РАСЧЕТ ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

 

Рис.4.1 – Схема источника электропитания

4.1 Расчет мощного КСН с малыми пульсациями

Исходныеданные:

Напряжение на нагрузке: U н = 12,5 В;

Ток нагрузки: I н = + + = 10+ + = 20,87 мА;

 

Где:

= IR1 + IкVT1 = IR1 + (IэVT1 — IбVT1) = + ( — 0,0002) = 10 мА – ток, питающий входной усилительный каскад с эмиттерным повторителем.


 

= IR1 + IRк = + = 2,07 мА – ток, питающий промежуточный усилительный каскад с общим эмиттером

 

= IR1 + IкVT3 = IR1 + (IэVT3 — IбVT3) = 0,0006+ (14,2 мА — 195 мкА) =

= 8,8 мА – ток, питающий выходной усилительный каскад с эмиттерным

Диапазон регулирования: Dр = 36 %.

Заданные технические характеристики обеспечивает стабилизатор с высоким коэффициентом стабилизации. Выбираем интегральный ОУ с малым температурным коэффициентом напряжения смещения (например, К140УД14А).

Расчет стабилизатора ведется в следующей последовательности.

1) Определение мощности нагрузки Рн.

Рн= U н. I н= 12,5.20,87 = 260,9 мВт.

2) Определение номинальной мощности стабилизатора Р0.

Р0 > Кз. Рн,

где Кз =(1,5…3) – коэффициент запаса мощности.

Принимаем Кз=2,5; Р0=2,5.260,9 =652,25 мВт.

3) Выбираем Енест=(1,5… 3)Uн. Принимаем Енест=2.Uн=2.12,5=25 В.

4) Определяем минимальное Umin и максимальное Umax напряжения на выходе стабилизатора

Umin = Uн — DU;

Umax = Uн + DU,

Здесь DU = Dp. Uн/100; DU = 50.5/100 = 2,5 В;

Где Dp=0,36 — Диапазон регулирования стабилизированного напряжения, , %

Umin = Uн – (Uн* Dp) = 12,5В – (12,5 В*0,36) = 8 В

Umax = Uн + (Uн* Dp) = 12,5В + (12,5 В*0,36) = 17 В

 

5) Исходя из величины Umin = 8 В параметрический стабилизатор опорного напряжения реализуем на кремниевых стабилитронах КС433А. Эти стабилитроны включаем через ограничивающий резистор в прямомнаправлении, обеспечивающий необходимый ток стабилизации стабилитрона. Выбранный стабилитрон имеет напряжение стабилизации Uст = 3,3 В при токе стабилизации Iст = (3…229) мA. Для обеспечения минимального значения выходного напряжения Umin = 8 В в параметрическом стабилизаторе используем два последовательно соединенных стабилитрона. В этом случае опорное напряжение U0=2. Uст = 2. 3,3 = 6,6 В < Umin.

6) Выбираем ток стабилизации стабилитронов Iст.=10 мA. Поскольку стабилитроны питаются выходным напряжением Uн, резистор R4 должен обеспечить напряжение U0 при Uн=Umin= 8 В.

Поэтому величину резистора R4 определяем из выражения:

R4 = (Umin-U0)/Iст=8-6,6/10.10-3 = 140 Ом

Выбираемпосправочнику: R4 =150 Ом.

7) Определяем максимальный ток стабилизации стабилитрона Iст1 при Uн=Umax.

Iст1=Umax/R4=17/150 = 113 мА<I ст.max.

8) Определяем мощность P4 резистора R4

R4= (Iст1)2 .R4=102.10-6 .150= 15 мВт.

Выбираемпосправочнику: R4 = ОМЛТ-0,125-150±5%.

9) Задаваясь током отрицательной обратной связи Iос, равным 0,1 мA, определяем суммарное сопротивление обратной связи Roc = (R1 +R2 +R3)

Roc =Umax/ Iос=17/10-4=170 кОм.

10) Определим минимальный Кmin и максимальный Кmax коэффициенты усиления ОУ, обеспечивающие выходное напряжение Umin и Umax соответственно

Кmin.=Umin/U0=8/6,6=1,2;

Кmax.=Umax/U0=17/6,6=2,6.

11) Определяем соотношение резисторов R1, R2, R3 , от которых зависят полученные коэффициенты усиления Кmin. и Кmax.

Kmin=1+R1/(R2+R3) — верхнее положение движка резистора R2;

Кmax.=1+(R1+R2)/R3 — нижнее положение движка резистора R2.

Из этих уравнений находим:

min-1)=R1/(R2+R3)=1,2-1=0,2;

max-1)=(R1+R2)/R3=2,6-1=1,6.

Составляем систему уравнений:

R1/(R2+R3) = (Кmin-1);

(R1+R2)/R3= (Кmax-1);

(R1 +R2 +R3)= Roc.

Решая данную систему уравнений, получаем :

R1=Roc[(Kmin-1)/Kmin];

R2=Roc{[(Kmax-1)/Kmax]-[(Kmin-1)/Kmin]};

R3=Roc[1-(Kmax-1)/Kmax];

R1=170(0,2/1,2)= 28,3 кOм;

R2=170 (1,6/2,6)-( 0,2/1,2)=75,7кОм;

R3=170 [1-(1,6/2,6)]=65,4 кОм.

Значения резисторов R1, R2, R3, выбираем по справочнику:

R1 = 30 кОм R2 = 75 кОм, R3 = 68 кОм.

Определяем мощности резисторов R1, R2, R3:

P1= I2oc * R1= (0,1*10-3)2*30*103= 300 мкВт;

P2= I2oc * R2= (0,1*10-3)2*75*103= 750 мкВт;

P3= I2oc * R3= (0,1*10-3)2*68*103= 680 мкВт.

Тип резисторов выбираем по справочнику:

R1- ОМЛТ — 0,125 — 30кОм ± 5 %;

R2- СПЗ-9а — 0,5 — 75кОм± 5 %;

R3- ОМЛТ — 0,125 — 68кОм ± 5 %.

12) Выбираем тип выходного транзистора VТ1.

В режиме холостого хода на выходе стабилизатора ток через резистор R5 соответствует обратному эмиттерному току Iэо транзистора VТ1. Последний должен обеспечить номинальный ток нагрузки Iн. При большом значении коэффициента усиления тока базы (bтр1) коллекторный ток Iко практически равен току эмиттера Iэо.

Определяем требуемый коэффициент передачи тока выходного транзистора bтр определяется отношением:

bтр= Iнз/ Iоу вых,

где:

Iоу вых = (3…5) мA — выходной ток ОУ;

Кз = (1,5…3) – коэффициент запаса по току

Полагая Iоу вых = 3 мA , и Кз = 2,5; получаем: bтр=20,87 *2,5/ 3 = 17,4.

Для обеспечения полученного значения b0 в качестве выходного транзистора VT1 используем составной транзистор КТ815А, который имеет следующие характеристики:

Iко = 50 мкA; b0=10 — 30.

13) Определяем величину резистора R5.

R5=Umax/ Iко=17 В/50.10-6 = 340 кОм.

Определяем мощность резистора R5:

P5= I2ко * R5= (50*10-6)2*340*103= 1700 мкВт.

Тип резистора выбираем по справочнику:

R5- ОМЛТ — 0,125 – 360 кОм ± 5 %;

14) Определяем величины конденсаторов С1, С2:

Конденсатор С1 является элементом емкостного фильтра источника питания Енест. Его величина определяется по номограммам.

Для заданного тока нагрузки Iн = 21 мА принимаем С1=200 мкФ.

Выбираем по справочнику: С1-К56-200мкФ х50В 10%.

Величина конденсатора С2 определяется из условия: Roc.C2 1/fп, где fп— частота пульсаций выпрямленного напряжения.

Если напряжение Енест формируется на выходе двухполупериодной схемы выпрямления, либо диодного моста, то частота пульсаций fп в два раза превышает частоту питающей сети fc (fп=2fc).

В этом случае имеем:

С2 1/2fcRoc; 1/2fcRoc=1/100.170.103=0,17 мкФ.

Принимаем С2=0,2 мкФ.

Выбираем по справочнику: C2-КМ-5 — 0,2х25В 10%.

В случае однополупериодной схемы: fп=fc; С2 1/fcRoc.

Принимаем 1/fcRoc=1/50.170.103=0,34 мкФ. Выбираем С2=0,33 мкФ.

Выбираем по справочнику: C2-КМ-6 — 0,33х25В 10%.

R1 30 кОм
R2 75 кОм
R3 68 кОм
R4 140 Ом
R5 360 кОм
C1 200 мкФ
C2 0,2 мкФ

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения:

Расчет реального коэффициента усиления транзисторного усилителя:

 

Рис.4.2 – Общая схема усилителя с источником электропитания


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проанализирована схема усилительного устройства, результаты которого показали, что эта схема имеет типовую структуру, состоит из стандартных каскадов, в каждом их которых используются транзисторы p-n-p типа. Как и входной, выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель, промежуточный имеет схему с общим эмиттером.

Применительно к исходным данным, используя предложенные формулы, приведен расчет значений каждого элемента усилительного устройства. Были выбраны значения резисторов и конденсаторов в соответствии со стандартом спецификаций, которые были использованы в процессе моделирования.

Используя профессиональную программу ISIS PROTEUS 8.1, была смоделирована схема трехкаскадного усилителя. Результаты моделирования указали на работоспособность данной схемы, а измерительные приборы, которые были использованы в процессе моделирования, показали правильность выбора режимов работы активных элементов. По амплитудам входных и выходных напряжений был определен коэффициент усиления смоделированного устройства, который по своим значениям близок к заданному значению.