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 U 2 bylo 10 V, přičemž maximální výstupní proud, který by měl být obvod schopen dodat je I 2 = 300 ma, referenční napětí U r = 5 V a I r = 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 = u 1 / u 2 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 U 2. Při větším odběru proudu zátěží nám poklesne výstupní napětí U 2. Jako následek poklesne napětí na odporech a R 4. Napětí na odporu R 4 se rovná napětí na bázi tranzistoru T 3. 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 T 1. Odpor přechodu emitor-baze tranzistoru T 1 se sníží a proud se zvýší. Tímto dojde ke kompenzaci poklesu výstupního napětí. Odporový dělič a R 4 sleduje změny výstupního napětí U 2. Na tyto změny reaguje tranzistor T 3, který odchylky napětí zesiluje. Jako zdroj referenčního napětí slouží zenerova dioda D 1 a odpor R 2.
4. Výpočet odporů v obvodu 4.1 Výpočet referenčního odporu R 2 Výstupní napětí tranzistoru T 2 se dělí mezi zenerovu diodu a odpor R 2. Proud zenerovou diodou D 1 je 5 ma. U R2 =U 2 U r =10 5=5V R 2 = U R2 I r = 5 5 10 3 =1 103 =1k 4.2. Výpočet odporů a R 4 Z druhého Kirhoffova zákona vypočítáme: U 2 =U r U BE U 2 R 4 R 4 U 2 = U r U BE R 4 R 4 U 2 = R 4 U r U BE 1 = 10 1=0,754 =0,8 R 4 5,7 4.3. Výpočet odporu R 1 Při maximálním zatížení by podle zadání měl být odebíraný proud být I max =300 ma a stabilizátor by měl stále držet 10V. Při překročení 300mA by mělo výstupní napětí klesat k nule. Napětí na R 1 je: U R1 =U CC 2U BE U 2 =15 2 0,7 10=3,6V Proudové zesílení Darlingtonova zapojení je = F F = F 2 Velikost odporu R1 je velmi přibližně : R 1 = U R1 F 2 I max = 3,6 1242 300 10 3 =185 k Ve výšše uvedeném vztahu nebereme potaz proud tekoucí tranzistorem T 3, proto je nutné odpor následně korigovat podle výsledků simulací.
5. Volba součástek Tranzistory T1, T2 - BD137 T3 - BC546B ( BF=124) Odpory R 1 = 185 k R 2 = 1 k = 2.2 k R 4 = 2.7 k Zenerova dioda D 1 BZV85 (BV=5V) K simulaci obvodu jsme použili program WinSpice. Zátěžová charakteristika má následující průběh: Obr 2. Zátěžová charakteristika pro R 1 = 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 R 1, můžeme snížením jeho hodnoty o 20 kω upravit průběh charakteristiky viz obrázek č. 3.
Obr 3. Zátěžová charakteristika pro R 1 = 165 kω Nyní již průběh charakteristiky odpovídá zadání. Upravená hodnota odporu R 1 je : R 1 =165k 6. Výstupní odpor Výpočet výstupního odporu provedeme v programu WinSpice pomocí příkazu TF. Výstupní odpor tedy je: R out = 0.66 7. Činitel stabilizace Činitel stabilizace můžeme vypočítat také za pomocí příkazu TF, jako převrácenou hodnotu přenosu obvodu: S = U 1 U 2 Iot [A] TF = ΔU 2 / ΔU 1 1/TF = ΔU 1 / ΔU 2 Iot [A] TF = ΔU 2 / ΔU 1 1/TF = du 1 / du 2 0.01 0.01334 74.94302 0.16 0.03119 32.06143 0.02 0.01390 71.91761 0.17 0.03416 29.27652 0.03 0.01449 69.02269 0.18 0.03796 26.34579 0.04 0.01511 66.18318 0.19 0.04294 23.28989 0.05 0.01578 63.36842 0.2 0.04880 20.49033 0.06 0.01651 60.56286 0.21 0.05690 17.57419 0.07 0.01731 57.75766 0.22 0.06899 14.49447 0.08 0.01820 54.95614 0.23 0.08617 11.60439 0.09 0.01917 52.16209 0.24 0.11423 8.75450 0.1 0.02028 49.29962 0.25 0.16597 6.02520 0.11 0.02152 46.45830 0.26 0.28044 3.56577 0.12 0.02288 43.70274 0.27 0.60045 1.66542 0.13 0.02447 40.85889 0.28 0.93750 1.06667 0.14 0.02635 37.95026 0.29 0.97982 1.02060 0.15 0.02853 35.05011 0.3 0.98162 1.01872
8. Návrh zlepšení Pro zlepšení parametrů obvodu můžeme přidat na výstup regulační tranzistor a odpor R 5 viz schéma zapojení. Při zvětšování proudu zátěží se zvětšuje proud odporem R 5 a také úbytek napětí na něm. Úbytek napětí na odporu R 5 se rovná úbytku napětí na regulačním tranzistoru T 4. Tranzistor T 4 se otevírá a způsobuje zavírání tranzistoru T 1. Hodnotu odporu R 5 lze přibližně vypočítat podle vztahu R 5 = 0,6 300 10 3=2 Hodnoty ostatních odporů jsou: R 1 =10k, R 2 = 40k, = 2.2k, R 4 =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