SEMESTRÁLNÍ PRÁCE Z X31EOS Zpětnovazební stabilizátor napětí
Daniel Tureček Po-11:00
1. Zadání Zapojení stabilizátoru je uvedeno na obrázku. Navrhněte velikosti všech rezistorů tak, aby výstupní napětí U2 bylo 10 V, přičemž maximální výstupní proud, který by měl být obvod schopen dodat je I2 = 300 mA, referenční napětí Ur = 5 V a Ir = 5 mA. Zvolte také vhodné typy tranzistorů. Navržené zapojení analyzujte pomocí programu WinSpice. Modely bipolárních tranzistorů volte podle použitých typů. Analyzujte zatěžovací charakteristiku zdroje a určete činitel stabilizace ∆S = ∆u1 /∆u2 pro celý rozsah zatěžovacích proudů. Dále určete hodnotu výstupního odporu stabilizátoru. Proveďte rozbor dosažených výsledků, případně návrh změn vedoucích ke zlepšení uvedených parametrů. Poznámka: Vlastnosti zdroje lze dobře analyzovat stejnosměrnou analýzou, při zatížení stabilizátoru proudovým zdrojem. Výstupní odpor je pak možné odečíst přímo ze zatěžovací charakteristiky nebo jej lze určit pomocí příkazu TF, kterým je možné jednoduše zjistit i činitel stabilizace.
2. Schéma zapojení
Obr 1. Shéma obvodu
3. Funkce obvodu Funkcí obvodu je stabilizace výstupního napětí U2. Při větším odběru proudu zátěží nám poklesne výstupní napětí U2. Jako následek poklesne napětí na odporech R 3 a R4. Napětí na odporu R4 se rovná napětí na bázi tranzistoru T3. Při poklesu tohoto napětí se zvýší odpor přechodu emitor-kolektor, sníží se kolektorový proud tranzistoru a zvýší jeho kolektorové napětí. Toto napětí odpovídá napětí na bázi tranzistoru T1. Odpor přechodu emitor-baze tranzistoru T1 se sníží a proud se zvýší. Tímto dojde ke kompenzaci poklesu výstupního napětí. Odporový dělič R3 a R4 sleduje změny výstupního napětí U2. Na tyto změny reaguje tranzistor T3, který odchylky napětí zesiluje. Jako zdroj referenčního napětí slouží zenerova dioda D 1 a odpor R2.
4. Výpočet odporů v obvodu 4.1 Výpočet referenčního odporu R 2 Výstupní napětí tranzistoru T2 se dělí mezi zenerovu diodu a odpor R2. Proud zenerovou diodou D1 je 5 mA.
U R2 =U 2−U r =10−5=5V R2 =
U R2 5 3 = =1⋅10 =1k I r 5⋅10−3
4.2. Výpočet odporů R 3 a R4 Z druhého Kirhoffova zákona vypočítáme:
U 2=U r U BE U 2 U 2= U r U BE
R4 R3 R4
R 3 R 4 R4
R3 U2 = −1 R4 U r U BE
R3 10 = −1=0,754 =˙ 0,8 R4 5,7
4.3. Výpočet odporu R 1 Při maximálním zatížení by podle zadání měl být odebíraný proud být Imax=300 mA a stabilizátor by měl stále držet 10V. Při překročení 300mA by mělo výstupní napětí klesat k nule. Napětí na R1 je:
U R1 =U CC −2UBE −U 2=15−2⋅0,7−10=3,6 V Proudové zesílení Darlingtonova zapojení je 2
=F F = F Velikost odporu R1 je velmi přibližně : 2
U R1⋅F 3,6⋅124 2 R1= = = 185 k −3 ˙ I max 300⋅10 Ve výšše uvedeném vztahu nebereme potaz proud tekoucí tranzistorem T3, proto je nutné odpor následně korigovat podle výsledků simulací.
5. Volba součástek ●
●
●
Tranzistory ○
T1, T2 - BD137
○
T3 - BC546B ( BF=124)
Odpory ○
R1 = 185 k
○
R2 = 1 k
○
R3 = 2.2 k
○
R4 = 2.7 k
Zenerova dioda ○
D1 BZV85 (BV=5V)
K simulaci obvodu jsme použili program WinSpice. Zátěžová charakteristika má následující průběh:
Obr 2. Zátěžová charakteristika pro R1 = 185 kΩ
Z obrázku je patrné, že napětí klesá již při výstupním proudu 280 mA. My však potřebujeme, aby stabilizátor držel napětí do výstupního proudu 300mA. Jelikož lze maximální výstupní proud snadno nastavit pomocí odporu R1, můžeme snížením jeho hodnoty o 20 kΩ upravit průběh charakteristiky – viz obrázek č. 3.
Obr 3. Zátěžová charakteristika pro R1 = 165 kΩ
Nyní již průběh charakteristiky odpovídá zadání. Upravená hodnota odporu R1 je :
R1=165k 6. Výstupní odpor Výpočet výstupního odporu provedeme v programu WinSpice pomocí příkazu TF. Výstupní odpor tedy je:
Rout =˙ 0.66 7. Činitel stabilizace Činitel stabilizace můžeme vypočítat také za pomocí příkazu TF, jako převrácenou hodnotu přenosu obvodu:
S = Iot [A] 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15
TF = ΔU2 / ΔU1 0.01334 0.01390 0.01449 0.01511 0.01578 0.01651 0.01731 0.01820 0.01917 0.02028 0.02152 0.02288 0.02447 0.02635 0.02853
1/TF = ΔU1 / ΔU2 74.94302 71.91761 69.02269 66.18318 63.36842 60.56286 57.75766 54.95614 52.16209 49.29962 46.45830 43.70274 40.85889 37.95026 35.05011
U 1 U 2 TF = ΔU2 / ΔU1 Iot [A] 0.16 0.03119 0.17 0.03416 0.18 0.03796 0.19 0.04294 0.2 0.04880 0.21 0.05690 0.22 0.06899 0.23 0.08617 0.24 0.11423 0.25 0.16597 0.26 0.28044 0.27 0.60045 0.28 0.93750 0.29 0.97982 0.3 0.98162
1/TF = dU1 / dU2 32.06143 29.27652 26.34579 23.28989 20.49033 17.57419 14.49447 11.60439 8.75450 6.02520 3.56577 1.66542 1.06667 1.02060 1.01872
8. Návrh zlepšení Pro zlepšení parametrů obvodu můžeme přidat na výstup regulační tranzistor a odpor R5 viz schéma zapojení. Při zvětšování proudu zátěží se zvětšuje proud odporem R5 a také úbytek napětí na něm. Úbytek napětí na odporu R5 se rovná úbytku napětí na regulačním tranzistoru T4. Tranzistor T4 se otevírá a způsobuje zavírání tranzistoru T1. Hodnotu odporu R5 lze přibližně vypočítat podle vztahu
R 5=
0,6 =2 −3 300⋅10
Hodnoty ostatních odporů jsou: R1=10k, R2 = 40k, R3 = 2.2k, R4=2.7k
Obr 4. Schéma upraveného obvodu
Obr 5. Zátěžová charakteristika pro upravený obvod
V tomto případě lze pozorovat výrazné zlepšení. Stabilizátor drží napětí 10V do 300mA a poté napětí strmě klesá k nule, kterou dosáhne přibližně v 320mA.
8. Zdrojový kód v programu WinSpice *semestral project EOS vin 1 0 15 Q1 1 3 4 BD137 Q2 1 4 2 BD137 Q3 3 5 6 BC546B D1 0 6 BZV85 R1 1 3 185k R2 2 6 1k R3 2 5 2.2k R4 5 0 2.7k iot 2 21 10u vp 21 0 0 .model BC546B NPN (IS =1.8E-14 ISE=5.0E-14 NF =.9955 NE =1.46 BF =400 BR =35.5 IKF=.14 IKR=.03 ISC=1.72E-13 NC =1.27 NR =1.005 RB =.56 RE =.6 RC =.25 VAF=80 VAR=12.5 CJE=13E-12 TF =.64E-9 CJC=4E-12 TR =50.72E-9 VJC=.54 MJC=.33) .model BD137 NPN(IS = 4.815E-14 NF = 0.9897 ISE = 1.389E-14 NE = 1.6 BF = 124.2 IKF = 1.6 VAF = 222 NR = 0.9895 ISC = 1.295E-13 NC = 1.183 BR = 13.26 IKR = 0.29 VAR = 81.4 RB = 0.5 IRB = 1E-06 RBM = 0.5 RE = 0.165 RC = 0.096 XTB = 0 EG = 1.11 XTI = 3 CJE = 1.243E-10 VJE = 0.7313 MJE = 0.3476 TF = 6.478E-10 XTF = 29 VTF = 2.648 ITF = 3.35 PTF = 0 CJC = 3.04E-11 VJC = 0.5642 MJC = 0.4371 TR = 1E-32 CJS = 0 VJS = 0.75 MJS = 0.333 FC = 0.9359 ) .model BZV85 D (IS = 9.1e-09 RS = 0.719 CJO = 5.139e-10 VJ = 0.3905 TT = 5e-09 M = 0.6679 BV = 5.0 IBV = 0.045 N = 1.11 EG = 1.11 XTI = 3 KF = 0 AF = 1 FC = 0.06472 TNOM = 27 ) .control set maxplots = 1 op dc iot 0 1000m 10m plot v(2) vs i(vp) xlimit 0 1000m ylimit 0 10.1 title Zatezovaci_charakteristika print i(vp) tf v(2) vin print all .endc .end
