Методы расчета источников питания различных схемных решений, с заранее заданным выходным напряжением

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Понижающий мостовой выпрямитель

2. Расчет выпрямителя с удвоением напряжения при автотрансформаторном питании от сетки

3. Бестрансформаторный выпрямитель с умножением напряжения

Литература

Приложение А

Приложение Б

Введение

В настоящее время, подавляющее большинство бытовых и профессиональных электроприборов для своей работы требуют постоянный электрический ток. Развитие цифровой электроники, привело к применению цифровых управляющих узлов в электроинструментах, в управлении различными электрическими двигателями и пр. По вышеназванным причинам особое значение приобретает создание и производство надежных и эффективных преобразователей переменного тока в постоянный, с заданным выходным напряжением и его коэффициентом пульсации.

Целью настоящей работы является рассмотрение методов расчета источников питания различных схемных решений, с заранее заданными выходным напряжением и коэффициентом пульсации выходного напряжения.

1. Понижающий мостовой выпрямитель

Исходные данные: U_н0 = 38 В; I₀ = 415 мА; U₁ = 127 В; f=50 Гц; K_п.вых = 0,1%.

Схема выпрямителя приведена на рисунке 1

Рисунок 1 - Мостовая схема выпрямителя с двойным LC-фильтром

Для выбора типа диодов используем следующие соотношения для данного типа схем:

отсюда

Используя полученные данные и данные приложения Б, выбираем диоды типа Д7Б с Uобр=100 В; Iср=300мА; Ri=2 Ом.

Определяем сопротивление трансформатора



Из выражения (4)

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

Из выражения (5)

Токи в обмотках трансформатора.

Ток вторичной обмотки равен

Из выражения (36)

Ток первичной обмотки I₁ равен



Вычисляем габаритную мощность трансформатора, которая для двухполупериодной схемы определяется выражением

QcQ0 =1,6Pг для провода марки ПЭЛ; QcQ0 =2,0Pг для провода марки ПЭШО; QcQ0 =2,4Pг для провода марки ПШД.

Выбираем для нашего примера провод марки ПЭЛ. При этом получаем

Из приложения А, в котором приведены основные данные типовых Ш-образных пластин, по значению Q_сQ₀ выбираем для сердечника трансформатора пластины типа Ш28 с Q₀=5,88 см², шириной среднего стержня сердечника, а=2,8 см, высотой окна h=4,2 см и шириной окна b= 1,4 см (как показано в приложении А). При этом получаем

Необходимая толщина пакета пластин



Отношение с/а= 1/1,6= 1. Его рекомендуется брать в пределах 1-2. Если отношение с/а выйдет за эти пределы, то необходимо выбрать другой тип пластин.

Определяем число витков w и толщину провода d первичной и вторичной обмоток трансформатора

Из выражения

Из выражения

витков

Из выражения

Из выражения

Расчет фильтра.

Емкость конденсатора на входе фильтра.



Из выражения

Выбираем два электролитических конденсатора по 150 мкФ, при этом С₀ = 300 мкФ. Номинальное напряжение конденсаторов

Из выражения

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на входе фильтра

Из выражения

Необходимый коэффициент сглаживания фильтра

Из выражения

Так как в нашем примере q>25 и I₀>20 мА, выбираем двухзвенный LC-фильтр.

Коэффициент сглаживания одного звена

Из выражения

Определяем произведение L_фС_ф по формуле

Из выражения

Задаемся емкостью С_ф так, чтобы индуктивность дросселя фильтра не превышала 5-10 Гн. Принимаем С_ф = 30 мкФ, при этом получаем

Из выражения

Принимая полную длину зазора в сердечнике дросселя l = 1 мм, находим сечение сердечника Q_c, число витков w и диаметр провода d обмотки

Из выражения

Из выражения (24)

Из выражения

Сечение обмотки

Из выражения

По произведению Q_cQ_w=7,8=12,5 см⁴ выбираем пластины типа Ш12 с сечением окна Q_o=7,68 см²(как показано в приложении А). С учетом объема, занимаемого стенками каркаса и изоляционными прокладками, сечение Q₀ должно быть несколько больше, чем сечение обмотки Q_w. Для выбранного типа пластин ширина сердечника стержня а = 1,2 см, ширина окна сердечника b = 1,6 см.

Проверяем значение выпрямленного напряжения на нагрузке, для чего определяем среднюю длину обмотки l_w и сопротивление провода обмотки R_w



при этом падение напряжения на двухзвенном фильтре

и напряжение на нагрузке

2. Расчет выпрямителя с удвоением напряжения при автотрансформаторном питании от сетки

Схема выпрямителя на рисунке 2, исходные данные: U_н0 = 250 В; I₀ = 80 мА; U₁=127 В; K_п.вых = 0,1 %

Рисунок 2- Схема выпрямителя с удвоением напряжения и транзисторным фильтром

Выбираем вид диодов, для чего определяем обратное напряжение

средний ток

I_ср = I₀ = 80 мА

Выбираем высоковольтные диоды типа Д210 с U_обр = 500 В; I_ср = 100 мА; R_i = 5 Ом (как показано в приложении Б).

Расчет автотрансформатора. Tак как U₀ больше 2U₁, то на первый взгляд требуется повышающий автотрансформатор. Однако, так как U_н0 меньше чем на 2% меньше 2U₁, становится возможным либо отказаться от использования автотрансформатора, либо использовать любой автотрансформатор с соотношением числа витков первичной и вторичной обмоток 1:1.

Находим мощность автотрансформатора, которая в схеме с удвоением напряжения равна

Определяем выходное напряжение автотрансформатора, которое для схемы с удвоением напряжения равно



Принимая U₂ = 124 В, определяем токи, ток первичной обмотки, ток вторичной обмотки

Габаритная мощность повышающего автотрансформатора

По формулам находим произведение Q_cQ₀ для сердечника, автотрансформатора. Приняв марку провода обмотки ПЭШО, получаем

Найденному значению Q_cQ₀ не соответствует ни один тип пластин из приложения А. Поэтому принимаем решение отказаться от использования автотрансформатора и использовать непосредственное подключение выпрямителя к сети.

Расчет фильтра. Емкость конденсатора на входе фильтра.

Номинальное напряжение конденсаторов должно удовлетворять

Коэффициент пульсации напряжения на входе фильтра

При этом коэффициент сглаживания фильтра должен быть

В качестве фильтра можно применить LC-фильтр или транзисторный фильтр. Применим транзисторный фильтр. Выбираем транзистор, коллекторный ток которого удовлетворяет условию Iк_макс? 2I₀. Выберем транзистор типа П201 со следующими параметрами: Iк_макс = 1,5 А, h_21э = 20, |Uкэ_макс| ~ 30 В, обратный коллекторный ток I_КБО? 0,4 мА, сопротивление коллекторного перехода r_к = 10⁴ Ом (как показано в приложении В). Принимая сопротивление резистора R₁=100 Ом, находим емкость конденсатора

где m - число фаз выпрямления;

f = 50 Гц - частота сети.

Из выражения (44)

Номинальное напряжение конденсатора должно удовлетворять условию U_c? 1,5I₀R₁ = 1,5·80·10^-3·100 = 12 В. Задаемся падением напряжения на транзисторе U_KЭ~ (0,3ч 0,7)Uкэ_макс, но не более 15--20 В. Принимаем Uкэ = 17 В.

Определяем сопротивление резистора R2 по формуле

В исходном расчете из выражения

Из выражения для коэффициента сглаживания фильтра (без конденсатора С₀)

где f_п - частота пульсаций выпрямленного напряжения (для двухполупериодных схем f_п = 2f₀, для однополупериодных f_п = f_c).Находим емкость конденсатора С_ф, необходимую для получения требуемого значения q.

Принимаем С_ф= 10 мкФ с номинальным напряжением

U_c? 1,2U_н0

U_c=1,2·250=300 В

Проверяем значение выпрямленного напряжения на нагрузке

где падение напряжения на фильтре



3. Бестрансформаторный выпрямитель с умножением напряжения

Произведем расчет выпрямителя с умножением напряжения (рисунок 3), если заданы: U_н0 = 280 В; I₀=17мА; U₁=127 В; K_п.вых=0,3%.

Рисунок 3 - Схема выпрямителя с утроением напряжения и однозвенным RC-фильтром

ток напряжение автотрансформаторный

Выбор числа каскадов умножения и типа диодов. Желательно выбрать такое число каскадов, при котором требуемое напряжение U₂ было бы близким к напряжению U₁ или несколько меньше его (U₂U₁).В этом случае можно применить схему с бестрансформаторным включением выпрямителя в сеть. Подставив в формулу для U₂ = 0,85 U₀/n, вместо напряжения U₂ напряжение U₁ найдем число каскадов



где принято

Обратное напряжение равно

Средний ток I_ср=I₀ = 17 мА

Выбираем диоды типа Д208 с U_обр = 300 В; I_ср = 100 мА; R_i = 5 Ом (как показано в приложении Б).

Так как в нашем примере напряжение лишь немного меньше напряжения U₁, то применим бестрансформаторное включение выпрямителя в сеть. Для получения напряжения на входе выпрямителя, равного U₂, включается добавочный резистор R_доб. Это сопротивление удобно определить экспериментально.

Расчет фильтра. Определяем емкости конденсаторов.



Номинальное напряжение конденсаторов

Коэффициент пульсации напряжения на входе фильтра

Для получения заданного К_п.вых = 0,3% потребуется фильтр с коэффициентом сглаживания q= К_п.вх/ К_п.вых =5,9/0,3=19,7. Для данного примера (q<25; I₀<20 мА) выбираем однозвенный RС-фильтр.

Произведение



Выбираем сопротивление R_ф из условия допустимого падения напряжения на фильтре

При этом получаем

Выбираем конденсатор с номинальным напряжением

U_с?1,2U_н0

Из выражения (65)

U_с = 1,2·280=336 В

Литература

1. Аккабанов А.Б., Тастенов А.Д., Кошербаев Т.А. Расчет однофазного стабилизированного источника питания. - Павлодар: НИЦ ПГУ им. С. Торайгырова, 2005

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники в 2-х томах. Том 1. - М.:Мир, 1986

3. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992

Приложение А

Таблица 1 - Типы пластин

	Размеры
Тип пластины	Ширина среднего стержня a, см	Ширина окна b, см	Высота окна h, см	Площадь окна , смІ	Пределы,
Ш-10	1	0,5	1,5	0,75	0,75-1,5
Ш-10	1	0,65	1,8	0,17	1,17-2,34
Ш-10	1	1,2	3,6	4,32	4,32-8,64
Ш-12	1,2	0,6	1,8	1,08	1,56-3,12
УШ-12	1,2	0,8	2,2	1,76	2,53-5,06
Ш-12	1,2	1,6	4,8	7,68	11,1-22,2
Ш-14	1,4	0,7	2,1	1,47	2,88-5,76
Ш-14	1,4	0,9	2,5	2,25	4,41-8,82
Ш-15	1,5	1,35	2,7	3,65	8,21-16,4
Ш-16	1,6	0,8	2,4	1,92	4,91-9,82
УШ-16	1,6	1	2,8	2,8	7,17-14,3
Ш-18	1,8	0,9	2,7	2,43	7,87-15,7
Ш-19	1,9	1,2	3,35	4,02	14,5-29
Ш-20	2	1	3	3	12-24
Ш-20	2	1,7	4,7	7,99	32-64
УШ-22	2,2	1,4	3,9	5,46	26,4-52,8
Ш-25	2,5	2,5	6	15	93,7-180,7
Ш-25	2,5	3,15	5,8	18,3	114-228
Ш-28	2,8	1,4	4,2	5,88	46,5-93
УШ-30	3	1,9	5,3	10,1	91-182
Ш-32	3,2	3,6	7,2	25,9	265-530
УШ-35	3,5	2,2	6,15	13,5	165-330
УШ-40	4	2,6	7,2	18,7	300-600

Приложение Б

Таблица 2 - Диоды выпрямительные

Тип диода
Д7А	50	300	2
Д7Б	100	300	2
Д7В	150	300	2
Д7Г	200	300	2
Д7Д	300	300	2
Д206	100	100	5
Д207	200	100	5
Д208	300	100	5
Д209	400	100	5
Д210	500	100	5
Д211	600	100	5

Размещено на Allbest.ru