Проектирование интегрального стабилизатора напряжения

Федеральное агентство  по образованию Российской федерации

 

Санкт-Петербургский  государственный Электротехнический Университет 

Кафедра МОЭВМ

 

 

 

 

Курсовая  работа

Схемотехника

 

«Проектирование интегрального стабилизатора напряжения»

 

Вариант № 7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                

 

 

 

Факультет: ФКТИ

Группа: 3351

Студент: Калишенко Е.Л.

Проверил: Соколов Ю.М.

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2005 год

 

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание

 

Параметры	Значение
Номинальное выходное напряжение	15
Максимально допустимый ток нагрузки	1,2
Падение напряжения вход-выход, не более	3
Диапазон допустимых входных напряжений Uвх. min Uвх. max	18 30
Ток потребления в  режиме холостого хода, не более (мА)	8
Коэффициент стабилизации, не менее	5x103
Выходное сопротивление, не более	2*10-3
Относительная температурная  нестабильность выходного напряжения, не более
Коэффициент сглаживания  пульсаций, не менее дБ
Диапазон рабочих температур	-

Общие сведения об источниках вторичного питания

 

ИВЭП, как правило, преобразуют  напряжение сети U_c=220В±10% (переменное, нестабилизированное, f=50Гц) в стабилизированное низковольтное напряжение с малой пульсацией: U_вых=15В±0,1%.

Это обусловлено тем, что большинство электронных  устройств и приборов питается от стабилизированного постоянного низковольтного напряжения.

1) Типовая структура ИВЭП:

 

   

1. силовой понижающий трансформатор, преобразующий высокое переменного входное напряжение в низкое переменное той же частоты и осуществляющий гальваническую развязку между входом и выходом ИВЭП;
2. выпрямитель и фильтр (например, диодный мостик с конденсатором на выходе), преобразующие низкое переменное напряжение в низкое постоянное напряжение с некоторой пульсацией;
3. стабилизатор постоянного напряжения: стабилизирует выходное напряжение, уменьшает выходное сопротивление ИВЭП, уменьшает пульсацию выходного напряжения.

 

Пульсацию входного напряжения стабилизатор воспринимает как нестабильность и стабилизирует напряжение. Основной недостаток структуры ИВЭП - большие габариты и вес силового понижающего трансформатора, что обусловлено большим количеством обмотки для работы на низкой частоте (50 Гц).

 

2) Перспективная структура ИВЭП:

 

 

 

 

  u                u              u         u         u 

    t      t   t              t              t 

 

 

     (до 1 блока)      (после 1 блока)   (после 2 блока)  (после 3 блока)   (после 4 блока)

 

1. высоковольтный выпрямитель с фильтром (например, диодный мостик с конденсатором на выходе), преобразующий высоковольтное переменное напряжение в высоковольтное постоянное напряжение с некоторой пульсацией;
2. преобразователь напряжения: преобразует высокое постоянное напряжение в низкое переменное, как правило, прямоугольной формы;
3. выходной выпрямитель и фильтр: преобразует низкое переменное напряжение в низкое постоянное;
4. стабилизатор постоянного напряжения (во многих случаях интегральный),в основном необходим для уменьшения выходного сопротивления.

 

 

В перспективной структуре, также как и в традиционной, в преобразователе напряжения 3 есть силовой понижающий трансформатор, но он работает на частотах f_k=50-100 кГц, что много больше f_с , и значит его габариты и вес в десятки раз меньше, чем в традиционной структуре.

Таким образом двойное  преобразование переменного напряжения в постоянное в перспективной  структуре необходимо только для  того, чтобы силовой понижающий трансформатор работал на высокой частоте и следовательно имел меньшие габариты и вес.

 

Стабилизаторы постоянного напряжения и их параметры

 

 

СПН – электронное  устройство, стабилизирующее постоянное напряжение на его выходе U_вых при изменении в широких пределах входного напряжения U_вх и тока нагрузки I_н.

Нестабильность U_вх обусловлена нестабильностью сети, а нестабильность тока нагрузки I_н связана с изменением эквивалента нагрузки R_н электронного устройства, получающего питание с выхода стабилизатора.

 

Основные  параметры СН:

1. U_вых, В – номинальное выходное напряжение;
2. I_н.макс, А – максимальный ток нагрузки (СН должен стабилизировать выходное напряжение с заданной точностью при изменении тока нагрузки от 0 до I_н.макс);
3. k_ст – коэффициент стабилизации СН:

                                    k_U – коэффициент передачи по напряжению;

4. R_вых – выходное сопротивление СН:

                                   R_вых =∆U_вых/∆I_н;

5.  – относительная температурная нестабильность выходного напряжения:

                                                 

Параметры идеального СН:

U_вых ® const          k_ст ® ¥

I_н.макс ® ¥               k_U ® 0

В плане параметров k_ст и k_U идеальный СН дуален идеальному усилителю, который должен  усиливать входной сигнал (k_ст ® 0, k_U ® ¥), а идеальный СН должен его ослаблять, воспринимая как нестабильность.

R_вых ® 0, поэтому идеальный СН дуален идеальному стабилизатору тока.

     СПН классифицируются:

1. Параметрические СН. Их действие основано на нелинейности ВАХ кремниевых стабилитронов или диодов.
2. Компенсационные СН. Их действие основано на общей отрицательной обратной связи (ООС), стабилизирующей напряжение на выходе СН. Регулирующий элемент (РЭ) в этих СН работает в непрерывном (активном) режиме, поэтому на нем рассеивается достаточно большая мощность.

3. Импульсные СН. В этих СН РЭ работает в ключевом режиме, поэтому на нем рассеивается  малая мощность. Напряжение на выходе поддерживается постоянным за счет вариации относительной длительности включения и отключения состояния РЭ.

Проектирование ИСН на уровне инженерного  синтеза схемы

Выбор функциональной схемы ИСН

Выбираем схему непрерывного компенсационного стабилизатора. Напряжение на его выходе поддерживается постоянным за счет действия общей ООС.

Рассмотрим типовую функциональную схему, являющуюся базовой в курсовом проекте:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функциональный состав схемы:

РЭ – регулирующий элемент на транзисторах VT1 и VT2;

ИОН – источник опорного напряжения;

ДУ – дифференциальный усилитель сигнала рассогласования;

R₁, R₂ – делитель выходного напряжения;

R_н – эквивалент нагрузки.

 

Основное уравнение  стабилизатора: Из уравнения очевидно, что вся нестабильность выделяется на РЭ.

Силовой ток нагрузки (I_н.макс) течет по цепи: + U_вх, КЭ транзистора VT1, цепь нагрузки Rн, общая шина. Толька эта цепь в стабилизаторе сильноточная (А). Все остальные цепи слаботочные (единицы и доли A).

Рассмотрим работу цепи отрицательной обратной связи в  случае, если под воздействием дестабилизирующих факторов на выходе увеличится напряжение с +15В до +16В. При этом на выходе получили положительное приращение напряжения, которое через делитель напряжения R1, R2 поступает на инвертирующий вход ДУ, на выходе ДУ получаем отрицательное приращение, которое поступает на базу транзистора VT2 РЭ. В петле ОС VT2 и VT1 включены по схеме с ОК и фазу не инвертируют. Поэтому на выход стабилизатора возвращается отрицательное приращение напряжения, компенсирующее первоначальное положительное возмущение. Следовательно в стабилизаторе имеем общую ООС, стабилизирующую выходное напряжение.

Проведем расчёт сопротивлений  резисторов схемы.

U_вых=15 В;

U_ОП » 1,2 В - постоянное низковольтное напряжение на выходе ИОН.

I_дел. = I_R1 = I_R2= 2 мА

 

R_н.мин = U_вых/I_н.макс= 15/1,2=12,5 Ом.

Расчет сопротивления  делителя напряжения:

I_вх. = 0 и U_см. = 0 (в предположении, что ДУ идеальный)

R₁= (U_вых- U_оп)/ I_R1=(15- 1.2)/ 2*10^-3=6.9 кОм;

R₂ = U_оп / I_R2= 1.2/ 2*10^-3=0.6 кОм = 600 Ом.

Окончательно выбираем функциональную схему:

 

Эта схема в основном полностью совпадает с рассмотренной  выше, только в ней введены дополнительные узлы:

УЗСР – узел задания  статического режима;

ИТ – источник тока для питания входа РЭ;

С_н –конденсатор на выходе для дополнительной фильтрации выходного напряжения.

    

Выбор основных функциональных узлов ИСН

Регулирующий элемент

В качестве РЭ выбираем составной транзистор, представляющий собой каскадное соединение двух транзисторов с общим коллектором

 

Составной транзистор в  отличие от одиночного имеет большой коэффициент усиления по току, например β_VT1=50, β_VT2=100 => k_{I ∑}=I_вых./ I_вх.» β_VT1*β_VT2 =5000 (β_VT1, β_VT2 – коэффициенты передачи по току транзисторов VT1, VT2).

Таким образом, если I_н.макс = 1,2 А, то I_вх. = I_н.макс/(β_VT1*β_VT2) = 0,24 мА.

Вход РЭ связан с выходом  ДУ и выходом ИТ, поэтому в данном случае их можно проектировать на токи в единицы мА.

Если в данном случае выбрать в качестве РЭ одиночный  транзистор, то получим

I_вх. = I_н.макс/(β_VT1) =  24 мА

и ДУ и ИТ нужно проектировать на десятки миллиампер, что энергетически не выгодно.

Таким образом использование в качестве РЭ составного транзистора позволяет только одну цепь в стабилизаторе сделать сильноточной (кол. – эм. VT1, R_н), а все остальные - слаботочными.   

Источник опорного напряжения

Источник опорного напряжения реализует на выходе постоянное низковольтное  стабилизированное, температурно-компенсированное напряжение Uоп ≈ 1,2 В. ИОН питается от выходного напряжения стабилизатора.

Схему ИОН:

 

Механизм температурной компенсации напряжения ИОН:

U_оп = U_эб3 + U_R2; I_б» 0;

В дальнейших расчётах I_э» I_К, тогда U_R2» (U_эб1-U_эб2)×R₂/R₃=R₂/R₃×DU_эб;

U_оп = U_эб3+R₂/R₃×DU_эб.

Из физики транзистора  известно, что с ростом температуры  и фиксированном токе эмиттера, напряжение эмиттер-база U_эб уменьшается с температурным коэффициентом –2мВ/ºC. Разница напряжений эмиттер-база двух транзисторов с ростом температуры всегда возрастает с постоянным коэффициентом. Тогда из соотношения U_оп = =U_эб3+R₂/R₃×DU_эб  очевидно, что с ростом температуры, первое слагаемое уменьшается, а второе возрастает, и при соответственном выборе сопротивлений R₂ и R₃ осуществляется полная  температурная компенсация напряжения U_оп» 1,2 В.

Расчёт статического режима ИОН:

Дано: U_оп=1,2 В, U_вых=15 В, U_эб»0,6 В,