Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 45
|
СОДЕРЖАНИЕ Введение 1 Анализ технического задания 2 Разработка принципиальной схемы 3 Расчет элементов схемы 4 Анализ спроектированного устройства на ЭВМ Выводы Перечень ссылок Приложение А Приложение Б Приложение В Введение
Вторичные источники питания используются в РЭА, питающейся от сети переменного тока, для получения напряжений постоянного и переменного тока,необходимых для питания различных узлов. Недостатком данного типа блока питания является большая материалоёмкость, меньшей удельной мощностью и более низким КПД, в отличии от импульсного источника питания – это обусловлено наличием трансформатора питания работающего на частоте 50 Гц и стабилизатора компенсационного типа непрерывного действия. В данный момент в РЭА чаще стали использоваться другие виды источников питания. 1 Анализ технического задания
В донной курсовой работе необходимо рассчитать и спроектироватьвторичный источник питания по таким исходным данным Uвых=12 В f =50 Гц Uвх=220 B Kст=100 Iн=2 mA На рис. 1.1 изображена структурная схема вторичного источника питания. Трансформатор питания Сглаживающий фильтр Стабилизатор напряжения Рис.1.1 – Структурная схема вторичного источника питания
Выпрямительные устройства (выпрямители) относятся к вторичным источникам электропитания. Они используются для преобразования переменного напряжения в постоянное. Источником переменного напряжения может быть сеть переменного тока частотой 50 Гц или преобразователь постоянного напряжения в переменное повышенной частоты. Выпрямитель в большинстве случаев состоит из трансформаторапитания, изменяющего напряжение,комплекта вентилей – выпрямляющих переменное напряжение и сглаживающего фильтра. Сопротивление вентиля в прямом направлении в сотни раз меньше, чем в обратном. В настоящее время в основном используются полупроводниковые вентили. Сглаживающие фильтры включают между выпрямителем и нагрузкой Для уменьшения пульсаций (переменной составляющей) выпрямленного напряжения. Наиболее часто используются фильтры, состоящие из дросселяи конденсатора (рис.1.1,а) или из резистора и конденсатора (рис.1.2,а).
Р
ис. 1.2 - Схемы сглаживающих фильтров
На рис. 1.3 - изображена однофазная мостовая схема выпрямителя
Рис.1.3- Однофазная мостовая схема выпрямителя
Кнu= Коэффициент нестабильности по току – относительное изменение выходного напряжения при изменении выходного тока в определенных пределах:
Кнi= Коэффициент стабилизации напряжения – отношение относительных изменений входного и выходного напряжений при постоянном выходном токе : Кст=1/(Кну*Uвх)(1.3) Выходное сопротивление стабилитрона – производная выходного напряжения по выходному току : Rвых=dUвых/dIвых(1.4) Коэффициент полезного действия – отношение мощности на выходе стабилитрона к мощности на входе. Коэффициент сглаживания пульсаций – соотношение напряжения пульсаций на входе и на выходе. Во вторичных источниках питания используются параметрические и компенсационные стабилизаторы напряжения. Наиболее простыми стабилизаторами напряжения являются параметрические стабилизаторы напряжения.Они характеризуются сравнительно невысокими коэффициентами стабилизации, большим выходным сопротивлением, низким КПД. В таких стабилизаторах невозможно получить точное значение выходного напряжения и регулировать его. На рис.1.4 изображена схема параметрического стабилизатора напряжения.
Рис.1.4 -
С
хема параметрического стабилизатора напряжения
Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического регулирования, в которой с заданной точностью поддерживается постоянным напряжение на выходе независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки. На рис.1.5 изображена одна из схем компенсационного стабилизатора напряжения.
Рис.1.5 -
С
хем компенсационного стабилизатора напряжения
2 Разработка принципиальной схемы
После выпрямителя поставим сглаживающий R-C фильтр изображений на рис.1.2,а. Потом необходимо рассчитать и установить одну из схем параметрического стабилизатора напряжения.Например схему изображенную на рис.1.5. Схема вторичного источника питания будет иметь вид:
Рис.1.5 - Схема вторичного источника питания
3 Расчет элементов схемы
1. Расчет следует производить «от нагрузки». Для чего по исходным данным определим RН :
2. Зададимся коэффициентом стабилизации (из исходных данных) : К = 100. 3. Находим величину минимального напряжения на входе стабилизатора UВХ.МИН = UВЫХ + UК.Э1 МИН + UВЫХ, (3.2) где UК.Э1 МИН — минимально допустимое напряжение между эмиттером и коллектором регулирующего транзистора, при котором работа еще происходит на линейном участке выходной характеристики IK = F (UК.Э) при I0 = const; UВЫХ — отклонение напряжения на выходе стабилизатора от номинального. Напряжение UК.Э1 МИН для большинства транзисторов не превышает 1—3 в. При расчете UК.Э1 МИН можно принимать равным 3 в. Величина напряжения UВЫХ для нашего случая определяется верхним пределом регулировки выходногонапряжения, т. е. UВЫХ= 0,4 В. Таким образом, UВХ.МИН = 12 + 3 + 0.4 =15.4 B. Номинальное и максимальное напряжения на входе стабилизатора с учетом допустимых отклонений входного напряжения (поскольку нестабильность напряжения питающей сети нам не задана, возьмем отклонение UВХ = ± 10%, что вполне достаточно для обеспечения заданных показателей качества) соответственно равны
3. Определяем максимальное падение напряжения на участке эмиттер — коллектор регулирующего транзистора UК.Э1 МАКС = UВХ. МАКС — UВЫХ, (3.5) UК.Э1 МАКС = 18,2 — 12 = 6,2 в. 4. Находим максимальную мощность, рассеиваемую на коллекторе регулирующего транзистора, РК1 МАКС = UК.Э1 МАКС • I ВЫХ. МАКС, (3.6) где I ВЫХ. МАКС — максимальное значение тока нагрузки. Для нашего случая (при неизменном токе нагрузки) I ВЫХ. МАКС = I ВЫХ. = 0,1 А Следовательно РК1 МАКС = 8,2 • 0,1 = 0,82 Вт. 5. Выбираем тип регулирующего транзистора. I К1. МАКС I ВЫХ. I К1. МАКС. ДОП.; (3.7) UК.Э1 МАКС UК.Э1 МАКС. ДОП.; (3.8) РК1 МАКС РК1 МАКС. ДОП. (3.9) Пользуясь таблицами соответствующих справочников выбираем транзистор Т1 типа П4БЭ с такими параметрами: коэффициент усиления по току В1 = 20, максимально допустимое напряжение коллектор — эмиттер UК.Э1 МАКС. ДОП. = 60 в; 6. Выбираем тип согласующего транзистора Т2. Транзистор Т2 предназначен для согласования большого выходного сопротивления (порядка 10 ком) усилителя постоянного тока, собранного на транзисторе Т3, с малым входным сопротивлением (порядка 10 ом) регулирующего транзистора Т1. Кроме того, транзисторы Т1 и Т2, образуя составной транзистор, имеют общий коэффициент усиления по току Вобщ. = В1 • В2 (3.10) где В1 и В2 — коэффициенты усиления по току транзисторов Т1 и Т2. Большой коэффициент усиления по току Вобщ. позволяет значительно повысить коэффициент стабилизации схемы по напряжению. Принимая I К2 I Э2.= I б1, (3.11) где I К2 иI Э2. — токи коллектора и эмиттера транзистора Т2 ; I б1 — ток базы транзистора Т1 и учитывая, что I б1 I К1 / В1 = 100 /20 = 5 мА, (3.12) получим I К2 5 мА. Кроме того, UК.Э2 МАКС UК.Э1 МАКС 8,2 в. (3.13) Таким образом, мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора Т2, равнаРк2 макс Uк.э2 макс • I к2 = 8,2 • 5х10-3 = 0,041 Вт = 41 мВт. По справочнику выбираем транзистор Т2 типа П201А с параметрами: коэффициент усиления по току В2 = 40, максимальное напряжение между коллектором и эмиттером Uк.э2 макс. доп.=22 в, максимальный ток коллектораI к2. макс. доп = 1,5 а, максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе, Рк2 макс. доп = 1 вт. Поскольку Рк2 макс. = 0,041 вт < Рк2 макс. доп = 1 вт,то транзистор Т2 выбран правильно. 7. Выбираем тип кремниевого стабилитрона. В качестве источника эталонного напряжения обычно используется кремниевый стабилитрон, который должен иметь номинальное напряжение стабилизации, который должен иметь номинальное напряжение стабилизации Uст (0,6 0,7) • Uвых, (3.14) Uст (0,6 0,7) • 9 = 5,4 в. По справочнику выбираем стабилитрон типа Д808, у которого Uст = Uэт = 8 в. ; I ст 5 мА ; I ст. макс. мА. 8. Находим коэффициент деления напряжения делителем R5,R6 и R7 = U2 вых / Uвых Uэт / Uвых = 8 / 12 = 0,667 (3.15) 9. Выбираем тип управляющего (усилительного) транзистора Т3. На транзисторе Т3 собран усилитель, который должен реагировать на самые незначительные колебания выходного напряжения и усиливать их до величины, достаточной для управления регулирующим транзистором. Поэтому управляющий транзистор должен обеспечивать достаточное усиление сигнала по напряжению. При выборе транзистора необходимо обратить внимание на величину коллекторного тока I кз. Этот ток должен быть по возможности небольшим, но всегда превышать ток базы согласующего транзистора Т2. Обычно величина тока I кз выбирается в пределах 0,5 2 ма. Требуемое значение коэффициента усиления по напряжению для управляющего транзистора можно найти по формуле
где Uвх = Uвх. макс — Uвх. мин = 17,2 – 14 = 3,2 в. Наиболее часто в качестве управляющих используются маломощные низкочастотные транзисторы. Предварительно выберем транзистор тира МП41 (П15) с такими данными: коэффициент усиления по току B3 = 30, максимально допустимое напряжение коллектор—эмиттер UК.Э3 МАКС. ДОП. == 20 в, максимальный ток коллектора
где на сколько миллиампер изменится коллекторный ток при изменении напряжения между базой и эмиттером транзистора на 1 в); R1 — сопротивление нагрузки в цепи коллектора транзистора Т3. Для маломощных низкочастотных транзисторов, используемых в схемах стабилизаторов напряжения, значение крутизны лежит в пределах S3 = (20 40) мА/в. Принимаем S3 = 30 ма/в. Сопротивление R1 может быть найдено по формуле
Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, составляет PR1 = (IK3)2 • R1 = 12000 • (2х10-3)2 = 0,048 Вт. Определим величину мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора T3, Рк3 макс. = U к.э3 макс. • IкЗ. (3.19) Принимая U к.э3 макс. = U вых. + U вых – U эт = 12 + 0.4 – 8 = 4.4 B. и IкЗ = 2 х 10 –3 Аполучим Рк3 макс. = 4.4• 2 х 10 –3 = 0,0088 Вт < Рк3 макс. доп. = 0,15 Вт. Следовательно, транзистор Т3 выбран правильно. 10. Определяем величины сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторовсхемы. Как мы уже выяснили, сопротивление нагрузки в цепи коллектора транзистора Т3 R1 = 12 кОм. Найдем сопротивления выходного делителя. Ток делителя I д обычно выбирают на один – два порядка выше тока базы управляющего транзистора Т3. Номинальный ток базы транзистора Т3 можно найти по формуле IбЗ = IкЗ / В3, (3.20) IбЗ = 2 х 10 –3 / 30 = 0,66 мА. Выбирая ток делителя Iд = 5 ма, найдем общее сопротивление делителя Rд = R5 + R6 + R7 = U вых / Iд, (3.21) Rд = 12 / 5х10– 3 =2.4 кОм. Выходное напряжение стабилизатора можно регулироваться в пределах ± 2 в. Учитывая также, что напряжение стабилизации стабилитрона Д808 может меняться в пределах 7—8,5 в, определим сопротивление нижнего плеча делителя для крайних значений U эт и U вых
Величины сопротивлений R5 и R6 равны R6 = (Rд.н.)макс – (Rд.н.)мин ; (3.24) R6 = 1758 – 1354 = 404 Ом ; R5 = Rд – (Rд.н.)макс ; (3.25) R5 = 640 Ом ; Полученные значения сопротивлений делителя соответствуют номинальным. Поэтому окончательно принимаем R5 = 640 ом; R6 = 400 Ом; R7 ==1,4 кОм (тип резисторов R7 — УЛМ-0,12, R5 и R6 — СПО). Сопротивление R8 берется такой величины, чтобы задаваемый им ток через стабилитрон составлял Iст = 5 ма,
R8 = R8 = ( 12 – 8 ) / 5х10–3 = 800 Ом По справочнику выбираем резистор с сопротивлением R8 = 800 Ом (тип резистора—УЛМ-0,12). Для увеличения быстродействия стабилизатора используется емкостная связь между выходом стабилизатора и входом усилителя, собранного на транзисторе Т3. С этой целью в схему стабилизатора включают конденсатор С2. Величина емкости этого конденсатора выбирается порядка единиц — десятков микрофарад. Например, для рассчитываемой схемы можно использовать электролитический конденсатор типа ЭМ емкостью 3 мкф с рабочим напряжением 20 в. Конденсатор С3 служит для повышения устойчивости стабилизатора и одновременно позволяет уменьшить выходное сопротивление схемы. Емкость конденсатора С3 выбирается порядка 1000— 2000 мкф. Для нашей схемы можно, использовать электролитический конденсатор типа ЭТО-2 емкостью 1000 мкф с рабочим напряжением 35 в. 11. Находим коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора по формуле
Таким образом, коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора оказался больше требуемого, так как 12. К. п. д. стабилизатора в номинальном режиме находим, по формуле
где I вх = I вых +I ст +I д = 100 + 5 + 5 = 110 мА. Следовательно 13. Расчет схемы защиты от короткого замыкания. Цепь состоит из транзистора МП41 ; делителя напряжения, собранного на резисторах R2 и R3; и балансного сопротивления R4. Расчет дополнен моделированием в программе Electronics Workbench для подбора наиболее оптимальных параметров цепи. Выберем резистор R4 = 3 Ом; расчитаем падение напряжения на нем UR4 = I * R = 0,1 * 3 = 0,3 В. Расчитаем делитель, таким образом, дабы в верхнем плече делителя, обеспечивалось падение напряжения равное UR4. R2 = 0,3 / 0,005 = 60 Ом, R3 = 12 / 0,005 = 2,4 кОм. Анализ всей схемы в программе Electronics Workbench показал, подключение системы защиты, снижает к.п.д. стабилизатора и приводит к снижению выходного напряжения. Подъем входного напряжения стабилизатора до уровня 30 В а также изменение R2 с 60 на 3 Ома, с одной стороны позволяют сохранить выходные параметры и показатели качества на неизменном уровне, а с другой стороны потребляемая схемой мощность возрастет незначительно. В итоге выбираем R2 = 3 Ом и R3 = 2,4 кОм. 14. Расчитаем необходимую схему выпрямления в составе: трансформатор питания; диодный мост; сглаживающий сонденсатор Определяем емкость конденсатора на входе стабилизатора, обеспечивающего пульсацию выпрямленного тока не более 10%. Для мостовой схемы
По каталогу выбираем стандартный электролитический конденсатор типа ЭТО-2 емкостью 300 мкф на 25 в. Выбор трансформатора осуществляется по справочнику (хотя можно усуществить расчет и самостоятельно) исходя из определенных нами входных параметров стабилизатора, выберем трансформатор типа ТПП 237–127/220–50, Выберем тип вентилей. Обратное напряжение на вентиль для однофазной мостовой схемы составляет U обр =1,5 * U0, (3.30) U обр =1,5 * 20 = 30 в. Среднее значение тока вентиля для данной схемы составит Iср= 0,5 * I0, (3.31) Iср= 0,5 * 0,1 = 0,05А = 50 мА. Для данного случая хорошо подходит диод Д 206, со следующими параметрами U обр.доп = 100 В, Iср.доп. = 100 мА. 4 Анализ спроектированного устройства на ЭВМ
Скопировав значение выходного напряжения, на выходе осциллографа из Workbench получим:
Заключение
В данной курсовой работе был рассчитан вторичный источник питания которые используются в РЭА, питающейся от сети переменного тока, для получения напряжений постоянного и переменного тока,необходимых для питания различных узлов. Недостатком данного типа блока питания является большая материалоёмкость, меньшей удельной мощностью и более низким КПД, в отличии от импульсного источника питания – это обусловлено наличием трансформатора питания работающего на частоте 50 Гц и стабилизатора компенсационного типа непрерывного действия. В данный момент в РЭА чаще стали использоваться другие виды источников питания. В данной курсовой работе был рассчитан вторичный источник питания с такими параметрами: Uвых=12 В f =50 Гц Uвх=220 B Kст=100 Iп=0.02 A 1 Екимов В.Д Выбор схемы стабилизатора напряжения. – Радио и связь, 1978 г 2 Крылов В.М Стабилизаторы напряжения на К142ЕН – Радио,1979 г
| |||||||||