Розрахунок компенсаційного стабілізатора постійної напруги на транзисторах

Для розрахунку стабілізатора дано: U_ном – номінальне значення вихідної напруги; І_ном – номінальне значення струму в навантаженні; δ_U – відносна зміна вхідної наруги; δ_I – відносна зміна струму навантаження; δ_н – відносна нижня границя зміни вхідної напруги; Т_ос.мін; Т_oc.макс. – мінімальне і максимальне значення температури оточуючого середовища.

Компенсаційний стабілізатор напруги на транзисторах складається з регулюючого транзистора VT₁, джерела опорної напруги на кремнієвому стабілітроні VD₁, 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 VD₁.

Рис.4.4.1. Схема електрична принципова компенсаційного стабілізатора постійної напруги послідовного типу

Частина вихідної напруги знімається з резистора R₇ 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 VT₁ зменшується, що приводить до закривання транзистора VT₁. Його опір зростає, а напруга на виході стабілізатора зменшується. Аналогічно працює схема при зменшенні вихідної напруги і підтримує автоматично з певною похибкою вихідну напругу на заданому рівні.

Схема захисту стабілізатора від короткого замикання на виході складається з транзистора VT₃, резистора захисту R₅ і подільника напруги R₃ і R₄. Спад напруги на резисторі захисту R₅, який створюється струмом навантаження, прикладається до бази транзистора VT₃ і є для цього транзистора відкриваючим. Одночасно за допомогою подільника R₃ і R₄ на емітер транзистора VT₃ подається напруга зміщення, яка підтримує транзистор VT₃ у закритому стані. При досягненні струмом навантаження значення, при якому повинен спрацювати захист, спад напруги на R₅ зростає і стає рівним напрузі відкривання VT₃. Транзистор VT₃ відкривається, напруга на його колекторі понижається, що приводить до закривання транзистора VT₁. При зменшенні струму навантаження транзистор VT₃ закривається і стабілізатор працює в звичайному режимі.

Розрахунок починаємо з визначення мінімальної напруги на вході стабілізатора

 

де U_ке.min - мінімальна напруга між емітером і колектором регулюючого транзистора. Для германієвого транзистора U_ке..min = (3¸5) В, а для кремнієвого - U_ке.min = (4¸7) В;

D U_вих - відхилення напруги на виході стабілізатора від номінальної,
DU_вих = δ_U · U_ном.

Номінальне і максимальне значення напруги на вході стабілізатора з врахуванням відхилення вхідної напруги d_U буде дорівнювати

 

 

Визначаємо максимальний спад напруги на колекторі регулюючого транзистора VT1

Знаходимо максимальну потужність, яка розсіюються на колекторі регулюючого транзистора

При виборі регулюючого транзистора керуємося такими вимогами

Вибираємо тип регулюючого транзистора з відповідними електричними параметрами: b; U_ке.доп; I_к.доп; P_к.доп.

Визначаємо струм бази регулюючого транзистора

 

Приймаємо значення струму колектора підсилювального транзистора VT₂ з умови

Приймаємо значення I_к2.

Вибираємо тип підсилюючого транзистора VT₂ і використовуємо такі його електричні параметри: І_к.max; U_ке.доп; b; P_к.доп; f_b.

Знаходимо значення струму бази транзистора VT₂ в режимі спокою

Вибираємо тип кремнієвого стабілітрона, який повинен мати номінальну напругу стабілізації

 

Вибираємо тип кремнієвого стабілітрона, для якого відомі електричні параметри: U_cт; І_ст.min; r_д.

Знаходимо коефіцієнт ділення подільника напруги на резисторах R₆, R₇, R₈

 

Для розрахунку опорів резисторів подільника R₆, R₇ і R₈ задаємося струмом подільника І_п1, переважно І_п1 = (5−10) мА. Потім знаходимо значення сумарного опору вихідного подільника

 

Оскільки вихідна напруга стабілізатора повинна регулюватися в заданих границях, а напруга стабілізації стабілітрона може також змінюватися в границях від U_ст.мін до U_{ст.макс}, то визначаємо опір нижнього плеча подільника для крайніх значень U_ст і U_ном

 

Розраховуємо значення опорів подільника

 

 

Для забезпечення стабільної вихідної напруги в подільнику напруги застосовуємо прецизійні резистори.

Опір резистора R₂ розраховуємо з умови забезпечення протікання через стабілітрон додаткового струму Значення цього струму вибираємо з умови

Задаємося значенням напруги додаткового джерела живлення підсилювального каскаду на транзисторі VT₂ рівною E₀ і розраховуємо значення резистора R₁

 

Визначаємо коефіцієнт підсилення за напругою підсилювального каскаду на транзисторі VT₂

 

де S₂=DI_к2/DU_бе2 - крутизна характеристики транзистора VT₂. Для малопотужних транзисторів значення крутизни знаходиться в таких межах (20¸40) мА /В.

Знаходимо значення коефіцієнта стабілізації стабілізатора

 

Якщо значення коефіцієнта стабілізації менше від заданого, то необхідно збільшити значення додаткової напруги і зробити перерахунок значення резистора R₁.

Задаємося максимально-допустимим значенням потужності, яка може розсіюватися на колекторі регулюючого транзистора VT₁ в режимі перенавантаження і знаходимо значення опору захисту R₅

 

де U_{бе 3} - напруга відкривання транзистора захисту VT₃. Для кремнієвих транзисторів приймаємо U_{бе 3} 0,6 В.

Приймаємо максимальний струм спрацювання схеми захисту
І_3.макс = (2-3)· І_ном і визначаємо напругу зміщення транзистора VT₃

 

Задаємося значенням струму подільника напруги на резисторах R₃ і R₄: I_п2 ≥ I_к2 і знаходимо значення резисторів цього подільника

 

 

 

Розраховуємо вихідний опір стабілізатора

 

,

 

r_д1 - диференціальний опір стабілітрона VD₁.

 

Коефіцієнт корисної дії стабілізатора знаходимо використовуючи наступний вираз

 

де - сумарний вхідний струм

 

 

Розрахунок площі радіатора