Стабілізатори напруги і струму

Міністерство сільського господарства і продовольства Республіки Білорусь

Установа освіти

Білоруський державний аграрний технічний університет

Кафедра автоматизованих систем управління виробництвом

Курсова робота

з дисципліни «Електроніка та основи мікропроцесорної техніки»

Стабілізатори напруги і струму

Розділ 2

варіант 12

виконав:

студент гр.3еаПашкевіч А. П.

перевірив:

к.т.н., доцент Матвєєнко І.П.

Мінськ - 2009

Зміст

Введення ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3

1. Проектування і розрахунок стабілізатор напруги послідовного типу ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .6

2. Проектування і розрахунок однофазного мостового випрямляча .... ... ... ... 10

Висновок ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 14

Список використаних джерел ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 15

Введення

Стабілізатор напруги (або струму) - це пристрій, автоматично забезпечує підтримку напруги (або струму) навантажувального пристрою із заданим ступенем точності.

Напруга (або струм) навантажувального пристрою може сильно змінюватися при впливі зовнішніх дестабілізуючих факторів, якими є: зміна напруги в мережі, зміна температури, коливання частоти струму і т.д. Щоб ці фактори не впливали на роботу електричних пристроїв, застосовують стабілізатори.

Класифікація стабілізаторів:

1) за стабилизируемой величині:

- Стабілізатори напруги;

- Стабілізатори струму;

2) за способом стабілізації:

- Параметричні;

- Компенсаційні.

Параметричні стабілізатори.

За допомогою параметричного стабілізатора (ПС) напруги можна одержати напругу стабілізації Uст від декількох В до декількох сотень В. У ПС використовується напівпровідниковий стабілітрон VD, який включають паралельно Rн. Послідовно з стабілітроном включають баластний резистор Rб для створення необхідного режиму роботи (рис.1).

Малюнок 1

При зміні Uвх під дією коливання напруги живильної мережі або зміни опору навантаження Rн, Uн змінюється незначно, так як воно визначається Uст стабілітрона, яке мало змінюється при зміні протікає через нього струму, що видно на ВАХ стабілітрона (рис.2).

Малюнок 2

Для отримання електричної енергії потрібного виду часто доводиться перетворювати енергію змінного струму в енергію постійного струму (процес випрямлення), або енергію постійного струму в енергію змінного струму (процес інвертування).

Пристрої, за допомогою яких здійснюються такі перетворення, називаються випрямлячами і інверторами, відповідно. Випрямлячі та інвертори є вторинними джерелами електроживлення (ІВЕ).

Класифікація випрямлячів:

1) за можливості управління:

-Некеровані, коли на виході випрямляча отримують випрямлена постійне напруження;

- Керовані, коли на виході випрямляча необхідно змінити значення випрямленого струму;

2) за кількістю фаз первинного джерела живлення:

- Однофазні (випрямлячі малої і середньої потужності);

- Багатофазні, зазвичай 3-х фазні (випрямлячі великої потужності);

3) за формою випрямленої напруги:

- Однополуперіодні;

- Двухполуперіодний.

Випрямлячі змінного струму

На вхід випрямляча подається змінна напруга U1, яке за допомогою трансформатора Тр змінюється до необхідного значення U2, яке перетворюється вентильної групою (або одним вентилем) в пульсуючу напругу U01. Випрямлена напруга U01 має, крім постійної складової, ще й змінну складову, яка за допомогою фільтра, що згладжує Сф знижується до потрібного рівня, і напруга U02 на виході фільтра подається на стабілізатор Ст, який підтримує незмінним напруга на навантаженні Uн при зміні значень вхідної напруги та опору Rн.

Для випрямлення однофазного змінного напруги застосовують 3 основних типи випрямлячів:

- Однополуперіодної;

- Двухполуперіодний бруківці;

- Двухполуперіодний з виведенням середньої точки вторинної обмотки трансформатора.

Малюнок 3. Схема однофазного випрямляча.

1. Проектування і розрахунок стабілізатор напруги послідовного типу

У результаті розрахунку:

Вибрати типи використовуваних транзисторів;

Розрахувати параметри елементів схеми;

Накреслити принципову електричну схему стабілізатора напруги.

Вихідними даними є:

Вихідна напруга U вих = 15 В;

Граничне відхилення ΔU вих = ± 1 В;

Струм навантаження Iн = 0.3 А;

Допустимі відносні зміни вхідного напруги

ΔU вх / Uвих = ± 10%

5) Коефіцієнт стабілізації Кст = 60.

Методика виконання завдання № 1.

Вибираємо тип регулюючого транзистора VТ1 і його режиму:

Uвх min = U вих + Δ U вих + | U КЕmin | = 15 +1 +3 = 19 B, де

| U КЕmin | - мінімальна напруга між колектором і емітером

транзистора Т1, при якому його робота не заходить в область насичення.

Для потужних транзисторів, які використовуються як регулюючий елемент, | U КЕmin | = 1 ÷ 3 В При розрахунку приймають | U КЕmin | = 3 В

Uвхmin = 1,1 ⋅ 19 = 20,9 В

Uвх = 1,1 ⋅ 20,9 = 22,9 В

Знаходимо | UКЕ1mах | і максимальну потужність, що розсіюється на регулюючому транзисторі РКmах:

| UКЕ1mах | = Uвхmах-Uвихmin = 22,9-14 = 8,9 У

РКmах = | UКЕ1mах | ⋅ Iн = 8,9 ⋅ 0,3 = 2,67 Вт

Вибираємо за довідником [2] транзистор КТ8426, для якого

Рк mах = 3Вт, Ік mах = 5А, h21Е> 15, | U КЕmin | = 200 В

2.Вибор типу согласующего транзистора VТ2 та його режиму. Колекторний струм транзистора VТ2:

Iк2 ≈ Iе2 = I δ 1 + IR4 = Iк1 / h21Е + IR4 = Iн / h21Е + IR4,

де IR4 - додатковий струм, що протікає через резистор R4 Для малопотужних транзисторів, що використовуються як погодить елемента, додатковий струм вибирають в межах 1-2 mА. Прийнявши IR4 = 1,5 mА, отримаємо: Iк2 = 0,3 ⋅ 103 / 30 +1,5 = 11,5 mА.

Визначаємо максимальні значення напруги UКЕ2 і потужності РК2 согласующего транзистора:

| UКЕ2mах | ≈ | UКЕ1mах | = 8,9 У

РК = Iк2 ⋅ | UКЕ2mах | = 11,5 ⋅ 10-3 ⋅ 8,9 = 102 mВт

Вибираємо за довідником транзистор типу КТ201В з наступними параметрами:

Ік max = 20 mА> 11,5 mА;

| UКЕmах | = 10В> 8,9 В;

Рк = 150mВт> 102mВт;

h21Е = 30 ... 90

3.Рассчітиваем опір резистора R4:

R4 = U вих / IR4 = 15 / 1,5 ⋅ 10-3 = 10 кОм

4.Вибор підсилювального транзистора VТ3 та його режиму.

Як підсилювального транзистора використовують малопотужні транзистори. Зазвичай, з технологічних міркувань транзистори VТ2, VТ3 обирають одного типу. Вибираємо КТ201B.

Задаємося напругою | UКЕ3 | = 8,9 В <| UКЕ3max | = 10В.

Визначаємо опорне напруга:

Uоп = U вих - | UКЕ3 | = 15 - 8,9 = 6,1 В.

Для отримання такого опорного напруги використовуємо стабілітрон (за довідником) типу 1N1984, у якого Uст = 6,8 В, Iст = 5 mА.

5.Определім значення обмежує опору R5:

R5 = U вих - Uоп / Iст - Iе3 = 15 - 6,1 / (5 - 1) ⋅ 10-3 = 2,2 кОм

Iе3 ≈ Iк3, а Iк3 вибирають в межах 1 ... 1,5 mА.

З рівняння Кірхгофа UЕ δ1 + UЕ δ2 + UR3 - | UКЕ1 | = 0.

З урахуванням того, що UЕ δ1, UЕ δ2 ≈ 0, отримуємо UR3 ≈ | UКЕ1 |. Звідси знаходимо опір R3:

R3 = UR3 / IR3 ≈ | UКЕ1 | / Iк3 + I δ2 ≈ 8,9 / 1 + 0,38 = 6,4 кОм, де

Iк3 ≈ Iе3 = 1 mA, а I δ2 = Iк2 / h21Е = 11,5 / 30 = 0,38 mA

6. Розрахунок дільників напруги.

З виразу (R8 + 0,5 R7)-Iдел ≈ Uоп, де Iдел - струм, що протікає через дільник R6, R7, R8.

Отримуємо

R7 = Uоп - Iдел ⋅ R8 / 0,5 ⋅ Iдел.

Вибираємо Iдел з умови: Iдел> (5 ÷ 10) I δ3.

Приймемо

Iдел = 100 ⋅ I δ 3 = 100 ⋅ Iк3 / h21Е = 100 ⋅ 1 / 30 = 3,3 mА.

Задамося значенням R8 = 1,5 кОм, тоді

R7 = 6,1 - 3,3 ⋅ 10-3 ⋅ 1,5 ⋅ 10-3 / 0,5 ⋅ 3,3 ⋅ 10-3 = 1,15 / 1,65 = 0,7 кОм.

За висловом Iдел (R6 + 0.5R7) ≈ U вих-Uоп знаходимо:

R6 = U вих-Uоп-0, 5 ⋅ Iдел ⋅ R7 / Iдел = 15 - 6,1-0,5 ⋅ 3,3 ⋅ 10-3 ⋅ 0,7 ⋅ 10-3 / 3,3 ⋅ 10-3 = 2,3 кОм

7.Вибіраем конденсатори:

-Ємність конденсатора С1, що включається для запобігання порушення стабілізатора, підбирають експериментально, С1 ≤ 0,5 ... 1мкФ;

-Ємність конденсатора С2, включення якого до незначного зменшення пульсацій вихідної напруги і замкнутому зменшення вихідного опору стабілізатора змінному струмі, вибирають в межах 1000 ... 2000 мкФ, вибираємо С1 = 0,5 мкФ, С2 = 1000 мкФ.

8.Определяем коефіцієнт стабілізації напруги:

Кст = Кдел ⋅ К3 ⋅ U вих / Uвх = 0,4 ⋅ 320 ⋅ 15/20, 9 = 92, де

Кдел = Uоп / U вих = 6,1 / 15 = 0,4

- Коефіцієнт розподілу напруги дільника R6, R7, R8;

К3 = (h21Е3 / h11Е3) ⋅ R3 = (30/600) ⋅ 6,4 ⋅ 103 = 320

Якщо значення Кст виявиться недостатнім, то слід вибрати транзистори VТ2 і VТЗ з великим коефіцієнтом посилення струму h21Е.

9. Накреслимо принципову електричну схему стабілізатора напруги (рис. 4).

Малюнок 4

2. Проектування і розрахунок однофазного мостового випрямляча

Вибираємо діод для однофазного мостового випрямляча, що працює на навантаження з опором Rн і постійної складової випрямленої напруги Uн. Визначити струм і напруга вторинної обмотки трансформатора, і потужність трансформатора.

У результаті розрахунку визначити:

Визначити параметри елементів схеми: VD1-VD4.

Вибрати вхідний трансформатор з розрахункової потужності.

Отримати тимчасові діаграми для вхідної і вихідної напруги (залежність Uвх від часу t; і залежність U вих від часу t).

Вихідні дані:

Uн = 10 В;

Rн = 100 Ом.

U1 = 180 В

Методика виконання завдання № 2:

1.Определяем постійну складову випрямленого струму (струм навантаження) Iн:

Iн = Uн / Rн = 10 / 100 = 0,1 А

2.Определяем діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора U2, скориставшись таблицею 1, де вказані кількісні співвідношення напруг, струмів та потужностей для різних схем випрямлення:

U2 = 1.1 ⋅ Uн = 1.11 ⋅ 10 = 11.1 У

Таблиця 1

3.Определяем діюче значення струму, що протікає через вторинну обмотку трансформатора:

I2 = 1.11 ⋅ Iн = 1.11 ⋅ 0.1 = 0.111 A

4.Максімальное значення зворотної напруги на закритому діоді (табл.4):

Uобрmax = 1.57 ⋅ Uн = 1.57 ⋅ 10 = 15.7 У

5.Так як струм через діоди протікає полперіода, то середнє значення струму діода одно:

Іпр = Iн / 2 = 0.1 / 2 = 0,05 мА

Вибираємо діоди за двома параметрами: Іпр та Uобр.mах, які повинні бути не менше розрахункових значень. Вибираємо за довідником [1] діод КД409А, який має Iпрmах = 50 mА, Uoбр.mах = 24 В.

Визначити зарубіжний аналог обраного діода по довіднику [1]. Для нашого прикладу зарубіжний аналог діода КД409А - це діод BAT18.

Для вибору типового трансформатора визначаємо розрахункову потужність трансформатора:

Рт = 1.23 ⋅ Рн = 1.23 ⋅ Uн ⋅ Iн = 1.23 ⋅ 10 ⋅ 0.1 = 1,23 Вт

РТ> 2Вт

Створюємо принципову електричну схему (мал. 5) за допомогою програми «Мiсгосар» відповідно до розрахункових параметрів елементів; якщо обраний зарубіжний аналог відсутній у списку діодів програми «Мiсгосар», то слід вибрати найближчий по маркуванню, в даному прикладі це ВАТ18;

Малюнок 5

Отримуємо тимчасові діаграми для вхідної і вихідної напруги (рис.6).

Малюнок 6

Висновок

У процесі виконання курсової роботи був спроектований і розрахований стабілізатор напруги послідовного типу для якого були обрані типи використовуваних транзисторів, зроблені розрахунки параметрів елементів схеми, а також накреслена принципова електрична схема стабілізатора напруги.

Спроектовано і розрахований однофазний мостовий випрямляч, для якого за довідником обраний діод для однофазного мостового випрямляча, що працює на навантаження з опором Rн і постійної складової випрямленої напруги Uн. Визначено струм і напруга вторинної обмотки трансформатора, і потужність трансформатора.

Також була змодельована і досліджена розрахована схема на ПЕОМ, були отримані часові діаграми, за допомогою програми «Microcap» (залежність Uвх від часу t; і залежність U вих від часу t).

Список використаних джерел

1. Аксьонов А.І., Нефедов А.В. Вітчизняні напівпровідникові прилади / Довідкове посібник - М.: СОЛОН-ПРЕС, 2005 - 583с.

2. Галкін В.І., Буличов А.Л. Напівпровідникові прилади: Транзистори широкого застосування / Довідник - Мн.: Білорусь, 1995 - 383с.

3. Галкін В.І. Напівпровідникові прилади / Довідник - Мн.: Білорусь, 1987 - 321с.

4. Разевіг В.Д. Система схемотехнічного проектування Micro-CAP V.-М.: "СОЛОН", 1997 .- 273С.

5. ГОСТ 2.702-75 ЕСКД. Правила виконання електричних схем.

6. ГОСТ 2.710-81 ЕСКД. Позначення буквено-цифрові в електричних схемах.

7. ГОСТ 2.770-73 ЕСКД. Позначення умовні графічні. Прилади напівпровідникові.

8. ГОСТ 2.743-91 ЕСКД. Позначення умовні графічні в схемах. Елементи цифрової техніки.

9. ГОСТ 2.759-82 ЕСКД. Позначення умовні графічні в схемах. Елементи аналогової техніки.