ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ СОФИЯ

ФИЛИАЛ ПЛОВДИВ

КУРСОВ ПРОЕКТ

ПО

ТОКОЗАХРАНВАЩИ УСТРОЙСТВА

Изработили:

Тонка Танчева, фак. 342 855, гр.32б

Светлана Райкова, фак. 342 867, гр.32б

Пловдив Проверил .............

2007г. /доц. Е. Динков/

ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ СОФИЯ

ФИЛИАЛ ПЛОВДИВ

ФАКУЛТЕТ ПО ЕЛЕКТРОНИКА И АВТОМАТИКА

Дисциплина: ТЗУ

Специалност: Електроника

Група: 32б

Студенти: Тонка Танчева

Светлана Райкова

ЗАДАНИЕТема:

Да се проектира стабилизатор на напрежение от 0V до 12V , регулируем изходен ток до 1А,

+ токоизправители, + стабилизатори

Преподавател:

Доц. Е.Динков

І.ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТ

Стабилизатори на напрежение и ток

1. Общи сведения.Стабилизаторите на напрежение и стабилизаторите на ток са

предназначени да поддържат неизменни (стабилни) стойностите на захранващото напрежение или ток, при изменение на следните външни фактори, наречени още дестабилизиращи.

напрежение на захранващата мрежа честота на захранващата мрежа съпротивление на товара параметри на околната среда – температура, влажност и др.

Тези фактори често се изменят едновременно и влияят комбинирано върху стабилността на напрежението или тока.Обаче основните причини за нестабилност са изменението на входното напрежение и съпротивлението на товара.

За качеството на даден стабилизатор се съди по коефициента на стабилизация. В най-общ случай той е равен на отношението между относителното изменение на дестабилизиращата величина към относителното изменение на стабилизираната величина:

k= =

Тук с x е означена променливата величина, а с у-стабилизираната. Понеже дестабилизиращите фактори са различни, за едни и същи стабилизатори съществуват няколко коефициента на стабилизация:

При стабилизаторите на напрежение частните коефициенти на стабилизация са:

1. Коефициент на стабилизация при изменение на входното напрежение:

ku= ,

и са измененията съответно на входното и изходното напрежение на стабилизатора при неизменен ток на консуматора, а Ui и U0- номиналните стойности на същите напрежения.

2. Коефициент на стабилизация при изменение на товара:

ku=

С и са означени съответно изменението на товарния ток и неговата номинална стойност.

Вместо този коефициент често се използва вътрешното съпротивление на стабилизатора:

Ri=

3. Коефициент на стабилизация при изменение на мрежовата честота fмр.:

Kuf=

4. Температурен коефициент на стабилизатора:

Kuto= ,

- изменението на температурата на околната среда.

Всички частни коефициенти оценяват качеството на стабилизация по отношение само на един параметър, при постоянство на останалите. За

съвместно отразяване на влиянието на всички дестабилизиращи фактори са използва т.нар. пълен коефициент на стабилизация , за който е валидно:

Тук с К1, К2 Кn са означени съответни частни коефициенти на стабилизация. Освен от коефициента на стабилизация, за качествата на даден стабилизатор се съди и от обхвата на стабилизатора, от К.П.Д. и от инертността на стабилизатора.

Обхват на стабилизация - границите, в които изменението на променливата величина не създава по-големи от допустимите изменения на стабилизираната величина, т.е. коефициента на стабилизация е над минимално допустимата.

Стабилизаторите на променливо напрежение и променлив ток се характеризират още с фактор на мощността и с коефициент на изкривяване на формата на напрежението, а стабилизаторите на постоянно напрежение или ток – с коефициент на филтрация:

КФ=

Стабилизаторите могат да се класифицират по различни признаци. В зависимост от вида на тока те се делят на две основни групи:

стабилизатори на постоянен ток стабилизатори на променлив ток

Според действието си те биват:

параметрични компенсационни

В параметричните стабилизатори се използват нелинейни елементи и стабилизацията на напрежението или тока се получава поради нелинейната волт-амперна характеристика на използвания елемент.

Компенсационните стабилизатори представляват затворена система за автоматично регулиране с ООВ Стабилизацията се постига чрез

изменението на параметрите на управляем елемент, който се нарича регулиращ елемент, при въздействие върху него на сигнал от ООВ.

2. Параметрични стабилизатори2.1.Параметрични стабилизатори на постоянно напрежение.

Начинът на действие на показания най-прост параметричен стабилизатор на постоянно напрежение е илюстриран с волт-амперните характеристики на балансното съпротивление, означена с UR, и тази на стабилитрона, означена с UZ

хвU тRZD

R

За входно напрежение UВХ във всеки момент е в сила зависимостта:

От графиката се вижда, че при сравнително големи изменения на UВХ (от UВХ min до UВХ max) напрежението върху товара се изменя в съвсем малки граници (от UZmin до UZmax). На напреженията UZmin и UZmax отговарят двете гранични стойности на тока на стабилитрона - IZmin и IZmax, между които винаги трябва да се намира работният му ток IZ. Това означава, че при всички работни режими трябва да бъде изпълнено условието:

Ако UВХ се увеличи, токът IZ също се увеличава, без при това да се увеличи напрежението върху товара. По-големият ток IZ предизвиква увеличаване на напрежението UR със стойност , точно равна на нарастъка на UВХ -

. При намаляване на UВХ явленията протичат в обратната посока.

Разглежданият стабилизатор на напрежение има сравнително малък коефициент на стабилизация (около 10 – 15). Ако е необходима по-голяма стабилност на напрежението, се правят двустъпални или мостови схеми.

U

max

вх

min

U

U

max

I

U

I

min

вх

I

Z Zвх

Z

Област на стабилизацияU

min

U

R

U

max

Z

UZ

2.2. Параметрични стабилизатори на променливо напрежение1L

U изххU в 2L

Най-простият параметричен стабилизатор на променливо напрежение е показан на схемата. Той е съставен от два дросела L1 и L2, от които първият е ненаситен (линеен елемент), а вторият – наситен (нелинеен елемент). При изменение на входното напрежение, измененията на напрежението върху дросела L2 ще бъдат значително по-малки от съответните изменения върху дросела L1.Този стабилизатор намира много ограничено приложение поради недостатъците си: малък коефициент на стабилизация (по-малък от 10), малък К.П.Д. (около 50%), големи изкривявания на синусоидната форма на изходното напрежение, лош фактор на мощността.

3.Компенсационни стабилизатори.3.1 Компецационни стабилизатори на постоянно напрежение

Компенсационните стабилизатори на постоянно напрежение с непрекъснато действие представляват автоматични регулатори на напрежение, които поддържат напрежението на изхода си неизменно, като го сравняват с еталонно напрежение. В най-общ случай такъв стабилизатор съдържа: източник на еталонно напрежение, диференциращ усилвател, верига за ООВ и регулиращ елемент, който най-често е усилвател на мощност.

U U

Източник на еталонно U

~Токоизправител

Диференциален усилвател

i 0U Регулиращ елемент Товар

а)

iU Балонен резистор Товар~

Източник на еталонно U

UТокоизправител

Регулиращ елемент

Диференциален усилвател

б)

фиг.3.1

Стабилизаторите на постоянно напрежение могат да бъдат изпълнени по схема от последователен тип или от паралелен тип.

На фиг.3.1 а) е показана блокова схема на стабилизатор от последователен тип, а на фиг.3.1 б) – на стабилизатор от паралелен тип.

При последователната схема регулиращият елемент е включен последователно с товара и стабилизацията на изходното напрежение се осъществява чрез изменението на пада на напрежението върху регулиращия елемент.

При паралелната схема регулиращият елемент е включен паралелно към товара и стабилизацията на изходното напрежение се извършва чрез изменение на пада на напрежение върху балансния резистор, свързан последователно с товара. Стойността на товарното напрежение е пропорционална на сумата от токовете през товара и регулиращия елемент.

4.Защита на транзисторните стабилизатори от свръхтокове и пренапрежения.

4.1 Защита от свръхтоковеПо време на работа токът в изходната верига на електрическия

стабилизатор на напрежение може да нарастне над допустимата стойност и да получи т.нар. свръхток . Причини за това могат да бъдат неподходящ товар, късо съединение в товарната верига, неправилен режим на работа на товара и т.н. Особено опасен за стабилизатора е режимът на късо съединение, защото обратните връзки на регулатора и в този режим се стремят да поддържат изходното напрежение постоянно, т.е. вътрешното напрежение на стабилизатора е много малко и токът на късо съединение нараства многократно над номиналния.При този режим цялата мощност на захранващия източник се превръща в топлина в самия токоизточник и в регулиращия транзистор на стабилизатора.

За да се предпазят стабилизаторите на напрежение от повреда при възникване на свръхток, се използват средства за

токова защита. Те могат да се разделят на две групи:

защита с общо предназначение електронни защитиЗащитите с общо предназначение се използват широко в

електрониката и като частен случай се прилагат и при електронните стабилизатори. Те са:

Защита с разтопяеми предпазители. Защита с автоматични предпазители (автомати). Релейна защита.

При електронните схеми за защита от свръхтокове измерителните и комутиращи елементи са електронни – най-често транзистори или тиристори. В зависимост от изходната характеристика, която получава защитавания стабилизатор, те биват два вида:

защита чрез токоограничаване защита с релейно действие

Електронни защити чрез токоограничаване. Този вид защита въздейства върху регулиращия транзистор на стабилизатора. По такъв начин, че той ограничава тока на късо съединение до определена стойност.

т

I

ксI

U

н

0

It

I крI

а) б)

фиг.4.1.1

На фиг.4.1.1 а) са показани само допълнителните елементи на защитата (с по-плътни линии).

При протичане на IТ през резистора RШ върху него се образува пад на напрежението с показаната полярност.

Това напрежение е пропорционално на тока IТ и е приложено между базата и емитера на транзистора Т2. Резисторът RШ е с малко съпротивление, затова при номинален ток падът на напрежението върху RШ не е достатъчен да отпуши Т2 и през него не тече колекторен ток. Когато IТ превиши номиналната си стойност и достигне една критична стойност IКР (фиг.4.1.1 б), падът на напрежението върху RШ става достатъчен да отпуши транзистора Т2 и през колекторната му верига

2

-i

CR

R

1 I T

T

I

R

B

C

BI

1

II

2

y

T

IT

1

1

2

T

T

+

шU

протича ток IС Т2. този ток увеличава тока през R1, следователно и пада UR1

върху него, което предизвиква намаляването на изходното напрежение UИЗХ, стига до нула при тока на късо съединение IКС.

Токът I1 създава допълнителният пад на напрежението върху RШ след отпушването на Т2, за да протече необходимия колекторен ток:

При късо съединение цялото входно напрежение на стабилизатора се поема от Т1. Тогава колекторния ток на Т2 ще бъде:

От съвместното решаване на горните уравнения се получава:

Токът на късо съединение винаги е по-голям от тока на задействане на защитата IКР.

Топлинните загуби в регулиращия транзистор в режим на късо съединение са:

Същите загуби при нормална работа на стабилизатора с номинален ток са:

От сравняването на PС Т1(КС) и PС Т1 е ясно, че при тази схема на защита топлинните загуби при късо съединение многократно надвишават загубите при нормален режим. За да не се повреди регулиращият транзистор, той трябва да бъде изчислен за режим на късо съединение. Това изисква

голямо презапасяване по мощност, което е неефективно особено при по-мощни стабилизатори.

4.2 Защита от пренапреженияПренапрежения биха могли да се появят на входа и на изхода на

стабилизатора. Пренапреженията на входа са изключително рядко срещани и обикновено се дължат на грешно включване към по-високо захранващо напрежение. Пренапреженията на изхода на стабилизатора могат да възникнат при повреда в случаите, когато регулиращият транзистор е пробит или наситен в следствие на повреда в усилвателя. В този случай цялото входно напрежение на стабилизатора “излиза” на изхода му. Почти винаги това е недопустимо за захранваща апаратура.

Защита от пренапрежения с късосъединител.

При този вид защита (фиг.4.2.2) пренапрежението се отстранява чрез съединяване на късо на изводите на стабилизатора, при което UИЗХ = 0. Изпълнителният елемент т.е. късосъединителят, е тиристорът Th, който е включен паралелно на изхода на стабилизатора и на товара.

2

11

4

D

1 Uтовар

+

R

0

-3

0

R

T

стабилизатор

R

-

U T

+

фиг.4.2.2

Управлението му се извършва от транзистора Т1. Когато изходното напрежение има номинална стойност U0, режимът на схемата е така настроен, че UBE T1 да е 0:

Транзисторът Т1 е запушен, тиристорът Th също е запушен, защитата не е задействана и не влияе на изходното напрежение. Ако

поради авария изходното напрежение се увеличи UBE T1 става различно от 0 и T1 се отпушва.

Колекторния ток на Т1протича през УЕ на тиристора Тh и той се включва, като дава на късо изходните шини на стабилизатора и на товара.

Напрежението на задействане на защитата е:

, където UBE' T1 е напрежението база – емитер

на Т1, което осигурява колекторния ток, равен на управляващия ток на

включване на Тh. Желателно е

Защитата се възстановява, т.е. премахва късо съединение, след изключване на цялото захранващо устройство.

Тази защита е много сигурна. Задейства се независимо от коя посока е дошло пренапрежението. Недостатък е, че захранването на товара се прекъсва при задействане на защитата.

5.Комбинирани стабилизатори на напрежение и ток.

С помощта на две ОУ и един общ регулиращ елемент се получава източник с комбинирано действие – автоматично превключване на работните режими от източник на стабилизирано напрежение в източник на стабилизиран ток с произволна точка на превключване, която може да се регулира в целия обхват на изходните величини. Този начин на действие осигурява най-добре автоматичната защита на стабилизатора.

Схемата на комбиниран стабилизатор на напрежение и ток е дадена на фиг.5.1 а).

т

шR

изхAV

220V

I

ТU сфилтър

Логическа схема

U

ш

R

Еталоннонапрежение

AI

~

Регулиращ елемент

а)

т

U

т RR т

<

изх

кр

>

max

I

изхкр

U

R

кр

0

RR

max

=

0

R

I фиг.5.1 б)

6.Интегрални стабилизатори с непрекъснато действие.

В съвременните захранващи устройства се използват специализирани ИС – стабилизатори на напрежение и (или) ток, наричани на кратко интегрални стабилизатори. Съществуват различни модификации на интегрални стабилизатори за промишлено приложение – за положителни изходни напрежения, за отрицателни изходни напрежения, двуполярни (имат отделни изходни клеми за положително и отрицателно изходно напрежение, най-често 15V). В зависимост от изпълнението те могат да бъдат универсални стабилизатори за произволно напрежение и стабилизатори за фиксирани напрежения. Изходното напрежение на първите стабилизатори може да се регулира или фиксира в широки граници с помощта на външно свързани резисторни делители на напрежение. Стабилизаторите за фиксирани изходни

напрежения имат вградени вътрешни делители на напрежение и изходното напрежение се настройва окончателно в процеса на производството на схемата.

Обикновено универсалните стабилизатори се произвеждат в корпуси, предназначени за ИС, а тези за фиксирано напрежение – в корпуси на транзистори, и затова често се наричат триизводни стабилизатори.

Универсални стабилизатори.

Съществува голямо разнообразие на специализирани ИС от този вид. От произвежданите от различните фирми схеми най-голямо промишлено приложение имат следните многофункционални стабилизатори:

Освен това се използват универсални стабилизатори само за положителни напрежения -

и др., и стабилизатори само за отрицателни напрежения -

и др.

LM317

LM317 е регулируем три-изводен стабилизатор на положително напрежение, допускащ свъх ток от 1.5 А и изходно напрежение в граници от 1.2 до 37 V. Tози стабилизатор е много лесен за използване и изисква само два външни резистора за настройка на изходното напрежение. Освен това, съдържа вътрешно токоограничение, термично изключване и сигурна област на балансиране, правейки стабилизатора издръжлив на изгаряне от претоварване.

LM317 се използва в разнообразни области на приложение, включително локално регулиране. Устройството може да използва за направа на програмируем изходен стабилизатор, или чрез свързване на постоянни резистори между извода за настройка и изхода, LM317 може да се използва като прецизен токов стабилизатор.

Характеристики:

Изходен свръх ток 1.5 А

Регулируемо изходно напрежение от 1.2 до 37 V

Вътрешна топлинна защита от претоварване

Сигурна област на балансиране на изходния транзистор

Плаващ начин на управление за високоволтови приложения

Наличен в корпуси: D2PAK−3 и TO−220

Схема на стандартно приложение

Сin е необходим, ако стабилизатора е разположен на значително разстояние от филтъра на захранването.

Сout подобрява неустойчивостта от преходните процеси.

Iadj се контролира да бъде помалък от 100µА и така грешката става незначителна за повечето приложения.

II. Изчисляване на стабилизатор на напрежение

1. Транзистора ТТранзистора Т11 регулира по ток и по напрежение регулира по ток и по напрежение:

Uout зависи от:

Избираме UA=1,3V

U(R2min)=1,25V

2.2. Ако плъзгачът е в долно положение, т.е. КС тока трез делителя е Ако плъзгачът е в долно положение, т.е. КС тока трез делителя е IIдел=1дел=1mAmA..

, избираме R1=1,6KΩ

Ако плъзгачът е в горно положение следователно Ако плъзгачът е в горно положение следователно UUизх=12изх=12VV

Избираме R2=11KΩ

3. Избираме Т1: BFХ34 – Si,N; UBCmax=60V; Icmax=2A; Pcmax= 870mW; h21E=40-150;

fт=1200MHz

Избираме Т2: 2Т3511 – Si,N; UBCmax=20V; ICmax=150mA;

Pcmax=25mW; h21E=150-550;

fт=120Hz;

4.4. RR33 ограничава тока през базата на Тограничава тока през базата на Т22..Rш се изчислява така, че при 1А да има 0,6V пад върху него:Rш се изчислява така, че при 1А да има 0,6V пад върху него:

Избирам R3=1KΩ

5.5. Избирам Избирам DD11 и и DD22 да издържат 1,5 пъти да издържат 1,5 пъти ImaxImax, , т.е. 1,5А.т.е. 1,5А.GY110-Ge; Urmax=24V; Iomax=1A; Ifmmax=3A; Ir=0,2mA.GY110-Ge; Urmax=24V; Iomax=1A; Ifmmax=3A; Ir=0,2mA.

III. Изчисляване на двуполупериоден мостов изправител /схема Грец/.

Максималната стойност на обратно напрежение за всеки диод е:Максималната стойност на обратно напрежение за всеки диод е:

Максималния ток в права посока е:Максималния ток в права посока е:

Тока през вторичната намотка е:Тока през вторичната намотка е:

BB,,DD,,FF – – коефициенти намиращи се графично.коефициенти намиращи се графично.

А – спомагателна величина.А – спомагателна величина.

RRвтвт22 – съпротивление на вторичната намотка. – съпротивление на вторичната намотка.

Избираме мостова схема със силициеви диодиИзбираме мостова схема със силициеви диоди:

RdRd – – съпротивление на изпр.елем.съпротивление на изпр.елем.

За да определим капацитета през кондензатора, при А=0,21 и За да определим капацитета през кондензатора, при А=0,21 и HH=330:=330:

Приемаме: C=4700μF

Тъйкато съобразно с предназначението на този изправител не сеТъйкато съобразно с предназначението на този изправител не се изисква толкова малък коефициент на пулсации (5%), намалявамеизисква толкова малък коефициент на пулсации (5%), намаляваме

кондензатора до 2200кондензатора до 2200 μF, при което за коефициента на пулсации сеμF, при което за коефициента на пулсации се получава:получава:

IV. Спецификация на използвани елементи.

Означение

Вид на елемента

Брой

Тип и стойнос

т

Забележка

1 R1 Резистор 1 1,6k

2 R2 резистор1

11k

3 R3 резистор 1 1k

4 D1 Диод 1 GY110 Ge

5 D2 Диод 1 GY110 Ge

6 Т1 Транзистор 1 BFX34 Si, NPN

7 T2 Транзистор 1 2T3511 Si, NPN

8 C2 Кондензатор 2 2200uF

9 C1 кондензатор 2 300nF

10

LM317 ИС 1 LM317

11

Трансформатор

1

12

ТИ 1 КБЛ04

V. Използвана литература:

1. Стефанов, Н. Токозахранващи устройства. С. Техника 1999г.2. Танчев, Б., М. Игнатов, А. Маноилов Токозахранващи устройства. С.

Техника 1998г.3. Попов, М., П.Райчев, П.Тодоров. Ръкожодство за курсово и дипломно

проектиране на токозахранващи устройства. С. Техника 1993г.4. Стефанов, Н., Т.Б. Атанасов, А. Маноилов. Наръчник по токозахранващи

устройства. С. Техника 1991г.5. Шишков, А.И. Полупроводнокова техника – част първа.

Полупроводникови елементи. С. Техника 1995г.