Расчет трехканального источника питания

• Техническое задание
• Введение
• 1. Работа источника питания
• 2. Расчет стабилизаторов напряжения и выбор элементов схемы
• 2.1 Расчет стабилизатора первого канала, выбор микросхемы
• 2.2 Расчет стабилизатора второго канала, выбор стабилитрона и транзистора
• 2.3 Расчет третьего канала
• 3. Расчет выпрямителей с емкостным фильтром
• 3.1 Расчет первого выпрямителя
• 3.2 Расчет второго выпрямителя
• 3.3 Расчет третьего выпрямителя
• 4. Расчет параметров трансформатора
• 5. Расчет КПД трансформатора
• Заключение
• Список литературы
• Приложение А
• Приложение Б
• Приложение В

Техническое задание

Рассчитать трехканальный источник питания:

Первый канал: U₁=5 В, I₁=2,5 А, K_п1=0,35%

Второй канал: U₂=36 В, I₂=0,5 А, K_п2=1,5%

Третий канал: U₃=9 В, I₃=5 А, K_п3=20%

Источники питания с выходом на постоянном или переменном токе обеспечивают работу различной электрической и электронной аппаратуры. В настоящее время в большей части электронных устройств используется энергия источников постоянного тока. К ним относятся транзисторные цепи, интегральные схемы, и многие другие электронные устройства.

Назначение источников питания с выходом на постоянном токе состоит в преобразовании переменного напряжения сети в постоянное. Последнее может быть определено как напряжение, имеющее одну полярность.

Существует множество различных типов источников энергии постоянного тока, одни из которых могут отдавать меньший или больший ток, другие предназначены для получения высоких напряжений при малых средних значениях выходного тока. Одни источники могут быть очень сложными, другие — чрезвычайно простыми. Требования, предъявляемые к источнику питания, будут определять и степень его сложности, и параметры используемых в каждом случае компонентов.

В данной курсовой работе рассчитывается источник питания с тремя выходным напряжениями. Каждый выходной канал имеет заданный коэффициент пульсаций, напряжение и ток. В первых двух каналах мостовая схема выпрямления и присутствуют стабилизаторы напряжения, в третьем канале двухполупериодная схема выпрямления напряжения.

стабилизатор трансформатор выпрямитель

1. Работа источника питания

Многоканальный источник питания радиоэлектронной аппаратуры содержит трансформатор с несколькими вторичными обмотками. В каждом канале к своей вторичной обмотке подключены выпрямитель и сглаживающий фильтр. Для поддержания неизменного напряжения в нагрузке в источник питания может устанавливаться стабилизатор. Структурная схема источника питания представлена на рис. 1.

Основными величинами, характеристиками эксплуатационных свойств источников питания, являются:

· величина выходного напряжения и тока ;

· коэффициент пульсаций — отношение амплитуды пульсаций выходного напряжения к среднему значению напряжения (постоянной составляющей);

· внешняя характеристика — зависимость напряжения в нагрузке от тока нагрузки ;

· коэффициент полезного действия .

Рис. 1. Структурная схема источника питания.

2. Расчет стабилизаторов напряжения и выбор элементов схемы

Стабилизаторами напряжения называются устройства, автоматически поддерживающие постоянство напряжения на стороне потребителя с заданной степенью точности. По принципу действия стабилизаторы подразделяются на параметрические и компенсационные.

Для стабилизации напряжения постоянного тока используются нелинейные элементы, напряжение на которых мало зависит от тока, протекающего через них. В качестве таких элементов применяются кремниевые стабилитроны. Для подбора необходимого напряжения стабилитроны можно включать последовательно. Если ток нагрузки превышает максимально допустимый ток стабилитрона, применяются усилитель тока на одном или нескольких транзисторах.

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 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 первого канала указана на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема стабилизатора на микросхеме.

Микросхему выберем, исходя из заданного напряжения U_d1, току I_d1 (I_ВЫХ> I_d1), входному напряжению стабилизатора U_вх1. При I_вх1=I_d1 первый канал будет рассчитан без запаса на перегрузку, при I_вх1=I_{вых. мах} — с запасом.

Для наших параметров подходит микросхема КP142ЕН5А, имеющая следующие параметры:

В,

В,

А,

.

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

.

2.2 Расчет стабилизатора второго канала, выбор стабилитрона и транзистора

Расчетная схема стабилизатора с усилителем тока на транзисторе представлена на рис. 3.

Рис. 3. Расчетная схема стабилизатора с усилителем тока на транзисторе: а — для положительной полярности U_d2; б — для отрицательной полярности

Выбираем тип стабилитрона с напряжением стабилизации, равным напряжению в нагрузке U_ст.ном=U_d2. Для него из справочника нужно выписать значения минимального и максимального тока стабилизации _Iст.мин и I_ст.мах и величину дифференциального сопротивления r_ст.

Для наших исходных данных выберем стабилитрон 2С536А, который имеет параметры:

U_cт= 36 В,

I_ст.мин= 1 мА,

I_{ст.макс}= 23 мА,

r_ст= 50 Ом.

Тип транзистора выбирается исходя из условий: I_к.мах=(1,5…3)I_d2 и U_кэ.мах=(1,2…2)U_d2.

Выберем n-p-n КТ815В:

I_к.макс= 1,5 А,

U_{кэ.макс}=70 В,

h_21э=40…70;

U_{кэ. нас}=0,6 В.

Входное напряжение стабилизатора

В.

Сопротивление в цепи базы транзистора

Ом.

Полученное значение округляем до ближайшего стандартного значения 7,5 Ом.

Входной ток стабилизатора

А.

Коэффициент сглаживания

.

Коэффициент пульсаций

.

2.3 Расчет третьего канала

В третьем канале источника питания стабилизатор не применяется, заданные значения U_d3, I_d3 и К_п3 будут использованы для расчета выпрямителя третьего канала.

3. Расчет выпрямителей с емкостным фильтром

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

Рис. 4. Однофазный мостовой выпрямитель с емкостным фильтром.

Данный выпрямитель имеет следующие временные диаграммы токов и напряжений:

Рис. 5. Временные диаграммы работы выпрямителя с емкостным фильтром.

Для расчета параметров 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 .

3.1 Расчет первого выпрямителя

Исходные данные:

На выходе программы получили:

где — напряжение обмотки,

— ток обмотки,

— максимальный ток вентиля (диода),

— средний ток вентиля (диода),

— эффективный ток вентиля (диода),

— емкость конденсатора фильтра.

Построим нагрузочную характеристику выпрямителя:

Рис. 7. Нагрузочная характеристика выпрямителя первого канала.

Исходя из полученных значений среднего тока вентиля, с проверкой по допустимому импульсному току и обратному напряжению, выбираем диодную сборку КЦ410А со следующими характеристиками:

Исходя из полученного значения емкости, для сглаживающего фильтра выбираем конденсатор К50 — 6 4000 мкФ? 50 В ± 10% ОЖО 460. 172 ТУ.

3.2 Расчет второго выпрямителя

Исходные данные:

На выходе программы получили:

где — напряжение обмотки,

— ток обмотки,

— максимальный ток вентиля (диода),

— средний ток вентиля (диода),

— эффективный ток вентиля (диода),

— емкость конденсатора фильтра.

Построим нагрузочную характеристику выпрямителя:

Рис. 8. Нагрузочная характеристика выпрямителя второго канала.

Исходя из полученных значений среднего тока вентиля, с проверкой по допустимому импульсному току и обратному напряжению, выбираем диодную сборку КЦ410А со следующими характеристиками:

Исходя из полученного значения емкости, для сглаживающего фильтра выбираем конденсатор К50 — 18 10 000 мкФ? 100 В ± 5% ОЖО 460. 172 ТУ.

3.3 Расчет третьего выпрямителя

Исходные данные:

На выходе программы получили:

где — напряжение обмотки,

— ток обмотки,

— максимальный ток вентиля (диода),

— средний ток вентиля (диода),

— эффективный ток вентиля (диода),

— емкость конденсатора фильтра.

Построим нагрузочную характеристику выпрямителя:

Рис. 9. Нагрузочная характеристика выпрямителя третьего канала.

Исходя из полученных значений среднего тока вентиля, с проверкой по допустимому импульсному току и обратному напряжению, выбираем диоды Д242Б со следующими характеристиками:

Исходя из полученного значения емкости, для сглаживающего фильтра выбираем конденсатор К50 — 18 15 000 мкФ? 25 В ± 7% ОЖО 460. 172 ТУ.

Выбираем резистор МЛТ — 0,125 350 кОм ОЖО 467.140 ТУ.

4. Расчет параметров трансформатора

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 — КПД трансформатора, который определяется по номограмме на рис. 10.

Исходя из рассчитанного значения, выбираем типоразмер магнитопровода УШ35?52 с характеристиками, представленными в таблице 1:

Число витков каждой вторичной обмотки трансформатора определяют по формуле:

Рис. 10. Зависимость КПД от мощности вторичных обмоток трансформатора Таблица 1. Параметры Ш-образного магнитопровода УШ 26? 39

где U — 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 можно также определить 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 0,9. ГОСТ 26 606–85Е.

ПЭТВ 1 — 130 1,18. ГОСТ 26 606–85Е.

ПЭТВ 1 — 130 1,3. ГОСТ 26 606–85Е.

ПЭВТЛ 2 — 130 2,1. ГОСТ 26 606–85Е.

Рассчитаем параметры лампы:

Выбираем резистор МЛТ-0,125 510 кОм ГОСТ 9663–75

5. Расчет КПД трансформатора

Коэффициентом полезного действия (КПД) источника питания называется отношение активной мощности, выделяющейся в нагрузке к мощности, поступающей из питающей сети :

.

Активная мощность, поступающая из сети, теряется в трансформаторе (), в вентилях (), в сглаживающем фильтре () и в стабилизаторе ().

Потери в трансформаторе определяются по формуле:

где — кпд трансформатора;

— габаритная мощность трансформатора.

Потери в вентилях:

где — средний ток в вентиле;

— прямое падение напряжения на вентиле;

N — число последовательно включенных вентилей выпрямителя.

Общие потери в вентилях:

Потери в сглаживающем фильтре при емкостном фильтре можно не учитывать.

Потери в стабилизаторе:

где — напряжение на входе стабилизатора;

— входной ток стабилизатора;

— напряжение в нагрузке.

Общие потери в стабилизаторах:

Таким образом, КПД источника питания:

Заключение

В курсовой работе был кратко описан принцип работы источника питания, который имеет напряжения разных видов. Приведен расчет каждого из каналов. Рассчитанный источник питания полностью удовлетворяет поставленной задаче.

Источник питания обладает некоторыми достоинствами: простота схемы и высокая надежность работы. Недостатки: необходимость применения радиаторов для обеспечения нормального теплового режима стабилизаторов; большие масса и габариты, обусловленные применением радиаторов; невысокое значение КПД (55%) из-за необходимости рассеивания части мощности на вентилях, рассеяния в пространство и на управляющих элементах стабилизаторов.

1. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. для вузов ж.-д. трансп. — М.: Транспорт, 1999. — 464 с.

2. Либерман Ф. Я. Электроника на железнодорожном транспорте: Учебное пособие для вузов ж.д.транспорта.- М.: Транспорт, 1987. 288 с

3. Сидоров И. Н. Малогабаритные трансформаторы и дроссели. Справочник.- М.: Радио и связь, 1985. 276 с.

4. Сидоров И. Н., Скорняков С. В. Трансформаторы бытовой радио-электронной аппаратуры: Справочник.- М.: Радио и связь, 1994. 320 с.

5. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник / А. В. Баюков, А. Б. Гитцевич, А. А. Зайцев и др.; Под ред. Н. Н. Горюнова.- М.: Энергоиздат, 1982. 744 с.

6. Диоды: Справочник / О. П. Григорьев, В. Я. Замятин, Б. В. Кондратьев, С. Л. Пожидаев.- М.: Радио и связь, 1990. 656 с.

7. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник/А.А.Зайцев, А. И. Миркин, В. В. Мокряков и др.; Под ред. А. В. Голомедова — М.: Радио и связь, 1989. 640 с.

8. Транзисторы для аппаратуры широкого применения: Справочник / К. М. Брежнева, Е. И. Гантман, Т. И. Давыдова и др.; Под ред. Б. Л. Перельмана. -М.: Радио и связь, 1981. 656 с.

9. Щербина А., Благий С. Микросхемные стабилизаторы серий 142, К142, КР142.-Радио, 1990, № 8, с.89−90; № 9, с.73−74.

10. Булычев А. Л. и др. Аналоговые интегральные схемы: Справочник / А. Л. Булычев, В. И. Галкин, В. А. Прохоренко.- 2-е изд.-Минск: Беларусь, 1993. 382 с.