требует для нормальной работы стабильного напряжения, в то время как источник питания выдает нестабильное. Устройство, выполняющее функцию поддержания напряжения на потребителе на постоянном уровне, называется стабилизатором. Если потребитель небольшой мощности и потребляет токи порядка десятков миллиампер, то применяется простой параметрический стабилизатор. При значительной потребляемой мощности применяются различные типы стабилизаторов, одной из разновидностей которых являются компенсационные стабилизаторы. 4.1 СИНТЕЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ КОМПЕНСАЦИОННОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ Для цепи источника постоянного тока с нагрузкой справедлив закон Ома: 𝐸𝐸 = 𝐼𝐼(𝑅𝑅н + 𝑟𝑟) = 𝐼𝐼 ∙ 𝑅𝑅н + 𝐼𝐼 ∙ 𝑟𝑟 = 𝑈𝑈н + 𝐼𝐼 ∙ 𝑟𝑟 (1) где Е - э.д.с. источника; I - ток в цепи; 𝑅𝑅н - сопротивление нагрузки; 𝑈𝑈ннапряжение на нагрузке; r - внутреннее сопротивление источника. При возрастании тока I в цепи увеличивается падение напряжения на внут- реннем сопротивлении I·r, поэтому напряжение на нагрузке UH падает: (2) 𝑈𝑈н = 𝐸𝐸 − 𝐼𝐼 ∙ 𝑟𝑟 Вместе с тем многие потребители требуют для нормальной эксплуатации постоянного напряжения UHдаже при изменении нагрузки. Кроме того, 6 ЭДС питающего источника Е сама может быть нестабильной. Отсюда возникает задача поддержания напряжения UH на постоянном уровне. Эту задачу выполняет устройство, называемое стабилизатором. Стабилизаторы отличаются друг от друга рядом параметров. При классификации стабилизаторы делятся на стабилизаторы тока и напряжения, стабилизаторы постоянного и переменного напряжения, стабилизаторы параллельного и последовательного действия, стабилизаторы непрерывного и импульсного регулирования. В практике широкое распространение получили стабилизаторы напряжения непрерывного действия последовательного типа. Их принцип действия поясняется следующей простейшей моделью (рис. 1). RP IH UВХ RH Рис. 1. Электромеханическая модель стабилизатора Согласно рисунку последовательно с нагрузкой RHвключен регулирующий резистор RР. При этом входное напряжение Uвх перераспределяется между RH и RР. Для последовательного соединения 𝑈𝑈вх = 𝑈𝑈н + 𝑈𝑈р , 𝑈𝑈н = 𝑈𝑈вх − 𝑈𝑈р , 𝑈𝑈н = 𝑈𝑈вх − 𝐼𝐼 ∙ 𝑅𝑅р (3) Необходимо, чтобы 𝑈𝑈Н = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐.При 𝑈𝑈ВХ = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐это возможно, если 𝐼𝐼 ∙ 𝑅𝑅р = 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐. Это значит, если ток нагрузки IH растет, то сопротивление RРдолжно уменьшаться и наоборот. Следовательно, стабилизация напряжения на нагрузке осуществляется регулированием сопротивления RР. При быстрых изменениях нагрузки механический регулятор RР не успевает их отслеживать. Поэтому механический регулятор заменяют на электронный, роль которого выполняет транзистор, называемый регулирующим (РТ).Регулирующий транзистор требует не механического воздействия, а электрическогоуправляющего сигнала, формируемого схемой управления СУ (рис. 2). 7 IH V1 (РТ) + UВХ RH СУ Рис. 2. Упрощенная модель стабилизатора Схема управления должна формировать управляющее воздействие в зависимости от величины отклонения ΔU текущего напряжения на нагрузкеUН от заданного напряжения UЗ: (4) ∆𝑈𝑈 = 𝑈𝑈н − 𝑈𝑈з Для формирования (задания) заданного напряжения UЗ в составе стабилизатора должен быть задатчик, иначе, источник опорного напряжения. Такой источник обычно выполняется по основе параметрического стабилизатора на опорном диоде. В составе схемы параметрический стабилизатор выполнен на основе балластного резистора Rб и стабилитрона V2. Для питания параметрического стабилизатора удобно использовать источник входного напряжения Uвх. Включение параметрического стабилизатора показано на (рис. 3). + V1 (РТ) Rб UВХ V2 IH RH СУ Рис. 3. Параметрический стабилизатор в составе схемы управления В качестве текущего значения напряжения UH можно использовать само это напряжение или его часть k·UH , т.е. величину, пропорциональную UH. Для этого в схеме применяют делитель выходного напряжения на резисторах Rд1, Rд2 (рис. 4). Делитель напряжения в составе схемы выполняет функцию измерительного преобразователя выходного напряжения. 8 V1 (РТ) + Rд1 Rб UВХ IH UЗ RH k·UH Rд1 СУ V2 - Рис. 4. Включение делителя напряжения в состав стабилизатора Сравнение заданного напряжения UЗ и текущего 𝑘𝑘 ∙ 𝑈𝑈Н выполняется на элементе сравнения, роль которого выполняется транзистором усилителя рассогласования УР (V2). Включение V2 показано на (рис. 5). При этом напряжение задатчика подается в цепь эмиттера транзистора, а текущее напряжение - в цепь базы. Сравнение выполняется на переходе транзистора база-эмиттер. В коллекторную цепь транзистора включается нагрузочное сопротивление RK, в результате транзистор выполняет функцию усилителя рассогласования УР заданного и текущего напряжений. Сигнал рассогласования ∆𝑈𝑈 = 𝑈𝑈З − 𝑘𝑘 ∙ 𝑈𝑈Н подается на базу регулирующего транзистора РТ. Все описанные элементы образуют автоматическую схему управления регулирующего транзистора V1. + UВХ - Rк Rб V2 IH V1 ( ) V2 ( ) Rд1 RH Rд1 СУ Рис. 5. Схема компенсационного стабилизатора (пунктиром выделена схема управления регулирующего транзистора V1) Синтезированная схема стабилизатора (рис. 5) включает в себя основные узлы стабилизатора в простейшем виде. Фактически каждый описанный функциональный узел может быть как сложнее, так и проще. Например, регулирующийтранзистор может быть составным, усилитель рассогласованиямногокаскадным на транзисторах или операционном усилителе. В полученной схеме регулирующий транзистор должен компенсировать все изменения входного напряжения UВХ и все изменения сопротивления нагрузки RH. Если входное 9 напряжение возрастает, то это приводит к возрастанию UH. Тогда составляющая напряжения k·UH приводит к приоткрыванию транзистора рассогласования УР. При открывание означает уменьшение потенциала коллектора УР, а значит, и потенциала базы РТ. В результате регулирующий транзистор РТ частично закрывается, падение напряжения на нем увеличивается на величину ΔUРТ. При полной компенсации возрастание падения напряжения ΔUРТ на РТ в точности равно возрастанию напряжения на входе ΔUВХ. При уменьшении UВХ регулирующий транзистор приоткрывается, падение напряжения на нем уменьшается, а напряжение на нагрузке остается неизменным. Полученной конкретной электрической схеме (рис. 5) соответствует следующая обобщенная структурная схема стабилизатора напряжения (рис. 6). Источник (UВХ) UВХ РЭ (РТ) RH UН kу ·ΔU УР (усилитель) UН И (измеритель) ΔU = kи·UН – UЗ UОП (источник оп. напряжения) UОП = UЗ kи·U ЭС (эл. сравн.) Рис. 6. Структурная схема компенсационного стабилизатора Рисунки 5 и 6 определяют состав функциональных узлов стабилизатора. Далее можно обосновать выбор этих узлов, требования к элементам узлов и методику их расчетов. 4.2 ВЫБОР РЕГУЛИРУЮЩЕГО ТРАНЗИСТОРА Выбор регулирующего транзистора РТ (регулирующего элемента РЭ) определяется требованиями к выходным параметрам стабилизатора: напряжению на нагрузке UH и току в нагрузкеIH. 10 Регулирующий транзистор включается последовательно с нагрузкой, поэтому𝐼𝐼К ≈ 𝐼𝐼Э ≈ 𝐼𝐼Н . Транзистор характеризуется максимально допустимым током коллектора Iк.max. Для надежной работы РТ необходимо, чтобы 𝐼𝐼Н = (0,5 − 0,7) ∙ 𝐼𝐼К 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 . Ток нагрузки IH, проходя по РТ, приводит к паде- нию напряжения на транзисторе UКЭ. Для обеспечения регулирующих свойств транзистора необходимо, чтобы падение напряжения на транзисторе UКЭ превышало напряжение насыщения UКЭнас. С другой стороны, это падение напряжения не должно превышать максимально допустимого напряжения на транзисторе UКЭmax. Таким образом, должно выполняться условие: 𝑈𝑈КЭнас < 𝑈𝑈КЭ < 𝑈𝑈КЭ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Для повышения надежности работы транзистора падение напряжения на транзисторе должно удовлетворять условию: (5) (𝑈𝑈КЭнас + 2В) < 𝑈𝑈КЭ < 𝑈𝑈КЭ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 В процессе работы транзистор нагревается, на нем рассеивается мощность𝑃𝑃К = 𝐼𝐼Н ∙ 𝑈𝑈КЭ . Эта мощность не должна превышать максимально допустимую мощность рассеяния коллектора (6) 𝑃𝑃К < 𝑃𝑃К𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 Для повышения надежности и обеспечения экономичности стабилизатора величина РК должна быть как можно меньше. Нижний предел рассеиваемой мощности определяется минимально допустимым напряжением на транзисторе: 𝐼𝐼н ∙ (𝑈𝑈КЭнас + 2) < 𝑃𝑃К𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 (7) При значительных мощностях рассеивания регулирующий транзистор крепится на радиаторе. Проводя анализ всех приведенных условий, можно выполнить выбор регулирующего транзистора. Выбрав транзистор, можно определить требования к управляющему току транзистораIБ. Коэффициент передачи выбранного транзистора h21определяется по справочнику, тогда можно вычислить ток базы 11 𝐼𝐼Б = 𝐼𝐼н (8) ℎ21Э Если ток нагрузки IH является номинальным и допускает изменения ΔIH, то можно определить величину изменения тока базы ∆𝐼𝐼Б = ∆𝐼𝐼н (9) ℎ21Э Величины IБ и ΔIБ должны быть обеспечены схемой управления, ее усилителем сигнала рассогласования. Схема управления является маломощной, управляющий ток составляет единицы или десятки миллиампер. В то же время для мощных транзисторов IБ составляет значение от десятков миллиампер до единиц ампер. Это значит, необходимо согласовывать величины токов схемы управления и токов базы регулирующего транзистора. Для согласования токов IКиIБ регулирующий транзистор может быть выбран составным (рис. 7). Коэффициент передачи составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи транзисторовℎ21РЭ ≈ ℎ21Т1 ∙ ℎ21Т2. Даже при зна- чении ℎ21 ≈ 20 значение ℎ21РЭ = 20 ∙ 20 = 400. Удобно применять составные транзисторы в одном корпусе типа КТ827А, КТ829. В частности,h21 для транзистора КТ827А составляет величину от 750 до 18000. При таких значениях h21РЭ обеспечить необходимый ток управления РТ от схемы управления очень просто. РТ V1 К Э V2 Б Рис. 7. Составной транзистор в качестве регулирующего элемента Выбор транзистора регулирующего элемента позволяет определить требования к источнику входного напряжения: 𝑈𝑈ВХ = 𝑈𝑈Н + 𝑈𝑈РЭ = 𝑈𝑈Н + 𝑈𝑈КЭнас + 2В 12 (10) Ток источника входного напряжения 𝐼𝐼ВХ = 𝐼𝐼Н + 𝐼𝐼У, где𝐼𝐼У- ток цепей управления стабилизатора. Обычно𝐼𝐼У ≪ 𝐼𝐼Н, поэтому 𝐼𝐼ВХ ≈ 𝐼𝐼Н. 4.3 ВЫБОР ИСТОЧНИКА ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ Источник опорного напряжения выполняется как параметрический стабилизатор на полупроводниковом стабилитроне (опорном диоде). Он должен обеспечить стабильное напряжение при малом токе нагрузки. Основная схема включения приводится на (рис. 8). + RБ IСТ Vст UВХ IH R Рис.8. Схема параметрического стабилизатора напряжения Напряжение на нагрузке RHСТ параметрического стабилизатора поддерживается равным напряжению стабилизации UСТ стабилитрона. Ток стабилизации стабилитрона IСТ выбирается из условия: 𝐼𝐼СТ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 < 𝐼𝐼СТ < 𝐼𝐼СТ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 , где𝐼𝐼СТ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 –минимальный ток стабилизации стабилитрона; 𝐼𝐼СТ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 – максимальный ток стабилизации. Для практических случаев принимают: 𝐼𝐼СТ = 0,5 ∙ (𝐼𝐼СТ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 − 𝐼𝐼СТ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ) Ток нагрузкиIHвыбирается из условия: 𝐼𝐼Н = (0,5 ÷ 1) ∙ 𝐼𝐼СТ Допустимое сопротивление нагрузки: 𝑈𝑈СТ 𝑅𝑅НСТ = (0,5 ÷ 1) ∙ 𝐼𝐼СТ По выбраннымIСТ и IН определяется ток балластного резистора RБ: 𝐼𝐼Б = 𝐼𝐼СТ + 𝐼𝐼Н 13 (11) Падение напряжения на нагрузочном резисторе 𝑈𝑈Б = 𝑈𝑈ВХ − 𝑈𝑈СТ ,а по закону Ома напряжение 𝑈𝑈𝑅𝑅б = 𝐼𝐼Б ∙ 𝑅𝑅Б , тогда: 𝐼𝐼Б ∙ 𝑅𝑅Б = 𝑈𝑈ВХ − 𝑈𝑈СТ , откуда𝑅𝑅Б = 𝑈𝑈ВХ −𝑈𝑈СТ 𝐼𝐼Б . С учетом выражения (11) сопротивление балластного резистора: 𝑅𝑅Б = 𝑈𝑈ВХ −𝑈𝑈СТ (12) 𝐼𝐼СТ +𝐼𝐼Н Мощность рассеяния балластного резистора 𝑃𝑃𝑅𝑅б = 𝐼𝐼Б ∙ 𝑈𝑈Б . Для надеж- ной работы резистор RБ выбирается с такой номинальной мощностью РНОМ , чтобы выполнялось условие 𝑃𝑃Н = (1,5 ÷ 2) ∙ 𝑃𝑃𝑅𝑅б . Таким образом, определяются все параметры балластного резистора, рабочие значения тока стабилиза- ции IСТ и тока нагрузки IН. При включении источника опорного напряжения в работу в составе стабилизатора ток стабилитрона должен включать в себя ток эмиттера транзистора усилителя постоянного тока (УР). Для схемы (рис. 5) 𝐼𝐼СТ = 𝐼𝐼𝑅𝑅б + 𝐼𝐼Э . При этом ток стабилитрона IСТ не должен превышать при всех изменениях режимов работы максимально допустимый ток стабилитрона: (13) 𝐼𝐼СТ < 𝐼𝐼СТ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 4.4 РАСЧЕТ ДЕЛИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ Источником текущего значения напряжения служит делитель напряжения. Сопротивление делителя𝑅𝑅Д = 𝑅𝑅Д1 + 𝑅𝑅Д2 выбирается так, чтобы ток делителя IД в десять-двадцатьраз превышал ток базы транзистора УР. 𝐼𝐼Д = (10 ÷ 20) ∙ 𝐼𝐼Б2 Так как 𝐼𝐼Б2 = 𝑅𝑅Д = 𝑈𝑈Н ∙ℎ21 𝐼𝐼К2 Усилитель , то𝐼𝐼Д = (10 ÷ 20) ℎ21 (10÷20)∙𝐼𝐼К2 (14) рассогласования 𝐼𝐼К2 ℎ21 УР и тогда (15) должен сравнивать опорное напряжениеUСТ и текущее UН. Они должны быть близкими по величине. Если напряжение 𝑈𝑈Н > 𝑈𝑈СТ , то делитель напряжения должен обеспечить выполнение условия𝑘𝑘Д ∙ 𝑈𝑈Н ≈ 𝑈𝑈СТ, а точнее𝑘𝑘Д ∙ 𝑈𝑈Н ≈ 𝑈𝑈СТ + 𝑈𝑈ЭБ2. Тогда: 14 𝑘𝑘Д = 𝑈𝑈СТ +𝑈𝑈ЭБ2 𝑈𝑈Н , с другой стороны по определению𝑘𝑘Д = 𝑅𝑅 Д2 𝑅𝑅 Д1 +𝑅𝑅 Д2 = 𝑅𝑅 Д2 𝑅𝑅 Д (16) Так как коэффициент деления kД определен, сопротивление делителя RД вычислено, то сопротивления резисторов делителя: 𝑅𝑅Д2 = 𝑘𝑘д ∙ 𝑅𝑅Д а 𝑅𝑅Д1 = 𝑅𝑅д − 𝑅𝑅Д2. Для вычисленных значений RД1 и RД2 выбирают ближайшие значения по номинальному ряду, уточняют мощность рассеяния, выбирают конкретный тип резисторов. Из формулы 𝑘𝑘Д ∙ 𝑈𝑈Н = 𝑈𝑈СТ − 𝑈𝑈ЭБ2 следует, что 𝑈𝑈Н = 𝑈𝑈СТ +𝑈𝑈ЭБ2 𝑘𝑘Д . (17) Тогда из уравнения (17) следует, что если UСТ и UЭБ2 постоянные, то выходное напряжение на нагрузке UН можно менять, изменяя kД. Отсюда вытекает способ регулирования выходного напряжения с помощью переменного резистора в цепи делителя напряжения. При этом делитель напряжения обычно составляется из трех элементов RД1,RД2, RД3по следующей схеме: RД1 RД2 RД3 Рис. 9. Схема делителя напряжения с регулируемым коэффициентом передачи Сопротивление делителя в целом должно удовлетворять тому же условию (15): 𝑅𝑅Д = 𝑅𝑅Д1 + 𝑅𝑅Д2 + 𝑅𝑅Д3 = 𝑈𝑈Н ∙ℎ21 (10÷20)∙𝐼𝐼К2 , (18) где IК2 - ток коллектора транзистора УР. Пусть напряжение стабилизатора UН должно изменяться от UНmin до UНmax. При напряжении UНmax коэффициент деления имеет минимальное значение 𝑘𝑘Д𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑈𝑈СТ +𝑈𝑈ЭБ2 , (19) 𝑘𝑘Д𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑈𝑈СТ +𝑈𝑈ЭБ2 (20) и наоборот 𝑈𝑈Н 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑈𝑈Н 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 , 15 Минимальному коэффициенту kДmin соответствует случай, когда резистор RД2 полностью выведен и регулируемое напряжение снимается сRД3, причем: 𝑘𝑘Д 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑅𝑅 Д3 𝑅𝑅 Д → 𝑅𝑅Д3 = 𝑘𝑘Д 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ 𝑅𝑅Д. (21) При максимальном коэффициенте деления напряжение снимается с RД2и RД3, то есть 𝑘𝑘Д𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑅𝑅 Д2 +𝑅𝑅 Д3 𝑅𝑅 Д , (22) следовательно, ограничительное сопротивление RД1 определяется из условия: (23) 𝑅𝑅Д1 = 𝑅𝑅Д ∙ 𝑘𝑘Д 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑅𝑅Д (1 − 𝑘𝑘Д 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ). По вычисленным значениям RД1,RД2, RД3выбираются ближайшие по номинальному ряду, вычисляется их мощность и выбирается тип резисторов. Включение в состав делителя резистораRД1требует выполнения условия𝑈𝑈Н ≫ 𝑈𝑈Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 .В частном случае резистор RД1 может быть исключен из схемы. 4.5 РАСЧЕТ УСИЛИТЕЛЯ РАССОГЛАСОВАНИЯ Было отмечено, что усилитель рассогласования УР должен сравнивать опорное напряжение UСТ и текущее UН. На выходе он должен обеспечивать ток управления регулирующего транзистора. Для этого необходимо правильно выбрать нагрузочный резистор RКусилителя и транзистор УР по коэффициенту передачи h21, току IК2 и т.д. Основные параметры можно определить по фрагменту схемы (рис. 10). IН V1 (РТ) IБ1 RК IRk IК2 V2 (УР) Rд1 Rд2 Рис. 10. К расчету элементов усилителя рассогласования 16 Пусть минимальный ток нагрузки IНmin, максимальный ток IНmax, а изменение тока ∆𝑈𝑈Н = 𝐼𝐼Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 − 𝐼𝐼Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚.Управляющий ток базы регулирующего транзистора изменяется от𝐼𝐼Б1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝐼𝐼𝐻𝐻 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ℎ21 𝑉𝑉1 (24) и ДО 𝐼𝐼Б1 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝐼𝐼𝐻𝐻 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 +∆𝐼𝐼𝐻𝐻 ℎ21 𝑉𝑉1 = 𝐼𝐼Б1 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 + ∆𝐼𝐼Б1 (25). Эти токи должны обеспечиваться протеканием по резистору RК (рис. 10) даже при минимальном напряжении на регулирующем транзисторе. Напряжение на нем минимально, когда напряжение на нагрузке максимально, то есть 𝑈𝑈ЭК1 = 𝑈𝑈ВХ − 𝑈𝑈Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 , тогда 𝑅𝑅 ≈ 𝑈𝑈ВХ −𝑈𝑈Н 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐼𝐼Б1 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 +∆𝐼𝐼Б1 . (26) В этой ситуации транзистор V2 практически закрыт и ток по нему не течет. Если нагрузка, а значит,и ток IH падают, то изменение тока базы ΔIБ1должно ответвляться в цепь коллектора V2. Это значит, транзистор УР должен работать так, чтобы обеспечить выполнение условия ∆𝐼𝐼Б1 = 𝐼𝐼К2 . По полученному значению IК2выбирается транзистор УР. Если ранее были определены токи делителя, а значит, и базы V2 (0,1·IД), то можно определить коэффициент передачи h21 для транзистора V2. Выбираемый транзистор должен быть проверен: - по максимально допустимому току 𝐼𝐼К2 ≤ (0,5 ÷ 0,7) ∙ 𝐼𝐼К𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ; (27) - по мощности 𝑃𝑃К2 = (𝑈𝑈ВХ − 𝑈𝑈СТ ) ∙ 𝐼𝐼К2 ≤ (0,5 ÷ 0,7) ∙ 𝑃𝑃К𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 (28) - по напряжению 𝑈𝑈К2 = (𝑈𝑈ВХ − 𝑈𝑈СТ ) ≤ (0,5 ÷ 0,7) ∙ 𝑈𝑈К𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 (29) Если хоты бы по одному параметру транзистор не проходит, то следует выбрать другой. 4.6 КОЭФФИЦИЕНТ СТАБИЛИЗАЦИИ СТАБИЛИЗАТОРА Стабилизация выходного напряжения UH стабилизатором не может выполняться абсолютно точно. Она выполняется с ошибкой ΔUН. Эта величина может 17 служить количественной характеристикой процесса стабилизации. Однако при разных значениях UH одна и та же ошибка ΔUHне может служить сравнительной характеристикой разных стабилизаторов. Для сравнения изменение напряжения ∆𝑈𝑈 характеризуется относительной величиной 𝑈𝑈Н . Очевидно, что изменение напряжения на выходе определяется изменением напряжения на входе ∆𝑈𝑈ВХ ΔUВХ. Относительное изменение напряжения на входе 𝑈𝑈ВХ . Чем больше от- личается относительное изменение напряжения на входе от изменения напряжения на выходе, тем эффективнее работает стабилизатор. Поэтомуэффективность стабилизатора можно характеризовать коэффициентом стабилизации kСТ , который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на нагрузке меньше вызывавшего его относительного изменения напряжения на входе стабилизатора. По определению 𝑘𝑘СТ = ∆𝑈𝑈ВХ 𝑈𝑈ВХ ∆𝑈𝑈Н 𝑈𝑈Н = ∆𝑈𝑈ВХ ∙𝑈𝑈Н 𝑈𝑈ВХ ∙∆𝑈𝑈Н = ∆𝑈𝑈ВХ ∆𝑈𝑈Н ∙ 𝑈𝑈Н (30) 𝑈𝑈ВХ Коэффициент стабилизации характеризует стабилизатор, поэтому определяется его внутренними параметрами. Для выяснения такой взаимосвязи стабилизатор следует рассматривать как систему автоматического регулирования, а структурную схему(рис.6) следует привести к стандартному видутеории автоматического управления (рис. 11). ΔUВХ kпр ΔUбц ΔUРЭ kР РЭ ΔUУ = ΔUОС ΔUН kД ΔUИ (УПТ) kД ·U UОП UОП ИЭ Рис. 11. Стабилизатор напряжения как система автоматического регулирования 18 При разомкнутой цепи обратной связи ∆𝑈𝑈Н = 𝑘𝑘𝑝𝑝 ∙ ∆𝑈𝑈ВХ . Для замкну- той цепи с обратной связью отдельным звеньям соответствуют следующие уравнения: ∆𝑈𝑈Н = 𝑘𝑘𝑝𝑝 ∙ (𝑈𝑈ВХ − 𝑈𝑈ОС ) = 𝑘𝑘𝑝𝑝 ∙ ∆𝑈𝑈ВХ � 𝑈𝑈Д = 𝑘𝑘Д ∙ 𝑈𝑈Н ∆𝑈𝑈У = 𝑘𝑘У ∙ ∆𝑈𝑈Н Решая систему, получим: ∆𝑈𝑈Н = 𝑘𝑘𝑝𝑝 ∙ (𝑈𝑈ВХ − 𝑘𝑘У ∙ 𝑈𝑈ИЭ) = 𝑘𝑘𝑝𝑝 ∙ �𝑈𝑈ВХ − 𝑘𝑘У ∙ 𝑘𝑘Д ∙ 𝑈𝑈ИЭ�. Для большинства практических случаев𝑘𝑘У ∙ 𝑘𝑘Д ∙ 𝑘𝑘𝑝𝑝 ≫ 1, поэтому ∆𝑈𝑈Н = 1 𝑘𝑘У ∙𝑘𝑘Д ∙ ∆𝑈𝑈ВХ . Следовательно, чем больше коэффициент усиления УР и коэффици- ент деления делителя напряжения, тем меньше изменение выходного напряжения ΔUH, тем оно стабильнее. Так как по определению 𝑘𝑘СТ = 𝑘𝑘СТ = ∆𝑈𝑈ВХ ∆𝑈𝑈Н ∙ 𝑈𝑈Н 𝑈𝑈ВХ ∆𝑈𝑈ВХ 1 ∙∆𝑈𝑈ВХ 𝑘𝑘У ∙𝑘𝑘Д , то с учетом последнего выражения: ∙ 𝑈𝑈Н 𝑈𝑈ВХ = 𝑘𝑘У ∙ 𝑘𝑘Д ∙ 𝑈𝑈Н 𝑈𝑈ВХ . Так как 𝑈𝑈Н = 𝐼𝐼Н ∙ 𝑅𝑅Н , а 𝑈𝑈ВХ = 𝐼𝐼ВХ ∙ (𝑅𝑅Н + 𝑅𝑅ЭК), то учитывая, что 𝐼𝐼ВХ ≈ 𝐼𝐼Н , получим: 𝑘𝑘СТ = 𝑘𝑘У ∙ 𝑘𝑘Д ∙ 𝑅𝑅 Н . 𝑅𝑅 Н +𝑅𝑅 ЭК Отсюда следует, что коэффициент стабилизации kСТ максимален, если RЭК имеет минимальное значение. Это определяет требования к регулирующему транзистору. Однако определение выходного сопротивленияRЭК транзистора представляет определенные трудности при вычислении. Поэтому целесообразнее определять коэффициент стабилизации экспериментально. Все изложенное представляет собой минимум сведений для понимания работы стабилизатора и расчета его основных элементов. Оно не охватывает весь спектр способов построения стабилизаторов, но вместе с тем 19 закладывает базу, которая позволяет наращивать объем знаний, совершенствовать методы расчета. Как правило, усвоение теоретических сведений наилучшим образом происходит в практической работе при выполнении расчетов. Поэтому для наработки навыков расчетов ниже приводятся примеры расчетов некоторых стабилизаторов. 5. ПРИМЕРЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ Пример1. Рассчитать компенсационный стабилизатор напряжения со следующими исходными данными: - номинальное напряжение стабилизации стабилизатора UH= 15В; - нестабильность напряжения стабилизации по входному напряжению ΔUH = 0,2В; - номинальный ток нагрузки 1Н = 2А; - пределы изменения тока нагрузки IНmax= 3 А, 1Нmin = 1 А; - коэффициент стабилизации по входному напряжению Кст= 10; - температура окружающей среды TCmax=40° С. В качестве основной схемы построения стабилизатора выбирем схему по рис.5. Расчет начинаем с выбора регулирующего транзистора РЭ (V1). Для него: 𝐼𝐼К ≈ 𝐼𝐼Н = (0,5 ÷ 0,7) ∙ 𝐼𝐼К𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 → 𝐼𝐼К𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = ( 𝐼𝐼Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 0,5÷0,7 ) = При коэффициенте нагрузки 0,5 ток транзистора𝐼𝐼К𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 3А . (0,5÷0,7) 3 0,5 = 6А, а напряже- ние 𝑈𝑈КЭ = 𝑈𝑈Н + 𝑈𝑈КЭнас + 2 → 𝑈𝑈КЭ − 𝑈𝑈КЭнас = 𝑈𝑈Н + 2 = 15 + 2 = 17В. По справочнику таким параметрам удовлетворяет транзистор КТ829Г.Для него: UКЭmax = 45B; IKmax=8A; UКЭнас =2В; РКmах=60Вт. Расчетный максимальный ток транзистора меньше максимально допустимого(6А < 8А), следовательно, выбранный транзистор удовлетворяет требованиям по току. 20 С учетом напряжения насыщения значение𝑈𝑈КЭ − 2 = 17В, тогда рас- четное напряжение UKЭ = 19 B. На основе (29) и полученного значения UKЭ находим максимально допустимое напряжение UКЭmax: 𝑈𝑈КЭ ≤ 0,7 ∙ 𝑈𝑈КЭ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 → 𝑈𝑈КЭ𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ≥ 𝑈𝑈КЭ 0,7 = 19В 0 ,7 ≈ 27В < 45В, то есть проверка подтверждает правильный выбор транзистора по напряжению. Мощность рассеяния на транзисторе: 𝑃𝑃К = 𝐼𝐼К𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ (𝑈𝑈КЭнас + 2) = 3А ∙ (2В + 2В) = 12Вт, так как𝑃𝑃К < 0,7 ∙ 𝑃𝑃К𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 , то 𝑃𝑃К𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 > 𝑃𝑃К 0,7 = 12Вт 0,7 ≈ 17Вт < 60Вт, т.е. транзи- стор с большим запасом удовлетворяет требованию по мощности. Таким образом, выбранный транзистор обеспечивает все требуемые показатели. Коэффициент передачи транзистора по справочнику h21 ≥ 750. Тогда ток базы транзистора: 𝐼𝐼Б1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝐼𝐼Б1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝐼𝐼Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ℎ21𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝐼𝐼Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 +∆𝐼𝐼Н ℎ21𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 1А 750 = 1,3 ∙ 10−3 А = 1,3мА; = 𝐼𝐼Б1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 + ∆𝐼𝐼Б1 = 1,3мА + 2А 750 = (1,3 + 2,7)мА = 4мА. Максимальный ток базы I6max обеспечивается протеканием тока через резистор RK, причем: 𝑅𝑅К = 𝑈𝑈ВХ −𝑈𝑈Н 𝐼𝐼Б1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚+∆𝐼𝐼Б1 = 𝑈𝑈КЭнас +2 𝐼𝐼Б1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 +∆𝐼𝐼Б1 (2+2 )В 1 ,3+2,7 )∙10 −3 А =( = 4В 4∙10 −3 А = 1 ∙ 103Ом = 1кОм. С учетом влияния всяческих дестабилизирующих факторов фактическое значение RK следует выбрать меньше расчетного, но так как токи управления РЭ IБmin и ΔIБ1 получены при минимальном значении h21, то фактическое значение RK можно выбрать равным расчетному. Мощность рассеяния RK определяется по формуле: 𝑃𝑃К = (𝐼𝐼Б1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 )2 ∙ 𝑅𝑅К = (4 ∙ 10−3 А)2 ∙ 103Ом = 16 ∙ 10−6 ∙ 103 Вт = 0,016Вт; 𝑃𝑃К = 0,016Вт < 0.125Вт, поэтому выбираем по справочнику резистор типа ОМЛТ – 0,125 (или С233Н-0,125) с допуском на номинальное значение ± 5 %. 21 Ток ΔIБ должен быть обеспечен коллекторной цепью усилителя рассогласования, т.е.𝐼𝐼К2 ≥ 𝐼𝐼Б1 ≈ 2,7мА. В момент переходных процессов при включении к цепи коллектор-эмиттер транзистора V2 может прикладываться все входное напряжение стабилизатора, поэтому 𝑈𝑈КЭ2𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ≈ 𝑈𝑈ВХ = 19В. С учетом коэффициентов запаса по значениям IК2 ≈ 2,7мА и UKЭ2max=19В можно выбрать по справочнику транзистор УР. Таким значениям удовлетворяют большинство маломощных транзисторов. Выбираем распространенный КТЗ15Г. Для него по справочнику: Iкmax= 100 мА≫2,7мА; UKЭmax=35B>19B; РКvax=150мВт; h21=50...350. Расчетная мощность рассеяния транзистора 𝑃𝑃К2 = (𝑈𝑈ВХ − 𝑈𝑈Н ) = 4В ∙ 2,7 ∙ 10−3 А = 10,8 ∙ 10−3 = 11мВт ≪ 150мВт. В итоге выбранный транзистор удовлетворяет всем расчетным пара- метрам. Для минимального значения h21minопределим ток базы транзистора УР: ℎ12𝑉𝑉2 = ∆𝐼𝐼К2 ∆𝐼𝐼Б2 = ∆𝐼𝐼Б1 ∆𝐼𝐼Б2 → ∆𝐼𝐼Б2 = ∆𝐼𝐼Б1 ℎ21 = 2,7мА 50 Тогда ток делителя выходного напряжения: = 0,054мА. 𝐼𝐼Д = (10 ÷ 20) ∙ ∆𝐼𝐼Б2 ≈ (0,54 ÷ 1,08)мА. Выбираем IД= 0,5мА. Следо- вательно: 𝑅𝑅Д = 𝑈𝑈Н 𝐼𝐼Д = 15В 0,5∙10 −3 А = 30 ∙ 103 Ом = 30кОм. Для определения значений сопротивлений RД1 и RД2 необходимо выбрать стабилитрон источника опорного напряжения. При напряжении UH=15B для выбранной схемы стабилизатора напряжение стабилизации стабилитрона 𝑈𝑈СТ < 15В. ПО справочнику данному условию удовлетворяют множество стабилитронов. Выбираем стабилитрон КС168 А, для которого: UCT =6,8B; ICТ = 10 мА;ICТmin=3 мА; IСТmax=45мА;РСТ max=0,3Вт. Для выбранной схемы 𝐼𝐼СТ = 𝐼𝐼𝑅𝑅б + 𝐼𝐼Э2 .𝐼𝐼Э2 ≈ 𝐼𝐼К2 = 2,7мА. При реко- мендуемомсправочником значении тока стабилитрона IСТ =10мА ток рези22 стора𝐼𝐼𝑅𝑅б = 10 − 2,7 = 7,3мА. Тогда 𝑅𝑅Б = 𝑈𝑈ВХ −𝑈𝑈СТ 𝐼𝐼𝑅𝑅б = (19−6,8)В 7,3∙10 −3 А Мощность рассеяния: = 12,2 7,3 ∙ 103Ом = 1,67 ∙ 103Ом = 1,67кОм. 𝑃𝑃𝑅𝑅б = 𝐼𝐼𝑅𝑅б ∙ 𝑈𝑈𝑅𝑅б = 7,3мА ∙ (19 − 6,8)В = 7,3 ∙ 12,2 ∙ 10−3 Вт = 89 ∙ 10−3 Вт ≈ 0,09Вт < 0,125Вт. Поэтому можно выбрать резисторы с мощностью рассеяния 0,125Вт. Однако значение 1,67 встречается только для номинального ряда сопротивлений Е192. Поэтому полученное значение можно округлить до величины 1,6 или 1,8 и выбрать резистор из ряда Е24. Ряд Е24 есть для резисторов типа OMЛT, поэтому выбираем резистор 𝑅𝑅б = 1,6кОм ± 5% типа ОМЛТ-0,125(или С2-33Н-0,125). Выполнив выбор стабилитрона, можно вернуться к расчету элементов делителя. Так какUCТ = 6,8B, a UН=15B, тo: 𝑘𝑘Д = 𝑈𝑈СТ +𝑈𝑈ЭБ2 𝑈𝑈Н Так как𝑘𝑘Д = ≈ 𝑅𝑅 Д2 𝑅𝑅 Д Следовательно: 𝑈𝑈СТ 𝑈𝑈Н = 6,8В 15В ≈ 0,45. , то𝑅𝑅Д2 = 𝑘𝑘Д ∙ 𝑅𝑅Д = 0,45 ∙ 30кОм = 13,5кОм. 𝑅𝑅Д1 = 30 − 13,5 = 16,5кОм. Полученные расчетные значения должны быть уточнены по номинальному ряду. Однако значения 16,5 нет даже в ряду Е192. Поэтому выполняем округление и выбираем резисторы из ряда Е24: для значения 13,5 выбираем 13, для значения 16,5 - 16. При этом коэффициент делителя измерительной цепи𝑘𝑘Д = 13 13+16 = 0,448мало отличается от расчетного. Поэтому выбираем резисторы типа ОМЛТ–0,125 (или С2-33Н-0,125), причем: 𝑅𝑅Д2 = 13кОм ± 1%, а 𝑅𝑅Д1 = 16кОм ± 1%. Примечание. Выбор резисторов с точностью ±1% совсем не обязате- лен, достаточно точности ±5%. Дело в том, что резисторы RД2и RД1 рассчитывались исходя из напряжения UCТ =6,8B. Однако данный параметр имеет 23 разброс от UCТmin =6,12B до UCТmax = 7,48B, поэтому в состав делителя целесообразно включить подстроечный резистор, который перекрывал бы разброс параметров ЭРЭ и позволял выполнять регулировку. При этом методика выбора подстроечного резистора ничем не отличается от расчета делителя напряжения для стабилизатора с регулируемым выходным напряжением. Кроме того, в расчете использованы другие упрощения, поэтому введение регулировочного элемента просто необходимо. Коэффициент усиления усилителя рассогласования транзистора V2 имеет значение𝑘𝑘У = ∆𝑈𝑈ВЫХ ∆𝑈𝑈ВХ . Входным напряжением ΔUВХ для усилителя явля- ется нестабильность выходного напряжения на нагрузке ΔUH=0,2B. Изменение выходного напряжения усилителя: ∆𝑈𝑈ВЫХ = ∆𝐼𝐼К2 ∙ 𝑅𝑅К = 2,7 ∙ 10−3 А ∙ 1,6 ∙ 103Ом ≈ 4,3В, тогда𝑘𝑘У = 4,3В 0,2В ≈ 21,6. По вычисленным значениям kУ и kД можно по заданной нестабильности ΔUH определить требования к нестабильности входного напряжения ΔUВХ. Так как∆𝑈𝑈Н = 1,94 ≈ 2В. 1 𝑘𝑘У ∙𝑘𝑘Д ∙ ∆𝑈𝑈ВХ , то ∆𝑈𝑈ВХ = 𝑘𝑘У ∙ 𝑘𝑘Д ∙ ∆𝑈𝑈Н = 0,2 ∙ 21,6 ∙ 0,45 ≈ Таким образом, стабилизатор обеспечивает заданные характеристики на выходе при изменении напряжения на входе стабилизатора на ±2В. Можно поставить обратную задачу: задать параметры нестабильности входного напряжения и по ним определить нестабильность выходного или коэффициент стабилизации. Коэффициент стабилизации стабилизатора: 𝑘𝑘СТ = 𝑘𝑘У ∙ 𝑘𝑘Д ∙ ∆𝑈𝑈Н ∆𝑈𝑈ВХ = 21,6 ∙ 0,45 ∙ 15 19 ≈ 7,7 ≈ 8. Полученный коэффициент стабилизации определяется минимальным значением h21 транзистора УПТ. Фактически он выше, поэтому выше коэффициент стабилизации. Так как заданное значение коэффициента, равное 24 10, мало отличается от расчетного, то пересчет не требуется. Если заданное и расчетное значения отличается существенно, то транзистор УПТ можно выбрать составным или применить операционный усилитель. Пример 2. С целью сокращения части расчетов второй пример частично повторяет заданные параметры первого. Отличие заключается в том, что стабилизатор должен быть регулируемым с диапазоном выходных напряжений от 5В до 15В при тех же остальных заданных параметрах. 1. Далее будем считать, что выбор регулирующего транзистора V1ничем не отличается от предыдущего примера. Однако есть особенность при вычислениях рассеиваемой мощности РКmах и напряжения UКЭmaxна транзисторе РЭ. При 𝑈𝑈Н = 𝑈𝑈Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 напряжение 𝑈𝑈КЭ = 𝑈𝑈ВХ − 𝑈𝑈Н1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 19В − 5В = 14В < 45В, то есть по напряжению транзистор КТ829Г удовлетворяет требованиям с запасом. Мощность рассеяния 𝑃𝑃К = (𝑈𝑈ВХ − 𝑈𝑈Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ) ∙ 𝐼𝐼Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 определяется для наихудших условий, то есть при наибольшем токе нагрузки и наибольшем падении напряжения на РЭ. 𝑃𝑃К = (19 − 5)В ∙ 3А = 14В ∙ 3А = 42Вт < 60Вт. Получили 𝑃𝑃К < 𝑃𝑃К𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 , но коэффициент нагрузки по мощностисостав- ляет 42 : 60=0,7, что соответствует тяжелому режиму работы и требует хорошего охлаждения, применения радиатора и т.д. 2. Пусть ток делителя напряжения IД и общее сопротивление делителя RД прежние (RД = 30 к), то есть 𝑅𝑅Д1 + 𝑅𝑅Д2 + 𝑅𝑅Д3 = 30 к. Так как 𝑘𝑘Д𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑈𝑈СТ +𝑈𝑈ЭБ2 𝑈𝑈Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ≈ 𝑈𝑈СТ 𝑈𝑈Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 , 𝑘𝑘Д𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑈𝑈СТ +𝑈𝑈ЭБ2 𝑈𝑈Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ≈ 𝑈𝑈СТ 𝑈𝑈Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 , то вычис- ление коэффициентов деления требует задания UCT . Для выбираемой схемы напряжение стабилизации стабилитрона 𝑈𝑈СТ < 𝑈𝑈Н = 𝑈𝑈Н𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 5В.Поэтому выбираем стабилитрон КС133А с напряжением стабилизации 3,3В.Тогда: 𝑘𝑘Д𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 3,3В 15В = 0,22, 𝑘𝑘Д𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 3,3В 5В 25 = 0,66. На основании (18) получаем 𝑅𝑅Д3 = 𝑅𝑅Д𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ 𝑘𝑘Д = 0,22 ∙ 30 к = 6,6 к. Аналогично на основании (19) 𝑅𝑅Д3 + 𝑅𝑅Д2 = 𝑘𝑘Д𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ 𝑅𝑅Д = 0,66 ∙ 30 кОм = 19,8 кОм. Следовательно, 𝑅𝑅Д2 = 19.8 кОм − 6,6 кОм = 13,2 кОм, �𝑅𝑅Д3 + 𝑅𝑅Д2 � = 30 кОм − 19,8 кОм = 10,2 кОм. а 𝑅𝑅Д1 = 𝑅𝑅Д − Функцию RД2 должен выполнять переменный регулировочный рези- стор (переменные резисторы изготавливаются по ряду Е6). По номинальному ряду выбираем значение сопротивления 15кОм, а по справочнику тип переменного резистора СП3-30-А-0,25-15к ±20%. Увеличение номинала переменного резистора позволяет перекрыть разброс параметров ЭРЭ, в частности стабилитронов. Нижний предел регулирования должен остаться неизменным, то есть 5В. Поэтому номинал RД3 выбирают по ряду Е48 величиной 6,49к типа С1-4 с допуском ±2%. Мощность резистора: 𝑃𝑃 = 𝐼𝐼 2 ∙ 𝑅𝑅Д3 = (0,5 ∙ 10−3 )2 ∙ 6,49 ∙ 103 = 0,25 ∙ 10−6 ∙ 6,49 ∙ 103 Вт = 1,62 ∙ 10−3 Вт < 0,125Вт. Уточняем номинал резистора RД1: 𝑅𝑅Д1 = 30 к − (15 + 6,49)к = 8,5 кОм. Ближайшее значение по ряду Е48 составляет 8,66кОм (допускается значение 8,2 к по ряду Е12). Мощность резистора: 𝑃𝑃 = 𝐼𝐼 2 ∙ 𝑅𝑅Д1 = 0,25 ∙ 10−6 ∙ 8,66 ∙ 103 = 2,17 ∙ 10−3 Вт < 0,125Вт. Выбираем резистор RД1 типа С1-4 мощностью 0,125Вт с номиналом 8,66к. 3. Для стабилитрона КС133А: UCT =3,3B(2,97В – 3,63В); IСТ = 10мА; IСТmin= 3мА; IСТmax= 81мА. Рабочий ток стабилитрона выбирается, как и в примере 1, равным 10 мА. Поэтому по аналогии IRБ=7,3MA, a сопротивление 𝑅𝑅Б = 𝑈𝑈ВХ −𝑈𝑈СТ 𝐼𝐼𝑅𝑅Б = (19−3,3)В 7,3∙10 −3 А = 2,15 ∙ 103Ом = 2,15 кОм. 26 По номинальному ряду Е24 ближайшее значение 2,2кОм. Мощность резистора: 𝑃𝑃 = 𝐼𝐼 2 ∙ 𝑅𝑅б = (7,3 ∙ 10−3 )2 ∙ 2,2 ∙ 103 к = 53,29 ∙ 2,2 ∙ 10−3 Вт = 115 ∙ 10−3 Вт = 0,115Вт < 0,125Вт. Запас по мощности не велик, для обеспечения большей надежности выбираем резистор мощностью 0,25Вт. Пример 3. Выполнить расчет стабилизатора напряжения с заданными параметрами примера№1. Применение однокорпусного составного транзистора типа КТ829 не допускается. В соответствии с заданием особенностью будет только расчет транзистора регулирующего элемента. Будем считать, что выбранного транзистора КТ829Г нет в наличии. По результатам расчета примера 1 получены следующие значения параметров для стабилизатора и его элементов: IK= 3 A; IКmax = 6 А; UКЭ =19 B; UКЭmax = 27 B; РК =12Вт; РКmax =17Вт; h21min= 750; IБmin=13 мА; IБmax= 4 мА; ΔIБ =2,7мА; UКЭнас = 2B. Такие значения сможет обеспечить только составной транзистор на дискретных элементах. В качестве мощного транзистора регулирующего элемента выберем КТ819А со следующими характеристиками: h21 = 15...30; IКmax = 10А;UКЭmax = 40B; РКmax=60Вт; UКЭнас= 5B. Для номинального тока стабилизатора IК = 3А и минимального значения h21 ток базы 𝐼𝐼Б𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 3А 15 = 0,2А.Этот ток должен обеспечиваться эмиттер- ным током второго транзистораV2 (рис. 12) в составе составного, то есть 𝐼𝐼Б𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝐼𝐼Э2 = 0,2А. Статический коэффициент передачи второго транзистора составит: ℎ21𝑉𝑉2 = ℎ21 ℎ21𝑉𝑉1 = 750 15 = 50. Таким коэффициентом передачи обладают многие транзисторымалой и средней мощности, поэтому составной транзистор будет образован из двух. 27 Полученным значениям 𝐼𝐼Б1𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝐼𝐼Э2 = 0,2А и ℎ21𝑉𝑉2 = 50, в частности, соответствуют транзисторы КТ608Б и КТ603Б с параметрами: КТ603Б КТ608Б h21min = 60 h21min = 50…160 IКmax = 0,3А IКmax = 0,3 А UКЭ max =30 В UКЭ max = 60 В РК max =0,5 Вт РК max =0,5 Вт UКЭнас = 1 В UКЭнас = 1 В Требованиям удовлетворяют оба транзистора, но КТ608Б обеспечивает больший запас по напряжению, он выбирается для проектируемого стабилизатора. В итоге составной транзистор имеет следующую электрическую схему (рис. 12): К КТ608Б IЭ2 V2 КТ819А V1 IБ1 Э R0 Б Рис. 12. К расчету схемы составного транзистора Особенность схемы составного транзистора в том, что в нее включен резистор R0. Его назначение – компенсировать неуправляемый обратный ток перехода коллектор-база IКБ0 транзистора КТ819а (IКБ0 = 1мА). Обратный ток коллекторного перехода IКБ0 мало зависит от температуры, поэтому ток IR0можно выбрать из условия 𝐼𝐼𝑅𝑅0 = (1,5 ÷ 2) ∙ 𝐼𝐼КБ0 = (1,5 ÷ 2)мА. К резистору R0 приложено напряжение близкое к входному, тогда 𝑅𝑅0 = 𝑈𝑈ВХ 𝐼𝐼𝑅𝑅0 19В 1,5÷2 )∙10 −3 А =( Мощность резистора: = (12,7 ÷ 9,5) ∙ 103Ом. 𝑃𝑃𝑅𝑅0 = 𝐼𝐼𝑅𝑅0 ∙ 𝑈𝑈ВХ = 2 ∙ 10−3 А ∙ 19В = 38 ∙ 10−3 Вт < 0,125Вт. 28 В качестве R0по справочнику выбираем резисторы типа ОМЛТ мощностью 0,125 Вт и номинальным значением 10 к ± 5%. 5. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Соколов О. А. Электроника: учебное пособие / О. А. Соколов, П. С. Назаров, Д. О. Соколов. — Санкт-Петербург: СПБГУ ГА им. А.А. Новикова, 2022. — 178 с. — ISBN 978-5-907354-16-6. — Текст : электронный // Лань: электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/292352 (дата обращения: 17.04.2023) 2. Электроника: учебное пособие / составители Н. А. Климов, А. С. Яблоков. — пос. Караваево: КГСХА, 2021. — 116 с. — Текст: электронный // Лань: электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/251993 (дата обращения: 17.04.2023) 3. Расчет элементов электронных схем : учебное пособие / В. В. Харламов, Р. В. Сергеев, П. К. Шкодун, Л. Е. Серкова. — 2-е изд., с изм. — Омск: ОмГУПС, 2019. — 79 с. — ISBN 978-5-949-41247-3. — Текст : электронный // Лань: электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/165714 (дата обращения: 17.04.2023) 4. Легостаев Н. С. Методы анализа и расчета электронных схем: учебное пособие / Н. С. Легостаев. — Москва: ТУСУР, 2014. — 237 с. — Текст: электронный // Лань: электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/110344 (дата обращения: 17.04.2023) 5. Пасынков, В. В. Полупроводниковые приборы: учебное пособие / В. В. Пасынков, Л. К. Чиркин. — 9-е изд. — Санкт-Петербург: Лань, 2022. — 480 с. — ISBN 978-5-8114-0368-4. — Текст : электронный // Лань: электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/210338 (дата обращения: 17.04.2023) 29 ПРИЛОЖЕНИЕ Таблица 1 Параметры транзисторов Тип UКЭMAX, В IКMAX,А PКMAX,Вт КТ331Б-1 ГТ362 КТ315Г КТ312Б КТ605БМ КТ603А КТ602БМ КТ611БМ КТ904А КТ903Б КТ805АМ КТ908Б КТ803А КТ827А КТ828А КТ815Г КТ817Г КТ838А КТ840А КТ812А КТ819А КТ834А КТ841А 15 5 35 35 250 30 70 180 40 60 160 60 60 100 800 100 100 1500 400 700 100 500 600 0,02 0,01 0,1 0,03 0,1 0,3 0,075 0,1 0,8 3 5 10 10 20 5 1,5 3 5 6 8 15 15 10 ГТ310Б КТ201Г МП114 ГТ308Г МП42 П16А П26Б ГТ323А ГТ403Д КТ835А КТ837Е КТ825Г КТ814Г КТ818ГМ КТ816Г КТ842А КТ852А КТ853А 10 10 60 15 15 15 100 20 45 30 45 90 100 90 100 300 100 100 0,01 0,03 0,01 0,05 0,1 0,05 0,4 1,0 1,25 3 7,5 20 1,5 15 3 5 2 8 n-p-n 0,015 0,04 0,15 0,225 0,4 0,5 2,8 3 5 30 30 50 60 125 50 10 25 12,5 60 50 100 100 50 p-n-p 0,02 0,15 0,15 0,15 0,2 0,2 0,2 0,5 4 25 30 125 10 100 25 50 50 60 30 h21Э UКЭНАС,В fгр,МГц 40-120 10-250 50-350 25-100 30-120 60-180 50-220 30-120 10-60 40-80 20-80 20 10-70 6000 4 30-70 30 10-100 10-125 12-30 1000 20-45 0,4 0,8 8 0,8 3 8 0,6 10 0,5 1 2,5 2 3 0,6 5 3 2,5 2 2 1,6 250 2,4 250 120 40 200 150 60 350 120 5 30 20 10 1 3 3 1 1 12 1 60-120 70-210 9 90-200 30-50 30-50 30-80 40-120 50-150 25 20-80 750 30 12 25 15 500 750 0,3 1,2 0,2 0,35 0,5 3 0,6 2 0,6 1,8 2,5 2,5 160 10 0,1 120 1 2 0,5 200 2,4 3 5 3 7 3 20 7 7 Таблица 2 Параметры стабилитронов Типстабилитрон Ucт,В а КС133А КС147А КС156А КС168А КС175Ж Д814А КС182Ж КС191Ж КС510 КС211Ж КС512А Д815Д КС515А КС216Ж Д816А Д816Б Д816В КС551 Д817А Д817Б Д817В КС591А Д817Г КС620А КС630А КС650А КС680А 3,3 4,7 5,6 6,8 7,5 8 8,2 9,1 10 11 12 12 15 16 22 27 33 51 56 68 82 91 100 120 130 150 180 КС405А КС108А КС166Б КС190Д КС191М КС191Ф КС211Д КС520В КС524Г 6,2 6,4 6,6 9 9,1 9,1 11 20 24 КС168В КС175А КС191А КС210Б 6,8 7,5 9,1 10 ΔUст,В Iст.min, Iст.max, мА мА Стабилитроны общего назначения 10 ±0,33 3 81 10 ±0,47 3 58 10 ±0,56 3 55 10 ±0,68 3 45 4 ±0,4 0,5 17 5 -1 3 40 4 ±0,8 0,5 15 4 ±0,5 0,5 14 5 ±1 1 79 4 ±0,6 0,5 12 5 ±1,2 1 67 500 ±1,3 25 650 2 ±1,5 1 53 2 ±1,8 0,5 73 150 ±2,2 10 230 150 2,5 10 180 150 3 10 150 3 ±3 1 14,6 50 ±2,2 5 90 50 ±7 5 75 50 ±8 5 60 1,5 ±5 1 8,8 50 ±10 5 50 50 ±18 5 42 50 ±18,5 5 38 25 ±22,5 2,5 33 25 ±27 2,5 28 Прецизионные 0,5 ±0,31 0,1 60 7,5 ±0,32 3 10 7,5 ±0,33 3 10 10 ±0,45 5 15 10 ±0,455 5 15 10 ±0,455 3 20 10 ±1,1 5 33 5 ±1,1 3 22 10 ±1,2 3 19 Двуханодные 10 ±0,5 3 20 5 ±0,5 3 18 5 ±0,6 3 15 5 ±0,7 3 14 Iст,мА 31 Pст,Вт αUcт, %/ºС 0,3 0,3 0,3 0,3 0,12 0,34 0,12 0,125 1 0,125 1 8 1 2 5 5 5 1 2 2 2 1 2 5 5 5 5 -0,1 -0,05 ±0,05 ±0,06 0,07 0,07 0,08 0,09 0,1 0,092 0,1 0,09 0,1 0,1 0,12 0,12 0,12 ±0,12 ±2,2 0,14 0,14 ±0,12 0,14 +0,2 +0,2 0,12 +0,2 0,4 0,07 0,07 0,15 0,15 0,2 0,28 0,5 0,5 0,002 0,002 0,001 0,0005 0,005 0,0005 0,005 0,001 0,005 0,15 0,15 0,15 0,15 ±0,05 ±0,04 ±0,06 +0,07 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1. ВЫБОР ВАРИАНТА КОНТРОЛЬНОГО ЗАДАНИЯ 2. ЗАДАНИЯ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ 3. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СОДЕРЖАНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ 4. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ 4.1 Синтез электрической схемы компенсационного стабилизатора напряжения 4.2 Выбор регулирующего транзистора 4.3 Выбор источника опорного напряжения 4.4 Расчет делителя напряжения 4.5 Расчет усилителя рассогласования 4.6 Коэффициент стабилизации стабилизатора 5. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ 6. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЕ 1 2 2 3 5 6 6 10 13 14 16 17 20 29 30 РАСЧЕТКОМПЕНСАЦИОННОГОСТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электроника» для студентов направления подготовки «Электроэнергетика и электротехника» всех форм обучения Составили: Кудашева Ирина Олеговна Щеголев Сергей Сергеевич Рецензент: Губатенко Марк Сергеевич Редактор: Крошина Вера Алексеевна Подписано в печать Формат 60х84 1/16 Бумага тип. Усл. печ. л. 2,0 Уч. – изд. л. 2,0 Тираж 100 экз. Заказ Бесплатно Балаковский инженерно-технологический институт – филиал НИЯУ МИФИ Типография БИТИ НИЯУ МИФИ 413853, г. Балаково, ул. Чапаева, 140
