Стабилизатор напряжения (стр. 2 из 3)

При перемещении движка переменного резистора R_УСТ будет изменяться снимаемое с него напряжение и, следовательно, напряжение на нагрузке U_H. Таким способом можно регулировать напряжение на нагрузке от нуля до значения, равного напряжению стабилизации стабилитрона VD (точнее, до значения U_CT-U_ЭБ).

Если ток базы регулирующего транзистора VT1 велик, в стабилизатор вводят дополнительный усилитель постоянного тока. Одна из схем такого стабилизатора приведена на рис. 1.3. Напряжение, подаваемое с движка потенциометра R3 на базу транзистора VT2, на котором выполнен дополнительный усилитель постоянного тока, называется напряжением обратной связи (U_OC). Из рисунка видно, что U_OC=U_CТ+ U_ЭБ. Ток, протекающий через потенциометр R3, не должен превышать 10...15 мА. Сопротивление резистора R1 обычно составляет несколько килоом.

Коэффициент стабилизации стабилизатора около 100, а выходное сопротивление составляет десятые доли ома.

Расчет компенсационного стабилизатора напряжения начинают с выбора регулирующего транзистора VT1. Максимально допустимое его напряжение U_{КЭ.МАКС} должно превышать наибольшее напряжение на входе стабилизатора (U_{ВХ.МАКС}), а максимально допустимый ток коллектора I_K_.МАКС - быть больше предельного значения тока нагрузки.

Максимальная мощность, рассеиваемая транзистором VT1, определяется по формуле:

Значение этой мощности должно составлять не более 75% от максимально допустимой мощности Р_{К.МАКС”} приводимой в справочнике. Если это условие невыполнимо, необходимо выбрать другой транзистор — с большим значением Р_К.МАКС.

Определив по справочнику для выбранного транзистора VT1 минимальное значение статического коэффициента передачи тока базы h₂₁_E, рассчитывают максимальный ток базы, соответствующий максимальному току нагрузки:

Поскольку ток I_Б макс транзистора VT1 является током нагрузки простейшего стабилизатора, состоящего из резистора R1 и стабилитрона VD, то по его значению находят сопротивление резистора R1 по условию:

(U_{вх.макс}-U_ст.мин)/I_ст.мах≤R1≤(U_вх.мин-U_ст.мин)/ (I_ст.мин-I_Б.макс)

Сопротивление резистора R2 можно определить по формуле:

R2= U_вых/I_н*(0,05...0,1).

Для нормальной работы стабилизатора требуется, чтобы напряжение на переходе коллектор—эмиттер транзистора VT1 было не менее 1 В, если транзистор VT1 германиевый, и не менее 3 В — если кремниевый.

Cложность построения рассмотренных стабилизаторов возрастает с увеличением требований к параметрам выходного напряжения.

Задача конструирования высококачественных стабилизаторов напряжения значительно упрощается, если использовать интегральные стабилизаторы. Эти стабилизаторы отличаются малыми размерами и в то же время позволяют получить стабильные параметры выходного напряжения, малочувствительные к изменениям температуры, влажности и другим внешним воздействиям.

Примером интегрального стабилизатора напряжения, получившего широкое распространение в радиолюбительской практике, является микросхема серии 142, имеющая множество разновидностей. ИМС этой серии позволяют получать фиксированное выходное напряжение, имеют защиту от перегрузок по току, выпускаются в металлополимерных корпусах, могут работать при температурах от -45 до +100°С и весят всего 2,5 г. У них всего три вывода—вход, выход и общий. Корпус микросхемы соединен с металлической пластинкой, в которой имеется отверстие для крепления на терморассеивающем радиаторе. Несмотря на наличие всего трех выводов, в миниатюрном кристалле этих микросхем выполнено более 17 биполярных транзисторов, 3 диода, два из которых являются стабилитронами, 19 резисторов и 1 конденсатор.

2. Описание электрической схемы выбранного устройства

В результате анализа технического задания было выяснено, что получить требуемые параметры, используя типовые схемы стабилизаторов не возможно, вследствие сложности проектирования: большое количество каскадов (больше 10) и большое количество элементов обвязки. Расчет такого стабилизатора также будет затруднен необходимостью подбора радиоэлементов по параметрам и согласование каскадов. Оптимальным решением в данном случае будет применение интегрального стабилизатора напряжения. Такие стабилизаторы содержат большое количество транзисторов (больше 10) , подобранных по параметрам, каскады включения согласованы. Не маловажным фактором является и то, что основные каскады стабилизации содержаться в одном корпусе. Это обеспечивает термостабильность (работу стабилизатора при температурах -40°С до +100°С).

На рис. 2.1 приведена типовая схема включения стабилизатора с обвязкой, необходимой для работы микросхемы.

На приведенной схеме стабилизатора напряжения резисторы R1, R2 и конденсатор C1 составляют обвязку микросхемы, их номиналы содержатся в справочнике по параметрах стабилизаторов.

Резистор R3 - это резистор защиты стабилизатора от перегрузки выходным током.

Пара резисторов R4, R5 задают порог срабатывания тепловой защиты стабилизатора.

Конденсатор C2 позволяет снизить уровень пульсаций и помех при большом входном напряжении.

Конденсатор С3 – для уменьшения броска тока при подключении нагрузки и снижения пульсаций выходного напряжения.

3. Расчёт элементов схемы

Из рассмотренных в справочниках микросхем выбираем интегральный стабилизатор напряжения зарубежного производства LM317T, параметры которого приведены в табл.3.1.

Табл. 3.1

Параметры микросхемы LM317T

Выходное стабилизированное напряжение U_ВЫХ^СТ, В	12…30
Максимальный ток нагрузки стабилизатора I_НАГР^MAX, А	1.5
Максимальное входное напряжение стабилизатора U_ВХ^MAX, В	40
Минимальное входное напряжение стабилизатора U_ВХ^MIN, В	20
Минимальная разность напряжений на входе и выходе стабилизатора (U_ВХ-U_ВыХ)_MIN, В	4
Ток потребления микросхемы I_ПОТР, мА	4
Коэффициент стабилизации К_СТ	50
К_н_I, %	0,5
Температурный коэффициент изменения выходного напряжения ТКU_ВЫХ, %/К	0,5

Как уже говорилось в предыдущем разделе резисторы R1, R2 и конденсатор C1 составляют обвязку микросхемы, их номиналы были получены из справочника по интегральным стабилизаторам:

R1=1.2 кОм

R2=2 кОм

C1=0.1 мкФ

Резистор R3 - это резистор защиты стабилизатора от перегрузки выходным током. Сопротивление этого резистора определяется по формуле (3.1).

R3=(1.25-0.5*I_ПОТР-0,023(U_ВХ- U_ВЫХ))/I_ПОТР (3.1)

Подставив необходимые значения в формулу получаем значение сопротивления R3=199 Ом, по которому из ряда Е24, номинальных значений сопротивлений выбираем R3=200 Ом ±2%.

Пара резисторов R4, R5 задают порог срабатывания тепловой защиты стабилизатора. Для отключения интегрального стабилизатора на третьей его ножке должно падать 1/3 выходного максимального напряжения, тогда R4/R5=3. Рассчитаем сопротивления так, чтобы рассеиваемая ими мощность не
превышала 0.125 Вт:

R4=(2/3*U_ВЫХ^MAX)/P_РАСС (3.2)

R5=(1/3*U_ВЫХ^MAX)/P_РАСС (3.3)

Подставив необходимые значения в формулы (3.2) и (3.3) получили значения R4=160 Ом, R5=80 Ом. Из ряда Е24, номинальных значений сопротивлений выбираем R5=82 Ом ±2%, R4=160 Ом ±2%.

Конденсатор C2 позволяет снизить уровень пульсаций и помех при большом входном напряжении. В справочнике интегральных стабилизаторов напряжения советуют ставить конденсатор емкостью 10 мкФ и более. Следовательно С2=16 мкФ.

Конденсатор С3 – для уменьшения броска тока при подключении нагрузки и снижения пульсаций выходного напряжения. Вследствие сказанного конденсатор должен иметь достаточно большую емкость (сотни микрофарад) и должен выдерживать напряжение в раза 1.5-3 больше чем максимальное выходное стабилизированное напряжение на выходе интегрального стабилизатора.

Выбираем С3=470 мкФ ±5% -50 В.

Мощности резисторов схемы рассчитываются по следующей формуле: