Стабилизатор напряжения

Инв.№ подл.

Подп. и дата

Взам. инв. №

Инв. № дубл.

Подп. и дата

Перв. примен.

Справ.№

Инв. № дубл.

Подп. и дата

Взам. инв. №

Подп. и дата

Инв.№ подл.

Инв.№ подл.

Подп. и дата

Взам. инв. №

Инв. № дубл.

Подп. и дата

ГОУВПО

Уфимский государственный авиационный  технический университет

 

Кафедра __ телекоммуникационных  систем_________________________________

_____________________________________________

________________________________

________________________________

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

                              

к курсовому  проекту по ___________________________

 

(обозначение документа)

 

 

 

 

 

Уфа 2009 г.

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

Задание.

Рассчитать стабилизатор напряжения с импульсным способом регулирования. По следующим данным: питание от сети 220 В с частотой тока питающей сети 50 Гц, выходного напряжение  15В с мощностью 30 Вт.

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Структурная схема  источника питания

 

Переменная составляющая выходного напряжения, Uн =0,1 В;

Нестабильность напряжения сети,

 

 

Введение.

Для питания современной  радиоэлектронной аппаратуры требуются  напряжения как постоянного, так и переменного тока различных номиналов. Но, так как первичные источники питания не могут обеспечить высокую стабильность напряжения в нагрузке, то стабилизированные источники вторичного электропитания (ИВП) получили широкое применение в различных радиотехнических устройствах. Повышение надёжности и экономичности работы, снижение массы, объема и стоимости радиоаппаратуры в значительной степени зависят от правильного выбора и проектирования ИВП.

Подавляющее большинство радиотехнических устройств потребляет энергию постоянного тока. Для получения различных величин (номиналов) напряжения постоянного тока переменный ток преобразуется в основном выпрямителями с полупроводниковыми электрическими вентилями. Различные напряжения переменного тока получают при помощи трансформаторов.

Требования к вторичным источникам электропитания радиоаппаратуры непрерывно возрастают. В широком диапазоне  мощностей источники должны иметь  наибольший КПД, малую пульсацию  выпрямленного напряжения, обеспечивать высокую стабильность в различных режимах работы. Поэтому в состав вторичных источников питания, как правило, входят стабилизаторы, обеспечивающие постоянство выходных токов или напряжений с определенной степенью точности; регуляторы, обеспечивающие изменения выходных токов или напряжений в необходимых пределах. Для уменьшения пульсаций в ИВП используют сглаживающие фильтры

 

 

Расчет схемы.

1. Расчет стабилизатора

Рис. 1. – Схема импульсного стабилизатора

 

Данные для  расчета:

Выходное напряжение U_H = 15 В;

Мощность на нагрузке, Р_н =30 Вт;

Переменная составляющая выходного напряжения, U_{H_}=0,01 В;

Нестабильность напряжения сети, U_n =±10%.

В качестве способа регулирования выбрана широтно-импульсная модуляцию с частотой переключения ключа на транзисторах VT и VT, 
f_K =20 кГц

 

1. Для определения минимального необходимого напряжения на входе стабилизатора U_п.мин. задаемся падением напряжения на обмотках дросселей фильтров L₁, L₂ и транзисторе VT₁. Обычно такое напряжение не превышает ΔU_др=3÷6 В [1]. Тогда при ΔU_др=3

U_п.мин= U_н+ΔU_др=15+3=18 В (1)

2. Номинальное и максимальное напряжение на входе стабилизатора равны:

 (2)

 (3)

3. Минимальное и максимальное значения относительной длительности равны:

;  (4)

4. Для расчета элементов сглаживающего фильтра стабилизатора L₂ и С₂ определяем произведение их индуктивности и емкости:

 (5)

5. Индуктивность дросселя L₂ должна быть достаточно велика, чтобы обеспечить режим непрерывного тока в дросселе:

 (6)

Выбираем дроссель L₂:

 (7)

Из справочника [1, табл.3.3] выбираем дроссель Д202 с индуктивностью L₂ =0,3 мГн

6. Находим емкость конденсатора С₂ фильтра:

 (8)

Емкость конденсатора С₂ фильтра также следует увеличить в 2÷3 раза по сравнению с его номинальным значением. Это связано с тем, что при увеличении частоты пульсаций, понижение рабочей температуры номинальная емкость конденсатора падает [3].

 (9)

В качестве конденсатора фильтра выбираем [1, табл.3.2а] К53-4.

7. Максимальные пределы изменения тока в дросселе фильтра

 (10)

8. Максимально и минимально возможные значения тока, проходящего через регулирующий транзистор VT_1, блокирующий диод VD₅ и дроссель VD₂:

 (11)

9. По значениям f_к=20кГц, U_mKЭ1=U_п.макс=22В, I_mK1=2,3977А выбираем тип регулирующего транзистора П602 с параметрами: U_КЭмакс=60 В; I_Кмакс=2 А; h_21Э>20 [1, табл.3.7].
10. По значениям U_m.обр=U_п.макс=22 В; I_д5макс=2.3977 А

I_д5ср=I_н(1-τ_мин)=2(1-0,6818)=0,6363 А

Выбираем тип диода VD₅ [1, табл.2.4] - Д244А с параметрами: U_{обр.макс}=50 В; I_{пр.макс}=10 А.

11. Требуемый ток базы транзистора:

 (12)

12. По значению коллекторного тока транзистора VT₂ равного I_Б1=I_mК2=0,12 A и напряжения U_КЭ2=U_п.макс+2U_пр=22+2×1=24 В выбираем в качестве VT₂ транзистор типа КТ603А c параметрами: I_к.макс=0,3 А;  
    U_КЭмакс=30 В; h_21Э=20.
13. Требуемый ток базы транзистора VT₂:

 (13)

14. Сопротивление резистора R₁, обеспечивающий насыщение транзисторов T₁ и Т₂:

 (14)

Из стандартного ряда Е24 выбираем резистор с сопротивлением 3,0 кОм ±5%

15. Максимальная мощность, рассеиваемая в резисторе R₁:

 (15)

Выбираем [1, табл. 3.5] резистор типа МЛТ с допустимой мощностью рассеяния 0,25 Вт.

16. Источник запирающего смещения должен иметь напряжение не менее Ток, потребляемый от источника при запирании регулирующего составного транзистора .
17. КПД импульсного стабилизатора напряжения:

 (16)

 

 

2. Расчет LC фильтра

Данные для  расчета:

Номинальное выпрямленное напряжение U_о =U_п=20 В;

Ток на выходе фильтра I₀=I_н=2 А;

Сопротивление нагрузке ;

Пульсации напряжения на выходе фильтра U_{вых п} = (0,02 ÷1) ∙U_{n. мин} =0,9 В;

Частота тока питающей сети f_сети=50 Гц;

1. Все сглаживающие фильтры характеризуются коэффициентом сглаживания q, который можно представить как отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе:

, (17)

где , а коэффициент пульсаций на выходе фильтра К_п.вх=0,67 – постоянная величина для данной схемы выпрямителя.

Находим требуемый коэффициент  фильтра:

 (18)

2. Найдем произведение LC для m = 2,  f_сети=50 Гц.

, (19)

где m – количество фаз выпрямителя, для однофазной мостовой схемы

3. Минимальная индуктивность, при которой обеспечивается индуктивная реакция фильтра:

 (20)

По справочнику [1, тал.3.3] выбираем стандартный дроссель Д271, индуктивность которого L_др=0,04 Гн, а активное сопротивление r_др=0,324 Ом.

4. Найдем емкость конденсатора:

 (21)

Выбираем конденсатор [1, табл.3.2] типа К50-24-63 = 1000 мкФ с рабочим напряжением 63 В. Рабочее напряжение на конденсаторе должно быть больше значения выпрямленного напряжения, так как при холостом ходе конденсатор заряжается до амплитудного напряжения. Полагая, что амплитудное напряжение находим:

. (22)

Выбранный конденсатор  имеет рабочее напряжение 63 В, что больше напряжения, возникающего в схеме выпрямителя.

5. Определим коэффициент сглаживания выбранного фильтра с конденсатором:

 (23)

Коэффициент пульсаций на выходе фильтра:

 (24)

Таким образом, пульсация напряжения на выходе фильтра с учетом выбранных  элементов снизилась до .

С учетом падения напряжения на r_др выходное напряжение фильтра:

. (25)

6. Определяем входную мощность:

 (26)

7. КПД фильтра:

 (27)

 

 

3. Расчет выпрямителя

Исходные данные:

Номинальное выпрямленное напряжение U₀=20,648 В;

Ток на выходе выпрямителя I₀=2 А;

Выходная мощность выпрямителя Р₀=41,296 Вт;

Относительное отклонение напряжения сети в сторону повышения а_макс=10%

Частота тока питающей сети f_сети=50 Гц.

1. Выбираем схему

Так как выпрямленное напряжение U₀ до 300 В, выпрямленный ток I₀ до 2 А, мощность на  выходе Р₀ до 300  Вт, то рационально будет использовать схему выпрямления двухполупериодную мостовую.

2. Определяем ориентировочные значения параметров вентилей

Амплитуда обратного  напряжения на вентиле

 (28)

Средний выпрямленный ток  вентиля:

 (29)

Для ориентировочного определения следующих параметров задаемся значениями вспомогательных коэффициентов В и D. Для двухполупериодной мостовой схемы В = 0,95...1,1; D = 2,1...2,2. [1]

Действующие значения выпрямленного тока

 (30)

Габаритная мощность трансформатора Sтр.

 (31)

3. Выбираем тип вентилей.

Из справочника выбираем [1, стр. 76] диод Д303 с параметрами:

U_{обр.макс}=150 В; I_в.п.ср=3 А; U_{пр.ср. max}=3

 

Находим прямое сопротивление вентиля

 (32)

Определяем активное сопротивление обмоток трансформатора

, (33)

где k_r =4,7; для мостовой схемы k_r = 3,5; В_т - амплитуда магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора, Тл (определяется по [1, рисунку 2.9]); s – число стержней трансформатора, несущих обмотки: для сердечника броневого (Ш-образного) типа s = 1.

Находим сопротивление фазы выпрямителя

, (34)

4. Определяем основной расчетный параметр А:

 (35)

5. Из графиков [1, стр.315] находим параметры: B=1,13; D=2,1; F=5,6.

И определяем:

;         (36)

;  (34)

; (37)

; (38)

;  (39)

. (40)

Данные значения подходят к выбранному вентилю.

6. КПД вентиля:

 (41)

 

 

4. Расчет трансформатора

Исходные данные:

• напряжение питающей сети U_вх=220 В;
• частота напряжения питающей сети f_c=50 Гц;
• напряжение вторичных обмоток U_вых=23,33 В;
• токи вторичных обмоток I_вых=2,94 А;
• мощность (габаритная) Р_вых=68,6 Вт.

 

1. Для частоты 50 Гц рекомендуются электротехнические стали с толщиной ленты δ=0,5÷0,35 мм [1]. Выбираем δ=0,35 мм. Так как рассчитываемый трансформатор является трансформатором средней мощности, то в качестве магнитопровода будем использовать Ш-образные пластины трансформаторной стали, марки Э43. Выбираем [1, табл. 1.3÷1.7]:

- максимальная индукция в магнитопроводе B_макс=1,65 Тл;

- плотность тока в обмотках j=2.7 А/мм²;

- коэффициент заполнения окна k_ок=0,3;

- коэффициент полезного действия η=0,8;

- коэффициент заполнения сечения магнитопровода сталью k_ст=0,93;

- коэффициент мощности трансформатора cosφ=0,94.

2. Определяем произведение площади сечения стали S_ст и площади окна магнитопровода S_ок:

. (42)

Выбираем магнитопровод [4, табл.4.17] малогабаритный Ш-образный ленточный с уменьшенным отношением окна к толщине навивки ШЛМ25×32 с параметрами:

=54 см⁴;

=8 см²  - площадь сечения стали;

=6,75 см² - площади окна магнитопровода

1_ср=15,9 см- средняя длина витка;

S_c.a=127 см³ - активная объем магнитопровода;

m_ct=875 гр - масса магнитопровода.

а = 25мм;

в=32мм;

с=15мм;

А=80мм;

Н=70мм;

H=45мм;

h₁=12.5мм.

3. Определяем ток первичной обмотки:

. (43)

4. Определяем число витков в обмотке:

; (44)

, (45)

где ΔU₁=2% – падение напряжения в первичной обмотке; Δ U₂=2% – падение напряжения во вторичной обмотке [1, табл.1.8].

5. Рассчитываем предварительные сечения проводов:

; (46)

. (47)

Выбираем марку проводов ПЭВТЛ-1 с параметрами:

1обмотки: S₁=0,1589 мм²; d₁=0,44 мм; d_1из=0,48 мм; масса m₁=1,3778 г/м;

2обмотки: S₂=0,1304мм²; d₁=1.2 мм; d_1из=1,28 мм; m₂=10,289 г/м.

6. Определяем фактические плотности тока в обмотках:

; (48)

 (49)

7. Определяем допустимую осевую длину каждой обмотки:

, (50)

где h-высота окна магнитопровода, h_щ – толщина боковой щеки каркаса принимаем равной 1мм, h_из – ширина зазора между щекой каркаса и магнитопровода обычно от 0,5 до 1 мм, принимаем равной 1.

8. Выбираем [1, рис.1.8] коэффициенты укладки в осевом направлении K_У в зависимости от выбранных диаметров проводов обмоток:

K_У1= 1,05 ; K_У2=1,06

9. Определяем число витков в слое и число слоев:

; (51)

; (52)

; (53)

. (54)

10. Определяем радиальные размеры каждой обмотки:

; (55)

.

11. Определяем радиальный размер всех обмоток с учетом межслоевой и межобмоточной изоляции:

, (56)

где n-число обмоток и -толщина межобмоточной изоляции из лакоткани.

12. Находим массу меди каждой обмотки:

; (57)

; (58)

; (59)

. (60)

 

13. Определяем суммарные потери в меди обмоток:

. (61)

14. Определяем потери в стали:

, (62)

где p_уд – удельные потери в стали, определяются из таблицы [1, табл.1.10]. Для марки стали 34I5 толщиной 0,35 мм p_уд=0,5 Вт/кг.

15. Определяем температуру перегрева обмоток относительно окружающей среды:

 (63)

 (64)

. (65)

где а_т- коэффициент теплоотдачи трансформатора, равен 12 Вт/м .

 

16. Определяем КПД трансформатора:

 (66)

 

Выводы и заключение.

В ходе данной работы был рассчитан стабилизированный  источник вторичного электропитания с импульсным регулированием. В качестве элементной базы в нем использованы приборы отечественного производства. Источник рассчитан на питание от сети переменного напряжения 220 В. с частотой 50 Гц. Рассчитанный источник вторичного электропитания имеет следующий КПД:

 (67)

либо, КПД  источника питания можно рассчитать так:

 (68)

Погрешность может быть объяснена недостаточной  точностью вычислений, а также некоторыми допущениями в расчетах.

 

 

Список использованной литературы.

1. Методические указания «Организация курсового проектирования по курсу «Электропитание устройств связи и систем телекоммуникаций». УГАТУ. Сост.: Гулин А.И., Мударисов Д.Ф. – Уфа, 2006, – 140 с.
2. Аксенинков А.И., Нефедов А.В. Справочник по резисторам, конденсаторам. – М.: Салон-Р, 2000. – 240с.
3. Белкин В.Г., Бондаренко В.К. и др. Справочник радиолюбителя конструктора. – 3-е изд. – М.: Радио и связь, 1983. – 560 с.
4. Сидоров И.Н., Христинин А.А. и др. Малогабариные магнитопроводы и сердечники. Справочник. – М.: Радио и связь, 1989. – 384с.
5. Гусев В.Г. Источники вторичного электропитания. УГАТУ 2000г.

 

 

Приложение А «Схема электрическая принципиальная»

 

 

 

Приложение Б «Перечень элементов»