1 - BazaTematow.pl

1.Wstęp.
Tematem pracy jest projekt stabilizatora napięcia o działaniu ciągłym o danych UWYJ =
prądowym. Niestałość całkowita napięcia wyjściowego powinna być mniejsza niż 1% do
2.Opis układu.
1
2
3
UWY
210V
5
4
+
6
ZNO
Rys.2.1.Schemat blokowy zasilacza.
Stabilizator jest układem kompensacyjnym, w którym wartość napięcia Uwyj poprzez
dzielnik 5 jest porównywana z regulowanym napięciem odniesienia 6 przy pomocy
wzmacniacza błędu 4. Sygnał proporcjonalny do wyniku porównania steruje szeregowym
elementem regulacyjnym 3. Ujemne sprzężenie zwrotne zapewnia dużą stałość napięcia
wyjściowego niezależnie od obciążenia (w granicach założonego prądu wyjściowego). Układ
zasilany jest poprzez transformator 1 poprzez prostownik z filtrem 2.
3.Założenia projektowe.
Zaprojektowany stabilizator powinien charakteryzować się parametrami:

napięcie wyjściowe : Uwyj = 0...40V,

prąd wyjściowy : Iwyj = 0...0,8A,



4.Obliczenia.
4.1.Napięcie zasilające stabilizator.
UZASmin = (UWYJmax + UCEQ3) / (100%UZASmin = (40 + 1) / 0,95 = 43V
UZAS = UZASmin /0,95 = 45V (4.1.2)
4.2.Dobór wzmacniacza błędu.
Wzmacniacz operacyjny W2 pracuje przy napięciach wejściowych o wartościach od zera do
wartości napięcia odniesienia. Przez wzgląd na napięć bliskie 0V zastosowano wzmacniacz
operacyjny LM358. Układ posiada w stopniu wejściowym tranzystory PNP, co powoduje, że
wzmacniacz ten poprawnie pracuje dla napięć –0,3V do Ucc-1,5V przy zasilaniu go tylko
jednym napięciem. Napięcie wyjściowe może przyjmować wartości poniżej ok. 0,8V, a nawet
oraz [3] ).
Rys.4.1.Struktura wewnętrzna pojedynczego wzmacniacza LM358.
Układ scalony LM358 pomimo niskiej ceny (0,5$) posiada w swojej strukturze dwa
jednakowe wzmacniacze operacyjne o bardzo dobrych parametrach:



prąd zasilania 3mA





prąd polaryzacji maksymalnie –500nA
CMMR 70dB
wmocnienie 100dB
4.3.Tranzystor regulacyjny .
Maksymalne napięcie UCEQ1 jakie może wystąpić jest równe maksymalnemu napięciu
zasilania stabilizatora (napięcie z prostownika). Moc jaka wówczas się wydzieli na nim przy
maksymalnym prądzie wyjściowym :
Założenia te spełnia tranzystor : TIP47
 UCEO = 250V
 UCBO = 350V
 IC = 1A
 PD = 40W




Rth jhFE=30 (Ic=0,3A)
ICEO=1mA
Maksymalny prąd wpływający do bazy tranzystora Q1:
I
I

I
I
Em
(
O
1
)
O
R
7
I


O (4.3.2)
Bm
(
Q
1
)
h
1
h
1
h
1
FE
(
Q
1
)
FE
(
Q
1
)
FE
(
Q
1
)
0,8A
IB(Qm1)2,5mA
31
Zakładając, że prąd płynący przez rezystor R7 będzie miał maksymalną wartość około 0,5mA
:
UBE(mQ1)
R7 (4.3.3)
IR7
1,5
R73k
0,5
Minimalny prąd płynący przez tranzystor Q2:
ICmQi2)n(BR2,5mA+0,5mA=3,0mA
7
(4.3.4)
Zakładam, że prąd 5mA płynący przez kolektor tranzystora Q2 będzie wystarczający.
4.4.Źródło prądowe.
Rezystor ustalający wartość prądu źródłowego powinien mieć wartość:
0
,
6 0
,
6
R

 
120

8
I
,
005(4.4.1)
C
(
Q
2
) 0
Tranzystor Q2 powinien mieć napięcie UCE większe niż Uzasmax oraz mieć możliwość
wypromieniowania na nim mocy
Pm(Q2)=Uzasmax* IC(Q2) =40*5*10-3 =0,2W (4.4.2)
Warunki te spełnia tranzystor MJE350:





UCEO=300V,
IC=0,5A
ICS=0,1mA
hFE=30
PD=20W


RTH J-
Prąd bazy tranzystora Q2 będzie wynosił:
IB(Q2)=IC(Q2) /hFE (Q2) =5*10-3 /30=0,17mA (4.4.3)
Zakładając, że prąd płynący przez diody D5, D6 będzie miał wartość około 1mA:
Uc

0
,
63
R

10

111
k


9
1

0
,
17
4.5.Tranzystor sterujący Q3.
Tranzystor Q3 powinien być przystosowany na napięcie UCE większe niż Uzasmax .
Maksymalny prąd kolektora jest równy wartości prądu wypływającego ze źródła prądowego
zbudowanego na Q2. Maksymalna moc wydzielana na tranzystorze Q3 jest taka sama jak na
tranzystorze Q2.
Warunki te spełnia tranzystor: BD157
 UCEO = 250V,
 IC = 0,5A,
 ICS=0,1mA,




Rth j-c = 6
hFE = 30,
PD = 20W
Zakładam, że prąd płynący przez rezystor R6 będzie dwukrotnie większy niż maksymalny
prąd bazy tranzystora Q3. Stąd :
UBE(Q3) 0,6
R6=130,8k (4.5.1)
2*IBm(Q3) 0,34
Zakładając, że przy maksymalnym wysterowaniu tranzystora Q3 na wyjściu wzmacniacza
W2 będzie połowa napięcia zasilającego (13V przy pojedynczym zasilaniu 27V).
U

U
W
1
BE
(
Q
3
) 13
3
R

10

27
k

5
(4.5.2)
I

I
0
,
5
Bm
(
Q
3
)
R
6
4.6.Źródło napięcia odniesienia.
Źródło napięcia odniesienia zostało zrealizowane przy pomocy diody zenera DZ2 oraz
wzmacniacza operacyjnego W1. Wzmacniacz operacyjny służy do zasilania prądowo diody
zenera. Układ został zastosowany, gdyż układ scalony LM358 posiada w swojej strukturze
dwa wzmacniacze operacyjne, przez co dodanie układu poprawiającego dokładność napięcia
odniesienia nie podnosi kosztów wykonania, a podnosi parametry jakościowe stabilizatora.
Dioda zenera DZ2 jest zbudowana prze szeregowe połączenie diod zenera: BZP 683 C5V1
jest diodą o dodatnim współczynniku termicznym
-2,5*10Zakładając, że napięcie odniesienia będzie miało wartość UZNO=15V, (napięcie Uz diody
zenera 5,1V+4,7V=9,8V przy prądzie ID =5mA ) rezystor R2 będzie miał rezystancję:
U

U

9
,
8
3
ZNO
Z 15
R

 10

1
k

2
(4.6.1)
I
5
Z
Stosunek rezystancji rezystorów R3, R4 powinien wynosić:

 R
U
R
15
ZNO
4
4


U

1

U



1


1

0
,
53
ZNO
Z
(4.6.2)


R
9
,
8
3
3U
Z

 R
Zmiany napięcia odniesienia pod wpływem temperatury (-4 - 4,7 * 2,5*10-

U
7
mV
DZ
*
100
%
 *
100
%

0
.
08
%
(4.6.4)
U
9
,
8
V
DZ
Napięcie odniesienia pod wpływem temperatury będzie zmieniało swoją wartość o ok. 0.08%
Napięcie odniesienia zmienia się przy pomocy P1 od 0V do 15V, napięcie wyjściowe
powinno zmieniać się wówczas od 0V do 40V, stąd:
U


R
40
wy
max
13U
ZNO




R

R
*

1
1R13,6 (4.6.5)
12
13
=


R

R
U
U
15
12
13
Wy
max
ZNO


Prąd płynący przez R9, R10 powinien być większy niż Ics Q1 (1mA) , zakładam, że przez
dzielnik płynąć będzie prąd 3mA :
40
V
13
k> R12 +R13 ,
3mA
4.7.Zasilanie wzmacniacza operacyjnego.
Maksymalny prąd potrzebny z zasilania +27V:
I27max =IUSdZw1ys2 (4.7.1)
gdzie
I27max –maksymalny prąd zasilania 27V
IUS – prąd pobierany przez LM 358
IDZ – prąd diody zenera DZ
Podstawiając do 4.7.1 otrzymujemy szacunkowo wartość prądu mniejszą niż 15mA
Zakładając minimalny prąd diody DZ1 równy 5mA:
U

U
V

27
V
ZAS
min
DZ
1 43


0
,
8
k

R1 = I 
(4.7.2)
I
mA

5
mA
27
max
DZ
1 15
Maksymalna moc wydzielona na R1
2
2
(
U

U
)
(
51
V

27
V
)
ZAS
max
DZ
1


0
,
64
W
PR1 =
(4.7.3)
R
0
,
9
k

1
Moc znamionowa R1 : 1,5W
Max moc wydzielana na DZ:
UZAmSaxD
PDZ = UDZ* (4.7.4)
R1
51

27



27
*
0
,
026

0
,
7
W

PDZ = 27V* 
900

Przyjmuję diodę BZP 650 C27.
4.8.Ograniczenia prądowe.
Do układu ograniczenia prądowego przyjmuję tranzystor BC237 o parametrach :
 UCEO=45V
 IC=0,1A

PD=0,35W




hFE=120 przy IC=2mA
UCESAT=0,07V przy IC=2mA
UBE=0,62V przy IC=2mA
Napięcie na R11 przy Io=0,1A powinno wynosić:
UR11=UBE(I=2mA) + UTln(Ic/Ic(2mA)) +Ic*R10 / hFE =0,62+0,041+10*100/120 =0,67V
(4.8.1)
Wartość rezystancji R11:
U
0
,
67
11
R

 
6
,
7


11
I
,
1
O 0
4.9.Prostownik i filtr.
Maksymalny prąd zasilający stabilizator :
51

27
.
1
 
0
.
005

0
.
131
A

0
.
14
A
Imax = IOm + I(R1)max + IC(Q2) = 0
(4.9.1)
900
4327
Imin = I(R1)min + IC(Q2) = 0.5A2
90
Prostownik z filtrem pojemnościowym zaprojektowano na podstawie [5].
Dane wyjściowe do zaprojektowania prostownika :
U=45V, przy I=0,14 A
kt=5%
Opór obciążenia prostownika
U 45
R32 (4.9.2)
I0.14
Opór źródła (przyjmuje się 1% do 10% oporu obciążenia)
Stosunek oporu źródła do oporu obciążenia
rir80
*1%02.84 (4.9.3)
R32
Z wykresów [5](rys76
2

fRC
5
*
10
C
 

49
F
(4.9.4)
2

fR
2
*
3
.
14
*
50
*
322

-15) stosunek
przemiany ma wartość
U
kp00.78% (4.9.5)
Um
Wartość szczytowa napięcia zasilającego
U 45
Um5V8 (4.9.6)
kp0.78
Wartość skuteczna napięcia zasilającego
U 58
USKm4.01V (4.9.7)
21.4
Szczytowe napięcie zwrotne jakie musi wytrzymać każda z czterech diod prostowniczych
mostka
UZWR = 144.5V
Korzystając z rys.7-18[5
rir2.84%
1.42%
nR 2
Znajdujemy skuteczną wartość prądu płynącego przez diodę.
Id
2.3Idśrd
Iśrd (4.9.8)
0.14
Stąd przy średniej wartości prądu przepływającego przez każdą z diod IŚRD=0.7A.
2
Znajdujemy skuteczną wartość prądu płynącego przez każdą diodę
Id = 2.3*0.07A = 0.16A
rźr
12
.4% i posługując się rys.7-19[5] znajdujemy
nR
szczytową wartość prądu przepływającego przez diodę Im
Im
 6.5 (4.9.9)
I0
Im = 6.5 * 0.07A = 0.46A
Początkowy maksymalny prąd przy rozruchu będzie miał wartość :
U 58
Irm0.7A2 (4.9.10)
rźr80
Dobieram diody prostownika BYP150 – 225 o parametrach
I0 = 0.4A, IFSM = 15A, UR = 225V, UF = 1.5V przy IF = 1A
Prąd tętnień
22
2
2
I

2
*
I

I

2
*
0
.
16

0
.
14

0
.
18
A
(4.9.11)
t
d
160000
160000
X



16

C
(4.9.12)
f
100
*
100
C
stąd napięcie tętnień :
Ut -= XC * It = 16*0.18 = 2.9V (4.9.13)
Współczynnik tętnień
U
2
.
9
t
k
%
100
%

6
.
4
%
(4.9.14)
t100
U
45
jest niższy niż założony (5%)
4.10. Transformator.
Transformator obliczono na podstawie [6]
Dane wyjściowe do zaprojektowania transformatora
UZ = 118V
Iz = 2*Id1.406A
Przyjmuję, że rdzeń będzie wykonany z walcowanych na gorąco blach o stratności
W
P1 = 1.3 kg . Dla tych blach typowa wartość indukcji B = 1.2T
2
S

P

U
*
I

118
*
0
.
22

5
.
1
cm
(4.10.1)
Z
Z
Z
Na podstawie [6] z tablicy 8.1 dobrano rdzeń typu M65 o rzeczywistym przekroju brutto
4.92cm2.
Liczba zwojów na wolt
41
Z’ = 8.3 (4.10.2)
S4.92
U12
Ponieważ dla kształtki M65 całkowite spadki napięcia U0.16,
12
można przyjąć, że:
U12
0.8
U12
można wyznaczyć liczbę zwojów uzwojenia pierwotnego :
U
Z1'11U2 (4.10.3)
U1
Z1 = 8.33*(1-0.08)*220 = 1686 zwojów
Liczba zwojów uzwojenia wtórnego:
U
Z2'12U (4.10.4)
U2
Z2 = 8.33*(1+0.08)*102.5 = 922 zwojów
U
I 118
*
0
.
22
2
I
 

0
.
15
A
1
(4.10.5)
U
.
8
*
220
1 0

A
Przyjmując gęstość prądu I  4
2 , średnica przewodu uzwojenia pierwotnego:
mm
I
0
.
15
1
d

1
.
13
*

1
.
13
* 
022
mm
(4.10.6)
1
J
4
Średnica przewodu uzwojenia wtórnego
I
0
.
22
2
d

1
.
13
*

1
.
13
* 
0
.
27
mm
(4.10.7)
2
J
4
przyjmuję średnicę 0.3mm.
Rezystancja uzwojenia pierwotnego
4
*
U
*
Z
4
*
0
.
125
*
1686
1
11
r

*

*

118

1
CU
(4.10.8)
2
2

*
d
3
.
14
*
0
.
22
1 47
Rezystancja uzwojenia wtórnego
4
*
l
*
Z
4
*
0
.
15
*
922
2
21
r

*

*

41
.
6

ZCU
(4.10.9)
2
2

*
d
3
.
14
*
0
.
3
2 47
Względne spadki napięcia :
*
I

U
*
0
.
15
1
CU
1 118
1 r



0
.
08
U
U 220
1


*
I

U
.
6
*
0
.
25
2
CU
2 41
2 r



0
.
077
U
U
118
2
2
są zbliżone do wartości założonych.
r
118
CU
1
r

r


r

41
.
6
 2

3

78
.
7

źr
CU
2
2 d
(
1
.
86
)


U
(4.10.10)
1




U
2


Jest również zbliżona do założonej.
Straty w uzwojeniach :
2
2
2
2
P

r
*
I

r
*
I

118
*
0
.
15

41
.
6
*
0
.
22

4
.
7
W
(4.10.11)
cu
1
CU
1
2
CU
2
W
Straty w rdzeniu (MFE = 0.58kg, p1 = 1.3 kg )
PFE = 1.2p1 * B2MFE = 1.2 * 1.3 * 1.22 * 0.58 = 1.3W (4.10.12)
Całkowite straty
P = PCU + PFE = 4.7 + 1.3 =6W (4.10.13)
Rzeczywista sprawność:
P 26
20.81
P226
5.Bibliografia
[1]. Chwaleba A. ,Moeschke B. , Płoszajski G. , „Elektronika” .WSP Warszawa 1994.
[2]. Horowitz P., Hill W. „Sztuka elektroniki” cz1. WKŁ Warszawa 1995.
[3]. „Tower’s international - katalog tranzystorów” WKŁ Warszawa 1997.
[4]. Podstawy układów elektronicznych nieliniowe układy analogowe WKŁ Warszawa 1977
[5] Lewińska A., Lewiński K.: Prostowniki WKŁ Warszawa 1979
[6].Konopiński T., Pac R.: Tranformatory i dławiki elektronicznych urządzeń zasilających
WNT Warszawa 1979.