Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Неотъемлемым узлом любого радиотехнического устройства является источник электропитания. Электропитание радиоэлектронной аппаратуры и отдельных приборов осуществляется в основном от источников постоянного тока, которые, как правило, подключены к сетям переменного тока, электромеханическим генераторам или солнечным батареям. Часто для питания различных устройств одной и той же радиотехнической системы требуются источники постоянного тока с напряжениями нескольких номиналов. Например, для питания электронной схемы телевизора требуются несколько различных напряжений: порядка +5 В для питания цифровых микросхем; +12 В-для питания блока радиоканала; 100…150 В-для питания блока развёрток; 15…25 кВ - для питания кинескопа. В этом случае необходимо промежуточное преобразование энергии постоянного тока одного номинала в ряд напряжений переменного тока различных номиналов с последующим преобразованием их в напряжения постоянного тока.

В настоящее время схемотехника источников питания постоянно усложняется. Разработаны импульсные источники с выпрямителем на входе и преобразовательным трансформатором, работающим на ультразвуковой частоте.

Выполнение курсового проекта предусматривает решение студентом следующих задач:

- закрепление знаний о свойствах и параметрах полупроводниковых приборов - диодов, транзисторов, стабилитронов, интегральных микросхем;

- выяснение того, как отдельные простые схемы при определенном соединении образуют более сложное устройство, в котором каждая схема вносит свой вклад в реализацию функций всего устройства.



1. Исходные данные

Напряжение сети U_сети = 110 В,

Частота сети f _cети = 400 Гц,

Напряжение нагрузки U_нагр. = 10 В,

Мощность нагрузки P_нагр. = 20 Вт,

Рисунок 1 - Структурная схема источника питания



2. Расчетная часть

2.1 Расчет трансформатора переменного тока

Исходные данные:

Напряжение сети U_сети = 110 В,

Частота сети f _cети = 400 Гц,

Напряжение нагрузки U_нагр. = 10 В,

Мощность нагрузки P_нагр. = 20 Вт,

Коэффициент мощности нагрузки (вторичной обмотки) cos ц₂ =1,

Число фаз m = 1,

Коэффициент стабилизации n = 1,3.

Особые условия: трансформатор минимальной стоимости для продолжительной работы при окружающей температуре 50^оС, исполнение -

открытое, охлаждение - воздушное.

Выбор типа и основных соотношений трансформатора

В соответствии с условиями задания наиболее подходящим по конструкции является броневой тип трансформатора с сердечником из штампованных Ш-образных пластин и медными обмотками. Отношение массы стали к массе меди примем:

В качестве материала сердечника примем электротехническую сталь марки Э44 с толщиной листа д_с = 0,5 (ГОСТ 802-58).

Определение токов трансформатора

Ток первичной обмотки



где P - произведение активной мощности вторичной обмотки на коэффициент стабилизации:

Принимаем, что

I_1p ? I_µ% ? 50% от I_1a, или I_µ = 0,5I_1a при cosц₂ = 1.

По кривой з =f(P) для P = 26 Вт находим з = 0,72.

Ток вторичной обмотки

где мощность вторичной обмотки P₂ = P_нагр., напряжение вторичной обмотки

U₂ = U_нагр.

2.2 Выбор индукции в стержне и ярме сердечника трансформатора

2.3 Выбор плотности тока в медных проводах обмоток трансформатора

.

2.4 Определение поперечного сечения стержня сердечника и ярма

где P₁ = U₁I₁ = 110 • 0,36 = 39,6 Вт.

Геометрические поперечные сечения стержня и ярма сердечника с учетом коэффициента заполнения сечения сталью:



где - коэффициент заполнения сечения сердечника сталью.

Размеры сторон геометрического квадратного поперечного сечения стержня (рис.)



2.5 Определение числа витков обмоток трансформатора

Число витков первичной обмотки трансформатора:

где величина найдена по кривой для P = 20 Вт.

Величина падения напряжения в обмотках трансформатора при нагрузке:

Число витков вторичной обмотки трансформатора:



2.6 Определение сечения и диаметра проводов обмоток

Предварительные значения поперечных сечений проводов обмоток:

Ближайшие сечения и диаметры проводов по ГОСТу 2773-51 равны:

Окончательные значения плотности тока в выбранных проводах:



2.7 Укладка обмоток на стержнях трансформатора

Число витков первичной обмотки в слое:

Число слоев этой обмотки:



Толщина первичной обмотки:

Аналогичные вычисления будут и для вторичной обмотки.

Число витков второй обмотки в слое:

Число слоев этой обмотки:

толщина второй обмотки:

Ширина окна сердечника:

(2.1.15)

где принято е₃ = 4 мм, е₀ = 2 мм, д₁₂ = 1 мм, ??₂ = 1,3.

Изоляция между обмотками выполнена электрокартоном ЭВ (ГОСТ 2824-60).

Сердечник может быть собран из Ш-образных пластин по нормали СТ-360А: Ш-20Х30

2.8 Вес медных обмоток трансформатора

Массы медных обмоток трансформатора в случае круглых катушек определяются следующим образом:

(2.1.16)

(2.1.17)



Общая масса медных обмоток:

(2.1.18)

2.9 Потери в обмотках трансформатора при 75^оС

(2.1.19)

Суммарные потери в обмотках:

(2.1.20)

2.10 Вес стали сердечника трансформатора

(2.1.21)

(2.1.22)

(2.1.23)

Общая масса сердечника

2.11 Магнитные потери в сердечнике трансформатора



Полные магнитные потери в сердечнике

Т.к используется трансформатор повышенной частоты, равной 400 Гц, для сердечников стали Э44потери по мощности удобно определить по формуле:

(2.1.24)

2.12 Ток холостого хода трансформатора

где



2.13 Коэффициент полезного действия трансформатора

2.14 Активные падения напряжения и сопротивления обмоток трансформатора

Относительные активные падения напряжения в обмотках:

Активные сопротивления обмоток



1,248 Ом.

Активные сопротивления короткого замыкания обмоток

2.15 Индуктивные падения напряжения и сопротивления обмоток трансформатора

Относительные индуктивные падения напряжения в отдельных обмотках:



Индуктивные сопротивления короткого замыкания пары обмоток

2.16 Полные сопротивления и напряжения короткого замыкания обмоток трансформатора

Полные сопротивления короткого замыкания пары обмоток



Напряжения короткого замыкания пары обмоток

2.17 Проверка трансформатора на нагревание

где

Отсюда:

Температура нагрева трансформатора будет:

2.18 Сводные данные

Масса стали сердечника………………………………………….. 0,301 кг

Удельный расход стали………………………………………. 3,01 кг/кВт

Масса меди обмоток…………………………………………….…0,23 кг

Удельный расход меди…………………………………………2,3 кг/кВт

Отношение массы стали к массе меди………………………………1,3

Магнитные потери в сердечнике……………………………….. 1,37 Вт

Потери в меди обмоток…………………………………………8,52 Вт

Отношение потерь в меди к потерям в стали……………………6,02

К.п.д…………………………………………………………….…72%

Превышение температуры……………………………………………..32^оС

Намагничивающий ток………………………………………………50%

Относительные изменения напряжения…………………………..22%

Расчет выпрямителя

Выпрямитель - устройство (механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое), предназначенное для преобразования входного переменного напряжения и тока в выходное постоянное напряжение или ток.

При конструировании блоков питания для выбора выпрямительных диодов используют следующие параметры:

- максимальное обратное напряжение диода. следует брать в 2 раза больше реального выходного напряжения трансформатора.



(2.2.1)

Максимальный ток диода должен превышать ток выпрямителя в 1,5 - 2 раза.

;(2.2.2)

Используя данные таблицы выбираем подходящий диод: КД202А

Параметры полупроводникового диода:

I_пр.ср = 5 А; I_пр.и = 9 А; U_обр = 50 В; U_пр. = 0,9 В.

Расчет сглаживающего фильтра.

Сглаживающие фильтры питания предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Принцип работы простой - во время действия полуволны напряжения происходит заряд реактивных элементов (конденсатора, дросселя) от источника - диодного выпрямителя, и их разряд на нагрузку во время отсутствия, либо малого по амплитуде напряжения.

Выходное напряжение c мостового выпрямителя будет определено следующим образом:

Максимальное выходное напряжение на выходе выпрямителя:

(2.3.2)

Емкость сглаживающего конденсатора выбираем из условия:

Учитывая условие, при котором емкость конденсатора должна быть намного больше полученному значения, по приведенному условию, выбираем конденсатор ёмкостью более чем в пять раз больше расчётного значения.

Используя данные таблицы выбираем подходящий конденсатор K-50-6-100мФ-160В

Номинальное напряжение: U=160 В;

Номинальная емкость: C1 = 100 мкФ

Расчет компенсационного стабилизатора напряжения импульсного регулирования

Выбор транзистора.

Определим максимальное напряжение на переходе коллектор-эмиттер транзистора:



Определим мощность, рассеиваемую на транзисторе:

Транзистор должен удовлетворять этим требованиям с некоторым запасом. Кроме этого его максимальный ток коллектора должен быть больше удвоенного тока нагрузки, т.к. в режиме насыщения транзистора его ток коллектора должен вдвое превосходить необходимый ток нагрузки, потому что ему необходимо питать нагрузку и заряжать конденсатор. Конденсатор должен заряжаться примерно таким же током, какой идет в нагрузку. Это необходимо для обеспечения равномерных пульсаций выходного напряжения, а ток заряда конденсатора непосредственно влияет на время его заряда.

Данным требованиям удовлетворяет транзистор КТ816Г.

Параметры транзистора КТ816Г:

- статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ при U_КЭ=1 В, I_К=1 А, в менее 275

- граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ не менее 3Мгц.

- напряжение насыщения U_КЭнас не более 0,6 В.

- напряжение открытого перехода БЭ U_БЭот=1,2 В.

- обратный ток коллектора не более 100 мкА.

- максимальный постоянный ток коллектора 6 А.

- постоянная рассеиваемая мощность при t=-40..+25С - 25 Вт.

Расчет конденсатора C₁

Конденсатор С₁ играет роль входного фильтра. Он необходим для сглаживания пульсаций входного напряжения. Напряжение на вход схемы подается с выпрямителя с частотой 400Гц.

Определим период изменения входного напряжения:

Время заряда и разряда конденсатора будут примерно одинаковы. Исходя из этого, определим время заряда конденсатора:

Емкость конденсатора фильтра может быть определена из формулы:

Средний ток, протекающий через конденсатор, равен току, уходящему в нагрузку. Определим максимально допустимое изменение входного напряжения в схеме:



Возьмем минимально допустимое значение входного напряжения с запасом в 2-3 В. U_вх.min=16 В. По формуле (2.4.4) определим допустимое изменение входного напряжения:

По формуле (2.66) определим емкость конденсатора С₁:

Разброс входного напряжения влияет на ток коллектора транзистора в насыщенном режиме, поэтому я решил взять конденсатор большей емкости для лучшего сглаживания пульсаций напряжения на входе. Я взял конденсатор С₁ К50 - 6 - 100 В - 50 мкФ. Рассчитаем изменение входного напряжения при этом конденсаторе:

Расчет резистора R₁

Резистор R₁ должен обеспечить отвод I_К0 из базы транзистора, когда он находится в отсечке. Это необходимо для надежного закрывания транзистора.



Номинал этого резистора должен быть таким, чтобы ток через него превышал ток через переход БЭ транзистора хотя бы на порядок, т.е.

Ток через резистор определяется как отношение падения напряжения на переходе БЭ транзистора к номиналу резистора.

Выразим из формулы (2.73) номинал R₁ и найдем его, подставив числовые значения. Причем падение напряжения на переходе БЭ транзистора должно быть не достаточным для его открывания. Возьмем U_БЭ=5 В. I_К0=100мкА.

В стандартном ряду сопротивлений есть такой номинал. Рассчитаем мощность, рассеиваемую на этом сопротивлении:

Максимальный ток необходимо брать для обеспечения некоторого запаса. Ток через это сопротивление будет максимальным, когда переход БЭ будет открыт. При этом на нем падает напряжение U_БЭот=0,8В.



Я решил взять распространенный резистор R₁ МЛТ - 0,125 - 55к 5%.

Расчет резистора R₃

Воспользуемся следующей формулой:

При этом необходимо, чтобы при среднем входном напряжении ток коллектора вдвое превышал ток нагрузки. При выполнении этого условия будет обеспечено равенство времен заряда и разряда конденсатора С₂, что в свою очередь обеспечит равномерность импульсов выходного напряжения. При расчете конденсатора С₁ мы определили, что.

Поэтому Выразим из формулы (2.4.10) сопротивление R₃ и подставим численные значения всех величин:

Ближайшее стандартное сопротивление 18 Ом. Рассчитаем среднюю рассеиваемую на нем мощность, причем средний ток, протекающий через него равен току нагрузки:

Из-за большой мощности лучше всего взять проволочный резистор R₃ ПЭВ-75.

Рассчитаем крайние величины тока коллектора при максимальном и минимальном входных напряжениях:

Определим входное напряжение, при котором ток коллектора будет равен 1А:

Расчет резистора R₂

Резистор R₂ должен обеспечить поступление в базу транзистора необходимого для открывания тока. Этот ток можно определить по формуле:



Т.к. изменение входного напряжения вызывает изменение тока насыщения коллектора транзистора и изменение тока через резистор R₂, то надо рассчитать сопротивление для крайних значений тока. Для этого сначала надо найти необходимый ток базы при минимальном и максимальном входных напряжениях:

Используем формулу:

но ток через резистор R₁ значительно меньше тока базы транзистора в открытом состоянии, поэтому им можно пренебречь. При открывании транзистора компаратор уже открыт, поэтому нижний вывод R₂ получается подключенным к нулевому потенциалу, т.е. к «земле».

Ток через это сопротивление можно определить по следующей формуле:



трансформатор резистор тиристор сопротивление

Выразим из этой формулы R₂ и, подставив крайние величины входного напряжения и базового тока при этом напряжении, найдем две величины сопротивления:

Из них надо выбрать минимальное сопротивление, т.к. оно будет обеспечивать наибольший ток, т.е. надо выбрать из стандартного ряда сопротивлений номинал, близкий к в меньшую сторону (опять же для обеспечения наибольшего тока базы). Ближайшее стандартное сопротивление - 3300Ом. Рассчитаем мощность, рассеиваемую на этом сопротивлении. Через этот резистор половину периода ток практически равен нулю, а вторую половину ток равен:

Средний ток, протекающий через R₂, равен половине этого значения, т.е. примерно 25 мА. Средняя рассеиваемая мощность равна:

Возьмем резистор R₂ МЛТ-1-35005%, т.к. он обеспечивает определенный запас по рассеиваемой мощности.

Выбор стабилитрона VD₁ и резистора R₅

Стабилитрон VD₁ и резистор R₅ используются для подачи опорного напряжения на один из входов компаратора. Резистор задает ток, проходящий через стабилитрон. Параметры стабилитронов в основном имеют сходственный характер, поэтому выбор какого-то конкретного стабилитрона существенно не повлияет на параметры всей схемы. Он должен обеспечить подачу опорного напряжения на один из входов компаратора.

Исходя из величины этого напряжения будет рассчитываться делитель для подачи напряжения с выхода на второй вход компаратора. Я выбрал стабилитрон КС211Ж, обладающий следующими параметрами:

номинальное напряжение стабилизации U_ст.ном. = 11 В.

номинальный ток стабилизации I_ст.ном.= 4 мА.

минимальный ток стабилизации I_ст.min = 0,5 мА.

максимальный ток стабилизации I_ст.max = 11 мА.

сопротивление стабилизатора r_ст = 40 Ом.

Ток через резистор при среднем входном напряжении должен быть равен номинальному току стабилитрона, т.к. входной ток компаратора пренебрежимо мал по сравнению с ним, т.е.



Из этой формулы выразим R₅ и определим его величину:

Ближайшее стандартное сопротивление - 18 кОм. Определим величину минимального и максимального токов, протекающих по этой цепи, которые будут при минимальном и максимальном входном напряжении соответственно:

Величины этих токов лежат в пределах допустимых норм, поэтому можно использовать данный стабилитрон и резистор. Определим среднюю рассеваемую на нем мощность (средний ток через резистор равен 3,975 мА):

Можно взять резистор R₅ МЛТ - 0,5-18,5к5%.

Расчет делителя R₆-R₇

Для расчета данного делителя необходимо задаться определенным током, протекающим через него. Причем этот ток должен значительно превышать входной ток компаратора (100 нА), чтобы последний не влиял на делитель напряжения, а также он должен быть значительно меньше тока нагрузки (0,5 А), чтобы в свою очередь не вносить существенного вклада в процесс заряда и разряда конденсатора С₂. Таким образом, ток делителя должен быть порядка единиц миллиампер. Поэтому величины сопротивлений R₆ и R₇ должны быть порядка единиц килоом. Определим коэффициент делителя, т.е. соотношение номиналов его резисторов.

т.е. номинал резистора R₆ должен в 0,18 раз быть меньше номинала R₇, причем их величины должны быть порядка единиц килоом. В стандартном ряду сопротивлений наиболее хорошо удовлетворяют этому соотношению сопротивления 1,35 и 7,5 кОм. Поэтому возьмем в качестве сопротивления R₆ 1,35 кОм, а в качестве R₇ - 7,5 кОм. Определим ток, протекающий при этом через делитель:

Определим мощность рассеиваемую на этих сопротивлениях:

В качестве обоих резисторов можно взять соответственно R₆ МЛТ - 0,125-1,35к5% и R₇ МЛТ - 0,125-7,5к5%.

Расчет резистора R₄

Воспользуемся формулой для определения напряжения в точке А, когда компаратор находится в состоянии низкого импеданса:

(2.4.20)

Сопротивление резистора R₄ значительно больше сопротивлений R₁ и R₂, поэтому их величинами можно пренебречь и использовать для расчета R_экв=R₄.

(2.4.21)

Из последних двух формул выразим изменение напряжения в точке А:

(2.4.22)

С другой стороны изменение напряжения в точке А можно определить, зная заданное изменение выходного напряжения следующим образом:

Выразим из формулы (2.98) значение сопротивления R₄:



(2.4.24)

, поэтому значением величины справа можно пренебречь.

Выберем ближайшее стандартное сопротивление в большую сторону 47 МОм, необходимо брать его в большую сторону, т.к. при этом будет обеспечено более маленькое изменение выходного напряжения. Через этот резистор будет протекать очень маленький ток, поэтому на нем мощность рассеивания практически равна нулю. Поэтому следует выбрать резистор R₄ МЛТ - 0,125 - 47М5%.

Определим величины изменения выходного напряжения при токе коллектора VT₁ в режиме насыщения, равном 1А (при U_вх.ср.), а также в крайних значениях входного напряжения (при U_вх.max и U_вх.min):



Расчет конденсатора С₂

Частота импульсов задана: 20кГц. Определим период:



Рассчитаем емкость конденсатора по формуле (2.66) при условии, что ток коллектора VT₁ в насыщенном режиме равен 1А. При этом через конденсатор все время идет ток, равный 0,5А, но меняющийся по направлению. Изменение напряжения на выходе схемы при этом равно . Время заряда и время разряда конденсатора будут одинаковы, поэтому. Изменение напряжения на конденсаторе равно заданному изменению выходного напряжения. Подставим в формулу (2.4.3) все численные значения и определим емкость конденсатора:

Ближайшая стандартная емкость - 101 мкФ. Этот конденсатор должен выдерживать напряжение, равное выходному, т.е. 10 В, поэтому я выбрал конденсатор С₂ К50-7 - 101 мкФ.

Расчет КПД стабилизатора

КПД схемы определяется по следующей формуле:

КПД рассчитан без учета потерь при переключении транзистора, когда он находится в активном режиме, и имеют место относительно большое падение напряжения на нем и относительно большой ток, протекающий через транзистор.



Заключение

В курсовой работе был кратко описан принцип работы источника питания. Описан расчёт одной из множества возможных схем источника питания. Рассчитанный источник питания полностью удовлетворяет заданным параметрам.

Источник питания обладает рядом достоинств: имеет три выходных канала, что позволяет запитывать различную аппаратуру, кроме того на выходе обеспечивается достаточно малое значение сопротивления; при этом схема достаточно проста и обладает высокой надёжностью. Недостатки: необходимость применения радиаторов для отвода тепла от транзистора; большие масса и габариты, обусловленные применением радиаторов и трансформатора; невысокое значение КПД обусловлено рассеиванием энергии на транзисторе и диодах.



Список литературы

1. Бурков А.Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. для вузов. - М.: Транспорт, 1999. - 464 с.

2. Сидоров И.Н. Малогабаритные трансформаторы и дроссели. Справочник. - М.: Радио и связь, 1985. - 276 с.

3. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник / А.В. Баюков, А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев и др.; Под ред. Н.Н. Горюнова. - М.: Энергоиздат, 1982. - 744 с.

4. Диоды: Справочник / О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, С.Л. Пожидаев. - М.: Радио и связь, 1990. - 656 с.

5. Щербина А., Благий С. Микросхемные стабилизаторы серий 142, К142, КР142.-Радио, 1990, №8, с. 89-90; №9, с. 73-74.

6. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд-е 11-е. ? М.: Энергия, 1997. ?467 с.

Размещено на Allbest.ru