Реферат

Курсовой проект имеет объем 23 страницы, содержится шесть рисунков, использовано 7 источников. Разработанный стабилизатор постоянного напряжения предназначен для использования в трехфазных низковольтных сетях. Были разработаны и рассчитаны выпрямитель, фильтр и стабилизатор. Полученные параметры К_СТАБ=1818, К_П0,01%, входные и выходные значения напряжений и токов удовлетворяют техническому заданию. Также была разработана печатная плата на основе рассчитанной схемы.

Содержание

Введение

2

1 Выбор и обоснование структурной схемы

3

2 Выбор и обоснование принципиальной схемы

5

3 Расчет принципиальной схемы

8

4 Расчет КПД устройства

18

5 Конструкторская часть

19

Заключение

20

Список литературы

21

Приложение

22

Введение

Широкое развитие радиоэлектроники и внедрение ее во все отрасли науки и техники являются реалией нашего времени. Для нормального функционирования всех видов радиоэлектронных устройств (вычислительных комплексов, аппаратуры радио и связи, робототехнических средств и т.д.) необходимы системы энергетического снабжения.

Высокие технико-экономические показатели радиоэлектронных устройств во многом зависят от параметров источников вторичного электропитания.

Наиболее распространенной являются ИВЭ, состоящие из источника переменного напряжения, выпрямителей и стабилизаторов постоянного напряжения. В одних устройствах они используются как стабильные источники питания, обеспечивающие надежность работы, в других – еще и как источники эталонного (образцового) напряжения.

Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые высокостабильные источники образцового напряжения практически любой мощности и небольших габаритов. Дальнейшее развитие ИВЭ привело к созданию и развитию класса силовых интегральных микросхем.

1 Выбор и обоснование структурной схемы

Существуют несколько типов стабилизаторов постоянного напряжения: параметрические, компенсационные последовательные и параллельные, на ОУ и интегральных микросхемах. В рамках ТЗ будут рассматриваться только первые три типа. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Так, например, параметрический стабилизатор характеризуется простотой исполнения и высоким КПД, но имеет низкий коэффициент стабилизации. При включении двух и более параметрических стабилизаторов последовательно их коэффициенты стабилизации и КПД перемножаются. Также в параметрических стабилизаторах невозможно плавное регулирование выходного напряжения.

Высокие коэффициенты стабилизации можно получить только с помощью стабилизатора компенсационного типа (СКТ), который выполняется по структурной схеме изображенной на рисунке 1.

Регулирующий элемент

Усилитель

Схема сравнения

U_вх U_вых

U_ус

_у

а)

Регулирующий элемент

Усилитель

Схема сравнения

Балластный элемент

U_вх U_вых

б)

Рисунок 1.

При компенсационном методе стабилизации осуществляется автоматическое регулирование выходного напряжения, связанное с воздействием отрицательной обратной связи на регулирующий элемент (РЭ) схемы.

Стабилизаторы с параллельно включенным РЭ (рисунок 1б) имеют меньший КПД по сравнению с последовательными схемами (рисунок 1а), достоинством же этого способа включения РЭ является более высокая надежность, так как отсутствует опасность перегрузок стабилизаторы при коротких замыканиях на выходе.

Так как на вход подается трехфазное сетевое напряжение, то необходимо использовать выпрямитель с фильтром, для выпрямления напряжения и уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. В результате синтезируем следующую структурную схему:

Регулирующий элемент

Усилитель

Схема сравнения

Выпрямитель

Рис 2.

2 Выбор и обоснование принципиальной схемы

Для выпрямления используем трехфазный выпрямитель выполненный по схеме Ларионова. Так как напряжение сети приблизительно равно выходному напряжению, то нужно использовать безтрансформаторный выпрямитель с емкостным фильтром. Схема Ларионова имеет хорошие энергетические показатели, низкое обратное напряжение и имеет высокий коэффициент сглаживания пульсацией.

Рисунок 3

В качестве стабилизатора можно использовать данный вариант схемы:

Рисунок 4

Эта схема не может обеспечить достаточный коэффициент стабилизации, следовательно, необходимо использовать СКТ с последовательно включенным РЭ. Так как ток нагрузки достаточно велик в качестве РЭ используется составной транзистор:

Рисунок 5

Схема на Рисунок 5 включает следующие узлы: РЭ, состоящий из транзисторов VT1, VT2 и резистора R1; схема сравнения (СС), состоящей из делителя напряжения R3,R4, стабилитрона VD1 и резистора R2; усилитель тока, состоящий из транзистора VT3 и резистора R5. Данная схема обеспечивает коэффициент стабилизации порядка 300-500. Для повышения коэффициента стабилизации можно использовать токостабилизирующий двухполюсник (ТД) включенный в коллекторную цепь транзистора VT3. ТД состоит из транзистора, двух резисторов и стабилитрона:

Рисунок 6

Применение ТД в этом случае эквивалентно включению в коллекторную цепь транзистора VT4 очень большого сопротивления для изменений тока.

3 Расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет регулирующего элемента

3.1.1 Согласно схеме находим наименьшее напряжение на входе стабилизатора:

где U_кзmin – минимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT3 U_ПВХ - максимальный уровень пульсаций входного напряжения.

Исходя из того, что VT3 предположительно кремневый, то U_кзmin выбираем в пределе 3..5 В.

Учитывая нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора ±10%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

Из полученных данных рассчитываем выпрямитель и сглаживающий фильтр.

3.1.2 Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе:

U_K3MAX= U_BXMAX – U_H=18,5–12= 6,5В.

Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT3, равняется:

По полученным значениям U_к3max, I_н, Р₃ выбираем тип регулирующего транзистора.

Таблица 1 – параметры транзистора КТ817А

Марка транзистора

КТ817А

Тип транзистора

N-P-N

Допустимый ток коллектора, I_{к мах} , А

3

Доп. напряжение коллектор-эмиттер, U_{к мах} , В

25

Рассеиваемая мощность коллектора, P_мах , Вт

25

Минимальный коэф. передачи тока базы, h_{21Э3 min}

750

По статическим ВАХ выбранного транзистора находим:

₍₁₎

₍₂₎

где h_11Э3 – входное сопротивление транзистора, Ом; m₃ – коэффициент передачи напряжения.

Находим ток базы транзистора VT3

3.1.3 Определяем начальные данные для выбора транзистора VT2. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер VT2

U_К2МАХ=U_К3МАХ – U_БЭ3 = 6,5 – 0.7 = 5.8В,

где U_БЭ3 – падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3 (0.7 В).

Ток коллектора VT2 приблизительно равен току базы VT3:

I_к2 = I_б3 = 0,08А.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT2, равняется

По полученным значениям U_к2max, I_к2, Р₂ выбираем тип транзистора

Таблица 2 – параметры транзистора КТ603Б

Марка транзистора

КТ603Б

Тип транзистора

N-P-N

Допустимый ток коллектора, I_{к мах} , А

0,3

Доп. напряжение коллектор-эмиттер, U_{к мах} , В

30

Рассеиваемая мощность коллектора, P_мах , Вт

0,5

Минимальный коэф. передачи тока базы, h_{21Э3 min}

60

По статическим ВАХ выбранного транзистора согласно формулам (1), (2) находим:

h_11Э2 = 300 Ом, m₂ = 600.

Рассчитываем ток базы VT2:

Находим сопротивление резистора R3:

Выбираем ближайший по стандарту номинал с учетом рассеиваемой на резисторе мощности:

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0,125 33 кОм ±5%.

3.1.4 Рассчитываем основные параметры составного транзистора.

Входное сопротивление транзистора:

h_11Эск =h_11Э2+h_11Э3 h_21Э2min= 300 + 3360 =2280Ом.

Коэффициент передачи напряжения транзистора:

Выходное сопротивление транзистора:

3.2 Расчет схемы сравнения и усилителя

3.2.1 Источником опорного напряжения берем параметрический стабилизатор напряжения на кремневом стабилитроне VD2 из расчета:

U_VD2 = U_вых – 3 = 12 – 3 = 9В.

Выбираем из справочника стабилитрон КС191Б.

Таблица 3 – параметры стабилитрона КС191Б

Параметр

КС191Б

Напряжение стабилизации U_ст, В

9,1

Средний ток стабилизации I _VD2 , А

5´10^-3

Дифференциальное сопротивление стабилитрона r_VD2, Ом

18

Вычисляем сопротивление резистора R4, задавши средний ток стабилитрона (I _R4 = I _VD2):

Мощность, рассеиваемая на резисторе R4, равняется:

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0,125 560 Ом ±5%.

3.2.2 Определяем начальные данные для выбора транзистора VT4. Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер транзистора:

U_к4max = U_н – U_VD2 = 12 – 9,1 = 2,9В.

Задаем ток коллектора VT4 меньшим нежили средний стабилитронаVD2:

I_К4 = 410^-3А.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT4:

Р₂ = I_к4U_{к4 max} = 4 10^-3 2,9 = 11,610^-3 Вт.

По полученным значениям U_к4max, I_к4, Р₄ выбираем тип транзистора

Таблица 4 – параметры транзистора КТ312В

Марка транзистора

КТ312В

Тип транзистора

N-P-N

Допустимый ток коллектора, I_{к мах} , А

0,3

Доп. напряжение коллектор-эмиттер, U_{к мах} , В

35

Рассеиваемая мощность коллектора, P_мах , Вт

0,225

Минимальный коэф. передачи тока базы, h_{21Э3 min}

25

По статическим ВАХ выбранного транзистора согласно формулам (1), (2) находим:

h_11Э4 = 110³ Ом, m₄ = 1000.

Рассчитываем ток базы VT4

3.2.3 Ток последовательно соединенных резисторов R5, R6 берем равным 10I_б4 и находим сопротивления резисторов:

I_дел = 10I_б4 = 101,610^-4 = 1,610^-3 А,

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор R5 типа МЛТ- 0,125 6,2 кОм ±5%, резистор R6 типа МЛТ- 0,125 1,3 кОм ±5%.

3.3 Расчет токостабилизирующего двухполюсника

3.3.1 Рабочее напряжение стабилитрона VD1 определяем из соотношения:

U_VD1 = 0,1U_{вх max} = 0,118,5 = 1,85В.

Выбираем стабилитрон КС119А

Таблица 5 – параметры стабилитрона КС119А

Параметр

КС119А

Напряжение стабилизации U_ст, В

1,9

Средний ток стабилизации I _VD1 , А

10´10^-3

Дифференциальное сопротивление стабилитрона r_VD1, Ом

15

Вычисляем сопротивление резистора R1, задавши средний ток стабилитрона (I_R1 = I_VD1):

Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, равняется

R1 = 0,9U_{вх max}  I_R1 = 0,918,51010^-3 = 0,1665Вт.

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ- 0,25 1,8 кОм ±5%.

3.3.2 Определяем начальные данные для выбора транзистора VT1. Рассчитываем ток коллектора транзистора VT1:

I_к1 = I_к4 + I_б2 = 410^-3 + 1,3310^-3 =5,3310^-3 А.

Находим напряжение коллектор-эмиттер VT1:

U_к1max = U_{вх max} - U_R2 + U_к4max - U_VD2 = 18,5 –1,1 + 3 – 9,1 = 11,4В,

где U_R2 = U_VD1 - U_бэ1 – падение напряжения на резисторе R2.

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзисторa VT1:

Р₁ = U_к1max I_к1 = 11,45,3310^-3 = 6,0810^-3 Вт.

По полученным значениям U_кmax, I_к, Р₁ выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Таблица 6 – параметры транзистора КТ313Б

Марка транзистора

КТ313Б

Тип транзистора

Р-N-P

Допустимый ток коллектора, I_{к мах} , А

0,35

Доп. напряжение коллектор-эмиттер, U_{к мах} , В

60

Рассеиваемая мощность коллектора, P_мах , Вт

0,3

Минимальный коэф. передачи тока базы, h_{21Э3 min}

80

Рассчитываем сопротивление резистора R2:

Р_R2 = U_R2I_К1 = 1,15,310^-3 = 5,8310^-3 Вт.

В соответствии с рядом Е24 выбираем резистор типа МЛТ - 0,125 - 200 Ом ±5%.

3.3.3 Рассчитываем входное сопротивление источника стабильного тока:

3.4 Расчет параметров стабилизации

3.4.1 Рассчитываем параметры усилителя обратной связи.

Сопротивление нагрузки усилителя:

Коэффициент усиления напряжения усилителя:

3.4.2 Рассчитываем коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора напряжения, а также величину пульсаций на выходе:

Рассчитываем коэффициент пульсаций:

Выходное сопротивление компенсационного стабилизатора будет

3.4.3 Проверяем соответствие рассчитанных параметров заданным условиям:

К_ст = 1818 > К_ст.зад = 1000,

К_п = 910^-3% < К_п.зад = 10010^-3%.

Полученные параметры удовлетворяют заданным условиям.

3.5 Расчет КПД стабилизатора

3.5.1 Определяем номинальное и минимальное значения КПД:

3.6 Расчет выпрямителя

3.6.1 Рассчитываем параметры фильтра. Выходные параметры U_П=U_ВХСТАБ = 16,8В, U_СП = 0,1В.

Выпрямленное напряжение при максимально допустимой нагрузке определяется по формуле:

U_П=1,41U_С,

Из полученных в расчетах стабилизатора данных для входного напряжения получим:

Находим емкость конденсатора фильтра:

где P_H=I_H U_П = 216,8 = 33,6Вт, f_C – частота пульсаций выпрямленного напряжения, m – количество фаз выпрямления, U_СП – амплитуда пульсаций выходного напряжения, U_CMIN – минимальное напряжение сети.

Выбираем из справочника конденсатор К50-29 емкостью 1000мкФ +50…–20% с рабочим напряжением 63В.

3.6.2 Рассчитываем параметры выпрямительного моста.

Напряжение на входе фильтра:

U_С = U_СНОМ - U_ПМ,

где U_СНОМ - напряжение сети, U_ПМ - падение выпрямленного напряжения на вентилях.

U_ПМ = U_СНОМ - U_С=14-12=2В.

В мостовой схеме в плечо моста включены два вентиля последовательно, следовательно, падение напряжение на одном вентиле равно:

Обратное напряжение на вентиле в схеме Ларионова:

U_ОБРМАХ=1,05U_С=1,0512=12,6В.

Находим долю выпрямленного тока, приходящуюся на вентиль:

I_СР=0,33I₀=0,332=0,66А,

где I₀ - ток нагрузки.

Выбираем из справочника вентиль КД208А.

Таблица 7 – параметры вентиля КД202В

Параметр

КД208А

Допустимое обратное напряжение U_{ОБР,ДОП}, В

100

Допустимый выпрямленный ток I_ДОП, А

1

Прямое падение напряжения U_ПР, В

1

3.6.3 Определяем КПД выпрямителя:

где потери в вентиле P_Д = I₀ U_ПР N = 212=4Вт (N – количество вентилей в плече).

4 Расчет КПД устройства

Коэффициент полезного действия рассчитываемого устройства может быть найден из произведения КПД его составных частей – выпрямителя и стабилизатора:

КПД компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения порядка 50-60%, следовательно, сравнительно низкий полученный КПД является недостатком данного типа стабилизаторов.

5 Конструкторская часть

Максимальное рабочее напряжение рассчитанной схемы – 19В. Для печатной платы на основе стеклотекстолита минимальное расстояние между проводниками при данном напряжении – 0,15мм /7, с.306/.

Для печатных проводников, используемых в бытовой аппаратуре, допускается плотность тока до 30А/мм², следовательно для схемы с максимальной силой тока 2А необходимо использовать печатные проводники шириной не менее 1,3мм.

Диаметр контактной площадки определяем по формуле:

d_K = d + 2b + c = 1,2 + 20,3 + 0,7 = 2,5мм,

где, d – диаметр отверстия, берется из расчета, что диаметр выводов используемых элементов 0,9мм, и диаметр отверстия делают на 0,3мм больше; b – необходимая минимальная радиальная толщина контактной площадки, с – коэффициент разброса межцентрового расстояния и смещения фольги.

Плату изготовить химическим методом. Шаг координатной сетки 2,5мм. Материал – стеклотекстолит СФ-1Н-1,5 ГОСТ10316-78. Элементы паять припоем Прв КР2 ПОС-61 ГОСТ 21931-76. Длина выступающих выводов за плату 0,5-1,0мм. Установку элементов производить по ОСТ 4010.030-81

Разводка платы производилась с помощью программы ACCEL EDA V15.0.

Заключение

Курсовой проект выполнен в соответствии с заданием на проектирование, полученные результаты К_СТАБ=1818, К_П0,01% удовлетворяют ТЗ.

Также в соответствии с ТЗ были разработаны односторонняя печатная плата и печатный узел размером 55Х85мм.

В данной схеме возможно установить элементы индикации о состоянии регулирующего элемента, о перегрузке компенсационного стабилизатора, о наличии питающего напряжения. Также возможна установка тепловой защиты РЭ.

Список литературы

1. Аксенов А.И., Нефедов А.В. Резисторы, конденсаторы, провода, припои, флюсы. Справочное пособие. – М.: СОЛОН-Р, 2000. - 240 с.

2. Аксенов А.И., Нефедов А.В., Юшин А.М. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры. Диоды. Транзисторы. Справочник. - М.: Радио и связь, 1993. – 224 с.

3. Артамонов Б.И., Бокуняев А.А. Источники электропитания радиоустройств. – М.: Энергоиздат, 1982. – 296 с.

4. Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. - Киев: Вища школа, 1983. - 240с.

5. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник /Под ред. Найвельта Г.С.- М.: Радио и связь, 1986. – 576 с.

6. Перельман Б.Л. Полупроводниковые приборы: Справочник. – М: СОЛОН, МИКРОТЕХ, 1996. – 176 с.

7. Фрумкин Г.Д. Расчет и конструирование радиоэлектронной радиоаппаратуры. – М.: Высшая школа, 1989. – 463 с.