Выбор и обоснование схемы электрической принципиальной

Введение

В данной работе будет рассматриваться регулируемый стабилизатор напряжения. Стабилизатор напряжения - электрическое (электронное) устройство, имеющее вход и выход по напряжению, предназначенное для поддержания выходного напряжения в узких пределах, при существенном изменении входного напряжения и выходного тока нагрузки. Список решаемых задач данного стабилизатора довольно обширен — это и питание различных электронных схем, радиотехнических устройств, вентиляторов, двигателей и прочих устройств от электросети или других источников напряжения, например аккумулятора автомобиля. Наиболее распространены схемы, выполненные на LM317 с регулировкой напряжения.

 

 

Регулируемый стабилизатор напряжения можно использовать в лаборатории в качестве блока питания с диапазоном от 12 до 30 Вольт.
В данной работе будут описаны методы ремонта и диагностики стабилизатора напряжения на микросхеме LM317 с максимальным Uвых. 1,2 до 37 Вольт.. при Uвх. от 10 до 32 Вольт.

 

 

Несколько преимуществ этого стабилизатора:

 

- Наличие защиты от возможного короткого замыкания;

- Надежная защита микросхемы от перегрева;

- Погрешность выходного напряжения 0,1%;

- Возможность подачи на вход постоянного и переменного тока;

- Использование для электронного учебного оборудования;

- Изменяемое управление для высоких напряжений.

 

1.1 Анализ технического задания

В результате анализа технического задания и обсуждения различных вариантов возможного решения конструкции обосновывается целесообразность разработки документации избранного варианта изделия с технической точки зрения. Деталей и узлов, аналогичных разрабатываемому изделию, а также вновь созданные схемы, предварительные расчеты и тексты с выводами. Техническое предложение согласовывается с заказчиком, утверждается вышестоящими органами и после этого становится основой для разработки эскизного проекта.

 

Дипломное проектирование включает в себя анализ технического задания и на его основе выбор с системных позиций методики построения и путей реализации изготовление прибора; связано с анализом блоков РЭА; заключается в разработке функциональных и принципиальных схем. Здесь определяют принципы функционирования и важнейшие параметры и характеристики РЭА.

Проектирование технологических процессов начинается с анализа технического задания на проектирование, включающее следующие элементы: рабочий чертеж детали с техническими условиями или сборочный чертеж узла с условиями приемки, программу выпуска и другие условия.

Разработка документов осуществляется на основании различных вариантов возможных решений, сравнительной оценки этих решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей изделий, анализа существующих изделий подобного типа и имеющихся материалов.

 

На данном этапе необходимо установить назначение разработки, его параметры, а также определить все комплектующие элементы, входящие в состав устройства.

Таблица 1 - Характеристики стабилизатора напряжения

 

Сила тока, Ампер
Входное напряжение, Вольт
Выходное напряжение, Вольт	4 - 22 ± 5%; аппроксимация синусоиды.
КПД, %
Температурная защита, °C	60 ± 10
Защита от перегрузки на выходе. Выходная мощность, Ватт
Защита от перегрузки на выходе.
Защита от короткого замыкания. Охлаждение.

 

Чтобы проанализировать техническое задание, данное для выпускной квалификационной работы, необходимо установить не только электрические, но и физические показатели преобразователя напряжения.

 

Темой для выполнения выпускной квалификационной работы был взят регулируемый стабилизатор напряжения на интегральной микросхеме LM317. При выполнение данной работы была произведена разработка, конструирование, диагностика данного прибора.

Стабилизатор напряжения - электрическое (электронное) устройство, имеющее вход и выход по напряжению, предназначенное для поддержания выходного напряжения в узких пределах, при существенном изменении входного напряжения и выходного тока нагрузки.

 

Список решаемых задач данного стабилизатора довольно обширен — это и питание различных электронных схем, радиотехнических устройств, вентиляторов, двигателей и прочих устройств от электросети или других источников напряжения, например аккумулятора автомобиля.

Наиболее распространены схемы, выполненные на LM317 с регулировкой напряжения.

 

Регулируемый стабилизатор напряжения можно использовать в лаборатории в качестве блока питания с диапазоном от 12 до 30 Вольт.

 

Стабилизатор вырабатывает напряжение от 0 до 36 Вольт, которое можно изменять с шагом 1 Вольт. Максимальный ток нагрузки – 1 Ампер, при его превышении узел защиты отключает нагрузку. В случае необходимости порог срабатывания узла токовой защиты может быть увеличен. Напряжение питания стабилизатора может быть не стабилизированным, его значение с учетом пульсаций должно оставаться в пределах 18...25 Вольт при изменении тока нагрузки от нуля до максимального значения.

 

 

Введение

В данной работе будет рассматриваться регулируемый стабилизатор напряжения. Стабилизатор напряжения - электрическое (электронное) устройство, имеющее вход и выход по напряжению, предназначенное для поддержания выходного напряжения в узких пределах, при существенном изменении входного напряжения и выходного тока нагрузки. Список решаемых задач данного стабилизатора довольно обширен — это и питание различных электронных схем, радиотехнических устройств, вентиляторов, двигателей и прочих устройств от электросети или других источников напряжения, например аккумулятора автомобиля. Наиболее распространены схемы, выполненные на LM317 с регулировкой напряжения.

 

 

Регулируемый стабилизатор напряжения можно использовать в лаборатории в качестве блока питания с диапазоном от 12 до 30 Вольт.
В данной работе будут описаны методы ремонта и диагностики стабилизатора напряжения на микросхеме LM317 с максимальным Uвых. 1,2 до 37 Вольт.. при Uвх. от 10 до 32 Вольт.

 

 

Несколько преимуществ этого стабилизатора:

 

- Наличие защиты от возможного короткого замыкания;

- Надежная защита микросхемы от перегрева;

- Погрешность выходного напряжения 0,1%;

- Возможность подачи на вход постоянного и переменного тока;

- Использование для электронного учебного оборудования;

- Изменяемое управление для высоких напряжений.

 

1.1 Анализ технического задания

В результате анализа технического задания и обсуждения различных вариантов возможного решения конструкции обосновывается целесообразность разработки документации избранного варианта изделия с технической точки зрения. Деталей и узлов, аналогичных разрабатываемому изделию, а также вновь созданные схемы, предварительные расчеты и тексты с выводами. Техническое предложение согласовывается с заказчиком, утверждается вышестоящими органами и после этого становится основой для разработки эскизного проекта.

 

Дипломное проектирование включает в себя анализ технического задания и на его основе выбор с системных позиций методики построения и путей реализации изготовление прибора; связано с анализом блоков РЭА; заключается в разработке функциональных и принципиальных схем. Здесь определяют принципы функционирования и важнейшие параметры и характеристики РЭА.

Проектирование технологических процессов начинается с анализа технического задания на проектирование, включающее следующие элементы: рабочий чертеж детали с техническими условиями или сборочный чертеж узла с условиями приемки, программу выпуска и другие условия.

Разработка документов осуществляется на основании различных вариантов возможных решений, сравнительной оценки этих решений с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей изделий, анализа существующих изделий подобного типа и имеющихся материалов.

 

На данном этапе необходимо установить назначение разработки, его параметры, а также определить все комплектующие элементы, входящие в состав устройства.

Таблица 1 - Характеристики стабилизатора напряжения

 

Сила тока, Ампер
Входное напряжение, Вольт
Выходное напряжение, Вольт	4 - 22 ± 5%; аппроксимация синусоиды.
КПД, %
Температурная защита, °C	60 ± 10
Защита от перегрузки на выходе. Выходная мощность, Ватт
Защита от перегрузки на выходе.
Защита от короткого замыкания. Охлаждение.

 

Чтобы проанализировать техническое задание, данное для выпускной квалификационной работы, необходимо установить не только электрические, но и физические показатели преобразователя напряжения.

 

Темой для выполнения выпускной квалификационной работы был взят регулируемый стабилизатор напряжения на интегральной микросхеме LM317. При выполнение данной работы была произведена разработка, конструирование, диагностика данного прибора.

Стабилизатор напряжения - электрическое (электронное) устройство, имеющее вход и выход по напряжению, предназначенное для поддержания выходного напряжения в узких пределах, при существенном изменении входного напряжения и выходного тока нагрузки.

 

Список решаемых задач данного стабилизатора довольно обширен — это и питание различных электронных схем, радиотехнических устройств, вентиляторов, двигателей и прочих устройств от электросети или других источников напряжения, например аккумулятора автомобиля.

Наиболее распространены схемы, выполненные на LM317 с регулировкой напряжения.

 

Регулируемый стабилизатор напряжения можно использовать в лаборатории в качестве блока питания с диапазоном от 12 до 30 Вольт.

 

Стабилизатор вырабатывает напряжение от 0 до 36 Вольт, которое можно изменять с шагом 1 Вольт. Максимальный ток нагрузки – 1 Ампер, при его превышении узел защиты отключает нагрузку. В случае необходимости порог срабатывания узла токовой защиты может быть увеличен. Напряжение питания стабилизатора может быть не стабилизированным, его значение с учетом пульсаций должно оставаться в пределах 18...25 Вольт при изменении тока нагрузки от нуля до максимального значения.

 

 

Выбор и обоснование схемы электрической принципиальной

Важнейшим условием нормальной работы радиоустройств является стабильность питающего напряжения.

Причиной нестабильности питающего напряжения являются в основном колебания напряжения питающей сети и изменение нагрузки на выходе выпрямительного устройства. Дестабилизирующими факторами могут быть также температура окружающей среды, частота напряжения сети и др.

Качество работы стабилизатора характеризуется коэффициентами стабилизации, которые показывают, во сколько раз относительное изменение выходного напряжения (тока) меньше относительного изменения входного напряжения (тока).

Коэффициент стабилизации по напряжению

1)

 

Ниже в целях упрощения К_СТU обозначается K _СТ.

2)

Важным параметром стабилизаторов является температурный коэффициент по напряжению ТКН или γ_н, который характеризует изменение выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды при неизменном входном напряжении и токе нагрузки (U _BХ==const; I _Н = const), т, е.

3)

 

 

В зависимости от рода стабилизируемого напряжения или тока стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока). В зависимости от метода стабилизации они подразделяются на параметрические, компенсационные и импульсные.

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Параметрические стабилизаторы применяются как в цепях переменного, так и цепях постоянного тока. Принцип их действия основан на использовании элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой (ВАХ). На рис. 1,а приведена структурная схема параметрического стабилизатора, который состоит из двух элементов: линейного 1 и нелинейного 2. На рис. 1,б показаны ВАХ линейного элемента (U ₁), нелинейного элемента (U ₂)и всей схемы (U _ВХ). Из этих характеристик видно, что при изменении входного напряжения на ∆UВХ большая часть этого изменения напряжения приходится на долю линейного элемента 1 (∆U1), а на нелинейном элементе 2, и следовательно, на нагрузке напряжение изменяется незначительно (∆UВЫХ). Указанное перераспределение напряжения между линейным и нелинейным элементами объясняется тем, что в области стабилизации крутизна ВАХ нелинейного элемента 1 значительно меньше крутизны ВАХ линейного элемента 2(рис. 1, б).

 

 

Рисунок 1 – Структурная схема параметрического стабилизатора

Рисунок 2 - Вольт-амперные характеристики параметрического стабилизатора

В параметрических стабилизаторах постоянного напряжения в качестве линейных элементов используются резисторы, а в качестве нелинейных элементов — полупроводниковые (кремниевые) стабилитроны.

Кремниевые стабилитроны представляют собой плоскостные диоды, изготовленные по особой технологии.

 

 

В отличие от обычных диодов кремниевые стабилитроны работают на обратной ветви ВАХ в области электрического пробоя, где незначительное увеличение напряжения вызывает существенное увеличение тока через стабилитрон (рис. 2, а). При электрическом пробое стабилитрон сохраняет работоспособность, если ток не превысит предельного значения (I _{СТ тах} ).Таким образом, включая стабилитрон в обратном направлении, можно при значительном изменении тока (от I _{СТ тiп} до I _{СТ max} ) получить на нем практически постоянное напряжение (U _СТ).

 

Рисунок 3 - Вольт-амперные характеристики стабилитрона (а),

стабистора (б) и схема стабилизатора на стабилитроне (в)

 

Кремниевые стабилитроны выпускаются с напряжением стабилизации от единиц до сотен вольт и с ТКН от —6 до +288 мВ/°С и выше. При выборе типа стабилитрона в целях получения наиболее точной стабилизации напряжения следует отдать предпочтение стабилитронам, которые имеют наименьший температурный коэффициент напряжения ТКН и небольшое дифференциальное сопротивление r _СТ (отношение приращения напряжения стабилизации к приращению тока через стабилитрон).

 

При увеличении коэффициента стабилизации K _стприменяют каскадное включение стабилитронов, однако при этом резко уменьшается КПД стабилизатора.

 

 

Параметры кремниевых стабилитронов изменяются при повышении температуры окружающей среды, и в частности при этом увеличивается напряжение

стабилизации U _ст. Таким образом, температурный коэффициент напряжения ТКН (3) стабилизатора на кремниевом стабилитроне положителен. Включение последовательно со стабилитроном элементов с отрицательным ТКН позволяет уменьшить влияние температуры на коэффициент стабилизации K _ст схемы. В качестве термокомпенсирующего элемента используются также обычные полупроводниковые диоды или кремниевые стабилитроны, включаемые в прямом направлении (рис.3).

 

Поскольку стабилитрон, включенный в прямом направлении, имеет отрицательный ТКН, он также может использоваться в качестве термокомпенсирующего элемента.

Рисунок 4 - Параметрические стабилизаторы с термокомпенсацией:

а — однокаскадный; б — двухкаскадный

Для получения напряжения большего, чем допускают параметры одного стабилитрона, используется их последовательное соединение.

 

Параметрические стабилизаторы имеют очень низкий коэффициент полезного действия и способны работать только при малых токах нагрузки, поэтому в основном применяются лишь в качестве опорных источников для более мощных стабилизаторов различных видов.

Интегральные источника опорного напряжения (ИОН)

За рубежом при построении прецизионных термостабильных источников опорного напряжения широко используется схема источника опорного напряжения, определяемого шириной запорного слоя pn-перехода. По этому принципу (в зарубежных источниках он носит название «Bandgap») построены, например, микросхемы AD580, AD581, AD680, REF-01, REF-02, REF-05, REF-10 и др. Они имеют температурный коэффициент выходного напряжения в пределах от 2 до 50 ppm/⁰C (ppm - past per million - переводится «часть от миллиона» и соответствует множителю 10^-6).

Рис. 5 Структурная схема микросхемы AD580

Рассмотрим внутреннюю схему микросхемы AD580, представленную на Рис.4. Схема содержит ОУ который позволяет получить необходимое выходное напряжение и, кроме того, является буферным усилителем.

 

Ядром микросхемы являются два транзистора VT2 и VT1, с одинаковыми токами в коллекторах. Эмиттеры этих транзисторов имеют разную площадь (в соотношении 8:1) и, как результат этого, различная плотность токов эмиттеров:

4)

 

Токи коллекторов поддерживаются равными через цепь обратной связи с выхода ОУ через резисторы R4, R5 на базы транзисторов VT1 и VT2 (т.к. R8=R7). Разность напряжений эмиттерных переходов транзисторов VT1 и VT2, образованная различием плотностей тока, приложена к резистору R2 и ток протекающий через него определяется выражением:

5)

 

Через резистор R1 протекает ток в два раза больший и напряжение на нем U₁ определяется выражением:

6)

 

U₁ последовательно с напряжением U_БЭ1 определяет напряжение U_Z:

7)

 

 

Как видно из последнего выражения подбором отношения резисторов R1 и R2 можно получить нулевой температурный коэффициент (т.к. температурный коэффициент базо-эмиттерного напряжения отрицательный, а напряжение U₁ прямо пропорционально зависит от температуры).

Делитель в цепи обратной связи (резисторы R4 и R5 с лазерной подгонкой) позволяет получить требуемое значение выходного напряжения, например 2.5В.

Интегральные источники опорного напряжения выпускаются в виде отдельных микросхем или в составе других микросхем. С целью повышения стабильности микросхемы ИОН часто изготавливают со встроенным термостатированным.

Термостатирование - это поддержание температуры элементов схемы постоянной. В источнике опорного напряжения с тепловой стабилизацией температура поддерживается на постоянном уровне. В результате чего выходное напряжение практически не зависит от внешней температуры и можно получить температурный коэффициент меньше чем 10^-6 1/⁰С.

 

 

Схема температурной стабилизации и схема источника опорного напряжения размещается на одном кристалле кремния, поэтому между ними существует хороший тепловой контакт вследствие высокой теплопроводности кремния и малых размеров кристалла. Во всех источниках опорного напряжения с тепловой стабилизацией температуру кристалла поддерживают выше внешней температуры с помощью нагревательного элемента (резистор), пропуская по нему ток. Температура контролируется датчиком, сигналом которого цепь отрицательной обратной связи регулирует ток нагрева с целью стабилизации температуры. Обычно поддерживают температуру кристалла примерно от 90 до 100 ⁰С.

 

 

Параметрические стабилизаторы переменного напряжения

Онивыполняются по структурной схеме рис. 1, а, при этом используются линейные и нелинейные реактивные элементы. В качестве линейных элементов используются ненасыщенные дроссели и конденсаторы, а в качестве нелинейных элементов — насыщенные дроссели.

Эти стабилизаторы весьма просты, однако они имеют ряд недостатков, ограничивающих их применение. К ним относятся:

невысокий коэффициент стабилизации (не превышающий 10);

зависимость стабилизированного напряжения от вида нагрузки и от изменения частоты питающей сети;

существенные искажения синусоидальности выходного напряжения;

низкий КПД (40—60%) и небольшое значение коэффициента мощности (0,6).

Более широкое применение получили феррорезонансные стабилизаторы напряжения с использованием резонанса токов и напряжений.

В феррорезонансных стабилизаторах с использованием резонанса напряжений коэффициент стабилизации зависит от частоты питающей сети в гораздо большей степени, чем у стабилизаторов с резонансом токов.

 

 

Данная схема (Рис.6) была взята под разработку данного стабилизатора по причине своей простоты в работе и использовании.

 

Рисунок 6 - Электрическая принципиальная схема устройства.

Схема состоит из блоков, таких как:

 

- Источник питания;

- Диодный мост;

- Сглаживающий фильтр;

- Блок управления;

- Защита от КЗ и перегрева;

- Усилитель;

- Нагрузка.

Согласно схеме электрической принципиальной (Рис 1.) Переменное напряжения подается с внешнего источника питания (24 Вольт) на вход XS1, дальше оно поступает на диодный мост, состоящий из четырех выпрямительных диодов VD1-VD4. После этого постоянное напряжения поступает на конденсатор C1-С2 разной емкости, предназначенные как фильтр для сглаживания пульсаций тока. После этого….

 

 

Главный принцип работы заключается в том, что при замыкании регулирующего элемента электроэнергия накапливается в интегрирующем элементе. Это накопление наблюдается повышением напряжения. После того, когда регулирующий элемент отключается, т.е. размыкает линию подачи электричества, интегрирующий компонент отдает электричество, постепенно снижая величину напряжения. Благодаря такому способу работы импульсное стабилизационное устройство не тратит большого количества энергии и может иметь небольшие габариты.

Регулирующий элемент может представлять собой тиристор, биполярный транзистор или полевой транзистор. В качестве интегрирующего элемента могут использоваться конденсатор.

 

Устройство, разработанное по данной схеме (Рисунок 6) может использоваться в качестве лабораторного блока питания со стабилизацией по напряжения и току.

 

В случае отказа одного из блоков или в случае, когда неисправен один из элементов, произвести диагностику с последующим ремонтом не составит труда.

 

 

Существует множество схем для выполнения стабилизатора напряжения:

Рисунок 7 - Стабилизатор на LM317 с током 3 Ампера.

 

 

Вариант стабилизатора тока на 3Ампер сделан на транзисторе КТ818, амперы в нагрузке регулируются, и рассчитывается во всех схемах одинаково.

 

Рисунок 3. Стабилизатор тока до 10 Ампер.

Если количество Ампер требуется более 1,5Ампер, то в стандартную схему надо добавить пару элементов. Можно получить до 10Ампер, установив мощный транзистор KT825A и резистор на 10ом.

 

Схема стабилизатора в данной работе была использована в силу своей надежности и простоты, а подходящим входным и выходным характеристикам.