Расчет схемы двухканального блока питания управляющего устройства

Блок питания (БП) — устройство, предназначенное для формирования напряжения, необходимого системе, из напряжения электрической сети. Чаще всего блоки питания преобразуют переменное напряжение сети 220 В частотой 50 Гц (для России, в других странах используют иные уровни и частоты) в заданное постоянное напряжение.

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное. В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания. Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Основными элементами, на которых построен блок питания в данном курсовом проекте, являются:

— трансформатор;

— диодный мост;

— интегральный стабилизатор напряжения;

— усилительный каскад.

1. Техническое задание

Напряжение на выходе первого канала электронного блока питания (ЭБП): В.

Напряжение на выходе второго канала ЭБП: В.

Номинальный ток нагрузки первого канала ЭБП: А.

Номинальный ток нагрузки второго канала ЭБП: А.

Нестабильность входного напряжения первого канала ЭБП:

Нестабильность входного напряжения второго канала ЭБП:

Нестабильность выходного напряжения первого канала ЭБП:

Нестабильность выходного напряжения второго канала ЭБП:

Уровень пульсации на выходе первого канала ЭБП: В.

Уровень пульсации на выходе второго канала ЭБП: В.

Максимальная температура окружающей среды: С.

Минимальная температура окружающей среды: С.

1.1 Электрическая функциональная схема блока питания

2. Оценка КПД компенсационных стабилизаторов и габаритной мощности силового трансформатора

2.1 КПД компенсационных стабилизаторов

Рассчитывается минимальное значение входного напряжения схемы:

где Uрэ minминимальная разность потенциалов между коллектором и эмиттером регулирующего транзистора, обеспечивающая его работу в нормальном активном режиме, Uд — падение напряжения на диоде выпрямителя.

Для кремниевых транзисторов величина Uрэ min не превышает 4 В, а в кремниевых выпрямительных диодах малой и средней мощности прямое падение напряжения не превышает 1 В.

В, В,

В,

;

В;

В.

Рассчитывается номинальное значение входного напряжения схемы:

В;

В.

Первоначально оценивается КПД схем компенсационных стабилизаторов последовательного типа. Расчет КПД проводим с учетом потерь на диодах выпрямителя:

;

.

2.2 Габаритная мощность

Рассчитывается габаритная мощность силового трансформатора.

Задаемся КПД трансформатора порядка 85%:

;

Вт;

Вт;

Вт.

2.3 Расчет мощности, рассеиваемой регулирующими транзисторами

Рассчитывается максимальное входное напряжение подаваемое на вход стабилизатора:

В;

В.

Рассчитывается максимальное падение напряжения на регулирующих элементах:

В;

В.

Рассчитывается максимальная мощность рассеиваемая на регулирующих элементах:

Вт;

Вт.

2.4 Расчет абсолютного коэффициента стабилизации схем

Определяется величина входного напряжения:

В;

В.

Определяется относительный коэффициент стабилизации каналов:

;

.

Абсолютный коэффициент стабилизации:

;

.

2.5 Расчет необходимого коэффициента усиления схем усилителей

Поскольку датчики А5, А9 используются для коррекции выходного напряжения стабилизаторов, то их коэффициенты передачи могут изменяться в пределах:

Задаётся минимальное значение этого коэффициента: .

Простейшие схемы компенсационных стабилизаторов имеют Kпвх, незначительно отличающийся от единицы. Принимается: .

Коэффициент усиления регулирующего элемента, который в большинстве случаев включается по схеме ОК, также близок к единице. Принимается: .

Таким образом:

;

.

При расчете зададимся:, .

Расчет необходимого коэффициента усиления схем усилителей проводится по формуле для определения коэффициента стабилизации:

;

;

где Kу — искомый коэффициент усиления УПТ;

Kдкоэффициент передачи датчика выходного напряжения, совмещающего функции корректора Uвых;

Kуркоэффициент усиления по напряжению регулирующего элемента;

Kп вхкоэффициент передачи входного напряжения напрямую через регулирующий элемент.

Итак, получены все данные для выбора и расчета элементов электрической принципиальной схемы стабилизаторов. Целесообразно начать расчет схемы с большим значением Kу.

3. Выбор и расчет элементов электрической принципиальной схемы

3.1 Регулирующий элемент

Рассчитывается необходимый коэффициент передачи тока регулирующих транзисторов. Для этого задаемся базовым током транзистора в диапазоне 50…150 мА. Тогда:

А;

А;

;

Так как < 100, то регулирующий элемент целесообразно выполнить по схеме эмиттерного повторителя.

Максимально — допустимый ток коллектора выбранных транзисторов должен превышать ток нагрузки в 1,5…2 раза. Предельно — допустимое напряжение на коллекторе также должно быть выше максимального входного напряжения регулирующего элемента как минимум в 1,5 раза.

VT1: VT2:

КТ819Г КТ819АМ

N-P-N N-P-N

Ikmax=10 А Ikmax=10 А в=12−225 в=15−225

Ukmax=90 В Ukmax=40 В

Rп=1.67 С/Вт Rп=1 C/Вт

3.2 Усилитель постоянного тока

Основные требования к УПТ — обеспечение заданного коэффициента усиления по напряжению, а также высокой температурной стабильности этого коэффициента и положения исходной рабочей точки.

Расчет резисторов R2, R3,R4.

Рассчитаем резистор R3.

Рассчитаем резистор R2.

Резистор R2 рассчитывается из следующего условия :

Рассчитаем резистор R4.

3.2.1 Расчет резисторов R5, R6,R7.

Ом, Ом, Ом.

транзистор интегральный стабилизатор охладитель Найдем ток, протекающий через делитель первого и второго каналов:

А;

А.

Рассчитаем мощность, рассеиваемую каждым резистором делителя (для обоих каналов):

Вт;

Вт;

Вт;

Вт;

Вт;

Вт.

3.3 Расчёт выходного сопротивления

3.4 Расчет и выбор элементов схемы защиты от перегрузок по току

Рассчитаем мощность, рассеиваемую резисторами R2-R4:

В соответствии с полученными данными выбираем следующие сопротивления:

R21: С2−23−2Вт 300Ом (Д5%)

R22: С1−4-0,5Вт 68Ом (Д5%)

R31: С2−29В-0,125Вт 5,62кОм (Д1%)

R32: С2−33Н-0,125Вт 1,27кОм (Д5%)

R41: С2−23−2Вт 1,5Ом (Д5%)

R42: KNP-100−1Вт 0,1Ом (Д5%)

Для двух каналов выбираем R5₁=R5₂, R6₁=R6₂, R7₁=R7₂.

R5: С2−29В-0,125Вт 15кОм (Д0,1%)

R6: С2−23В-0,125Вт 30,1кОм (Д0,5%)

R7: С2−29В-0,125Вт 118кОм (Д0,25%)

4. Расчет и выбор конденсаторов сглаживающего фильтра

Для обеспечения рассчитанной ёмкости установим следующие конденсаторы:

1 канал: К50−35 4ЧС₁₁=33 000 мкФ 63 В.

2 канал: К50−35 С₁₂=47 000 мкФ 25 В + К50−35 2ЧС₁₂=22 000 мкФ 63 В.

Также в схеме используются следующие конденсаторы:

С₂=0.1 мкФ К10−17Б H90

С₃=10 мкФ К10-!9

5. Выбор силового трансформатора

В качестве силового трансформатора берётся специально разработанный для применения в сетевых источниках питания полупроводниковой аппаратуры ТПП.

Выбран стержневой трансформатор ТПП305−127/220−50,с током первичной обмотки 0.790 А и током вторичной обмотки 1.53 А.

Напряжения на обмотках равны:

U₁₁₋₁₂=19.8 В

U₁₃₋₁₄=19.8 В

U₁₅₋₁₆=4 В

U₁₇₋₁₈=19.8 В

U₁₉₋₂₀=19.8 В

U₂₁₋₂₂=4 В Для получения необходимого напряжения соединяем следующие обмотки:

1 канал: последовательно U₁₁₋₁₂, U₁₃₋₁₄, U₁₅₋₁₆ .

2 канал: параллельно U₁₇₋₁₈, U₁₉₋₂₀ .

Выбор диодов в схеме.

Диодные мосты:

1 канал-VD1 Д214Б Uобр=100 В.

Iср.пр=5 А.

2 канал-VD2 Д214А Uобр=100 В.

Iср.пр=10 А.

Диоды над регулирующими транзисторами:

VD Д219С Uобр=70 В.

Iср.пр=50 мА.

6. Расчет и оптимизация конструкции охладителей для силовых транзисторов

1 канал:

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Tpn, C= 125.000

Tcp, C= 50.000

Rpk, C/Вт= 1.670

Rko, C/Вт= 1.110

Pvt, Вт= 15.000

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

Ho, мм= 19.784

L, мм= 99.065

L1,мм= 144.000

d, мм= 2.500

n, шт= 10.000

b, мм= 13.222

d1,мм= 5.000

Pmax, Вт= 26.978

Rocd, C/Вт= 1.998

Roc, C/Вт= 1.830

Pohl, Вт= 16.377

Tohl, C= 77.451

S, мм2= 71 148.520

V, мм3=120 324.400

G, г= 330.892

L1min, мм= 90.000

L1max, мм= 200.000

Homin, мм= 15.000

Homax, мм= 35.000

ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОХЛАДИТЕЛЯ

Vopt, мм3= 95 295.290

L1opt, мм= 92.000

Hopt, мм= 30.000

bopt, mm= 12.417

nopt, шт= 7.

Gopt, г= 262.062

2 канал:

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Tpn, C= 125.000

Tcp, C= 50.000

Rpk, C/Вт= 1.000

Rko, C/Вт= .446

Pvt, Вт= 25.000

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

Ho, мм= 27.000

L, мм= 122.172

L1,мм= 139.000

d, мм= 2.500

n, шт= 19.000

b, мм= 5.083

d1,мм= 5.000

Pmax, Вт= 51.867

Rocd, C/Вт= 1.399

Roc, C/Вт= 1.279

Pohl, Вт= 27.335

Tohl, C= 81.978

S, мм2=164 488.300

V, мм3=241 594.200

G, г= 664.384

L1min, мм= 120.000

L1max, мм= 200.000

Homin, мм= 20.000

Homax, мм= 40.000

ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОХЛАДИТЕЛЯ

Vopt, мм3= 226 259.200

L1opt, мм= 121.000

Hopt, мм= 30.000

bopt, mm= 4.906

nopt, шт= 17.

Gopt, г= 622.213

Выводы и заключения

В результате выполнения курсового проекта было решено несколько задач:

— во-первых, был выбран по требуемой мощности понижающий трансформатор. Он был выбран по методическим указаниям: выбран стержневой трансформатор ТПП305−127/220−50,с током первичной обмотки 0.790 А и током вторичной обмотки 1.53 А.

— во-вторых, были выбраны диоды, на которых строятся диодные мосты. Для канала с положительным напряжением выбираем выпрямительный диод Д214А, а для канала с отрицательным напряжением — Д214Б.

— в-третьих, были выбраны схемы интегральных стабилизаторов напряжения, которые обеспечивают необходимую стабилизацию входного напряжения. Для канала с положительным напряжением выбираем КРЕН1 В, а для канала с отрицательным напряжением — КРЕН2 В.

— в-четвёртых, были выбраны силовые регулирующие элементы (силовые транзисторы) обеспечивающие рассчитанный коэффициент усиления. Для канала с положительным напряжением выбираем КТ819АМ, а для другого канала выбираем КТ819Г. Также был произведен расчёт и оптимизация конструкции охладителей силовых транзисторов.

Итогом этого курсового проекта можно считать рассчитанную и полученную схему двух канального блока питания управляющего устройства, вырабатывающего следующие напряжения:+6.3 В и -27 В.

1. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник -2-е изд., стереотип.- А. А. Зайцев, А. И. Миркин, В. В. Мокряков и др.: Под ред. А. В. Голомедова. — М.: Радио и связь, КУбК-а 1994. -640 с.: ил.

2. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры. — Справочник.-/ В. И. Галкин, А. Л. Булычев, П. М. Лямин.- Мн.: Беларусь, 1994.-347 с.

3. Резисторы: (справочник) / Ю. Н. Андреев, А. И. Антонян, Д. М. Иванов и др.; Под ред. И. И. Четверткова.- М.: Энергоиздат, 1981.-352 с., ил.

4. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник / В. П. Берзан, Б. Ю. Геликман, М. Н. Гураевский и др.; Под ред. Г. С. Кучинского.- М. :Энергоатомиздат, 1987.-656с.: ил.