Стабілізоване джерело живлення

Основні переваги двопівперіодної  схеми випрямлення з середньою  точкою:

• розміри і маса  трансформатора значно менші, оскільки значно зменшується підмагнічення трансформатора постійною складовою струму;
• краще використовуються обмотки трансформатора;
• амплітудне значення струму через діод зменшується в два рази;
• значно зменшуються розміри, маса згладжуючого фільтра за рахунок зменшення коефіцієнта пульсацій і збільшення частоти пульсації.

За значенням зворотної  напруги на один діод розглянуті схеми  випрямлення рівноцінні.

Недолік такої схеми  випрямлення є необхідність використання вторинної обмотки трансформатора з середньою точкою.

 

 

 

 

Однофазна мостова схема випрямлення

Рис.2.4.  Схема однофазної мостової схеми випрямлення

Основні переваги однофазної мостової схеми випрямлення

• розміри і маса  трансформатора значно менші за рахунок кращого використання вторинної обмотки трансформатора;
• не потрібно спеціального виводу від середньої точки вторинної обмотки трансформатора;
• зменшена в два рази зворотна напруга, яка прикладається до одного діода.

 

Згладжуючі  фільтри

На виході випрямляча ми отримуємо пульсуючу напругу  в складі якої крім постійної складової  є змінні складові, тому через навантаження буде проходити пульсуючий струм. Для  послаблення змінної складової  випрямленої напруги або для  зменшення пульсацій застосовують згладжуючі фільтри. Ці фільтри призначені для згладження пульсацій випрямленої напруги до значення, яке допустиме за умовами експлуатації певного електронного пристрою. Крім зменшення змінної складової згладжуючі фільтри повинні забезпечувати мінімальні втрати постійної складової випрямленої напруги. Отже,  згладжуючі фільтри повинні задовольняти  наступні вимоги:

1.Фільтр не повинен   помітно спотворювати форму струму  навантаження. Це може мати місце  при швидких змінах опору навантаження, що може протидіяти швидкій  зміні напруги і струму.

2.Власна частота коливань  фільтра повинна бути нижча  ніж нижня частота змінної  складової випрямленої напруги.  Якщо ця вимога не буде виконуватися, то можливі резонансні явища  і зростання амплітуди пульсацій  на окремих частотах.

3.Перехідні процеси в  фільтрі не повинні викликати  значного підвищення напруги  або викидів струму в навантаженні.

4.Згладжуючий фільтр  повинен бути економічним, мати  малу масу, габаритні розміри  і вартість.

 

Індуктивні  згладжуючі фільтри

Індуктивний фільтр складається  з індуктивності  , яка ввімкнена послідовно з опором навантаженням (рис.2.5). Змінна складова струму створює в осерді дроселя магнітний потік, який індукує в його обмотці проти е.р.с., яка протидіє зміні струму в колі навантаження.

Рис.2.5. Індуктивний згладжуючий фільтр

Переваги індуктивних  фільтрів:

• простота;
• малі втрати потужності;
• мала зміна вихідної напруги при зміні струму навантаження;
• практично неперервний струм у навантаженні, що полегшує режим роботи трансформатора і випрямляючих діодів.

Недоліки індуктивних  фільтрів:

• можливість появи на виводах дроселя підвищеної напруги при різкому зменшенні струму в навантаженні;
• фільтр є джерелом електромагнітних завад;
• велика маса і габаритні розміри.

Індуктивні фільтри найбільш ефективні при великих струмах  і малих опорах навантаження. Застосовуються в потужних випрямляючих пристроях  де вони забезпечують хороше згладжування пульсацій.

 

Ємнісні згладжуючі фільтри

Ємнісний фільтр представляє  собою конденсатор, який шунтує опір навантаження (рис.2.6). Ємнісний фільтр забезпечує ефективне згладжування при великих значеннях опору навантаження і малих струмах.

Рис.2.6. Схема ємнісного згладжуючого фільтра

Основний недолік ємнісних фільтрів – це необхідність застосування випрямляючих діодів, які розраховані  на велике амплітудне значення струму.

Компенсаційний стабілізатор постійної напруги послідовного типу

 

 
Рис.2.7.Електрична схема компенсаційного стабілізатора постійної напруги послідовного типу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Структурна схема

Тр

В

ЗФ

Ст

                                                                                          

Рис. 3.1.

Тр – трансформатор

В – випрямляч

Ф – фільтр

Ст – стабілізатор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Розрахунок принципової схеми

4.1. Розрахунок стабілізатора

Розрахунок починаємо з визначення мінімальної напруги на вході  стабілізатора:

де U_ке.min - мінімальна напруга між емітером і колектором регулюючого транзистора. Для кремнієвого транзистора U_ке.min =(4 ... 7) В; DU_вих - відхилення напруги на виході стабілізатора від номінальної, DU_вих = 0,1·U_ном.

Номінальне  і максимальне значення напруги  на вході стабілізатора з врахуванням  відхилення вхідної напруги d_н буде дорівнювати:

Визначаємо  максимальний спад напруги на колекторі  регулюючого транзистора VT3:

Знаходимо максимальну потужність, яка розсіюються  на колекторі регулюючого транзистора:

При виборі регулюючого транзистора  керуємося такими вимогами :

Вибираємо регулюючий транзистор VT3 типу КТ819А  з відповідними електричними параметрами: b₃=15;  U_ке.доп=40В;  I_к.доп=10А P_к.доп.=60Вт.

 

 

Визначаємо  струм бази регулюючого транзистора :

_{Якщо  Іб3>10мА, потрібно використовувати додатковий транзистор VT1.}

_{Вибираємо додатковий транзистор VT1 типу КТ819Б з відповідними електричними параметрами:}

b_1min=20; b_1max=225;  U_ке.доп=50В;  I_к.доп=10мА  P_к.доп.=60Вт

_{Максимальна потужність розсіювання  додатковим транзистором:}

Розрахунок  проводимо при використанні транзистора  із середньостатистичними параметрами:

_{Визначаємо  струм бази додаткового  транзистора:}

Приймаємо значення струму колектора підсилювального  транзистора VT2 з умови:

Струм I_к2 дуже малий, тоді вибираємо  I_к2 = (0,5 ... 2) мА.

Приймаємо: I_к2= 1мА 

Вибираємо тип  підсилюючого транзистора VT2 типу КТ3102Б для якого відомі електричні параметри: І_к.доп=100мА ; U_ке.доп=50В ; b_min= 200; b_max=500 ; P_к.доп=0,25Вт.

 

Знаходимо значення струму бази транзистора VT2 в режимі спокою:

Вибираємо тип кремнієвого стабілітрона, який повинен мати номінальну напругу  стабілізації:

Вибираємо тип кремнієвого стабілітрона VD6 типу КС133А, для якого відомі електричні параметри: U_cт=3,3В;  І_ст.min=3мА; І_ст.max=81мА;  r_д=180 Ом.

Знаходимо коефіцієнт ділення подільника напруги  на резисторах R6, R7, R8:

Вибираємо струм подільника І_п1 = (1 ... 2) мА і знаходимо значення сумарного опору подільника:

Оскільки  вихідна напруга стабілізатора  повинна регулюватися в границях ±10%, а напруга стабілізації стабілітрона може також змінюватися в границях від U_ст.min до U_ст.max, то визначаємо опір нижнього плеча подільника для крайніх значень U_ст і U_вих:

Приймаємо значення R8=R_n.min.=1350 Ом.

Визначаємо  значення опорів подільника:

Зі стандартного ряду Е12 виберемо такі резистори:

R6 = 680 Ом;  R7 = 470 Ом;

Зі стандартного ряду Е24 виберемо такий резистор:

R8 = 1300 Ом;

 

Розраховуємо  потужність, що розсіюється на резисторах  R6, R7, R8.

Опір  резистора R2 розраховуємо з умови забезпечення протікання через стабілітрон додаткового струму:

Зі  стандартного ряду Е12 виберемо такий резистор:

R2 = 390 Ом.

Розраховуємо  потужність, що розсіюється на резисторі R2:

.

 

Задаємося значенням напруги додаткового  джерела живлення підсилювального  каскаду на транзисторі VT2 рівною E₀ >U_вхmax і розраховуємо значення резистора R1                

Зі  стандарту Е12,приймаємо R1=18кОм.

 

Розраховуємо  потужність, що розсіюється на резисторі R1:

 

Визначаємо  коефіцієнт підсилення за напругою підсилювального  каскаду на транзисторі VT2:

,

де 

Знаходимо значення коефіцієнта стабілізації стабілізатора:

Напруга Е₀ може бути вибрана рівною U_вх.min, якщо розрахований коефіцієнт стабілізації К_ст більший від заданого. При цьому спрощується принципова схема стабілізатора, оскільки відпадає необхідність у додатковому джерелі.

Вибираємо тразистор VT4 типу КТ817А для якого відомі електричні параметри: І_к.доп=3А ; U_ке.доп=25В ; b₃= 25; P_к.доп=25Вт.

Задаємося максимально допустимими значенням  потужності, яка може розсіюватися на колекторі регулюючого транзистора VT1 в режимі перенавантаження P_к1доп=60Вт і знаходимо значення опору захисту R:

де U_бе3 - напруга відкривання транзистора захисту VT3. Для кремнієвих транзисторів U_бе3=0,6В.

 

Приймаємо R5=1,2 Ом.

Розраховуємо  потужність, що розсіюється на резисторі R5:

Встановлюємо  максимальний струм спрацювання  схеми захисту І_Зmax=(2 ... 3)І_ном=4А і визначаємо напругу зміщення транзистора VT4

Задаємося значенням струму подільника напруги  на резисторах R3 і R4:

I_п2 =(1 ... 2)мА і знаходимо значення резисторів цього подільника:

Приймаємо R4=4300Ом  і R3=820кОм.

 

Розраховуємо  потужність, що розсіюється на резисторах R3 та R4:

Коефіцієнт  корисної дії стабілізатора знаходимо  використовуючи наступний вираз:

де

 

 

4.2. Розрахунок фільтра

Визначаємо напругу на фільтрі:

Струм, що тече через фільтр, визначаємо за виразом:

Напруга пульсації на вході стабілізатора  U_n:

Внутрішній  опір трансформатора

де В − коефіцієнт втрат в трансформаторі, який залежить від його номінальної потужності (табл. 1).

Табл. 1.

Номінальна потужність, Вт	В
4...15	1,25
15...33	1,17
33...55	1,12
55...105	1,08
Більше 105	1,05