курсовая. Стабилизатор напряжения

• Название: Стабилизатор напряжения
• Анкор: курсовая
• Дата: 03.10.2022
• Размер: 104.41 Kb.
• Имя файла: Kursovaya_rabota_Variant_3.docx
• Тип: Курсовая; #710953

Федеральное агентство связи

ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет

телекоммуникаций и информатики»

Уральский технический институт связи и информатики (филиал)

Кафедра общепрофессиональных дисциплин

технических специальностей


СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Курсовая работа по дисциплине "Электроника"

Пояснительная записка

210700 000 000 060 ПЗ
Вариант № 2

Руководитель		В.И.Паутов
кандидат технических наук, доцент
Студент группы ИТЕ-32б		Бирюков Н.А.

Екатеринбург 2014

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 3

1.Структурная схема стабилизатора 4

2.Общие вопросы проектирования 5

3.Определение исходных данных 6

4. Выбор транзистора 7

5. Выбор стабилитрона 9

6.СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА СТАБИЛИТРОНОВ 10

7. Расчет параметров стабилизатора 12

8. Защита стабилизатора по току 14

9. Защита нагрузки от перенапряжения 15

10. Индикация состояния стабилизатора 17

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18

Литература 19

ВВЕДЕНИЕ

Курсовая работа ставит своей целью закрепить знания, полученные при изучении теоретической части дисциплины в частности, применения полупроводниковых диодов и транзисторов, привить навыки самостоятельной работы по разработке и анализу схем аппаратуры связи, пользование справочной и специализированной литературой.

В данной курсовой работе были использованы следующие основные термины: транзистор, стабилитрон. Вышеперечисленные понятия и механизмы рассмотрены мною ниже:

Транзистор — электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т.п.

Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для поддержания напряженияисточника питания на заданном уровне. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию легирующих элементов (примесей). Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

Стабилизаторы, рассматриваемые в курсовой работе, широко используются в зарядных устройствах, в качестве источников питания маломощных радиоэлектронных устройств.

1. 
   Структурная схема стабилизатора
   

Структурная схема стабилизатора представлена на рисунке 1.

ИП – источник питания стабилизатора, СЭ – силовой элемент, ИОН - источник опорного напряжения, СЗ – схема защиты, И – индикация состояния стабилизатора, Н – нагрузка стабилизатора.

2. Общие вопросы проектирования

При выборе элементов схемы руководствуются минимально возможными параметрами. Например, если по расчёту получается мощность, выделяющаяся на резисторе равна 0,25 Вт, то элемент следует выбирать на эту мощность, возможно с небольшим запасом. Без необходимости не следует выбирать элемент высокого класса. Например, во многих электронных схемах вполне устраивает разброс параметров резисторов ± 5%, что соответствует ряду Е24.

При выборе режимов работы элементов и схем следует выбирать минимально возможные значения токов и напряжений.

3. Определение исходных данных

По соотношениям оценивается возможность использования параметрического стабилизатора. Если параметрический стабилизатор не может обеспечить требуемый ток нагрузки, то можно попытаться включить транзистор для увеличения выходного тока стабилизатора Введение транзистора VТ позволит увеличить ток нагрузки I_H в В раз по сравнению с допустимым током стабилитрона. В – статический коэффициент усиления транзистора. В схеме использован эмиттерный повторитель напряжения стабилитрона VD.

4. Выбор транзистора

Выберем напряжение стабилизации равным 7 В, номинальное значение тока нагрузки I_Н = 60 мА. Ток нагрузки может изменяться на ± 40. Тогда I_Hmax = 100 мА, I_Hmin = 20 мА.

Транзистор включен по схеме общий коллектор, поэтому можно принять, что ток коллектора равен току эмиттера. Транзистор выбирается по максимальному значению тока коллектора I_Kmax и допустимой мощности рассеяния. Максимальный ток коллектора, указанный на ВАХ, должен лежать в пределах (1,1÷1,5) ∙ I_Hmax, т.е. 110<I_Kmax<150. Для указанного условия подходит транзистор типа КТ503Б.
По максимальному значению тока выбирается транзистор и по справочным данным определяются его параметры: коэффициент передачи тока базы В, допустимая мощность рассеяния коллектора при заданном максимальном значении окружающей температуры Р_Кдоп. Коэффициент усиления В можно определить по вольт - амперным коллекторным характеристикам транзистора В = ∆I_K/∆I_Б при напряжении 7 В.

Исходя из характеристик рис.3 транзистор типа ГТ612Б получаем В ≈ 100.



Рисунок 3. - Входная и выходная характеристики транзистора ГТ612Б
Определяется необходимый максимальный ток базы:

I_Бmax= I_Кmax /В = 200/100 = 2 мА


Для нормальной работы транзистора средней мощности и с учетом изменения напряжения питания, напряжение между коллектором и эмиттером должно быть не менее 9 вольт. Примем напряжение U_КЭ = 10В. При этом минимальное напряжение на коллекторе оказывается равным U_Kmin = U_Иmin = 17 В

По заданию напряжение источника питания может изменяться в диапазоне ±15%, что составит 19.55 ± 2,93 В, U_Иmах = 22,48 В.

Таким образом, к транзистору прикладывается максимальное напряжение U_КЭmax = U_Иmах – U_Н = 22,48 – 10,0 = 12,48 В. Для всех транзисторов средней мощности такое напряжение вполне допустимо.

На основании приведённых расчётов выбирается источник питания для стабилизатора. Среднее значение напряжения U_Иср= 20 В.

Теперь можно определить мощность рассеяния:
Р_К=U_КЭmax*I_Кmax=22,48 · 0,15= 3,37 Вт > Р_КДОП = 1,5 Вт.
Полученная мощность рассеяния превышает допустимую, то транзистор следует поместить на радиатор. Выбор необходимой площади радиатора проводится по графикам рисунка 4. Превышение мощности 45 %, проводится горизонтальная линия до пересечения с графиком, и получаем площадь радиатора равную 90 .

5. Выбор стабилитрона

Учитывая падение напряжения U_БЭ ≈ 0,25 В выберем стабилитрон

КС168Б. Его напряжение U_СТ = 10 В, максимальный ток I_СТmax = 20 мА, ТКН менее 0,8 %, ξ = + 7,5 10^‑2 %/^ОС.

Оценим изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на Δt= 40⁰С. ΔU_СТ=U_СТ∙ξ∙Δt = 7 ∙ 0,75 · 40 = 0,210 В. Напряжение
U_СТ = 7 В изменяется на 0,210 В (0,210 мВ). Такой температурный дрейф недопустим по заданию.

Ч тобы скомпенсировать положительный ТКН стабилитрона VD1,
включим последовательно стабилитрон с отрицательным ТКН. Напряжение компенсации U_К определим по графику рис.6. На оси ξ_СТ выберем значение включим последовательно стабилитрон с отрицательным ТКН. Напряжение компенсации U_К определим по графику рис.4. На оси ξ_СТ выберем значение ξ_СТ = – 0,075 (у стабилитрона ξ_СТ = +0,075). Проведём стрелку до пересечения с графиком ТКН. Через полученную точку проведём сечение (штрихпунктирная линия). Согласно построению необходим стабилитрон с напряжением стабилизации равным примерно 3,1 В. Такому напряжению соответствует стабилитрон КС131А, его напряжение стабилизации U_СТ = 3,1 В (таблица 2).

После этого необходимо выбрать основной стабилитрон VD1 с напряжением U_СТ ≈ (U_Н – U_К+ 0,8В)= (7 – 3,1 + 0,25) = 4,15 В (при условии, что транзистор на основе германия U_БЭ = 0,25 В). Для рассматриваемого примера подходит стабилитрон КС140А с напряжением U_CT = 4,15 ± 5% B.

6.СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА СТАБИЛИТРОНОВ

Ток стабилитронов задает резистор R1, подключенный к источнику питания. Изменение напряжения источника приводит к изменению тока стабилитронов, их сопротивления и в конечном итоге влияет на выходное напряжение стабилизатора (рис. 7).


Для уменьшения влияния дрейфа напряжения источника питания U_И на параметры стабилизатора за стабилизируем ток стабилитронов с помощью специальной схемы, называемой генератором стабильного тока (ГСТ) (рис. 19).

Напряжение на базе транзистора VT2 рис. 19 застабилизировано с помощью стабилитрона VD3, поэтому транзистор включён по схеме общая база. О
R1
н работает в режиме стабилизатора тока, в котором ток коллектора не зависит от изменения напряжения U_И.

Ток коллектора транзистора VT2 задаёт ток стабилитронов VD1, VD2 и ток базы транзистора VT1.

При выборе транзистора VT1 было принято напряжение U_КЭ = 10 В. При этом напряжение U_КБ составляет 9,2 В (потенциал базы транзистора VT1 выше потенциала эмиттера на 0,8В). Это напряжение приложено к цепи транзистора VT2 (U_Rэ+ U_ЭК = U_КБ) и его следует поделить поровну между транзистором и резистором, т.е. U_Rэ = U_ЭК = 4,6 В.

Выбор транзистора VТ2.
С целью уменьшения сопротивления r_СТ стабилитронов VD1 и VD2 зададимся допустимым током через них равным 20 мА.

Учтём также ток базы транзистора VT1 I_Б = 1,2 мА.

По транзистору VT2 и по резистору R_Э должен протекать ток, равный I_К2 = (I_СТ + I_Б) =20+1,2=21,2 мА.

По полученному току коллектора выбирается транзистор VT2. Допустимый ток коллектора должен быть больше полученного в расчёте. Проверяется допустимая мощность рассеяния транзистора VT2.

Р_Кдоп>U_КЭ∙I_K = 4,6∙21,2 ≈ 100 мВт.

По допустимой мощности и току коллектора выбирается транзистор из таблицы 3. Например, применить транзистор малой мощности типа КТ203В.

По транзистору VT2 и по резистору R_Э должен протекать ток, равный 21,2 мА. Сопротивление R_Э = U_Rэ/I_Rэ = 4,6 В/21,2 мА = 217 Ом. Примем номинальное значение R_Э = 220 Ом.

Напряжение на сопротивлении R_Э = 4,6 В. Напряжение U_БЭ = 0,8 В. Напряжение U_Б = (4,6 + 0,8) = 5,4 В. Теперь можно выбрать стабилитрон на напряжение U_CT = 5,4B.

По справочным данным выберем стабилитрон КС156А.

Зададим ток стабилитрона VD3 равным 5 мА. При минимальном напряжении источника U_П по сопротивлению R1 будет протекать ток 5 мА. Прикладывается напряжение U_П за вычетом напряжения на диодах VD3 (5,6 В) и VD2 (U_К = 3,1 В). Эти напряжения в сумме дают U_R1 = 8,7 В. Тогда сопротивление
R1= (20 – 8,7) / 5 = 2,26 кОм.

Выбираем номинальное значение (округлив в меньшую сторону), например 2,2 кОм (ряд Е24), на схеме обозначается 2К2.

Поскольку принято иное значение резистора, то следует вычислить фактическое значение тока

I_R1 = (20 В –8,7 В)/2,2 К = 5,14 мА.

Рассеиваемая резистором мощность P_R1=I_R1·U_R1=5,14 мА · 8,7 В=44,72 мВт. Можно выбрать резистор с мощностью 1/8 Вт.

Определяем реальные сопротивления диодов VD1 и VD2.

По диоду VD1 течёт ток 20 мА (стабилитрон КС140А), по диоду VD2 (диод КС131А) течёт ток 25.14 мА (ток I_К2 и ток стабилитрона VD3). Воспользуемся графиками рис. 20, на которых указаны токи, протекающие по стабилитрону. Проведем сечения (штрихпунктирные линии) для напряжений стабилизации и токов, протекающих по стабилитронам.

Согласно построению сопротивление диода VD1 составляет примерно 10 Ом, сопротивление диода VD2 примерно 21 Ом. Общее сопротивление, включённое в цепь базы транзистора VТ1, составляет 31 Ом (r_СТΣ = 31 Ом).


7


. Расчет параметров стабилизатора
Коэффициент стабилизации определяется по соотношении (3.2 в методических указаниях)


где r_СТ – общее сопротивление стабилитронов,

r_К– сопротивление коллекторной цепи транзистора VT1,

h₁₁ – входное сопротивление транзистора, которое определяется по входной характеристике I_Б = f(U_БЭ) для тока базы, определенного в предыдущих разделах.

Определяем параметры транзистора VT1.

Параметр h₁₁ определяется по приращениям тока и напряжения на входной характеристике h₁₁ = ∆U_БЭ /∆I_Б.Ток базы был вычислен ранее (в примере I_Б = 1,2 мА). Значение тока базы откладываем на оси тока базы, проводим прямую линию до пересечения с характеристикой, получаем положение рабочей точки (РТ). Строим характеристический прямоугольный треугольник так, чтобы РТ оказалась примерно в средине гипотенузы треугольника. Катеты проецируем на ось тока и напряжения. Вычисляем значения ∆U_БЭ и ∆I_Б.

Из построения находим, что ∆U_БЭ≈ 0,05 В, ∆I_Б = 0,4 мА.

h₁₁ = ∆U_БЭ /∆I_Б =0,05В / 0,4 мА = 125 Ом.

Сопротивление r_К определяется по коллекторным вольт - амперным характеристикам транзистора. Для этого проводим вертикальную прямую для напряжения 7 В, находится точка пересечения прямой с характеристикой токабазы, принятого в расчете. Возле этой точки строится характеристический треугольник, катеты которого проецируются на оси и находятся значения приращения тока и напряжения ∆U_КЭ и ∆I_К. Вычисляется сопротивление r_К. Построения показаны на рис. 6.
Из построения определяем∆U_КЭ = 5 В, ∆I_К ≈ 10 мА.
r_К = ∆U_КЭ /∆I_К = 5 В / 10 мА = 1,2 кОм.
Коэффициент В определяется аналогичным способом В = ∆I_К/∆I_Б.

На рисунке 6 ∆I_К ≈ 15 мА (показано стрелкой на сечении), ∆I_Б = 0,3 мА.

Получаем В ≈ 50.




ΔI_Б = 0,3мА мА



1220 Ом

10В




∙

∙

= 260 Ом



=
(31 + 125) Ом

25 В



51

Выходное сопротивление стабилизатора
R_ВЫХ = r_Э + (r_СТ + r_б )/(1 + B) (3.3 в методических указаниях)
Сопротивление r_б = h₁₁ – r_Э (1 + B) = 83 – 0,52*51 = 56,48 Ом.


R_ВЫХ = 0,52 + (31 + 56,48) / 51 = 2,24 Ом.

8. Защита стабилизатора по току

В случае уменьшения сопротивления нагрузки увеличивается ток вплоть до короткого замыкания. В этом случае силовой транзистор VT1 может сгореть. В таких ситуациях необходима защита стабилизатора по току.

В ключим в токовую цепь нагрузки специальное сопротивление R_T, выполняющего роль преобразователя тока в напряжение. При протекании по сопротивлению тока выделяется напряжение с полярностью, указанной на рис. 9. Это напряжение воздействует на вход транзистора VT3. При заданном токе транзистор открывается и берет на себя часть тока базы транзистора VT1. Последний закрывается и ограничивает ток коллектора. При максимальном токе нагрузки транзистор VT3 закрыт и не оказывает влияния на работу стабилизатора.

Примем, что защита должна включиться, если ток превышает двойной максимальный ток нагрузки. Примем транзистор VT3 германиевый n-p-n типа. Напряжение открывания у такого транзистора составляет 0,3В.

(0.3 I_Нmax = 0,15A). Вычисляем величину сопротивления R_T.
R_T = 0,3 В/0,15 А = 2 Ом. Выбираем меньшее номинальное значение
Выбираем меньшее номинальное значение 1,9 Ом. Вычисляется мощность рассеяния на резисторе и его тип.

Транзистор VT3 можно выбрать любой германиевый n-p-n типа.

9. Защита нагрузки от перенапряжения

В случае выхода транзистора VT1 из строя на нагрузку попадает полное напряжение питания, что может вывести нагрузку из строя. Необходима схема защиты нагрузки от возможного перенапряжения. В таких случаях используются быстродействующие электронные схемы защиты (рисунок 6).

Состоит из тиристора VS5, стабилитрона VD4 и двух резисторов. В исходном состоянии тиристор VS5 закрыт, его управляющий вход подключен к катоду через сопротивление R2. Стабилитрон VD4 также закрыт егонапряжение включения на 10% больше напряжения нагрузки. Как только напряжение на нагрузке увеличивается по каким-либо причинам, стабилитронVD4 открывается, открывается тиристор и закорачивает выходную цепь стабилизатора. После этого сгорает плавкий предохранитель FU.

Сопротивление R2 ограничивает ток стабилитрона на уровне
5 ÷ 10 мА. Из этих условий выбирается стабилитрон и резистор. В рассматриваемом примере U_H = 10 В. Можно использовать стабилитрон КС213В с напряжением включения 13 В (таблица 2). При выходе из строя транзистора VT1 на стабилитрон VD4 может поступать минимальное напряжение питания, равное 20 В. Зададимся током стабилитрона равным 5 мА. При пробое стабилитрона к резистору R2 прикладывается напряжение (20 – 13) = 7 В. Сопротивление R2 = 7 В/5мА = 1,4 кОм.

Проверим, не превышает ли ток через стабилитрон допустимое значение при максимальном напряжении источника питания равным 22,48 В.

(22,48 – 13) В / 1,4 кОм = 6,77 мА, что вполне допустимо для выбранного типа стабилитрона.

Напряжение включения тиристора должно быть больше напряжения питания U_Иmax (параметр U_A таблица 5). При выборе тиристора можно ориентироваться следующим условием. Если ток нагрузки меньше 100 мА, то выбирается тиристор с током анода 100 мА и менее. Если ток нагрузки больше 100 мА, то выбирается тиристор с током анода 100 мА и более.
В примере можно выбрать тиристор КУ101В U_А = 50 В, I_А = 80 мА.
Выбранные элементы вносятся в перечень элементов схемы.

VT1




R5

FU

R3

VD8

VD7

VD4

R4

Ст




С1




R_H







+ С2

+

VD6




R2

U_И




VS5






Рис. 11. Схема защиты и индикации

Сопротивление R3 ограничивает ток анода тиристора. Выбираем его исходя из допустимого тока тиристора, который равен 670 Ом.

10. Индикация состояния стабилизатора

Индикация состояния стабилизатора осуществляется с помощью светодиодов. Нормальное состояние принято индицировать зеленым цветом, критическое состояние – красным. В нормальном состоянии тиристор закрыт и напряжение на аноде равно напряжению на нагрузке. Светодиод VD6 (СИД) светится. Сопротивление R4=(U_H-U_ПР) I_ПР=4,5В/10мА=450 Ом Вычисляется мощность рассеяния на резисторе, выбирается его тип.

Индикация состояния перегрузки стабилизатора осуществляется с помощью СИД VD8. В исходном состоянии диод не светится, т.к. напряжение ограничено стабилитроном VD7. Напряжение включения стабилитрона выбирается на 10% больше максимального напряжения U_КЭ транзистора VT1. Получим 33 В Расчет сопротивления R5 выберем резистор с сопротивлением 1,2В/5мА=240 Ом.

СИД выбирается с красным свечением.

Ток этой цепи удерживает тиристор в открытом состоянии.

Плавкий предохранитель FU выбирается на такой ток, чтобы он сработал при допустимом токе тиристора равным 100 мА.

Для устранения низкочастотных и высокочастотных помех на выходе стабилизатора параллельно нагрузке включаются емкости С1 = 0,1 мкФ и
С2 = 10 ÷ 20 мкФ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе выполнения курсовой работы успешно были достигнуты поставленные цели, рассмотренные основные понятия, касающиеся устройств в системах связи.

Также были рассчитаны устройства, применяемые в системах связи. Былирасширены умения по использованию справочными данными, а такжезакреплены знания, полученные при изучении теоретической части дисциплины в частности, применения полупроводниковых диодов и транзисторов, рассчитывать параметры этих устройств, и элементов входящих в их состав.

Поскольку все поставленные цели успешно достигнуты, а необходимые для работы навыки успешно усвоены, необходимые расчеты выполнены, можно считать курсовую работу выполненной.

Литература

1. Тырышкин И.С. Физические основы полупроводниковой электроники. М.: Высшая школа 2000.

2. Лачин В. И. Электроника: учеб. пособие / В. И. Лачин, Н. С. Савёлов.

- Ростов-на-Дону: изд-во "Феникс" 2007.

3. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2002. 622 с.

4. Воробьёв Н. И. Проектирование электронных устройств: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1989. 223 с.

5. Шустов М.А. Практическая схемотехника. Источники питания и стабилизаторы. – М. : Издательский дом «Додэка – ХХI», «Альтекс», 2007.

6. Матвиенко В.А. Характеристики и параметры полупроводниковых приборов. Учеб. пособие. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007.

7. Молокова Г.Ф. Основные требования к оформлению дипломного проекта : Методические указания. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО
«СибГУТИ», 2005.

8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник / А. А. Зайцев, А. И. Миркин, В. В. Мокряков и др.; Под ред. А. В. Голомедова. М.: Радио и связь, 1989. 640 с.