Проектирование источника вторичного электропитания

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Тульский  Государственный университет

Кафедра приборов управления 
 
 
 
 
 
 

Курсовой  проект

по курсу  «Электроника» 

Проектирование  источника вторичного электропитания 

Вариант №6 
 
 
 

Выполнила: ст. гр.120881                                                 Кургина А.А. 
 
 

Проверил :                                                                      Лихошерст В.В 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Тула 2010

Государственное образовательное учреждение

высшего и профессионального образования

Тульский  государственный университет

Кафедра ПУ

Задание

на курсовой проект, по курсу «Электроника»

студентки гр.120881 Кургиной Александры Александровны. 

1. Тема работы: “Проектирование вторичного источника электропитания”
2. Дата выдачи:
3. Исходные данные: ; ; ; ; ;  ; ; ; ; ; ; ; ; ; .
4. Содержание расчетно-пояснительной записки.
5. Содержание графической части: схема электрическая принципиальная (А1), плата печатная (А1), сборочный чертеж (А1)
6. Срок сдачи:

 
 
 
 
Руководитель: Лихошерст В.В.

 
Задание принял к исполнению  

Содержание

C.

Введение…………………………………………………………………………4

1.   Параметры источников вторичного электропитания……………………7

2 .  Структурная схема ИВЭП…………………………………………………9

      2.1  Общие положения………………………………………………………9

      2.2 Основные требования при проектировании…………………………11

3.  Расчет стабилизатора………………………………………………………..12

     3.1.  Исходные данные для расчета…………………………………………12

     3.2. Выбор схемы…………………………………………………………..14

     3.3.  Расчет регулирующего элемента стабилизатора……………………...15

     3.4 Расчет теплового режима транзистора КТ802А.................................19

     3.5.  Расчет схемы управления стабилизатора…………………………….21

     3.6.  Определение выходных параметров стабилизатора…………………22

4.  Расчет выпрямителя и сглаживающего фильтра………………………….25

     4.1.  Общие положения………………………………………………..….…25

     4.2. Выбор схемы и расчет…………………………………………....……26

5.  Расчет трансформатора……………………………………………………..28

     5.1.  Общие сведения……………………………………………….………..28

     5.2. Исходные данные и расчет……………………………………………..29

6. Разработка  конструкции печатной платы………………………….……….32

Заключение………………………………………………………………………34

Список использованных источников…………………………………………..35 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

     В современной радиотехнической аппаратуре (РЭА) предъявляются разнообразные  требования к качеству питающего напряжения. Выбор из большого числа типов источников вторичного электропитания оптимального варианта, удовлетворяющего всем заданным техническим требованиям, предъявляемым РЭА, является одной из наиболее сложных задач при проектировании. От правильного выбора и расчета источников вторичного электропитания зависят надежность, массогабаритные показатели, стоимость и к.п.д. комплекса РЭА.

    При классификации средств вторичного электропитания использованы термины, определенные Государственными стандартами.

    Средства вторичного электропитания – составная часть любой радиоэлектронной аппаратуры, которая входит в нее и, используя энергию от систем энергоснабжения промышленной частоты или автономных источников питания, формирует необходимые для работы комплекса РЭА питающее напряжение с требуемыми параметрами.

    Система вторичного электропитания - совокупность функционально связанных источников вторичного электропитания, устройств  управления, коммутации, распределения, защиты, контроля и сигнализации, предназначенная для подключения к системам или автономным источникам энергоснабжения и обеспечивающая по данной программе электропитанием все цепи радиоэлектронной аппаратуры.

    По  выходной мощности системы вторичного электропитания подразделяются на три  группы: малой мощности - до 200 Вт, средней мощности - от 200 до 2000 Вт и большой мощности - свыше 2000 Вт.

    Источники вторичного электропитания составляют основу всех средств и систем электропитания РЭА. Это устройства, предназначенные  для преобразования входной электроэнергии переменного или постоянного тока и   обеспечением    электропитанием   отдельных    цепей    радиоэлектронной аппаратуры. Они могут состоять из блоков питания или комплекта функциональных узлов; в свою очередь, в состав блока питания входит ряд функциональных узлов различного назначения.

    Блок  вторичного электропитания (блок питания) - источник вторичного электропитания (ИВЭП), выполненный в виде единой конструкции.

    Комплект  функциональных узлов - источник вторичного электропитания, состоящий из двух или более функциональных узлов, встраиваемых непосредственно в радиоэлектронную аппаратуру, но не объединенных в единую конструкцию.

    Источники вторичного электропитания классифицируются по следующим основным признакам:

    По  виду входной электроэнергии – на ИВЭП, работающие от сети переменного напряжения (однофазной или многофазной), ИВЭП, работающие от сети постоянного напряжения и ИВЭП, работающие от сетей переменного и постоянного напряжений.

    По  выходной мощности – микромощные источники питания с выходной мощностью до 1Вт, малой мощности (от 1 до 10 Вт); средней мощности (от 10 до 100 Вт), повышенной мощности (от 100 до 1000 Вт) и большой мощности (свыше 1000 Вт).

    По  виду выходной электроэнергии – на ИВЭП с выходом на переменном токе, ИВЭ с выходом на постоянном токе и комбинированные – с выходом на переменном и постоянном токе.

    По  номинальному значению выходного напряжения – низкое (до 100 В), среднее (от 100 до 1000 В), высокое (свыше 1000 В). По степени постоянства выходного напряжения - нестабилизирующие и стабилизирующие ИВЭП.

    По  допустимому отклонению номинала выходного  напряжения – низкой точности (свыше 5%), средней (от 1 до 5%), высокой (от 0,1 до 1%) и прецизионные (менее 0,1%).

    По  пульсации – ИВЭП с выходом на постоянном токе делятся на три группы: с малой (менее 0,1%), средней (от 0,1 до 1%) и большой (свыше 1%) пульсациями выпрямленного выходного напряжения.

    По  числу выходов  питающих напряжений – одноканальные ИВЭП, имеющие один выход, и многоканальные, имеющие два и более выходов питающих напряжений.

    По  способу стабилизации напряжения – ИВЭП с непрерывным регулированием и ИВЭП с импульсным регулированием.

    По  методу стабилизации напряжения – параметрические и компенсационные стабилизаторы ИВЭП. В параметрическом стабилизаторе отсутствует цепь обратной связи и стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет использование нелинейных элементов, входящих в его состав, в компенсационном – за счет изменения выходного напряжения (тока) на его регулирующее устройство через цепь обратной связи.

    Большинство источников вторичного электропитания представляют собой замкнутые системы автоматического регулирования. С этой точки зрения их можно разделить на следующие: непрерывные стабилизаторы напряжения и инверторы класса «В»; импульсные стабилизаторы и инверторы класса «Д» с линейной характеристикой импульсного усилителя в области рабочих частот и импульсные стабилизированные ИВЭП с переменной структурой импульсного элемента (транзистор + блокирующий диод). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1. Параметры источников  вторичного электропитания. 

    К параметрам ИВЭП можно отнести следующие  данные, необходимые для проектирования:

    1. Номинальное напряжение питающей  сети U_C, В;

    2. Номинальная частота питающей сети f_c и предельные значения f_{C min,} f_C max;

    3. Предельные значения U_{C max}, U_{C min} или относительные изменения a_c, b_c напряжения питающей сети [8]:

    в сторону повышения:  а_с = 

    в сторону понижения: b_с = 

    4. Номинальное выходное напряжение  выпрямителя U₀ стабилизатора U_H;

    5. Пределы регулировки выходного напряжения стабилизатора U_Нmax,U_Hmin;

    6. Ток нагрузки выпрямителя I₀, I_{0 max}, I_{0 min} соответственно номинальное, максимальное и минимальное значения, А;

    7. Ток нагрузки стабилизатора I_{H max}, I_{H min}  соответственно максимальное и минимальное значения;

    8.  Коэффициенты стабилизации, при  I_H=const:

    Коэффициент стабилизации показывает, во сколько  раз относительное изменение входного напряжения стабилизатора больше относительного изменения выходного напряжения. Максимальные пределы изменения питающего напряжения:

    При питании стабилизатора от выпрямителя (при I₍₎=const) и изменения напряжения питающей сети на a₀>a_C, b₀>b_С, где:

    9.  Внутреннее сопротивление выпрямителя и стабилизатора r_н при U_c=const:

определяет  изменение выходного напряжения выпрямителя и стабилизатора при изменении тока нагрузки соответственно на и .

    10. Амплитуда переменной составляющей пульсаций фильтром выпрямителя и стабилизатора q_ф и q_ст.

    Коэффициент сглаживания пульсаций показывает, во сколько раз относительная величина пульсации на входе фильтра или на входе стабилизатора соответственно больше относительной величины пульсации на выходе фильтра выпрямителя и стабилизатора.

    11. Динамическое внутреннее сопротивление  выпрямителя и стабилизатора:

    где индекс «U» означает импульсное изменение тока нагрузки на на выходе выпрямителя и на входе стабилизатора и соответствующие им пиковые значения изменения напряжения и .

    12. Температурный коэффициент напряжения (ТКН):

показывает  изменение выходного напряжения стабилизатора при изменении окружающей температуры на 1 .

    13. КПД выпрямителя  , стабилизатора , стабилизированного выпрямителя , где P₀, P_H, P_C - мощность, потребляемая нагрузкой на входе выпрямителя, на входе стабилизатора и от питающей сети переменного тока соответственно при номинальных значениях напряжений v токов нагрузки. 

    2 Выбор структурной схемы ИВЭП

    2.1Общие  положения 

    Элементы  ИВЭП выбираются исходя из параметров питающей цепи и требований к выходному  напряжению.

    Так как в качестве питающей используется сеть переменного тока, то для преобразование его в напряжение меньшего номинала необходимо использовать трансформатор. Для получения на выходе постоянного напряжения нужно использовать выпрямитель, а для сглаживания пульсаций - фильтр.

    Напряжение  источников входной электроэнергии, от которых питаются ИВЭП, в силу разных причин имеет пределы изменения  номинала . Кроме того в процессе работы изменяется ток, потребляемый аппаратурой. Поэтому состав ИВЭП необходимо включить стабилизатор.

    Параметрический стабилизатор относится к классу непрерывных, и не обеспечивает необходимой стабильности напряжения.

    Непрерывный, последовательный стабилизатор выполняется по структурной схеме, приведенной на рисунке 1. Регулирующий элемент РЭ – транзистор, включен в последовательно с нагрузкой (R_Н). При изменении входного выпрямленного напряжения (U₀) или тока нагрузки в измерительном элементе ИЭ выделяется сигнал рассогласования, который усиливается усилителем У и подается на вход регулирующего элемента РЭ, изменяя его сопротивление так, что выходное напряжение (U_Н) сохраняется постоянным с определенной точностью.

Рисунок 1 – Структурная схема непрерывного последовательного стабилизатора

    Непрерывный параллельный стабилизатор выполняется  по структурной схеме, приведенной на рисунке 2. Регулирующий элемент РЭ включен параллельно нагрузке. Выходное напряжение поддерживается постоянным за счет изменения тока, протекающего через РЭ. При увеличении входного напряжения ИЭ выделяет сигнал рассогласования, усилитель У его увеличивает и подает на РЭ. Ток через РЭ увеличивается и увеличивается падение напряжения на R_б на такую величину, что U_Н остается стабильным.

Рисунок 2 – Структурная  схема непрерывного параллельного стабилизатора 
 
 

2.2 Основные требования  при проектировании 

    Разработка  источников вторичного электропитания должна производиться в соответствии с техническим заданием. Общим  во всех технических заданиях является оговоренные в тактико-технических требованиях на комплекс РЭА напряжение и частота питающей сети системы энергоснабжения, пределы их изменения, число фаз, способ резервирования (второй независимый ввод сети или автономная электростанция), климатические и механические условия, в которых должна обеспечиваться работоспособность комплекса РЭА, наработка на отказ всего комплекса в целом.

    При анализе технических заданий  на разработку ИВЭП следует стремиться к тому, чтобы в конечном счете  количество типономиналов ИВЭП в комплексе РЭА было минимально возможным. При этом окажется, что в одних случаях будут применены ИВЭП с завышенной установленной мощностью, в других - с лучшими, чем требуется выходными параметрами. Некоторое увеличение габаритных размеров аппаратуры комплекса, которое при этом должно неизбежно произойти, можно оправдать значительным понижением стоимости изготовления.

    Получить  необходимые для проектирования комплекса РЭА данные по габаритным размерам и мощности потребления  ИВЭП возможно только после выбора и расчета схем электрических принципиальных ИВЭП, удовлетворяющих требованиям технического задания на разработку.

    При разработке ИВЭП необходимо ориентироваться  на имеющийся раздел функциональных узлов ИВЭП и выпускаемые промышленностью микросхемы, диодные и транзисторные сборки, из которых сравнительно быстро могут быть изготовлены и апробированы ИВЭП на соответствие с заданным техническим требованиям.

    На  массогабаритные показатели, к.п.д., надежность и параметра ИВЭП существенное влияние оказывают параметра питающей сети, характер изменения тока нагрузки, климатические и механические воздействия. 
 
 
 

    3.Расчет стабилизатора

    3.1 Исходные данные для расчета

       По  заданным исходным данным проводится выбор схемы электрической принципиальной транзисторного стабилизатора.

       При выходных напряжениях Uн<10В (Uн=6В) применяют схемы,в которых источник опорного напряжения Д1 питается от отдельного выпрямителя с выходным напряжением через токостабилизирующий двухполюсник. Токостабилизирующий двухполюсник имеет большое внутреннее сопротивление, и поэтому при изменении напряжения обеспечивается высокая стабильность напряжения на опорном источнике Д1, имеющем малое динамическое сопротивление,

Рисунок 3 -  Схема транзисторного стабилизатора с внутренним источником опорного напряжения 

    Исходные  данные:

    - номинальное напряжение питающей  сети: U_C=40 B;

    -частота  напряжения питающей сети:             f_C=1000 Гц;

    -пределы  изменения напряжения сети:           a_C=0.10;  b_C=0.10;

    -номинальное  выходное напряжение:             U_Н=6 В;

    -пределы  регулировки напряжения:                U_{H max}=8 В; U_{H min}=5 В;

    - пределы изменения тока нагрузки:               I_{H max}=1.2A; I_{H min}=0.5 A;

    - максимальная температура среды:                t_max=60 ;

    - минимальная температура среды:                 t_min=-60 ;

    - коэффициент стабилизации:                          k_ст>100;

    - внутреннее сопротивление:                            r_н<0.1 Ом;

    - амплитуда пульсаций на выходе:                  U_H~=10 мВ;

    - температурный коэффициент:                       <15    

    3.2 Выбор схемы

    В качестве регулирующего элемента применим составной транзистор. Это необходимо, т.к. ток через регулирующий элемент I_кp примерно равный току нагрузки I_Н в транзисторных стабилизаторах напряжения обычно составляет сотни миллиампер – единицы ампер. При таких значениях коллекторного тока I_кр приходится применять транзистор Т_Р большой или средней мощности, минимальный коэффициент усиления по току которых в схеме сообщим эмиттером не превосходит 20.

    Большой ток в цепи базы I_бр и маленькое входное сопротивление h_11Эр регулирующего транзистора приводит к необходимости применения в усилителе транзистора средней мощности Т_У, низкоомного входного делителя R_Д1, R_Д2, R_П и усиления мощности источника U₀₂ или транзистора Т2 в схемах с ТД2. Помимо этого, из-за малого значения h_11Эр во всех приведенных схемах будет весьма мал коэффициент усиления усилителя Т_У, а следовательно, и коэффициенты стабилизации k_ст и сглаживание пульсации q_ст. Чтобы устранить отмеченные недостатки в регулирующем элементе, применяют составные транзисторы.

    В качестве опорного источника напряжения Д1 выбираем стабилитрон 2С133В (картинка внешний вид,), с параметрами (U_ст.н=3.3В, I_ст=1мА ОСТАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ) температурный коэффициент которого близок по абсолютному значению к ТКН усилительного транзистора Ту?. Определим ТКН и сравним его с заданным в исходных данных:

    U_ст=0,3…0,7U_H

 мВ/ , поэтому указанный стабилитрон подходит. 

     При максимальном значении тока нагрузки 0,5А и возможном его сбросе до нуля, напряжение U_H=6 и коэффициент пульсации k_п0=3..5%U_H целесообразно применить однофазную мостовую схему, работающую на емкостную нагрузку.

     На  основании выше сказанного, принимаем схему ЧЕГО, изображенную на рис. 3. 
 

    3.3 Расчет регулирующего элемента стабилизатора

    Одна из главных задач, которую необходимо решать при проектировании стабилизатора – выбор и расчет регулирующего элемента. Объясняется это тем, что КПД и габаритные размеры стабилизатора с непрерывным регулированием в основном определяется мощностью потерь на транзисторе Т2. Чем больше мощность, рассеиваемая на Т2, тем больше должны быть габаритные размеры радиатора для отвода от него тепла, с тем чтобы температура р-n перехода транзистора не превышала предельно допустимую.

    Для определения мощности, рассеиваемой на регулирующем элементе, необходимо в первую очередь найти минимальное напряжение на входе стабилизатора U_0min. Это напряжение определяется при максимальном значении тока нагрузки I_Hmax:

    U_0min=U_Hmax+U_КЭ2min+U_0~;

где U_КЭ2min – минимально допустимое напряжение на регулирующем элементе.

    Минимальное напряжение на Т2 при трех составных  транзисторах Т2, ТЗ и Т4 будет не меньше 5 В. Принимаем минимальное коллекторное напряжение на Т2 U_КЭ2min=5B. Задаемся амплитудой пульсации на входе стабилизатора: U_0~=3…5%U_Hmax=0.03*8=0,24 B.

    U_0min=U_Hmax+U_КЭ2min+U_0~=8+5+0,24=13,24 В

    Минимальное   потребление тока  стабилизатором   I_0min  при   U_0min, U_Hmin и I_Hmin слагается из токов, которыми мы задаемся:

    -  через выходной делитель R6, R7, R8 = 15 мА;

    -  резистор R5 = 10 мА;

    -  резистор R1 = 12 мА;

    -  резистор R2 = 2 мА;

    -  резистор R3 и R4 = 5 мА.

    Полагаем, что транзисторы Т2 и ТЗ кремниевые, для которых I_КБ0max⁼5 мА.

    I_0min= I_R1min+ I_R2+ I_R3min+ I_R4min+ I_R5min+I_Д=12+2+5+5+10+15=50 мА;

    Максимальное  потребление тока от выпрямителя I`_0max при U_Cmin, I_Hmax, U_Hmin определяем по формуле:

    I`_0max= I_Hmax+ I_0min=1,2+0,05=1,25 А;

    Произведем  выбор схемы и расчет выпрямителя по следующим данным: U_0min, I`_0max, U_0~ (расчет выпрямителя гл.4.стр.25).

    Интересующие  нас данные, полученные из расчета выпрямителя следующие: U₀=14.24 В, U_0max=15.6 В, Е_0max=22 В,

где Е_0max – напряжение на входе выпрямителя, при U_Cmax и I_0min.

    Мощность, рассеиваемая на Т2, при U_0max, U_Hmin, I_Э2 I_К2 и

    I_К2

    Р_К2=(U_0max – U_Hmin)I_К2=U_КЭ2 I_К2= (15.6 – 5)*1.23=13 Вт;

    Исходя  из значений I_К2 и Р_К2: