Материал: Расчет выпрямителей и стабилизаторов методические указания для индивидуальной работы студентов по дисциплине «Электропреобразовательные устройства РЭС». Воробьева Е.И., Юшин А.М

При расчете задаются следующие параметры/3/:

1. Номинальная величина выходного напряжения U_вых. В качестве примера приведем силовые параметры U_вых=8 В и до­пуски на разброс входного напряжения ∆ U_выхмин=I В в сторону уменьшения U_{выхмакс}=I В в сторону увеличения.

2. Максимальный I_нмакс=5 мА и минимальный I_нмин=3 мА токи нагрузки стабилизатора.

3. Допустимое относительное изменение среднего значения входного напряжения ненагруженного выпрямителя в сторону уменьшения и в сторону увеличения

1,1

(2.5)

4. Относительная амплитуда напряжения пульсации входного напряжения

(2.6)

где U_п- амплитуда а напряжения пульсации входного напряжения.

5. Максимально допустимая относительная нестабильность выходного напряжения ∆U_выхсд = ±0.6 % при изменении входно­го напряжения (напряжения сети), в заданных пределах.

6. Максимально допустимая относительная нестабильность выходного напряжения ∆U_выхнв=0.7% при изменении тока нагрузки от I_нмакс до I_нмин.

7. Максимально допустимая относительная амплитуда пульса- выходного напряжения а_пвыхд=0.5% 8. Номинальная температура окружающей среды Т_с = ± 20 С, минимальная T_смин=-10^оС и максимальная Т_смакс=±50^оС

9. Максимально допустимая относительная температурная нестабильность выходного напряжения ∆U_выхтд =±2,5 % при из­менении температуры на ∆Т_смин=Т_с - Т_смин и ∆Т_смакс=Т_смакс-Т_с .

Проектирование однокаскадной схемы параметрического ста­билизатора включает следующие этапы /1/:

I. В соответствии с требуемым выходным напряжением выби­раем тип и количество стабилитронов /6...8/- один или несколько последовательно - и находим из справочника номинальное значение напряжения стабилитрона ∆U_стном , допустимый разброс ∆U_{ст ном} . Для рассматриваемого примера выбираем стабилитрон- KCI80A /6...8/с U_{cт ном}=8 В, U_{ст ном}=±0.8 В, для которого

U_{cт мин}=U_{вых мин}=U_{ст ном}- U_{ст ном}=8-0.9=7,2 В, (2.7)

U_{ст макс}=U_{вых макс}=U_{ст ном}+ U_{ст ном}=8+0.8=8,8 В, (2.8)

При заданном U_вых = 8 В получаем U_{вых мин} = 0.8 В U_{вых макс}=0.8 В, что удовлетворяет заданным требованиям.

2. Из справочных данных находим максимальный температур­ный коэффициент выбранного стабилитрона (для KСI8OA = 0,05 %/°С) и определяем

∆U_выхт =  _ст ∙вТ = 0,05∙30 = 1,5% (2.9)

что удовлетворяет заданным требованиям (± 2,5 %).

3.Находим среднее значение требуемого выходного сопротив­ления стабилизатора

∆ U_выхнд ∙ U_вых 0,7 ∙8

R _выхд = = = 28 Ом. (2.10) (2.9)

100 (Iнмакс - Iнмин) 100 (5-3)∙10^-3

4. Выбираем I_{ст мин}, при котором суммарное дифференциальное сопротивление на постоянном токе было бы меньше R_выхд из справочных данных находим для этого, тока R_д следующим образом:

а) выбираем I_{cт мин}= 5 мА. Для этого тока R_д (из справочника /8/) не превосходит 15 0м;

б) находим для максимального напряжения стабилитрона наиболее вероятное значение абсолютного температурного коэффициента напряжения

(2.11)

в) задаваясь тепловым сопротивлением стабилитрона R_t=0.15^оС/мВт, находим тепловую составляющую дифференциального сопротивления

(2.12)

г) определяем полное сопротивление

R_д=R_д+R_дt=15+7,26 =22.26 Ом (2.13)

и убеждаемся, что оно меньше R_выхд .

5. Находим среднее значение допустимого коэффициента стабилизации

(2.14)

(2.15)

где х- наибольшая из разностей а_макс-I или I-a_мин.

Для рассматриваемого примера

6.Определяем максимальный коэффициент стабилизации

(2.16)

(2.17)

и убеждаемся, что

обычно желательно, чтобы

(2.18)

Если К_сстщд>> K_стмакс , то однокаскадная схема стабилиза­тора не может обеспечить заданную нестабильность при изменении входного напряжения и необходимо перейти к двухкаскадной схеме.

7.Вычисляем необходимое входное напряжение ненагруженного выпрямителя E_вх , обеспечивающего заданный коэффициент стабилизации

(2.19)

(2.20)

(2.21)

(2.22)

(2.23)

Выбираем E_вх =30 В.

8.Определяем внутреннее сопротивление выпрямителя

9.Находим номинальную величину реального гасящего резис­тора R₁ ( не включая внутреннего сопротивления выпрямителя)

-

Выбираем R_г = 1,2 кОм ± 5 %

10.Уточняем значение коэффициента стабилизации с учетом того, что R´_г=R_r+R_в

что больше допустимого

11.Определяем коэффициент сглаживания пульсаций стабили- затора и относительную амплитуду пульсаций на выходе стабили- затора

(2.24)

%

мА

убеждаемся, что

12. Уточняем мгновенное значение минимального тока стабилитрона

(2.25)

и убеждаемся, что оно больше минимально допустимого ( 3 мА для KCI80A).

13. Находим среднее значение максимального тока стабилитрона

(2.26)

и убеждаемся, - что оно меньше максимально допустимого (15 мА для KCI80A).

14. Определяем максимальное и номинальное значения входного тока и максимальное и номинальное значения входной мощности стабилизатора

I_вхмакс = I_стмакс + I_стмин = 14,9+3=17,9 (мА) (2.27)

Е_вх - Е_вых 30-8

I _вх = = = 14,7 (мА) (2.28)

R_γ+R_в 1200+300

Р_вхмакс = I_вхмакс* Е_вх*а_макс – I²_вхмаксR_в = 0,49 (Вт) (2.29)

Р_вх = I_вх * Е_вх – I²_вх R_в =0,38 (Вт) (2.30)

15.Вычисляем минимальный и номинальный к.п.д. стабилиза- тора (без выпрямителя)

(2.31)

(2.32)

Итак, в результате расчета можно сделать вывод, что ста­билитрон KС180A выбран правильно; поскольку он обеспечивает заданную нестабильность напряжения по трем основным дестабили­зирующим факторам: по току нагрузки, по колебаниям напряжения в сети и по влиянию температуры окружающей среды. Кроме того, он обеспечивает подавление пульсаций напряжения с заданной точностью. Проведенная проверка по минимальному и максимальному току показала пригодность выбранного стабилитрона. Полученные значения к.п.д - являются приемлемыми для устройств такого типа.

2.3. Расчет параметрических стабилизаторов с оптимальным к.п.д.

В определенных случаях, например при литании стабилизаторов от батарей, требуется сравнительно небольшой коэффициент стабилизации при оптимальном к.п.д, схемы/3/. В этом случае расчет схемы однокаскадного параметрического стабилизатора начинается так же, как приведено в 2.2. Только вместо пунктов 5...7 надо выполнить следующие расчеты:

1.Найти вспомогательный коэффициент

М=1- A_мин (2.33)

2.Вычислить оптимальный ток стабилитрона

(2.34)

3.Задаться номинальным током стабилитрона

(2.35)

4.Определить входное напряжение

(2.36)

Далее расчет ведется по тем же формулам, что приведены в 2.2., начиная с пункта 8.

2.4. Расчет однокаскадного параметрического стабилизато­ра с цепочкой термокомпенсирующих стабилитронов

На рис. 2.3 приведена схема .однокаскадного параметрическо­го стабилизатора с цепочкой или диодов, обладающих отрицательным температурным коэффици­ентом напряжения γ_д<0 в отличие от основного стабилитрона VD1 с Y_ст>0/1,3/.

В

Рис. 2.3. Однокаскадный параметрический стабилизатор с цепочкой термокомпенсирующих стабилитронов

γ_ст=0,01U_cт* α_ст=0,01*8*0,05=4мВ/^оС.

Для диодов можно считать γ_д=-2,2мВ/^оС.

Тогда наилучшая термокомпенсация будет при n=2 и γ_∑=-0,4 мВ/^оС. Таким образом удалось уменьшить суммарный температурный коэффициент напряжения на порядок по сравнению с γ_ст = 4 мВ/°С.

При расчете заданными являются те же данные, что и при расчете схемы, рассмотренной ранее (рис. 2.2). Расчет ведется на максимальный коэффициент стабилизации в следующем порядке:

1. Выбираем стабилитрон и термокомпенсирующие диоды (или стабилитроны) /6...8/ таким образом, чтобы суммарный температурный коэффициент напряжения был минимальным. Для диодов можно взять γ_д = -2,2 мВ/°С. Задаемся величиной минимального дополнительного тока I_прмин= 10...15 мА. Проверяем выполнение требований по ∆U_{вых тд} (см.пункт 2 подраздела 2.2).

2. Вычисляем полное дифференциальное сопротивление стаби- литрона R_д (см.пункт 4 позраздела 2.2), термокомпенсированных р-п переходов R_дпр(при токе I_прмин+I_стмин), суммарное сопротивление.

R_д∑ = R_д R_дпр , (2.37)

которое является выходным сопротивлением R_вых стабилизато­ра должно удовлетворять условию

R_вых<R_выхд (2.38)

где R_{вых д} определяется из формулы (2.10).

Если условие (2.38) не выполняется, то надо выбрать другой стабилитрон VDI с меньшим R_д.

3.Определяем величину напряжения питания дополнительного источника

_пр∑ (2.39)

где U_пр∑ - суммарное прямое напряжение р-п переходов VD2 и VD 3.

4.Находим величину гасящего сопротивления

(2.40)

где R_r1 включает внутреннее сопротивление дополнительного источника R_в1.