Источник вторичного электропитания

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

 

По теме: «Источник вторичного электропитания»

 

1.Введение

Принципы работы всех блоков питания одинаковы. Главной функцией является преобразование переменного тока в постоянный. Блок питания может уменьшать или увеличивать величину входного напряжения с помощью трансформатора. Переменное напряжение требуемой величины преобразуется в постоянное с помощью процесса, который называется выпрямлением. Выпрямленное напряжение ещё содержит переменную составляющую, которая называется пульсацией. От пульсаций избавляются с помощью фильтров. Для обеспечения неизменной величины выходного напряжения используется стабилизатор входного напряжения, который удерживает входное напряжение на постоянном уровне.

Стабилизаторы напряжения бывают двух видов, параметрические и компенсационные. Самым простым в реализации является параметр» и н m стабилизатор, который включает в себя сопротивление балласта и стабилитрон (или стабистор в зависимости от реализации). Называется параметрическим, так как его действие основано на изменении входного напряжения. Более сложный параметрический стабилизатор может также включать в себя транзистор для стабилизации более сильного тога, во при этом всё рано токи стабилизации и коэффициент стабилизации очень наш по сравнению с компенсационными стабилизаторами.

Отличительной особенностью компенсационного стабилизатора от параметрического, является схема обратной связи и усилитель ошибки который может быть представлен в виде операционного усилителя, транзистора или интегрального усилителя. Выходное сопротивление компенсационного стабилизатора может быть гораздо больше входного напряжения стабилитрона, при этом выходное сопротивление, как правило, можно регулировать в некотором диапазоне. Данный стабилизатор отличают высокий коэффициент стабилизации и зашита от перегрузок.

 

2. Цель и постановка задачи

 

2.1. Целью проектирования  вторичных источников электропитания  является:

• Получение необходимой технической, конструкторской и технологической документации для создания изделия, которое удовлетворяет определенным требованиям.
• Совершенство спроектированного источника определяется по помощи показателей: эффективность, стоимость, надежность, удельная мощность (отношение исходной мощности к объему или массе), коэффициент полезного действия.
• К исходным параметрам источников питания относят:  исходная мощность Р_n, исходное напряжение U_н, уровень исходных пульсаций U_п параметры переходного процесса при резких изменениях нагрузки, стабильность исходного напряжения б U_{H ,} или абсолютное значение допустимых отклонений ±∆ U_н. Обязательно следует учитывать параметры внешней среды, при которых будет происходить эксплуатация устройства. Кроме того должны выполняться требования по обеспечению исходных параметров при изменении в определенных границах напряжения питание, частоты, входного напряжения, уровня пульсаций и прочее.
• Совокупность показателей эффективности внешних и исходных параметров составляет техническое задание на проектирование вторичного источника питания.
• Разработка проекта устройства осуществляется в несколько этапов. На первом этапе нужно разработать трудоспособный вариант устройства, которое удовлетворяет всем требованиям технического задания, физическим и конструктивно-технологическим ограничением. Иногда этот вариант устройства называют начальным допустимым техническим решением. После этого необходимо определить совокупность независимых параметров устройства, которые способные обеспечить экстремальное значение целевой функции при учете всех ограничений.
• Улучшение конструкции начального допустимого решения выполняется итерационными методами и чаше всего целенаправленного перебора трудоспособных вариантов.
• Среди большого разнообразия вторичных источников

электропитания в дальнейшем рассмотрим лишь стабилизированные  источники питания двух типов: компенсационные стабилизаторы

напряжения беспрерывного  действия и импульсные стабилизаторы напряжения.

2.2. Исходные данные  для расчетов:

Рассчитать вторичный  источник питания по следующим параметрам:

Uн = 27 В;

Iн = 1.6 А;

Кп = 0.8 %;

Кст = 100;

Выбор и описание электрической схемы:

Схема компенсационного стабилизатора напряжения:

Он содержит мощный регулирующий элемент на составном транзисторе VТ2, VT3, усилитель сигнала ошибки на транзисторе VT1, источник опорного напряжения в виде параметрического стабилизатора VD1, R3 и регулируемый делитель выходного напряжения R4, R5. Резисторы RI и R2 обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, а конденсаторы С1, С2 фильтруют переменные составляющие выходного напряжения с частотой пульсаций. Опорное напряжение стабилитрона VD1 определяет минимальный уровень выходного напряжения. Для эффективной работы стабилизатора на коллекторе транзистора VТ1 устанавливается напряжение среднее между опорным и выходным Коэффициент стабилизации зависит от усилительных свойств транзистора VТ1 и сопротивления резистора R1. Максимальный ток в нагрузке ограничен мощностью, рассеиваемой регулирующим транзистором VТ3. При больших токах нагрузки коэффициент стабилизации уменьшается за счет падения напряжения на составном транзисторе VТ2, VT3, в этом случае необходимо иметь запас Кст. не менее 20-30%.

2.3. Классификация  и структурные схемы ИВЭ.

Источники вторичного электропитания (ИВЭ) предназначены как для работы в составе различных электронных  устройств, требующих стабильного  постоянного низковольтного напряжения, так и в качестве лабораторных блоков при налаживании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). В связи с этим к ним предъявляются различные  требования по параметрам и структуре. Они могут быть выполнены по трансформаторной или бестрансформаторной (импульсной) схеме. Типовая структура трансформаторного ИВЭ содержит следующие функциональные узлы, представленные на рисунке.

Структурная схема ИВЭ

                                 1                  2                 3               4

1 – трансформатор – понижает напряжение до Uвх;

2 – выпрямитель – преобразует переменное напряжение в постоянное;

3 – фильтр – сглаживает паразитные пульсации;

4 –стабилизатор - это устройство, поддерживающее неизменным напряжение на своем выходе, т.е. на нагрузке, при изменении входного напряжения и тока нагрузки.

 

2.4. Схема и расчет стабилизаторов напряжения.

Обычно стабилизаторы  ИВЭ выполняются по компенсационной схеме с мощным составным транзистором в качестве регулирующего элемента. В качестве усилителя сигнала ошибки могут использоваться как отдельные транзисторы, так и ИМС, (либо операционные усилители, либо интегральные стабилизаторы). В техническом задании могут быть оговорены типы применяемых усилителей.

 

Стабилизатор включает в  себя следующие структурные элементы:

1 - регулирующий элемент,

2 - усилитель сигнала ошибки;

3 - источник опорного напряжения;

4 - схема защиты от перегрузок;

5 - выходной делитель напряжения.

 

Расчет ИВЭ необходимо начинать со стабилизатора в соответствии с заданными параметрами выходного  тока и напряжения, затем по результатам  расчета определяются параметры  и рассчитываются фильтр, выпрямитель, типовая мощность и вторичное  напряжение трансформатора.

 

Исходными параметрами для  расчета ИВЭ являются напряжение и ток в нагрузке U_Н., I_Н., коэффициент стабилизации K_СТ., а также коэффициент пульсаций выходного напряжения K_П.ВЫХ. Результатом расчета стабилизатора станет его входное напряжение U_{ВХ. СТ}. и коэффициент пульсаций входного напряжения K_{П. ВХ}., которые будут служить исходными данными для расчета фильтра. В свою очередь, после расчета фильтра, станут известны величины средневыпрямленного напряжения U_о, которое необходимо получить от выпрямителя. По результатам расчета выпрямителя определяется типовая мощность трансформатора P_ТР. и напряжение на его вторичной обмотке U₂.

3. Расчетная часть

Прежде всего следует рассчитать параметры стабилитрона:

Отсюда прежде всего рассчитываем U_CT которое должно составлять 50-70% 

от U_ВЫХ

U_СТ = (U_{ВЫХ. MIN} * 96%)*60%

U_CT = 21*0,96*0,6= 15.5 В

По U_СТ подходит стабилитрон KC218Ж у которого I_СТ.СР = 5,5mA=0,0055A Минимальное входное напряжение стабилизатора U_{ВХ. MIN}  находим с учетом минимального напряжения между эмиттером и коллектором регулирующего транзистора, при котором он сохраняет усилительные свойства. Для большинства мощных транзисторов это напряжение составляет 3-4 вольта. Поэтому,

U_{ВХ. MIN} = U_{ВЫХ. MAX}  ⁺ (3-4)В

U_{ВХ. MIN} = 27 + 3(4)=30 В(31В)

Исходя из заданного в  технических условиях значений нестабильности сетевого напряжения a _MIN и a _MAX определяем номинальное и максимальное значения входного напряжения:

U_ВХ = U_{ВХ. MIN} / (I - a _MIN)

U_ВХ = 30/0,9= 33,3 В

U_{ВХ. MAX}  =  U_ВХ. (I + a _MAX)

U_{ВХ. MAX}  = 33.3 *1.1=36.6 В

 

R3 = (U_ВЫХ – Uст)/ I _СТ.СР

R3 = (27 - 15,5)/ 0,0055= 2090,9 Ом

Рассчитываем делитель выходного  напряжения, для чего произвольно  выбираем значение тока через него в размере 0,5-2% от номинального тока в нагрузке. Обычно I д лежит в пределах 5-15 мА. Общее сопротивление делителя определяется формулой:

Iд = (Iн/I00)*2=(1,6/100)*2=0,032 А

Rд = U_{ВЫХ. MAX}  / Iд

Rд =27/0,032 = 843,75 Ом

 

Вычисляем ток коллектора регулирующего транзистора VT3:

I_К.VT3.⁼ Iн ⁺ I_{СТ. СР.} ⁺ Iд

I_К.VT3. = 1,6+0,0055+0,032 = 1,6375 А

Таким образом, можем рассчитать какую мощность рассеивает регулирующий транзистор при максимальном входном и минимальном (или номинальном для нерегулируемого) выходном напряжениях стабилизатора: Р_VT3. = (U_{ВХ. MAX} - U_ВЫХ)* I_К.VT3

Р_VT3 =  (36,6В-27)*1,6375=15,72Вт

Р_{VT3потреб} = U_ВЫХ*Iн = 27*1,6=43,2 Вт

Р_{VT3общее} = Р_VT3+ Р_{VT3потреб} = 15,72+43,2=58,92 Вт

Исходя из этого, следуем  выбрать транзистор, у которого Pmаx>58,92 Вт Подойдет КТ818Б с теплоотвоодом.

Мощность транзистора  VT2 значительно меньше, чем транзистора VT3, поскольку его ток коллектора не превышает максимального тока базы регулирующего элемента. Поэтому,

h_{21Э VT3} у транзистора КТ818Б составляет 20.

Р_VT2 = Р_{VT3общее} / h_{21Э VT3}

Р_VT2 = 58,92 / 20 = 2,946 Вт

Исходя из этой мощности выбирается транзистор VT2 подойдёт КТ814А с теплоотводом, h_{21Э VT2} у транзистора KT8I4A составляет 40.

Также необходимо выбрать  транзистор VT1, оптимальным вариантом будет рnр транзистор КТЗ107К имеющий широкий диапазон коэффициента стабилизации.

 

Резисторы R1 и R2 рассчитывают последующим формулам:

R1 = 2(h_{21Э VT2} * h_{21Э VT2})/ Iн

R1 = 2*(40*40)/1,6 = 2000 Ом

Минимальный коллекторный ток  транзистора VT2 определяют по справочнику (обычно I_К.МИН для транзисторов средней мощности 3-5 мА). R2 = U_{ВХ. MIN} / I_{К.МИН VT1}

R2 = 30/0,005=6000 Ом

 

Элементы выходного делителя рассчитываются из следующих соображений: при минимальном выходном напряжении U_{ВЫХ. MIN} движок регулятора находится в крайнем нижнем по схеме положении, а при максимальном напряжении - в верхнем. Кроме того, для нормальной работы транзистора VT1 необходимо обеспечить ему начальное смещение между базой и эмиттером U_{БЭ VT1} = 0,5-1 вольт. Поэтому напряжение ни базе этого транзистора, которое должен обеспечить делитель в этом положении:

 

U_{Б VT1} = U_СТ+ U_{БЭ VT1}

U_{Б VT1} = 15,5+0,5=16 В

Отсюда:

R5 = Rд (U_{Б VT1} / U_{ВЫХ. MAX} )

R5 = 843,75*(16/27) = 499,9 Ом

R4 = Rд - R5

R4 = 843,75-499,9 = 343,85 Ом

Расчет трансформатора:

U₀ = 0,707* U_ВХ

U₀ = 0,707*33,3=23,5431 В

Напряжение вторичной  обмотки трансформатора:

U₂ = 1,11* U₀

U₂ = 1,11*23,543 = 26,132 В

Типовая мощность трансформатора:

Р_ТР = 1,23* U₀* Iн

Р_ТР = 1,23*23,5431*1,6 = 46,33 Вт

Ток вторичной обмотки:

I₂ = 1,11* Iн

I₂ = 1,11*1,6 = 1,776 А

Исходя из этого выбираем трансформатор ТПП 258 с 4-мя обмотками  по две 12,6 В+6,3 В параллельно.

Рассчитываем параметры  диодов:

Обратное напряжение на диоде:

U_Д = 0,707* U₂

U_Д = 0,707*26,132 = 18,476 В

Рассчитываем максимальное значение тока через диод по формуле:

I_{Д МАХ} =1,57* Iн

I_{Д МАХ} = 1,57*1,6 = 2,512 А

Исходя из расчетов, выбираем диоды КЦ202А и соединяем их по схеме диодного моста.

Расчет мощности резисторов по формулам P=U*U/R, P=I*I*R, P=U*I:

PR1 = (U_{ВХ. MAX} * U_{ВХ. MAX})/R1

PR1 = (36.6*36.6)/2000 = 0.669 Вт

Поэтому резистор R1 выбираем СП-2МА 2,2 кОм и 1 Вт

PR2 = (U_{ВХ. MIN} * U_{ВХ. MIN})/ R2

PR2 = (30*30)/6000 = 0,15 Вт

Поэтому резистор R2 выбираем СП5-16ВА 6,8 кОм и 0,25 Вт

PR3 = I _СТ.СР * I _СТ.СР * R3

PR3 = 0,0055*0,0055*2090,9 = 0,0632 Вт

Поэтому резистор R3 выбираем МЛТ 2 кОм и 0,125 Вт

PRД = (U_{ВЫХ. MAX} * U_{ВЫХ. MAX})/RД

PRД = (27*27)/243,75 = 0,864 Вт

Поэтому резистор R5 выбираем МЛТ 560 Ом и 0,5 Вт

Поэтому резистор R4 выбираем МЛТ 360 Ом и 0,5 Вт

 

Конденсаторы фильтров пульсаций  выбираются из следующих соотношений, где fn – частота пульсаций

С1>50/(6.28* fn* R4) мкФ

С2 = 2*С1

С1>50/(6.28* 50* 343,85) = 0,00046 мкФ

С2 = 0,00046*2 = 0,00092 мкФ

Поэтому выбираем конденсатор  С1 0,00046 мкФ, а С2 конденсатор 0,00092 мкФ

Обычно для стабилизатора  небольшой мощности используются простые  емкостные фильтры, состоящие из одного или двух конденсаторов, включенных параллельно его входу. Расчет емкости  фильтра производится исходя из следующих  соотношений:

С_Ф (мкФ) = 16 I_Н К_{П.ВХ /} (U₀ p)

Где U₀ = 0,707 U _ВХ., a р = 2 – число полупериодов выпрямителя

С_Ф(мкФ) = 16*1,6*100/(0,707*33,3*2) = 54,37 мкФ

Мой выпрямитель также  имеет регулировку Uвых в пределах 15%  т.е. от 23 до 27В и регулируется переменным резистором.

27/100*15 =  4,05 от 23 до 27В.

 

Санкт-Петербург, 2013 год