close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

do 30 Влад курсак

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА
УКРАИНЫ
ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
КУРСОВАЯ РАБОТА
по курсу «Электроника и микросхемотехника»
на тему «Проектирование источника
вторичного электропитания»
Вариант 21
Выполнил
студент гр. АКТ-10
Федосеев В.А.
Проверил
канд. техн. наук, доц.
Баранов А.Н.
Алчевск, 2012
2
Календарный план
№
Наименование этапов курсового
п/п
проекта
1
Обзор существующих схемных
решений
для
источников
разработка
Примечание
построения
питания.
технического
Срок выполнения
Анализ
задания
структурной
и
1-3 неделя
схемы
источника питания
2
Расчет стабилизатора напряжения
4-5 неделя
3
Расчет выпрямителей
6-7 неделя
4
Расчет трансформатора
8-9 неделя
5
Расчет узлов индикации.
Выбор сетевого выключателя и
10-11 неделя
предохранителя
6
Составление, оформление и сдача
12-13 неделя
отчета
7
Защита
Студент_______
Руководитель:__________
Дата «__»_________________2012г.
14-17 неделя
ст.гр. АКТ- 10 Федосеев В.А.
доц. каф. Баранов А. Н.
3
ЗАДАНИЕ
для выполнения курсовой работы
по курсу «Электроника и микросхемотехника»
на тему «Разработка источника питания»
Разработать
двухканальный
источник
питания
радиоэлектронной
аппаратуры.
Параметры питающей сети:
–сеть однофазная;
–номинальное напряжение сети, U1 =220 В ±10%;
–частота напряжения сети, f=50 Гц.
Параметры первого канала:
– компенсационный стабилизатор напряжения;
– выходное напряжение, UН1= 30 В;
– диапазон изменения тока нагрузки, 0 – IН1= 3А;
– схема выпрямления мостовая;
– отклонение выходного напряжения, ΔUН1=±0,5%;
– защита от перегрузки по току нагрузки.
Параметры второго канала:
– не стабилизированный;
– выходное напряжение, UН2= 310В;
– ток нагрузки, IН2= 0.09 А;
– амплитуда пульсаций основной гармоники, КП = 0.05∙UН2;
– схема выпрямления нулевая.
4
РЕФЕРАТ
Пояснительная записка содержит 7 разделов, 17 рисунков, 73 формулу,
12 литературных источников, графическая часть 1 лист.
В курсовом проекте приведены выбор и расчет стабилизированного
источника питания. Структурная схема выбрана на основе рекомендаций
литературных источников, приведена принципиальная схема источника
электропитания и выполнен ее расчет, параметры расчетного устройства
соответствуют заданным данным.
Целью курсового проекта является разработка и
проектирование
источника вторичного электропитания, для радиоэлектронной аппаратуры,
которая питается от источника переменного напряжения.
Современные электрические приборы автоматики предъявляют весьма
жесткие требования к качеству потребляемой ими электрической энергии.
Поэтому прогресс в автоматике и радиоэлектронике обусловливает бурное
развитие источников питания (радиоэлектронных устройств, предназначенных
для обеспечения различных устройств электрическим питанием).
Актуальность
разработки
современных
средств
электропитания
обусловливает необходимость дальнейшего более глубокого изучения данной
области электронной техники.
ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ,
СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ,
РЕГУЛИРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ,
ИСТОЧНИК ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ,
УЗЛЫ ИНДИКАЦИИ
5
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….5
1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ
ПОСТРОЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ…………………………………..8
2. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ И РАЗРАБОТКА
СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ……………………….15
3. РАСЧЕТ СТАБИЛИЗАТОРА ПЕРВОГО КАНАЛА…………………………20
3.1. Расчет регулирующего элемента20
3.2. Расчет источника опорного напряжения22
3.3. Расчет делителя выходного напряжения23
3.4. Расчет усилителя сигнала рассогласования24
3.5. Расчет токостабилизирующего двухполюсника25
3.6. Расчет схемы защиты от перегрузки по току27
4. РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
29
4.1. Расчет схемы выпрямления первого канала29
4.2.Расчет схемы фильтра первого канала29
4.3.Расчет схемы выпрямления второго канала30
4.4.Расчет схемы фильтра второго канала31
5. РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА33
6. РАСЧЕТ УЗЛОВ ИНДИКАЦИИ36
7. ВЫБОР СЕТЕВОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ И ПРЕДОХРАНИТЕЛЯ37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ38
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК40
Приложение А. Полная электрическая принципиальная схема источника
питания
Приложение Б. Перечень элементов схемы
6
ВВЕДЕНИЕ
Научно технический прогресс в значительной мере связан с развитием
радиотехники и электроники. В таких далёких от радиотехники областях, как
медицина, транспорт, сельское хозяйство, строительство и другие, невозможно
добиться новых достижений и дальнейшего повышения производительности
труда без широкого внедрения радиоэлектроники, средств импульсной,
вычислительной и измерительной техники. Этим определяется высокий
интерес к полупроводниковой схемотехнике, особенно прикладной.
Целью курсового проектирования является разработка двухканального
источника вторичного электропитания (ИВЭП). С заданными определенными
параметрами, током и напряжением на нагрузке.
Поставленная цель потребовала решения задач:
 разработка функциональной схемы ИВЭП;
 разработка структурной схемы стабилизатора;
 разработка принципиальной схемы стабилизатора;
 расчет параметров элементов принципиальной схемы.
Средства, которые использовались при решении задач:
 приложение Microsoft Word 2003;
 калькулятор.
7
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ
ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
1.1 Классификация средств электропитания
Все средства электропитания можно разделить на первичные и вторичные. К
первичным обычно относят такие средства, которые преобразуют неэлектрическую
энергию в электрическую, например, электромеханические генераторы, электрохимические источники - аккумуляторы или гальванические элементы и др.
Непосредственное использование первичных источников затруднено тем,
что выходное напряжение в большинстве случаев не поддается регулировке, а
стабильность его недостаточно высокая. Однако для питания электронной
аппаратуры в большинстве случаев требуется высокостабильное напряжение с
различными номинальными значениями - от единиц вольт до нескольких сотен
вольт, в ряде случаев даже выше. По этой причине любое электронное устройство
содержит вторичный источник электропитания, который подключается к одному
из первичных источников.
Средства вторичного электропитания электронных устройств, называется
обычно источниками вторичного электропитания (ИВЭП) предназначены для формирования необходимых для работы электронных элементов напряжений с заданными характеристиками.
Они могут быть выполнены в виде отдельных блоков или входить в состав
различных функциональных элементов. Их основной задачей является преобразование энергии первичного источника в комплект выходных напряжений, которые
могут обеспечить нормальное функционирование электронного устройства.
Устройство управление и контроля, входящее в состав ИВЭП, может быть
использовано для изменения характеристик ИВЭП при различных сигналах
внешнего или внутреннего управления: дистанционного включения или
выключения, перевода в ждущий режим, формирования сигналов сброса и др. в то
8
же
время
устройство
защиты
и
коммутации
позволяет
сохранить
работоспособность ИВЭП при возникновении различных нестандартных
режимов: короткого замыкания в нагрузке, ее внезапного отключения, резкого
повышения окружающей температуры и др. Эти дополнительные устройства
могут быть обеспечены собственными источниками электропитания, включая
резервные аккумуляторы или гальванические элементы.
1.2 Классификация источников вторичного электропитания
Классификацию ИВЭП можно выполнить по различным признакам:
принципу действия, назначению, количеству каналов выходного напряжения,
виду используемых первичных источников и др. в зависимости от вида
первичного источника электропитания ИВЭП можно разделить на две группы:
инверторные и конверторные.
Инверторные ИВЭП используются для преобразования напряжения
переменного тока, т.е. они изменяют не только значение, но и род выходного
напряжения. К инверторным ИВЭП относятся также преобразователи
постоянного напряжения первичного источника в переменное напряжение,
питающее нагрузку. Например, к инверторам можно отнести электронный
генератор, который, преобразуя напряжение аккумулятора или гальванического
элемента в переменное выходное напряжение, питает электродвигатель.
Конверторные
ИВЭП
используются
для
преобразования
одного
напряжения в другое. Например, к конверторам постоянного напряжения можно
отнести обычные электронные стабилизаторы постоянного напряжения, а к
конверторам переменного напряжения можно отнести трансформаторы. Любой
конвертор может содержать внутри себя инвертор и наоборот.
9
По принципу действия ИВЭП можно разделить на две группы:
трансформаторные и бестрансформаторные. В трансформаторных ИВЭП
напряжение переменного тока, например силовой сети, вначале изменяется по
значению
при
помощи
трансформатора,
а
затем
выпрямляется
и
стабилизируется. В бестрансформаторных ИВЭП, наоборот, переменное
напряжение сети вначале выпрямляется, а затем преобразуется в переменное
напряжение более высокой частоты. В преобразователе может использоваться
высокочастотный трансформатор, поэтому точнее эти источники называть
несколько иначе: с трансформаторным или бестрансформаторным входом.
Поскольку преобразователи в таких источниках обычно работают в импульсном
режиме, то источники вторичного питания такого типа часто называют
импульсными.
По количеству различных выходных напряжений ИВЭП можно разделить
на одноканальные и многоканальные. Если в каждом канале используется
отдельный стабилизатор выходного напряжения, то это многоканальный источник
вторичного электропитания с индивидуальной стабилизацией. Если же для
стабилизации всех выходных напряжений используется выходное напряжение
только одного источника (который называют главным или ведущим), то такие
источники называются ИВЭП с групповой стабилизацией.
По выходной мощности ИВЭП принято делить на микромощные (1 Вт), маломощные (от 1 до 100 Вт), средней мощности (от 100 Вт до 1 кВт) и мощные (> 1
кВт).
По типу питающей сети - на источники вторичного электропитания,
использующие электрическую энергию, получаемую от однофазной сети
переменного тока, на ИВЭП, использующие электрическую энергию, получаемую
от трехфазной сети переменного тока, и на ИВЭП, использующие электрическую
энергию автономного источника постоянного тока.
По напряжению на нагрузке - на источники низкого (до 100 В), среднего
(от 100 до 1000 В) и высокого напряжения (свыше 1000 В).
10
По роду тока нагрузки - на ИВЭП с выходом на переменном (однофазном
или трехфазном) токе и постоянном токе.
По характеру обратной связи - на параметрические, компенсационные и
комбинированные.
По виду стабилизируемого параметра - стабилизаторы напряжения и
стабилизаторы тока.
1.3 Основные характеристики источников вторичного электропитания
При проектировании или выборе источника вторичного электропитания
необходимо знать их технические и эксплуатационные характеристики. Этими
характеристиками обычно руководствуются при использовании ИВЭП в
электронной
аппаратуре.
Все
характеристики
источников
вторичного
электропитания можно разделить на три группы: входные, выходные и
эксплуатационные.
К входным характеристикам источников вторичного электропитания
относят:
- значение и вид первичного источника питания, например, питающей
силовой сети или аккумулятора;
- нестабильность питающего напряжения;
- частоту питающего напряжения и ее нестабильность;
- количество фаз источника переменного напряжения;
- допустимый коэффициент гармоник пи тающего напряжения.
К выходным характеристикам ИВЭП обычно относят:
- значения выходных напряжений;
- нестабильность выходных напряжений;
- тип нагрузки или выходную мощность по каждому каналу;
11
- наличие гальванической изоляции между входом и выходом;
- наличие защиты от перегрузки или повышения выходного напряжения.
К эксплуатационным характеристикам относят:
- диапазон рабочих температур;
- допустимую относительную влажность;
- диапазон допустимых давлений окружающей атмосферы;
- допустимые механические нагрузки;
- коэффициент полезного действия ИВЭП;
- удельную мощность;
- надежность.
Источники электропитания должны в течение определенного времени
охранять свои параметры в пределах, указанных в технических условиях,
обеспечивая бесперебойную работу электронной аппаратуры.
Надежность
мероприятиями,
источника
выполняемые
вторичного
на
электропитания
этапах
разработки,
обеспечивается
изготовления
и
эксплуатации. Основа надежности ИВЭП закладывается на этапе их
разработки.
Основными причинами отказов источников вторичного электропитания
являются не только катастрофическое отказы элементов, но также неправильно
заданные требования к качеству входных (питающих) и выходных
напряжений, ошибки, допущенные при выборе схемы и при проектировании
отдельных
узлов,
некачественное
изготовление
источников
вторичного
электропитания и неправильная эксплуатация.
Обеспечение надежности ИВЭП, заложенное на этапе разработки,
сводится к следующим основным положениям:
- тщательному обоснованию выбора структурной схемы;
- обоснованному выбору элементной базы с достаточно высоким
запасом по предельным режимам и параметрам;
- разработке конструкции, обеспечивающей хороший теплоотвод и
12
легкий доступ к отдельным узлам и элементам;
- проведение всесторонних испытаний макетов по климатическим и
механическим воздействиям.
Выбор структурной схемы источника вторичного электропитания должен
производиться с учетом требований надежности. При разработке должны
предусматриваться необходимые устройства защиты, которые не участвуют в
работе ИВЭП, а только обеспечивают повышение надежности.
В их функцию входит:
- защита силовых элементов - транзисторов, диодов, тиристоров и др.;
- защита источника вторичного электропитания от коротких замыканий
или полного отключения нагрузки;
- защита от возможных повышений или понижений питающих (входных)
напряжений;
- защита нагрузки от возможных повышений или понижений выходных
напряжений;
- защита от повышения температуры окружающей среды.
Выбор элементной базы в наибольшей мере влияет на надежность
источника вторичного электропитания. Используемые элементы должны
проходить тесты перед установкой в источник вторичного электропитания. На
используемые
элементы
устанавливают
максимальные
коэффициенты
нагрузки не более 70-80% от предельно допустимых значений.
Конструкция источника вторичного электропитания должна обеспечивать
хороший теплоотвод от нагревающихся элементов: транзисторов, диодов,
трансформаторов и не допускать нагрев других элементов от нагревающихся
элементов.
С целью обеспечения ремонтопригодности конструкция источника
вторичного электропитания должна обеспечивать легкий доступ ко всем
элементам. Расположение элементов должно быть таким, чтобы не вызвать
повреждение питаемого устройства.
13
Лабораторные испытания макетов помогают вскрыть недостатки,
которые не были учтены при разработке схемы и конструкции источника
вторичного электропитания. Основная задача испытания макета - это
обнаружение слабых мест в схеме и конструкции. Поэтому перед проведением
испытаний составляют программу, в которой предусматривают проверку всех
схем защиты и влияние различных климатических и механических воздействий.
14
2 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ И РАЗРАБОТКА
СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
2.1 Разработка структурной схемы источника питания
На основании обзора существующих схемных решений с учетом
требований технического задания на курсовое проектирование формируется
структурная схема двухканального источника питания, представленная на
рисунке 2.1.
Рисунок 2.1 – Структурная схема источника питания
Связь обоих каналов устройства с первичным источником (сетью
переменного тока) осуществляется через общий понижающий трансформатор
Т.
Выпрямители
каждого
из
каналов
(В1,
В2)
построены
по
соответствующим схемам (мостовой и нулевой) согласно требованиям
технического задания.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в обоих каналах
применены идентичные однозвенные LC-фильтры Ф1, Ф2.
Первый
канал
источника
содержит
линейный
компенсационный
стабилизатор напряжения последовательного типа, состоящий из следующих
функциональных узлов: регулирующего элемента РЭ, источника опорного
15
напряжения ИОН, измерительного элемента ИЭ, элемента сравнения ЭС,
усилителя постоянного тока УПТ, токостабилизирующего двухполюсника
ТСД, схемы защиты СЗ с датчиком тока ДТ.
Каждый из каналов нагружен на соответствующую нагрузку H1 и Н2.
Стабилизация выходного напряжения первого канала осуществляется
посредством регулирующего элемента, управляемого при помощи цепи
обратной связи, компенсирующей изменение напряжения на нагрузке. Это
напряжение контролируется при помощи ИЭ и сравнивается с эталонным
напряжением ИОН посредствам ЭС. Разностный сигнал ошибки усиливается
УПТ и поступает на РЭ. Стабилизация тока управления РЭ обеспечивается
ТСД. Защита РЭ от токов, превышающих ток нагрузки, обеспечивается
применением СЗ, которая контролирует ток РЭ с помощью ДТ.
2.2 Разработка принципиальной схемы стабилизатора
На основании разработанной структурной схемы источника питания
формируется принципиальная схема стабилизатора, входящего в первый канал
устройства.
VT2
Рисунок 2.2 - Схема регулирующего элемента стабилизатора
16
Регулирующий элемент стабилизатора представляет собой двухкаскадный
усилитель постоянного тока, выполненный по схеме составного транзистора
(рисунок
2.2).
Такое
включение
обеспечивает
высокий
коэффициент
стабилизации и требуемую нагрузочную способность.
Резисторы R1, R2, шунтирующие эмиттерные переходы транзисторов
VT1, VT2, выполняют функцию компенсации их обратных токов.
Токостабилизирующий двухполюсник (рисунок 2.3) представляет собой
схему генератора стабильного тока, который обеспечивает питание
составного транзистора РЭ. Потенциал базы транзистора VT1 определяется
суммой падений напряжения на диодах VD1, VD2 и является фиксированным.
Таким образом осуществляется стабилизация базового тока транзистора VT1,
что обусловливает неизменность его коллекторного тока, питающего РЭ.
Применение ТСД приводит к небольшому
допустимого
входного
напряжения,
увеличению
подаваемого
на
минимально
стабилизатор
напряжения.
Рисунок 2.3 – Схема токостабилизирующего двухполюсника
Цепь обратной связи стабилизатора включает в себя элементы, с помощью
которых определяются знак и отклонение выходного напряжения от
стабилизируемого уровня, а также усилитель выделенного сигнала ошибки.
17
Часть цепи обратной связи, в которой выделяется сигнал ошибки, называется
схемой сравнения выходного напряжения с эталонным (опорным).
Схема сравнения и усилитель постоянного тока выполнены на
транзисторе
Поэтому
VT1.
одновременно
с
формированием
сигнала
рассогласования она осуществляет его предварительное усиление. Схема сравнения (рисунок 2.4) содержит измерительный элемент в виде делителя
напряжения
Rd1
-
Rd3,
источник
опорного
(эталонного)
напряжения,
выполненный на стабилитроне VD1, а также транзистор VT1, совмещающий
функции УПТ и ЭС.
К регулирующему
транзистору
Рисунок 2.4 - Схема сравнения с усилителем постоянного тока
Коллекторный ток транзистора VT1, являющийся корректирующим
сигналом для РЭ, определяется его базовым током. Этот ток возникает
благодаря разности потенциалов между базой и эмиттером VT1. Потенциал
эмиттера стабилен за счет использования ИОН; таким образом, базовый
ток изменяется только за счет изменения потенциала базы VT1.
Поскольку этот потенциал обусловливается значением выходного
напряжения
(благодаря
включению
ИЭ
параллельно
нагрузке),
коллекторный ток VT1 будет пропорционален изменению выходного
напряжения стабилизатора [4].
Контроль тока нагрузки стабилизатора осуществляется при помощи
измерительного шунта RM (рисунок 2.5), сопротивление которого выбирается
18
таким, чтобы при максимальном токе нагрузки падение напряжения на нем
обеспечивало открывание транзистора VT1.
к регулирующему
транзистору
VT1
Рисунок 2.5 - Схема устройства защиты
При достижении максимального тока через РЭ транзистор VT1
открывается, уменьшая ток управления РЭ практически до нуля, что приводит
к резкому уменьшению тока нагрузки стабилизатора. Такая схема
обеспечивает
автоматическое введение стабилизатора в работу при
устранении причины превышения его нагрузочного тока.
19
3 РАСЧЕТ КОМПЕНСАЦИОННОГО СТАБИЛИЗАТОРА
НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРВОГО КАНАЛА
3.1 Расчет регулирующего элемента
В качестве регулирующего элемента предварительно выбираем схему
составного транзистора, состоящего из двух транзисторов.
Определим величину минимально допустимого входного напряжения:
UВХ.МИН  UВЫХ.МАКС  UКЭ.МИН  UВХ .
(3.1)
где UВЫХ.МАКС — напряжение на нагрузке; UКЭ — напряжение насыщения
регулирующего транзистора (обычно принимается 3…5В для кремневых
транзисторов); UВХ~ — максимальный уровень пульсаций входного напряжения
стабилизатора.
U ВХ  (0.05...0.1)(U ВЫХ.МАКС  U КЭ.МИН )  0.1(30  3)  3.3 В
(3.2)
U ВХ.МИН  30  3  3.3  36.3 В
Номинальное
и
максимальное
значения
напряжения
на
входе
стабилизатора с учетом колебания питающей сети ±20%
U ВХ.НОМ  U ВХ. МИН (1  0.1)  36.3(1  0.1)  40.33В
(3.3)
Максимальное падение напряжения на регулирующем транзисторе при
условии срабатывания защиты от перегрузки по току равно максимальному
значению входного напряжения
U КЭ.РЭ  U ВХ.МАКС  U ВХ.НОМ (1  0.1)  40.33(1  0.1)  44.37 В
(3.4)
20
Максимальный ток через регулирующий транзистор принимаем равным
току срабатывания защиты от перегрузки
I К .МАКС  I ЗП  7.5 А
(3.5)
Максимальная мощность рассеяния на транзисторе VT3
PК.МАКС  U КЭ.МАКС„ I К.МАКС  44.37  7.5  332.775 Вт
(3.6)
В качестве регулирующего элемента принимаем схему составного
транзистора, в которой VT3 и VT4 транзистор типа 2Т827Б со следующими
параметрами:
— коэффициент передачи тока h21Э = 750…18000
— максимально допустимое постоянное напряжение коллектор–эмиттер
UКЭ.МАКС = 80 В;
— максимально допустимый постоянный ток коллектора IК.МАКС = 20 А;
— максимально допустимая рассеиваемая мощность с теплоотводом
PМАКС =125 Вт;
–– тепловой ток IКБ0=3 мА.
Базовый ток составного транзистора VT3,4
I Б.VT 3,4 
I К .МАКС
7.5

 0.00000133А
h21Э
562500
(3.7)
Для обеспечения нормальной работы стабилизатора без нагрузки переход
база–эмиттер транзистора VT3,4 зашунтируем резистором сопротивлением
Rбэ 
0.7
0.7

 233.3 Ом,
I КБ0 0.003
(3.8)
21
Мощность этого резистора
Pбэ  0.7  I КБ0  0.7  0.003  0.0021 Вт
(3.9)
Шунтирующие резисторы берем типа МЛТ–0.125– 240 Ом
3.2 Расчёт источника опорного напряжения:
U оп  (0.6…0.7)Uвых= 0.6 30 18B
(3.10)
Источник опорного напряжения построим по схеме параметрического
стабилизатора, питающегося от выходного напряжения. Он выполнен на
стабилитроне VD5 и балластном резисторе R10.
Выбираем стабилитрон типа КС456А со следующими параметрами:
— напряжение стабилизации UСТ = 5.6 В;
— разброс напряжения стабилизации -4..6%;
— минимальный ток стабилизации IСТ.МИН = 30 мА;
— максимальный ток стабилизации IСТ.МАКС = 139 мА
— дифференциальное сопротивление RД = 12 Ом;
— температурный коэффициент напряжения стабилизации
ТКН =510-4 °С-1;
— максимально допустимая рассеиваемая мощность PСТ = 0.15 Вт.
Величина балластного резистора при токе стабилизации IСТ = 10 мА
Минимальное выходное напряжение стабилизатора
Uвых.min=Uвых.ном.-(/100)Uвых.ном.,
Uвых.min= 30 
1
 30  29.7 В
100
(3.11)
(3.12)
22
Максимальное выходное напряжение стабилизатора
Uвыхmax=Uвых.ном.+(/100)Uвых.ном.,
(3.13)
1
 30  30.3 В
100
(3.14)
Uб=Uвыхmin-UстVD5=29.7-5.6=24.1В
(3.15)
Uб
24.1

 2410Ом
I ст 1010 3
(3.16)
Uвых.max= 30 
Баластный резистор Rб:
Rб=
Мощность, выделяемая на балластном резисторе

Uб 2
P=
б
Rб

580.81
 0.241Вт
2410
(3.17)
Выбираем резистор типа МЛТ–0.25–2.5 кОм.
3.3 Расчёт измерительного элемента
В качестве измерительного элемента используем делитель напряжения на
резисторах RД1, RД2 и RД3.
Задаемся током делителя IД = 4 мА.
Коэффициенты
передачи
напряжения в пределах 2 В
делителя
при
возможности
подстройки
23
 МАКС 
U CТ .МАКС„ 5.6  0.336

 0,2 ,
U ВЫХ.МИН
29.7
(3.18)
U СТ.МИН
5.264

 0.174,
U ВЫХ.МАКС 30.3
(3.19)
 МИН 
Суммарное сопротивление делителя
RД 
U ВЫХ.МИН 29.7

 6175 Ом
IД
0.004
(3.20)
Сопротивление нижнего плеча делителя
RД1   МИН RД  0.174 6175  1074.45 Ом
(3.21)
Сопротивление верхнего плеча делителя
RД 3  1   МАКСRД  1  0.26175  4940 Ом
(3.22)
Переменное сопротивление
RД 2  RД  RД1  RД 3  61751074.45  4940  160.55 Ом
(3.23)
Определяем мощности резисторов делителя напряжения
PRД1  I Д2  RД1  0.0042 1074.45  17.2 мВт
(3.24)
PRД 2  I Д2  RД 2  0.0042 160.55  2.6 мВт
(3.25)
PRД 3  I Д2  RД 3  0.0042  4940  79.04 мВт
(3.26)
24
Выбираем резисторы для делителя:
-RД1 типа МЛТ–0,125–1.3 кОм;
-RД2 типа СП3–23–0.125–200 Ом;
-RД3 типа МЛТ–0.125–5 кОм.
3.4 Расчёт усилителя сигнала рассогласования
Элемент сравнения и усилитель постоянного тока выполним на
транзисторе VT5 .
Задаемся максимальным коллекторным током усилительного транзистора
IК.МАКС = 30 мА.
Определяем напряжение коллектор–эмиттер усилительного транзистора
U КЭVT5  U ВЫХ  U ЭБ.РЭ  30  3  33 B
(3.27)
Максимальная мощность, рассеиваемая на транзисторе
PK.VT 5  U КЭVT5  I K.VT 5  4510 103  0,33 Вт
(3.28)
В качестве усилительного транзистора VT5 выбираем транзистор типа
2Т363А со следующими параметрами:
— коэффициент передачи тока h21Э = 20…70
— максимально допустимое постоянное напряжение коллектор–эмиттер
UКЭ.МАКС = 15 В;
— максимально допустимый постоянный ток коллектора
= 30 мА;
IК.МАКС
25
— максимально допустимая рассеиваемая мощность PМАКС = 350 мВт.
Для повышения устойчивости работы стабилизатора переход база
коллектор
усилительного
транзистора
шунтируем
керамическим
конденсатором емкостью 0,1 мкФ типа КМ–5.
3.5 Расчёт токостабилизирующего двухполюсника
Для
улучшения
характеристик
стабилизатора
в
схему
введем
токостабилизирующий двухполюсник на элементах VT1, VD7, VD8 R2 и R3.
Выходной ток токостабилизирующего двухполюсника
I K .VT1  I Б.РЭ  I K .VT 5  0.00000133 0.01  0.01000133 А
(3.29)
Напряжение коллектор–эмиттер транзистора VT1 не превышает входного
напряжения стабилизатора UКЭVT3 = UВХ.МАКС = 44.37 В.
Максимальная мощность рассеяния транзистора VT1
PVT1  U КЭVT1  I KVT1  44.37  0.01000133 0.444 Вт
(3.30)
Для токостабилизирующего двухполюсника выбираем транзистор типа
КТ375Б со следующими параметрами:
— коэффициент передачи тока h21Э =50…280
— максимально допустимое постоянное напряжение коллектор–эмиттер
UКЭ.МАКС = 30 В;
— максимально допустимый постоянный ток коллектора IК.МАКС = 0,1 А;
— максимально допустимая рассеиваемая мощность с теплоотводом
26
PМАКС = 200 мВт.
Ток базы транзистора VT1
I БVT1 
I KVT1 0.01000133

 0,0002 А
h21ЭVT1
50
(3.31)
Задаемся током по цепи VD7–VD8–R2
IVD7  10  I KVT1  10  0.0002  2 мА
(3.32)
Принимаем IVD3 = 10 мА.
Выбираем диоды VD7 и VD8 типа КД522А со следующими параметрами:
— максимально допустимый средний прямой ток IПР.СР = 100 мА;
— максимально допустимое постоянное обратное напряжение UОБР.МАКС=
30 В.
Сопротивление R2
R2 
U RБ U ВХ.МАКС  UVD7  UVD8 44.37  1.1  1.1


 4217 Ом
IVD7
IVD7
0,01
(3.33)
Мощность, рассеиваемая на резисторе R2
U R2  U ВХ.МАКС  UVD7  UVD8  44.37  1.1  1.1  42.17В
PR2  U R2  I R2  42.17  0.01  0,4217 Вт
(3.34)
(3.35)
Выбираем резистор R2 типа МЛТ–0.25–4,3 кОм.
Напряжение на резисторе R3
U R3  UVD7  UVD8  U ЭKVT1  1.1  1.1  1  1,2 В
(3.36)
27
Ток через резистор R3
I R3  I ЭVT1  I KVT1  0.01000133 А
(3.37)
Сопротивление резистора R3
R3 
U R3
1,2

 119.98 Ом
I R3 0.01000133
(3.38)
Мощность, рассеиваемая на резисторе R3
PR3  U R3  I R3  1,2  0,0100256 0,012 Вт
(3.39)
Выбираем резистор R3 типа МЛТ–0,125–120 Ом.
3.6 Расчёт схемы защиты от перегрузки по току
Схема защиты от перегрузки по току осуществлена на транзисторе VT2.
Ток срабатывания защиты
I МАКС  7.5 А
(3.40)
Напряжение на шунте при токе IМАКС принимаем равным UШ  1,25В.
28
Сопротивление шунта
UШ
1.25

 0.167 Ом.
I МАКС 7.5
(3.41)
PШ  U Ш  I Ш  1.25 7.5  9.375 Вт
(3.42)
RШ 
Мощность шунта
Переменный резистор R4 предназначен для возможности подстройки
тока срабатывания защиты. Сопротивление этого резистора должно быть во
много раз большим, чем сопротивление шунта RШ, чтобы ток, протекающий по
нему, не влиял на ток протекающий по шунту.
Принимаем R4 = 120 Ом.
Выбираем резисторы: для шунта RШ соединяем параллельно три
резистора С5-16-5-0,56 Ом; R4 — СП5–2 – 120 Ом.
Для выбора транзистора VT2 зададимся Iк.макс = 10 мА и Uкэ > Uвх.max .
Исходя из этого выбираем транзистор VT2 типа КТ3102ВМ с параметрами:
— максимально допустимое постоянное напряжение коллектор–эмиттер
UКЭ.МАКС = 20 В;
— максимально допустимый постоянный ток коллектора
IК.МАКС
= 100 мА;
3.7 Выходной фильтр
Емкость конденсатора С4 на выходе стабилизатора определяется по
формуле
29
С4  0,23h21РЭ RВЫХ 2f h21БРЭ  0,23 750 750 (0,75 2  3,141106 )  27,46мФ (3.43)
где
fh21БРЭ

предельная
частота
коэффициента
передачи
тока
регулирующего транзистора.
3.8 Расчёт КПД стабилизатора
Номинальный
и
минимальный
КПД
стабилизатора
находим
из
выражений
  РВЫХ РВХ  U ВЫХ I Н U ВХ I ВХ  30  3 (40.33 3.1)  0. 72
МИН  РВЫХ.МИН РВХ.МАКС  UВЫХ.МИНI Н .МИН UВХ.МАКСI ВХ
МИН  29.7  3 (44.37  3.1)  0,648
(3.44)
(3.45)
(3.46)
30
4 РАСЧЕТ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ПЕРВОГО И ВТОРОГО КАНАЛА
4.1 Выпрямитель первого канала
Выпрямитель первого канала выполняем по мостовой схеме с LC–
фильтром. Расчет производим по выражениям, приведенным в [4].
Значение выходного напряжения выпрямителя Ud =44.37 B. Ток нагрузки
Id = 7.5 А.
Обратное напряжение вентилей
U bm  3,14  U d  3.14  44.37  139.3218 В.
(4.1)
Среднее значение тока вентиля
I a  0.5  I d  0.5  7.5  3.75 А.
(4.2)
Выбираем диоды типа Д242A со следующими параметрами:
– максимальный прямой ток Iпр = 10 А;
– напряжение переключения Um = 100 В;
– прямое падение напряжения 1 В.
4.2 Рассчитаем фильтр выпрямителя первого канала.
Используем однозвенный LC–фильтр.
Для выпрямленного напряжения U=44.37 В и амплитуды пульсаций
300мВ коэффициент пульсаций определяется так
31
K П (q) 
U (q)m
0.3

 0.0068
U d
44.37
(4.3)
Коэффициент фильтрации фильтра определяется по выражению
КФ 
2
2
 2
 94.04 .
(m  1)  К П ( q)
(2  1)  0.0068
2
(4.4)
Определяем величину LC.
LC 
10  (KФ  1) 10  (94.04  1)

 237.6 мкФ·Гн.
m2
22
(4.5)
Эквивалентное сопротивление нагрузки канала
RН 
U вых. м акс 44.37

 5.916 Ом.
I зп
7.5
(4.6)
Индуктивность дросселя фильтра
L
R
2
2
5.916
 Н  2

 0,0063Гн.
(m  1) m (2  1) 2  2  3.14  50
2
(4.7)
Выбираем дроссель типа Д269 со следующими параметрами:
– индуктивность L=0.025 Гн;
– номинальный ток подмагничивания IН = 18 А;
Емкость конденсатора фильтра
C
LC 237.6

 9504мкФ.
L 0.025
(4.8)
32
Выбираем два конденсатора типа К50-32А со следующими параметрами:
– номинальное напряжение U=40 В;
– допустимая амплитуда переменного напряжения Um=5%;
– номинальная емкость 4700 мкФ -20 +50%,
соединённые параллельно.
4.3 Выпрямитель второго канала
Выпрямитель второго канала выполняем по мостовой однофазной схеме с
LC–фильтром. Расчет производим по выражениям, приведенным в [6].
Обратное напряжение диодов
U bm  1.32  U d  1.32 170  224.4 В
(4.9)
I a  0.5  I d  0.5  0.11  0.055 А
(4.10)
Ток через диод
Выбираем диоды типа Д226В со следующими параметрами:
– максимальный прямой ток Iпр=0.3 А;
– напряжение переключения Um=300 В;
– прямое падение напряжения 1 В.
33
4.4 Расчет фильтра выпрямителя второго канала
Используем однозвенный LC–фильтр.
Для выпрямленного напряжения U=170 В и амплитуды пульсаций 8.5В
коэффициент пульсаций определяется так
K П (q) 
U ( q) m 8.5

 0,05
U d 170
(4.11)
Коэффициент фильтрации фильтра определяется по выражению
КФ 
2
2
 2
 13.33 .
(m  1)  К П ( q)
(2  1)  0.05
2
(4.12)
Определяем величину LC.
LC 
10  (KФ  1) 10  (13.33  1)

 35.825 мкФ·Гн.
m2
22
(4.13)
Эквивалентное сопротивление нагрузки канала
RН 
U СР 170

 1545.4545Ом.
I CР 0.11
(4.14)
Индуктивность дросселя фильтра
L
R
2
2
1545.4545
 Н  2

 2.461Гн.
(m  1) m (2  1) 2  2  3,14  50
2
(4.15)
34
Выбираем дроссель типа Д227 со следующими параметрами:
– индуктивность L=5 Гн;
– номинальный ток подмагничивания IН=0,05 А;
Емкость конденсатора фильтра
C
LC 35.825

 7.165мкФ.
L
5
Выбираем конденсатор типа К50-27 со следующими параметрами:
– номинальное напряжение U=350 В;
– допустимая амплитуда переменного напряжения Um=5%;
– номинальная емкость 7 мкФ –20 +50%
(4.16)
35
5 РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА
5.1 Расчет основных параметров трансформатора
Напряжения вторичных обмоток
E21  1,11 U d1  1.11 44.37  49.25 В
(5.1)
E22  1,11 U d 2  1.11170  188.7 В
(5.2)
5.2 Действующее значение тока вторичных обмоток
I 21  0,707  I d1  0.707  7.5  5.3025 А
I 22  1 I d 2  1 0.11  0.11 А
(5.3)
(5.4)
5.3 Коэффициент трансформации силового трансформатора
n11 
E21 49.25

 0.224
E1
220
(5.5)
n12 
E22 188.7

 0.857
E1
220
(5.6)
5.4 Действующее значение тока первичной обмотки
I1  2n11I 21  n12I 22  2  0.224 5.3025 0.857 0,11  2.239 А
(5.7)
5.5 Типовая мощность трансформатора
ST  2 1.34  Pd 21  1.11 Pd 22  2 1.34  U d1  I d1  1.11 U d 2  I d 2 
 2 1,34  44.37  7.5  1,11170  0.11  912.594 Вт
(5.8)
36
Определяем произведение SСТSОК
SСТ SОК
PТР  102
,

2,22  f C  B  j  kM  kC  
(5.9)
где SСТ— средняя площадь сечения магнитной цепи, см2;
SОК— площадь окна магнитопровода, см2 ;
fС — частота сети, Гц;
B— амплитуда магнитной индукции, Тл;
j — плотность тока в проводах обмоток, А/мм2;
kМ — коэффициент заполнения медью окна магнитопровода;
kС — коэффициент заполнения сталью площади поперечного сечения
стержня магнитопровода;
 — к. п. д.
fC=50 Гц; для броневых и стержневых трансформаторов, выполненных на
пластинчатых магнитопроводах из горячекатаной стали, индукция в стержне
магнитопровода B=1,3 Тл; плотность тока 2,5 А/мм2; kМ = 0,38; kC = 0,89.
SСТ SОК 
912.594102
 771.28 см4.
2.22  50 1.3  2.5  0.38  0.89  0.97
Выбираем магнитопровод типа Ш13250 с SСТSОК = 780 см4.
5.6 Число витков первичной обмотки
1 
U1 (1  U1 /100) 104 220(1  22 /100) 104

 1166
4,44  f C  B  SСТ
4,44  50 1,3  5.1
(5.10)
37
5.7 Число витков для вторичной обмотки первого канала
21 
1  Е21
U1

1166 49.25
 261
220
(5.11)
5.8 Число витков для вторичной обмотки второго канала
22 
1  Е22
U1

1166188.7
 1000
220
(5.12)
Так как второй канал выполняется по двухполупериодной схеме с
нулевой точкой, то таких обмоток две.
5.9 Выбор проводов для обмоток трансформатора
Токи, протекающие по первичным и вторичным обмоткам первого
канала, второго канала имеют соответственно следующие значения:
- I1= 1,7152 А;
- I2-1= 10,18 А;
- I2-2= 0,09 A.
Диаметр проводов обмоток трансформатора определяем по выражению
di  1,13 
Ii
j
(5.13)
38
Диаметр провода первичной обмотки
d1  1,13 
I1
1.7152
 1,13 
 0,94 мм.
j
2,5
(5.14)
Диаметр провода для обмотки первого канала
d 21  1,13 
I 21
10,18
 1,13 
 2.28 мм.
j
2,5
(5.15)
Диаметр провода для обмотки второго канала
d 22  1,13
I 2 2
0,09
 1,13
 0,22 мм.
j
2,5
(5.16)
Для намотки обмоток трансформатора выбираем провод типа ПЭВ-2.
Диаметр провода с изоляцией для вторичных обмоток:
- w1 — 1,0 мм.
- w2-1 — 2,5 мм;
- w2-2 — 0,3 мм;
39
6 ВЫБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
6.1. Индикация сетевого напряжения
Индикация сетевого напряжения осуществляется с помощью неоновой
лампы HL1 типа ТН-0,3 [11]. Последовательно с лампой HL1 (приложение А)
включается балластный резистор R1 сопротивлением:
R1 
U1  U HL1 220  110

 122 кОм
I HL1
9  104
(6.1)
где UHLI - напряжение возникновения разряда в лампе HL1, В ;
I HLI - рабочий ток лампы HLI, А.
Мощность резистора R1
PR1  I 2HL1  R1  (9  104 ) 2  1.22  105  0.099 Вт
(6.2)
В качестве R1 выбирается резистор типа МЛТ-0,125-120 кОм [4].
6.2. Индикация выходного напряжения
Для индикации выходного напряжения используется светодиод VD10
типа АЛ307В зеленого цвета свечения [17]. Для задания номинального тока
через светодиод включен балластный резистор R14.
40
Сопротивление резистора R14
R14 
Uвых  UVD10 9  2.5

 650 Ом
IVD10
0.01
(6.3)
где IVD10 – номинальный ток через светодиод VD10, А.
Мощность резистора R14
2
2
PR14  IVD
10  R14  0.01  650  0.065 Вт
В качестве R14 выбирается резистор типа МЛТ-0,25-0,7 кОм [4].
(6.4)
41
7 ВЫБОР СЕТЕВОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ И ПРЕДОХРАНИТЕЛЯ
7.1 Выбор сетевого выключателя
Выбор сетевого выключателя SA1 осуществляется исходя из значений
коммутируемых тока I1 =1,7152 и напряжения U1 = 220 В первичной обмотки
трансформатора.
Выбираем сетевой выключатель типа ТВ1-1 с параметрами [6]:
– коммутируемый ток 0.001…5А;
– коммутируемое переменное напряжение 1.6…220 В.
7.2 Выбор предохранителя
Предохранитель FU1 выбирается исходя из тока первичной обмотки
трансформатора I1 = 1,7152 А с коэффициентом запаса 1.5…2. В качестве FU1
выбирается предохранитель типа ВП на ток 2А [7].
42
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В
процессе
двухканальный
выполнения
источник
курсового
питания
проекта
постоянного
был
разработан
тока,
содержащий
компенсационный стабилизатор напряжения линейного типа. Структурная
схема данного устройства содержит два независимых источника, существенно
различающихся по значениям выходных параметров и мощности нагрузки.
Стабилизатор, входящий в первый канал источника, обеспечивает
высокую стабильность выходного напряжения за счет использования в его
схеме таких устройств как генератор стабильного тока (токостабилизирующий
двухполюсник) для питания регулирующего элемента, и параметрического
стабилизатора с усилителем постоянного тока для обеспечения поддержания
точного
значения
выходного
напряжения
стабилизатора.
В
качестве
регулирующего элемента в схеме стабилизатора использован двухкаскадный
транзисторный усилитель тока, что обеспечило высокую нагрузочную
способность и способствовало увеличению коэффициент стабилизации данного
устройства. Предусмотрена токовая защита силовых полупроводниковых
элементов
стабилизатора
с
помощью
соответствующей
схемы
с
регулируемым порогом срабатывания.
Рассчитаны
и
выбраны
элементы
схем
выпрямления,
а
также
сглаживающих фильтров обоих каналов. Обеспечение требуемых значений
коэффициентов пульсаций достигнуто применением индуктивно-емкостных
фильтров.
Определены
основные
электрические
параметры
силового
трансформатора (значения токов и напряжений обмоток, а также типовая
мощность), рассчитаны и выбраны его конструктивные элементы.
Разработанный источник обеспечивает индикацию входного (сетевого),
а также выходного напряжения стабилизатора. С этой целью проведен расчет и
43
выбор соответствующих вспомогательных элементов схемы (индикаторных
и коммутационных).
Основным недостатком разработанного источника следует считать его
низкие энергетические показатели, связанные со значительными потерями
мощности на регулирующем элементе стабилизатора и, как следствие, низкое
значение КПД всего источника. Данный недостаток обусловлен применением
стабилизатора
линейного
типа
(непрерывного
действия)
для
питания
низкоомной нагрузки.
Наиболее перспективным путем решения данной проблемы является
применение в первом канале источника импульсного стабилизатора напряжения
с широтно-импульсной модуляцией, позволяющего существенно сократить
потери мощности на регулирующем элементе, повысить стабильность
выходного напряжения и значительно улучшить массогабаритные показатели
источника за счет использования для его питания импульсного трансформатора.
44
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Методические указания к курсовой работе по электротехнике и
микросхемотехнике на тему «Источники электропитания» (для студентов
специальности 6.092501) / Сост. А. Н. Баранов, Д. В. Кобец, А. С. Садовский.—
Алчевск, ДонГТУ, 2004. — 64 с.
2.
В.Е.Китаев,
А.А.Бокуняев.
Расчет
источников
электропитания
устройств связи. Москва, -"Связь ", 1979г.
3.
С.В.Назаров.
Транзисторные
стабилизаторы
напряжения.
Москва,
"Энергия", 1980г.
4. Б.С.Гершунский. Расчет основных электронных и полупроводниковых
схем. Изд. Киевского университета. 1968г.
5. ЕСКД- Обозначения условные графические в схемах.
6.
Э.М.Ромаш
и
др.
Источники
вторичного
электропитания
радиоэлектронной аппаратуры. Москва, "Радио и связь", 1981.
7.
Б.И.Артамонов,
А.А.Бокуняев.
Источники
электропитания
радиоуотройств. Москва, Энергоиздат, 1982г.
8. Г.П.Верегов, Ю.Л.Смуряков. Стабилизированные источники питания
радиоаппаратуры. Москва, "Энергия", 1978г.
9. А.А.Краус и др. Проектирование стабилизированных источников
радиоэлектронной аппаратуры. Москва, "Энергия", 1980г,
10. Справочник по преобразовательной технике. Под редакцией
И.М.Чиженко. Киев» "Техника", 1973г.
11. Г.С.Векслер. Расчет электропитающих устройств. Киев, "Техника",
1978г.
12. Ю.А.Исаков и др. Основы промышленной электроники (серия
"Библиотека инженера"). Киев, "Техника", 1976г.
13. Резисторы (Справочник). Под. ред. И.И.Четверткова. Москва,
Энергоиздат. 1981г.
45
14. Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник.
Под. Ред. Б.Л Перельмана. Москва, "Радио и связь"Д981г.
15. Д.С.Гурлев. Справочник по электронным приборам. Киев,"Техника",
1979г.
16. В.П.Малахов. Электронные цепи непрерывного и импульсного
действия. Одесса: Лыбидь, 1991г.
Документ
Категория
Радиоэлектроника
Просмотров
15
Размер файла
580 Кб
Теги
do_30, влад, курсак
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа