Расчет деталей блока питания

     Федеральное агентство образования

     Пермский  государственный технический университет 
 
 
 
 
 

     КУРСОВАЯ  РАБОТА 

     ПО  ПРЕДМЕТУ 

     ЭЛЕКТРОТЕХНИКА  И СХЕМОТЕХНИКА 

     РАСЧЕТ  БЛОКА ПИТАНИЯ 

     Вариант № 4 
 
 
 
 
 
 
 
 

     выполнил студент 

     Филатов А.В.

     факультет ЭТФ

     группа АТзу-09

     для преподавателя

     А.А. Южаков 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ПЕРМЬ 2011

     Содержание. 

1. Техническое задание         3
2. Введение           4
3. Выбор и обоснование функциональной схемы ИП    5
4. Выбор и обоснование принципиальных схем каскадов ИП  

       4.1. Выпрямитель         6

       4.2. Сглаживающий фильтр       6

       4.3. Стабилизатор напряжения       7

5. Энергетический расчет ИП

5.1. Расчет элементов стабилизатора постоянного напряжения     11

5.2. Расчет элементов сглаживающего фильтра           18

5.3. Расчет элементов выпрямителя             19

5.4. Расчет входного трансформатора            21

6. Заключение                 22
7. Схема электрическая принципиальная             23
8. Список используемой литературы              24 

1. Техническое задание.

Выходное напряжение – 30 В

Ток в нагрузке I_max – 1,5 A

Коэффициент стабилизации – 0,1%

Коэффициент пульсации на нагрузке – 0,05%

Напряжение питающей сети – 220 В ± 10%, частота сети 50 Гц

Температура окружающей среды Т°С = -40 ÷ +40 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Введение.

      Для любого электронного устройства необходим  источник питания. Характерной особенностью современных источников питания является комплексный характер предъявляемых к ним требований. Помимо основной задачи (стабилизации напряжения) перед ними часто ставят дополнительные, связанные с преобразованием параметров выходного напряжения.

      Источники питания делятся на первичные  и вторичные.

      Под первичными источниками электропитания обычно понимают преобразователи энергии какого-либо вида (механической, химической, тепловой, световой и т. д.) в электрическую. К таким источникам относятся электромашинные генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы, солнечные и атомные элементы и т. д.

      Вторичными  источниками электропитания (ИВЭП) называются преобразователи электрической  энергии одного вида (род тока, напряжение, частота, число фаз) в электрическую энергию другого вида.

      Большинство бытовых приборов питаются либо с  гальванических элементов, либо от сети электропитания. При большом потреблении  мощности использование в качестве источника питания гальванических батарей неэкономично. Поэтому повышение технико-экономических параметров вторичных источников электропитания являлось и является важной проблемой, решение которой в значительной степени зависит от их правильного выбора и проектирования. Необходимость преобразования переменного тока в постоянный вызвана тем, что производство и распределение электрической энергии в основном осуществляется на переменном токе. В тоже время многие потребители электрической энергии могут работать только на постоянном токе, а многие имеют на постоянном токе лучшие характеристики и параметры.

      По  ходу нашей работы мы рассмотрим проблемы проектирования источника питания  постоянного напряжения на элементарной базе.

3. Выбор и обоснование функциональной схемы ИП.

      В общем случае постоянное напряжение получают путем трансформирования и последующего выпрямления напряжения сети.

      Полученное  таким способом напряжение питания, как правило, имеет заметную пульсацию  и изменяется в зависимости от нагрузки и колебаний напряжения сети. Поэтому в цепь питания часто вставляют фильтр, сглаживающий пульсации, и стабилизатор напряжения, делающий выходное напряжение ИП независимым от перепадов напряжения сети.

      Функциональная  схема ИП имеет следующий вид:    

      а) силовой трансформатор служит для  согласования напряжений переменного  тока с выпрямленным напряжением;

      б) выпрямитель служит для получения знакопостоянного напряжения;

      в) сглаживающий фильтр служит для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения;

      г) стабилизатор напряжения поддерживает выпрямленное напряжение U_н практически постоянным при изменении тока нагрузки или питающего напряжения U_пит.

4. Выбор и обоснование принципиальных схем каскадов ИП.

4.1. Выпрямитель.

      Рассмотрим  однофазную мостовую схему с ее «плюсами» и «минусами»:

        «−»  −  необходимость в  четырех диодах, повышенное падение  напряжения в диодном комплексе;

      «+»  −  повышенная частота пульсации Кп=0,67, низкая величина обратного напряжения, хорошее использование трансформатора.

      Остановимся на мостовой схеме выпрямителя, так  как она обладает наилучшими технико-экономическими показателями и наиболее соответствует нашему техническому заданию: обеспечивает сравнительно низкий коэффициент пульсаций, позволяет обойтись без вывода средней точки на трансформаторе.

4.2. Сглаживающий фильтр.

      Напряжение  на выходе любого выпрямителя всегда пульсирующее и содержит постоянную и переменную составляющую напряжения. Пульсация напряжения столь значительна, что непосредственное питание нагрузки от выпрямителя возможно лишь там, где приемник энергии не чувствителен к переменной составляющей в кривой выпрямленного напряжения (зарядка аккумуляторов, питание электродвигателей и т.п.). Для питания многих электронных устройств требуется обеспечение коэффициента пульсации в пределах 10^-3 − 10^-6. Для уменьшения пульсации между выпрямителем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр.

      Основным  параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания.

      Коэффициентом сглаживания называют отношение  коэффициента пульсации на входе  фильтра к коэффициенту пульсации  на выходе фильтра.

      Коэффициент пульсации на входе фильтра задается требованиями приемника энергии к питающему напряжению, а коэффициент пульсации на выходе выпрямителя известен после выбора схемы выпрямления.

      Кроме обеспечения необходимого коэффициента сглаживания к фильтрам предъявляется  еще ряд требований: минимальные габариты; масса и стоимость; отсутствие заметных искажений, вносимых в работу нагрузки; отсутствие недопустимых перенапряжений и выбросов токов при переходных процессах; высокая надежность.

      Выберем Г – образный RC фильтр, так как данный тип фильтра по своим параметрам для нашего технического задания подходит больше, чем все остальные. 

4.3. Стабилизатор напряжения.

      В большинстве силовых электрических  сетей напряжение поддерживается с  точностью не выше ±5%.

      Для питания электронной аппаратуры (особенно для устройств, содержащих микросхемы) требуется значительно более высокая стабильность питающего напряжения, достигающая ±0,0001 - 0,5%. Для обеспечения заданной стабильности питающего напряжения применяют стабилизаторы напряжения.

      Стабилизатором  напряжения называют устройства, которые автоматически поддерживают напряжение на стороне потребителя с заданной степенью точности.

      Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими  изменение напряжения потребителя, являются колебания входного питающего напряжения, изменения тока нагрузки потребителя, колебания частоты тока сети, изменения окружающей температуры и др.

      В зависимости от рода напряжения стабилизаторы  подразделяются на стабилизаторы переменного  напряжения и стабилизаторы постоянного  напряжения. По принципу стабилизации стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные. В качестве параметрических стабилизаторов используют нелинейные элементы. Стабилизация напряжения в таких стабилизаторах осуществляется за счет нелинейности вольтамперной характеристики нелинейного элемента.

      В параметрических стабилизаторах постоянного  напряжения в качестве нелинейного  элемента используют стабилитроны.

      Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического  регулирования, в которой эффект стабилизации достигается за счет изменения параметров управляемого элемента, называемого регулирующим.

      В зависимости от способа включения  регулирующего элемента относительно сопротивления нагрузки стабилизаторы  напряжения подразделяются на последовательные и параллельные, а по режиму работы регулирующего элемента – на стабилизаторы с непрерывным регулированием и импульсные.

      Основными параметрами стабилизатора являются:

      - коэффициент стабилизации:

      - коэффициент сглаживания пульсации;

      - внутреннее сопротивление стабилизатора  R_ст.

      Недостатками  параметрических стабилизаторов напряжения являются: сравнительно малый коэффициент  стабилизации, ограниченный диапазон токов в цепи нагрузки, невозможность  плавного регулирования выходного напряжения.

      Поэтому компенсационные стабилизаторы  напряжения в этом плане выглядят более эффективными, так как они  не содержат таких недостатков, а  из условия технического задания  от нас требуется сравнительно высокий  коэффициент стабилизации, выходной коэффициент пульсации, что при использовании параметрического стабилизатора мы не сможем добиться, соответственно, в проектировании будем использовать компенсационный стабилизатор напряжения.

      Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения представляют собой систему автоматического регулирования, которая обеспечивает постоянство выходного напряжения с высокой степенью точности при изменениях напряжения сети, тока нагрузки и т.д.

      В зависимости от способа выполнения регулирующего элемента стабилизаторы подразделяются на последовательные и параллельные. В стабилизаторах первого типа регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой, в стабилизаторах второго типа – параллельно.

      Стабилизатор  последовательного типа (рис.3.а) состоит из регулирующего элемента Р, включенного последовательно с нагрузкой, схемы сравнения СС и усилитель постоянного тока У. 

      Схема сравнения включает в себя источник опорного напряжения и сравнивающий делитель. В схеме сравниваются выходное и опорное напряжения. Сигнал разности этих двух напряжений подается на вход усилителя постоянного тока. При изменении выходного напряжения на выходе схемы сравнения появляется сигнал рассогласования, который усиливается усилителем постоянного тока и поступает на вход регулирующего элемента. Изменение сигнала на входе регулирующего элемента приводит к изменению падений напряжения на нем, и выходное напряжение изменится до первоначального значения с определенной степенью точности.

      Параллельная схема стабилизатора (рис.3.б) состоит из тех же элементов. Отличие заключается в том, что регулирующий элемент включен параллельно нагрузке, а последовательно с ней включен гасящий резистор Rг. При изменении выходного напряжения появляется сигнал на выходе схемы сравнения, усиливается усилителем постоянного тока и воздействует на регулирующий элемент так, что ток последнего изменяется.

      Изменение тока регулирующего элемента вызывает изменение тока через гасящий  резистор, что приводит к изменению  падения напряжения на нем, в результате чего компенсируется изменение выходного напряжения с определенной степенью точности.

      Из  рассмотренных выше схем видно, что  качественные параметры их приблизительно одинаковые, в проектировании нашего источника питания будем использовать схему с последовательным включением регулирующего элемента, имеющую более высокий КПД и применяющуюся в разработках более часто.

      Опираясь  на исходные данные курсового проекта, выберем схему стабилизатора из справочной литературы, которая наиболее подходит по своим параметрам, а так как параметры этой схемы неполностью соответствуют нашим данным, то внесем в нее некоторые изменения, чтобы она полностью подходила под наши данные.

5. Энергетический расчет ИП.

5.1. Расчет элементов  стабилизатора постоянного  напряжения.

      Исходные  данные для расчета (берем из ТЗ):

      Расчет  силовой части стабилизатора.

      Максимальный  ток через регулирующий транзистор равен ; .

      VD5 и VD6 - два диода типа КД521 с прямым падением напряжения 1в. Так как в качестве нагрузки усилителя используется эмитерный повторитель, то определяем минимальное напряжение Возьмем    Найдем ориентировочную амплитуду пульсации на входе стабилизатора

      Минимальное напряжение на входе стабилизатора  Примем

      По  задаче   Определим номинальное и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

      Прикинем  ориентировочную величину внутреннего  сопротивления фильтра  .

      Найдем  максимальное напряжение на входе стабилизатора  .

      Рассчитаем  максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора : .

       Величина максимальной мощности рассеиваемая на регулирующем транзисторе:

      По  величинам  выбираем из справочника тип регулирующего транзистора - КТ815.

      Для выбора транзистора  определим:

1. минимальный и максимальный токи базы транзистора :

( -параметры в дальнейших расчетах определяются по справочнику);

      2) ток через  :

, где  - обратный ток коллектора транзистора КТ815 при максимальной температуре коллекторного перехода, а - число транзисторов , включенных параллельно ( =1); .

Определим величину сопротивления  : . Пусть =3300 Ом, тогда . Выбираем в качестве резистор типа ОМЛТ-1-5.2±5% кОм.

      3) максимальное значение тока эмиттера  транзистора  :

;

4) максимальное значение напряжения  коллектор-эмиттер транзистора :

5) максимальную величину мощности, рассеиваемую транзистором  :  .

      По  величинам  = 0.109 А, = 23.4 В, = 2.3 Вт выбираем транзистор типа КТ502.

      Определим минимальный и максимальный токи базы транзистора  :

      Так как ток  > (0.3 ÷ 0.5) мА, то увеличиваем число транзисторов, вводя в составной, до трех.

      Для выбора транзистора  определим:

      1) ток через резистор  :      

      2) величину сопротивления  : . Пусть = 22000 Ом, тогда . Выбираем в качестве резистор типа ОМЛТ-0.5-22±5% кОм;

       3) максимальный  ток эмиттера транзистора  :

                                                 ;

      4) максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер транзистора : 

      5) максимальную величину мощности, рассеиваемую транзистором  :

           .

      По  полученным величинам  , , выбираем в качестве транзистор типа КТ315.

      Найдем  максимальный ток базы транзистора  :

       , < (0.3 ÷ 0.5) мА – значит количество транзисторов, входящих в составной, равно трем.

      Расчет  схемы сравнения и усилителя  постоянного тока.

       Определим величину опорного напряжения = 27 В. В качестве источника опорного напряжения выберем стабилитрон типа КС527. Его основанные параметры:

      Зададимся максимальным током коллектора усилительных транзисторов и : .

      Определим максимальное напряжение коллектор-эмиттер  транзистора  :

      Определим максимальную мощность, рассеиваемую транзистором : Выбираем из справочника по полученным величинам , , транзисторы и типа КТ315.

      Найдем  величину сопротивления в цепи эмиттера следующим образом: . Пусть , тогда мощность будет равна .

      В качестве выбираем резистор типа ОМЛТ-1-2.7±5% кОм.

      Расчет  эмиттерного повторителя, состоящего из , и диодов VD5-VD6.

       Сопротивление резистора  определяем из выражения: , где , а для диодов КД521 , тогда . Пусть , тогда мощность, рассеиваемая на : . Поэтому в качестве сопротивления возьмем один резистор типа ОМЛТ-0,25-7.5±5% кОм.

      Определим сопротивление  :           .

Пусть , тогда рассеиваемая мощность на будет равна                                               .                                             . Поэтому в качестве сопротивления выбираем резистор типа ОМЛТ-0.125-280Ом.

       Транзистор  выбираем исходя из следующих величин:  

      По  этим данным выбираем транзистор типа КТ361Б. Из его характеристик , а так как < , то транзистор выбран верно.

      Убедимся, что величина максимального тока через стабилитрон Д3 не превышает предельно допустимого значения: что меньше, чем = 0.13 А, значит все в порядке.

      Сопротивление резистора  определяем из выражения , пусть =330 Ом, тогда мощность, рассеиваемая на соответственно равна . Поэтому в качестве сопротивления возьмем резистор типа ОМЛТ-1-330±10% Ом.

      Зададимся током делителя . Определим максимальный и минимальный коэффициенты передачи делителя:

      Определим сопротивление делителя . Сопротивление резистора верхнего плеча делителя . Пусть = 620 Ом, тогда . В качестве выбираем резистор типа ОМЛТ-0.125-620±10% кОм.

       Сопротивление резистора нижнего плеча делителя: . Пусть , тогда.  

      Поэтому в качестве сопротивления  используем резистор типа ОМЛТ-0.5-6.8±10% кОм.

      Сопротивление переменного резистора определим  из: . Пусть , тогда . Поэтому в качестве резистора будем использовать резистор типа СПО-0.5-2.2 кОм.

      Определим основные параметры стабилизатора: и внутреннее сопротивление r.

      Для данного стабилизатора:

      (*) , где - коэффициент усиления составного транзистора по напряжению; - коэффициент усиления усилителя постоянного тока; а - коэффициент передачи делителя; - коэффициент, учитывающий влияние входного сопротивления усилителя на коэффициент передачи делителя; - сопротивление коллектора транзистора в схеме с общим эмиттером; - число регулирующих транзисторов, включенных последовательно (в нашем случае он один).

      Для нахождения данных параметров воспользуемся  рядом табличных формул:

      где = 50000 Ом – сопротивление коллектора для кремневых транзисторов, определяется из справочника при токе 50 мА через диод КД521 – 2 Ом; так как в схеме два диода, соединенных последовательно, то = 2·2 = 4 Ом, тогда .

      Найдем  сопротивление, шунтирующее вывод усилителя:

, где  = 20000 Ом – сопротивление коллектора для кремневых транзисторов.  

      Найдем  .

      Определим , где = 20000 Ом для КТ361.

      Найдем  где

      Тогда .

      Используя вышеизложенные вычисления и выражение  получаем: , что удовлетворяет нашему техническому заданию.

      Найдем  внутреннее сопротивление стабилизатора: , где - число регулирующих транзисторов включенных параллельно, - крутизна регулирующего транзистора, при , . Определим нагрузочную емкость . В качестве выберем конденсатор типа К-50-29-63В-470мкФ.