Cтабилизированные источники вторичного электропитания. КП. 1 функциональная схема источника электропитания 1 Общая схема
 Скачать 401.7 Kb.
|
|
1.4 Сглаживающие фильтры Уменьшение величины пульсации выпрямленного напряжения осуществляется при помощи сглаживающих фильтров, состоящих из одного или нескольких Г-образных звеньев LC или RC. Выбор того или иного звена или их сочетания определяется величиной пропускаемого через фильтр выпрямленного тока и коэффициента фильтрации (характера нагрузки). Основными параметрами сглаживающих фильтров являются коэффициент сглаживания kс и падение напряжения постоянного тока DU. Коэффициент сглаживания многозвенного фильтра равен произведению коэффициентов сглаживания каждого звена. Коэффициент пульсации на входе фильтра зависит от схемы выпрямителя и характера нагрузки, а также от величины емкости конденсатора С0 . Сглаживающие фильтры, состоящие из одного или нескольких Г-образных RC-звеньев, применяют при выпрямлении тока не более 20 мА. Расчет падении напряжения, В, сопротивления, Ом, и емкости, мкФ, однозвенного RС-фильтра может быть осуществлен по следующим соотношениям:  Для двухзвенного фильтра  где Н = 3000 при однополупериодном выпрямлении и Н == 1500 при двух-полупериодном. Сглаживающие фильтры, состоящие из одного или нескольких Г-образных LC-звеньев, применяют при выпрямлении тока более 20 мА. Для однозвенных LС-фильтров  ; для двухзвенных  , где Н1 = 10 при однополупериодном выпрямлении и Р1 = 2,5 при двухполупериодном. Обычно конденсатор С электролитический, с емкостью С=С0 . Если при расчете произведение LC > 200, то применяют двухзвенные фильтры.Сглаживающие фильтры на транзисторах характеризуются высокими коэффициентом полезного действия и коэффициентами сглаживания пульсации. Работа фильтра основана на том, что сопротивление перехода коллектор — эмиттер транзистора для переменного тока во много раз больше, чем для постоянной составляющей. Транзистор выбирают по току нагрузки, который должен быть в два раза меньше максимально допустимого тока коллектора. Транзисторные сглаживающие фильтры могут использоваться в качестве развязывающих. При наладке фильтра сопротивление резистора R подбирается таким, чтобы напряжение между коллектором и эмиттером транзистора было равным 16—20 В. 2 СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СТАБИЛИЗАТОРА И ЕЕ ОБОСНОВАНИЕ Напряжение источников электроэнергии переменного тока, от которых питается ИВЭП, в силу разных причин имеет широкие пределы изменения номинала и в соответствии с ГОСТом 5237-69 это напряжение может отличаться от номинального значения в пределах от 5 до 15%. Кроме того, в процессе работы изменяется и ток, потребляемый аппаратурой. Поэтому ИВЭП содержит в своей структуре стабилизатор напряжения. Простейшим стабилизатором напряжения является параметрический стабилизатор напряжения. С помощью такого стабилизатора можно получать стабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт при токах от единиц миллиампер до единиц ампер. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне может достигать 30-50. Основными достоинствами параметрического стабилизатора являются простота конструкции и надежность работы. К недостаткам следует отнести небольшой КПД, не превышающий 0.3, большое внутреннее сопротивление 5-20 Ом; узкий и нерегулируемый диапазон стабилизируемого напряжения. Компенсационные стабилизаторы постоянных напряжений и токов являются системами автоматического регулирования, в которых благодаря наличию ООТ обеспечивается постоянство напряжения и тока на нагрузке с высокой степенью точности. Компенсационные стабилизаторы лишены недостатков, свойственных параметрическим стабилизаторам, что достигается усложнением их схем. К достоинствам таких стабилизаторов можно отнести высокий коэффициент стабилизации (больше 1000); низкое внутреннее сопротивление (»10-3 ¸10-4 Ом); практическая безинерционность; отсутствие собственных помех. Недостатки: невысокие значения КПД (0.5-0.6); большая сложность, а следовательно, меньшая надежность; значительная масса и габариты. Стабилизаторы с непрерывным регулированием могут быть выполнены как с последовательным, так и с параллельным включением регулирующего элемента относительно нагрузки. Стабилизаторы последовательного типа рекомендуется применять с источниками первичного питающего напряжения, имеющими малое выходное сопротивление. КПД стабилизатора напряжения параллельного типа зависит от тока нагрузки. У стабилизаторов последовательного типа эта зависимость выражена слабее, т.е. при одинаковой выходной мощности, стабилизатор последовательного типа имеет более высокий КПД. Стабилизаторы напряжения параллельного типа не требуют принятия мер защиты от короткого замыкания на выходе. У стабилизаторов напряжения последовательного типа при коротком замыкании на выходе резко возрастает напряжение на регулирующем транзисторе, и поэтому для сохранения его работоспособности в схему вводят токоограничивающие защитные элементы. Режим холостого хода на выходе опасен для стабилизатора напряжения параллельного типа, т.к. на регулирующем транзисторе рассеивается большая мощность. В качестве стабилизатора напряжения в разрабатываемом ИВЭП я буду использовать компенсационный стабилизатор напряжения последовательного типа. Структурная схема стабилизатора приведена на рисунке 2.1.  Рисунок 2.1 - Структурная схема непрерывного последовательного стабилизатора напряжения Стабилизатор последовательного типа получает питание от выпрямителя. Стабилизатор состоит из регулирующего элемента РЭ; включенного последовательно с нагрузкой схемы сравнения и усиления постоянного тока. Схема сравнения стабилизатора включает в себя источник опорного напряжения ИОН, измерительный элемент ИЭ и элемент сравнения ЭС. При изменении выходного напряжения на выходе схемы сравнения появляется сигнал разности, который усиливается усилителем постоянного тока УПТ и поступает на вход РЭ. Изменение сигнала на входе регулирующего элемента приводит к изменению на нем напряжения и выходное напряжение изменяется до первоначального с определенной степенью точности. Для питания усилителя используют токостабилизирующий двухполюсник ТСД. 3 ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ 3.1 Регулирующий элемент В стабилизаторе напряжения постоянного тока последовательного типа регулирующий транзистор должен быть рассчитан на максимальный ток нагрузки при сравнительно малом напряжении коллектор-эмиттер. Одним из способов увеличения выходной мощности стабилизатора и умен6ьшения мощности рассеяния на регулирующем транзисторе является шунтирование транзистора мощным резистором. Для уменьшения мощности управления регулирующим транзистором применяется составзной транзистор(рис.3.1).  Рисунок 3.1 - Регулирующий составной транзистор Количество транзисторов, входящих в составной транзистор зависит от максимальных величин тока коллектора VT4(IK 4 max ) и тока коллектора транзистора усилителя(IK У ). Количество транзисторов должно быть таким, чтобы ток базы составного транзистора (Iбр ) был на порядок меньше тока IK У . Так как в качестве транзистора используются маломощные транзисторы и величина IK У составляет от 2 до 5mА, то соответственно ток Iбр равен от 0,2 до 0,5 mА. В составном транзисторе стабилизаторов напряжения с непрерывным способом регулирования необходимо включение резистора R5, обеспечивающего начальный ток смещения. Включение этого резистора способствует нормальной работе стабилизатора при высоких температурах окружающей среды и малых токах нагрузки. В составном транзисторе стабилизатора напряжения с непрерывным способом регулирования необходимо включение резисторов R4 и R5, обеспечивающих начальный ток смещения. Включение этих резисторов способствует нормальной работе стабилизатора при высоких температурах окружающей среды и малых токах нагрузки. 3.2 Измерительный элемент Измерительный элемент представляет собой делитель напряжения на резисторах R8, R9, R10. Он представлен на рисунке 3.2.  Рисунок 3.2 - Схема измерительного элемента Измерительный элемент подключается к выходу стабилизатора напряжения. Коэффициент деления напряжения в процессе работы стабилизатора должен оставаться неизменным. В стабилизаторе делитель напряжения измерительного элемента выполняет роль шунта на выходу схемы, обеспечивая протекание минимального коллекторного тока регулирующего транзистора в режиме холостого тока. 3.3 Источник опорного напряжения Источник опорного напряжения представляет собой однокаскадный параметрический стабилизатор напряжения представленный стабилитроном VD7, подключенный к базе транзистора VT5. и резистором R6 Он представлен на рисунке 3.3.  Рисунок 3.3 - Схема источника опорного напряжения 3.4 Элемент сравнения и усилитель постоянного тока Сравнение выходного напряжения с опорным в стабилизаторах напряжения обычно происходит на входе транзистора усилителя сигнала ошибки цепи ООС. Поэтому работа обоих элементов будет рассматриваться одновременно. В качестве усилителя сигнала ошибки используется дифференциальные усилители постоянного тока с эмиттерной связью. Дифференциальный усилитель, представленный на рисунке 3.3 выполнен на транзисторах VT5 и VT6 , причем VT5 работает как обычный усилитель сигнала ошибки. На его вход подается напряжение, снимаемое с резистора R7. В схемах дифференциальных усилителей постоянного тока усиленный сигнал ошибки можно снимать с коллекторов транзисторов VT5 и VT6 в зависимости от требуемой фазы. 3.5 Токостабилизирующий двухполюсник Токостабилизирующий двухполюсник изображен на рисунке 3.4.  Рисунок 3.4 – Токостабилизирующий двухполюсник Токостабилизирующий двухполюсник состоит из транзистора VT1, резисторов R2 и R2 и стабилитрона VD6. Такой ТСД представляет собой простейший транзисторный стабилизатор тока, обладающий внутренним сопротивлением. Транзистор VT1 управляется разностью напряжений стабилитрона VD6 и падением на резисторе R3. Напряжение на стабилитроне VD6 изменяется незначительно и так как оно приблизительно равно напряжению на резисторе R3 , то токи эмиттера и коллектора транзистора T1 почти не изменяются при изменении входного напряжения. Имея принципиальные схемы функциональных узлов можно составить принципиальную схему стабилизатора напряжения. Принципиальная схема стабилизатора напряжения представлена на рисунке 3.5.  Рисунок 3.5 — Принципиальная схема стабилизатора напряжения Принцип действия стабилизатора напряжения заключается в том, что в случае изменения тока нагрузки в сторону увеличения, например, выходное напряжение уменьшается за счет увеличения падения напряжения на «переходе» коллектор-эмиттер регулирующего транзистора VTp, который состоит из транзисторов VT2, VT3 и VT4, соединенных последовательно. Это вызовет уменьшение напряжения UНД на нижнем плече делителя напряжения. Вследствие этого потенциал базы транзистора VT5 станет менее положительным, что вызовет уменьшение его базового и коллекторных токов. Ток базы транзистора VTp станет больше, что приведет к уменьшению падения напряжения на «переходе» коллектор-эмиттер транзистора VT4. Выходная величина увеличится до первоначального значения. При изменении входного напряжения U0 (например, увеличение) в начальный момент времени начнет увеличиваться выходное напряжение UН , что приведет к увеличению напряжения UНД нижнем плече делителя. Напряжение UНД сравнивается с опорным напряжением UОП стабилитрона VD7. Увеличение напряжения UНД приводит к увеличению положительного потенциала базы транзистора VT5 и уменьшению тока базы транзистора VTp, состоящего из транзисторов VT2, VT3 и VT4, соединенных последовательно относительно эмиттера. Ток базы транзистора VTp уменьшается, что приводит к увеличению напряжения на «переходе» коллектор-эмиттер. Напряжение на выходе уменьшается до первоначального с определенной точностью. Регулирование выходного напряжения в схеме осуществляется потенциометром R9. При перемещении движка потенциометра в направлении плюсовой шины стабилизатора увеличивается напряжение UНД , что приводит к увеличению токов базы и коллектора VTp будет уменьшаться, увеличивая напряжение на «переходе» коллектор-эмиттер данного транзистора и напряжение на выходе стабилизатора будет уменьшаться. При перемещении движка потенциометра в сторону минусовой шины напряжение на выходе стабилизатора будет увеличиваться. 4 РАСЧЕТ СТАБИЛИЗАТОРА 4.1 Расчет силовой части стабилизатора Определяем максимальный ток через регулирующий транзистор VТ4  где IН – номинальный выходной ток нагрузки, А; IВН – ток потребляемый схемой стабилизатора равный 20-30 мА.  Определяем максимальное выходное напряжение стабилизатора  где Uвых – номинальный выходное напряжение, В; k– нестабильность выходного напряжения в %., k = 0,02.  Определим амплитуду пульсации на входе стабилизатора  Зададимся значением Uкэ 4min = 2В  Определим минимальное напряжение на входе стабилизатора.  Определим номинальное напряжение на входе стабилизатора  где amin =0,2  Определим максимальное напряжение на входе стабилизатора  где amax =0,2  Определим min выходное напряжение стабилизатора  Определим напряжение коллектор-эмиттер на транзисторе VТ4  Из подсчитанных данных видно, что Uкэ4 =17В будет максимальным. Определим максимальную рассеивающую мощность транзистора.  Выбираем транзистор VТ4 по следующим параметрам:  По [6] выбираем транзистор типа П210Ш  Определим минимальные и максимальные токи базы  Количество транзисторов входящих в составной зависит от максимальной величины тока коллектора транзистора VТ4 Iк4 max и тока коллектора транзистор усилителя VT6 Iку . Их число должно быть таким, чтобы ток базы составного транзистора Iбр был на порядок меньше тока коллектора Iку . Так, как в качестве VT6 используется маломощные транзисторы и величина тока Iку составляет 2¸5мА, то соответственно ток Iбр должен быть равен 0,2¸0,5 мА. Из рассчитанных данных видно, что необходим транзистор VТ3. Определим ток, который протекает через резистор R5:  Iб min »0  Определим величину сопротивления R5  По [7] выбираем резистор R5=1,8кОм Мощность рассеиваемая на R5  Выбираем резистор типа C2-23-0,25-1,8к Определим максимальный ток коллектора VТ3  Максимальное напряжение на переходе  Из подсчитанных данных видно, что Uкэ4 =17В будет максимальным. Определим максимальную рассеивающую мощность транзистора.  Выбираем транзистор VТ3 по следующим параметрам:  По [8] выбираем транзистор типа ГТ403А  Определим минимальные и максимальные токи базы  Если величина Iб3 max >(0,3¸0,5)мА, то необходимо увеличить число транзисторов входящих в составной до 3. Для выбора транзистора VТ2 необходимо определить величину тока через резистор R4, сопротивление R4, ток Ik 2 max , напряжение Uкэ2 max и мощность Pkv 2 . Определим ток, который протекает через резистор R4:  Iб min »0  Определим величину сопротивления R4  По [7] выбираем резистор R4=270кОм Мощность рассеиваемая на R4  Выбираем резистор типа C2-23-0,125-270к Определим максимальный ток коллектора VТ2  Максимальное напряжение на переходе  Определим максимальную рассеивающую мощность транзистора.  Выбираем транзистор VТ2 по следующим параметрам:  По [9] выбираем транзистор типа МП-20:  Определим минимальные и максимальные токи базы  Если величина Iб2 max <0,3мА, то количество транзисторов равно 3. |