МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра АВТ

Дисциплина  электроника 
 
 
 

Курсовой проект

тема: «Проектирование  стабилизированного

источника питания» 
 
 

                                         Выполнил студент: Иванова Е. В.

                                         Группа: ЭМ-31

                                         Принял: к.т.н. Сердюков Н.А. 
 
 
 
 
 

г. Вологда

2011г.

оглавление

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

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

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР     …………………………………………… 6

1.1  Основные параметры    ……………………………………………………. 6

1.2  Выпрямительные устройства     ………………………………………….... 7

1.3   Стабилизаторы напряжения  ……………………………………………….. 12

1.3.1  Параметрический стабилизатор …..……………………………………….. 12

1.3.2  Компенсационный стабилизатор …………………………………………….14

1.3.3  Импульсные стабилизаторы ……………………………………………….. 17

2. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ………………………………………… 20

3.  Расчет параметров компонентов структурной схемы .. 21

4.  РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И РАСЧЕТ

ЕЕ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ……………………………………………….. 26

4.1  Расчет выпрямителя, трансформатора и фильтра ………………….……. 26

4.1.1  Расчет выпрямителя  …………………….………………………………….. 27

4.1.2  Расчет трансформатора  ………………….…………………………………. 28

4.2  Расчет стабилизатора ………………………………………………………… 32

4.3  Расчет схемы защиты ………………………………………………………… 40

4.3  Расчет радиатора   …………………………………………………………… 41

5.  МОДЕЛИРОВАНИЕ ………………………………………………………... 42

6.  РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА ………………………... 45

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………… 46

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………... 47

ПРИЛОЖЕНИЯ  ……………………………………………………………………... 49

Приложение 1 ……………………………………………………………………... 49

Приложение 2 ……………………………………………………………………... 50

Приложение 3 ……………………………………………………………………... 52

Приложение 4 ……………………………………………………………………... 53  
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 = 25%

Частота питающей сети: f = 50 Гц

Номинальное напряжение на выходе цепи: U_H = 15 B

Отклонение напряжения на выходе цепи от номинального: DU_H = 0,5%

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

Максимальное  сопротивление нагрузки: R_{H MAX} = 1 кОм

Коэффициент срабатывания защиты по току: K_ЗАЩ = 2

ВВЕДЕНИЕ

       Минувшее  десятилетие ознаменовалось резким увеличением темпов технического прогресса, научно-технической революцией во многих областях современной техники и прежде всего  в радиоэлектронике и автоматике.

       В каждом электронном устройстве имеется источник электропитания, от нормального функционирования которого зависит работоспособность всего устройства. Эти источники разнообразны, и выбор того или иного из них определяется потребляемой мощностью, видом питаемого электронного устройства, а также условиями его эксплуатации. В одних случаях источники питания конструктивно объединены с питаемым устройством, в других – отделены от него и представляют собой самостоятельную конструкцию

  Радиоэлектронная  аппаратура и приборы автоматики предъявляют весьма жесткие требования к качеству потребляемой ими электрической энергии, а в ряде случаев требуют обязательного преобразования энергии первичного источника. Поэтому одновременно с прогрессом в автоматике и радиоэлектронике происходило бурное развитие преобразовательной техники и статических средств вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, которые осуществляют необходимые преобразования электрической энергии (часто многократные), обеспечивая при этом требуемые значения питающих напряжений как постоянного, так и переменного – однофазного или многофазного – токов; электрическую изоляцию цепей питания друг от друга и от первичного источника; высокую стабильность вторичных питающих напряжений в условиях значительного изменения первичного питающего напряжения и нагрузок; требуемую форму напряжений переменного тока, постоянство сдвига их фаз и высокую стабильность их частоты и т. п.

       Полученные  в этой области качественно новые  результаты, а именно обеспечение  высокой надежности, экономичности и большого срока службы средств вторичного электропитания при их сравнительно малых габаритах и массе, обусловлены переходом на полупроводниковую элементную базу.

       В настоящее время средства вторичного электропитания представляют собой  достаточно сложные устройства, которые содержат большое количество разнообразных функциональных узлов, выполняющих те или иные функции преобразования электрической энергии и улучшения ее качества. Прогресс в разработке и совершенствовании переносных, подвижных и стационарных автономных объектов различного назначения, территориально удаленных от промышленных энергетических систем и снабженных автономными первичными источниками электрической энергии типа аккумуляторных или солнечных батарей, топливных элементов, ядерных источников и т. п., вызвал повышенный интерес инженеров и ученых к области питания радиоэлектронной аппаратуры и систем автоматики от первичной сети переменного тока.

     В итоге разработок создан обширный класс  полупроводниковых преобразовательных устройств. Согласно ГОСТ 23413-79 средством вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры называется функциональная часть радиоэлектронной аппаратуры, использующая электроэнергию, получаемую от системы электроснабжения или источника питания электроэнергией и предназначенную для формирования вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Источники вторичного электропитания состоят из функциональных узлов вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, выполняющих одну или несколько функций, например, функции выпрямления, стабилизации, усиления, регулирования и т. п. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

      1.1 Основные параметры 

      Вторичные источники питания характеризуются  рядом электрических эксплуатационных и массогабаритных параметров, которые обеспечивают их работоспособность в составе радиоэлектронных комплексов.

При проектировании источников вторичного питания (ИВЭП), а также при выборе и расчетах элементов силовой части устройства необходимо учитывать следующие  основные параметры источника первичного напряжения:

• Номинальное значение напряжения питающей сети переменного или постоянного тока.
• Максимальное и минимальное значения напряжения питающей сети.
• Амплитуды и длительности провалов и выбросов напряжения питающей сети.
• Пределы изменения частоты питающей сети.
• Число фаз питающей сети.

   ИВЭП  характеризуется также рдом выходных электрических параметров, которые  обеспечивают возможность их применения в составе радио-электронной аппаратуры различного назначения. К основным электрическим параметрам ИВЭП могут быть отнесены:

• Номинальное значение выходного напряжения (тока).
• Граничные минимальные и максимальные значения пределов регулирования или изменения выходного напряжения (тока).
• Нестабильность выходного напряжения (тока), определяемая отношеним изменения выходного напряжения (тока), вызванного различными дестабилизирующими факторами. (изменение входного напряжения, сопротивления нагрузки, климатических условий и т.д.)
• Допустимый размах переменной составляющей выходного напряжения.
• Допустимая амплитуда выброса выходного напряжения при скачкообразном уменьшении тока нагрузки.
• Коэффициент полезного действия, определяемый отношением мощности, отдаваемой ИВЭП в нагрузку, к мощности, потребляемой от источника первичного питания.
• Коэффициент мощности, определяемый отношением активной мощности, потребляемой от сети переменного тока, к полной мощности.
• Длительность процесса установления выходного напряжения, отсчитываемая от момента включения.

   К ИВЭП предъявляются также специальные  требования, которые указываются в техническом задании на разработку, к ним, как правило, относятся:

• Обеспечения электронной защитой как самого источника питания, так и потребителей.
• Обеспечение гальванической развязки выходных цепей питания и шин источника первичного напряжения.
• Дистанционное управление источником питания.
• Получение минимальных массы и габаритов источника питания либо максимально возможного КПД; непревышение установленного уровня потребляемой мощности.

      1.2  Выпрямительные устройства

      Выпрямитель является статическим преобразователем переменного тока в постоянный, у которого выходное выпрямленное напряжение изменяется при изменении входного напряжения питания или тока нагрузки.

      В источниках вторичного электропитания находят применение  нерегулируемые и регулируемые выпрямители, выполненные на полупроводниковых приборах: диодах, тиристорах или транзисторах.

      Выпрямители нерегулируемые выполняются по схеме  приведенной на рис. 1.1.  Его основными  элементами являются трансформатор, электрические  вентили и сглаживающий фильтр.

      Рис. 1.1 Нерегулируемый выпрямитель

        рис. 1.1 структурная схема нерегулируемого  выпрямителя

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

      Выходное  постоянное напряжение не регулируется внешними органами; оно может быть незначительно уменьшено или увеличено скачком за счет соответствующей перепайки отводов обмоток трансформаторв, если они предусмотрены на нем. Трансформатор в схеме выпрямителя не только устанавливает требуемый уровень выпрямленного напряжения, но и обеспечивает гальваническую развязку и электрическую изоляцию выходных цепей от первичной сети питания.

      Выпямители  регулируемые выполняются на тиристорах. На рис. 1.2 приведена структурная  схема регулируемого выпрямителя, в состав которой входят силовой  трансформатор (Тр), на вход которого подается переменное напряжение питающей сети, регулирующие вентили – тиристоры (ВР), схема управления включения тиристоров (СУ) и сглаживающий фильтр (Ф).  

      1.2 Регулируемый выпрямитель

      Регулирование выходного напряжения достигается за счет изменения угла включения тиристоров. При этом с увеличением угла включения выходное выпрямленное напряжение уменьшается. Фазирование угла включения тиристоров осуществляется от переменного напряжения входной сети питания. Таким образом, тиристоры выполняют одновременно две функции: преобразуют переменное напряжение в постоянное и регулируют уровень выходного напряжения.

      Тиристорные регулируемые выпрямители применяются  в источниках питания для получения  выпрямленных напряжений больше 5 – 10 В при токах нагрузки от едениц до десятков ампер.

      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.

      Главные части конструкции, определяющие электро-магнитную  основу трансформатора, - сердечник (магнитопровод) и обмотки с изоляцией, составляющие вместе катушку. Остальные элементы играют чисто конструктивную, но весьма важную роль (установочная арматура, теплоотводы от сердечника и катушек и подсоеденительные элементы).

      Магнитопроводы  в зависимости от технологии изготовления делятся на пластинчатые, ленточные и прессованные. На рис. приведены основные конструкции основных видов магнитопроводов броневого, стержневого и тороидального типов.

      Обмотки броневых и стержневых трансформаторов  выполняются в виде катушек с  каркасной или бескаркасной намоткой. Используется как правило, рядовая многослойная намотка обмоток на каркасе или гильзе прямоугольной формы. Рядовая намотка производится по всй высоте каркаса или секциями на его части.

      Изоляция  обмоток включает в себя изоляцию витковую, межслоевую, межобмоточную и наружную от магнитопровода элементов конструкции.

      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.  Выпрямители без сглаживающего фильтра используются сравнительно редко, когда пульсация напряжения на выходе не имеет существенного значения. Сглаживающий фильтр также часто отсутствует в схемах много фазных выпрямителей, имеющих малую  пульсацию выпрямленного напряжения.

      В выпрямителях в основном используют следующие схемы:

• Однополупериодная (рис. 1.3) 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 и 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. 1.4) 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. 1.5) 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:

      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.

      Наиболее  широко применяются сглаживающие фильтры, состоящие из индуктивности и  емкости (типа LC) или из сопротивления и емкости (типа RC). Эти фильтры могут быть однозвенными или двузвенными. Возможно такде применение комбинированных двузвенных фильтров. Основные схемы фильтров показаны на рис.1.6

      Основные  схемы сглаживающих фильтров

      Рис. 1.6

      Иногда  находят применение полупроводниковые и электронные сглаживающие фильтры.

      Все сглаживающие фильтры характеризуются  коэффициентом сглаживания q, который в соответствии с формулами можно представить как отношение амплитуды первой гармоники пульсации на входе фильтра к амплитуде первой гармоники пульсации на выходе фильтра.

      Кроме трансформаторов, вентилей и фильтров, источники питания могут содержать  дополнительные устройства: стабилизаторы напряжения и устройства защиты от повреждений при нарушениях нормального режима работы.

      1.3 Стабилизаторы напряжения 

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

      1.3.1 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. 

      На  рис. 1.7 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. 1.8, 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. 

      Для питания РА, не требующей очень  высокой стабильности питающего  напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надежные и дешевые параметрические стабилизаторы напряжения (ПСН). Основой таких устройств является элемент с нелинейной ВАХ, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является кремниевый стабилитрон.

      Простейшая  схема представлена на рисунке 1.9.

       Данная схема  представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору Т включено сопротивление нагрузки R_Н. Балластный резистор R_БАЛ может быть включен как в коллекторную, так и в эмиттерную цепи транзистора. В последнем случае у входных и выходных цепей образуется общий провод.

      Схема работает следующим образом. При  возрастании по какой-либо причине  напряжения U_Н происходит увеличение напряжения U_ЭБ и коллекторного тока I_K, так как транзистор Т работает в области усиления. Возрастание коллекторного и соответственно эмиттерного токов приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе R_БАЛ, что компенсирует рост напряжения U_Н. Поскольку ток I_СТ кремниевого стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h_21К @ h_21Э раз больше, чем в простейшей схеме ПСН. Резистор R увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h_21Э, минимальном напряжении питания U_П и максимальном токе нагрузки I_Н.