Полупроводниковая техника

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

(РУТ (МИИТ)
РОССИЙСКАЯ ОТКРЫТАЯ АКАДЕМИЯ ТРАНСПОРТА

Одобрено кафедрой

«ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ»

Протокол №____ от ______________ 2023 г.

Автор: Рудницкий С.Л.

ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ С МЕТОДИЧЕСКИМИ

УКАЗАНИЯМИ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА

Уровень ВО: Специалитет

Форма обучения: Заочная

Курс: 3

Специальность/Направление: 23.05.05 – Системы обеспечения движения
поездов

Специализация/Профиль/Магистерская программа: все специальности

Москва, 2023

СОДЕРЖАНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Тема контрольной работы: «Расчёт транзисторного стабилизатора
напряжения»

Контрольная работа завершает изучение курса «Полупроводниковая
схемотехника».

В рамках контрольной работы требуется произвести расчёт
транзисторного стабилизатора напряжения, по заданным данным рассчитать
регулирующие и усилительные элементы стабилизатора напряжения,
определить его выходные параметры и нарисовать принципиальную
электрическую схему стабилизатора. Оформленная контрольная работа
должна содержать пояснительно-расчётную записку с приложением
необходимых схем и рисунков. В пояснительно-расчётной записке
необходимо привести данные задания, расчётную часть стабилизатора
напряжения, перечень использованной литературы.

В процессе расчёта параметров элементов и режимов необходимо
сначала привести расчётную формулу, затем привести численные значения и
полученный результат в принятых единицах измерения (СИ) округлить до
практически необходимого номинального значения.

При возникновении затруднений в процессе выполнения контрольной
работы можно лично или письменно - через факультет или кафедру -
обратиться к преподавателю за консультацией.

Контрольная работа выполняется в печатном виде на листах формата А4
с одной стороны. Титульный лист должен содержать: наименование кафедры;
наименование дисциплины; название контрольной работы; ФИО исполнителя
и шифр. Работа должна быть подписана исполнителем. Работа, выполненная
по варианту, не соответствующему шифру студента, не проверяется и зачёту

не подлежит.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

• - номинальное напряжение питающей сети U0 = 220 В; частота fс = 50 Гц;
• - пределы изменения напряжения сети ac = bc = 0,1;
• - номинальное выходное напряжение Uн В;

  Последняя цифра шифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
  Uн. ном, В	9	12	15	18	20	22	24	28	30	36

• - допустимые установочные отклонения ∆Uн = ± 1 В;
• - номинальный том нагрузки Iн А;

  Предпоследняя цифра шифра	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
  Iн, А	0,1	0,5	0,75	1	1,25	2	3	5	7,5	10

• - пределы изменения тока нагрузке ∆ Iн min = 0,2 А и ∆ Iн max = 0,3 А;
• - коэффициент стабилизации при изменении напряжения сети Kст ≥ 500;
• - внутреннее сопротивление rн ≤ 1 Ом;
• - амплитуда пульсации выходного напряжения Uн ~ < 3 мВ;
• - температура окружающей среды Tс max = 60^○С, Tс min = – 10^○С;
• - максимальный температурный уход напряжения ∆ Uн.т. = 0,12 В;

∆ Uн.доп. = 0,05 В.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Заданными для расчёта транзисторных стабилизаторов напряжения

величинами являются:

• 1) номинальное напряжение питающей сети Uс, В; частота тока

питающей сети f, Гц;

• 2) отклонения напряжения питающей сети от номинального значения ac
  и bc;
• 3) номинальное выходное напряжение стабилизатора Uн. ном и пределы
  его регулирования Uн. макс и Uн. мин, В;
• 4) номинальный ток нагрузки Iн и пределы изменения тока нагрузке
  Iн. макс и Iн. мин, А;
• 5) коэффициент стабилизации по входному напряжению (kст )U;
• 6) внутреннее сопротивление стабилизатора rн, Ом; или изменение
  выходного напряжения (∆ Uн)1 при изменении тока нагрузки от Iн. макс до Iн. мин;
• 7) амплитудное значение переменной составляющей выходного
  напряжения Uн ~, В;
• 8) температура окружающей среды tокр. макс и tокр. мин, ^○С;
• 9) температурная нестабильность (дрейф) выходного напряжения
  (∆ Uн)t, В.

Расчёт транзисторного стабилизатора проводим для простейшей схемы

компенсационного типа с последовательным относительно нагрузки
включением регулирующего транзистора, изображённой на рис. 1. Расчёт
схемы сводится к определению оптимальных режимов и расчёту всех
элементов схемы, при которых обеспечивается получение требуемых
характеристик.

Определяем пределы изменения напряжения на входе стабилизатора.
Возможен случай, когда при минимальном напряжении питающей сети
Uc. мин = Uc. н (1 – bc) и, следовательно, минимальном напряжении на входе
стабилизатора (на выходе выпрямителя) U0 мин = U0 н (1 – bc) требуется

получить на нагрузке наибольшее напряжение U_H. макс = U_H + Л U_H. рег при
максимальном токе через регулирующий транзистор IVTi макс = 1н. макс + 1сх, где
1сх - внутреннее потребление тока схемой стабилизатора. Таким образом,
получим следующее выражение:

U0 мин = Uh + Л Uh. рег + Uvt 1 мин + U0 ~, [В],

(1)

где UVTi мин - минимально допустимое значение напряжения на переходе

эмиттер-коллектор регулирующего транзистора VT₁;

U0 ~ - амплитуда пульсации на входе стабилизатора.

Q

Uо

о

R о

+

—о

R 8

VT 2

R 5

R 6

R 7

С н

Uon $^VD1 .

RI

н

I б VT2

R и

VT i

VD 2

Uн

+ о

Udon R ₂

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема транзисторного стабилизатора с

последовательным включением регулирующего элемента

РАСЧЁТ РЕГУЛИРУЮЩЕГО И УСИЛИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТОВ

СТАБИЛИЗАТОРА

Минимальное падение напряжения на транзисторе VT₁ UVT_{1 мин}
определяется из выходных характеристик 1к = f (U_K ) (см. рис. 2) выбранного
транзистора для максимального значения тока I_VT1 макс = 1_н. макс + 1сх. Для
германиевых транзисторов U_{VT 1мин} = 2^3 В, для кремниевых U_{VT 1мин} = 4^8 В.

Рис. 2. Зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе в схеме с
общим эмиттером при Uэб = const

Амплитудой пульсации обычно задаются: U0 ~ ≈ 1 В. При этом следует
иметь в виду, что уменьшение пульсации на входе стабилизатора потребует
установки громоздкого сглаживающего фильтра выпрямителя, а увеличение

пульсации вызовет увеличение падения напряжения на регулирующем

транзисторе.

При импульсном изменении тока нагрузки напряжение U0 мин должно
быть увеличено на ∆ Iн. и r0 дин, где ∆ Iн. и – величина изменения тока нагрузки в

импульсе; r0 дин – внутреннее динамическое сопротивление выпрямителя.

Номинальное U0 ном и

максимальное U0 макс значения

входного

напряжения стабилизатора:

U

U0 мин

0 ном = -i 7 ;

• 1 — b_c

U0 макс U0 ном ⁽¹ + ac ) •

(2)

(3)

При расчёте выпрямителя необходимо учитывать значения U0, U0 ~ и
IVT1 макс. В результате расчёта выпрямителя уточняется его схема, находятся
напряжения и токи в обмотках трансформаторов, количество вентилей,

данные фильтра, внутреннее сопротивление выпрямителя r0.

Определяем максимальное входное напряжение стабилизатора (при
максимальном напряжении сети и минимальном токе нагрузки)

(и0

макс ) макс

Uн макс

+ ⁽IH. макс IH. мин) r 0-

(4)

Максимальное напряжение на регулирующем транзисторе VTi:

• а) при минимальных значениях выходного напряжения и тока нагрузки
  и максимальном напряжении сети

⁽ UT 1 макс) макс ⁽ U0 макс) макс ^Uh. мин < Uvt 1 доп -

(5)

Необходимо иметь в виду, что предельно допустимое напряжение на
регулирующем транзисторе U_{VT1 доп} не должно быть превышено даже
кратковременно, например в моменты включения стабилизирующего
выпрямителя в питающую сеть. С тем чтобы защитить регулирующий
транзистор от возможных коммутационных всплесков напряжения,
превышающих допустимые, между базой и коллектором составного
транзистора VT₁, VT2 включают кремниевый стабилитрон VD ₃, как показано на
рис. 1. Минимальное напряжение U_VD 3_мин на стабилитроне VD3 должно быть
больше, чем ( Uvt 2 макс) макс. Максимальное напряжение Uvd з макс на
стабилитроне VD ₃ должно быть меньше (U_{VT1 макс}) _доп.

• б) при максимальных значениях напряжения питающей сети и тока
  нагрузки и минимальном регулируемом значении выходного напряжения
  падение напряжения на транзисторе VT₁

UVT 1 макс

U0 макс

^UH. мин.

(6)

Максимальная мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе

VT1

P VT 1 макс IVT 1 макс UVT 1 макс < Pvt 1 доп. (7)

В соответствии с известными величинами ( Uvt 1 макс) макс, Ivt 1 макс, Pvt 1 макс
выбираем по справочнику транзистор для использования его в качестве
регулирующего. При больших токах I_{VT1 макс} несколько транзисторов
включают параллельно. Если по P_{vt1 макс} нельзя подобрать по справочнику

один транзистор, то включают их параллельно или последовательно.

Последовательное включение регулирующих транзисторов находит

применение и в тех случаях, когда (UVT 1 макс)макс превышает допустимое для
выбранного типа транзистора значение UVT 1 доп.

При параллельном включении транзисторов для выравнивания
протекающих через них токов в эмиттер каждого транзистора включают
сопротивления Rэ = (0,5…1,0)n / IVT 1 макс, где n – количество параллельно
включённых транзисторов.

Через коллекторную нагрузку усилителя R4 протекает ток коллектора
усилительного и ток базы регулирующего транзисторов (см. рис. 1). Так как в
качестве усилителей VTy используя маломощные транзисторы, максимальный
ток коллектора которых не более 5…10 мА, то необходимо уменьшить ток
базы регулирующего транзистора. Для этого в качестве регулирующего
элемента используется составной транзистор, состоящий из двух (VТ1 и VТ2),
а иногда и больше (VТ1, VТ2, VТ3 и т.д.) числа их. Число транзисторов,
образующих составной, выбирается таким, чтобы ток в цепи базы
регулирующего элемента был на порядок меньше тока коллектора
усилительного транзистора и не превышал 0,3…0,5 мА при наибольшем токе
нагрузки Iн макс.

Для выбора транзистора VТ2 необходимо определить максимальную
величину тока, протекающего через него, IVT 2 макс и мощность, рассеиваемую
на нём.

Величина тока через транзистор VТ2 равна сумме тока базы Iб VТ 1
транзистора VТ1 и тока, протекающего через резистор R1

IVT 1 макс

I б VT1 макс = о Iк 0 VT1 мин ,

BVT 1 мин

(8)

где BVT 1 мин = Iк VT1/Iб VT1 – минимальный коэффициент усиления по

постоянному току в схеме с общим эмиттером
транзистора VТ1.

Для упрощения принимаем, что ток коллектора Iк равен току эмиттера Iэ

и минимальный обратный ток коллектора Iк 0 мин равен нулю и что

коэффициент усиления по постоянному (B) и (β) переменному токам равны.

Необходимость резистора R1 диктуется следующим. С повышением
температуры перехода транзистора VT1 возрастает неуправляемый
коллекторный ток Iк 0 VT1, направленный от цепи базы VT1 к его коллектору. С
уменьшением тока нагрузки уменьшается суммарный базовый ток VT1 и,
следовательно, эмиттерный ток транзистора VT2. При некотором значении
тока нагрузки ток Iб VT1 = IVT2 становится равным нулю. С этого момента
стабильность схемы нарушается. С тем, чтобы обеспечить стабильную работу
схемы при максимальной температуре перехода транзистора VT1 и сбросе тока
нагрузки до Iн. мин, вводят резистор R1, ток через который должен быть больше
максимального значения обратного коллекторного тока Iк 0 VT1, при
максимальной температуре перехода эмиттер-коллектор tП VT1.

Величину тока Iк 0 VT1 макс находим из частных технических условий на
транзисторы. В общем случае ток через резистор R1 определяется как

IR o)

^R1 ^{к 0} VT 1 макс

IVT 1 мин

Pvt 1 макс

(9)

Температура перехода эмиттер-коллектор транзистора VT1 tП VT1 не
должна превышать 0,8…0,9 предельно допустимой температуры перехода
tП VT1 доп.. Для германиевых транзисторов tП доп. составляет 80…90^○С, для
кремниевых 150^○С.

Для выбранного типа транзистора VT1 необходимо подобрать радиатор,
таким образом, чтобы при температуре, равной сумме максимальной
окружающей tмакс = t1 и (0,1…0,2) tП доп. = t2 – t1 при мощности, рассеиваемой
на транзисторе, PVT1 макс = Pфакт температура на переходе не превышала tП доп..

Приведенный на рис. 3 график соответствует предельно допустимой
температуре на переходе транзистора VT1 с учётом теплового сопротивления
Rп.к переход-корпус.

PVT 1, Вт

14

12

1 Л

Рис. 3. Типовая характеристика зависимости предельно допустимой
мощности рассеяния на транзисторе от температуры окружающей среды.

1 – без обдува, естественная конвекция; 2 – с обдувом

Тепловое сопротивление Rп.к показывает на сколько градусов
температура переходы выше, чем температура корпуса транзистора, при 1 Вт
рассеиваемой на транзисторе мощности. Для мощных транзисторов эта
величина обычно составляет 1…2 град/Вт.

Ток, протекающий через цепь эмиттера транзистора VT2,

IVT2 макс = Iб VT1 макс – IR1. (10)

Максимальная мощность, рассеиваемая на транзисторе VT2,

PVT 2 макс = IVT 2 макс UVT 2 макс , (11)

где UVT 2 макс ≈ UVT1 макс .

По величинам IVT 2 макс, PVT 2 макс и UVT 2 макс выбираем транзистор VT2. По
справочнику находим значение βVT 2 макс – минимальное значение
коэффициента усиления по постоянному току транзистора VT2 в схеме с
общим эмиттером.

Находим максимальное значение базового тока транзистора VT2

Iб VT2 макс

IVT 2 макс

^в VT 2 мин

(12)

Если Iб VT2 макс больше, чем 0,3…0,5 мА, то количество составных
транзисторов увеличивают, добавив транзистор VT3. Расчёт элементов и
режима транзистора VT3 проводится аналогично тому, как это выполнено для
транзистора VT2.

Через резистор R4 усилительного транзистора VTу протекают ток Iб VT 2 и
коллекторный ток транзистора VTу. Величиной тока Iу задаются в пределах
(5…10) Iб VT 2 макс. Принимая приближённо, что напряжение UR 4. на резисторе
R4 равно напряжению дополнительного источника стабильного напряжения
U′оп на стабилитроне VD2, находим сопротивление резистора R4

U ‘

R 4 = -—-оп----, [13]

I у + I б VT 2 макс

где напряжение U′оп обычно берётся равным Uоп.

Минимальное напряжение UVTу мин на транзисторе VTу будет при
минимальном выходном напряжении Uн. мин и максимальном из возможных
напряжении опорного источника Uоп на стабилитроне VD1 и должно быть
больше или равно 2…3 В.

Выбрав тип стабилитрона VD1 таким образом, чтобы Uоп. макс < Uн. мин,
проверяем UVTу мин = Uн. мин – Uоп. макс ≥ 2…3 В.

При максимальном напряжении на нагрузке Uн. макс и минимально
возможном напряжении на стабилитроне VD1 на транзисторе VTу напряжение
будет наибольшим, причём оно должно быть меньше допустимого для
выбранного типа усилительного транзистора, т.е.

UVTу макс

Uн. макс

Uоп. мин

≤ UVTу доп.

Расчёт сопротивлений выходного сравнивающего делителя
производится аналогично расчёту для электронного стабилизатора.

В отличие от последнего величина тока через делитель R5, R6, R7 должна
быть не менее 10 мА, для того чтобы изменение тока базы усилительного

транзистора не влияло на изменение выходного напряжения.

Сопротивление резистора R3 (при использовании стабилитрона VD1 типа

Д814 или Д818) определяется, исходя из условия протекания через

стабилитрон VD1 тока, равного сумме токов IVТ у + I R 3 не менее 5 мА (при Uн. мин

и Uоп. макс)

и не более I VD 1 макс доп. (при Uн. макс

и Uоп. мин

).

Ёмкость конденсатора Cн выбирается из условия устойчивости

(отсутствия генерации): Cн ≥ 100 мкФ. Величину ёмкости Cн можно
уменьшить включив между коллектором и базой транзистора VTу
последовательную RC-цепочку.

При работе стабилизатора в условиях окружающих температур от t окр. мин
до t окр. макс, где обычно t окр. мин – отрицательная, а t окр. макс – положительная
температуры, наблюдается значительное изменение (дрейф) выходного
напряжения. Основными источниками дрейфа напряжения являются
усилительный транзистор VTу и стабилитрон VD1. Изменение температуры
перехода эмиттер-коллектор транзистора VTу от t п.у. мин до t п.у. макс эквивалентно
введению последовательно в цепь эмиттера ЭДС

∆Uэ. у = 0,0022(t

п.у. макс

t п.у. мин

(14)

с полярность, соответствующей увеличению коллекторного тока транзистора
VTу. Повышение температуры от t VD 1 мин до t VD 1 макс кремниевых стабилитронов
с напряжением стабилизации, большим, чем 5…6 В равносильно введению в
ту же цепь эмиттера транзистора VTу противоположно по знаку направленной
ЭДС

∆Uоп = 0,01 Uоп kоп (t

VD 1 макс – t VD 1 мин),

(15)

где kоп – температурный коэффициент, выраженный в процентах на 1^○С

(для каждого типа стабилитрона эта величина приведена в
справочных таблицах);

t VD 1 макс и t VD 1 мин – максимальная и минимальная температура p-n
перехода кремниевого стабилитрона VD1.

Для стабилитронов с напряжением, меньшим, чем 5…6 В, kоп имеет

обратный знак, т.е. с повышением температуры напряжение на стабилитроне
уменьшается. коп для некоторых типов стабилитронов имеет величину 0,14%
на 1^○С. Из сказанного можно заключить, что суммарное изменение выходного
напряжения (ЛU_H)t за счёт изменения температуры перехода транзистора и
стабилитрона будет равно

(Л ин)t =

диоп -Л иэ.у

а

(16)

где а = R i/( R1 + R ц) ~ (U_on / U_H) — коэффициент передачи выходного
сравнивающего делителя.

Если при положительном значении коэффициента коп в последнем
уравнении слагаемые одинаковы, то (Л U_H) t = 0.

Следует, однако, иметь в виду, что если не прибегать к подбору
стабилитронов, то практически нельзя добиться полной компенсации, так как
коп стабилитронов в пределах одного типа имеет достаточно большой разброс.

Для компенсации дрейфа дополнительно в одно из плеч выходного
делителя, в зависимости от знака дрейфа выходного напряжения, включают
катушку, намотанную медным проводом, или полупроводниковый диод
(иногда несколько, соединённых последовательно), включённый в прямом
направлении. Сопротивление из медного провода, включённое в верхнее плечё
делителя R5, R₆, R₇, или диод, включённый в прямом направлении
последовательно с диодом VD₁, с повышением температуры дают понижение
выходного напряжения. Изменение сопротивления катушки из медной
проволоки определяется из выражения

Л Rm = RM.r

- R

м.х

^Rm.x ^ам ^Л t,

(17)

^{где Л} t t окр.макс tokp. мин;

R_M._r и R_m._x — сопротивления катушки из меди соответственно при t_окр. _макс и

t окр. мин;

α_м

- температурный коэффициент меди, равный 0,004 1/град.

Сопротивление R_M._X в верхнем плече делителя R₁ для компенсации

дрейфа выходного напряжения (∆Uн)t определяется формулой

R

R м.х

AUon -AUэ.у

I д ^ам ^A t

где I д – ток делителя R5, R6, R7.

Температурный дрейф полупроводникового диода, включённого в

прямом направлении, по напряжению равен примерно

K д. пр = 1,5…1,7 мВ/град.

Число диодов, необходимых для компенсации дрейфа (∆Uн)t равно

n =

AU_on -AU_э._у
Kд. пр ^A t

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРНОГО

СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Коэффициент стабилизации выходного напряжения при изменениях
напряжения питающей сети в заданных пределах может быть определён по
формуле

⁽kcm )u ^p ^kу ^a _{T T} ,

U₀

(18)

где ^p

PVT1 PVT 2 ^{A U}VT1 z _T ,x

-------------x-------, (при I_{K VT} 1 = const).
PVT1 + PVT 2 ^UбэVT 1

Статические коэффициенты усиления µVT 1 и µVT 2 транзисторов VT1, VT2
находят по характеристике Iк = f (Uк). Типовые характеристики транзистора
для Iк = f (Uк) для различных значений Uэб = const приведены на рис. 2.

Вычислить значение µр можно также, пользуясь характеристикой
Iк = f (Uк), полученной для различных значений Iб = const

Pp

^A UVT 1

R exVT 1 ^A Iб VT 1

Коэффициент усиления транзистора Ty(ky) определяется по формуле

k_у

SyRк

^{1 +} Sy Rдин VD1

(19)

где Sy = ∆ IVT y / ∆Uэб у (при UVT y = const) – крутизна характеристики Iк = f (Uэб)
транзистора VTу. Типовая характеристика транзистора Iк = f (Uэб) для
различных значений Uэк = const приведена на рис. 4.

Сопротивление Rк находят по формуле

R к = -R4-, (19)

1+RI

R

вх

где

Rвх ⁼ Rвх. VT 2 + βVT 2 мин Rвх. VT 1;

Rвх. VT 1 = ∆Uэб VT 1 / ∆ Iб VT 1 и Rвх. VT 2 = ∆Uэб VT 2 / ∆ Iб VT 2,

входные сопротивления в схеме с общим эмиттером транзисторов VT1 и VT2
соответственно, которые находят по входным характеристикам транзисторов.

Примерный вид входной характеристики Iб = f (Uэб) показан на рис. 5.

Динамическое сопротивление стабилитрона Rдин VD 1 определяют по
данным справочника.

Внутреннее сопротивление стабилизатора определяют по формуле

r

н

Rip ⁺ rо _ 1

p _p k_y a S_pk_y a

(20)

где Ri p = ∆ UVT 1 / ∆ IVT 1 (при Uэб = const) внутреннее сопротивление транзистора
VT1, определяемое из характеристики Iк = f (Uк), приведенной на рис. 2.

r0 – внутреннее сопротивление выпрямителя.

Ниже приведены усреднённые параметры некоторых наиболее
употребительных в схемах стабилизаторов транзисторов:

Таблица 1

Рис. 4. Зависимость тока коллектора от напряжения эмиттер-база в схеме с
общим эмиттером при UЭК = const

Рис. 5. Зависимость тока базы от напряжения эмиттер-база

ПРИМЕР РАСЧЁТА

Проведём расчёт стабилизатора последовательного типа (рис. 6) со

следующими исходными данными:

Рис. 6. Типовая схема стабилизатора постоянного напряжения с

последовательным включением регулирующего транзистора

• - номинальное напряжение питающей сети U0 = 220 В;
• - частота f_c = 50 Гц;
• - пределы изменения напряжения сети ac = bc = 0,1;
• - номинальное выходное напряжение U_H = 12 В;
• - допустимые установочные отклонения Л U_H = ± 1 В;
• - номинальный том нагрузки 1н = 0,7 А;
• - пределы изменения тока нагрузке 1н min = 0,5 А и 1н _max = 1 А;
• - коэффициент стабилизации при изменении напряжения сети Кст > 500;
• - внутреннее сопротивление гн < 0,7 Ом;
• - амплитуда пульсации выходного напряжения U_H ~ < 3 мВ;
• - температура окружающей среды Тс max = 60^ОС, Тс min = — 10^ОС;
• - максимальный температурный уход напряжения 3 U_H.m. = 0,12 В;

д ин.доп. = 0,05 В.

• 1. Выбираем в качестве регулирующего элемента VT1 транзистор типа

KT817A с параметрами:

I K max = 3 А; U KЭ mах = 25 В; РK mах = 14 Вт;

h 21 Э min = 25, I KБ = 0 , 4 мА.

При заданном токе нагрузки I н max = 1 А принимаем напряжение
насыщения на транзисторе UКЭ нас = 3 В, а максимальный уровень пульсаций
входного напряжения Uп ~ = 0,15 В.

• 2. Определяем входное напряжение питания

Uп max = ⁽UКСнас 0 + Uп~ + Uн + ^Д Uп ⁾⁽¹ + ^ac ) /(1 - be ) =
= (3 + 015 +12,6 +1)(1 + 0,1) / (1 - 0,1) = 20,6 В;

Uп = Uп max / (1 + ae) = 20,6 / (1 + 0,1) = 18,5 В;

Uпmin = Un, (1 - be ) = 18,5 /(1 - 0,1) = 16,8 В.

Расчёт выпрямителя для получения требуемого напряжения питания Uп
и сглаживающего фильтра для получения пульсация Uп ~ производится при
заданном токе нагрузки I н max.

Максимальная мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе

Pm ax = (Unmax — Uh — ^ Uh ) 1нт ax = (20,6 — 12,6 — 1)‘ 1 = 7 В.
Т ma x п max н н н max

По входным в выходным характеристикам транзистора КТ817А
(см. рис. 2) определяем: UЭБ 2 = 0,8 В; ∆UЭБ 2 = 0,04 В; ∆UКЭ = 6 В;

µ Т 2 = ∆UКЭ / ∆UЭБ = 6 / 0,04 = 150;

h 11 Э 2 = ∆UЭБ / (I Б 2 – I Б 1) = 0,1 / (1,5 ∙ 10^-3 – 0,3 ∙ 10^-3) = 83 Ом.

Максимальные значения коллекторного тока, напряжения коллектор –
эмиттер (в момент включения) и рассеиваемой мощности для составного
транзистора VT1 соответственно равны:

Ik 1 = Iн max/h 21Э2 min = 1 / 25 = 0,04 А;

Uкэ 1 «Епmax = 20,6 В ;

Pk 1 = Pt max/h 21Э2 min = 7 / 25 = 0,28 Вт.

Рис. 7. Статические характеристики транзистора КТ817А:
а - входная; б - выходная

Выбираем в качестве составного транзистора КТ603Б с параметрами:

I K 1max = 0,3 А > 0,04 A; UKЭ 1max = 30 В > 20,6 В; PK 1max = 0,4 Вт (при

Тс max = 60^○С) > 0,28 Вт; UKЭ нас 1 = 0,25 В; h 21Э 1min = 60; UЭБ 1 = 0,7 В;

h 11Э 1 = 300 Ом; I KБ 01 = 0,03 мА; µ Т 1 = 600. Ток базы транзистора VT1
I Б 1 = I K 1 / h 21Э 1min = 0,04/60 = 0,7 мА.

• 4. Принимаем схему составного транзистора без вспомогательного
  источника питания (рис. 8,а). Минимальное напряжение на регулирующем
  элементе

икэнас = икэнас 1 + UЭБ2 = 0,25 + 08 = 1,05 В ^.

Уточняем значения напряжения питания, рассеиваемой на транзисторах
мощности, а также µ Т 22, h 11 э, по приведенным выше формулам:

Uп max = (1,05 + 0,15 +12,6 +1)(1 + 0,1)/ (1 - 0,1) = 18,1В;

Uн = 18,1(1 - 0,1) = 16,3 В; Uп min = 16,3 / (1 + 0,1) = 14,8 В;

Pk2 = (Uпmax - U_п - A Uн )I_пmax = (18,1 -12,6 -1)-1 / 25 = 4,5 Вт;

Рис. 8. Регулирующие составные транзисторы:

а – из двух транзисторов; б – из трёх транзисторов; в – с дополнительным

питанием для составного транзистора; г – с дополнительным питанием для
одного проходного транзистора; д – из двух транзисторов с различной
проводимостью; е – из двух транзисторов с различной проводимостью и

дополнительным питанием

PK1 (Uп max Uп ^ Uн UЭБ 2 ) Iн max / h 21Э 2 min

= (18,1-12,6-1 -0,8)-1 /25 = 015 Вт;

_ ^T1 ^T2

At 22 =

At 1 + At 2

150 - 600

150+600

® 120;

h 11Э = h 11Э1 + h 11Э 2 h 11Э1 min = 300 + 83 - 60 « 5,3 кОм;

riT =

^AT22 h 11Э

h 21 Э 1 min h 21 Э 2 min

120-5300

60 - 25

= 425 Ом.

• 5. Максимальное значение напряжения ивых. y равно

ивы У = Uн + Л Uн + Uэб 1 + Uэб 2 = 12.6 +1 + 0 >7 + 0,8 = 15,1 В.

• 6. Проводим расчёт цепи обратной связи

• а) выбираем стабилитрон типа Д818Б с параметрами:

ст. min

= 7,65 В; Ucm. max = 9 В; Icm. min

= 3 мА; Icm. max = 33 мА; Гдиф = 18 Ом;

а н = - 1,8 мВ/⁰С;

• б) принимаем

Едоп = 0,4( U + Л U) = 0,4(12,6 + 1) = 5,45 В;

Едоп + U + ЛU = 5,45 + 12,6 + 1) = 19,05 В > U_eba.y (U_eba.у = 15,1 В)

и выбираем в качестве VT3 транзистор КТ312Б с параметрами:

икэ з max = 35 В; Ik з max = 30 мА; атз = 2 мВ/⁰С; h 21 э 3 min = 25; иэБ з = 0,8 В;

ГЭ 3 = 50 Ом; ГЭБ 3 = 1 кОм; h 11 э 3 = 1 кОм; ^т 3 = 1000.

• в) принимаем коллекторный ток транзистора VT3 равным

Ik 3 max = 2,8 мА > 1б1 = 1_вых. у = 0,7 мА и вычисляем:

R 1 = (Едоп + U + Л U_H - U^. у) / (IK3 + 1вых. у) =

= (19,0 - 15,1)/(2,8 • 10-³ + 0,7 • 10-³) = 1,1;

R з =

и -ли -и
н н ст.max

cm.min IК 3

12,6 -1 - 9

3 -10—3 - 2,8 -10—3

= 13 кОм.

• г) определяем ток базы транзистора VT₃ и сопротивления резисторов
  делителя напряжения:

I

IБ 3 = К³ = 28 * 0,1 мА; 1дел = 10 1б 3 = 1 мА;

h 21 Э 3 min 25

ст. min ЭБ3

Rs — 7 \

⁵ Ide. (1+ ЛUн/Uн )

7,65 + 0,8
10^-3 (1 +1 /12,6)

* 7,2 кОм.

R 4 —

Uн ^-ЛUн ^{- U}cm.max ^- UЭБ3

^Ucm. max ⁺ U ЭБ 3

- R 5

12,6 -1 - 9 - 0,8

9 + 0,8

- 7,2 -10^-3

* 1,3 кОм.

R„ >U^-R. -R, =¹²⁶-1300 - 7200 = 4,1кОм.

P Iдел ⁴ 10^-3

Принимаем RP = 4,7 кОм.

• д) коэффициент передачи по напряжению

Uст. min h21 Э3minRk 7,65 25 -10³

к _н >---t\ =i; = 5,9;

Uн h 11Э 3 ⁺ h 21Э 3 min ^(гЭ 3 ^{+ г}диф ) ¹²,^{6 10 + 25}(⁵⁰ + ¹⁸)

где

R = ^Uвых. у = ^15,1 _ 22 кОм;

” Iвых. у 0,7 -10^-3

„ ^R1^R н 1,1-103 ■ 22-10³ . .

R к =-------=-----:-------7 ~ 1 кОм;

Ri + R _н 1,1-10³ + 22 -10³

• е) для повышения устойчивости КСН выбираем Сос = 0,1 мкФ.

Ёмкостное сопротивление на частоте 100 Гц равно

XC =

1

2n fCo_C

1

6,3 -100 ■ 0,1-10^-6

= 16 кОм.

Это сопротивление, образующее отрицательную обратную связь по
переменному напряжению, уменьшает коэффициент передачи Kн цепи
обратной связи на частоте 100 Гц не более чем в 2 раза, т.е. Kн ~ ≈ 3.

• 7. Определим значение Kст, rн, Uн ~ и ∆Eдоп (принимаем r0 = 2 Ом)

K_c =k K_H ^₂₂U^H = 5,9-120— = 550 > 500;
ст н T 22

U_п 16,3

r_T + r^ 425 + 2

r_H = —---0- = ^{425 + 2} = 0,6 Ом < 0,7 Ом;

^н Vt22 кн 120 - 5,9

^Uп~

U„ =-------

н~

^T 22 ^к н ~

-015- = 0,42 мВ < 3 мВ;
3-120

АЕдоп =8Uндоп Кн = 0,05 - 5,9 = 0,295В.

• 8. Определяем температурную нестабильность выходного напряжения

КСН, учитывая αн = 1,8 мВ/^○С, αн.Т = – 2 мВ/^○С, αн. д = – 1 мВ/^○С.

SU _{т +} = —---— (± a ± ^aH T ± ^aH dTcmax - T) =

н.т + -г -г н и н.т н.д / \ c max 0 /

U ст.min

= ^12,6 +¹ (1,8 - ₂ - 1)(60 - 20) = -2,13.10-3. 40 = -85 мВ < ₁₂₀м_В
7,65

SU_н._Т = 2,13-10^-3 (T_c + Тс min )= 2,13-10^-3 (20 +10) = 64 мВ < 120 мВ,

где αн.д – общий температурный коэффициент резисторов RP, R4, R3 делителя
напряжения.

Знак «минус» в полученном результате для δ Uн.Т + означает уменьшение
выходного напряжения с повышением температуры.

• 9. Вычисляем

R2

U_H -AU_H

нн

IКБ02

12,6 -1
0,4 Л0^-3

« 30 кОм.

• 10. Определяем номинальное и минимальное значение КПД
  стабилизатора:

U_HI_H 12,6 • 0,7

• n =----H_H---=--------------= 0,77.

UU + P_v 16,3 • 0,7 + 0,083

п н с. у

ⁿ min

⁽Uн ^AUн )Iн max (12,6 - 1)^1

==^

Uwmax Iнт+ P Pv 18,1^1 + 0,083
п max н max с. у

где

Pc. у ЧЕдоп + ^Uн ⁾⁽IБ1 ⁺ IK3 ) н ⁽IКБ 02 ⁺ Icm. min

_—

IK 3 ⁺ Iдел ) =

= (5,45 +12,6)(0,7 + 2,8) • 10^-3 +12,6 (0,4 + 3 - 2,8 +1) • 10^-3 « 83 мВт

– потребляемая схемой управления мощность.

Список литературы:

• 1. Белопольский И.И., Гейман Г.В., Краус Л.А. и др. Проектирование
  источников электропитания радиоаппаратуры. – М.: Энергия, 1967. – 304 с.
• 2. Белопольский И.И., Репин А.М. Христианов А.С. Стабилизаторы низких и
  милливольтных напряжений. – М.: Энергия, 1974. – 159 с.
• 3. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник /
  Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др. / Под ред. Г.С. Найвельта.
  – М.: Радио и связь, 1986. – 576 с., ил.
• 4. Источники вторичного электропитания / С.С. Букреев, В.А. Головацкий,
  Г.Н. Гулякевич и др. Под ред. Ю.И. Конева. – М.: Радио и связь, 1983. – 280
  с.
• 5. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник / В.Л. Аронов,
  А.В. Баюков, А.А. Зайцев и др. Под общ. Ред. Н.Н. Горюнова. – 2-е изд.,
  перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 904 с.
• 6. Справочник по полупроводниковым диодам и транзисторам. под ред.
  Н.Н. Горюнова, М.: Энергия, 1964. – 528 с.
• 7. Транзисторы / А.А. Чернышев, В.И. Иванов, В.Д. Галахов и др. / Под общей
  ред. А.А. Чернышева. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергия, 1980. – 144
  с.
• 8. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник /

К.М. Брежнева, Е.И. Гантман, Т.И. Давыдова и др. / Под ред.
Б.Л. Перельмана. – М.: Радио и связь, 1981. –656 с.

• 9. Цыкин Г.С. Электронные усилители, М.: Связь, 1965. – 513 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ. П2

Т эбл и ua 112-1

Параметры полупроводниковых приборов (элементов)

ГерМИмнение Диоды

• Диолы с бцплй .П* ингитт сЛритпуш пл периост».,
284

Параметры германиевых транзисторов, используемых
а полупроводниковых стабилизаторах напряжения

* Теи.-,свое сопротивление Я_г# ищу переходом и теплоотводом; без теплеет*
*0*1 fl_ft=IW грабит.

Параметры кремниевым транзисторов, используемых
в полупроводниковым стабилизаторах напряжения

Т а б л н и а Л 2-4
Параметры кремниевых ставил fit ромов

П р^должекил табл. П2~4

• Динамическое еопротяв «ни* указано ври тона* етабаиизяивя 5 ко—ли
ICIHJLXmA. дав—ДШ; Ю «а-ди Д81В; ЮТО ла-для ЛД15Д-В; 500 ла—
дм В15Г —Ж; 1ЭВ ла —дли Д*!«: 60 ла —д и Д817. 20930 и 2: ла-для ХОД
aCteo.

*• Стабилитроны с Дудко* „ГУ имеют обратную шмяриостъ.

Таблица 112-5

Схема иостроения обозначения
типа селенового выпрямителя

Таблица П2-7

Таблица П2-8

288

* ДтЯ нет Я ТМ1Й11 «П|ЦГЦС1ТПРО1 Су^мМ1 лип ИГуЛМЬИ JHl'lrilMik нгрг^шкй и
постоянной составляющих напряжения не до жив превышать мавлтмльмого напря-
жения.

Т я 6 л и ця 13-3

Конденсаторы оксидно-полупроводниковые типа К53-1

* Суим:> ЯМПЛИГУ ДИМС 1НЯЧГНИЙ пгргмсинпП II ПОСТОЯННО* СОСТИЯЛИЮШНХ НВ'
пряжения не до тжна превышать ноалилпаного напряжения.

390

ПРИЛОЖЕНИЕ П4

Таблица П44

Рез исто ри постоянные непроволочные

Таблица П4-2

Резисторы постоянные проволочные

Продолжена? mod л. 174-2

Таблица 114-3

Резисторы переменные

ПРИЛОЖЕНИЕ П$

Т а б л и ц л П5-1

Унифицированные дроссели фильтров

T i б л и u a 116-2

ПРИЛОЖЕНИЕ П-7

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ ТИРИСТОРОВ
Таблица П7-1

Допустимое напряжение переключения
н допустимое обратное напряжение

Т ай л и ц д П7-3

Параметры тиристоров

Примечания: I. Среднее значение шимжиумдоошоса тока при работе
ria омическую нагружу.

2. При естествен|*пм охлаждении.

3, При скорости ветре IS л/сек.

<■ Остаточно» напряжение леи Н1мренш на постоянно* ток*

5. То же при пропусками вомив* еьиога а качения среднего ток*.

ПРИЛОЖЕНИЕ П8

Таблица 118-1

Частоты отказов некоторых элементов,
используемых в аппаратуре электропитания

Средняя интен-

Н4ИИ1ШМИИ элементе*

Средняя янтги-
с малость птка*
«жх10“*. 1/«

СП . . 4 . ♦ > . ♦ ......
Конденсаторы электролитические . , .
Конденсаторы мсталлобумяжные . . .
Конденсаторы елкйайые .......
Присмо-усилительные лампы .....
Кенотроны низковольтные ......
Кенотроны высоковольтные ......
Тиратроны ....... 4 . . ' .

Стабилитроны газозарядные.....
Полупроводниковые аноды:
германиевые . . . . * .....
кремниевые ..........
Стабилитроны кремниевые ..,*.«
Транзисторы германиевые -.....
Транзисторы кремниевые.......
Селеновые выпрямительные столбы . .
Трансформаторы и дроссели вас ишемия
Дроссели..............
Реле и контакторы ..,,,.,*.

Кнопки и
Разъемы,
Контакты
Шйкм
Проводя

переключатели .
кабели .«4.

0,1—0,12
0,09—0,3

0,04

0,07

2,3—3,6
1,0

2.90—3,5

8,2—11

1,2-3.5

0.4—Т.4

0.28-2,5
0,5-1.0

0,4-1.9

0.9—4,0

0.17—0,5
0,26—0,47

0.1

од—и

I J—1.5
0.19
0.05
0,01
0,01

ПРИЛОЖЕНИЕ П9

Рекомендуемые значении выходных напряжении
к токов для источников электропитания

Таблица П9-1

Нашнальмм* аняпняя «.апраксия*, <

Примечания; J. Напряжения, указанные а скобках, не реко-
мендуются в применяются ТОЛЬКО В тех йнчгскя обоснован л ь>{ случаях.

X Местабклчяостъ ВЫХОДНЫХ напряжения a liiamcilMQrni ОТ техни
чеся». трсбымннп я нгухприиу ПИТвИЯЯ может соотпг-гетвпнять одному
и> эигмнмй 3 |; 0.3; 0,5; 1; ft 3; 5; 10% от мошмалыяоп катодного
непросты Отклонения могут ватта одностороннее в плюс rim минус
я двух сторонние еямметрнчпые.

11с.|Л|(,п л мшг цадфпця томе¹. ■

1гЯЫ№ WKCJ Цгжстмри» иич^иня округлгии.