 |
Параметрический стабилизатор напряжения
|
|
|
|
В.И. П а у т о в
СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Методические указания по выполнению курсовой работы
студентами очной формы обучения на базе среднего (полного) общего
образования по направлению 210700
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
по профилям
«Сети связи и системы коммутации»
«Многоканальные телекоммуникационные системы»
«Цифровое телерадиовещание»
«Оптические системы и сети связи»
«Инфокоммуникационные технологии в сервисах и услугах связи»
направления 210400 «Радиотехника»
по профилю «Аудиовизуальная техника»
Екатеринбург
ББК 31. 21
УДК 621. 372. 061
Р24
Рецензент: доцент кафедры Автоматика УрФУ к.т.н. В. А. Матвиенко
Паутов В. И.
Стабилизатор напряжения: Методические указания по выполнению курсовой работы/ В.И. Паутов, - Екатеринбург: УрТИСИ ФГОБУ ВПО СибГУТИ, 2012, 54 с.
Приведены методические указания и варианты заданий для выполнения курсовой работы по дисциплине «Электроника» студентами всех форм обучения направления 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»
Рекомендовано НМС УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» в качестве пособия для выполнения курсовой работ ы по направлению 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» по профилям: «Сети связи и системы коммутации», «Многоканальные телекоммуникационные системы», «Цифровое телерадиовещание», «Оптические системы и сети связи», «Инфокоммуникационные технологии в сервисах и услугах связи».
ББК 31. 21
УДК 621. 372. 061
Р24
Кафедра общепрофессиональных дисциплин технических специальностей
©УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2012
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………………………………………………… 4
|
|
|
1. Основные теоретические положения……………………………………. 5
1.1 Полупроводниковые диоды ……………………………………………… 5
1.2 Биполярные транзисторы………………………………………………. 12
2. Параметрический стабилизатор напряжения……………………………… 16
2.1 Принцип работы стабилизатора ……………………………………. 16
2.2 Основные параметры стабилизатора…………………………………… 18
3. Методические указания по проектированию стабилизатора……………… 18
3.1 Структурная схема стабилизатора………………………………………. 18
3.2 Общие вопросы проектирования………………………………………… 19
3.3 Определение исходных данных…………………………………………. 19
3.4 Выбор транзистора……………………………………………………….. 19
3.5 Выбор стабилитрона …………………………………………………….. 21
3.6 Стабилизация тока стабилитронов……………………………………. 22
3.7 Расчет параметров стабилизатора ……………………………………… 24
3.8 Защита стабилизатора по току............................. 26
3.9 Защита нагрузки от перенапряжения…………………………………. 27
3.10 Индикация состояния стабилизатора…………………………………28
3.11 Заключение....................................29
3.12 Составление принципиальной схемы стабилизатора…………………... 29
4. Требования к оформлению работы…………………………………………… 29
4.1 Оформление работы ……………………………………………………… 29
4.2 Таблица выбора варианта………………………………………………… 31
5. Справочный раздел…………………………………………………………….. 32
5.1 Определение площади радиатора ……………………………………….. 32
5.2 Справочные данные диодов и транзисторов……….…………………….. 32
Литература…………………………………………………………………….. 39
Приложения……………………………………………………………………. 40
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания по выполнению курсовой работы студентов по курсу "Электроника" составлены на основании государственных требований к минимуму содержания и уровню подготовки дипломированного специалиста по направлению 210700 – «Инфокоммуникационные технологии и системы связи».
|
|
|
Курсовая работа является неотъемлемой частью учебного процесса и входит в учебную нагрузку студентов по самостоятельной работе.
Согласно учебному плану специальности на выполнение курсовой работы запланировано 18 часов. Курсовая работа выполняется в четвертом семестре.
Материал курсовой работы не выходит за рамки программы курса «Электроника» и материала, изучаемого на лекциях и практических занятиях.
Курсовая работа ставит своей целью закрепить знания, полученные при изучении теоретической части дисциплины в частности, применения полупроводниковых диодов и транзисторов, привить студентам навыки самостоятельной работы по разработке и анализу схем аппаратуры связи, пользование справочной и специализированной литературой.
Руководство содержит краткое описание элементной базы, используемой в курсовой работе, что позволяет студентам заранее подготовиться к выполнению работы, грамотно выполнить работу и в итоге защитить ее.
Хотя методическое пособие по выполнению курсовой работы предназначено для студентов очной формы обучения, оно может быть полезно и для студентов заочной формы обучения при выполнении контрольной работы.
В заключение руководства приведены требования по оформлению курсовой работы.
В приложении имеется нормативный и справочный материал по элементной базе, используемой в работе.
Стабилизаторы, рассматриваемые в курсовой работе, широко используются в зарядных устройствах, в качестве источников питания маломощных радиоэлектронных устройств. Источники питания РЭА будут рассмотрены далее в специальном курсе.
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Полупроводниковые диоды
1.1.1 Выпрямительные диоды
Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов (p ‑ n ‑переходов или переходов металл-полупроводник).
Области применения полупроводниковых диодов определяются их вольт-амперными характеристиками и параметрами.
Под вольтамперной характеристикой (ВАХ) полупроводникового диода понимают зависимость тока через диод I от приложенного к нему напряжения U. Для вольт-амперной характеристики идеализированного p - n -перехода справедлива следующая формула (уравнение Шокли):
|
|
|
, (1.1)
где I 0 – обратный ток насыщения;
φ T – температурный потенциал;
U – напряжение на переходе.
Температурный потенциал 
,
где k – постоянная Больцмана;
T – температура по шкале Кельвина;
q – заряд электрона.
Температурный потенциал имеет размерность напряжения и при температуре 200С φ T ≈ 26 мВ.
График вольтамперной характеристики, построенный согласно уравнению (1.1), приведен на рис. 1. На характеристике принято выделять прямую ветвь, соответствующую прямому напряжению на p - n -переходе, и обратную ветвь, соответствующую обратному напряжению на p - n -переходе. Прямое напряжение считается положительным, а обратное – отрицательным. При увеличении прямого напряжения ток резко возрастает и при изменении напряжения на 60 мВ ток изменяется на порядок.
При увеличении обратного напряжения обратный ток идеализированного p-n-перехода сначала быстро возрастает до значения I 0, а затем остается неизменным.
| Прямая ветвь |
| U |
| I |
| Обратная ветвь |
| Рис. 1. Вольтамперная характеристика p-n-перехода |
Уравнение вольтамперной характеристики можно разрешить относительно напряжения:
| (1.2) |
Продифференцировав это соотношение, найдём дифференциальное сопротивление p‑n‑перехода
. (1.3)
При прямом напряжении дифференциальное сопротивление rдиф уменьшается с ростом тока I. При температуре Т = 300 К и прямом токе I = 1 мА получаем rдиф = 26 Ом, т. е. при прямом напряжении дифференциальное сопротивление p-n-перехода составляет единицы Ом.
При обратном напряжении дифференциальное сопротивление перехода rдиф. обр резко увеличивается и при I →− I 0, rдиф. обр→ ¥.
В реальных p-n-переходах необходимо учитывать объёмное сопротивление базы rб, с учётом которого прямое напряжение на реальном диоде больше, чем на идеальном.
| U |
| I |
| D U |
| T 2> T 1 |
| I |
| Рис. 2. Влияние температуры на характеристику перехода |
|
|
|
Обратный ток в реальных p-n-переходах обусловлен в основном тепловым током I 0.
Эта составляющая обратного тока сильно зависит от температуры и практически не зависит от приложенного напряжения.
Вольтамперная характеристика перехода Шоттки(перехода металл-полупроводник) описывается тем же
p-n-перехода. Отличие вольтамперной характеристики перехода Шоттки от характеристики p-n-перехода заключаются в том, что прямое падение напряжения на переходе Шоттки на (0,2 ÷ 0,4) В меньше, чем на p‑n‑переходе с аналогичными параметрами, изготовленном на основе кремния (рис. 3).
В реальных p - n -переходах при увеличении обратного напряжения наблюдается пробой, под которым понимают резкое увеличение
обратного тока. Различают три вида пробоя: тепловой, лавинный и туннельный.
| Переход Шоттки |
| U ПР |
| p - n -переход |
| 0 0,5 0,7 В |
| 0,2 ÷ 0,4 В |
| Рис. 3. ВАХ перехода Шоттки |
| I ПР |
| U 2 |
| U |
| I |
| Т 2> Т 1 |
| U 1 |
| ТКН > 0 |
| Рис. 4. Лавинный пробой |
p-n-переходах при невысокой степени легирования. Напряжение лавинного пробоя очень слабо зависит от тока, протекающего через p‑n‑переход. Температурный коэффициент напряжения лавинного пробоя положителен.
Туннельный пробой имеет место в сильно легированных p‑n‑переходах и связан с туннельным эффектом.
Напряжение туннельного пробоя не превышает 5 В и очень слабо зависит от тока, протекающего через
p-n-переход.
Лавинный и туннельный пробои обратимы, если не переходят в тепловой.
На вольтамперную характеристику диода существенное влияние оказывает температура окружающей среды. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается у кремниевых диодов примерно в 2,5 раза при изменении температуры на каждые 10°С.
Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет допустимую температуру диода, которая составляет 150 ÷ 200 °С для кремниевых диодов.
Диоды общего применения характеризуются следующими основными параметрами:
|
|
|
– дифференциальное сопротивление диода на прямой ветви ВАХ при заданном токе;
(1.4)
– сопротивление постоянному току в заданной точке ВАХ
(1.5)
– температурный коэффициент напряжения (ТКН) прямой ветви ВАХ
(1.6)
– допустимый прямой ток анода I адоп;
– обратное допустимое напряжение U обр.доп.
1.1.2 Специальный диод – стабилитрон
Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя р-n-перехода при включении диода в обратном направлении.
Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода и при снижении обратного напряжения (или ограничения тока) свойства диода сохраняются.
При прямом включении при увеличении температуры падение напряжения на стабилитроне уменьшается рис. 5
ТКН = ∆ U ПР/∆t = – 2,5 мВ/°С (1.8)
| t |
| ∆U СТ |
| U ОБР U СТ |
| I ОБР |
| Тепловой пробой |
| Электрический пробой |
| ∆U ПР |
| 0,4 0,6 0,8 U ПР В |
| мА I ПР |
| I СТmax |
| 600С 200С ∆t0С |
| P aдоп |
| ∆ t0С |
| Рис. 5. Вольт-амперная характеристика стабилитрона |
| ∆I ПР |
Если через стабилитрон протекает постоянный обратный ток, то при изменении температуры падение напряжения на нем также изменяется. При напряжении более 5 В ТКН положительный, при напряжении менее 5 В ТКН отрицательный, при напряжении 5 Вольт ТКН ≈ 0.
| U СТ |
| Рис. 6. Эквивалентная схема замещения стабилитрона |
| rст |
| VD |
U СТ – идеальный источник напряжения,
rСТ – внутреннее сопротивление этого источника – дифференциальное сопротивление стабилитрона, VD – идеальный диод с напряжением U пр = 0 В.
Основные параметры стабилитронов и их типовые значения.
1. Напряжение стабилизации U СТ – падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (от нескольких долей вольта до сотен вольт).
2. Максимальный допустимый ток стабилизации I СТmax– наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы (от десятков миллиампер до единиц ампер).
3. Минимальный ток стабилизации I СТmin – наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив, (единицы миллиампер).
4. Дифференциальное сопротивление rСТ – отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации гст = ∆U СТ /∆I СТ (доли -десятки Ом). Дифференциальное сопротивление уменьшается при увеличении тока стабилизации.
5. Температурный коэффициент напряжения стабилизации ξСТ ‑ относи-тельное изменение напряжения стабилизации ∆ U СТ при изменении температуры окружающей среды на ∆t 0С (ξСТ - тысячные доли процента).
Для стабилитронов этот параметр принято выражать в относительном изменении напряжения стабилизации
(1.7)
6. Температурный коэффициент напряжения при прямом включении стабилитрона ТКН = ∆ U ПР / ∆t ≈ – 2,5 мВ/°С.
7. Максимально допустимая рассеиваемая мощность Р ДОП = U СТ· I СТ max. Если выделяющаяся в виде тепла мощность превышает допустимую для стабилитрона, то прибор начнёт перегреваться и может наступить тепловой пробой.
1.1.3 Специальный диод – тиристор
Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более взаимодействующими p-n-переходами.
В зависимости от числа выводов тиристоры делят на:
- диодные (динисторы), имеющие два вывода - от анода и катода,
- триодные (тринисторы), имеющие выводы от анода, катода и одной из эквивалентных баз,
- тетродные, имеющие выводы от всех областей.
В процессе работы тиристор может находиться в состоянии:
· выключен или закрыт, в этом состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и ток через него практически равен нулю;
· включён или открыт, в этом состоянии тиристор имеет малое сопротивление, ток в цепи определяется внешним сопротивлением.
1.1.4 Специальный диод – светодиод
Светодиод – прибор с p-n-переходом, излучающим свет при протекании через него прямого тока. По своим электрическим свойствам светодиод аналогичен обычному диоду. Отличие состоит в том, что напряжение отпирания при прямом включении составляет примерно 2 вольта.
Светодиоды применяются для индикации наличия напряжения (тока) в электрической цепи, как источники света.
1.1.5 Обозначение диодов
В основу обозначений универсальных диодов положен буквенно‑цифро-вой код вида
Х Х ХХХХ Х
1 2 3 4 5
1 – материал диода: Г или 1 – германий, К или 2 – кремний;
А или 3 – соединения галлия.
2 – подкласс прибора: Д – диоды выпрямительные и импульсные,
С – стабилитроны;
3 – функциональный параметр, подкласс прибора.
4 – число – порядковый номер заводской разработки.
5 – буква – классификация по параметрам (квалификационная литера).
Второй элемент – вид прибора – диод Д.
Следующие элементы характеризуют его эксплуатационные свойства. Например, диод общего применения КД101А расшифровывается как кремниевый диод малой мощности, разработки номер 01, разновидности А.
Условное графическое обозначение (УГО) диодов общего применения на принципиальных схемах приведено на рис. 7.
| I ПР + – |
| А К |
| Рис. 7. Обозначение универсального диода |
Если к аноду приложено положительное напряжение, а к катоду – отрицательное, то диод включен в прямом направлении и открыт. На диоде выделяется напряжение U ПР и течёт прямой ток I ПР.
Если к аноду приложено отрицательное напряжение, то диод включён в обратном направлении и закрыт, через диод протекает обратный ток малой величины I ОБР. Если приложенное обратное напряжение превышает напряжение пробоя, то происходит электрический пробой диода и в цепи потечёт ток.
На рис. 8 приведено УГО стабилитрона. В основу обозначений стабилитронов положен тот же буквенно-цифровой код, что и для диодов. Например, обозначение стабилитрона КС153А расшифровывается как кремниевый диод малой мощности (серия 100), разновидности А. В отличие от выпрямительных диодов последние два цифры обозначают напряжение стабилизации U СТ = 5,3 В.
| УЭ |
| I А + – |
| А К |
| Рис. 9. Обозначение управляемого тиристора |
Тиристоры также обозначаются буквенно-цифровым кодом:
- первый элемент – исходный материал;
- второй элемент – вид прибора: Н – диодный тиристор – динистор (неуправляемый), У – триодный тиристор – (управляемый).
| Рис. 10. Обозначение светодиода |
На рис. 10 приведено УГО светодиода. Система обозначений светодиодов аналогична обозначениям прочих диодов. Второй компонент обозначения буква Л – светоизлучающий диод. Например, АЛС331 расшифровывается следующим образом: А – материал арсенид галлия, ЛС – матрица светодиодов. Последующие цифры обозначают номер разработки и эксплуатационные свойства.
Биполярные транзисторы
1.2.1 Общие положения
Транзисторами называются полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими n‑p‑переходами. По чередованию переходов транзисторы бывают двух типов: p-n-p – транзисторы и n-p-n – транзисторы (рис. 11).
Средний слой транзистора называют базой (Б), один из крайних – эмиттером (Э), другой – коллектором (К). Стрелка в обозначении эмиттера показывает направление протекания положительного тока.
| n-p-n - транзистор p-n-p - транзистор |
| Коллектор |
| База |
| Эмиттер |
| Коллектор |
| База |
| Эмиттер |
| Рис. 11. Структура биполярного транзистора n-р-n и р-n-р типа |
В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения:
с общей базой (ОБ) – рис. 12,а; с общим эмиттером (ОЭ) – рис, 12,б; и с общим коллектором (ОК) – рис. 12. в.
| Э |
| I Э |
| I К |
| Б |
| I б |
| К |
| I б |
| I Э |
| I К |
| I К |
| I б |
| Э |
| I Э |
| ОК |
| ОЭ |
| ОБ |
| U КЭ |
| U КЭ |
| U БЭ |
| U Б |
| U ЭБ |
| U КБ |
| Вход |
| Выход |
| а) |
| в) |
| б) |
| Рис. 12. Схемы включения биполярного транзистора |
Наиболее часто применяется схема ОЭ, так как позволяет получить наибольший коэффициент усиления по мощности.
Схема ОК усиливает электрический ток и мощность, но не усиливает напряжение.
Схема ОБ обеспечивает усиление напряжения и мощности, но не усиливает ток.
Токи электродов транзистора связаны соотношением
I Э = I Б + I К (1.8).
В транзисторе, включённом по схеме ОЭ, ток коллектора
I К=α ·I Э + I КЭО (1.9)
где α – коэффициент передачи тока эмиттера в коллектор (α=0,9,…;099);
I КЭО – обратный ток коллекторного перехода, в схеме ОЭ равен току коллектора при разомкнутом выводе базы (I Б = 0).
Подставив (1.8) в (1.9) получим
(1.10)
В выражении (1.10) 
– статический коэффициент передачи тока базы (в коллектор), т.е.
. (1.11)
Так как I КБО << I К и I КБО << I Б, то коэффициент передачи тока базы
. (1.12)
Статические вольт-амперные характеристики для схемы включения ОЭ представлены на рис. 13. На рис. 13. а 
изображены входные характеристики I Б = ƒ(U бэ) при UКЭ = Const, на рис. 13. б – выходные I К = ƒ(U КЭ) при
I Б = Const.
На рис. 13,а показано построение характеристического треугольника для определения входного сопротивления транзистора в системе h – параметров
. (1.13)
На рис. 13,б показано определение коэффициент усиления транзистора. Коэффициент определяется через приращения токов базы и коллектора при постоянном напряжении U КЭ (на рисунке U КЭ = 5 В)
(1.14)
Для транзисторов малой мощности (Р К < 300 мВт) этот параметр определяется при напряжении U КЭ = 5 В. Для транзисторов средней мощности (Р К < 3 Вт) – при напряжении U КЭ = (10 ÷ 15) В.
| I Б |
| ∆ U БЭ |
| U БЭ |
| ∆ I Б |
| U KЭ= 5 B |
| мВ |
| а) |
| б) |
| Рис. 13. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора |
| I Б6 |
| I Б5 |
| I Б4 |
| I Б3 |
| I Б2 |
| I К |
| U KЭ |
| ∆ I К |
| ∆ I Б= I Б4 – I Б3 |
| 5 В |
Определение выходной проводимости транзистора h22Э в системе h‑параметров показано на рис.14.
. (1.15)
| I Б6 |
| I Б5 |
| I Б4 |
| I Б3 |
| I Б2 |
| I К |
| U KЭ |
| ∆ U КЭ |
| ∆ I К |
| Рис.14. Определение выходной проводимости h22Э |
(1.16)
Его значение находятся в пределах 10 ÷ 100 кОм.
Дифференциальное сопротивление перехода эмиттер–база rЭ зависит от постоянной составляющей тока эмиттера
(1.17)
Значение сопротивления гЭ лежит в пределах от единиц до десятков Ом.
Объёмное сопротивление базы
rб = h11э – (В + 1)∙rЭ, (1.18)
Обычно гб >> гЭ и для маломощных транзисторов составляет
(100 ÷ 500) Ом.
1.2.2 Система обозначения транзисторов
В основу системы положен буквенно-цифровой код.
Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал аналогично диодам.
Второй элемент определяет подкласс прибора. Т – подкласс транзистор биполярный.
Третий – функциональные возможности транзистора – допустимую мощность рассеяния и граничную частоту.
Четвёртый – порядковый номер разработки технологического типа транзистора. Обозначается цифрами от 01 до 99 (в последнее время появились разработки с номерами от 101 до 999)
Пятый – обозначает дополнительные параметры транзистора в данной разработке. Они обозначают буквами русского алфавита
Например, транзистор КТ301А – кремниевый транзистор биполярный, высокочастотный, малой мощности, номер разработки 01, разновидности А.
Обозначение транзистора на принципиальных схемах нормировано и приведено на рис. 11 и 12. Направление стрелки эмиттера показывает положительное направление тока эмиттера.
Изображение транзистора с выводами можно поворачивать на 90 градусов. Стандарт разрешает не изображать окружность.
1.2.3 Допустимые электрические и тепловые параметры
Максимально допустимые напряжения это такие предельные напряжения, при которых транзистор не теряет своих электрических свойств. Превышение этих напряжений не допускается, т.к. может наступить электрический пробой р-n-переходов транзистора. В справочниках приводятся значения допустимых напряжений U КБmах, U КЭmах, U ЭБmах.
Максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора P к.max – наибольшая мощность, рассеиваемая коллектором транзистора при температуре окружающей среды Т С (или корпуса T К).
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Параметрический стабилизатор применяют в случаях, когда требуется получить стабильное напряжение при относительно малой электрической мощности рассеяния в сопротивлении нагрузки. В качестве нелинейного элемента, обеспечивающего стабилизацию выходного напряжения, применяют стабилитроны.
|
|
|
