Стабилизатор напряжения

Содержание 

Введение                 3

1 Общие сведения  о стабилизаторах напряжения          5

1.1 Основные параметры  стабилизаторов напряжения         5

1.2 Параметрические  стабилизаторы напряжения          6

1.3 Компенсационные  стабилизаторы напряжения          8

2 Расчет стабилизатора  напряжения          10

2.1 Требования  к проектируемому устройству         10

2.2 Расчет параметров схемы последовательного стабилизатора

напряжения              10

2.2.1 Разработка схемы электрической принципиальной последовательного стабилизатора напряжения           10

2.2.2 Расчет параметров схемы последовательного стабилизатора

напряжения           11

Заключение             14

Список использованных источников         15

 

       Введение 

       На  сегодняшний день появляются все  более сложные электронные системы, использующие в качестве элементной базы новейшие полупроводниковые приборы  и интегральные микросхемы с высокой  степенью интеграции.

       Успешное развитие науки и техники в рамках жестокой конкуренции во многом обусловлено успехами электроники. Трудно представить какую-либо отрасль производства, в которой бы в той или иной степени не использовались электронные приборы или электронные устройства автоматики.

       Основным  источником питания электронных  устройств являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным [1]. Качество работы электронной схемы в значительной степени определяется стабильностью источников питания и величиной их выходного сопротивления. Напряжение питания должно оставаться постоянным при колебаниях напряжения и частоты сети, изменениях нагрузки, а также при колебаниях температуры, влажности и давления окружающей среды и т.д. Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения [2].

       Кроме того стабилизаторы напряжения в  одних устройствах используются как высокостабильные источники питания, обеспечивающие необходимую надежность работы, в других – как источники эталонного (образцового) напряжения. Образцовое напряжение необходимо во многих системах авторегулирования и телеметрии, измерительных схемах, схемах преобразования непрерывных величин в дискретную форму, в схемах электрического моделирования.

       Развитие  полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности.

       Полупроводниковые стабилизаторы могут также использоваться взамен аккумуляторных и сухих батарей в измерительных и поверочных лабораториях.

       Целью курсовой работы является расчет последовательного  стабилизатора напряжения. Для поставленной цели необходимо решить следующие частные  задачи.

1. Провести обзор основные параметры стабилизаторов напряжения.
2. Рассмотреть виды стабилизаторов напряжения (параметрические и компенсационные).
3. Сформулировать требования к проектируемой схеме.
4. Спроектировать схему последовательного стабилизатора напряжения.
5. Провести расчет параметров схемы последовательного стабилизатора напряжения.
6. Разработать печатную плату устройства.

 

 

       1 Общие сведения  о стабилизаторах напряжения 

       Стабилизатором  напряжения называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке [2]. Таким образом, стабилизатор напряжения - это устройство, на выходе которого напряжение остается неизменным при воздействии дестабилизирующих факторов. 

       1.1 Основные параметры стабилизаторов  напряжения 

       К основным параметрам стабилизаторов напряжения относят коэффициент стабилизации, выходное сопротивление, коэффициент  полезного действия и дрейф выходного  постоянного напряжения и другие [3].

       Рассмотрим  основные параметры стабилизаторов напряжения.

       Коэффициент стабилизации равен отношению относительного приращения напряжения на входе U₁ к относительному приращению напряжения на выходе стабилизатора U_н при неизменной нагрузке. 

 

       Выходное  сопротивление равно отношению  изменения выходного напряжения ∆U_н и вызвавшему его изменению тока нагрузки ∆I_н при постоянном напряжении на входе. 

 

       Коэффициент полезного действия (КПД) равен отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

       Дрейф выходного напряжения стабилизатора  в основном обусловлен дрейфом источника опорного напряжения и дрейфом первого каскада усилителя. Дрейф за счет других элементов схемы значительно ослабляется цепью отрицательной обратной связи.

       В ряде случаев стабилизаторы напряжения характеризуются абсолютным коэффициентом  стабилизации, который одновременно показывает сглаживающее действие стабилизатора как фильтра статическим выходным сопротивлением и коэффициентом стабилизации тока. 

       1.2 Параметрические стабилизаторы  напряжения 

       В параметрических стабилизаторах напряжения используются нелинейные элементы, напряжение на которых в пределах некоторого участка вольт-амперной характеристики не зависит от тока, протекающего, через элемент [4]. Подобную вольт-амперную характеристику имеет стабилитрон тлеющего разряда и полупроводниковый стабилитрон (опорный диод). В настоящее время полупроводниковые стабилитроны выпускаются на различные номинальные напряжения и практически вытеснили стабилитроны тлеющего разряда.

       Схема параметрического стабилизатора приведена  на рисунке 1. 

 

       Стабилитрон включен параллельно нагрузке. При  увеличении входного напряжения начинает возрастать ток нагрузки и несколько  увеличивается напряжение на стабилитроне, что приводит к резкому увеличению его тока. В результате этого избыток  входного напряжения будет погашен  на балластном сопротивлении R_б, а выходное напряжение практически вернется к прежней величине. При изменении сопротивления нагрузки, например, при уменьшении R_н, увеличиваются ток схемы и падение напряжения на R_б и несколько снижается напряжение на стабилитроне. При этом резко уменьшается ток стабилитрона, а общий ток схемы снижается практически до прежнего значения и, следовательно, выходное напряжение практически также сохраняет прежнюю величину.

       В режиме холостого хода весь ток нагрузки протекает через стабилитрон  и может вывести прибор из строя; это надо учитывать при расчете  схемы.

       Балансный резистор R_б ограничивает величину тока стабилитрона и определяет стабильность выходного напряжения. С ростом R_б увеличивается коэффициент стабилизации, но падает КПД схемы.

       Величина  резистора R_б выбирается из условия 

 

где – номинальный ток, , – максимальные и минимальные токи стабилитрона в режиме стабилизации.

       Выходное  сопротивление параметрического стабилизатора  определяется дифференциальным сопротивлением стабилитрона, т.е. .

       Коэффициент стабилизации можно определить, полагая  при и , что и .

       Тогда из формулы (1) 

 

       Обычно  К_ст не превышает 20÷50. Для увеличения К_ст можно применять каскадное включение стабилизаторов.

       Параметрические стабилизаторы не позволяют регулировать выходное напряжение и обеспечивают удовлетворительную стабилизацию только при малых токах нагрузки ( ). 

       1.3 Компенсационные стабилизаторы  напряжения 

       В компенсационных стабилизаторах напряжения производится сравнение фактической величины выходного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака разности между ними автоматически осуществляется соответствующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этой разности [4].

       Структурные схемы компенсационных стабилизаторов напряжения приведены на рисунке 2.

 

       В стабилизаторах этого типа непрерывно происходит сравнение напряжения на нагрузке Uн (или его части) с опорным напряжением Uоп. При отклонении Uн от заданной величины появляется сигнал, равный разности , воздействующий через усилитель У на регулирующий элемент РЭ, который возвращает величину Uн к требуемому значению.

       В качестве источника опорного напряжения обычно используется параметрический  стабилитрон, усилитель У является усилителем постоянного тока, РЭ представляет собой транзистор, сопротивление которого меняется при подаче усиленной разности ( ).

       Регулирующий  элемент может включатся между выпрямителем и нагрузкой и выполнять роль балластного сопротивления. Такие стабилизаторы называются стабилизаторами последовательного типа (рисунок 2а). В стабилизаторах параллельного типа РЭ включен параллельно нагрузке, а последовательно с ним включен балластный резистор Rб (рисунок 2б). Стабилизаторы параллельного типа имеют меньший КПД и применяются реже, чем стабилизаторы последовательного типа.

 

        2 Расчет стабилизатора напряжения 

       2.1 Требования к проектируемому  устройству 

       Сформулируем  требования к последовательному  стабилизатору напряжения:

• коэффициент стабилизации Кст более 1000;
• относительное изменение входного напряжения ∆U вх = ± 2 В;
• входное напряжение U вх = 12 В;
• минимальное напряжение на нагрузке U нмин = 4 В;
• максимальное напряжение на нагрузке U нмах = 6 В;
• максимальный ток на нагрузке Iнмах = 2А.

 

       2.2 Разработка и расчет параметров схемы последовательного стабилизатора напряжения 

       С учетом вышеизложенных требований проведем расчет схемы стабилизатора напряжения последовательного типа. 

       2.2.1 Разработка схемы электрической принципиальной последовательного стабилизатора напряжения 

       На  первом этапе составим приблизительную схему компенсационного стабилизатора напряжения (рисунок 3) . После проведения расчета, данная схема будет доработана. Только после полного расчета режимов работы и выбора элементов можно составить окончательный вариант схемы электрической принципиальной компенсационного стабилизатора напряжения.