Расчёт однофазного стабилизированного источника питания

Содержание

 

 

 

Техническое задание

Расчёт однофазного  стабилизированного источника питания 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

Объектом исследования в курсовом проекте является однофазный стабилизированный источник питания, подключаемый к сети переменного  тока 220В, содержащий трансформатор, выпрямитель на полупроводниковых диодах, сглаживающий емкостный фильтр, и стабилизатор выходного напряжения.                   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;

 – приобретение навыков работы со справочной литературой.

1. Выбор схемы источника питания

 

Принципиальная схема  для расчёта представлена на рис. 1. В дальнейшем в процессе расчета  будут рассчитаны параметры каждого элемента, так же будет рассмотрен принцип работы всех элементов схемы.

Рисунок – 1. Принципиальная схема источника питания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Расчетная часть

2.1 Расчет стабилизатора первого канала, выбор микросхемы

 

В последние годы широкое распространение получили микросхемы - интегральные стабилизаторы напряжения. Источники питания на их основе отличаются малым числом дополнительных деталей, невысокой стоимостью и хорошими техническими характеристиками. Это микросхемы серий 142, К142 и КР142. В состав серий входят стабилизаторы с регулирующим элементом, включенным в плюсовой провод и с фиксированным выходным напряжением. Расчетная схема стабилизатора на микросхеме представлена на рис. 2.

Рисунок -2. Расчетная схема стабилизатора на микросхеме

 

Исходными данными для  расчета являются: напряжение на выходе стабилизатора, ток нагрузки, коэффициент  пульсаций напряжения:

По заданному напряжению выбираем микросхему КР142ЕН8В  с соответствующими характеристиками:

Для выбранной микросхемы выбираем входное напряжение стабилизатора . Выбираем значение входного тока стабилизатора

 (с запасом на возможную перегрузку). Собственный входной ток микросхемы можно не учитывать, так как он весьма мал (около 1 мА).

Рассчитываем коэффициент пульсаций на входе стабилизатора с учетом коэффициента сглаживания микросхемы:

;

.

Полученные значения , и будут использованы далее для расчета выпрямителя первого канала.

В данной схеме после  стабилизатора параллельно выходу устанавливается конденсатор, который  улучшает переходные процессы и удерживает полное выходное сопротивление на низком уровне, кроме того осуществляет сглаживание пульсаций. Так же для разряда конденсатора в случае отключения нагрузки устанавливается резистор.

Выбираем конденсатор  К50–6 1мк × 100 В ОЖО 460.172 ТУ. Выбираем резистор МЛТ-0,125 100 кОм ОЖО 467.140 ТУ.

2.2 Расчет стабилизатора второго канала, выбор транзистора и стабилитрона

Рисунок - 3. Расчетная схема стабилизатора с усилителем тока на транзисторе:

а – для положительной полярности Ud2; б – для отрицательной полярности

 

 

Исходными данными для  расчета являются: напряжение на выходе стабилизатора, ток нагрузки, коэффициент  пульсаций напряжения:

Выбираем стабилитрон KC650А с напряжением стабилизации, равным напряжению в нагрузке, со следующими характеристиками:

Исходя из условий  ;

выбираем транзистор КТ605А со следующими параметрами:

Определяем входное напряжение стабилизатора:

;

Определяем сопротивление в цепи базы транзистора

;

 Выбираем резистор МЛТ-0,125 3642 Ом ОЖО 467.140 ТУ.

 

Определяем входной ток стабилизатора:

;

Стабилизатор с включением нагрузки в цепь эмиттера транзистора  обладает свойством сглаживать пульсации  напряжения в нагрузке. Коэффициент  сглаживания зависит от величины сопротивления в цепи базы транзистора и дифференциального сопротивления стабилитрона и определяется по формуле:

;

Рассчитываем коэффициент пульсаций на входе стабилизатора с учетом коэффициента сглаживания:

;

.

Полученные значения , и будут использованы далее для расчета выпрямителя второго канала.

После стабилизатора  параллельно выходу устанавливается конденсатор, который улучшает переходные процессы и удерживает полное выходное сопротивление на низком уровне, кроме того он осуществляет сглаживание пульсаций. Так же для разряда конденсатора в случае отключения нагрузки устанавливается резистор.

Выбираем конденсатор К50–6 1мк × 100 В ОЖО 460.172 ТУ. Выбираем резистор МЛТ-0,125 100 кОм ОЖО 467.140 ТУ.

 

 

2.3 Расчет третьего канала

 

Поскольку в третьем  канале источника питания стабилизатор не применяется, заданные значения , и будут использованы для расчета выпрямителя третьего канала.

2.4 Расчет выпрямителей с емкостным фильтром

 

Для первого и второго  каналов в качестве выпрямителя  используется однофазная мостовая схема с емкостным фильтром.

Рисунок - 4. Однофазный мостовой выпрямитель с емкостным фильтром

 

Данный выпрямитель  имеет следующую временную диаграмму:

Рисунок - 5. Временные диаграммы работы выпрямителя с емкостным фильтром

В третьем канале используется схема однополупериодного выпрямителя. Здесь применяется активно-емкостной фильтр.

             Для расчета выпрямителя воспользуемся программой расчета на ЭВМ.

Входными данными являются тип сердечника, выпрямленное напряжение, ток нагрузки, коэффициент пульсации. Выходные данные: напряжение вторичной обмотки , ток вторичной обмотки , максимальный , средний и эффективный токи вентиля (диода), емкость конденсатора сглаживающего фильтра .

2.5 Расчет выпрямителя первого канала

 

Исходные данные:

 

На выходе программы  получили:

Построим нагрузочную  характеристику трансформатора:

Рисунок - 6. Нагрузочная характеристика трансформатора первого канала

 

Исходя из полученных значений среднего тока вентиля, с проверкой  по допустимому импульсному току и обратному напряжению, выбираем диод КЦ402Е со следующими характеристиками:

 

Исходя из полученного  значения емкости, для сглаживающего фильтра выбираем  конденсатор К50 -6 2000 мкФ × 50 В ОЖО 460.172 ТУ. 

2.6 Расчет выпрямителя второго канала

 

Исходные данные:

 

На выходе программы получили:

Построим нагрузочную  характеристику трансформатора:

 

Рисунок - 7. Нагрузочная характеристика трансформатора второго канала

 

Исходя из полученных значений среднего тока вентиля, с проверкой  по допустимому импульсному току и обратному напряжению, выбираем диод КЦ407А со следующими характеристиками:

 

Исходя из полученного  значения емкости, для сглаживающего  фильтра выбираем  конденсатор К50-7 20 мкФ × 450 В ОЖО 460.172 ТУ.  

2.7 Расчет выпрямителя третьего канала

Исходные данные:

 

На выходе программы  получили:

 

Построим нагрузочную  характеристику трансформатора:

Рисунок - 8. Нагрузочная характеристика трансформатора третьего канала

Исходя из полученных значений среднего тока вентиля, с проверкой  по допустимому импульсному току и обратному напряжению, выбираем диод

МД226Асо следующими характеристиками:

 

Исходя из полученного  значения емкости, для сглаживающего  фильтра выбираем  конденсатор К50-18 2200мкФ × 100 В ОЖО 460. 172 ТУ.

2.8 Расчет однофазных трансформаторов

 

 

В разделах 2.5, 2.6, 2.7 с помощью ЭВМ рассчитаны выпрямители, работающие на активно-емкостную нагрузку. Программа вычисляет напряжение на вторичной обмотке трансформатора , к которому подключен выпрямитель, и ток этой обмотки. В курсовом проекте получаются три значения напряжений и три значения токов вторичных обмоток:

Номинальную мощность вторичной  обмотки принимают равной:

Типовая мощность трансформатора:

;

где h - КПД трансформатора, который определяется по номограмме на рис. 10.

Рисунок - 9. Зависимость КПД от мощности вторичных обмоток трансформатора

 

Исходя из рассчитанного  значения выбираем типоразмер магнитопровода УШ 30 × 60 с характеристиками, представленными в таблице 1:

 

                 Таблица 1.Параметры Ш-образного магнитопровода УШ 30 × 60.

Типоразмер магнито-провода	А, мм	Н, мм	с, мм	h, мм	Sст, см2	Sт, В×А	Е(1), В	DU	Jcp, А/мм2	G, кг
УШ30х60					16,0	160	0,45	0,04	1,8	3,2

 

Число витков каждой вторичной  обмотки трансформатора определяют по формуле:

,

где DU – относительное падение напряжения на обмотках;

Е⁽¹⁾ – число вольт на один виток обмотки трансформатора с магнитопроводом выбранного типоразмера.

Число витков первичной  обмотки:

Максимальное расчетное  значение тока первичной обмотки:

Диаметр проводов обмоток определяем расчетным путем:

;

где J_ср - плотность тока в обмотках трансформатора.

Исходя из рассчитанных диаметров, выбираем для трансформатора следующие марки проводов из меди соответственно:

ПЭТВ 1 – 130 0,8. ГОСТ 26606–85Е. 

ПЭТВ 1 – 130 1,3. ГОСТ 26606–85Е. 

ПЭТВ 1 – 130 0,45. ГОСТ 26606–85Е.

ПЭВТЛ 2 – 130 0,6. ГОСТ 26606–85Е. 

2.9 Расчет коэффициента полезного действия

 

Потери в трансформаторе определяются по формуле:

где - кпд трансформатора;

- габаритная мощность трансформатора.