Проектирование источника вторичного электропитания. 2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ
ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
Курсовой проект
по курсу «Электроника и микросхемотехника»
на тему «Проектирование источника вторичного электропитания»
(Вариант № 5)
Выполнил
студент гр. АКГ-10 Давиденко А. В.
Проверил
канд. техн. наук., доц. Баранов А. Н.
Алчевск, 2012
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Источники питания за последние годы существенно изменились. Эти изменения вызваны беспрерывной целью уменьшить их массу и габариты, повысить КПД за счет использования наиболее рациональных схем, использование высокочастотного превращения энергии постоянного тока, экономных импульсных методов регулирования, интегральных микросхем. Номинальные значения напряжений составляют единицы или десятки вольт при токах напряжения в десятки или даже сотни ампер. Это привело к созданию различных структурных схем построения источников питания, каждая из которых имеет место применения в конкретных условиях [1].
В основу курсового проекта положены результаты обобщения опыта разработки, изготовления и эксплуатации источников электропитания, которые позволили спроектировать выходной продукт для разработки по эксплуатации.
Полученная в результате расчетов
схема источника питания
Целью курсового проекта является разработка и проектирование источника вторичного электропитания, для радиоэлектронной аппаратуры, которая питается от источника переменного напряжения.
Поставленная цель потребовала решения следующих основных задач:
- обзора существующих схемных решений для построения источников питания;
- анализа технического задания и разработки структурной схемы источника питания;
- расчета параметров стабилизатора первого канала;
- расчета параметров выпрямителей;
- расчета параметров трансформатора;
- расчета параметров узлов индикации;
- выбора сетевого выключателя и предохранителя.
При решении задач использовались следующие методы:
- метод наблюдения и сбора информации;
- метод синтеза электронных схем;
- метод анализа существующих решений;
- метод дедукции и индукции;
- метод обобщения.
При решении задач использовались следующие средства:
- компьютер класса Pentium 4;
- операционная система Windows ХР;
- текстовый редактор Microsoft Word.
1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ
СХЕМНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ
Новой разработкой на рынке компьютеров стал блок питания с форматом АТХ, который использует новую конструкцию системной платы и блока питания. В его основе лежит стандарт LPX (Slimline), но существует ряд особенностей, которые следует отметить. В данный момент наиболее используется спецификация АТХ версии 2.01. Главная особенность состоит в том, что вентилятор теперь размещен на стенке корпуса блока питания, которая повернута в середину компьютера, и поток ветра направляется вдоль системной платы, поступая снаружи. Такое решение в корне отличается от традиционного, когда вентилятор размещается на тыльной стенке корпуса блока питания. Поток ветра в блоке АТХ направлен на компоненты платы, которые выделяют больше всего тепла (процессор, модули памяти и платы расширения). Поэтому возникает необходимость надежных вентиляторах для процессора. Другим достоинством обратного направления ветра является уменьшение загрязнения внутренних узлов компьютера. В корпусе приобретается лишнее давление, и ветер выходит через щели в корпусе, в отличии от систем другой конструкции. В АТХ-системах дым будет отгоняться от прибора, поскольку вовнутрь ветер попадает только через одно входное отверстие на тыльной стороне блока питания. В системе, которая работает в условиях повышенной запыленности, на ветрозаборнике можно установить фильтр, который предотвратит попаданию в систему частичек пыли. Еще одна проблема, решенная в конструкции АТХ, связана с системой охлаждения процессора. Во всех современных процессорах устанавливается активный теплоотвод, который является маленьким вентилятором одетый на процессор для его охлаждения. В системах модели АТХ для дополнительного охлаждения процессора используется заслонка рядом с блоком питания, которая направляет поток ветра от вентилятора к процессору. Блок питания модели АТХ берет ветер снаружи и создает в корпусе излишнее давление, тогда как в корпусах других систем давление занижено. Поток ветра в противоположном направлении позволил значительно облегчить охлаждение процессора и других компонентов системы. После появления на рынке процессоров Pentium II (1997 год) и Pentium III (1999 год) этот тип корпуса стал использоваться всюду, заменив BABY-AT. Конструкция АТХ такие же функции, как и BABY-AT и Slimline, а также позволяет решить две серьезные проблемы, которые возникают при их использовании. Каждый из традиционных блоков питания персональных компьютеров, которые используются в РС имеет два разъема, которые вставляются в системную плату. Проблема такова: если вы перепутаете разъемы, то сожжете системную плату. Большинство изготовителей качественных систем выпускают разъемы системной платы и блока питания с ключами во избежание путаницы, но почти все дешевые системы не имеют ключей не на системной плате, не на блоке питания. Во избежание неправильного подключения разъемов блока питания, в модели АТХ предназначен новый разъем питания для системной платы. Он содержит двадцать контактов и является одиночным разъемом с ключем. Его невозможно подключить неправильно, поскольку за место двух разъемов используется один. В новом разъеме предвидена цепь питания на 3,3 В, которая позволяет отказаться от преобразователя напряжения на системной плате, который используется для процессора и других микросхем, потребляемых 3,3 Ст для напряжения 3,3 В, блок АТХ обеспечивает другой набор сигналов, которые отличаются от других обычных сигналов для стандартных блоков. Это сигналы Power_On и 5v_Standby (5VSB). Первый из них – это сигнал системной платы, который может использоваться такими операционными системами, как Windows (они поддерживают возможность выключения и запуска системы программным путем). На рисунке 1.1 представлена схема блока питания формата АТХ [2].
Рисунок 1.1 – Блок питания стандарта АТХ
2 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
2.1 Принцип работы блока питания
В соответствии с техническим заданием в данном курсовом проекте необходимо разработать блок питания. Блок питания – устройство для формирования напряжения, которое необходимо системе, из напряжения электрической сети. Этот выпрямитель дает постоянный номинальный ток, он питается от сети переменного тока высокого напряжения. При питании от сети с низким напряжением номинальный ток на выходе уменьшается.
После подачи напряжения с сети на выпрямитель, ток подается на электромагнитный фильтр и протекает через такие защитные компоненты, как размыкание сети переменного тока и предохранитель. Основная функция этих защитных устройств состоит в избегании повреждений выпрямителя в результате скачков напряжения, эффективному уменьшении шума в дифференциальном и обычном режиме, уменьшении высокочастотного шуму, который проходит вместе с входным током с сети питания, и предотвращения выкидов шумов с выпрямителя в сеть питания переменного тока.
Напряжение переменного тока на входе выпрямляется и преобразуется в постоянный ток, который протекает шиной через стадию усиления коррекции коэффициента мощности. Эта стадия коррекции коэффициента мощности поддерживает коэффициент мощности на уровне >0,99 и суммарное значение коэффициента нелинейных искажений на уровне <5%. Напряжение постоянного тока на шине модулируется на частоте 75 КГц и снижается с помощью электрического трансформатора. Выход из этого трансформатора выпрямляется и фильтруется, и в итоге получается выходной постоянный ток [8].
Современные стабилизированные источники вторичного электропитания отличаются многообразием решений структурных, функциональных, принципиальных схем и узлов. Это объясняется столь же многочисленными и разнообразными требованиями, предъявляемыми радиоэлектронной аппаратурой к источникам питания [10].
Стабилизированные источники вторичного электропитания условно классифицируются по основным признакам: по роду тока входного и выходного напряжения, различают преобразователи напряжения переменного тока в постоянный, с постоянного в переменный, с постоянного в постоянный, комбинированные преобразователи напряжения; по виду регулирующих элементов – ламповые, магнитные, полупроводниковые (транзисторные, тиристорные, на интегральных микросхемах), магнитополупроводниковые и др.; по номинальному напряжению – низкого напряжения (до 100 В), средней (100-1000), высокой (свыше 1000 В); по допустимому отклонению выходного напряжения (нестабильности) – низкой точности (более 5%), средний (1-5%), высокой (0,1-1%), прецизионной (менее 0,1%) по пульсациях входного напряжения – с малым коэффициентом пульсации (менее 0,1%), средним (0,1-1%), большим (более 1%); по выходной мощности – микромощные (до 1 Вт), малой мощности (1-ЮВТ), средней (10-100 Вт), повышенной (100 Вт), большой (свыше 1000 Вт); по способу регулирования напряжения – непрерывные и импульсные; по наличию цепи обратной связи – без нее (параметрические), с одной и несколькими цепями обратной связи (компенсационные), комбинированные и др. [8].
Любой стабилизированный источник вторичного электропитания является совокупностью нескольких функциональных узлов, выполняющих различные виды преобразования электрической энергии: выпрямление, фильтрацию, инвертирование, трансформацию, регулирование, стабилизацию, усиление, защиту и так далее. Эти функциональные узлы характеризуются рядом признаков: назначение, входными и выходными параметрами, условиями эксплуатации, элементной базой.
Выпрямитель В – преобразователь переменного напряжения питающей сети в постоянное напряжение. Он является одним или несколькими нелинейными элементами с односторонней проводимостью, соединенными в одну из многочисленных схем выпрямления.
Фильтр Ф – устройство содержащее С, L и активные элементы R и предназначено для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения. Фильтр используется также для защиты от помех, поступающих во вторичный источник из первичной питающей сети.
Трансформатор Т – электромагнитное устройство переменного тока, предназначенное для изменения напряжения, согласования сопротивлений электрических цепей, разделение цепей источника и нагрузки по постоянному току, а также для изменения состояния цепи относительно корпуса.
Трансформатор применяется в источнике вторичного электропитания как самостоятельный узел или входит в состав других узлов, например усилитель мощности.
Стабилизатор – устройство, напряжение постоянного тока или переменного тока поддерживает неизменным, в заданных пределах при воздействии различных возмущающих воздействий. В результате, в ряде случаев стабилизатор напряжения осуществляет точную установку номинала выходного напряжения, обеспечивает возможность плавного регулирования напряжения. Стабилизаторы напряжения постоянного тока с непрерывным способом регулирования могут подавлять переменную составляющую в напряжении постоянного тока. На рисунке 2.1 изображена структурная схема источника питания [10].
Рисунок 2.1 – Структурная схема источника питания
На вход подается переменное напряжение , с помощью трансформатора Т изменяется до необходимой величины. Кроме того, трансформатор осуществляет гальваническую развязку источника выпрямленного напряжения устройства нагрузки, что позволяет приобретать с помощью нескольких вторичных обмоток различных значений напряжения, гальванически не связанных. После трансформатора переменное напряжение с помощью выпрямителя В преобразуется в пульсирующее напряжение. В выпрямленном напряжении, кроме постоянной составляющей, присутствует постоянная переменная, с помощью сглаживающего фильтра Ф снижается до необходимого уровня, так что напряжение на выходе фильтра имеет очень малые пульсации. Установленный после фильтра стабилизатор поддерживает неизменным напряжение на нагрузке при изменении значений выпрямленного напряжения или сопротивления нагрузки [10].
3 РАСЧЕТ СТАБИЛИЗАТОРА 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
где — напряжение на нагрузке; — напряжение насыщения регулирующего транзистора (обычно принимается 3…5В для кремневых транзисторов); — максимальный уровень пульсаций входного напряжения стабилизатора.
В; (3.2)
Номинальное и максимальное значения напряжения на входе стабилизатора с учетом колебания питающей сети ±20%
Максимальное падение
. (3.4)
Максимальный ток через
Максимальная мощность рассеяния на транзисторе VT1
(3.6)
В качестве регулирующего элемента принимаем схему составного транзистора, в которой VT2 и VT3 транзистор типа КТ892Б со следующими параметрами [4]:
- коэффициент передачи тока =100…200
- максимально допустимое постоянное напряжение коллектор–эмиттер = 400 В;
- максимально допустимый постоянный ток коллектора = 30 А;
- максимально допустимая рассеиваемая мощность с теплоотводом =100 Вт;
- тепловой ток =1 мА.
Базовый ток составного транзистора VT2
(3.7)
VT3 типа КТ805БМ
- коэффициент передачи тока =15
- максимально допустимое постоянное напряжение коллектор–эмиттер = 160 В;
- максимально допустимый постоянный ток коллектора = 5 А;
- максимально допустимая рассеиваемая мощность с теплоотводом =30 Вт;
- тепловой ток =0,1 мА.
(3.8)
(3.9)
(3.10)
а VT3
Выбираем шунтирующие резисторы [4]:
Выбираем шунтирующие резисторы типа МЛТ–0,125–680 Ом и
МЛТ–0,125–6,8 кОм.
3.2 Расчёт источника опорного напряжения
(3.12)
Источник опорного напряжения построим по схеме параметрического стабилизатора, питающегося от выходного напряжения. Он выполнен на стабилитроне VD1 и балластном резисторе RБ. Выбираем стабилитрон типа 2С213А со следующими параметрами [5]:
- напряжение стабилизации
- разброс напряжения стабилизации – 3,5%;
- минимальный ток стабилизации 30 мА;
- максимальный ток стабилизации 9 мА;
- дифференциальное сопротивление 22 Ом;
- температурный коэффициент напряжения стабилизации ;
- максимально допустимая рассеиваемая мощность = 0,20 Вт;
Величина балластного резистора при токе стабилизации 12 мА.
Минимальное выходное напряжение стабилизатора
Максимальное выходное напряжение стабилизатора
Баластный резистор :
Выбираем резистор типа МЛТ–0,25–5,5 кОм [12].
3.3 Расчёт измерительного элемента
В качестве измерительного элемента используем делитель напряжения на резисторах R11, R13 и R14.
Задаемся током делителя = 4 мА = 0,004 А.
Коэффициенты передачи делителя при возможности подстройки напряжения в пределах ±2 В
(3.18)
(3.19)
Суммарное сопротивление делителя
Сопротивление нижнего плеча делителя
(3.21)
Сопротивление верхнего плеча делителя
(3.22)
Переменное сопротивление
(3.23)
Определяем мощности резисторов делителя напряжения
мВт; (3.24)
Вт; (3.25)
Вт. (3.26)
Выбираем резисторы для делителя [12]:
R11 типа МЛТ–0,125–150 Ом;
R12 типа СП3–23–0,125–200 Ом;
R13 типа МЛТ–0,125–1,3 кОм.
3.4 Расчёт усилителя сигнала рассогласования
Элемент сравнения и усилитель постоянного тока выполним на транзисторе VT5 (приложение А).
Задаемся максимальным коллекторным током усилительного транзистора мА.
Определяем напряжение коллектор–эмиттер усилительного транзистора
(3.27)
Максимальная мощность, рассеиваемая на транзисторе
(3.28)
В качестве усилительного транзистора VT5 выбираем транзистор типа 2Т363А со следующими параметрами [4]:
- коэффициент передачи тока = 20…70
- максимально допустимое постоянное напряжение коллектор–эмиттер = 15 В;
- максимально допустимый постоянный ток коллектора = 30 мА;
- максимально допустимая рассеиваемая мощность = 150 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
Выходной ток
(3.29)
Напряжение коллектор–эмиттер транзистора VT1 не превышает входного напряжения стабилизатора = = 16,13 В.
Максимальная мощность рассеяния транзистора VT1
(3.30)
Для токостабилизирующего двухполюсника выбираем транзистор типа
КТ375Б со следующими параметрами [4]:
- коэффициент передачи тока = 50…280
- максимально допустимое постоянное напряжение коллектор–эмиттер = 30 В;
- максимально допустимый постоянный ток коллектора = 0,1 А;
- максимально допустимая рассеиваемая мощность с теплоотводом = 200 мВт.
Ток базы транзистора VT1
(3.31)
Задаемся током по цепи VD7–VD8–R2
(3.32)
Принимаем = 10 мА.
Выбираем диоды VD7 и VD8 типа КД522А со следующими параметрами [5]:
- максимально допустимый средний прямой ток = 100 мА;
- максимально допустимое постоянное обратное напряжение = 30 В.
Сопротивление R2
Ом. (3.33)
Мощность, рассеиваемая на резисторе R2
(3.34)
Вт. (3.35)
Выбираем резистор R2 типа МЛТ–0.25–1,4 кОм [9].
Напряжение на резисторе R3
В. (3.36)
Ток через резистор R3
А. (3.37)
Сопротивление резистора R3
Ом. (3.38)
Мощность, рассеиваемая на резисторе R3
Вт. (3.39)
Выбираем резистор R3 типа МЛТ–0,125–120 Ом [12].
3.6 Расчёт схемы защиты от перегрузки по току
Схема защиты от перегрузки по току осуществлена на транзисторе VT2(приложение А).
Ток срабатывания защиты
А.
Напряжение на шунте при токе IМАКС принимаем равным В.
Сопротивление шунта
Ом. (3.41)
Мощность шунта
Вт. (3.42)
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 [12].
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
(3.43)
где fh21БРЭ - предельная частота коэффициента передачи тока регулирующего транзистора.
3.8 Расчёт КПД стабилизатора
Номинальный и минимальный КПД стабилизатора находим из выражений
(3.44)
(3.45)
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 [5].
Значение выходного напряжения выпрямителя Ud =16,13 B. Ток нагрузки Id = 10 А.
Обратное напряжение вентилей
Среднее значение тока вентиля
(4.2)
Выбираем диоды типа КД202В со следующими параметрами [5]:
– максимальный прямой ток Iпр = 5 А;
– напряжение переключения Um = 100 В;
– прямое падение напряжения 1 В.
4.2 Рассчитаем
фильтр выпрямителя первого
Используем однозвенный LC–фильтр.
Для выпрямленного напряжения U=16,13 В и амплитуды пульсаций 300мВ коэффициент пульсаций определяется так
(4.3)
Коэффициент фильтрации фильтра определяется по выражению
(4.4)
Определяем величину LC:
(4.5)
Эквивалентное сопротивление нагрузки канала
(4.6)
Индуктивность дросселя фильтра
(4.7)
Выбираем дроссель типа Д269 со следующими параметрами [4]:
– индуктивность L = 0,025 Гн;
– номинальный ток подмагничивания IН = 18 А;
Емкость конденсатора фильтра
Выбираем три конденсатора типа К50-24 со следующими параметрами [4]:
– номинальное напряжение U =50 В;
– допустимая амплитуда переменного напряжения Um=5%;
– номинальная емкость 2000 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
(4.9)
Ток через диод
(4.10)
Выбираем диоды типа КД105В со следующими параметрами [7]:
– максимальный прямой ток Iпр = 0,3 А;
– напряжение переключения Um = 600 В;
– прямое падение напряжения 1 В.
4.4 Расчет фильтра выпрямителя второго канала
Используем однозвенный LC–фильтр.
Для выпрямленного напряжения U = 280 В, и амплитуды пульсаций 28 В коэффициент пульсаций определяется так
(4.11)
Коэффициент фильтрации фильтра определяется по выражению
(4.12)
Определяем величину LC:
(4.13)
Эквивалентное сопротивление нагрузки канала
Ом. (4.14)
Индуктивность дросселя фильтра
Гн. (4.15)
Выбираем дроссель типа Д227 со следующими параметрами [7]:
– индуктивность L = 5 Гн;
– номинальный ток подмагничивания IН = 0,05 А;
Емкость конденсатора фильтра:
мкФ. (4.16)
Выбираем конденсатор типа К50-27 со следующими параметрами [6]:
– номинальное напряжение U = 350 В;
– допустимая амплитуда переменного напряжения Um = 5%;
– номинальная емкость 4,7 мкФ –10 +30%
5 РАСЧЕТ ТРАНСФОРМАТОРА
5.1 Расчет
основных параметров
Напряжения вторичных обмоток
(5.1)
В. (5.2)
5.2 Действующее значение тока вторичных обмоток
(5.3)
А. (5.4)
5.3 Коэффициент
трансформации силового
(5.6)
5.4 Действующее
значение тока первичной обмотк
(5.7)
5.5 Типовая мощность трансформатора
(5.8)
Определяем произведение SСТSОК
,
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;
h – 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.
Выбираем магнитопровод типа Ш132´50 с SСТSОК = 409 см4.
5.6 Число витков первичной обмотки
втк. (5.10)
5.7 Число витков для вторичной обмотки первого канала
втк. (5.11)
Так как первый канал выполняется по двухполупериодной схеме с нулевой точкой, то таких обмоток две.
5.8 Число витков для вторичной обмотки второго канала
