IБ4 = Iк4 / h21Е4 min = 4´10-3 / 50 = 8´10-5 А. (4.18)
Струм послідовно з'єднаних резисторів R5, R6, R7 беремо рівним 5Iб4 і визначаємо сумарний опір подільника
Rділ = Uн / Iділ = 15 / (5 ´ 8´10-5) = 37500 Ом. (4.19)
Знаходимо опори резисторів:
R5 = 0.3 Rділ = 0.3 ´ 37500 = 11250 Ом;
R6 = 0.1 Rділ = 0.1 ´ 37500 = 3750 Ом;
R7 = 0.6 Rділ = 0.6 ´ 37500 = 22500 Ом. (4.20)
Відповідно до ряду Е24 вибираємо резистор R5 типу С2-33 – 0.125 – 11 кОм ±5%, резистор R7 типу С2-33 – 0.125 – 22 кОм ±5%. Резистор R6 вибираємо СП3-44 – 0.25 – 3.3 кОм ±10%.
Робочу напругу стабілітрона VD1 визначаємо із співвідношення
UVD1 = 0.1 Uвх max = 0.1 ´ 22 = 2.2 В. (4.21)
Вибираємо тип стабілітрона і виписуємо його основні параметри:
стабілітрон 2С119А;
I VD1 = 5´10-3 А – середній струм стабілізації;
r VD1 = 15 Ом – диференційний опір стабілітрона.
Обчислюємо опір резистора R1, задавши середній струм стабілітрона (I R1 = I VD1)
R1 = 0.9 Uвх max / I R1 = 0.9 ´ 22 / 5´10-3 = 3960 Ом. (4.22)
Потужність, що розсіюється на резисторі R1, дорівнює
R1 = 0.9Uвх max´ I R1 = 0.9´ 22´ 5´10-3 = 99´10-3Вт (4.23)
Відповідно до ряду Е24 вибираємо резистор типу С2-33 – 0.125 – 3.9кОм ±5%. Визначаємо початкові дані для вибору транзистора VT1. Розраховуємо струм колектора транзистора VT1
Iк1 = Iк4 + Iб2 = 4´10-3 + 12´10-5 =412´10-5 (4.24)
Знаходимо напругу колектор-емітер VT1
Uк1max = Uвх max - UR2 + Uк4max - UVD2 = 4.1 В, (4.25)
де UR2 = UVD1 - Uбе1 – падіння напруги на резисторі R2.
Потужність, що розсіюється на колекторі транзистора VT1
Р1 = Uк1max´ Iк1 = 4.1 ´ 412´10-5 = 16´10-3 Вт. (4.26)
За отриманими значеннями Uк1 max , Iк1 , Р1 вибираємо тип транзистора і виписуємо його параметри:
| Марка транзистора | КТ313Б |
| Тип транзистора | PNP |
| Допустимий струм колектора, Iк доп | 350 мА |
| Допустима напруга колектор-емітер, Uк доп | 30 В |
| Розсіювальна потужність колектора, Рпред | 0.30 Вт |
| Мінімальний коеф. передачі струму бази, h21Е1 min | 50 |
Розраховуємо опір резистора R2
R2 = UR2 / IК1 = 1.5 / 412´10-5 = 364 Ом, (4.27)
РR2 = UR2´ IК1 = 1.5 ´ 412´10-5 = 618´10-5 Вт. (4.28)
Відповідно до ряду Е24 вибираємо резистор типу С2-33 – 0.125 – 360Ом ±5%. Розраховуємо основні параметри складеного транзистора:
вхідний опір транзистора
h11Е ск =h11Е2+h11Е3h21Е2min= 36.36 + 33´60 =2016 Ом; (4.29)
коефіцієнт передачі напруги транзистора
mск = m2m3 / (m2 + m3) = 45.4´4.2 / (45.4 + 4.2)=3.84 ; (4.30)
вихідний опір транзистора
rск = mск h11Е ск / h21Е2min h21Е3min = 0.1723 Ом. (4.31)
Розраховуємо вхідний опір джерела стабільного струму
RTD = R1 ´ R2 / r VD1 = 3900´360 / 15 = 57024 Ом. (4.32)
Розраховуємо параметри підсилювача зворотного зв'язку:
опір навантаження підсилювача
RК = h11Е ск RTD / (h11Е ск + RTD) = 1947.49 Ом; (4.33)
коефіцієнт підсилення напруги підсилювача
Кu = 0.7 h21Е4min RК / (h11Е4 + h21Е4min r VD2) = 71.13 . (4.34)
Розраховуємо коефіцієнт стабілізації і величину пульсацій на виході
Кст = mскКuUн / Uвх = 3.845 ´ 71.13 ´ 15 / 22 = 186.4, (4.35)
DUвих = DUвх / mскКu = 4 / 3.845 ´ 71.13 = 12´10-4, (4.36)
Розраховуємо коефіцієнт пульсацій
Кп = DUвих´ 100 / Uвх = 12´10-4´ 100 / 15 = 8´10-3%. (4.37)
Вихідний опір компенсаційного стабілізатора буде
Rвих = rск / mскКu = 0.17 / 3.845 ´ 71.13 = 63´10-5Ом. (4.38)
Перевіряємо відповідність розрахованих параметрів заданим умовам:
Кст = 186.4 > Кст.зад = 100; Кп = 8´10-3%< Кп.зад = 10´10-3%.
Знайдені параметри задовольняють заданим умовам.
4.3 Розрахунок схеми захисту компенсаційного стабілізатора від перевантаження
Пристрої захисту стабілізаторів напруги від перевантажень можна розділити на вбудовані, що впливають на регулюючий елемент стабілізатора, і автономні, що містять окремий ключовий елемент. Звичайно до стабілізаторів із захистом від короткого замикання вихідного ланцюга пред'являється вимога автоматичного повернення в робочий режим після усунення перевантаження. Розробляємо схему захисту компенсаційного стабілізатора напруги від перевантаження (додаток Б). Схема захисту компенсаційного стабілізатора від перевантаження реалізована на елементах VT5 і R8.
Для розрахунку приймаємо струм спрацювання захисту 110% від Iн .
Iн max = 1.1 Iн = 1.1 ´ 5 = 5.5 А.
Розраховуємо опір R8:
R8 = Uбе5 / Iн max = 0.7 / 5.5 = 0.127 Ом. (4.39)
Розраховуємо потужність дротового резистора
РR8 = Uбе5 ´ Iн max = 0.7 ´ 5.5 = 3.85 Вт. (4.40)
Вибираємо транзистор VT5 з умови Iк5 = Iб3 ;
Uк5 max =Uбе3 + R8´Iн max = 0.7 + 0.127 ´ 5.5 =1.4 B; (4.41)
P5 = Uк5 max´ Iб3 = 1.4 ´ 6.7´10-3= 9.38 ´10-3Вт. (4.42)
За отриманими значеннями Uк5 max , Iк5 , Р5 вибираємо тип транзистора і виписуємо його параметри:
| Марка транзистора | КТ315А |
| Тип транзистора | NPN |
| Допустимий струм колектора, Iк доп | 100 мА |
| Допустима напруга колектор-емітер, Uк доп | 20 В |
| Розсіювальна потужність колектора, Рпред | 0.15 Вт |
| Мінімальний коеф. передачі струму бази, h21Е5 min | 20 |
Розробка схеми компенсаційного стабілізатора напруги на базі ІМС
Розробка схеми компенсаційного стабілізатора напруги на базі ІМС зводиться до вибору стандартної серійно випускаємої ІМС і розрахунку (якщо необхідно) навісних елементів.
Таблиця 4.1 – Марки ІМС
| Марка ІМС | Максимальна вихідна напруга, В | Максимальна вхідна напруга, В | Мінімальна вхідна напруга, В | Максимальний вихідний струм, А | Максимальна розсіювальна потужність, Вт | Гранично допустима температура, °С | Нестабільність по струму, % |
| К142ЕН1А | 12 | 20 | 9 | 0.15 | 0.8 | 0.5 | |
| К142ЕН1Б | 12 | 20 | 9 | 0.15 | 0.8 | 0.2 | |
| К142ЕН1В | 12 | 20 | 9 | 0.15 | 0.8 | 2 | |
| К142ЕН2А | 30 | 40 | 20 | 0.15 | 0.8 | 0.5 | |
| К142ЕН2Б | 30 | 40 | 20 | 0.15 | 0.8 | 0.2 | |
| К142ЕН2В | 30 | 40 | 20 | 0.15 | 0.8 | 2 | |
| К403ЕН1А | 5 | 2 | 10 | 1 | |||
| К403ЕН1Б | 5 | 2 | 10 | 5 | |||
| К403ЕН2А | 6 | 2 | 10 | 1 | |||
| К403ЕН2Б | 6 | 2 | 10 | 5 | |||
| К403ЕН3А | 9 | 2 | 10 | 1 | |||
| К403ЕН3Б | 9 | 2 | 10 | 5 | |||
| К403ЕН4А | 12 | 2 | 10 | 1 | |||
| К403ЕН5А | 15 | 1.5 | 8.5 | 1 | |||
| К403ЕН5Б | 15 | 1.5 | 8.5 | 5 | |||
| К403ЕН7А | 27 | 1 | 6 | 1 | |||
| SD1083 | 12 | 40 | 7.5 | 50 | 170 | 0.7 | |
| SD1084 | 15 | 40 | 5 | 25 | 170 | 0.7 | |
| SD1085 | 20 | 40 | 3 | 15 | 170 | 0.7 | |
| LAS1520 | 20 | 40 | 1.5 | 6 | 150 | 0.6 |
Як інтегральний стабілізатор напруги вибираємо ІМС серії SD 1084. Складаємо схему стабілізатора (додаток В). Вибираємо навісні елементи:
Робочу напругу стабілітрона VD1 визначаємо із співвідношення
UVD1 = 0.9 Uвих = 0.9 ´ 15 = 13.5 В. (4.43)
Вибираємо тип стабілітрона і виписуємо його основні параметри:
стабілітрон 2С515А;
I VD1 = 45´10-3 А – середній струм стабілізації;
r VD1 = 25 Ом – диференційний опір стабілітрона.
Розраховуємо опір резистора R1
R1 = 0.9Uвых / I VD1= 0.9´15 / 45´10-3 = 300 Ом. (4.44)
РR1 = 0.9Uвых´I VD1= 0.9´15´45´10-3 = 608´10-3 Вт. (4.45)
Відповідно до ряду Е24 вибираємо резистор типу С2-23 – 1.0 – 300 Ом ±5%.
Розраховуємо опір подільника R2R3
R23 = UVD1 / ( 3´ Iп) = 13.5 / ( 3 ´ 5´10-3) = 900 Ом, (4.46)
де Iп – струм втрат мікросхеми, А (5´10-3 А).
Розраховуємо опір резисторів R2 і R3:
R2 = 2 ´ R23 / 3 = 2´ 900 / 3 = 600 Ом, (4.47)
R3 = R23 / 3 = 900 / 3 = 300 Ом, (4.48)
РR2 = (3´ Iп)2´ R2 = 600´225´10-6 = 135´10-3 Вт, (4.49)
РR3 = (3´ Iп)2´ R3 = 300´225´10-6 = 67.5´10-3 Вт. (4.50)
Відповідно до ряду Е24 вибираємо резистори типу C2-24 – 0.25 620Ом ±5% і СП5-16Т 300 Ом ±5% відповідно.
Конденсатори С1 і С2 мають ємності 100мкФ і 5мкФ відповідно.
5. Аналіз і оцінка помилок
Якість роботи компенсаційного стабілізатора напруги багато в чому залежить від розбросу параметрів електронних компонентів, що входять у його склад. Багато в чому це пов'язано з неможливістю виготовлення компонентів з однаковими параметрами. Сильний вплив на розброс параметрів має коливання температури навколишнього середовища і температури потужності розсіювання цих елементів. З метою зменшення коливань параметрів від температури потужності розсіювання для елементів високої потужності встановлюються радіатори. Фізичні явища в компонентах пристроїв, що викликають перехід у підмножину несправних станів, називаються дефектами. У залежності від структури системи дефект може породжувати або не породжувати помилку. Помилка не завжди наслідок дефекту. Та сама помилка може бути наслідком різних дефектів.
Таблиця 5.1 – Розрахунок роботи схеми на відмовлення.
| Елементи схеми. | К-сть, шт | Інтенсивність відмовлень, ×10-6 1/год |
| Стабілітрони | 2 | 0.12 |
| Транзистори | 1 | 0.1 |
| ------ // ------ | 4 | 0.28 |
| Резистори | 7 | 0.07 |
| Резистор перм. | 1 | 0.2 |
| Місця паєк | 40 | 0.04 |
| Всього: | 0.81 | |
Розраховуємо наробіток на відмовлення