Стабилизатор на напрежение

Технически университет – СофияФилиал Пловдив

Токозахранващи устройства

Курсов проект

Тема: Проектиране на стабилизатор на напрежение

СТУДЕНТ: ВЛАДИСЛАВ СЪБИНОВ ЗАФИРОВСПЕЦИАЛНОСТ: ЕЛЕКТРОНИКА

ФАК. №: 351171ГРУПА: 32 А

Ръководител:.... .............................

/ гл. ас. д-р И. Рачев/

С Ъ Д Ъ Р Ж А Н И Е

1. Теоретична част - стр. 3

2. Описание на избраната схема - стр. 6

3. Изчислителна част - стр. 7

4. Списък на елементите - стр. 19

5. Принципна схема - стр. 20

6. Използвана литература - стр. 25

1

З А Д А Н И Е

ПРОЕКТИЕАНЕ НА СТАБИЛИЗАТОР НА НАПРЕЖЕНИЕ

Изходно напрежение: Uизх = 12 V

Товарен ток: IT = 2 A

Максимална стойност на IT: ITmax = 2.2 A

Изменение на захранващо напрежение: ∆U ± 5%

КП 5%

Захранващо напрежение: 220 V / 50 Hz

Интегрална схема: μA723

2

I. Теоретична част1. Въведение

Токозахранващите устройства, използващи енергията на електроразпределителната мрежа за захранване на електронна апаратура, представляват електронни преобразуватели на променливо в постоянно напрежение. Освен преобразуването те почти винаги извършват и регулиране или стабилизиране на изправеното напрежение и защита от екстремални стойности на токовете и напрежеиията. Преобразуването на променливото напрежение в постоянно се извършва от токоизпра-вители, стабилизирането - от стабилизатори, а защитата - от вериги и елементи за защита. В едно комплексно токозахранващо устройство обикновено са включени и трите вида възли, някои от тях могат да се повтарят многократно.

Възможни са много варианти на схеми на мрежови токозахранващи устройства. На фиг.1 са показани два от най-често срещаните. На фиг.1а е дадено токозахранващо устройство с мрежов трансформатор и еднократно преобразуване на енергията. В този случай напрежението на мрежата се трансформира до необходимата стойност от мрежовия трансформатор, изправя се от вентилната група, изглажда сс от филтър, стабилизира се от стабилизатор и през изходния филтър захранва консуматора.

Фиг.1а

Фиг.1б

ФИГ. 1. БЛОКОВИ схеми на токозахранващи устройстваа - с мрежов трансформатор; б - без мрежов трансформатор

и многократно преобразуване на енергията

3

И в двата варианта освен силовата схема съществуват схеми за управление, защита и сигнализация, които са с различна сложност в зависимост от предназначението им и изискванията към тях.Във всички токозахранващи устройства посоката на енергията е от източника към консуматора - в тази последователност от дидактични съображения се обяснява и изучава действието им. При проектирането им, обаче, изходни данни са данните на консуматора и на моежата. За това проектирането се извършва в обратната последователност - от консуматора към мрежата. Например за схемата от фиг. 1а проекти-рането трябва да протече в следната последователност:— проектиране на изходния филтър;— проектиране на стабилизатора;— проектиране на вентилната група и мрежовия филтър;— проектиране на трансформатора;— проектиране на схемите за управление, защита и сигнализация.

От своя страна всеки отделен възел на комплексното токозахранващо устройство се проектира в определена последователност:

— уточняване на изходните данни, които са определени от консуматора, съседните възли, захранващия токоизточник и околната среда;— избиране на схемно решение;— определяна на режима на работа на елементите от схемата и тяхното изчисляване или избиране по каталог;— проверяване на издръжливостта на екстремални условия и проектиране на съответните защити.

2. Проектиране на стабилизатори на напрежение с интегрална схема µА723Интегралната схема µА 723 е стабилизатор на напрежение с вграден

източник на еталонно напрежение, усилвател и маломощен регулиращ транзистор. Схемата се произвежда в корпус ТО-100 (метало-стъклен с десет извода) или в корпус DIL-14. На фиг.2 е показана блоковата схема на µ 723. Номерацията на изводите без скоби отговаря на корпус DIL-14, а в скобите - на корпус ТО-100. Вътрешните вериги на схемата се захранват през изводите 12(+) и 7(-) с напрежение от 8 до 40 V. На извод 6 е изведен източник за еталонно напрежение Uref = 7,1 V. Максималният ток, който може да се консумира от изхо-да на еталонния източник е 15 mА. Усилвателят У е диференциален, на извод 5 е изведен неинвертиращият му вход, а на извод 4 - инвестира-щият му вход. Коефициентът на усилване на усилвателя е µду = 2000. Транзисторът Т15 е изходен, колекторът и емитерът му са изведени на отделни изводи, което позволява универсално приложение на схемата. Неговите данни са: максимален колекторен ток I = 150 mА; максимално напрежение колектор-емитер UCE max = 40 V; входно съпротивление при емитерен ток 50 mA h11E = 6000 Ω; максимална мощност РCmax = 500 mW. При изпълнение в пластмасов корпус DIL-14 схемата има допълнителен извод 9, на който е изведен анода на стабилитрон за 6,2 V, катода на който е свързан с емитера на транзистора T15. Ако схемата е в корпус ТО-100, този извод липсва.

4

Транзисторът T16 служи за реализиране на схеми за токови защити. Максималната топлинна мощност на цялата интегрална схема е 800 mW.С интегралната схема µА 723 могат да се реализират различни видове стабилизатори на напрежение, които обхващат практически целия диапазон на захранващите токоизточници в електрониката. Те могат да се класифицират по следните признаци:— според изходното напрежениеа) стабилизатори за напрежение до 7 V;б) стабилизатори за напрежение над 7 V;— според полярността на незаземената изходна клема a) стабилизатори за положително напрежение;б) стабилизатори за отрицателно напрежение;— според вида на защитатаа) със защита с токоограничаване;б) със защита с намален ток на късо съединение;— според изходния (товарния) тока) за малък ток (до 20 mА);б) за голям ток (над 20 mА).Проектирането на стабилизатора протича по следната схема:1. Избира се видът на защитата и се изчислява съпротивлението на резистора Rш.2. Според зададените относителни изменения на входното напрежение и коефициента му на пулсации се определя входното напрежение на стабилизатора.3. Изчислява се максималната топлинна мощност в регулиращия транзистор и се избира неговия тип и начин на охлаждане.4. Начертава се окончателно уточненият вариант на схемата.5. Оразмеряват се веригите в схемата за защита по ток.6. Оразмеряват се веригите на обратната връзка по напрежение.7. Изчислява се коефициентът на стабилизация по напрежение на стабилизатора по формулата:

където µду е коефициентът на усилване на усилвателя;σ - коефициентът на предаване по напрежение на входния делител.8. Изчислява се вътрешното съпротивление на стабилизатора по формулата:

Където Rш е съпротивлението на резистора за токова защита; h11E, h21E и h11B - параметри на регулиращия транзистор.9. Изчислява се коефициентът на полезно действие на стабилизатора

Поради многовариантността на схемните решения, които могат да се получат за всеки конкретен случай на проектиране, не е възможно да се създаде универсален алгоритъм като последователност от уравнения и формули.

5

II. Описание на избраната схема

Ако трябва да се направи стабилизатор на напрежение с по-голям изходен ток, необходимо е да се включат допълнителни транзистори (Т1 и Т2) извън интегралната схема, които заедно с вътрешния транзистор Т15 да образува съставен транзистор. Транзистор Т1 и Т2 осигуряват допълнително увеличение на изходния ток. За намаляване на вътрешното съпротивление на стабилизатора се използва положителна обратна връзка по ток чрез резистора R3. Rш – съпротивлението на резистора за токова защита. Резисторите R8 и R10 – делител в обратната връзка за регулиране на изходното напрежение. За точна настройка на изходното напрежение е въведен тример-потенциометър R9. R6 и R7 са допълнителни делители на напрежение.

6

III. Изчислителна част

Проектиране на стабилизатора

1. Изчислява се необходимият статичен коефициент на усилване по ток на регулиращия транзистор за постигане на изходен ток на интегрална схема μА723 .

2. Избира се типът на транзистора Т1. Подходящ е BD441 със следните данни:

3.

4. Избира се типът на транзистора Т2. Подходящ е 2N3719 със следните данни:

5.

7

6. Изчислява се входното напрежение

Където ‘b’ е относителното изменение на входното напрежение.

7. Изчислява се токът на късо съединение:

8. Изчислява се съпротивлението на резистора Rш:

9. Изчислява се мощността отделена в резистора Rш:

Избира се резистор с мощност 6W.

10. Избира се тока през делителя R6, R7:

11. Изчислява се напрежението върху резистора R6:

12. Изчислява се съпротивлението на резистора R6:

Избира се тример-потенциометър със съпротивление 91Ω.

8

13. Изчислява се съпротивлението на резистора R7:

Избира се резистор със съпротивление 510 Ω.

14. Избора се токът през делителя R4, R5:

15. Изчислява се съпротивлението на резистора R5:

Избира се резистор със стандартна стойност 9,1k.

16. Изчислява се съпротивлението на R4:

Избира се стандартна стойност за резистора 2,2k.

17. Изчислява се токът през делителя R8, R9, R10:

18. Изчислява се съпротивлението на резистора R10:

Избира се резистор със стандартно съпротивление 4,3k.

19. Изчислява се съпротивлението на резистора R9:

Избира се тример-потенциометър със съпротивление 2,2k.9

20. Изчислява се съпротивлението на R8:

Избира се резистор със стандартна стойност 560 Ω.

21. Изчислява се съпротивлението на резистора R1:

22. Изчислява се съпротивлението на резистора R2:

23. Изчислява се средният коефициент на предаване на входния делител:

24. Изчислява се коефициентът на стабилизация на стабилизатора:

25. Изчислява се вътрешното съпротивление на стабилизатора:

26. Изчислява се съпротивлението на резистора R3:

27. Изчислява се капацитетът на кондензатора С2 за работната честота f=2kHz:

10

Избира се стандартна стойност за кондензатора C2=680 μF.

28. Фирмата производител на μА723 препоръчва стойноста на кондензатора C1 да бъде от 100pF до 10000pF. За кондензатора избираме C1=1000pF.

Проектиране на токоизправителя и филтъра

Io=ITmax=2,2A – Изходният ток на токоизправителя е равен на входния критичен ток на стабилизатора.Uo=Ui= 16V – Изходното напрежение на токоизправителя е равен на входното на стабилизатора.KП =5% - коефициента на пулсации на входа на стабилизатораη=85%

Избраният токоизправител е еднофазен мостов токоизправител (схема „Грец”) с индуктивно-капацитивен филтър.

Избираме електролитен кондензатор със стандартна стойност Cф=2,2mF

1. Избира се вътрешното съпротивление на токоизправителя със стойност на к.п.д. 85% (изборът се извършва произволно в границите 80-90%)

2. Изчислява се параметъра А:

p=2 – заради типът на токоизправителя (мостов)

а) определяме ψ от графика 8.2. = 48о

б) определяме В от графика 8.3.

В = 1,08

11

3. Изчисляваме ефективната стойност на напрежението въвъ вторичната намотка на трансформатора.

4. Изчислява се максималното обратно напрежение върху вентилите.

5. Изчислява се коефициента на трансформация на трансформатора.

а) Отчитаме F от графика 8.4.

F = 6,1

12

6. Изчислява се амплитудата на тока през вентилите и вторичната намотка на трансформатора.

7. От фигура 8.5 се отчита D=2,1

8. Изчислява се ефективната стойност на тока през вторичната намотка на трансформатора:

9. Изчислява се ефективната стойност на тока през първичната намотка на трансформатора:

10. От фигура 8.6 се отчита за p=2 H= 480

13

11. Изчислява се капацитетът на филтровия кондензатор:

Избира се стандартна стойност C=2200μF

12. Изчисляват се стойностите на γ0 за четири стойности на товарния ток и от фигура 8.7 се отчитат съответните стойности на cosψ

13. Изчислява се външната характеристика на токоизправителя:

Избираме диоди B2M05/10, Si, със следните параметри : U =1,1 V

14

Проектиране на мрежовият трансформатор

Изходните данни за трансформатора са следните :

1. Пресмята се изчислителната мощност на трансформатора.

2. Определя се сечението на магнитопровода

Тук k е коефициент, който приема различни стойности:k=0,98-1,25 – за еднофазен трансформатор с Ш-образен магнитопровод (броневи) тип;k=0,7 – за П-образен магнитопровод на еднофазен трансформатор колонен тип, бобинирано само с едното бедро;k=0,5 – за еднофазен трансформатор с П-образен магнитопровод, бобинирани двете бедра;k=0,4 – за трифазен трансформатор.

Избираме Ш – образен магнитопровод. Изработените с такъв магнитопровод трансформатори са с проста конструкция и с по-ниска цена. Недостатъците обаче са големия собствен паразитен капацитет на намотките и голямата чувствителност към външни магнитни полета.

Коефициентът k има посочените по-горе стойности при магнитна индукция Bmax=1,2T. Ако трансформаторът трябва да работи при друга магнитна индукция B1max, коефициентът се преизчислява по формулата:

3. Определяне на широчината b на магнитопровода. Желателно е магнитопровода да има квадратна форма на напречното си сечение. Тогава страната на квадрата е:

Ако не е възможно да се постигне квадратна форма със стандартните размери на ламелите, предпочита се правоъгълна форма с по-голяма дебелина на пакета от ламели, но непревишаваща 1,5 пъти широчината му. В такъв случай минималната широчина на магнитопровода е:

15

Избира се стандартна широчина b, която е bmin<b<bmax .При изчисляване на размера на магнитопровода трябва да се има предвид дебелината на изолацията между ламелите и оттам сечението на магнитопровода, т.е. дебелината на пакета от ламели трябва да се увеличи с 5-10%.

4. Изчислява се броя на навивките. Основната формула, използвана за това е:

При f=50 Hz

За компенсиране на пада на напрежение в намотките обикновенно навивките на вторичната намотка се увеличават с 5-10%.

5. Изчислява се тока в намотките. Токът през i-тата намотка, ако не е зададен предварително е:

Поради наличие на загуби в трансформатора токът през първичната намотка се увеличава с 5-10%.

Токът през вторичната намотка е даден - 2 2,97I А

6. Изчислява се диаметърът на проводниците без изолацията. Диаметърът d на проводника зависи от ефективната стойност на тока I и от неговата плътност j :

а) за първичната намотка:

16

б) за вторичната намотка:

Плътността на тока се избира. Тя може да варира в широки граници от 1-6 А/mm2 . Тя зависи от мощността на трансформатора, от неговите размери, начина на охлаждане, допустимото прегряване и пр. За малки трансформатори до 100W, изработени от стандартни пакети ламели, за средна плътност на тока се препоръчва 2,5 A/mm2. След като се изчисли диаметъра на проводника се избира най-близката стандартна стойност.

7. Изчислява се общото сечение на проводниците на намотките:

8. Изчислява се коефициентът на запълване на прозореца на магнитопровода. Коефициентът е:

Където Sпроз е площта на прозореца

9. Изчислява се масата на употребената мед:

където γМ=8,9 g/cm3 е плътността на медта;lcp – средната дължина на една навивка;ω – броят на навивките;q – сечението на проводника, mm2.

10. Изчисляват се загубите в медта:

11. Изчислява се масата на магнитопровода:

12. Изчисляват се загубите в магнитопровода:17

13. Изчислява се коефициентът на полезно действие на трансформатора:

14. Изчислява се температурата на повърхността на трансформатора:

Прегряването на повърхността на трансформатора е 26,3 0С. Най-нагрятата точка в дълбочината ще има температура на прегряване по-малка от зададената допустима стойност 55 0С.

18

V. Списък на елементите

Списък на елементите

Означение в схемата Наименование и означение Кол. Забележка

μA723 Интегрална схема 1

T1 Транзистор NPN BD441 1

T2 Транзистор PNP 2N3719 1

Rш Резистор постоянен 1,1 Ω, ±5%, 6W 1

R1 Резистор постоянен 3 kΩ, ±5% 1

R2 Резистор постоянен 30 kΩ, ±5% 1

R3 Резистор постоянен 0,0064 Ω, ±5% 1

R4 Резистор постоянен 2,2 kΩ, ±5% 1

R5 Резистор постоянен 9,1 kΩ, ±5% 1

R6 Резистор постоянен 91 Ω, ±5% 1

R7 Резистор постоянен 510 Ω, ±5% 1

R8 Резистор постоянен 560 Ω, ±5% 1

R9 Резистор постоянен 2,2 kΩ, ±5% 1

R10 Резистор постоянен 4,3 kΩ, ±5% 1

C1 Кондензатор електролитен 1000 pF 1

C2 Кондензатор електролитен 680 μF 1

Cf Кондензатор електролитен 2,2 mF 1

Lf Бобина 16,6 mH 1

D1-D4 Диод B2M05/10, Si 4

TX3 Трансформатор 53W 1

Отг. отдел Техническа справка Вид на документаСписък на елементи

Статус на документавъведен

ТУ-СофияФилиал Пловдив

Разработил В.Зафиров

НаименованиедопнаименованиеСТАБИЛИЗАТОР НА НАПРЕЖЕНИЕ

19

Одобрил Гл.ас.д-р. И.Рачев

Изм.1

Дата на изд.22.12.2010

Езикbg

Лист1/1

VI. Принципна схема

20

21

22

23

24

25

VII. Използвана литература

- Ръководство за проектиране на ТЗУ – Н. Стефанов- www.datasheetcatalog.com

26