Расчет стабилизированного источника питания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Рязанский государственный радиотехнический университет

Курсовая работа

на тему: "Расчет стабилизированного источника питания"

по дисциплине: "Основы преобразовательной техники"

Выполнил: Ларин П.Р.

Проверил: Верещагин Н.М.

Рязань 2019

Содержание

Введение

1. Основные теоретические сведения

1.1 Обзор схем вторичных источников электропитания

1.2 Стабилизаторы напряжения

1.3 Преобразователи напряжения

2. Описание расчета источника вторичного электропитания

2.1 Описание расчета стабилизатора напряжения

2.2 Описание расчета сглаживающего фильтра

2.3 Описание расчета выпрямителя напряжения

2.4 Описание расчета трансформатора

Заключение

Библиографический список

Приложения

Введение

Современные устройства РЭА требуют бесперебойного, надёжного электроснабжения. Выбор из большого числа типов источников электропитания оптимального варианта, удовлетворяющего всем заданным техническим требованиям, является одной из наиболее сложных задач при проектировании. От правильного выбора и расчёта источников электропитания зависят надёжность, массогабаритные показатели, стоимость и к.п.д. комплекса РЭА. Все средства электропитания можно разделить на первичные и вторичные. К первичным обычно относят такие средства, которые преобразуют неэлектрическую энергию в электрическую, например электромеханические генераторы, электрохимические источники - аккумуляторы или гальванические элементы, фотоэлектрические генераторы - солнечные батареи и фотоэлементы, термоэлектрические источники и др. Непосредственное использование первичных источников затруднено тем, что их выходное напряжение часто не поддается регулировке, а стабильность его недостаточно высокая. Однако для питания электронной аппаратуры в большинстве случаев требуется высокостабильное напряжение с различными номинальными значениями - от единиц вольт до нескольких сотен вольт, а в ряде случаев даже выше. По этой причине любое электронное устройство содержит вторичный источник электропитания, который подключается к одному из первичных источников. Данный курсовой проект посвящен расчету стабилизированного вторичного источника электропитания. Цель данной работы: обобщение и углубление теоретических знаний в области расчета и анализа работы электронных схем, развитие самостоятельных навыков по выбору компонентов, расчету характеристик и энергетических показателей источников питания. трансформатор электронный питание

Техническое задание

Тип	F, Гц	Uвх, В	Ud, В	Id, А	Kст	,%	t,
Имп. пов.	50	9	(10-16)	1	57	0.1	+10..+40

1. Основные теоретические сведения

1.1 Обзор схем вторичных источников электропитания

В общем случае вторичный источник электропитания (ИВЭ) можно рассматривать как устройство, состоящее из четырёх основных узлов (рис.2.1) - трансформатора Тр, вентильного комплекта (выпрямителя) В, сглаживающего фильтра Ф и стабилизатора Ст. Такая схема построения ИВЭ называется классической. Трансформатор необходим для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя и гальванической развязки, которая устраняет непосредственную связь цепи выпрямленного тока с питающей сетью. Выпрямитель используется для преобразования электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока. В источниках вторичного электропитания находят применение нерегулируемые и, реже, регулируемые выпрямители, выполняемые на полупроводниковых приборах - диодах, тиристорах. Наибольшее распространение в качестве вентилей получили полупроводниковые диоды. Фильтр предназначен для сглаживания пульсаций, т.е. для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения. Стабилизатор постоянного напряжения представляет собой систему автоматического регулирования, которая обеспечивает постоянство выходного напряжения с высокой степенью точности при изменениях напряжения сети, тока нагрузки, а также при иных внешних возмущениях [1]. Классическая схема, обладая простотой реализации, имеет существенный недостаток - громоздкий сетевой трансформатор, поэтому в настоящее время широкое применение получили ИВЭ с бестрансформаторным входом, которые, несмотря на большое число структурных блоков, в целом имеют меньшие габариты и вес. Схема такого источника питания показана на рис. 2.2. В данной схеме входной трансформатор заменяется схемой, состоящей из выпрямителя, фильтра и преобразователя. Сетевое напряжение выпрямляется В 1, фильтруется Ф 1, затем полученное постоянное напряжение преобразуется в переменное с помощью преобразователя Пр и передается трансформатором в выходную часть источника питания. Если в нагрузку необходимо передать переменное напряжение, то она подключается непосредственно на выход трансформатора. А если в нагрузку необходимо передать постоянное напряжение, то на выход трансформатора подключаются выпрямитель В 2, фильтр Ф 2 и (при необходимости) стабилизатор Ст. Нагрузка подключается к выходу стабилизатора [2].

Рис.2.1. Структурная схема источника питания.

Рис.2.2. Структурная схема источника питания с бестрансформаторным входом

1.2 Стабилизаторы напряжения

Нестабильность питающей сети и изменение в процессе работы тока, потребляемого нагрузкой, приводят к изменению выходного напряжения источника питания. В связи с этим большинство источников вторичного электропитания содержат в своем составе стабилизаторы напряжения [2]. Классифицировать их можно следующим образом:

в зависимости от рода напряжения (тока) стабилизаторы делятся на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизаторы постоянного напряжения (тока);

в зависимости от принципа стабилизации стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные;

в зависимости от вида регулирования компенсационные стабилизаторы подразделяются на непрерывные, импульсные и непрерывно-импульсные;

в зависимости от способа управления импульсные стабилизаторы бывают с широтно-импульсной, частотно-импульсной, фазово-импульсной, амплитудно-импульсной модуляцией и релейного типа.

Электропитание маломощной аппаратуры обычно осуществляется от параметрических стабилизаторов напряжения (ПСН). Для стабилизации постоянного напряжения в ПСН используются элементы с нелинейной вольтамперной характеристикой - стабилитроны, стабисторы, а для стабилизации тока - полевые и биполярные транзисторы. Схема простейшего параметрического стабилизатора напряжения представлена на рис. 2.3. Схема состоит из гасящего резистора Rг, включенного последовательно с нагрузкой Rн, стабилитрона VD1 и компенсирующего диода VD2. Принцип работы схемы заключается в следующем. При увеличении входного напряжения Uвх возрастает ток через стабилитрон VD1, что приводит к увеличению падения напряжения на гасящем резисторе Rг. Приращение напряжения на Rг примерно равно увеличению входного напряжения

Uн =Uвх-URг [2].

ПСН применяется для стабилизации напряжения в слаботочных схемах, так как для нормальной работы схемы ток через стабилитрон VD1 должен в несколько раз (3-10) превышать ток в нагрузке Rн. Схемы параметрических стабилизаторов просты, часто они применяются как источники опорного напряжения в более сложных схемах стабилизаторов. Наиболее широкое распространение в источниках питания получили стабилизаторы другого типа - компенсационные, которые обладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с параметрическими. В компенсационных стабилизаторах используются управляемые элементы, сопротивление которых изменяется под действием отрицательной обратной связи. Компенсационные стабилизаторы подразделяют на стабилизаторы с непрерывным (линейные) и импульсным регулированием. Импульсные, в зависимости от способа включения регулирующего элемента (полевого или биполярного транзистора), подразделяют на понижающие, повышающие и инвертирующие. Так как ранее стабилизаторы строились на стабилитронах и транзисторах, общее число элементов стабилизатора было довольно значительным, особенно если от него требовались функции регулировки выходного напряжения, защиты от перегрузки и короткого замыкания, ограничения выходного тока на заданном уровне. С появлением специализированных микросхем ситуация изменилась. Современные микросхемы стабилизаторов напряжения выпускаются на широкий диапазон выходных напряжений и токов, они имеют встроенную защиту от перегрузки по току и от перегрева - при нагреве кристалла микросхемы свыше допустимой температуры она закрывается и ограничивает выходной ток. В настоящее время ассортимент отечественных и зарубежных микросхем стабилизаторов напряжения настолько широк, что ориентироваться в нем стало уже довольно трудно [3]. Первая микросхема линейного стабилизатора была разработана в 1967 г. фирмой Fairchild. Это был регулируемый стабилизатор мА 723 с диапазоном выходного напряжения от 2 до 37 В. Такая микросхема настолько хорошо удовлетворяла потребности электронной промышленности, что почти 10 лет не имела конкурентов. Было время, когда выпуск мА 723 доходил до 2 млн штук в месяц. Данному стабилизатору полностью соответствует отечественная микросхема КР 142ЕН 14. Впоследствии фирмой Fairchild были выпущены серии стабилизаторов фиксированного напряжения мА 78хх и мА 79хх, рассчитанные на напряжения от 5 до 24 В, и регулируемые четырехвыводные стабилизаторы мA78G и мA79G (с цифрами 78 на положительные напряжения, а с цифрами 79 - на отрицательные) с выходным напряжением от 5 до 30 В. Вышеупомянутые микросхемы имеют встроенные схемы тепловой защиты, защиты от короткого замыкания и от выхода из области безопасной работы (ОБР). Выпускались они как в металлических, так и в пластмассовых корпусах. При весьма средних параметрах основными достоинствами этих схем являются простота использования и дешевизна. Благодаря этим очень существенным преимуществам серии мА 78хх и мА 79хх широко применяются и поныне. Приборам мA78G и мA79G "повезло меньше". Дело в том, что собственный ток потребления этих схем порядка 3 мА, что и потребовало использования четвертого вывода. В 2004 году фирма National Semiconductor разработала альтернативные приборы LM317 и LM337 соответственно для положительных и отрицательных напряжений, имеющие ток потребления порядка 50... 100 мкА, что позволяет при установке выходного напряжения обходиться без четвертого вывода. Трехвыводные микросхемы LM317 и LM337 быстро потеснили мA78G и мA79G на мировом рынке и довольно широко выпускаются сегодня. Данные стабилизаторы являются аналогами отечественных микросхем 142ЕН 12 и 142ЕН 11/18. Внешний вид и типовая схема включения микросхемы LM317Т представлена на рис. 2.4. Регулируемый стабилизатор положительного напряжения LM317 позволяет питать устройства током до 1,5 А в диапазоне напряжений от 1,2 до 37 В. Этого легко достичь, используя всего два внешних навесных резистора для установки необходимого выходного напряжения. Микросхема имеет полную защиту от перегрузок, включающую внутрисхемное ограничение по току, защиту от перегрева и защиту выходного транзистора. Все схемы защиты от перегрузок остаются работоспособными, даже если вход регулирования отключен. В 2002 году фирмой National Semiconductor была выпущена микросхема LM2931. Выходом регулирующего элемента стал не эмиттер n-p-n-транзистора, а коллектор транзистора p-n-p-структуры, что позволило уменьшить прямое падение напряжения на стабилизаторе приблизительно до 0.6 В. Такой стабилизатор с малым падением напряжения (МПН), называемый по-английски "LOWDROP", позволяет получить стабилизированное напряжение, близкое к входному, и уменьшить рассеиваемую на стабилизаторе мощность. Первые МПН стабилизаторы типа LM2931 были рассчитаны на небольшой выходной ток до 100 мА. Постепенный прогресс в конструкции и технологии транзисторов p-np-структуры привёл к созданию в 2006 году фирмой Linear Technology серии LT1083 - LT1086, рассчитанных на токи до 7.5 А. Отечественная промышленность также выпускает серии линейных стабилизаторов, рассчитанных на выходные напряжения от 5 до 27 В и отдаваемый ток от 0,1 до 2,0 А и более. К ним относится наиболее известная серия трехвыводных интегральных стабилизаторов КР 142ЕН 5/8/9. Данные стабилизаторы положительного напряжения являются комплементарными к стабилизаторам отрицательного напряжения серии КР 1162ЕНхх и рассчитаны на те же, но только положительные, номинальные значения выходного напряжения от 5 до 27 В. Также выпускаются серии стабилизаторов положительного напряжения 1157ЕНхх/1181ЕНхх/1188ЕНхх и комплементарные к ним стабилизаторы отрицательного напряжения серий 1168ЕНхх/1199ЕНхх/ 1189ЕНхх [4]. Существенный недостаток стабилизаторов с непрерывным регулированием - большая потеря мощности в регулирующем транзисторе (управляемом сопротивлении) и, как следствие этого, недостаточно высокий КПД. Стремление повысить КПД привело к созданию стабилизаторов с импульсным регулированием, в которых регулирующим элементом служит периодически замыкающийся ключ (как правило, транзистор в ключевом режиме), подключающий нагрузку к источнику входного постоянного напряжения Uвх. Импульсные стабилизаторы способны работать в нескольких режимах: понижающий (StepDown), повышающий (Step-Up) и инвертирующий (Inverting). Микросхемы для импульсных источников питания развились на базе линейных стабилизаторов, и в настоящее время это самостоятельное бурно развивающееся направление микроэлектроники. Сюда можно отнести и практически законченные 3 /4 выводные стабилизаторы напряжения с одним - двумя внешними элементами, и многовыводные контроллеры импульсных источников питания с несколькими выходными напряжениями, и микросхемы, включающие только отдельные блоки импульсного преобразователя: усилитель ошибки, усилитель-формирователь сигнала управления выходным транзистором (драйвер), различные датчики повышенного/пониженного напряжения и пр.

Рис.2.3. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения.

Рис. 2.4. Микросхема LM317Т: а - внешний вид, б - схема включения.



Рис.2.5. Схема импульсного стабилизатора напряжения.

1.3 Преобразователи напряжения

Классическая схема ИВЭ содержит входной трансформатор, питание которого происходит от промышленной питающей сети переменного напряжения с частотой 50/400 Гц. Размеры сердечника, а соответственно и массогабаритные 10 показатели трансформатора велики. С ростом выходной мощности они только увеличиваются и являются основным ограничивающим фактором при снижении массы и габаритов всего источника питания. Для снижения габаритов применяют бестрансформаторную схему построения ИВЭ. Основным элементом такого источника питания можно считать преобразователь постоянного напряжения в переменное, который содержит в своём составе трансформатор. Современные источники работают на частотах преобразования от десятков килогерц до нескольких сотен килогерц. На таких частотах современные магнитные материалы (ферриты и пермаллои) имеют размеры, позволяющие создавать трансформаторы, сравнимые по размерам с остальными элементами схемы. В источниках электропитания радиоэлектронной аппаратуры применяются два вида транзисторных преобразователей: с самовозбуждением (автогенераторы) и с независимым возбуждением (усилители мощности). Преобразователи с самовозбуждением выполняют в виде автогенераторов с трансформаторной положительной обратной связью. Они выполняются на небольшие мощности (от единиц до нескольких десятков ватт) и предназначаются в основном для питания цепей с мало изменяющейся в процессе работы нагрузкой, поскольку изменение тока нагрузки приводит к изменению режима работы транзисторов автогенератора и оказывает влияние на условия самовозбуждения. Преобразователи с усилением мощности содержат маломощный задающий генератор и выходной каскад - усилитель мощности. Изменение тока нагрузки в таких устройствах мало влияет на режим работы задающего генератора. Такие преобразователи находят широкое применение в устройствах электропитания с большим динамическим диапазоном изменения тока нагрузки и выполняются на мощности от десятков до сотен ватт и больше. Преобразователи напряжения с самовозбуждением могут выполняться по однотактной или двухтактной схеме. Однотактные преобразователи строятся на основе двух схем: с обратным (Flyback) и прямым включением диода (Forward). Достоинством однотактного преобразователя являются простота схемы и малое количество элементов в ней. Существенным недостатком однотактной схемы является то, что трансформатор в ней работает с подмагничиванием, от этого его габариты резко возрастают. Кроме того, как во всех однотактных выпрямителях, при прочих равных условиях работы уровень пульсации в них значительно выше, чем в схемах многофазного выпрямления. Ввиду этого однотактные преобразователи находят ограниченное применение в устройствах электропитания. Схемы двухтактных преобразователей подразделяются на три типа: схема с выводом средней точки трансформатора, полумостовая и мостовая схемы [2]. Преобразователь напряжения, как правило, включает в себя специализированную микросхему-контроллер. Контроллер содержит практически все узлы управления. Более того, состав интегральной схемы контроллера непрерывно 11 Рис. 2.6. Схема обратноходового преобразователя напряжения на микросхеме LM5021 расширяется, в него вводятся узлы, реализующие множество новых функций. Контроллер в общем случае содержит следующие узлы: внутренний стабилизированный источник напряжений питания и опорных напряжений, генератор сигналов тактовых импульсов, широтно-импульсный модулятор и усилители сигналов обратной связи, схемы защиты от перегрузок по току и логику управления, усилители импульсов или драйверы. Фирмой National Semiconductor выпускается ряд микросхем контроллеров, предназначенных для использования в схемах преобразователей напряжения: LM5020/1, LM5032 - для обратно- и прямоходовых преобразователей, LM5030/33 -для двухтактных, мостовых и полумостовых схем и многие другие. На рис. 2.6 изображена схема обратноходового преобразователя на микросхеме ШИМ-контроллера LM5021. В момент запуска LM5021 потребляет ток всего 25 мкА, что позволяет снизить потери и использовать в обвязке микросхемы маломощные резисторы. Встроенный драйвер затвора внешнего ключевого МОП-транзистора обеспечивает пиковый ток до 0,7 А. Рабочая частота в диапазоне 50-1000 кГц устанавливается резистором, подключаемым к выводу RT, который также может использоваться и для синхронизации. В дополнение к традиционным устройствам защиты от перегрузок и перегрева микросхема содержит схему пошагового ограничения тока и режим Hiccup - токовую защиту с автоматическим возобновлением работы после ликвидации перегрузки [6]. Компания ON Semiconductor также предлагает множество контроллеров для однотактных и двухтактных преобразователей. Например, NCL30000/1 предназначены для построения схем обратноходовых преобразователей, микросхемы NCL1237/8 выполняют ту же функцию, но, в отличие от предыдущих, дополнительно имеют защиту от КЗ, функцию блокировки при аварийных ситуациях и встроенный динамический источник питания, который гарантирует надежный запуск преобразователя и в то же время - низкое потребление в выключенном состоянии. Для прямоходовых преобразователей производят контроллеры NCP1252, CS511221, которые, помимо перечисленных функций, обладают защитой от пониженного выходного напряжения. Для двухтактных инверторов предлагаются микросхемы MC33025, NCP1395/6 [7]. В отдельных случаях в составе контроллеров импульсных источников питания нет достаточных по мощности, напряжению или другим характеристикам усилительных каскадов. Тогда схема управления дополняется специализированными микросхемами-драйверами, которые представляют собой высокоскоростные усилители импульсов. Кроме того, во многих устройствах преобразователей управление ключами требует гальванической развязки схем управления и выходных цепей управляемых ключей. Это также обусловливает применение специальных драйверов. Силовые транзисторы IGBT и MOSFET стали основными элементами, применяемыми в мощных импульсных преобразователях. Их уникальные статические и динамические характеристики позволяют создавать устройства, способные отдать в нагрузку десятки и даже сотни киловатт при минимальных габаритах и КПД, превышающем 95 %. Общим у IGBT и MOSFET является изолированный затвор, в результате чего эти элементы имеют схожие характеристики управления. При проектировании схемы управления ключом необходимо обеспечить превышение скорости запирания транзистора над скоростью отпирания. Это позволяет устранить сквозные токи в двухтактных схемах, вызывающие большие потери и перегрев транзисторов. С этой задачей справляются микросхемы драйверов. Часто на драйверы возлагают также некоторые функции защиты МОП-транзисторов или IGBT-транзисторов. В число этих функций входят следующие: защита от короткого замыкания ключа, защита от понижения напряжения питания драйвера, защита от сквозных токов, защита от пробоя затвора [8]. Выпускаемые промышленностью драйверы предназначены для управления затворами верхних и нижних ключей, полумостовых, раздельных трехфазных мостовых и независимых трехфазных схем включения. Фирма International Rectifier выпускает широкую гамму микросхем драйверов для управления затворами IGBT и полевых транзисторов: IR2125/7/8, IR2118/17/70/72 - драйверы верхних ключей, IR1210, IR4426/27/28 - драйверы нижних ключей, IR2157, IR21592, IR2155 - драйверы полумостовых схем и независимые трёхфазные драйверы -IR2131S/J. На рис. 2.7 изображена схема включения полумостового драйвера IR2155. Микросхема IR2155 - драйвер с самотактированием высоковольтных, высокоскоростных МОП-транзисторов или IGBT-транзисторов с выходными каналами нижнего и верхнего уровней.

Рис.2.6. Схема обратноходового преобразователя напряжения на микросхеме LM5021.

Рис.2.7 Схема включения полумостового драйвера IR2155.

Выходы драйвера отличаются высоким импульсным током буферного каскада и паузой при переключении каналов, что выполнено для минимизации встречной проводимости драйвера. Задержки распространения сигналов для обоих каналов согласованы для упрощения использования в приложениях со скважностью 2. Выходной канал может быть использован для управления Nканальным силовым МОП-транзистором или IGBT-транзистором с напряжени- 13 Рис. 2.7. Схема включения полумостового драйвера IR2155 ем питания верхнего уровня до 600 В. В качестве представителей компании Texas Instruments можно назвать драйверы для нижнего плеча TPS2811/TPS2812/TPS2813, которые имеют встроенный стабилизатор напряжения, что обеспечивает широкий диапазон допустимых входных напряжений до 40 В

2. Описание расчета источника вторичного электропитания

Основой для разработки устройства электропитания является техническое задание, которое составляется на основе требований, обусловленных его применением в составе радиоэлектронного средства. Рекомендуется следующий порядок расчёта источников электропитания, построенных по классической схеме:

1. Построение структурной схемы, определение состава устройства.

2. Расчёт схемы стабилизации.

3. Расчёт и выбор фильтра.

4. Выбор схемы выпрямления и расчёт выпрямителя.

5. Расчёт трансформатора.

6. Определение результирующих технических параметров и характеристик источника питания.

Для источников питания с бестрансформаторным входом, где громоздкий входной трансформатор заменён на схему, состоящую из выпрямителя, фильтра и преобразователя, вместо расчета сетевого трансформатора производятся выбор и расчёт этих элементов и импульсного трансформатора в преобразователе.

После выполнения всех расчётов необходимо составить полную принципиальную электрическую схему с перечнем элементов.

2.1 Описание расчета стабилизатора напряжения

Согласно ТЗ, в данной курсовой работе применим повышающий стабилизатор напряжения.

Принцип его работы в том, что при подаче на вход напряжения, в первый момент времени выходное напряжение будет равно входному. Пока регулирующий транзистор закрыт. После его открытия, к коммутирующему диоду прикладывается напряжение обратной полярности, равное выходному. Ток регулирующего транзистора равен току индуктивности. В индуктивности накапливается энергия. Напряжение на нагрузке коммутируется током разрядки конденсатора. После закрытия транзистора, открывается диод и к нагрузке прикладывается напряжение самоиндукции и напряжение входа. Далее процесс повторяется. Максимальное напряжение на регулирующем транзисторе равно выходному напряжению.

Повышающие стабилизаторы строятся на основе ШИМ - контроллеров. Список микросхем с ШИМ - контроллерами приведен в табл. 3.2 и 3.3.

Рис. 3.9. Структурная схема ИПСН.

Таблица 3.2.

Параметры микросхем импульсных стабилизаторов напряжения.

Таблица 3.3.

Параметры микросхем ШИМ - контроллеров для ИСН.

Рис.3.10. Диаграммы работы ИПСН.

Перед расчетом стабилизатора, выберем микросхему, согласно выходному напряжению и максимальному току , заданным в ТЗ.

MC34063 (отеч. аналог К 1156ЕУ 5) - - преобразователь постоянного напряжения с регулируемым выходом, производимый компанией Texas Instruments. Работает в повышающем (step up), инвертирующем (inverting), понижающем режимах (step down). Достоинством является широкий диапазон входных и выходных напряжений, из-за этого ее унифицированность. Недостаток - отсутствие встроенного усилителя ошибки, из-за чего большие пульсации на выходе. Производитель рекомендует на выход схемы дополнительно устанавливать LC-фильтр.

Ее основные параметры:

· Диапазон входных напряжений 3..40 В

· Частота переключения 100 кГц

· Температурный диапазон 0..70

· Максимальный выходной ток 1,5 А

· Выходное напряжение 1,25..40 В

Рис.3.11. Структурная схема MC34063.

Рис.3.12. Расположение выводов LM78S40CN.

Расчет импульсного стабилизатора повышающего типа.

1. Расчет входного напряжения.

;

;

;

2. Расчет относительной длительности открытого состояния транзистора:

;

;

3. Расчет значения критической индуктивности с учетом условия непрерывности тока дросселя:

Из ряда унифицированных дросселей (Приложение 1) выберем дроссель Д 201, со значением индуктивности

4. Расчет емкости конденсатора фильтра:

Из ряда унифицированных конденсаторов (Приложение 2) выберем конденсатор К 50-15, емкостью

5. Нахождение переменной составляющей тока дросселя:

6. Определение параметров диода:

Из ряда унифицированных диодов (Приложение 3) выберем диод КД 272В со значением

7. Расчет максимальной мощности стабилизатора:

8. Расчет коэффициента стабилизации

9. Расчет коэффициента пульсации на входе стабилизатора

Так как , то принимаем значение

10. Расчет схемы сравнения:

Задаем ток делителя:

Определим :

Выберем резистор из ряда

Выберем

Применим переменный резистор ППБ-1А,, 1Вт

2.2 Описание расчета сглаживающего фильтра

Фильтр предназначен для сглаживания пульсаций - уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения. Допустимый уровень переменной составляющей определяется условиями эксплуатации и характером работы питаемого радиоэлектронного устройства.

В источниках электропитания радиоаппаратуры широкое распространение получили простейшие фильтры: емкостные, резистивно-емкостные, индуктивные, однозвенные индуктивно-емкостные Г-образные, индуктивно-емкостные П-образные.

Для своего источника питания я выбрал емкостной фильтр. Из-за малых токов, размеров, веса и стоимости.

Расчет LC-фильтра.

1. Расчет коэффициента пульсаций на выходе фильтра.

2. Расчет коэффициента пульсаций на выходе выпрямителя (входе фильтра):

3. Расчет коэффициента сглаживания пульсаций:

Исходя из рассчитанных значений напряжений и токов, я выбрал Г-образный LC-фильтр.



Рис.4.1. Г-образный LC-фильтр

4. Расчет емкости и индуктивности фильтра:

5. Определим , при которой обеспечивается индуктивная реакция фильтра:

Выберем стандартный дроссель из Приложения 1: Д 203, где L = 5 мГн

6. Рассчитаем

Выберем конденсатор типа К 50-15 из Приложения 2, емкостью

2.3 Описание расчета выпрямителя напряжения

В качестве выпрямителей используются три основные схемы:

· однополупериодная схема выпрямления;

· двухполупериодная схема выпрямления с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора;

· однофазная мостовая схема выпрямления.

Однополупериодная схема выпрямления обычно применяется при работе на нагрузку с емкостной реакцией для выходных мощностей, не превышающих 5-10 Вт. Схема проста, имеет минимальное число элементов, однако имеет низкую частоту пульсаций, высокое обратное напряжение на вентиле, обладает плохим использованием трансформатора. Двухполупериодная схема с выводом нулевой точки может работать на любой вид нагрузки. Схема применяется на выходные мощности менее нескольких сотен ватт. Основные преимущества схемы следующие:

· частота пульсаций выше, чем в однополупериодной схеме,

· высокий КПД.

Недостатки:

· наличие двух обмоток трансформатора усложняет конструкцию трансформатора, высокое обратное напряжение.

Наиболее распространённая однофазная мостовая схема выпрямления также может работать на любой тип нагрузки. Преимущества схемы:

· частота пульсаций выше, чем в однополупериодной схеме,

· небольшое обратное напряжение,

· хорошее использование трансформатора,

· отсутствие вынужденного намагничивания.

К недостаткам можно отнести:

· необходимость использования четырёх диодов,

· повышенное падение напряжения на вентильном комплекте

Расчет мостового выпрямителя напряжения.

Для данного источника питания, я выбрал однофазную мостовую схему выпрямителя, пульсность которой - m = 2.

Рис.5.1. Однофазный мостовой выпрямитель.

1. Расчет максимального значения выпрямленного напряжения:

2. Обратное напряжение диодов:

3. Среднее значение прямого тока:

Из Приложения 3 выберем диод Шоттки: КД 238АС, его основные характеристики:

·

·

·

4. Мощность, выделяющаяся на диоде:

2.4 Описание расчета трансформатора

При малой мощности и частоте сети 50 Гц наибольшее применение находят трансформаторы броневого типа. Броневые сердечники по конструкции делят на штампованные и ленточные. Чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник трансформатора обычно выполняют из тонких штампованных металлических пластин, сложенных вместе. Пластины Ш-образной формы используются для изготовления броневых магнитопроводов, а Г-образной - для стержневых.

Для данной схемы я выбрал пластинчатый Ш-образный трансформатор

Рис.6.1. Пластинчатый Ш-образный трансформатор.

Расчет трансформатора.

1. Расчет мощности вторичной обмотки трансформатора:

Так как, используется мостовая схема выпрямителя, то вторичная обмотка трансформатора будет одна.

2. Задаем ориентировочное значение КПД:

3. Определение расчетной мощности трансформатора:

1.

4. Нахождение значения токов в первичной и вторичной обмотки:

5. Определение магнитной индукции и плотности тока:

6. Определение поперечного сечения стержня сердечника и ярма:

где С = 0,7 - постоянный коэффициент

- потребляемая мощность

- коэффициент отношения массы стали к массе материала обмотки

7. Геометрическое поперечное сечение стержня с учетом коэффициента заполнения сечения сталью:



8. Геометрическое поперечное сечение ярма с учетом коэффициента заполнения сечения сталью:

9. Размеры сторон сечения стержня:

10. Высота ярма:

11. Расчет количества витков первичной и вторичной обмоток:

Определение сечения и диаметра обмоток проводов:

По расчетным значениям сечений выберем провод (Приложение 5) - ПЭВ-1 х 0,6:

· Масса 1м провода - 2,11 кг

· Номинальный диаметр провода без изоляции - 0,55 мм

· Максимальный наружный диаметр - 0,6 мм

· Расчетное сечение - 0,247 мм

ПБД х 0,9:

· Масса 1м провода - 3,13 кг

· Номинальный диаметр без изоляции - 0,67 мм

· Максимальный наружный диаметр - 0,9 мм

· Расчетное сечение - 0,353 мм

12. Определение высоты окна сердечника:

Где k - отношение высоты окна сердечника к ширине = 2..3

- коэффициент заполнения окна сердечника обмоткой = 0,2..0,29

13. Нахождение числа витков в слое, числа слоев и толщины обмоток.

Число витков в слое:

Число слоев:

Толщина обмоток:

14. Определение ширины окна сердечника:

Проверка правильности выбранных величин:



Где - коэффициент неполного прилегания слоев = 0,8

- толщина изоляции между катушкой и стержнем = 1,5 мм

- толщина изоляции между обмотками = 0,5 мм

Выберем ферритовый магнитный сердечник - Ш 4,1 х 4,1

15. Определение массы медных обмоток:

Средняя длина витка:

Находим массу медных обмоток:

кг

кг

Общая масса медных обмоток:

16. Определение потерь в обмотке при :

Потери в первичной обмотке:

3,67 Вт

Потери во вторичной обмотке:

1,39 Вт

Суммарные потери в обмотках:

17. Определение массы стали сердечника трансформатора:

Масса стержня:

Масса ярма:

18. Нахождение магнитных потерь в сердечнике трансформатора:

Потери в стержне сердечника:

Потери в ярме:

Полные магнитные потери в сердечнике:

19. Определение тока холостого хода:



20. Расчет КПД трансформатора

21. Определение размеров обмоток трансформатора:

Активные сопротивления обмоток:

Ом

Ом

Активное сопротивление короткого замыкания обмоток:

Активное сопротивление трансформатора:

Ом

22. Определение индуктивности падений напряжений и сопротивлений обмоток трансформатора:



Индуктивные сопротивления короткого замыкания пар обмоток:

4

Полное сопротивление и напряжение КЗ:

Ом

Заключение

В данной курсовой работе был разработан стабилизированный источник питания с регулируемым выходом. В ходе работы достигнуты все требования, изложенные в техническом задании. Были получены навыки по расчету составляющих источника питания(стабилизатора, фильтра, выпрямителя, трансформатора), выбору элементной базы и подбору компонентов, а так же закрепление практических навыков в графической среде SPlan.

Я надеюсь, что данный опыт пригодится мне в дальнейшей профессиональной деятельности.

Библиографический список

1. Ермолин Н.П. Расчет трансформаторов малой мощности.-Л. Энергия, 1969 г.

2. Китаев В.Е., Бокуняев А.А. Расчет источников электропитания устройств связи.-М: Радио и связь, 1993 г.

3. Основы преобразовательной техники: методические указания/ сост: Верещагин Н.М.- Рязань: РГРТУ, 2007 г.

4. Datasheet "MC64063"

Приложения

Рис.6.2. Зависимости B(Sрас)

Рис.6.3. Зависимости j(Sрас)

Рис.6.4. Зависимость падения напряжения от мощности.

Унифицированные дроссели.

Конденсаторы алюминиевые оксидно-электролитические.

Параметры диодов Шоттки.

Типы магнитопроводов.

Типы проводов.

Структурная схема МС 34063

Размещено на Allbest.ru