Проектирование стабилизированного источника питания

Отклонение напряжения питающей цепи от номинального DU_c = 25 % = 0,25

Частота питающей цепи      f= 50 Гц

Номинальное напряжение на выходе цепи   U_вых = 5 В

Отклонение напряжения на выходе цепи от номинального DU_вых = 3 % = 0,03

Минимальное сопротивление нагрузки    R_н.мин = 2 Ом

Максимальное сопротивление нагрузки    R_н.макс = 1000 Ом

Коэффициент срабатывания защиты по току   К_защ = 2

1. Расчёт остальных параметров.

Максимальный ток нагрузки:

Минимальный ток нагрузки:

Коэффициент стабилизации:

Пульсации на выходе:

Примем  В

1. Расчет регулирующего транзистора.

Допустимый ток регулирующего  транзистора:

Максимальный ток регулирующего  транзистора:

Выбираем транзистор типа КТ802А  с параметрами:

U_{кэ.макс1} = 130В

I_к.макс1 = 5А

h_21э1 = 15

I_кбо1 = 0,06А

U_кэ.мин1 = 5В

Р_к.макс1 = 50Вт

 

Амплитуда пульсаций на входе стабилизатора:

U_{~макс.вх} = (0,05...0,1)*(U_{вых.мин} +U_кэ.мин) = 0,1*(5,15+5) = 1,015 В

Минимальное напряжение на входе стабилизатора:

U_0мин = U_{вых.макс} +U_кэ.мин1 +U_{~макс.вх} = 5,15+5+1,015 = 11,165 В

Номинальное напряжение на входе:

U_0н = U_0мин /(1-D_с) = 11,165/(1-0,25) = 14,887 В

Максимальное напряжение на входе:

U_0макс = U_0н*(1+D_с) = 14,887*(1+0,25) = 18,608 В

Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора:

U_{кэ.макс1} = U_0макс - U_{вых.мин} =18,608 - 4,85 = 13,758 В < 130 В

Максимальная мощность, развиваемая  транзистором:

Р_к.макс1 = U_{кэ.макс1} * I_к.макс1 = 13,758*2,833 = 38,97 Вт < 50 Вт

Максимальный ток эмиттера:

I_э.макс = I_к.макс1 + I_к.макс1 /h_21э1 =2,833+2,833/15 = 3,022 А

Максимальный ток базы:

I_б.макс1 = I_э.макс /h_21э1 = 3,022/15 = 0,201 А

Рассчитаем резистор R7.

I_R7 = I_кбо = 0,06 А

R7 = U_вых / I_R7 = 5 / 0.06 = 83.333 Ом

Р = I_R7² *R7 = 0,06² * 82 = 0.295 Вт

Выбираем по ГОСТу R7 = 82 Ом, P = 0.5 Вт.

1. Выбор второго транзистора.

Определим ток коллектора второго  транзистора

I_к2 =1,1 * I_б.макс1 = 1,1 * 0,201 = 0,222 А

Требуемым условиям удовлетворяет  транзистор КТ817Г с параметрами:

U_{кэ.макс2} = 100 В

I_к.макс2 = 3 А

h_21э2 = 25

I_кбо2 = 0,1 мА

Р_к.макс2 = 30 Вт

 

Ток базы транзистора равен:

I_б2 = I_э.макс /(h_21э1 h_21э2) = 3,022/(15*25) = 0,008 А

 

Максимальная мощность развиваемая  этим транзистором:

Р_к.макс2 = U_{кэ.макс2} I_б.макс2 = 13,758*0,201= 2,77 Вт

 

Рассчитаем резистор R6.

I_R6 = I_кбо = 0,0001 А

R6 = U_вых / I_R6 = 5 / 0.0001 = 50 кОм

Р_R6 = I_R6² *R6 = 0,0001² * 50000 = 5*10^-4 Вт

Выбираем по ГОСТу R6 = 47 кОм, P = 0,125 Вт

1. Выбор третьего транзистора.

I_к3 =1,1 * I_б.макс2 = 1,1 * 0,008 = 0,009 А

Требуемым условиям удовлетворяет  транзистор МП37 с параметрами:

U_{кэ.макс3} = 15 В

I_к.макс3 = 0,02 А

h_21э3 = 15

Р_к.макс3 = 0,15 Вт

 

Ток базы транзистора равен:

I_б3 = I_э.макс /(h_21э1 * h_21э2) = 3,022/(15*25*15) = 0,0005 А

 

Максимальная мощность развиваемая  этим транзистором:

Р_{к.макс.3} = U_{кэ.макс3} I_б.макс3 = 13,758*0,009= 0,124 Вт

1. Расчет блока сравнения и УПТ.

Определение опорного напряжения:

U_оп = U_{вых.мин} - (2...3) = 5 - 2 = 3 В

I_{оп.ст.мин} ³ 5 I_б = 5*0,0005 = 0,0025 А

Выбираем стабилитрон КС133А с  параметрами:

U_ст.мин = 2,97 В

U_ст.н = 3,3 В

U_{ст.макс} = 3,69 В

I_ст.мин=0,003 А

I_ст.мас = 0,081 А

R_i = 65 Ом

 

Ток и напряжение на коллекторе транзистора

I_к4 ³ 5 I_б3 = 5 * 0,0005 = 0,0025 А

U_к ³ U_{вых.макс} - U_оп.мин = 5,15 - 2,97 = 2,18 В

Данным условиям удовлетворяет  транзистор МП37.

Ток базы транзистора УПТ равен:

I_б4 = I_к4 / h_21э4 = 0,0025/15 = 0,000167 А

Гасящее сопротивление резистора  R8 равно:

R8=(U_{вых.макс} - U_ст.мин) / (I_{оп.ст.мин} + I_к4) = (5,15 - 2,97) / (0,0025 + 0,0025) = 436 Ом

Выбираем по ГОСТу R8 = 430 Ом

Р_R8 = (I_{оп.ст.мин} + I_к4)² * R8 = (0,0025 + 0,0025)² * 430 = 0,011 Вт

Максимальная рассеиваемая мощность резистора R8 по ГОСТу 0,125 Вт.

 

I_{оп.ст.макс} = (U_{вых.макс} - U_ст.мин) / R8 +I_к4 = (5,15 - 2,97)/430 + 0,0025 = 0,075 А £ I_{ст.макс}

Сопротивление резистора в цепи коллектора УПТ:

R5 = (3...10) кОм

Пусть R5 = 3 кОм (по ГОСТу)

Р_R5 = (I_к4 + I_б3)² * R5 = (0.0025 + 0.0005)² * 3000 = 0.027 Вт

Резистор R5 мощности 0,125 Вт.

 

Напряжение питания цепи УПТ:

U_доп = (I_к4 + I_б3) * R5 = (0,0025+ 0,0005) * 3000 = 9 В

Пусть I_доп.ст = 5 мА.

Выбираем стабилитрон Д814В  с параметрами:

U_ст.мин = 9,5 В

U_ст.н = 10 В

U_{ст.макс} = 10 В

I_ст.мин=0,003 А

I_ст.мас = 0,032 А

R_i = 12 Ом

 

Входной ток цепи питания УПТ:

I_вх.доп = I_доп.ст +I_к4 + I_б3 = 0,005 + 0,0025 + 0,0005 = 0,008 А

Тогда

R4 = (U_0vfrc - U_доп) / I_вх.доп = (18,608 - 10) / 0,008 = 1076 Ом

Выбираем по ГОСТу R4 = 1,1 кОм

Р_R4 = I_вх.доп² * R4 = 0,008² * 1100 = 0,07 Вт

R4 по мощности 0,125 Вт

1. Расчет делителя.

Выберем ток делителя значительно  больше тока базы транзистора VT4.

I_дел = 30 * I_б4 = 30 * 0,000167 = 0,005 А

Общее сопротивление делителя:

R_дел = U_{вых.мин} / I_дел = 4,85 / 0,005 = 970 Ом

Для возможности отрегулировать выходное напряжение стабилизатора поставим подстроечный резистор и установим предел регулирования от 4,5 до 5,5 В.

К_ос.мин = U_{оп.ст.мин} / U_{вых.макс} = 2,97 / 5,5 = 0,54

К_ос = U_оп.ст.н / U_вых.н = 3,3 / 5 = 0,66

К_{ос.макс} = U_{оп.ст.макс} / U_{вых.мин} = 3,69 / 4,5 = 0,82

 

R9 = R_дел * (1 - К_ос) = 970 * (1 - 0,66) = 329,8 Ом

По ГОСТу выбираем R9 = 330 Ом

Р_R9 = I_дел² * R9 = 0,005² * 330 = 0,008 Вт

По мощности R9 выбираем 0.125 Вт.

 

R11 = R_дел * К_ос.мин = 970 * 0,54 = 523,8 Ом

По ГОСТу выбираем R11 = 500 Ом

Р_R11 = I_дел² * R11 = 0,005² * 500 = 0,0125 Вт

По мощности R11 выбираем 0.125 Вт.

 

R10 = R_дел - R9 - R11 = 970 - 500 - 330 = 140 Ом

По ГОСТу выбираем R10 = 150 Ом

Р_R10 = I_дел² * R10 = 0,005² * 150 = 0,004 Вт

По мощности R10 выбираем 0.125 Вт.

1. Расчет блока защиты.

Схема защиты по приведенной схеме  работает следующим образом. При  возрастании тока на нагрузке возрастает падение напряжения на резисторе R2. При достижении напряжения на этом резисторе приблизительно 1вольта  тиристор VS1 (в зависимости от свойств тиристора) открывается, через него течет ток. Вначале срабатывает электронная защита. Возникающий при этом отрицательный импульс напряжения поступает на базу транзистора VT3 и закрывает его, а, следовательно, и транзисторы VT2 и VT1. Диод VD5 служит для защиты регулирующего транзистора от положительного напряжения с анода тиристора. Далее срабатывает электромеханическая защита (в зависимости от быстродействия реле). Реле срабатывает и переключает контакты, отключая при этом напряжение на выходе стабилизатора и подключая светодиод, сигнализирующий о срабатывании схемы защиты. После устранения причины перегрузки необходимо кратковременно нажать на кнопку SB1 для того, чтобы закрыть тиристор VS1 и обеспечить нормальное продолжение работы устройства стабилизации.

Выберем реле с переключающимися контактами, как на схеме. Этим условиям удовлетворяет реле типа РЭС - 55А номер паспорта РФ4.500.025-01 с параметрами:

Ток срабатывания I_ср = 8,5 мА

Сопротивление катушки постоянному  току R_к = 380 Ом

Ограничительное сопротивление  R1

R1 = U_0мин / I_ср - R_r = 11.165 / 0,0085 - 380 = 933,5 Ом

Выбираем по ГОСТу R1 = 910 Ом

Р_R1 = I_cр² * R1 = 0,0085 / 910 = 9*10^-6 Вт

Мощность R1 0,125 Вт

 

Выберем тиристор типа КУ101Г с параметрами:

Обратное напряжение U_обр = 80 В

Максимальный средний ток в  открытом состоянии I_{ос.ср.макс} = 0,075 А

Тиристор открывается при напряжении на управляемом электроде относительно катода »1 В.

Рассчитаем R2.

Так как коэффициент защиты по условию равен 2, а максимальный ток 2,5 А, то ток срабатывания защиты должен быть 5 А. Сопротивление резистора R2 в этом случае должно быть равным

R2 = U_сраб / I_сраб = 1 / 5 = 0,25 Ом

Мощность резистора P_R2 = I_ср² / R2 = 5² / 0.25 = 100 Вт

Этот резистор можно сделать  из нихромового провода.

 

Выберем светодиод АЛ307А с параметрами

Прямой ток I_пр = 10 мА

Рассчитаем сопротивление ограничительного резистора R3.

R3 = U_0мин / I_пр = 11,165 / 0,01 = 1116,5 Ом

Выбираем по ГОСТу R3 = 1,1 кОм

Р_R3 = I_пр² * R3 = 0,01² / 1100 = 9*10^-8 Вт

Мощность R3 0,125 Вт

1. Расчет фильтров.

1. Расчет выпрямителя.

Применим в устройстве схему  двухполупериодного выпрямителя.

Максимальное напряжение на входе  стабилизатора равно 18,6 В.

Максимальный ток 2,5 А.

Выберем по справочнику диоды в выпрямительный мостик VD1...VD4.

Данным условиям удовлетворяют  диоды КД202А с параметрами:

Максимальный прямой ток I_{пр.макс} = 5 А;

Максимальное обратное напряжение U_{обр.макс} = 50 В.

1. Расчет трансформатора.

Выберем для трансформатора Ш-образный магнитопровод. Ток через вторичную обмотку примем равным I_II = 3 А. Тогда мощнисть, потребляемая вторичной обмоткой трансформатора будет равна

P_II = U_II * I_II = 14.9*3 = 44,7 Вт

Ток протекающий через первичную  обмотку равен

I_I = P_I / U_I = 44,7 / 220 = 0.2 A.

Рассчитаем необходимую площадь  сечения сердечника магнитопровода:

S_г=(U_II_I+U_III_II)/2h=(220*0.2+14.9*3)/2*0.75=59,1

S_стS_oк=S_г*100/(2.22f_cBjk_mk_ch)=59,1*100/(2.22*50*1.25*2,7*0.3*0.89*0.8)=73,86

Выберем магнитопровод типа ШЛМ32Х25 с S_cтS_ок = 79,2 см⁴  и S_ст = 8 см²

Число витков первичной и вторичной  обмоток равно:

w₁=U_I(1-DU_I/100)*10000 / (4.44*f*B*S_ст) = 220(1-0.085)*10000/(4.44*50*1.25*8) = 907

w_II = U_II(1+DU_II/100)*10000 / (4.44*f*B*S_ст) = 15(1+0.085)*10000/(4.44*50*1.25*8) = 73

Определим толщину проводов

S1=I1/j=0.2/2.7=0.074 мм²

S2=I2/j=3/2.7=1,111 мм²

Выберем провода:

первичной обмотки диаметром 0,315 мм сечением 0,077 мм² максимальным диаметром 0,352мм

вторичной обмотки диаметром 1,25 мм сечением 1,22 мм² максимальным диаметром 1,325 мм

Проверим, уместится ли данная обмотка в окне магнитопровода. Положим толщину одного слоя первичной обмотки с изоляционной прокладкой 0,36 мм, вторичной – 1,4 мм. Тогда, разместив в одном слое по длине катушки 55/0,36=152 витка первичной обмотки и 55/1,4=39 витков вторичной, найдем толщины этих обмоток: