Выбор и обоснование структурной и принципиальной схемы стабилизатора постоянного напряжения. Защита полупроводниковых стабилизаторов напряжения на основе операционного усилителя от перегрузок по току и короткому замыканию. Расчет регулирующего элемента.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Реферат

Курсовой проект имеет объем страниц, содержится шесть рисунков, использовано 6 источников. Разработанный стабилизатор постоянного напряжения предназначен для стабильности работы транзисторных и микроэлектронных устройств. Был разработан двухполюсный стабилизатор на основе операционного усилителя с защитой по току. Полученные параметры К_СТАБ=20833,3, К_П=0,004%, входные и выходные значения напряжений и токов удовлетворяют техническому заданию.

Содержание

Введение

1. Выбор и обоснование структурной схемы

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы

2.1 Защита ПСН на основе ОУ от перегрузок по току и КЗ

3. Расчет принципиальной схемы

3.1 Расчет схемы сравнения и усилителя

3.1.1 Выбор стабилитрона

3.1.2 Расчет сопротивлений R3, R4, R5

3.1.3 Расчет сопротивлений R7, R8

3.1.4 Расчет ОУ

3.2 Расчет регулирующего элемента

3.3 Расчет защиты от перегрузок по току и КЗ в нагрузке

3.4 Расчет параметров стабилизации

4. Расчет КПД устройства

Заключение

Список использованных источников

Введение

В наши дни невозможно представить жизнь без каких-либо электронных устройств, как например мобильный телефон, радио или телевизор. Для нормального функционирования всех видов радиоэлектронных устройств (вычислительных комплексов, аппаратуры радио и связи, робототехнических средств и т.д.) необходимы эффективные системы энергоснабжения.

Высокие технические и экономические показатели радиоэлектронных устройств во многом зависят от параметров источников вторичного электропитания. Для питания электронных устройств используются источники питания, к стабильности которых предъявляются высокие требования. Для удовлетворения этих требований в качестве источников электропитания электронной аппаратуры используют стабилизаторы напряжения.

Развитие полупроводниковой техники дало возможность получить простые и стабильные источники образцового напряжения, любой мощности и сравнительно малых габаритов. Дальнейшее развитие ИВЭ (источники вторичного электропитания) привело к созданию и развитию класса силовых интегральных микросхем.

Для питания электронных устройств используются источники питания, к стабильности которых предъявляются высокие требования. Для удовлетворения этих требований в качестве источников электропитания электронной аппаратуры используют стабилизаторы напряжения.

1. Выбор и обоснование структурной схемы

По используемому принципу действия полупроводниковые стабилизаторы напряжения (ПСН) делятся на параметрические и компенсационные.

В первом типе ПСН используют постоянство напряжения на некоторых видах приборов при изменении протекающего через них тока. Примером такого прибора является стабилитрон.

Во втором типе ПСН задачу стабилизации напряжения решают по компенсационному принципу, основанному на автоматическом регулировании напряжения, подводимого к нагрузке.

По режиму работы различают ПСН непрерывного и импульсного действия.

В ПСН непрерывного действия регулирующий элемент (РЭ) работает в активном режиме, и стабилизация выходного напряжения осуществляется непрерывно за счет компенсации изменения напряжения на нагрузке, изменением напряжения на РЭ.

В ПСН импульсного действия РЭ работает в импульсном, т.е. ключевом режиме. В импульсных ПСН энергия поступает от первичного источника прерывисто, при этом возможно два режима регулирования напряжения на нагрузке:

- при постоянной частоте, изменением длительности импульсов;

- при постоянной длительности импульсов, изменением их частоты.

Импульсные стабилизаторы имеют следующие достоинства по сравнению с ПСН с непрерывным регулированием:

- в несколько раз меньше мощность рассеяния регулирующего транзистора;

- более высокий КПД;

Недостатки:

- большая величина пульсации выходного напряжения;

- большая сложность схемы;

- плохие динамические свойства при импульсном изменении тока нагрузки.

ПСН непрерывного действия имеют высокий коэффициент стабилизации, низкое выходное сопротивление и малую величину пульсации выходного напряжения. По месту включения РЭ относительно нагрузки ПСН делятся на параллельные и последовательные. В первых из них регулирующий транзистор включается параллельно нагрузке, а во вторых - последовательно с ней.

В результате синтезируем следующую структурную схему, представленную на рисунке 1.

Рисунок 1: Н - нагрузка, ИОН - источник опорного напряжения, ЭС - элемент сравнения, У - усилитель постоянного тока, РЭ - регулирующий элемент.

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы

Высокие качественные показатели имеют ПСН, в качестве УПТ которых применены ОУ в интегральном исполнении, представленном на рисунке 2. Улучшение параметров ПСН при применении в них ОУ обуславливается высоким коэффициентом усиления ОУ и глубокой ООС, охватывающей стабилизатор.

Рисунок 2 - Принципиальная схема ПСН на основе ОУ

Регулирующий элемент выполнен на транзисторе VT1, в качестве УПТ применен ОУ DA1.

Неинвертирующий вход ОУ подключен к параметрическому стабилизатору на резисторе R2 и стабилитроне VD1, служащему источником опорного напряжения. С делителя R3, R4, R5 снимается часть выходного напряжения, которое в ОУ сравнивается с опорным напряжением. Выход ОУ подключен к базе VT1, включенного по схеме с ОК, что обуславливает более низкое выходное сопротивление ПСН, чем при включении VT1 по схеме с ОЭ.

Резистор R1 служит для ограничения выходного тока ОУ, а с помощью резистора R4 можно регулировать выходное напряжение ПСН в небольших пределах.

Для питания ОУ и устройств на них применяются, как правило, двухполярное напряжение. Для его получения могут использоваться 2 одинаковых ПСН, показанных на рисунке 3.

В номинальном режиме потенциал средней точки делителя R7 - R8 будет равен потенциалу общей шины, т.е. 0. Т. о., U_ДИФ2 = U₀₂ = 0. При уменьшении отрицательного U_ВЫХ2 потенциал инвертирующего входа DA2 становится положительным. Это напряжение усиливается и инвертируется, поэтому U_ВЫХ DA2 становится более отрицательным; токи базы, коллектора, эмиттера увеличиваются, U_КЭ VT2 падает, а U_ВЫХ увеличивается до номинального значения.

При уменьшении положительного U_ВЫХ1 из-за внешних факторов или за счет регулировки резистором R4, потенциал средней точки делителя R7 - R8 становится отрицательным. Это напряжение усиливается и инвертируется ОУ DA2, его выходное напряжение становится более отрицательным. В результате U_БЭ2 падает, его токи базы, коллектора, эмиттера уменьшаются, а U_КЭ2 возрастает до тех пор, пока потенциал средней точки делителя R7 - R8 не станет равным 0, это произойдет при U_ВЫХ1 = U_ВЫХ2.

Рисунок 3

2.1 Защита ПСН на основе ОУ от перегрузок по току и КЗ в нагрузке

Перегрузки по току в ПСН возникают при недопустимом снижении сопротивления нагрузки и при КЗ выхода стабилизатора. При этом ток через регулирующий транзистор возрастает до недопустимой величины и он выходит из строя. Для предотвращения выхода из строя элементов стабилизатора в его схему вводится защита по току.

Рисунок 4 - Структурная схема защиты: RS1 - шунт (датчик тока), УПТ - усилитель постоянного тока, ИУ - исполнительное устройство.

Работа защиты осуществляется следующим образом: в номинальном режиме работы стабилизатора через сопротивление нагрузки и шунт RS1 протекает ток I_H, не превышающий установленной величины тока защиты I_З.

В УПТ ток через RS1 или пропорциональные ему падения напряжения на RS1 сравниваются с величиной U_З или I_З. Превышение тока нагрузки над I_З вызывает появление сигнала на выходе УПТ и срабатывание ИУ, которое либо разрывает цепь нагрузки, выключая РЭ, либо подзапирает регулирующий транзистор. Таким образом, защита может осуществляться двумя способами:

а) полное обесточивание нагрузки, т.е. отсечка тока нагрузки;

б) ограничение тока нагрузки на определенном уровне.

В качестве исполняющего устройства, как правило, используются полупроводниковые элементы и иногда электромагнитные реле.



Рисунок 5 - Схема стабилизатора с защитой по второму способу

Защита с ограничением по уровню тока нагрузки основана на форме входной характеристики кремниевого транзистора, имеющей вид, представленный на рисунке 6.

Рисунок 6

Точка перегиба входной характеристики U_ПОР (пороговое) характеризует напряжение между базой и эмиттером, выше которого наблюдается быстрый рост тока базы, поэтому при превышении током нагрузки значения I_З = U_ПОР / RS1, I_Б начинает резко увеличи...