Методика расчета

Пример

Рассчитать непрерывный компенсационный стабилизатор напряжения, предназначенный для питания нагрузки, при U_н = 5 В, I_н = 1 А. Диапазон изменения входного напряжения 9,2 ¸ 13,2 В. Ожидаемый коэффициент стабилизации K_U0 >1000.

Расчет

1. Выберем силовой транзистор из условия I_k.max ≥ I_k / К_зап, где К_зап - коэффициент запаса, равный 0,7-0,8; U_кэ.max ≥ U_вх.max / К_зап = 19 B; P_k ≥ I_k.max×(U_вх.max - U_вых) = 8,2 Вт.
Этим требованиям удовлетворяет транзистор КТ817А. У него U_{кэ.max.доп} = 40 В, R_бэ ≤ 1 кОм, I_k.max.доп = 5 А, P_k = 25 Вт, h_21э = 25.

2. Максимальный ток базы транзистора I_б = I_н / (h_21э + 1) = 0,03846 А.
Согласно схеме рис. 15 в случае холостого хода (R_н = ∞) этот ток должен протекать в выходной цепи операционного усилителя. Однако этот ток превышает выходной ток типовых операционных усилителей, выполненных в виде ИС. Поэтому для согласования базового тока транзистора с выходным током операционного усилителя необходимо либо выбрать другой транзистор с большим значением h_21э, либо в качестве регулирующего элемента использовать схему составного транзистора. В рассматриваемом случае воспользуемся схемой составного транзистора, дополнив транзистор КТ817А транзистором КТ315А. Дальнейшее наименование элементов привяжем к рис. 16. В этом случае максимальный управляющий ток регулирующего элемента

.

Здесь R_бэ1 - резистор, шунтирующий эмиттерный переход; его сопротивление оговаривается в справочных данных на транзистор. Для транзистора КТ315А имеем: h_21э = 30, R_бэ = 10 кОм (это R_бэ2). Тогда, полагая, что U_бэ1 = U_бэ2 = 1, получаем

А.

3. Сопротивление резистора R_см выбираем из условия обеспечения протекания тока I_упр при наименьшем входном напряжении: R_см = (_Uвх.min - U_вых) / I_упр = (9,5 - 5)/1,373×10^-3 = 3,059 кОм. С запасом выбираем R_см = 2,7 кОм. В этом случае максимальный выходной ток операционного усилителя U_DAвых.max = (U_вх.max - U_вых)/R_см = (13,2 - 2)/2,07 = 3,03 А.
4. В качестве источника эталонного напряжения возьмем параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне. Стабилитрон выбираем из условия U_ст0 < U_вых. Используем стабилитрон типа КС133А. Его справочные параметры: U_ст0.min = 2,97 B; U_ст0._max = 3,63 B при I_ст = 10 мА; r_ст = 65 (r_д) Ом. Сопротивление балластного резистора R₃ выберем в предположении, что I_вх операционного усилителя равно нулю и I_ст.min = 10 мА:

Ом.

При выбранном R₃ максимально возможный ток стабилитрона равен:

I_ст.max = (U_вых - U_ст0.min)/(R₃ + r_ст) = (5 - 2,97)/(72 + 65) = 0,0148 A,

что меньше максимально допустимого тока стабилитрона.

5. Считая U_ст0 = 3,3 В, т.е., (U_ст0.min = 2,97 + U_ст0.max = 3,63)/2 = 3,3, найдем требуемый коэффициент передачи делителя на резисторах R₂, R₃:

К_дел = U_ст0/U_вых = 3,3/5 = 0,66.

Тогда, полагая R₂ = 1 кОм, определяем значение R₁.

6. Определим допустимый диапазон изменения сопротивления резистора R₁ в предположении, что R₂ = const = 1 кОм:

Ом;

К_дел.min = U_ст0.min/U_вых = 2,97/5 = 0,59;

U¢_ст0.max = U_ст0.max + DI_ст×r_ст = U_ст0.max + (I_ст.max – I_ст.min)×r_ст =

= 3,63 + (14,8 – 10)×10^-3 = 3,962 В;

Ом;

К_дел.max = U_ст0.max/U_вых = 3,962/5 = 0,792.

Возможное изменение R₁ = R_1max - R_1min = 683 -262 = 421 Ом.

7. Для коэффициента усиления операционного усилителя получим:

8. Операционный усилитель выбираем из условия K_U0 = 678; I_вых ≥ 3,03 мА. Этим условиям отвечает усилитель типа К140УД17.

Принципиальная электрическая схема рассчитанного стабилизатора на рис. 16. Ее особенностью является питание операционного усилителя непосредственно от входного напряжения. Это обусловлено тем, что максимально допустимое напряжение его питания больше входного напряжения стабилизатора. Для точной подстройки выходных параметров, т.е. для подстройки R₁ введено дополнительное подстроечное сопротивление R_доп номиналом 270 Ом.

Рис. 16. Компенсационный стабилизатор напряжения