Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Узлы устройства

Министерство образования и науки РФ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «ЭВМ и С»

КУРСОВАЯ РАБОТА

СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Вариант № 23

Выполнил: студент гр. ИВТ-462

Заволочкин Д. О.

Проверил: к.т.н. А.И. Нефедьев

Оценка _______баллов

«____» ___________2012г.

Волгоград 2012

Содержание

Задание 3

Введение 4

Схема функциональная 5

Схема электрическая принципиальная 6

Расчетная часть 7

Качественный анализ работы схемы 7

Расчет трансформатора 10

Расчет выпрямителя 13

Расчет емкостного фильтра 15

Расчет стабилизатора 16

Расчет радиатора 20

Моделирование на ЭВМ 23

Выводы 25

Список литературы 26

Задание

Построить схему стабилизированного источника питания в соответствии с функциональной схемой и вариантом задания.

Произвести качественный анализ работы схемы, определить мощность, потребляемую нагрузкой. Рассчитать трансформатор, выпрямитель, емкостной фильтр, стабилизатор, радиатор для регулирующего транзистора стабилизатора. При расчете трансформатора необходимо взять 20% запас по мощности, схема защиты стабилизатора по току должна ограничивать выходной ток на уровне 1,1 выходного тока.

Произвести моделирование схемы в программе «ElectronicsWorkbench 5.12». При моделировании использовать идеальные модели транзисторов.

Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

Вариант	23
Схема стабилизатора	3
Схема выпрямителя	Мостовая
U_вых, В.	24
I_вых, А.	1
t_maxокр. среды, 0C	40

Введение

Для обеспечения нормального функционирования электронных устройств, прежде всего, необходимы источники энергии, которые называют источниками питания. Для этой цели в большинстве случаев используют источники постоянного напряжения.

Источник питания — устройство, предназначенное для формирования напряжения, необходимого системе, из напряжения электрической сети. Чаще всего блоки питания преобразуют переменный ток сети 220 В частотой 50 Гц (для России, в других странах используют иные уровни и частоты) в заданный постоянный ток. Источник электропитания является неотъемлемой частью любого радиотехнического устройства.

Основным источником питания электронных устройств в настоящее время являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным. Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств. Основным причинами нестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения.

Схема функциональная

Структурная схема линейного ИП изображена на рис. 1, ее использование, исходя из заданных требований к разрабатываемому источнику питания вполне оправданно, так как она является достаточно типичной и удовлетворяет требованиям условия.

Рис. 1. Схема функциональная.

Тр – трансформатор. Предназначен для изменения напряжения.

В – выпрямитель. Предназначен для выпрямления напряжения.

Ф – фильтр. Предназначен для сглаживания выпрямленного напряжения.

Ст – стабилизатор. Предназначен для поддержания среднего значения напряжения на нагрузке.

Схема электрическая принципиальная

Составим принципиальную электрическую схему ИП.

Включим в схему ключ (S1) и плавкий предохранитель для защиты от перегрева и возгорания электрической цепи и её элементов (FU1). К последнему подключим трансформатор (T1).

Выпрямитель, фильтр и стабилизатор выбираем в соответствии с заданием.

На вход схемы подается переменной напряжение 220 В.

Таким образом, схема будет выглядеть следующим образом (рис. 2).

Рис. 2. Электрическая принципиальная схема вторичного источника питания.

Расчетная часть

Качественный анализ работы схемы

Разработанная схема представляет собой трансформаторный источник питания, или, иными словами, источник питания без преобразования частоты.

На вход схемы подаётся переменное напряжение промышленной частоты . Подключение и отключение от первичного источника напряжения (сетевое напряжение) осуществляется при помощи ключа S1.

В случае внутреннего сбоя, источник не должен позволить этому сбою достичь системы, которую он питает. Поэтому после ключа S1, установлен плавкий предохранитель FU1. Плавким предохранителем называется коммутационный аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи посредством расплавления специальных токоведущих частей (плавких вставок) под воздействием тока, превышающего определенное значение, с последующим гашением возникающей электрической дуги.

Трансформатор T1 является понижающим трансформатором индуктивного (обмоточного) типа. Он представляет собой магнитопровод с обмоткой из меди или алюминия.

К достоинствам такого трансформатора можно отнести:

Обмоточные трансформаторы не требуют к себе какого-либо особенного обслуживания и просты в эксплуатации.
Возможно изготовление приборов с любой входной и выходной мощностью и напряжением до 2 кВт.
Индуктивный понижающий трансформатор способен работать долгие годы.

Недостатки обмоточных трансформаторов:

Цена на медь постоянно растёт и соответственно повышается цена оборудования в целом.
Понижающие трансформаторы индуктивного типа тяжелы и напряжение на вторичной обмотке напрямую зависит от напряжения на первичной обмотке.

Главная задача трансформатора Т1 – это понижение входного напряжения до определённого уровня.

После трансформатора установлен выпрямитель. Его задача – преобразовать переменный электрический ток в пульсирующий постоянный. В данной схеме, в соответствии с заданием, был использован диодный мост в качестве выпрямителя. Он выполнен по мостовой схеме Гретца на диодах. На вход диодного моста подаётся переменное напряжение. В каждый из полупериодов ток проходит только через 2 диода. В итоге, на выходе диодного моста получается пульсирующее напряжение с частотой, вдвое большей частоты питающего напряжения.

Напряжение на выходе любого выпрямителя всегда пульсирующее и содержит постоянную и переменную составляющие напряжения. Для сглаживания пульсаций применяют сглаживающие фильтры - устройства, предназначенные для подавления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потребителя. Сглаживающие фильтры бывают активные и пассивные. В данной схеме был использован простейший ёмкостной фильтр. Он представляет собой конденсатор C1, включённый параллельно нагрузке.

Итак, как уже говорилось ранее, на выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение. Изначально конденсатор C1 разряжен. При подаче на него напряжения, он начинает заряжаться. Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения конденсатор начинает разряжаться через нагрузку. При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Естественно, что размах амплитуды пульсации или пилообразного напряжения, получаемого на выходе ёмкостного фильтра, напрямую зависит от ёмкости конденсатора C1 и от величины сопротивления нагрузки. Чем больше ёмкость, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации.

Согласно функциональной схеме источника питания, после фильтра следует линейный компенсационный стабилизатор напряжения. Стабилизатором напряжения называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Другими словами, стабилизатор напряжения - это устройство, на выходе которого напряжение остается неизменным при воздействии дестабилизирующих факторов. Он представляет собой устройство автоматического регулирования, которое с заданной частотой поддерживает напряжение на нагрузке независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки.

В соответствии с выбранной структурной схемой составляем приблизительную схему компенсационного стабилизатора напряжения (см. рис. 5).

Расчет трансформатора

1. Определение суммарной мощности вторичной обмотки. Запас мощности – 20%.

2. Определение габаритной мощности трансформатора. Здесь η – КПД, равный 0,95.

3. Определение сечения рабочего керна сердечника.

Определение ширины рабочего керна.

Определение толщины пакета.

Выбор сердечника с несколько бóльшим значением ширины рабочего керна и толщины пакета.

Определение реального сечения рабочего керна сердечника.

4. Определение количества витков, приходящихся на один вольт напряжения.

5. Определение количества витков первичной обмотки.

6. Определение количества витков вторичной обмотки.

, так как

7. Определение силы тока в первичной обмотке.

8. Определение диаметров проводов в обмотках (по меди).

Сводная таблица полученных результатов:

Обмотка	Число витков (W), вит	Диаметр по меди (d_{по меди}), мм	Диаметр по изоляции (d_{по изол}), мм
первичная	1584	0,296	0,35
вторичная	212	0,798	0,89

Проверка правильности расчёта трансформатора.

Т. к., трансформатор был рассчитан верно.

Расчет выпрямителя

Выпрямитель электрического тока – преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток. По заданию, в качестве выпрямителя используется схема диодного моста (рис. 3) – электрическая схема, предназначенная для преобразования (“выпрямления”) переменного тока в пульсирующий постоянный. Обычно схема дополняется ёмкостным фильтром.

Рис. 3Схема выпрямителя

Среднее напряжение нагрузки (для мостового выпрямителя)

Средний ток нагрузки

Обратное максимальное напряжение на диодах (для мостового выпрямителя)

Средний ток диода

Максимальный ток диода

Коэффициент пульсаций без фильтра

Выберем диоды КД202А

Расчет емкостного фильтра

Сглаживающий фильтр – электрическая цепь, позволяющая уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя. В качестве фильтра будем использовать П-образный емкостной фильтр. Рассчитаем значение емкости сглаживающего емкостного фильтра С1 (рис. 4).

Рис. 4. Ёмкостной фильтр.

В разработанной схеме был использован ёмкостной фильтр, который представляет собой конденсатор C1. Мы рассчитаем параметры этого конденсатора.

Для начала вычислим минимальное амплитудное значение входного напряжения для фильтра (без учёта пульсаций):

Найдем среднее значение напряжения:

Найдем минимальный номинал емкости для конденсатора C1:

Возьмем конденсатор К50-37 2200 мкФ х 50В

Расчет стабилизатора

Рис. 5 Схема стабилизатора

Данная схема состоит из регулирующего элемента, источника опорного напряжения, измерительного элемента и схемы защиты компенсационного стабилизатора напряжения от перегрузки. Регулирующий элемент включает транзистор VT2. Источник опорного напряжения – VD1. Схема сравнения - VT2, VT3. Измерительный элемент – R4R5R6. Схема защиты компенсационного стабилизатора напряжения от перегрузки реализована на элементах VT4 и R4.

Учитывая нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора 10%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

Подберем стабилитрон VD1.

должно быть примерно в два раза меньше . Поэтому примем .

Таким образом, выберем стабилитрон, удовлетворяющий данному требованию: КС212 с напряжением стабилизации 12 В и током стабилизации 12 мА.

Определяем максимальное значение на транзисторе VT2:

Мощность, рассеиваемая на транзисторе VT2:

По полученным значениям Uкэmax, Iн и Pmax, выбираем транзистор и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ815Б
Тип транзистора	Биполярный, NPN
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер Uкэ	50В
Допустимый ток коллектора Iк	1,5А
Максимальная рассеиваемая мощность с радиатором	10 Вт
Минимальный коэффициент передачи тока базы h_21э	40

Находим ток базы VT2:

Ток базы VT2 втекает в коллектор VT3, поэтому

Определяем данные для выбора транзистора VT3.

Определяем мощность, рассеиваемую на VT3:

_{Транзисторы
VT1 и VT4 можно взять такими
же, как VT3.}

По полученным значениям Uкэmax, Imax и Pmax, выбираем транзистор и выписываем его параметры:

Марка транзистора	КТ685Д
Тип транзистора	Биполярный, NPN
Максимальное напряжение коллектор-эмиттер Uкэ	30 В
Допустимый ток коллектора Iк	0,6 А
Максимальная рассеиваемая мощность с радиатором	0,6 Вт
Минимальный коэффициент передачи тока базы h_21э	100

Находим ток базы VT3:

Расчитываем R2:

_{Выберем
резистор R2 - С2-33Н-0,125Вт-100
ом±5%}

_{Расчитываем
R3:}

Выберем резистор R3 - С2-33Н-0,125Вт-270 Ом ±5%

_{Расчитываем R4:}

Выбираем R4 - C5-16в-8-1,6 Ом ±1%.

_{Расчитываем R1:}

I_R1 = I_ст + = 12 + 0,1 = 12,1 мА.

Отсюда можно найти величину R1:

R1 = (U_вхmin - U_ст) / I_R1= 13,83 / 0,0121 = 1142,9Ом

Выбираем R1 - С2-33Н-0,125Вт-1100 Ом±5%

_{Расчитываем
R5, R6 и R7:}

_{Ток,
текущий через
эти резисторы
должен быть много
больше тока базы транзистора
VT3.}

_{Ток на делителе:}

Суммарное сопротивление делителя .

Получаем

Выберем соответствующие резисторы R5 и R7 - С2-33Н-0,125Вт-3,9 кОм ±5%, R6 - С2-33Н-0,125Вт-2,0 кОм ±5%.

Расчет радиатора

Линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как часть мощности Pрасс = (Uвх — Uвых) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Исходя из этого, регулирующий элемент должен иметь соответствующую рассеиваемую мощность и, при необходимости, должен быть установлен на радиатор нужной площади. Назначение радиаторов - отводить тепло от полупроводниковых приборов, что позволяет снизить температуру p-n-переходов и тем самым уменьшить ее влияние на рабочие параметры приборов. Существует несколько видов радиаторов: пластинчатые, ребристые и штыревые радиаторы и др. Для улучшения отвода тепла полупроводниковый прибор лучше всего крепить непосредственно к радиатору. Спроектируем пластинчатый радиатор для горизонтально ориентированной поверхности.

1. Определение максимально допустимой температуры корпуса прибора.

2. Определение мощности рассеивания транзистора при работе в активном режиме.

3. Определение разности температур между корпусом и радиатором.

где R_пк – сопротивление переход-корпус, которое принимает значение от 0,9 до 1,5 ⁰С/Вт (примем Rпк =1,1⁰С/Вт).

4. Расчёт средней температуры поверхности радиатора.

Средняя температура поверхности радиатора (t_S):

где t_п – температура перехода, R_кр – сопротивление корпус-радиатор (примем R_кр=2⁰С/Вт).

5. Определение разности температур между поверхностью радиатора и окружающей средой.

6. Определение коэффициента теплоотдачи конвекции.

При

_l_{=3
(см)}

7. Расчёт поверхности теплообмена радиатора.

Реальная площадь радиатора должна быть в 2 раза больше рассчитанной. Значит

Определяем расстояние между ребрами, высоту одного ребра и толщину ребра:

Размеры основания: 40х50мм.

Размер ребра: 30х40мм.

Кол-во ребер: 3.

Толщина ребра: 2 мм.

Расстояние между ребрами: 10 мм.

Площадь основания: 2х4х6 = 48 см².

Площадь ребра: 2х3х5 = 30 см².

Общая площадь: 48+3х30=138см².

Вывод: на 1 Ватт рассеиваемой мощности приходится 12,1 см.² поверхности радиатора; уменьшить тепловое сопротивление можно путем затемнения алюминиевого корпуса радиатора хлорным железом; полученная площадь– это площадь радиатора, рассчитанная на длительную работу блока питания в режиме полной мощности.

Моделирование на ЭВМ

Моделирование стабилизированного источника питания будем производить при помощи САПР “ElectronicsWorkbench5.12”. Транзистор принимаем идеальным.

Смоделированная схема представлена на рис. 6.

Рис. 6. Смоделированная схема.

График выходного напряжения показан на рис. 7.

Рис. 7. Выходное напряжение.

При моделировании использовались рассчитанные значения сопротивления резисторов и ёмкости конденсатора, значение выходного тока и напряжения практически совпадает с рассчитанными значениями.

Выводы

При расчетах были получены данные достаточно близкие к данным, полученным с помощью ЭВМ. Погрешности в среднем не более 5-10%, они объясняются тем, что расчеты проводились с идеальными транзисторами, а также погрешностями вычислений.

Список литературы

1. Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифровая электроника (полный курс): Учебник для вузов. Под.ред. О.П. Глудкина. – М.: Горячая линия – Телеком, 2003. – 768 с.

2. Костиков В.Г., Парфенов Е.М., Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов. – 2-е изд. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с.

3. Гершунский Б.С. Справочник по расчёту электронных схем. – Киев: Вища школа, 1983.

4. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник. / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; Под.ред. Найвельта Г.С. – М.: Радио и связь, 1985. – 576 с.

5. Маркировка и обозначение радиоэлементов: Справочник. / В. В. Мукосеев, И. Н. Сидоров, М.: Радио и связь, 2001.

6. Справочная книга радиолюбителя-конструктора / А.А. Бокуняев, Н.М. Борисов, Р.Г. Варламов и др.; Под ред. Н.И. Чистякова. – М.: радио и связь, 1990. – 624 с.

7. Агеев. Расчет радиаторов и транзисторов. – «Радио», 1968, №6 . – 124 с.

8. Дульнев Г.Н. Теплообмен в электронных радиоустройствах. – М.: Госэнергоиздат, 1963. – 272 с.