МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»
Кафедра «Захисту інформації»
/
КУРСОВА РОБОТА
з дисципліни:
«ЕЛЕКТРОНІКА ТА МІКРОСХЕМОТЕХНІКА»
на тему:
«СТАБІЛІЗОВАНЕ ДЖЕРЕЛО ЖИВЛЕННЯ»
Технічне завдання…………………………………………………………………….……
3
Вступ………………………………………………………………………..…....................
4
Стабілізатори напруги…….………………….………………………….….
5
Параметричні стабілізатори напруги.……………….………….….
5
1.2 Компенсаційні стабілізатори напруги…………………….……….
7
Синтез структурної схеми.………………………………….……………...
8
Розрахунок принципової схеми……………………………………………
12.
Розрахунок стабілізатора…………….………………………………
12
3.2 Розрахунок випрямляча……………………….……..………….…..
17
Моделювання……………………….……………………………………….
19
Перелік розрахованих елементів…………………………………………..
20
Висновок………………………………………………………………….....
Список використаної літератури………………………………………......
21
22
Технічне завдання
Варіант №9
Спроектувати стабілізоване джерело живлення, яке задовольняє наступні вимоги:
Uвих = 20В
Iн.ном = 1А
Iн.min = 0,5А
Uмер = 127В
fм = 50Гц
Кст. = 250
Uп.т. = 1мВ
Дрег.= 20%
δм = 5%
Тос.= 0÷60ºC
Вступ.
У кожному електронному пристрої є джерело електроживлення , від нормального функціонування якого залежить працездатність всього пристрою. Ці джерела різноманітні, і вибір того чи іншого з них визначається споживаної потужністю , видом електронного пристрою , а також умовами його експлуатації. В одних випадках джерела живлення конструктивно об'єднані з живильним пристроєм , в інших - відокремлені від нього і являють собою самостійну конструкцію.
Основним джерелом електричної енергії для промислових підприємств є енергосистеми або місцеві електричні станції , що виробляють змінний струм з частотою 50 Гц. Однак для безпосереднього живлення електронної апаратури промислового і побутового призначення потрібно, в основному , постійний струм.
Всі сучасні електроживлячі пристрої підрозділяються на первинні та вторинні джерела електричної енергії. До первинних відносяться всі безпосередні перетворювачі різних видів енергії в електричну : гальванічні і паливні елементи , сонячні батареї , атомні елементи і батареї , електромашинні і термоелектричні генератори , термоелектронні джерела струму і магнітогідродинамічні ( МГД ) генератори. Вторинними вважаються всі види перетворювачів струму , у тому числі , випрямлячі зі згладжуючими фільтрами , стабілізатори напруги і струму , перетворювачі постійного струму , різні електронні генератори струму високої і підвищеної частот. Сюди ж відносяться також акумулятори , оскільки їх можна використовувати як джерела живлення лише після попередньої зарядки.
1. СТАБІЛІЗАТОРИ НАПРУГИ
Стабілізатори напруги і струму служать для стабілізації відповідних величин. У їх побудові багато спільного, тому розглянемо тільки стабілізатори напруги. На рис.1 приведена схема включення стабілізатора напруги.
/
Рис.1. Схема включення стабілізатора напруги.
Основні статичні параметри стабілізатора напруги – коефіцієнт стабілізації та вихідний опір .
Коефіцієнт стабілізації характеризує наскільки змінюється напруга на виході стабілізатора ΔUст при зміні напруги живлення ΔUd і постійному струмі навантаження Iн = const
,
Вихідний опір стабілізатора характеризує якість стабілізації при зміні струму навантаження і постійній напрузі живлення.
,
Стабілізатори поділяються на:
а ) параметричні, в яких стабілізація здійснюється за рахунок якого-небудь параметра ;
б) компенсаційні або стабілізатори зі зворотними зв'язками.
1.1 Параметричні стабілізатори
Схема параметричного стабілізатора напруги на кремнієвому
стабілітроні показана на рис.2.
/
Рис.2.
Схема являє собою дільник напруги , що складається з резистора і стабілітрона VD. Навантажувальний резистор включений паралельно до стабілітрону. Тому в режимі стабілізації, коли напруга стабілітрона майже постійна, постійним буде і напруга на навантаженні.
Знайдемо напругу і струм стабілітрона графічним способом. ВАХ стабілітрона і лінійної частини ланцюга показані на рис. 3. Оскільки, зворотна гілка ВАХ стабілітрона розташована в першому квадранті . Навантажувальна характеристика лінійної підсхеми представляє пряму, що проходить через точки , що відповідають режимам холостого ходу і короткого замикання . Тут . Точка перетину навантажувальної прямої і ВАХ стабілітрона (точка А на рис. 3) є робочою точкою і визначає струм і напругу стабілітрона . Якщо вхідна напруга зміниться , навантажувальна пряма переміститься паралельно самій собі . Зміняться і координати робочої точки (точка В) . При цьому зміни вихідної напруги будуть невеликі до тих пір, поки робоча точка знаходиться на крутій ділянці ВАХ стабілітрона. Для підтримки режиму стабілізації опір розраховують так , щоб робоча точка розташовувалася посередині робочої ділянки ВАХ. Якщо вхідна напруга змінюється від до , то можна знайти за наближеною формулою:
Тут - середнє значення напруги на вході стабілітрона;
- середній струм стабілітрона;
- струм навантаження.
/
Рис.3.
Якщо вхідна напруга буде змінюватися, то буде змінюватися і струм стабілітрона, однак напруга стабілітрона і напруга навантаження будуть майже постійними.
Коефіцієнт стабілізації визначається за формулою:
Переваги розглянутої схеми - простота конструкції і надійність. Параметричні стабілізатори використовують для навантажень від декількох одиниць до десятків міліампер. Вони не бояться коротких замикань навантаження. Недоліки - невисокий ККД ( не більше 50 %), вузький діапазон регульованого напруги.
1.2 Компенсаційні стабілізатори
Компенсаційні стабілізатори володіють покращеними параметрами, ніж параметричні. Принцип їх дії заснований на тому, що послідовно або паралельно з навантаженням включається регулюючий елемент (РЕ). В залежності від підключення РЕ компенсаційні стабілізатори поділяються на послідовні та паралельні.
Паралельні стабілізатори мають менший ККД та застосовуються рідше. Для стабілізації підвищених напруг і струмів при змінних навантаженнях зазвичай використовують стабілізатори напруги послідовного типу. Принципова схема простого компенсаційного стабілізатора напруги на транзисторах приведена на рис. 4.
/
Рис.4. Послідовний компенсаційний стабілізатор напруги на двох транзисторах
Регулюючим елементом є транзистор VT1 (Rк = Rке1). Резистор R2 із стабілітроном VD утворюють параметричний стабілізатор напруги (ДОН). Резистори R3 і R4 являються дільником вихідної напруги (ВЕ). На транзисторі VT2 виконується схема порівняння та ППС.
Потенціал точки А відносно землі UA залежить від вхідної напруги UBX і стану транзистора VT2. Враховуючи, що транзистор VT1 включений за схемою повторювача напруги і беручи до уваги мізерність падіння напруги UБЕ1 в порівнянні з UBИХ, можна вважати, що UBИХ ~ UA. Отже задача стабілізації вихідної напруги полягає в підтримці постійної величини UA = UBX - UR1. Нехай під дією дестабілізуючих факторів напруга на навантаженні збільшилася. Це призведе до зростання напруги UБЕ2, наслідком чого буде збільшення колекторного струму транзистора VT2. У результаті зростання ІК2 збільшується падіння напруги на резисторі R1, потенціал точки А зменшується, а отже, і вихідна напруга.
При зменшенні вихідної напруги зменшується напруга UБЕ2. Опір переходу колектор-емітер VT2 збільшується, а отже, ІК2 зменшується, наслідком чого стає зменшення UR1. Потенціал точки А, а отже, і вихідна напруга збільшується.
2. СИНТЕЗ СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ
Структурна схема стабілізованого джерело живлення наведена на рис. 5 і складається з трансформатора, випрямляча, згладжуючого фільтру і стабілізатора.
Рис.5. Структурна схема стабілізованого джерела живлення
Трансформатором називається статичний електромагнітний пристрій, призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції електричної енергії змінного струму однієї напруги в електричну енергію іншої напруги, а також для перетворення числа фаз і частоти.
Трансформатори розрізняють:
а) за рівнем потужності:
Малої потужності, з номінальною потужністю 5 кВ • А і нижче у трифазних і 4 кВ • А і нижче у однофазних; силові однофазні та трифазні трансформатори більшої потужності.
б) за призначенням:
Силові трансформатори систем енергопостачання, призначені для перетворення електричної енергії з метою її передачі і розподілу з кращими техніко-економічними показниками; трансформатори живлення – трансформатори малої потужності, призначені для перетворення напруги електричних мереж в напругу, необхідну для живлення електронної апаратури, малопотужного електричного обладнання та побутових пристроїв, статичних перетворювачів енергії і т.д.; вимірювальні трансформатори, що розширюють межі виміру амперметрів, вольтметрів і ватметрів змінного струму; імпульсні трансформатори, призначені для формування, передачі і перетворення імпульсних сигналів.
в) за числом фаз:
Одно- і трифазні; трансформатори з числом фаз більше трьох зустрічаються тільки в деяких спеціальних схемах.
г) за кількістю обмоток у фазі:
Двох- і з багатьма обмотками.
Трансформатори виготовляють з повітряним або з масляним охолодженням, кожен зі способів може бути або з природним теплообміном, або з примусовою вентиляцією. У автоматичних системах найбільш поширені однофазні та трифазні трансформатори живлення малої потужності з повітряним охолодженням.
Випрямляч - це пристрій, який призначений для перетворення змінної напруги у постійну.
Мостова схема випрямляча
Принципова схема й осцилограми напруги в різних крапках випрямляча приведені на рис. 6.
/
Рис.6
U2 - Напруга вторинної обмотки трансформатора
Uн – Напруга на навантаженні.
Uн0 – Напруга на навантаженні при відсутності конденсатора.
Основна особливість даної схеми – використання однієї обмотки трансформатора при випрямленні обох напівперіодів перемінної напруги.
При випрямленні позитивного напівперіоду перемінної напруги струм проходить по наступній ланцюзі: Верхній висновок вторинної обмотки – вентиль V2 – верхній висновок навантаження – навантаження - нижній висновок навантаження - вентиль V3 – нижній висновок вторинної обмотки – обмотка.
При випрямленні негативного напівперіоду перемінної напруги струм проходить по наступній ланцюзі: Нижній висновок вторинної обмотки – вентиль V4 – верхній висновок навантаження - навантаження – нижній висновок навантаження – вентиль V1 – верхній висновок вторинної обмотки – обмотка.
Як ми бачимо, в обох випадках напрямок струму через навантаження (виділено курсивом) однаково.
Переваги: У порівнянні з однополуперіодної схемою мостова схема має в 2 рази менший рівень пульсацій, більш високий КПД, більш раціональне використання трансформатора і зменшення його розрахункової потужності. У порівнянні з двухполуперіодної схемою бруківка має більш просту конструкцію трансформатора при такому ж рівні пульсацій. Зворотна напруга вентилів може бути значно нижче, ніж у перших двох схемах.
Недоліки: Збільшення числа вентилів і необхідність шунтування вентилів для вирівнювання зворотної напруги на кожнім з них.
Згладжувальний фільтр
Не залежно від схеми випрямлячів, випрямлена напруга завжди є пульсуючою і містить, крім постійної складової і змінні складові. У більшості випадків живлення схем промислової електроніки пульсуючою напругою неприйнятне.
Оскільки в будь-якій схемі випрямляча коефіцієнт пульсацій вихідної напруги у багато разів перевищує допустимі межі, на виході випрямлячів включають спеціальний пристрій - згладжуючий фільтр.
Ємнісний фільтр. Це найпоширеніший і один з найпростіших фільтрів, який забезпечує досить хороші показники. Однією з переваг є те, що через нього не протікає постійна складова струму, а це значить, що навіть при великому струмі споживання спаду напруги на фільтрі не буде.
/Рис.7
Принцип роботи фільтра: після того як змінна напруга пройде через випрямляч — вона стане постійною, але з пульсаціями, тобто на постійну складову накладеться змінна складова.
Якщо відділити від постійної складової змінну — то отримаємо імпульси в складі яких буде нескінчена кількість гармонік. Перша гармоніка буде з найнижчою частотою і з найбільшою амплітудою. Цю гармоніку (вона називається “основною гармонікою”) фільтрувати найважче так як вона має найбільшу амплітуду, і ємнісний опір конденсатора для неї буде найбільшим. Отже якщо фільтр зможе “задавити” до потрібного значення цю гармоніку, то всі наступні — тим більше. А це значить, що розглядати дію вищих гармонік недоцільно.
Отже, на фільтр поступає постійна складова і, накладена на постійну складову, змінна складова. Оскільки конденсатор для постійної складової становить нескінчений опір, то постійний струм буде протікати лише через навантаження. Опір конденсатора для змінної складової малий, а отже весь струм змінної складової буде, в основному, протікати по колу, яке утворять конденсатор і внутрішній опір джерела живлення. Причому, спад напруги змінної складової на внутрішньому опорі джерела живлення в багатьох випадках більший чим спад напруги на конденсаторі (в ідеальному випадку спад напруги змінної складової на конденсаторі дорівнював би нулю). Оскільки паралельно до конденсатора ввімкнено навантаження — то напруга основної гармоніки на навантаженню буде дорівнювати напрузі на конденсаторі.
Отже, можна зробити висновок, що при ввімкненні конденсатора напруга основної гармоніки на навантаженні падає, а напруга постійної складової не зменшується.
3. РОЗРАХУНОК ПРИНЦИПОВОЇ СХЕМИ
3.1. РОЗРАХУНОК СТАБІЛІЗАТОРА
Розрахунок починаємо з визначення мінімальної напруги на вході стабілізатора:
де Uке.min ( мінімальна напруга між емітером і колектором регулюючого транзистора. Для кремнієвого транзистора Uке.min =(4 ... 7) В; (Uвих ( відхилення напруги на виході стабілізатора від номінальної, (Uвих = 0,1·Uном.
Номінальне і максимальне значення напруги на вході стабілізатора з врахуванням відхилення вхідної напруги (н буде дорівнювати:
Визначаємо максимальний спад напруги на колекторі регулюючого транзистора VT3:
Знаходимо максимальну потужність, яка розсіюються на колекторі регулюючого транзистора:
При виборі регулюючого транзистора керуємося такими вимогами :
Вибираємо регулюючий транзистор VT3 типу КТ819А з відповідними електричними параметрами: (3=15; Uке.доп=40В; Iк.доп=10А Pк.доп.=60Вт.
Визначаємо струм бази регулюючого транзистора :
Якщо Іб3>10мА, потрібно використовувати додатковий транзистор VT1.
Вибираємо додатковий транзистор VT1 типу КТ819Б з відповідними електричними параметрами:
(1min=20; (1max=225; Uке.доп=50В; Iк.доп=10мА Pк.доп.=60Вт
Максимальна потужність розсіювання додатковим транзистором:
Розрахунок проводимо при використанні транзистора із середньостатистичними параметрами:
Визначаємо струм бази додаткового транзистора:
Приймаємо значення струму колектора підсилювального транзистора VT2 з умови:
Вибираємо тип підсилюючого транзистора VT2 типу КТ3102Б для якого відомі електричні параметри: Ік.доп=100мА ; Uке.доп=50В ; (min= 200; (max=600 ; Pк.доп=0,25Вт.
Знаходимо значення струму бази транзистора VT2 в режимі спокою:
Вибираємо тип кремнієвого стабілітрона, який повинен мати номінальну напругу стабілізації:
Вибираємо тип кремнієвого стабілітрона VD6 типу BZX84C13, для якого відомі електричні параметри: Ucт=13,2В; Іст.min=3мА; Іст.max=10мА; rд=25 Ом.
Знаходимо коефіцієнт ділення подільника напруги на резисторах R6, R7, R8:
Вибираємо струм подільника Іп1 = (1 ... 2) мА і знаходимо значення сумарного опору подільника:
Оскільки вихідна напруга стабілізатора повинна регулюватися в границях (20%, а напруга стабілізації стабілітрона може також змінюватися в границях від Uст.min до Uст.max, то визначаємо опір нижнього плеча подільника для крайніх значень Uст і Uвих:
Приймаємо значення R8=Rn.min.=5167 Ом.
Визначаємо значення опорів подільника:
Зі стандартного ряду Е24 виберемо такі резистори:
R6 = 3,6 кОм; R7 = 1,2 кОм; R8 = 5,1 кОм;
Розраховуємо потужність, що розсіюється на резисторах R6, R7, R8.
Опір резистора R2 розраховуємо з умови забезпечення протікання через стабілітрон додаткового струму:
Зі стандартного ряду Е24 виберемо такий резистор:
R2 = 1,5 кОм.
Задаємося значенням напруги додаткового джерела живлення підсилювального каскаду на транзисторі VT2 рівною E0 >Uвхmax і розраховуємо значення резистора R1
Зі стандарту Е24, приймаємо R1=9,1кОм.
Розраховуємо потужність, що розсіюється на резисторі R1:
Визначаємо коефіцієнт підсилення за напругою підсилювального каскаду на транзисторі VT2:
,
де
Знаходимо значення коефіцієнта стабілізації стабілізатора:
Напруга Е0 може бути вибрана рівною Uвх.min, якщо розрахований коефіцієнт стабілізації Кст більший від заданого. При цьому спрощується принципова схема стабілізатора, оскільки відпадає необхідність у додатковому джерелі.
Вибираємо тразистор VT4 типу КТ817А для якого відомі електричні параметри: Ік.доп=3А ; Uке.доп=25В ; (3= 25; Pк.доп=25Вт.
Задаємося максимально допустимими значенням потужності, яка може розсіюватися на колекторі регулюючого транзистора VT1 в режимі перенавантаження Pк1доп=60Вт і знаходимо значення опору захисту R:
де Uбе3 ( напруга відкривання транзистора захисту VT3. Для кремнієвих транзисторів Uбе3=0,6В.
Зі стандартного ряду Е96 виберемо такий резистор:
R5 = 0,294 Ом.
Розраховуємо потужність, що розсіюється на резисторі R5:
Встановлюємо максимальний струм спрацювання схеми захисту ІЗmax=(2 ... 3)Іном=3А і визначаємо напругу зміщення транзистора VT4
Задаємося значенням струму подільника напруги на резисторах R3 і R4:
Iп2 =(1 ... 2)мА і знаходимо значення резисторів цього подільника:
Зі стандартного ряду Е96 виберемо такий резистор:
R4 = 140 Ом;
Зі стандартного ряду Е24 виберемо такий резистор:
R3 = 10 кОм;
Розраховуємо потужність, що розсіюється на резисторах R3 та R4:
Коефіцієнт корисної дії стабілізатора знаходимо використовуючи наступний вираз:
де
3.2 ВИПРЯМЛЯЧ НАПРУГИ
Напруга пульсації на вході стабілізатора Un:
Коефіцієнт пульсацій на вході:
Напруга на виході випрямляча під навантаженням
Якщо в схемі використано мостовий випрямляч, то номінальна потужність трансформатора
де А = 1,2 − коефіцієнт форми струму; UD − спад напруги на одному діоді мостового випрямляча. Для кремнієвих діодів можна прийняти UD = 1 В.
Вибираєм діоди для мостової схеми випрямляча VD1-VD4 типу MUR120
Внутрішній опір трансформатора:
де В − коефіцієнт втрат в трансформаторі, який залежить від його номінальної потужності (табл. 1).
Табл. 1.
Номінальна потужність, Вт
В
4...15
1,25
15...33
1,17
33...55
1,12
55...105
1,08
Більше 105
1,05
Ємність конденсаторів фільтрів
Вибираємо конденсатори з ряду Е24 С1=3,6мФ, С2=20мкФ.
Коефіцієнт пульсації вихідної напруги стабілізатора:
Діод VD5 вибираєм зі співвідношення:
Вибираємо діод VD5 типу 1N4007
4. МОДЕЛЮВАННЯ
Моделювання стабілізованого джерела живлення проводимо за допомогою
«Micro-Cap».
Принципова схема стабілізованого джерела живлення.
/
Результат моделювання
/
5.ПЕРЕЛІК РОЗРАХОВАНИХ ЕЛЕМЕНТІВ
Позначення
Найменування
К-ть
Примітка
Т1
Трансформатор
1
С1
Конденсатор 3,6мФ
1
С2
Конденсатор 20 мкФ
1
R1
Резистор – 9,1 кОм ± 5%
1
R2
Резистор – 1,5 кОм ± 5%
1
R3
Резистор – 10 кОм ± 5%
1
R4
Резистор – 140 Ом ± 5%
1
R5
Резистор – 0,294 Ом ± 1%
1
R6
Резистор – 3,6 кОм ± 5%
1
R7
Резистор регулювальний – 1,2 кОм ± 5%
1
R8
Резистор – 5,1 кОм ± 5%
1
VD1, VD2, VD3, VD4
Діод MUR120
4
VD5
Діод 1N4007
1
VD6
Стабілітрон BZX84C13
1
VT1
Транзистор КТ819Б
1
VT2
Транзистор КТ3102Б
1
VT3
Транзистор КТ819А
1
VT4
Транзистор КТ817А
1
6.ВИСНОВОК
Компенсаційний стабілізатор напруги на транзисторах складається з регулюючого транзистора VT3, джерела опорної напруги на кремнієвому стабілітроні VD6, підсилюючого транзистора VT2, який виконує також функцію порівняння і вихідного подільника напруги на резисторах R6, R7, R8. Резистор R2 забезпечує необхідне значення струму, який протікає через стабілітрон VD5. Частина вихідної напруги знімається з резистора R6 і подається на базу транзистора VT2 і порівнюється з опорною напругою, яка визначається напругою стабілізації стабілітрона VD1. При збільшенні напруги на виході стабілізатора, напруга на базі транзистора VT2 зростає, що приводить до збільшення струму бази і відповідно струму колектора транзистора VT2. При зростанні колекторного струму VT2 збільшується спад напруги на резисторі R1, а потенціал колектора VT2 і бази VT3 зменшується, що приводить до запирання транзистора VT3. Його опір зростає, а напруга на виході стабілізатора зменшується.
Схема захисту стабілізатора від короткого замикання на виході cкладається з транзистора VT4, резистора захисту R5. Спад напруги на резисторі захисту R5, який створюється струмом навантаження, прикладається до бази транзистора VT4 і є для цього транзистора від відкриваючий. Одночасно при допомозі опорів R3 і R4 на емітер транзистора VT4 подається напруга зміщення, яка підтримує транзистор VT4 в закритому стані. При досягненні струмом навантаження значення, при якому повинен спрацювати захист, спад напруги на R5 зростає і стає рівним напрузі відкривання VT4. Транзистор VT4 відкривається, напруга на його колекторі понижається, що приводить до закривання транзистора VT1 і VT3 При зменшенні струму навантаження транзистор VT4 закривається і стабілізатор працює в звичайному режимі.
Отже, у даному курсовому проекті я синтезував схему стабілізованого джерела живлення,котра стабілізує напругу на виході,зменшуючи пульсації напруги до потрібної величини, з заданою точністю,і задовольняє всі пункти технічного завдання.
7. СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
Електроніка та мікросхемотехніка в 2 ч. Аналогова схемотехніка. Конспект лекцій./ Укл.: Кеньо Г.В., Собчук І.С. – Львів: Видавництво Національного університету “Львівська Політехніка”, кафедра "Захист інформації", 2009. – 220с.
Китаев В.Е., Бакуняев А.А., Колканов М.Ф. Расчет источников электропитания устройств связи: Учеб. пособие для вузов / Под ред. А.А. Бокуняева. – М.: Радно и связь, 1993. – 232 с.
Основи електроніки та їх застосування. Львів – 2003. П.Г.Стахів. В.І. Коруд, О.Є.Гамола.
Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник под общей редакцией Горюнова.
Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. Ч.1. Электронные устройства информационной автоматики: Учебник / Под общ. Ред.. А.А. Краснопрошиной. – Выща шк. 1989. – 431 с.
Справочное пособие по электротехнике и основам электроники под редакцией проф. А. В. Нетушила.
http://www.microelectronica.ru/tira/C2_14.html
http://radioamator.at.ua/publ/stabilizatori_naprugi/1-1-0-39