Проектирование стабилизированного источника питания

Для трансформатора можно использовать магнитопровод с минимальной площадью сердечника:

 

Значение  ширины стержня определим по формуле:

 

Выбираем  магнитопровод ПЛ20´40, где а = 20мм, b = 40мм, h = 50мм, Н = 90.

Активная площадь сечения магнитопровода:

 см²

 
 

Определим э.д.с. одного витка:

 В

 

Число витков первичной обмотки:

 
 

Число витков вторичной обмотки:

. 
 

Определим диаметр провода обмоток (без  изоляции):

 

 

 
 
 

По справочнику определим диаметр провода обмоток с изоляцией: d₁ = 0,955мм, d₂ = 1,7мм.

Определим значение емкости фильтра:

 

 
 

.

По ГОСТу  выбираем емкость К50-16-50-1915 мкФ.

     Путем увеличения емкости конденсатора можно уменьшить пульсации напряжения до требуемого уровня. Такой способ борьбы с пульсациями имеет 2 недостатка:

        1. Конденсаторы нужной емкости  могут оказаться недопустимо  громоздкими и дорогими;

        2. Даже в том случае, когда пульсации уменьшены до пренебрежимо малого уровня, наблюдаются колебания выходного напряжения. Изменения выходного напряжения может быть вызвано изменением тока нагрузки, т.к. трансформатор, диод и др. элементы обладают конечным внутренним сопротивлением.

4.2 Расчет стабилизатора

       В качестве стабилизатора в данной схеме будем использовать компенсационный стабилизатор, в состав которого входит схема защиты по току, регулирующий элемент, усилитель постоянного тока и измерительный элемент.

     

    Т.к. максимальный ток нагрузки больше 0,6А и меньше 4А, то выбираем регулирующий элемент, состоящий из трех транзисторов.  

1. Рассчитаем  транзистор VT3:

       Находим наименьшее напряжение на входе стабилизатора:

Ubx_min:= Un + Uкз_min = 19 В , где Uкз_min – минимальное напряжение на

регулирующем  транзисторе VT3.

     VT3 предположительно кремневый, то  U_{кз min} выбираем в пределе 3..5 В.

      Учитывая  нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора ±20%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

       

 

 
 
       

 

 
 

       Максимальное  напряжение на входе стабилизатора Uвх_max2 при минимальной нагрузке

 

, где

 

 

  
 
 

       Максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер на регулирующем транзисторе:

       

 

 
 

     Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT3, равняется

       

 
 

По полученным значениям выбираем транзистор КТ819А  с параметрами:

Тип NPN

I_К.МАХ = 10 А;

U_КЭ.МАХ = 25 В;

Р_К.МАХ = 60 Вт;

I_КБ03 = 10 мА;

h_21Э3 = 15. 

2. Рассчитаем  транзистор VT2:

 

Ube3 – падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3 (0.7 В).

      Ток коллектора VT2 состоит из тока базы VT3 и тока потерь, который протекает через резистор R3,  

 

,   где  

    

 

     

       

 А- ток потерь

 
 
 

       Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора  VT2, равняется

       

 

 
 
 

По полученным значениям выбираем транзистор КТ815А с параметрами:

Тип NPN

I_К.МАХ = 1,5 А;

U_КЭ.МАХ = 25 В;

Р_К.МАХ = 10 Вт;

I_КБ02 = 10 мА;

h_21Э2 = 40. 

Рассчитываем  ток базы VT2

 

 
 
 

Находим сопротивление резистора R3

      

 Ом

 
 

Мощность  рассеиваемая на резисторе:

 

Выбираем резистор R3 типа С2-33Н-0,125         6.4 кОм±5% 

3. Рассчитаем  транзистор VT1:

 

где Ube2 – падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2 (0.7 В).

      Ток коллектора VT1 состоит из тока базы VT2 и тока потерь, который протекает через резистор R9,  

      

 

 
 
 
 

       Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора  VT1, равняется

       

 

 
 
 

По  полученным значениям выбираем транзистор КТ603А с параметрами:

Тип NPN

   I_К.МАХ = 0,3 А;

   U_КЭ.МАХ = 30 В;

   Р_К.МАХ = 0,5 Вт;

   I_КБ03 = 10 мА;

   h_21Э3 = 60. 
 

Рассчитываем  ток базы VT1

 

 
 
 

Находим сопротивление резистора R9 

       

 
 
 

Мощность  рассеиваемая на резисторе

    

    

    

    Выбираем  резистор R9 типа С2-33Н-0,125         8.2 кОм±5% 

   Выходной делитель напряжения собран на резисторах R6, R7, R8. 

4. Рассчитаем  стабилитрон  VD2:

Определим напряжение стабилизации:

 
 

Рассчитаем  резистор R4:

 Ом

 

 

 

 
 

Выберем резистор С2-33Н-0,125– 1 кОм.  

Найдем  максимальный ток стабилизации:

 
 
 

Выбираем  стабилитрон 2С191Ж с параметрами:

U_CT = 9,1 B;

I_CT.MAX = 0,016 A;

Р_{СТ МАХ} = 150 мВт 
 

5. Рассчитаем  транзистор VT4

Рассчитываем  напряжение коллектор-эмиттер транзистора

Задаем  ток коллектора VT4 меньше максимального тока стабилизации стабилитронаVD2

 А

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора  VT4

 

 
 

По  полученным значениям выбираем транзистор КТ201В с параметрами:

   Тип NPN

   I_К.МАХ = 0,03 А;

   U_КЭ.МАХ = 20 В;

   Р_К.МАХ = 0,15 Вт;

   h_21Э4 = 60. 

Рассчитываем  ток базы VT4

 А

 
 

6. Рассчитаем  сопротивления делителя

Ток последовательно соединенных резисторов R6, R7, R8 берем равным 5I_б4 и определяем суммарное сопротивление делителя

 

 

 
 
 

   Находим сопротивления резисторов:

 

 

 
 

 

 
 

 

        
 

Уточняем  ток делителя:

 

 
 
 

    Мощности, рассеиваемые на резисторах делителя, равны

 

 

 

 

 
 
 

R6  выберем резистор С2-33Н-0,125– 5,4 кОм.

R7  выберем резистор С2-33Н-0,125– 1,8 кОм.

R8  выберем резистор С2-33Н-0,125– 10,8 кОм. 

7. Рассчитаем  стабилитрон  VD1

Рабочее напряжение стабилитрона VD1 определяем из соотношения

 
 

Выбираем  стабилитрон КС509А с параметрами:

U_CT = 15 B;

I_CT.MAX = 0,047 A;

Р_{СТ МАХ} = 1300 мВт

Rст = 15 Ом

    Вычисляем сопротивление резистора R1, задав средний ток стабилитрона   (I _R1 = I _VD1) 

 

 
 

 
 

Выберем резистор С2-33Н-2,0 – 657 Ом