Расчет стабилизатора напряжения и тока

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Российский Государственный Университет

Инновационных Технологий и Предпринимательства

(Пензенский филиал)

Кафедра «Технический сервис»

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по дисциплине:

«Источники питания электронных систем безопасности»

на тему:

«Расчет стабилизатора напряжения и тока».

 

 

 

 

 

 

 

 

  Работу выполнила:

ст.гр. 10К2 Иванова Я.В.

                  Проверил: Косач А.А.

 

 

 

г. Пенза, 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................................................................3

1 Общие сведения о  стабилизаторах напряжения...............................................4

1.1 Стабилизатор постоянного тока. Линейный стабилизатор..........................4

1.1.1 Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне............6

1.1.2 Последовательный стабилизатор  на биполярном транзисторе................6

1.3 Простейший и транзисторный  стабилизаторы напряжения........................9

2 Расчетная часть..................................................................................................13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................15

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...........................................16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

В промышленной сети напряжение не постоянно в течение суток: в зависимости от потребления энергии промышленными предприятиями, электрическим транспортом и расхода в наших квартирах напряжение в сети то возрастает, то убывает. Следовательно, при питании аппаратуры от этой сети будет изменяться напряжение и на обмотках трансформатора, а значит, и на выходах выпрямителя и фильтра. Если колебания напряжения сети составляют ±10%, то в таких же пределах изменяется и величина выпрямленного напряжения. При изменении питающего напряжения нарушается режим работы электронных приборов (транзисторов, электронных ламп), что приводит к ухудшению параметров всего устройства. Например, в радиоприемнике при изменении режима работы транзисторов могут возникнуть сильные искажения звука, хрипы, гудение. Такие же явления наблюдаются в нем при питании от химических источников тока, напряжение которых по мере разрядки уменьшается. Чтобы этого не происходило, напряжение питания электронных устройств часто стабилизируют.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Общие сведения о стабилизаторах  напряжения

Говоря о понятии стабилизаторы напряжения, многие сразу представляют «замысловатое» электротехническое приспособление, главной функцией которых является выравнивание напряжения при сбоях стабильности в сети и максимальное его приближение к оптимальному показателю, то есть 220 В.

Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

По типу выходного напряжения стабилизаторы делятся на стабилизаторы постоянного тока и переменного тока. Как правило, тип питания (постоянный либо переменный ток) такой же, как и выходное напряжение, хотя возможны исключения.

1. Стабилизатор постоянного тока. Линейный стабилизатор

Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin — Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, т. е. должен быть установлен на радиатор нужной площади. Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.

Рисунок 1 - Низкошумящий линейный стабилизатор

Линейные стабилизаторы состоят из интегральной микросхемы, двух конденсаторов и двух резисторов обратной связи, имеют следующие преимущества:

• Простота применения: устройство содержит минимальное количество внешних компонентов, не требует особых условий при проектировании печатной платы, не нуждается во внешней катушке индуктивности.
• Небольшие габариты.
• Допустимый уровень шума.
• Не создает электромагнитных помех: не мешает работе иных электронных устройств.
• Невысокая стоимость.

В зависимости от расположения элемента с изменяемым сопротивлением линейные стабилизаторы делятся на два типа:

• Последовательный: регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.
• Параллельный: регулирующий элемент включен параллельно нагрузке.

В зависимости от способа стабилизации:

• Параметрический: в таком стабилизаторе используется участок ВАХ прибора, имеющий большую крутизну.
• Компенсационный: имеет обратную связь. В нём напряжение на выходе стабилизатора сравнивается с эталонным, из разницы между ними формируется управляющий сигнал для регулирующего элемента.

1.1.1 Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

Применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон D1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в стабилизируемой нагрузке RL. Часто такая схема линейного стабилизатора применяется как источник опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов. Для снижения нестабильности выходного напряжения, вызванной изменениями входного напряжения, вместо резистора RV применяется источник тока. Однако эта мера не уменьшает нестабильность выходного напряжения, вызванную изменением сопротивления нагрузки.

Рисунок 2-Параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне

 

2. Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

По сути, это рассмотренный выше параллельный параметрический стабилизатор на стабилитроне, подключённый ко входу эмиттерного повторителя. В нём нет цепей обратной связи, обеспечивающих компенсацию изменений выходного напряжения.

Его выходное напряжение меньше напряжения стабилизации стабилитрона на величину Ube, которая практически не зависит от величины тока, протекающего через p-n переход, и для приборов на основе кремния приблизительно составляет 0,6В. Зависимость Ube от величины тока и температуры ухудшает стабильность выходного напряжения, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне.

Эмиттерный повторитель (усилитель тока) позволяет увеличить максимальный выходной ток стабилизатора, по сравнению с параллельным параметрическим стабилизатором на стабилитроне, в β раз (где β - коэффициент усиления по току данного экземпляра транзистора). Если этого недостаточно, применяется составной транзистор.

При отсутствии сопротивления нагрузки (или при токах нагрузки микроамперного диапазона), выходное напряжение такого стабилизатора (напряжение холостого хода) возрастает на 0,6В за счёт того, что Ube в области микротоков становится близким к нулю. Для преодоления этой особенности, к выходу стабилизатора подключают балластный нагрузочный резистор, обеспечивающий ток нагрузки в несколько мА.

Рисунок 3 - Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе

1.2 Импульсный стабилизатор напряжения

Импульсный стабилизатор напряжения — это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть бо́льшую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением, а значит может рассматриваться как ключ. Плавное изменение напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента: напряжение повышается по мере накопления им энергии и снижается по мере отдачи её в нагрузку. Такой режим работы позволяет значительно снизить потери энергии, а также улучшить массогабаритные показатели, однако имеет свои особенности.

Рисунок 4 - Простой импульсный стабилизатор

В импульсном стабилизаторе ток от нестабилизированного внешнего источника подаётся на накопитель (обычно конденсатор или дроссель) короткими импульсами; при этом запасается энергия, которая затем высвобождается в нагрузку в виде электрической энергии, но, в случае дросселя, уже с другим напряжением. Стабилизация осуществляется за счёт управления длительностью импульсов и пауз между ними — широтно-импульсной модуляции. Импульсный стабилизатор, по сравнению с линейным, обладает значительно более высоким КПД. Недостатком импульсного стабилизатора является наличие импульсных помех в выходном напряжении.

В отличие от линейного стабилизатора, импульсный стабилизатор может преобразовывать входное напряжение произвольным образом (зависит от схемы стабилизатора):

• Понижающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда ниже входного и имеет ту же полярность.
• Повышающий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение всегда выше входного и имеет ту же полярность.
• Повышающе-понижающий стабилизатор: выходное напряжение стабилизировано, может быть как выше, так и ниже входного и имеет ту же полярность. Такой стабилизатор применяется в случаях, когда входное напряжение незначительно отличается от требуемого и может изменяться, принимая значение как выше, так и ниже необходимого.
• Инвертирующий стабилизатор: выходное стабилизированное напряжение имеет обратную полярность относительно входного, абсолютное значение выходного напряжения может быть любым.

1.3 Простейший и транзисторный  стабилизаторы напряжения

Простейшим стабилизатором напряжения является стабилизатор на кремниевом стабилитроне. Для нормальной работы такого стабилизатора необходимо, чтобы ток IСТ, протекающий через стабилитрон, не был меньше, чем IСТ.мин., и больше, чем IСТ.макс. При изменении тока, протекающего через стабилитрон в этих пределах, на нем и на подключенной параллельно ему нагрузке RH напряжение, называемое напряжением стабилизации UСТ стабилитрона, будет оставаться постоянным. Однако для стабилитронов одного и того же типа это напряжение будет неодинаковым. Поэтому в справочниках приводятся обычно минимальная и максимальная границы значений напряжения или указывается номинальное напряжение стабилизации UCT и его допустимый разброс ΔUCT.

Рисунок 5 – Схема простейшего стабилизатора напряжения

Отношение относительного изменения напряжения на входе стабилизатора (ΔUBX/UBX) к относительному изменению напряжения на его выходе (ΔUвых/Uвых) называют коэффициентом стабилизации (Кст). 
Следовательно,

Формула 1 – Нахождение коэффициента стабилизации

Стабилизатор на кремниевом стабилитроне имеет еще одно свойство. Дело в том, что стабилитрон обладает очень малым сопротивлением переменному (пульсирующему) току, называемым дифференциальным сопротивление. Чем круче характеристика в области пробоя, тем меньше дифференциальное сопротивление стабилитрона. Для большинства маломощных стабилитронов rд.ст = 5...15 Ом. Вместе с резистором R1 дифференциальное сопротивление стабилитрона образует делитель, между плечами которого распределяются как постоянная составляющая выпрямленного напряжения, так и его пульсации. Если амплитуду пульсаций на входе стабилизатора обозначить через UП.ВХ, а на выходе — через UП.ВХ, то получим:

Формула 2 – Нахождение амплитуды пульсаций

Недостатком простейшего стабилизатора на кремниевом стабилитроне является потеря части напряжения на ограничительном резисторе R1, что приводит к снижению КПД стабилизатора. Кроме того, у этого стабилизатора сравнительно небольшой коэффициент стабилизации и значительное выходное сопротивление. Поэтому во всех случаях, когда требуется получить стабилизированное напряжение на нагрузке при большом токе, протекающем через нее, применяют транзисторные стабилизаторы напряжения.

Рисунок 6 – Схема транзисторного стабилизатора напряжения