МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Факультет кібербезпеки комп’ютерної та програмної інженерії
Кафедра комп’ютерних систем та мереж
МІЖДИСЦИПЛІНАРНИЙ КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
На тему «Стабілізатор постійної напруги компенсаційного типу»
Київ 2020
Номер залікової книжки — 8259708, номер варіанту – 8
Завдання на курсовий проект:
| Номер варіанту | U вих. стаб, В | U вх. стаб, В | Iн, мА | Iн max, мА | δU, %/В |
| 8 | 20 | 25 | 120 | 150 | 0,3 |
В структурну схему входять:
1 – загальмований мультивібратор;
2 – RS-тригер;
3 – комбінаційна схема 1, що представляє собою логічний елемент "І" на два входа;
4 – двійковий додаючий лічильник, за допомогою якого необхідно підрахувати вказану в завданні кількість імпульсів;
5 – автоколивальний мультивібратор;
6 – комбінаційна схема КС 1;
7 – комбінаційні схеми, що визначають, яку кількість імпульсів повинен підрахувати двійковий лічильник;
8 – комбінаційна схема КС 3, яка керує передачею вмісту лічильника на вихідну шину даних (ВD).
Стабілізатор напруги компенсаційного типу
Стабілізатором постійної напруги називається пристрій, що підтримує автоматично та з точністю, що вимагається, постійну напругу на навантаженні при зміні дестабілізуючих факторів в заданих межах. Схеми стабілізаторів компенсаційного типу можуть бути зібрані на дискретних напівпровідникових елементах та в інтегральному виконані. У всіх схемах стабілізаторів компенсаційного типу здійснюється порівняння фактичної величини вихідної напруги з його заданою величиною, та в залежності від величини та знаку різності між ними здійснюється корегуючий вплив на елементи стабілізатора, що спрямований на зменшення цієї різниці.
Виходячи з принципу дії, стабілізатор компенсаційного типу повинен містити тільки три виводи: вхід для зв’язку з фільтром випрямляча, вивід для стабілізованої напруги та загальний вивід (заземлення). В схемах інтегральних стабілізаторів робиться декілька додаткових виводів, за допомогою яких, використовуючи різноманітні зовнішні дискретні елементи, можливо змінювати характеристики стабілізаторів та розширювати їх можливості.
Принципова схема інтегрованого стабілізатора напруги наведена на рис.2.
Рис. 2. Принципова схема інтегрованого стабілізатора напруги
На транзисторі VT2 побудовано емітер ний повторювач, на транзисторах VT3 та VT4 — диференційний підсилювач. Емітерний повторювач та дільник напруги (R1, R2) забезпечують хорошу розв’язку диференційного підсилювача від джерела живлення опорної (еталонної) напруги на діоді VD2. На транзисторах VT6, VT7 побудовано складовий транзистор, що виконує функцію регулюючого елемента. Малий вхідний опір складового транзистора (VT6,VT7), розв’язка диференційного підсилювача (VT3, VT4) від джерела опорної напруги (VD2) забезпечує високі стабілізуючі та динамічні властивості стабілізатора постійної напруги.
Транзистор VT5 служить динамічним навантаженням правого плеча диференційного підсилювача. На лівий вхід диференційного підсилювача (базу транзистора VT3) подається опорна напруга, а на правий вхід (базу транзистора VT4) — напругу, що є пропорційною до вхідної напруги. Диференційний підсилювач обчислить різність цих напруг та підсилює її. Схема містить динамічні елементи захисту від електричних навантажень: по струму, короткому замиканню (транзистор VT8), виключення зовнішнім сигналом (транзистор VT9, резистор R4, діод VD3 та конденсатори). Згідно з завданням, обираємо мікросхему К142ЕН1В.
Схема працює наступним чином. При зміні з будь-якої причини вихідної напруги частина його через резистивний дільник R4, R5 подається на вивід 12 мікросхеми, де відбувається порівняння з внутрішньою (опорною) напругою (Uоп=2,4В±15%). Виділений сигнал різності підсилюється диференційним підсилювачем (VT3, VT4). Зміна базового струму регулюючого складеного транзистору (VT6,VT7) викликає відповідну компенсаційну зміну Uвих на виводі 13 мікросхеми, та напруга в навантаженні підтримується постійною.
Р
ис. 3. Схема включення інтегрального стабілізатора
| Основні параметри ІМС К142ЕН1B | | ||||||
| Uвх.min, B | Uвх.max, B | Uвих.min, B | Uвих.max, B | Iн. max., mA | Кст. | u, % | |
| 9 | 20 | 3 | 12 | 150 | - | 0,3 | |
Методика розрахунку стабілізатора постійної напруги
У випрямлячах значення постійної складової може змінюватися при коливаннях напруги мережі та при змінах струму навантаження. Для отримання необхідної постійної напруги застосовують стабілізатори напруги.
Стабілізатором постійної напруги називають пристрій, який автоматично і з потрібною точністю підтримує постійну напругу на навантаженні при зміні дестабілізуючих факторів у заданих межах.
Основними параметрами стабілізатора є такі:
Коефіцієнт стабілізації, що являє собою відношення відносної зміни напруги на вході до відносної зміни напруги на виході стабілізатора (при незмінному струмі навантаження):
де Uвх і Uвих – номінальна напруга на вході та виході стабілізатора; ∆Uвх і ∆Uвих – абсолютні зміни напруг на вході та виході стабілізатора.
Коефіцієнт стабілізації є основним критерієм для вибору схеми стабілізатора та оцінювання її параметрів.
Вихідний опір, який характеризує зміну вихідної напруги при зміні струму навантаження і незмінній вхідній напрузі:
Чим менший Rвих, тим краще зменшується загальний внутрішній опір блоку живлення, що призводить до зменшення падіння напруги на ньому і сприяє підвищенню стійкості роботи багатокаскадних схем, які живляться від загального джерела.
Коефіцієнт корисної дії, що дорівнює відношенню потужності в навантаженні та номінальної вхідної потужності:
Відносна нестабільність вихідної напруги δU, що характеризує допустиме відносне відхилення стабілізованої напруги від її номінального значення під впливом дії різних дестабілізуючих факторів:
.Крім зазначених вище основних параметрів стабілізаторів, існує цілий ряд додаткових.
Відомі два різні методи стабілізації постійної напруги – параметричний і компенсаційний. Параметричні стабілізатори є найпростішими пристроями. У них використовують кремнієві стабілітрони, які мають нелінійну вольт-амперну характеристику. Сутність компенсаційного методу стабілізації напруги полягає в автоматичному регулюванні вихідної напруги.
Схеми стабілізаторів компенсаційного типу можуть бути зібрані на дискретних напівпровідникових приладах і в мікровиконанні. В усіх схемах стабілізаторів компенсаційного типу здійснюється порівняння фактичного значення вихідної напруги з його заданим значенням і автоматична коректувальна дія на елементи стабілізатора, спрямовується на зменшення цієї різниці.
На рис. 2.10. приведені структурні схеми компенсаційних стабілізаторів напруги послідовного (а) та паралельного (б) типу.
Основними елементами таких стабілізаторів є: Р – регулюючий елемент; Д – джерело опорної (еталонної) напруги; ЕП – елемент порівняння; П – підсилювач постійного струму.
У стабілізаторі послідовного типу (рис. 2.10, а) регулюючий елемент ввімкнено послідовно з джерелом вхідної напруги Uвх і навантаженням Rн. Звідси й назва – стабілізатор послідовного типу. У випадку зміни Uвх або Rн напруга на виході стабілізатора також миттєво змінюється. Це призводить до зміни різниці між опорною напругою і Uвих, яка визначається елементом порівняння (ЕП). Напруга з ЕП підсилюється підсилювачем постійного струму (П) і подається на регулюючий елемент (Р). При цьому внутрішній опір регулюючого елемента відповідним чином змінюється – і напруга Uвх розподілиться між Р і Rн так, щоб Uвих прийняло задане значення.
У схемі стабілізатора паралельного типу (рис. 2.10, б) при зміні Uвих на ЕП формується сигнал різниці опорної та вихідної напруг. Потім сигнал різниці напруг підсилюється підсилювачем (П) і діє на регулюючий елемент, який увімкнений паралельно навантаженню Rн. Струм регулюючого елемента Ip змінюється, на резисторі Rн змінюється напруга, а вихідна напруга залишається практично постійною: Uвих =Uвх – Iвх Rн.
Стабілізатори паралельного типу мають значно нижчий ККД порівняно із стабілізатором послідовного типу. Крім того, для стабілізації підвищених напруг і струмів при змінних навантаженнях як звичайно перевага надається стабілізатору послідовного типу.
Рис. 2.10. Структурні схеми компенсаційних стабілізаторів постійної напруги: а – послідовного типу, б – паралельного
Основним недоліком стабілізатора послідовного типу є те, що при різкому збільшенні струму навантаження до регулюючого елемента буде подаватися підвищена напруга, значення якої не повинно перевищувати допустимого.
Стабілізатори напруги на ІС мають кращі електричні характеристики та значно менші розміри, ніж аналогічні стабілізатори на дискретних елементах із застосуванням напівпровідникових приладів. У складних електронних схемах іноді доцільно використовувати загальне нестабілізоване джерело живлення та індивідуальні стабілізатори на ІС, встановленні для кожної схеми. Сьогодні вітчизняною промисловістю випускаються аналогові інтегральні стабілізатори серій К142, К181, К224 та ін., що виконують функції стабілізаторів компенсаційного типу [2; 4; 5]. Основні параметри зазначених мікросхем наведені в табл. 2.8.
Стабілізатор компенсаційного типу (за принципом своєї дії) повинен мати тільки три виводи: вхід – для зв’язку з фільтром випрямляча, вихід стабілізованої напруги та загальний вивід (заземлення). В схемах інтегральних стабілізаторів робиться кілька додаткових виводів, з допомогою яких, використовуючи різні зовнішні дискретні елементи, можна змінити характеристики стабілізаторів та розширити їхні можливості. У випадку використання зовнішніх дискретних елементів їх необхідно розрахувати.
Принципова електрична схема інтегрального стабілізатора напруги на мікросхемі К142ЕН (1,2) приведена на рис. 2.11.
На транзисторі VT2 побудовано емітерний повторювач, на VT3, VT4 – диференційний підсилювач. Емітерний повторювач та розподільник напруги (R1, R2) забезпечують добру розв’язку диференційного підсилювача від джерела живлення опорної (еталонної) напруги на діоді VD2.
На транзисторах VT6, VT7 побудовано складовий транзистор, який виконує функцію регулюючого елемента. Невеликий вхідний опір складового транзистора (VT6, VT7), розв’язка диференційного підсилювача (VT3, VT4) від джерела опорної напруги (VD2) забезпечують високі стабілізуючі й динамічні властивості стабілізатора постійної напруги.
Транзистор VT5 є динамічним навантаженням правого плеча диференційного підсилювача. На лівий вхід диференційного підсилювача (базу транзистора VT3) подається опорна напруга, а на правий вхід (базу транзистора VT4) подається напруга, пропорційна вихідній. Диференційний підсилювач обчислює різницю цих напруг і підсилює її. Схема має додаткові елементи.
Обчислимо основні параметри стабілізатора напруги компенсаційного типу, з величинами, заданими в індивідуальному варіанті:
1). Коефіцієнт стабілізації, що являє собою відношення відносної зміни напруги на вході до відносної зміни напруги на виході стабілізатора, визначаємо за формулою:
(20 – 9) : 25
Обчислення: K(ст) = ------------------- = 0,97;
(12 – 3) : 20
2). Вихідний опір, який характеризує зміну вихідної напруги при зміні струму навантаження і незмінній вхідній напрузі, визначаємо за формулою:
(12 – 3)
Обчислення: R(вих) = ------------------- = 0,3;
(150 – 120)
3). Коефіцієнт корисної дії, що дорівнює відношенню потужності в навантаженні та номінальної вхідної потужності, визначаємо за формулою:
20 * 120
Обчислення: n = ------------------ = 0,8;
25 * 120
4).Відносна нестабільність вихідної напруги δU, що характеризує допустиме відносне відхилення стабілізованої напруги від її номінального значення під впливом дії різних дестабілізуючих факторів, визначаємо за формулою:
.
(12 – 3)
Обчислення: δU = ------------------ = 0,45 (0,45 < 0,8);
20
Перш, ніж обрати мікросхему, розглянемо основні параметри деяких інтегральних стабілізаторів постійної напруги:
| | Тип мікросхеми | |||||||||
| Назва параметрів | К 1 4 2 Е Н 1 А | К 1 4 2 Е Н 1 Б | К 1 4 2 Е Н 1 В | К 1 4 2 Е Н 1 Г | К 1 4 2 Е Н 2 А | К 1 4 2 Е Н 2 Б | К 1 4 2 Е Н 2 В | К 1 4 2 Е Н 2 Г | К 1 8 1 Е Н 1 | К 1 4 2 Е Н 1 А |
| Мінімальна вхідна напруга Uвх min, В | 9 | 9 | 9 | 9 | — | — | — | — | 9 | 5,4 |
| Максимальна вхідна напруга Uвх max, В | 20 | 20 | 20 | 20 | 40 | 40 | 40 | 40 | 20 | 12 |
| Мінімальна вихідна напруга Uвих min, В | 3 | 3 | 3 | 3 | 12 | 12 | 12 | 12 | 3 | 3,3 |
| Максимальна вихідна напруга Uвих max, В | 12 | 12 | 12 | 12 | 30 | 30 | 30 | 30 | 15 | 3,9 |
| Максимальний струм наванта-ження Iн max, мА | 150 | 150 | 150 | 150 | — | — | — | — | 150 | 4 |
| Коефіцієнт стабілізації Kст, не менше | — | — | — | — | — | — | — | — | 200 | 5 |
| Коефіцієнт нестабільності по напрузі U, не більше, % В | 0,3 | 0,1 | 0,5 | 0,5 | 0,3 | 0,1 | 0,5 | 0,5 | — | — |
Обираємо мікросхему К 142ЕН1 В
Основні схеми включення К142ЕН1В, R1, R2 - делітель вихідної напруги; R3 - резистор навантаження; С1, С2 - корегуючі конденсатори; C3, С4 - вихідні конденсатори.
Рпотр = 0,120*(12-18)+0,004*12 = 0,58+0,036 = 0,416Вт
Потужність, що споживається, не повинна перевищувати допустиме для неї значення потужності, що розсіюється. Для даного типу стабілізатора значення потужності, що розсіюється, дорівнює 0,8Вт.
Рпотр≤ Ррас, 0,416 ≤ 0,8
Регулювання величини стабілізованої вихідної напруги позитивної полярності здійснюється за допомогою резистора зовнішнього резистивного дільника (R4, R5). Опір R5 цього дільника обирається з умови рівності або перевищення мінімального допустимого струму дільника (Iдел ≥1,5мА) та зазвичай складає R5≈1,2кОм.
Максимальна потужність на R5:
РR5= 2* (Iдел)* R5, РR5=0,00225*1,2=0,0027Вт
Обираємо резистор типу МЛТ (потужність 0,125Вт, діапазон номінальних значень 8,2Ом…3МОм, відхилення від номінального значення 5%), користуючись стандартним рядом Е24, обираємо значення опору резистора R5:
R5:МЛТ-0,125-1,2кОм±5%
Сумарний опір дільника визначаємо по закону Ома:
Rд=5/(0,0015)=3,3кОм
Опір резистора R4 визначаємо із рівняння R4= Rд-R5:
R4=3,3-1,2=2,1кОм
Потужність розсіювання на дільнику (R4,R5) визначаємо по формулі:
Pд =I2д ^2Rд, Рд = 2,25*10^ -6* 3333=7499*10 ^-6 Вт
Оскільки R4 є підлаштувальним резистором, то візьмемо наступний тип резистора: СП3-6 (плівковий композиційний), межі номінального опору складають: 1 КОм…1 МОм. Візьмемо резистор з 5% відхиленням допустимого опору від номінального, потужністю 0,125 Вт; P д .
Користуючись стандартним E24, отримаємо:
R4: СП3-6-0,125 – 2,2 кОм =+\- 5%
До виводу 9 мікросхеми підключено ланцюг дистанційного вимкнення стабілізатора. Опір резистора R9 має бути таким, щоб струм вимкнення був в межах 0,5…3мА. Величина резистора R9=2,4кОм.
Максимальна потужність на R9: РR9 = (Iвимк) (Iвимк)* R9
РR9 = 0,25мкА* 2,40кОм=0,0006Вт.
Обираємо резистор R9. Тип резистора МЛТ (потужність 0,125Вт, діапазон номінальних значень 8,2Ом…3МОм, максимальне відхилення від номінального значення 5%), користуючись стандартным рядом Е24, отримаємо:
R9: МЛТ-0,125-2,4 кОм±5%
Оскільки вихідна напруга 5В, то обираємо наступні ємності конденсаторів:
С4≥0,1 мкФ, С5≈5…10 мкФ
Значення ємностей конденсаторів обираємо із стандартного ряду Е24. Конденсатор С4 обираємо типу К22-5 (межі ємностей 470…120000пФ, відхилення від номінального значення ±10%)
С4: К22-5-0,1мкФ±10%-25В.
Резистор R6 служить датчиком струму в схемі захисту від перевантажень по струму.
Опір цих резисторів визначаємо:
R6=0,7/0,15=4,6 Ом, R8=(5+0,7)/0,003=19 кОм
Потужність на R7:
РR7=I(R7R8)* I(R7R8)*R7, РR7=0,018Вт
Висновок: виконуючи курсовий проект, я ознайомився із різними типами стабілізаторів, зокрема зі стабілізатором постійної напруги компенсаційного типу, інтегральним стабілізатором та іншими. Також у ході роботи розглянув формули знаходження основних сталих величин стабілізаторів і навчився їх обчислювати.