Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Проектирование стабилизированного источника питания. 3

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Дисциплина ЭЛЕКТРОНННЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ УПРАВЛЕННИЯ

Курсовой проект

тема: «Проектирование стабилизированного

источника питания»

Вариант № 25

Выполнил:

ст. гр. ЗЭМВ – 21у

Шитов А.С.

Принял: преподаватель

Сердюков Н.А.

Вологда 2012

оглавление

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ ………………………………………………………… 3

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………… 4

1. Аналитический обзор ……………………………………………………………… 5

1.1 Выпрямительные устройства …………………………………………………. 5

1.2 Стабилизаторы напряжения …………………………………………………... 8

1.2.1 Параметрический стабилизатор ………………………………………….. 8

1.2.2 Компенсационный стабилизатор ………………………………………… 9

1.2.3 Импульсные стабилизаторы …………………………………………….. 10

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ……………………………………… 11

3. Расчет параметров компонентов структурной схемы …….. 12

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И РАСЧЕТ

ЕЕ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ …………………………………………….. 14

4.1 Расчет выпрямителя, трансформатора и фильтра …………………….……. 14

4.1.1 Расчет выпрямителя …………………….……………………………….. 14

4.1.2 Расчет трансформатора …………………….……………………………. 16

4.2 Расчет стабилизатора ………………………………………………………… 18

4.3 Расчет схемы защиты ………………………………………………………… 21

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ……………………………………………………………... 23

6. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА ……………………………... 23

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………… 24

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………... 25

ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………………………... 26

Приложение 1 ……………………………………………………………………... 27

Приложение 2 ……………………………………………………………………... 29

Приложение 3 ……………………………………………………………………... 30

Приложение 4 ……………………………………………………………………... 31 Приложение 5 ……………………………………………………………………... 32

Приложение 6 ……………………………………………………………………... 33

Техническое задание

Проектирование стабилизированного источника питания с характеристиками, соответствующими техническому заданию:

Условия технического задания:

Номинальное напряжение питающей сети: U_C = 110 B

Отклонение напряжения питающей сети от номинального: DU_C = 30%

Частота питающей сети: f = 400 Гц

Номинальное напряжение на выходе цепи: U_H = 5 B

Отклонение напряжения на выходе цепи от номинального: DU_H = 2%

Минимальное сопротивление нагрузки: R_{H MIN} = 5 Ом

Максимальное сопротивление нагрузки: R_{H
MAX} = 1000 кОм

Коэффициент срабатывания защиты по току: K_ЗАЩ = 1,5

Введение

Источники электропитания, являющиеся неотъемлемой частью любых радиотехнических устройств, представляют собой комплексы элементов, приборов и аппаратов, вырабатывающих электрическую энергию и преобразующих ее к виду, необходимому для нормальной работы радиоустройств.

Все источники питания могут быть разделены на две группы – на источники первичного и вторичного питания.

Источниками первичного питания называются устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую.

Источниками вторичного питания называются устройства, преобразующие электрическую энергию одного вида в другой. К ним относятся преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители), преобразователи переменного напряжения в переменное (инверторы), преобразователи величины переменного напряжения (трансформаторы), преобразователи частоты переменного тока (умножители и делители частоты) и многие другие.

Я в своем курсовике буду заниматься проектированием источника вторичного питания.

Основными элементами, входящими в схему источника питания, являются трансформатор, выпрямитель и фильтр.

1. Аналитический обзор

1.1 Выпрямительные устройства

Выпрямитель является статическим преобразователем переменного тока в постоянный. Его основными элементами являются трансформатор, электрические вентили и сглаживающий фильтр.

Рис. 1.1

Приведенная на рис. 1.1 структурная схема выпрямителя содержит:

Тр – трансформатор, В – электрические вентили, Ф – сглаживающий фильтр.

Основное назначение трансформатора заключается в том, чтобы преобразовать переменное напряжение источника первичного питания до величины, соответствующей заданному значению выпрямленного напряжения. Кроме того трансформатор необходим для электрического разделения цепей постоянного и переменного токов.

Электрические вентили служат для выпрямления, т.е. преобразования переменного напряжения в напряжение одного известного направления. При выпрямлении напряжения синусоидальной формы мгновенные значения выпрямленного напряжения периодически изменяются по величине, т.е. напряжение получается пульсирующим.

Непосредственное питание радиотехнических схем от выпрямителей в большинстве случаев является недопустимым из-за большой амплитуды переменной составляющей. Для уменьшения амплитуды переменной составляющей, т.е. сглаживания пульсаций применяют специальные устройства – сглаживающие фильтры. Кроме трансформаторов, вентилей и фильтров, источники питания могут содержать дополнительные устройства: стабилизаторы напряжения и устройства защиты от повреждений при нарушениях нормального режима работы.

В выпрямителях в основном используют следующие схемы:

Однополупериодная (рис. 1.2) является простейшей схемой выпрямления и работает только на нагрузку емкостного характера. Из-за низкого коэффициента использования выпрямительного трансформатора и необходимости применения большой емкости для сглаживания пульсаций данная схема широкого распространения не получила. Применяется она в тех случаях, когда требуются выпрямленные напряжения в пределах до 100 В при токах нагрузки, не превышающих несколько миллиампер.

Основным преимуществом однополупериодной схемы является ее простота, так как схема содержит всего два элемента – трансформатор и вентиль.

Недостатками схемы являются:

а) большие размеры и вес трансформатора;

б) значительная величина обратного напряжения на вентиле;

в) значительная величина амплитуды тока через вентиль;

г) большая величина и низкая частота пульсаций, что приводит к увеличению размеров и веса сглаживающего фильтра.

Двухполупериодная схема с выводом средней точки (рис. 1.3) дает несколько больший коэффициент использования выпрямительного трансформатора и меньшую по сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя пульсацию.

Двухполупериодная схема с нулевым выводом имеет следующие преимущества перед однополупериодной схемой:

а) размеры и вес трансформатора значительно уменьшаются вследствие лучшего использования обмоток;

б) амплитудное значение тока через вентиль уменьшается вдвое;

в) значительно уменьшаются размеры и вес сглаживающего фильтра вследствие увеличения вдвое основной частоты пульсации и уменьшения более чем в два раза коэффициента пульсации.

Недостатками схемы являются: необходимость вывода нулевой точки вторичной обмотки трансформатора и наличие в схеме двух вентилей вместо одного.

Однофазная мостовая схема (рис. 1.4) находит наиболее широкое применение при питании от однофазной сети. Обратное напряжение, приходящееся на каждый вентиль, и напряжение вторичной обмотки трансформатора при этой схеме примерно в два раза меньше, чем в двухполупериодной схеме. Данную схему используют как при емкостном, так и индуктивном характере нагрузки для получения выпрямленных напряжений от 10 до нескольких сотен вольт при токах в нагрузке от сотен миллиампер до сотен ампер. При больших выпрямленных напряжениях различием в прямых падениях напряжения на вентилях в схемах двухполупериодной и однофазной мостовой можно пренебречь, и тогда преимущество мостовой схемы неоспоримо. Весьма существенным преимуществом однофазной мостовой схемы является также и то, что она может быть непосредственно подключена к питающей сети переменного тока, как, например, в схеме стабилизатора с бестрансформаторным входом.

Однофазная мостовая схема имеет следующие преимущества перед двухполупериодной схемой с нулевым выводом:

а) размеры и вес трансформатора меньше вследствие лучшего использования обмоток;

б) не требует специального вывода от средней точки вторичной обмотки;

в) напряжение на зажимах вторичной обмотки вдвое меньше;

г) вентили могут включатся в сеть переменного тока без трансформатора, если напряжение этой сети обеспечивает получение необходимого значения выпрямленного напряжения;

в) обратное напряжение, приходящееся на один вентиль, вдвое меньше.

В однофазной мостовой схеме целесообразно использовать только полупроводниковые вентили.

Симметричная схема удвоения напряжения используется для получения выпрямленных напряжений (до нескольких киловольт) при небольших (до десятков миллиампер) значениях тока нагрузки. По сравнению с однополупериодной схема удвоения имеет лучший коэффициент использования трансформатора. Эта схема при одном и том же значении выпрямленного напряжения имеет примерно в 2 раза меньшее напряжение на вторичной обмотке выпрямительного трансформатора и соответственно вдвое меньшее обратное напряжение на вентиле. Пульсация на выходе выпрямителя имеет частоту, равную удвоенной частоте тока питающей сети.

Недостатком схемы следует считать крутую внешнюю характеристику выпрямителя и то, что ни один из выводов вторичной обмотки трансформатора не может быть соединен с корпусом, если с ним соединен один из выводных концов выпрямителя.

Существуют также несимметричные схемы с умножением напряжения: трехфазные-однотактные и мостовые схемы выпрямления.

Для уменьшения пульсаций напряжения на выходе выпрямителя используются сглаживающие фильтры. Допустимая величина пульсации характеризуется коэффициентом пульсации:

, (1.1)

где U_MAX – амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения,

U₀ – среднее значение выпрямленного напряжения.

Простейшими сглаживающими фильтрами являются фильтры, состоящие либо из одной индуктивности, включенной последовательно с нагрузкой, либо из одной емкости, включенной параллельно нагрузке. Индуктивный фильтр обеспечивает хорошее сглаживание пульсаций при малых сопротивлениях нагрузки, т.е. при больших токах, поэтому его применяют главным образом в мощных выпрямительных установках. Емкостной фильтр обеспечивает хорошее сглаживание при больших сопротивлениях нагрузки, т.е. малых токах, поэтому его применяют в выпрямителях небольшой мощности.

1.2 Стабилизаторы напряжения

Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.

1.2.1 Параметрический стабилизатор

Стабилизаторами параметрического типа называются электрические схемы, напряжение на выходе которых остается практически неизменным при изменении входного напряжения или тока нагрузки в результате перераспределения токов и напряжений между отдельными элементами схемы. Для стабилизаторов этого типа характерным является наличие в схеме одного или нескольких нелинейных элементов.

Рис. 1.5 Рис. 1.6

На рис. 1.5 приведена блок-схема параметрического стабилизатора, состоящего из двух элементов: линейного 1 и нелинейного 2. Если стабилизатор работает в цепи постоянного тока, то в качестве линейного и нелинейного элементов используются активные сопротивления. При работе стабилизатора в цепи переменного тока, как правило, применяются реактивные сопротивления (индуктивные или емкостные).

Из рис. 1.6, где 1 – вольтамперная характеристика (ВАХ) линейного элемента, 2 – ВАХ нелинейного элемента, а также характеристика всей схемы в целом – 3, видно, что при изменении напряжения на входе стабилизатора от некоторого минимального значения U_{BX MIN} до максимального U_{BX MAX}, напряжение на выходе стабилизатора изменяется в более узких пределах, чем на входе. Это объясняется тем, что большая часть приращения напряжения падает на линейном элементе. Таким образом, в параметрических стабилизаторах выходное напряжение почти не меняется при изменении входного за счет перераспределения напряжений между отдельными компонентами схемы.

1.2.2 Компенсационный стабилизатор

Стабилизаторы компенсационного типа характеризуются тем, что напряжение на выходе остается практически неизменным при изменении входного напряжения или тока нагрузки в результате воздействия цепи отрицательной обратной связи на регулирующий элемент схемы. Таким образом, принципиальным отличием компенсационного стабилизатора от параметрического является наличие в схеме отрицательной обратной связи.

Рис. 1.7

На рис. 1.7 приведена блок-схема компенсационного стабилизатора, состоящего из трех элементов: регулирующего 1, измерительного 2 и усилительного 3. Элемент 1 представляет собой регулируемое активное (для стабилизаторов постоянного тока) и реактивное нелинейное (для стабилизаторов переменного тока) сопротивление, включенное последовательно с нагрузкой. Элемент 2 фиксирует отклонение напряжения на выходе стабилизатора от некоторого эталонного напряжения. Элемент 3 усиливает изменение выходного напряжения и воздействует на регулирующий элемент, изменяя его сопротивление и поддерживая этим постоянство выходного напряжения с высокой степенью точности.

1.2.3 Импульсные стабилизаторы

Выше рассмотренные стабилизаторы являются стабилизаторами непрерывного действия. Значительно больший КПД имеют импульсные или ключевые стабилизаторы. Мощность нагрузки такого стабилизатора достигает 90%. Существенное повышение КПД ключевых стабилизаторов достигается импульсным режимом работы регулирующего элемента стабилизатора.

Рис. 1.8

На рис. 1.8 приведена структурная схема источника питания с ключевым стабилизатором. Здесь Тр – трансформатор, В – вентиль, Ф1 – первый сглаживающий фильтр, РЭ – регулирующий элемент, Пр – импульсное устройство, УЭ – усилительный элемент, ОЭ – опорный элемент, ИЭ – измерительный элемент, КЭ– коммутационный элемент, Ф2 – второй сглаживающий фильтр.

Для управления РЭ нужен импульсный генератор или импульсное устройство типа триггера. Выходное напряжение имеет форму импульсов, поэтому этому стабилизатору требуется сглаживающий фильтр.

Изменение выходного напряжения стабилизатора приводит к изменению длительности поступающего на составной транзистор отрицательного импульса мультивибратора. Это приводит к изменению падения напряжения до прежнего уровня, таким образом, происходит автоматическое регулирование выходного напряжения стабилизатора за счет отрицательной обратной связи.

По сравнению со стабилизаторами непрерывного действия ключевые стабилизаторы имеют следующие недостатки: большее значение амплитуды пульсаций выходного напряжения и меньший коэффициент стабилизации, который тем ниже, чем больше мощность нагрузки. Комбинированные непрерывно-импульсные схемы позволяют в определенной степени устранить недостатки стабилизаторов обоих типов.

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

Чаще всего, источники вторичного питания, состоят из следующих компонентов:

трансформатор – для преобразования переменного напряжения источника первичного питания, до величины, соответствующей заданному значению выпрямленного напряжения.

выпрямитель – для преобразования переменного напряжения в напряжение одного известного направления.

сглаживающие фильтры – для уменьшения амплитуды переменной составляющей, т. е. сглаживания пульсаций.

стабилизатор – устройство для поддержания напряжения на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.

защита – предназначена для защиты стабилизатора от перегрузки из-за чрезмерного тока нагрузки.

В соответствии с этим, мой источник будет состоять из перечисленных компонентов.

Структурная схема стабилизированного источника питания приведена на рис. 2.1.

Рис. 2.1

На данной схеме:

Тр – понижающий трансформатор;

ВГ – вентильная группа;

СФ – сглаживающий фильтр;

СТ – стабилизатор постоянного напряжения.

В соответствии с проделанным аналитическим обзором производим выбор устройств для реализации компонентов структурной схемы:

В качестве вентильной группы используем однофазную мостовую схему.
В качестве сглаживающего фильтра выберем емкостной фильтр.
В качестве блока стабилизации используем компенсационный стабилизатор с последовательным включением регулирующего транзистора и встроенным блоком защиты – ограничителем тока на транзисторе с резистором – «датчиком» в цепи эмиттера регулирующего составного транзистора.

3. Расчет параметров компонентов структурной схемы

Основными показателями качества стабилизированного источника питания можно считать:

Относительный коэффициент стабилизации, равный отношению относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе источника при R_Н = const:

Отношение , или абсолютный коэффициент стабилизации, равносильно коэффициенту сглаживания фильтра и часто применяется для оценки сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

Диапазон допустимого изменения входных и выходных напряжений, а также токов нагрузки, в пределах которого сохраняется заданная степень стабилизации выходного напряжения.

U_C0 = U_{C MAX} – U_{C
MIN} = 66В, где

– допустимое отклонение напряжения питающей цепи от номинального.

U_{C MAX} = U_C + U_{C
ДОП} = 143В – максимальное напряжение в питающей сети.

U_{C MIN} = U_C – U_{C
ДОП} = 77В – минимальное напряжение в питающей сети.

U_Н0 = U_{Н MAX} – U_{Н
MIN} = 0,2В, где

– допустимое отклонение выходного напряжения источника питания.

U_{Н MAX} = U_Н + U_{Н
ДОП} = 5,1 В – максимальное выходное напряжение.

U_{Н MIN} = U_Н – U_{Н
ДОП} = 4,9 В – минимальное выходное напряжение.

DI_Н = I_{Н MAX} – I_{Н
MIN} = 1,0151А, где

– максимальный ток нагрузки.

– минимальный ток нагрузки.

Отклонения напряжения сети: а_С = в_С = 0,15В.

Выходное сопротивление, характеризующее уменьшение выходного напряжения при колебаниях тока нагрузки, но при U_C = const:

Для стабилизаторов напряжения желательно иметь выходное сопротивление как можно меньше, причем не только в статическом режиме, при медленном изменении сопротивления нагрузки, но главным образом в динамическом, когда сопротивление нагрузки коммутируется. Возникающие в этом случае переходные процессы могут привести к весьма значительным выбросам или провалам выходного напряжения стабилизатора.

Ток срабатывания защиты:

I_ЗАЩ = K_ЗАЩ×I_Н = 1,52А.

Коэффициент пульсаций:

Примем U_{П М Н} = 0,005В

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И РАСЧЕТ ЕЕ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ

4.1 Расчет выпрямителя, трансформатора и фильтра

Зададимся амплитудой пульсаций на входе стабилизатора:

U_0– = 0,1×U_{H MAX} = 0,51 В.

Определим минимальное напряжение на входе стабилизатора:

U_{0 MIN} = U_{H MAX} + U_{КЭ1 MIN} + U_0–

Принимаем минимальное коллекторное напряжение транзистора Т₁: U_{КЭ1 MIN} = 2,5В,

тогда U_{0 MIN} = 5,1 + 2,5 + 0,51 = 7,91 В.

Минимальное потребление тока стабилизатором равно сумме токов, которыми мы задаемся через выходной делитель.

I_R1 = 18 мА – ток через резистор R1;

I_R2 = 2 мА – ток через резистор R2;

I_R3 = 5 мА – ток через резистор R3;

I_R4 = 5 мА – ток через резистор R4;

I_R5 = 10 мА – ток через резистор R5;

I_R6 = 15 мА – ток через резистор R6;

I_R7 = 15 мА – ток через резистор R7;

I_R8 = 15 мА – ток через резистор R8;

I_Д = 5 мА – ток через делитель напряжения.

I_{0 MIN} = I_R1 + I_R2 + I_R3 + I_R4 + I_R5 + I_R6 + I_Д = 50 мА.

Максимальное потребление тока от выпрямителя U_{C MIN} при I_{H
MAX}, U_{H MAX}:

I_{0 MAX} = I_{H MAX} + I_{0 MIN} = 1,02 + 0,05 = 1,07 А.

4.1.1 Расчет выпрямителя

Проанализировав аналитический обзор, можно прийти к выводу, что в качестве выпрямителя в нашем источнике питания целесообразно применить однофазную мостовую схему.

Найдем номинальное напряжение на входе стабилизатора:

Максимальное напряжение на входе стабилизатора:

Рассчитаем значение активного сопротивления обмоток трансформатора:

Пусть I₀ = I_ЗАЩ = 1,52А.

Вт – магнитная индукция в магнитопроводе, принимается равным 1,1 ¸ 1,5Тл.

Пусть Вт = 1,3Тл.

S – число стержней магнитопровода, для магнитопроводов ШЛ S = 1.

К_С = 3,5×10³ – коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя, это значение для однофазной мостовой схемы.

Тогда

Далее определим параметр А, зависящий от угла отсечки вентиля:

, где

р – число импульсов выпрямленного напряжения р = 2;

r – сопротивление фазы выпрямителя,

r = r_TP + n_B + r_ДИФ

n_B = 2 – количество последовательно включенных и одновременно работающих вентилей,

r_ДИФ – дифференциальное сопротивление диода, равное

В качестве вентилей выберем кремневые диоды типа КД202А с параметрами:

U_{ОБР МАХ} = 50В

I_СР = 5А

U_ПР = 0,9В

Тогда r = 0,101 + 2×0,39 = 0,881Ом

Из графиков определяем коэффициенты B, D, F, H: [Приложение 1]

B = 0,95 D = 2,2 F = 5,7 H = 375

4.1.2 Расчет трансформатора

Определим параметры трансформатора:

Действующее напряжение вторичной обмотки

при U_{C MIN} = 93,5B U_{2 MIN} = B×U_{0 MIN} = 0,95×7,91 = 7,51B

при U_{C HOM} = 110B

при U_{C MAX} = 126,5B U_{2 MAX} = U₂×(1 + a_C) = 8,835×(1 + 0,15) = 9,985B

Коэффициент трансформации

Ток вторичной обмотки трансформатора

Ток первичной обмотки трансформатора

Типовая мощность

Средний ток одного вентиля

Вентили КД202А подобраны правильно.

Вычислим габаритную мощность трансформатора

Определим размеры сердечника трансформатора:

где Q_СТ – полное сечение стержня, на котором расположены обмотки,

Q₀ – площадь окна сердечника, приходящаяся на обмотки одного стержня.

Выбираем Вт = 1,3Тл – максимальная магнитная индукция в сердечнике трансформатора, s = 1 – число стержней трансформатора, на которых расположены обмотки, s = 4А/мм² – плотность тока в обмотках, h_ТР = 0,9 – КПД трансформатора, k_М = 0,25 – коэффициент заполнения окна медью обмотки, k_С=0,85 – коэффициент заполнения сечения сердечника сталью.

Таким образом .

Мощность, потребляемая выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора:

Мощность самого трансформатора от выпрямителя должна составлять:

Для трансформатора можно использовать магнитопровод с минимальной площадью сердечника

Значение ширины стержня определим по формуле:

Выбираем магнитопровод Ш12´15, где а = 15мм, b = 12мм, h = 9мм, L = 42, Н = 21, В = 15.

Толщина набора для сердечника из пластин:

Полное сечение стержня, на котором расположены обмотки:

Определим э.д.с. одного витка:

Число витков первичной обмотки: .

Проектирование стабилизированного источника питания. 3