Регульований компенсаційний стабілізатор напруги

Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

Інститут автоматики, електроніки та компютерних систем управління

Кафедра метрології та промислової автоматики

РЕГУЛЬОВАНИЙ КОМПЕНСАЦІЙНИЙ СТАБІЛІЗАТОР НАПРУГИ

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

з дисципліни “Основи електроніки”

Курсовий проект допущений до захисту

Керівник

к.т.н., доц. Шабатура Ю.В.

Нормоконтролер

ас. Ігнатенко О.Г.

Курсовий проект захищений з оцінкою

Керівник

к.т.н., доц. Шабатура Ю.В.

Студент гр. 1АМ-01

Баковська Н.О.

Вінниця 2003

Міністерство освіти і науки України

Вінницький національний технічний університет

Кафедра метрології та промислової автоматики

ЗАВДАННЯ

на курсовий проект

з дисципліни “Основи електроніки ”

Група 1АМ-01 Студент Баковська Н.О.

Дата видання 17.09.03 Дата виконання_____________

Затверджена на засіданні кафедри МПА

Протокол № 2 від 16.09 2003р.

Назва курсового проекту “Регульований компенсаційний стабілізатор напруги”

Вихідні дані Номінальна вихідна напруга U_н , В 15

Номінальний струм навантаження І_н , А 5

Коефіцієнт пульсацій К_п , % 0,01

Коефіцієнт стабілізації К_ст 100

Зміст графічної частини Креслення схем на форматі А4

Зміст розрахунково-пояснювальної записки Завдання, вступ, теоретичні відомості, розрахункова частина, висновки, література.

Завдання отримав ___________________ Баковська Н.О.

Керівник

курсового проекту: ________________ к.т.н., доц. Шабатура Ю.В.

підпис

Зміст

Анотація

Вступ

1 Огляд і аналіз джерел живлення

1.1 Мікросхемні стабілізатори напруги широкого використання

1.2 Інтегральні стабілізатори напруги широкого використання

2 Вибір і аналіз структурної схеми

3 Розробка принципової електричної схеми

4 Розрахунок схеми електричної принципової

4.1 Вихідні дані для розрахунку

4.2 Розрахунок схеми компенсаційного стабілізатора

4.3 Розрахунок схеми захисту компенсаційного стабілізатора від перевантаження

4.4 Розробка схеми компенсаційного стабілізатора напруги на базі ІМС

5 Аналіз і оцінка помилок

Висновок

Список використаної літератури

Анотація

В даному курсовому проекті розглядається регульований компенсаційний стабілізатор напруги. В пояснювальній записці описуються стабілізатори напруги, їх призначення, розглядається сфера їх застосування. Далі проводиться розрахунок схеми електричної принципової, в тому числі розрахунок схеми компенсаційного стабілізатора, розрахунок схеми захисту компенсаційного стабілізатора від перевантаження. В додатках надається схема електрична принципова компенсаційного стабілізатора напруги, схема захисту компенсаційного стабілізатора від перевантаження та схема компенсаційного стабілізатора напруги на базі ІМС.

Вступ

На сьогоднішній день зявляються усе більш складні електронні системи, що використовують як елементну базу новітні напівпровідникові прилади й інтегральні мікросхеми з високим ступенем інтеграції.

Успішний розвиток науки і техніки в рамках жорстокої конкуренції багато в чому обумовлений успіхами електроніки. Важко собі представити яку-небудь галузь виробництва, у якій би в тій або іншій мірі не використовувалися електронні прилади або електронні пристрої автоматики.

Невідємною частиною багатьох радіоелектронних і електронних пристроїв є стабілізатори постійної напруги. В одних пристроях вони використовуються як високостабільні джерела живлення, що забезпечують необхідну надійність роботи, в інших - не тільки як джерела живлення, але і як джерела еталонної (зразкової) напруги. Зразкова напруга необхідна в багатьох системах авторегулювання і телеметрії, вимірювальних схемах, схемах перетворення безперервних величин у дискретну форму, у схемах електричного моделювання.

Розвиток напівпровідникової техніки дав можливість одержати прості високостабільні джерела зразкової напруги практично будь-якої потужності.

Напівпровідникові стабілізатори можуть також використовуватися замість акумуляторних і сухих батарей у вимірювальних і повірочних лабораторіях.

Найбільш характерною рисою подальшого науково-технічного прогресу в нашій країні є перехід до цілком автоматизованого виробництва на базі використання електронної техніки.

1. Огляд і аналіз джерел живлення

Основним джерелом живлення електронних пристроїв у даний час є випрямляючі пристрої, що перетворюють змінний струм у струм одного напрямку, який називають випрямленим. Постійна напруга або струм, одержувані від випрямлячів, з різних причин можуть змінюватися, що може порушити нормальну роботу різних пристроїв, живлення яких здійснюється від випрямних пристроїв. Основними причинами нестабільності є зміна напруги мережі і зміна струму навантаження. Для забезпечення постійної напруги на опорі навантаження застосовують стабілізатори напруги.

Стабільність напруги є необхідною умовою правильної роботи багатьох електронних пристроїв. Для стабілізації напруги на навантаженні при коливаннях напруги мережі між електричною мережею і навантаженням ставлять стабілізатори напруги.

Стабілізатором напруги називається пристрій, що підтримує автоматично і з необхідною точністю напругу на навантаженні при зміні дестабілізуючих факторів в обумовлених межах.

Не дивлячись на застосування згладжуючих фільтрів, напруга на опорі (згладжуючих фільтрів) навантаження випрямляча може змінюватися. Це пояснюється тим, що згладжування пульсацій фільтром зменшується тільки змінна складова випрямленої напруги, а величина постійної складової може змінюватися і при коливаннях напруги мережі, і при зміні струму навантаження.

Існує два принципово різних методи стабілізації напруги: параметричний і компенсаційний.

Параметричний оснований на використанні елемента з нелінійною характеристикою (найчастіше в цій ролі виступає стабілітрон). Напруга на стабілітроні на ділянці оборотного електричного пробою майже постійна при значній зміні зворотного струму через прилад.

Компенсаційний стабілізатор напруги. Його сутність полягає в зміні опору регулюючого елемента під дією сигналу негативного зворотного звязку, що знімається з навантаження. Як регулюючий елемент використовується біполярний або польовий транзистор. Сутність компенсаційного методу стабілізації зводиться до автоматичного регулювання вихідної напруги.

В компенсаційних стабілізаторах здійснюється порівняння фактичної величини вхідної напруги з її заданою величиною й в залежності від величини і знаку неузгодженості між ними автоматично здійснюється коригувальний вплив на елементи стабілізатора, спрямований на зменшення цієї неузгодженості.

1.1 Мікросхемні стабілізатори напруги широкого використання

Один із важливих вузлів радіоелектронної апаратури - стабілізатор напруги в блоці живлення. Ще зовсім недавно такі вузли будували на стабілітронах і транзисторах. Загальне число елементів стабілізатора було досить значним, особливо якщо були потрібні функції регулювання вихідної напруги, захисту від перевантаження і замикання виходу, обмеження вихідного струму на заданому рівні.

З появою спеціалізованих мікросхем ситуація змінилася. Мікросхемні стабілізатори напруги, що випускаються, здатні працювати в широких межах вихідних напруги і струму, часто мають вбудовану систему захисту від перевантаження по струму і від перегрівання - як тільки температура кристала мікросхеми перевищить допустиме значення, відбувається обмеження вихідного струму.

В даний час асортимент вітчизняних і закордонних мікросхем-стабілізаторів напруги настільки широкий, що орієнтуватися в ньому стало вже досить важко. Поміщені нижче таблиці, призначені полегшити попередній вибір мікросхемного стабілізатора для того або іншого електронного пристрою.

В таблиці 1 представлений перелік найбільш розповсюджених на вітчизняному ринку трьохвивідних мікросхем лінійних стабілізаторів напруги на фіксовану вихідну напругу і їхні основні параметри; на рисунку 1 спрощено показаний зовнішній вигляд приладів, а також зазначена їх цоколівка. У таблицю включені лише стабілізатори з вихідною напругою в межах 5...27 В - у цей інтервал вкладається переважна більшість випадків радіоаматорської практики. Конструктивне оформлення закордонних приладів може відрізнятися від показаного на рисунку 1.

Рисунок 1 - Зовнішній вигляд ІС стабілізаторів

Варто мати на увазі, що відомості про потужність, що розсіюється, при роботі мікросхеми з тепловиводом у паспортах приладів звичайно не вказують, тому в таблицях 1 і 2 дані деякі усереднені її значення, отримані з графіків, які є в документації. Відзначимо також, що мікросхеми однієї серії, але на різні значення напруги, по потужності, що розсіюється, можуть відрізнятися.

Ряд мікросхем, виготовлених у далекому і ближньому зарубіжжі, мають маркірування, що не відповідає російській стандартизованій системі. Так, перед позначенням стабілізаторів груп 78, 79, 78L, 79L, 78M, 79M, перерахованих у таблиці, у дійсності можуть бути присутніми одна або дві букви, що кодують, як правило, фірму-виробника. За зазначеними у таблиці позначеннями також можуть бути букви і цифри, що вказують на ті або інші конструктивні або експлуатаційні особливості мікросхеми. Деякі типи вітчизняних стабілізаторів мають оригінальну цифрову нумерацію виводів (вона показана на рисунку 1 у дужках). Це відбулося від того, що спочатку мікросхеми цих серій випускали в "мікросхемних" корпусах зі стандартизованою нумерацією виводів. Після того, як було налагоджене виробництво в "транзисторних" корпусах, нумерація виводів збереглася.

Таблиця 1 - Перелік мікросхем лінійних стабілізаторів напруги

прим.1: Була випущена дослідна партія з цоколівкой, що відповідає рис. 1,а.

прим.2: Випускають також різновиди на струм навантаження до 1 А.

Типова схема включення мікросхемних стабілізаторів на фіксовану вихідну напругу показана на рисунку 2,а і б.

Рисунок 2 - Типова схема включення мікросхемних стабілізаторів

Для всіх мікросхем ємність вхідного конденсатора С1 повинна бути не менш 2,2 мкФ для керамічних або оксидних танталових і не менш 10 мкФ - для алюмінієвих оксидних конденсаторів, а вихідного конденсатора С2 - не менш 1 і 10 мкФ відповідно. Деякі мікросхеми допускають і меншу ємність, але зазначені значення гарантують усталену роботу будь-яких стабілізаторів. Роль вхідного може виконувати конденсатор фільтра, що згладжує, якщо він розташований не далі 70 мм від корпуса мікросхеми.

Якщо потрібно нестандартне значення стабілізованої вихідної напруги або плавне його регулювання, зручно використовувати спеціалізовані регульовані мікросхемні стабілізатори, що підтримують напругу 1,25 В між виходом і керуючим виводом. Їхній перелік представлений у таблиці 2, а типова схема включення для стабілізаторів з регулюючим елементом у плюсовому проводі - на рисунку 3.

Рисунок 3 - Типова схема включення стабілізаторів з регулюючим елементом у плюсовому проводі

Резистори R1 і R2 утворюють зовнішній регульований подільник напруги, що входить у ланцюг установки рівня вихідної напруги U_вих, рівної U_вих=1,25(1+R2/R1)+I_пот^.R2, де I_пот=50...100 мкА - власний споживаний струм мікросхеми. Число 1,25 у цій формулі - це згадана вище напруга між виходом і керуючим виводом, що підтримує стабілізатор у робочому режимі.

На відміну від стабілізаторів на фіксовану вихідну напругу, регульовані без навантаження не працюють. Мінімальне значення вихідного струму малопотужних регульованих стабілізаторів дорівнює 2,5...5 мА і 5...10 мА - потужних. Навантаженням служить резистивний подільник напруги R1R2 на рисунку 3. За цією схемою можна включати і стабілізатори з фіксованою вихідною напругою. Однак, споживаний ними струм більший (2...4 мА) і він менш стабільний при зміні вихідного струму і вхідної напруги. З цих причин максимально можливого коефіцієнта стабілізації досягти не вдасться.

Таблиця 2 - Перелік спеціалізованих мікросхемних стабілізаторів

Для зниження рівня пульсацій на виході, особливо при більшій вихідній напрузі, рекомендується включати згладжуючий конденсатор С3 ємністю 10 мкФ і більше. До конденсаторів С1 і С2 вимоги такі ж, як і до відповідних конденсаторів фіксованих стабілізаторів.

Якщо стабілізатор працює при максимальній вихідній напрузі, то при випадковому замиканні вхідного ланцюга або відключенні джерела живлення мікросхема виявляється під великою зворотньою напругою з боку навантаження і може бути виведена з ладу. Для захисту мікросхеми по виходу в таких ситуаціях паралельно їй включають захисний діод VD1.

Інший захисний діод - VD2 - захищає мікросхему з боку зарядженого конденсатора С3. Діод швидко розряджає цей конденсатор при аварійному замиканні вихідного або вхідного ланцюга стабілізатора.

Усе сказане служить тільки для попереднього вибору стабілізатора, перед проектуванням блоку живлення варто ознайомитися з повними довідковими характеристиками, хоча б для того, щоб точно знати, яка максимально допустима вхідна напруга, чи достатня стабільність вихідної напруги при зміні вхідної напруги, струму навантаження або температури. Можна виразити впевненість, що перераховані мікросхеми знаходяться на технічному рівні, достатньому для рішення більшості задач радіоаматорської практики.

Помітний недолік в описаних стабілізаторів один - досить велика мінімально необхідна напруга між входом і виходом - 2...3 В, однак він з лишком окупається простотою застосування і низькою ціною мікросхем.

1.2 Інтегральні стабілізатори напруги широкого використання

Вузли живлення, очевидно, є найбільш розповсюдженими пристроями радіоелектронної апаратури. Крім трансформаторів з діодними мостами й ємностями або батарейок (акумуляторів) вони містять стабілізатори напруги. Найбільш розповсюдженими з останніх являються лінійні стабілізатори, у яких регульований елемент включений паралельно або послідовно з навантаженням і в залежності від вхідної напруги і споживаного навантаженням струму зменшує або збільшує свій опір, зберігаючи постійною напругу на виході.

Ще років 15 назад стабілізатори напруги виконувалися винятково на дискретних компонентах. У їхній склад, у залежності від вимог до стабілізатора, входило від одного до декількох десятків елементів. Монтаж і налагодження такого пристрою були досить трудомісткими. Та й надійність їх залишала бажати кращого. Не дивно, що в міру розвитку технології розробники мікросхем постаралися упакувати усередину відповідної мікросхеми якщо не всі необхідні для створення стабілізатора елементи, то їх більшість.

В даний час асортимент мікросхем, призначених для побудови стабілізаторів напруги, настільки великий, що навіть їхній перелік займе кілька десятків сторінок. У їхній склад входять і драйвери для керування потужними перемикаючими транзисторами, і завершені стабілізатори, оформлені в транзисторних двух-трьохвиводних корпусах.

Умовно всі лінійні інтегральні стабілізатори напруги можна розділити на кілька груп. До першої можна віднести стабілізатори на фіксовану вихідну напругу. Усередині цієї групи вироби класифікуються по полярності формуючої на виході напруги (позитивна або негативна щодо загального проводу), по величині вихідної напруги і по максимальному струму, що віддається в навантаження. Перераховані параметри є ключовими, інші ж або взаємозалежні з ними ( потужність, що розсіюється, тип корпуса), або в даний час відіграють другорядну роль (коефіцієнт стабілізації, наявність індикатора розряду батарей і т.д.).

Другу групу представляють регульовані стабілізатори, вихідна напруга яких може змінюватися в деяких визначених межах. Вони також розрізняються по полярності і по вихідному струму. У самостійну групу можна виділити многоканальні стабілізатори, що формують на виходах кілька напруг, причому іноді навіть різної полярності. І, нарешті четверта група -- відносно малопотужні малогабаритні стабілізатори, що нерідко характеризуються досить малою мінімально необхідною різницею напруг між своїми входом і виходом (аж до 0,1 В, так названі «low-drop»).

Приступимо до розгляду першої групи -- стабілізаторів з фіксованою вихідною напругою. У таблицях 3 і 4 представлений перелік стабілізаторів, які випускалися і випускаються вітчизняною промисловістю, відповідно позитивної і негативної полярності, а в таблицях 5 і 6 -- перелік найбільш розповсюджених на вітчизняному ринку аналогічних імпортних стабілізаторів.

Таблиця 3 - Перелік вітчизняних стабілізаторів

Таблиця 4 - Перелік вітчизняних стабілізаторів

Відзначимо, що відомості про потужність, що розсіюється, при роботі мікросхем з тепловідводами в паспортах приладів часто не вказують. Тому в таблицях приведені деякі усереднені значення, отримані з графіків, що містяться в документації.

Таблиця 5 - Перелік імпортних стабілізаторів