Расчет стабилизатора напряжения

Введение 

       Одним из важнейших узлов любой радиоаппаратуры является стабилизатор напряжения питания. Еще совсем недавно такие узлы строились на стабилизаторах и транзисторах. Общее число элементов стабилизатора было довольно значительным, особенно, если от него требовалась функция регулировки выходного напряжения, защиты от перегрузок, короткого замыкания и ограничения выходного тока на заданном уровне. С появлением специализированных микросхем ситуация изменилась. Современные микросхемы стабилизаторов напряжения выпускаются на широкий диапазон выходных напряжений и токов, они имеют защиту от перегрузки по току и от перегрева – при перегреве кристалла микросхемы свыше допустимой температуры она закрывается и ограничивает выходной ток.

       Имеются многочисленные таблицы, где приведены  перечни наиболее распространенных микросхем линейных стабилизаторов напряжений на фиксированное выходное напряжение, а так же приводится разводка выводов этих микросхем (так называемая «цоколевка» по аналогии с радиолампами). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Исходные  данные

       Таблица 1

 

       Из  таблицы 1 следует, что нужная нам микросхема имеет маркировку КР1180ЕН12.

Первые  две буквы обозначают материал микросхемы:

КР –  кремний; ЕН – тип микросхемы – стабилизатор напряжения,

12 –  выходное напряжение +12В.

Согласно  таблице параметры схемы таковы (т.е. рабочие характеристики):

Uстаб.входн.=12В, Iст.мах.=1,5А, Pст=10Вт 

Тип корпуса КТ-28-2 и маркировка корпуса 7812.

Таблица 2.

 

Согласно  таблице 2, эта микросхема должна питаться от напряжения 18В, иметь стабилизированный ток 5А, при напряжении  Uстаб=12В. Кроме того, схема должна на выходе иметь положительную полярность.

                               - выход (2)

                               - общий (8)

                               - вход (17)

           Рис.1

Мы можем  использовать типовую схему, для  получения фиксированного напряжения такого вида:

                        Рис. 2

На этой схеме:

DA1 – микросхема КР1180ЕН12,

С₁,С₂,С₃ – электролитические конденсаторы

R₁,R₂ – делители напряжения. 

     Выбор электрической схемы  и расчет элементов  стабилизатора напряжения на микросхеме КР1180ЕН12. 

     Мы  видим, что согласно заданию мы должны рассчитать ток стабилизатор напряжения, чтобы он обеспечивал мощность

P=IU=I_ст∙U_вых=5А∙12В=60Вт

Но сама микросхема может обеспечить P=10Вт, т.е

P_расч/P= = 6

     Таким образом мы видим, что сама микросхема не может обеспечить требуемую мощность, и следовательно необходимо обеспечить достаточное охлаждение микросхемы при помощи мощного радиатора и, может быть необходимо использовать принудительное охлаждение, например, охлаждение её при помощи вентилятора на 12В.

      Чтобы получить постоянное стабильное напряжение используя схему на рис.2 необходимо правильно рассчитать величину делителя напряжения R₁,R₂ и получить при его помощи постоянное опорное напряжение, которое снимается с резистора R₂ и подается на общий (управляющий) электрод (вывод) 8.

      Величина  тока, потребляемая делителем напряжения R₁,R₂ должна быть I_д>1,5 мА. Выбираем - I_д=1,6 мА=1,6∙10^-3А.

      Общее сопротивление R₁,R₂ (делитель напряжения) найдем по формуле: 

Таблица 3.

 

Согласно  таблице 3 – выбираем:

R₂ – 6кОм и R₁=R₁R₂-R₂=7,5кОм-6кОм=1,5кОм

опорное напряжение:

U_оп=I_д∙R₂=9,6В

      Конденсаторы

C₁,C₂ и C₃ должны быть электролитическими (оксидными) или танталовыми и иметь ёмкость: в первом случае C₁=C₂=C₃=3мкФ.

     Конденсаторы  должны быть рассчитаны на U_раб=50В, выбираем оксидные конденсаторы как более доступные и дешевые.

     Конденсатор C₁ предназначен для сглаживания пульсации входного напряжения, конденсатор C₂ предназначен для сглаживания пульсации опорного напряжения и С₃ – для сглаживания пульсаций выходного напряжения. Так как в нашем случае U_вх=18В, а данная микросхема рассчитана на входное напряжение 12В, то если не принять специальных мер, то эта микросхема может выйти из строя. Чтобы этого не случилось, необходимо на входе включить гасящее (защитное) сопротивление

      

Так как  схема потребляет малый ток (10-100мкА), то считаем I_входа=I_вых=5А

     Следовательно:  

Мощность  рассеивания: P_{рассеив}=I²R_защ=(5²)∙1,2=25∙1,2=30Вт 

     Дополнение:

     1. Для защиты микросхемы от порчи  при отсутствии входного напряжения  и подключения её выхода к  напряжению (при зарядке аккумулятора) можно добавить диод D1

     2. Во входной цепи можно поставить предохранитель на 10А.

     3. На выходе можно поставить  светодиодный индикатор напряжения  выхода со стабилизатора, включив  светодиод через гасящее сопротивление

     (I_светод=5мА, R_сопр= =2,4кОм)

     4. На входе будет полезным тумблер. 

     Охлаждение  микросхемы

Поскольку данный стабилизатор должен выдавать мощность во много раз большую, чем  может обеспечить микросхема, то необходимо данную микросхему разместить на массивном  радиаторе, который может быть изготовлен из алюминия и иметь размеры, превышающие  размеры микросхемы в два-три  раза и иметь толщину 2-3 мм.

      Способ  крепления микросхемы показан на рисунке 3.

Если  микросхема будет нагреваться, можно  использовать вентилятор U_раб=12В и P=10Вт

Микросхему  нужно изолировать от металла  при помощи слюды.

Расположение  микросхемы КР1180ЕН12 на радиаторе можно  изобразить так: 

Рис.3 

Общая схема стабилизатора  напряжения и его  характеристика. 

Данный стабилизатор должен быть собран по схеме:

Данный стабилизатор напряжения имеет следующие характеристики:

1) U_вх=18В

2)U_вых=12В (стаб)

3)КПД = ∙100%=  = 0,66=66%

4)Защита от короткого замыкания – предохранитель 10А

5) Охлаждение  – радиатор

6)P_{вых,мах}=I∙U=5∙12В=60Вт

7)Минимальное  сопротивление нагрузки R_min= = = 2,4Ом

8)Максимальная  мощность P_max=I∙U=5А∙12В=60Вт

9)Коэффициент  пульсации К=0,5-1%