Вторичный источник электропитания с защитой от перегрузок

2. Выходное сопротивление, характеризующее изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входном напряжении.

Rвых = DUвых / DIвых , при Uвх = const.

3. Коэффициент полезного действия, равный отношению мощности в нагрузке к номинальной входной мощности.

h = Uвых ´ Iвых / Uвх ´ Iвх .

4. Дрейф (допустимая нестабильность) выходного напряжения. Временной и температурный дрейф характеризуется величиной относительного и абсолютного изменения выходного напряжения за определенный промежуток времени или в определенном интервале температур.

3. Расчет принципиальной электрической схемы

3.1 Расчет регулирующего элемента

Расчёт регулирующего элемента производим по методике, изложенной в [1, c 624] и [2, с 66].

Реглулирующий транзистор выбирается таким образом, чтобы он выдерживал коллекторное напряжения, равное максимальному выходному напряжению Uн.макс.

Uр.макс=Uн.макс <Uкэ.макс, (1)

где Uкэ – напряжение колллектор-эмитер регулир. транзистора,В

Uн.макс – максимальное напряжение на нагрузке, Uн.макс=10 В

Uкэ.макс – максимальное напряжение колллектор-эмитер регулир. транзистора,В.

Находим минимальный входной ток Iвх.мин, величина характерная для параллельных стабилизаторов:

Iвх.мин=Ip.мин+Iн.макс, (2)

где Ip.мин – минимально допустимый ток регулирующего элемента, выбирается из условий сохранения приемлемых параметров регулирующего элемента. Принимаем за Iвх.мин минимально допустимый ток коллектора, равный 1 мА.

Iн.макс – максимальный ток на нагрузке, по заданию Iн.макс=5 А.

Iвх.мин=5+1*10-3=5,001 А.

Находим величину балластного сопративления Ro по формуле:

Ом (3)

где δпит – нестабильность питающего напряжения.

Uвых – выходное напряжение.

Т.к по рекомендациям в [1, с 625] значения Ro<Rопт применять на практике не следует, так как они, не давая никаких преимуществ, уменьшают коэффициент стабилизации. Поэтому принимаем Ro=0.7 Ом.

Мощность баллластного сопративления Ro равна:

Pбл=(Uпит.мин-Uн)2/Ro=(16,2-10)2/0,7=54,9 Вт (4)

Выбираем резистор МЛТ – 0,125 – 0,7 Ом.

Расчитываем номинальный ток регулирующего элемента Ip.ном:

Ip.ном=Iр.мин+(Uвх.ном-Uвх.мин)/Ro=

Ip.мин+δпитUвх.мин/Ro=0,001+0,1*18/0,7=2,572 А (5)

где Uвх.ном – номинальное входное напряжения,18 В

Uвх.мин – минимальное входное напряжение.

Максимальный ток регулирующего элемента:

Ip.макс= Iвх.мин+δпитUвх.мин/Ro=

5,001+0,1*18/0,7=7,572 А (6)

Максимальная мощность регулируемого элемента:

Pр.макс=Iр.максUвых=7,572*10=75,72 Вт (7)

По рекомендациям [1, с 626] Pр.макс можно существенно уменьшить, если последовательно с регулирующим элементом включить «гасящее» сопративление R2. Максимальная рассеиваемая мощность Рр.макс получается при Uр=Uвых/2, т.е. Pmax=Uвых2/4R. Сопротивление R2 выбирают из условия: Iр.максR2≤Uвых, т.е.

R2≤Uвых/Iр.макс=10/7.572=1.32 Ом (8)

Рассеиваимая мощность на гасящем сопративлении R2:

P2=3/4*Uвых*Iр.макс=3/4*75.72=56.8 Вт (9)

Тогда максимальную мощность регулирующего элемента Pр.макс перещитываем:

Pр.макс =1/4*Uвых*Iр.макс=1/4*7,572*10=18,93 Вт (10)

В качестве гасящего соптротивления R2 выбираем транзистр МЛТ – 0,125 – 1,3 Ом.

Т.к. последовательно с регулирующим элементом мы включили «гасящее» сопративление R2, то напряжение на регулирующем элементе Up=Uкэ будет:

Uкэ=Uн.макс-Ip.ном*R2 =10-2,572*1,32=6,6 В (11)

Однако, выбор регулирующиего транзистора должен осуществляться в соответствии с (1), для того, чтобы обеспечить большую стабильность и предотвращения выхода из строя при случайных перегрузках стабилизатора.

По полученным значениям, Iр.макс, Uр.макс, Pр.макс выбираем по [5, c. 470] в качестве регулирующего транзистора Т1 мощный кремниевый транзистор КТ803А n-p-n типа с параметрами:

Iк.макс=10 А

Uкэ.макс=60 В

Pк.макс=60 Вт

Uэб.макс=4 В

Параметры h транзистора определяем из ВАХ:

Из графиков находим коэффициенты h11э и h21э.

h11э=ΔUбэ/ΔIб=0,2/100*10-3 =2 Ом

h21э при при номинальном токе Ik=2 А, равен ≈16

3.3 Расчет источника опорного напяжения.

Расчёт и выбор источника опорного напряжения произовдим по [2, c 80].

Выбираем источник опорного напряжения – кремниевый стабилитрон 2С156А с характеристиками:

Uст=5,6 В (напряжение стабилизации)

Iст.min=3 мА (минимальный ток стабилизации)

Iст.max=55 мА (максимальный ток стабилизации)

rст=46 Ом (сопротивление стабилитрона)

TKU=±0,005% (температурный коэффициент напряжения)

Выбираем сопротивление стабилизации Rст для стабилизации заданного напряжения на стабилитроне

Rст=Uн-Uст.макс/Iст.мин=10-5,6/8*10-3=550 Ом (12)

Мощность, рассеиваемая на Rст:

PRст=(Uн-Uст.мин)2/Rст=(10-5.6)2/550=0.0352 Вт (13)

Выбираем резистр МЛТ – 0,125 – 550 Ом.

3.4 Расчет усилительного элемента

Расчёт усилительного элемента производим по методике в [2, c 80].

Задаём рабочий коллекторный ток Iк2=1,5*10-3

Определяем предельное рабочие напряжение в транзисторе T2 Uэк2

Uкэ2=Uн-Uст.мин + Uбэ1.макс=10.2-5.6+4=8.6 В (14)

Выбираем усилительный транзистор Т2 по [5, c 153] ГТ402А с параметрами:

Uкэ.макс=25 В (предельное напряжение коллектор-эммитер)

Iк=0,5 А (предельный ток коллектора)

Pк=0,3 Вт (предельная рассеиваемая мощность коллектора)

Параметры h транзистора определяем из ВАХ:

Из графиков находим коэффициенты h11э и h21э.

h11э=ΔUбэ/ΔIб=100/4,5 =22 Ом

h21э при при номинальном токе Ik=1,5 мА, равен ≈50

Проверяем величину рассеиваемой мощности на коллекторе

P2max=Iк2*Uэк2=1,5*10-3*14,6=0,0219 Вт (15)

Таким образом условие Р2max<Pдоп выполняется.

3.4 Расчёт измерительного элемента.

Расчёт измерительного элемента производим по [3,с 24] и [2, с 81].

Учитывая, что Uст1≈Urд1 и Uн=Urд2+Urд1=10 В

Задаём минимальный ток через делитель напряжения Iд=0,03 А.

По рекоменндациям Iд должен быть на порядок больше чем Iб2, но не превышать ≤10% от Iн=3 А

Рассчитываем сопротивление делителя:

Rд2=Uст/Iд=5.6/0.03=187 Ом (16)

Rд1=(Uпит-Uст)/Iд=(10-5.6)/0.03=147 Ом (17)

Общая рассеиваимая мощность делителя равна:

Prд=Uн.макс2/Rд1+Rд2=100/187+147=100/334=0.3 Вт (18)

3.5 выходное сопротивление и Проверочные расчёты.

Выходное сопротивление Rвых расчитываем по [1, с 626] с помощью программы Mathcad (см. Приложение):

1	2	3	4	5