Расчёт и проектирование вторичного источника питания

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

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 спроектировать вторичный источник питания по таким исходным данным

Uвых=12 В

Uвых=0.4 B

f =50 Гц

Uвх=15 B

Uвх=220 B

Kст=100

Iн=2 mA

На рис. 1.1 изображена структурная схема вторичного источника питания.

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 трансформатора питания, 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 дросселя и конденсатора (рис. 1.1,а) или из резистора и конденсатора (рис. 1.2,а).

Рис. 1.2 — Схемы сглаживающих фильтров

На рис. 1.3 — изображена однофазная мостовая схема выпрямителя

Рис.1.3- Однофазная мостовая схема выпрямителя

Стабилизаторы напряжения имеют такие основные параметры: Коэффициент нестабильности по напряжению — отношение производной выходного напряжения по входному напряжению к выходному напряжению:

Кнu=Uвых*100% / Uвых*Uвх (1.1)

Коэффициент нестабильности по току — относительное изменение выходного напряжения при изменении выходного тока в определенных пределах:

Кнi=Uвых*100% /Iвых (1.2)

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 — Схема 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 — Схем компенсационного стабилизатора напряжения

2 Разработка принципиальной схемы

На входе вторичного источника питания можно поставить схему однофазного выпрямителя напряжения изображенную на рис. 1.3.

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 :

(3.1)

.

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 выходного напряжения, 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

(3.3)

(3.4)

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.

При выборе необходимо выполнить условия

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;

максимально допустимый ток коллектора I К1. МАКС. ДОП. = 5 а; максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе (без дополнительного теплоотвода), РК1 МАКС. ДОП = 3 вт.

Таким образом, для выбранного транзистора П4БЭ условия (3.7)? (3.9) выполняются.

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 и? I 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, равна Рк2 макс ?? Uк. э2 макс * I к2 = 8,2 * 5×10−3 = 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 коллектора I 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

(3.16)

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

I К3. МАКС. ДОП = 20 ма, максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе Рк3 макс. доп = 0,15 вт. Определим фактический коэффициент усиления каскада на транзисторе МП41 (П15). Для этого можно воспользоваться формулой

(3.17)

где , — крутизна характеристики транзистора Т3 (число, показывающее,

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

(3.18)

Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, составляет

PR1 = (IK3)2 * R1 = 12 000 * (2×10−3)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 = 2×10 -3 А получим Рк3 макс. = 4.4* 2×10 -3 = 0,0088 Вт < Рк3 макс. доп. = 0,15 Вт.

Следовательно, транзистор Т3 выбран правильно.

10. Определяем величины сопротивлений резисторов и емкостей конденсаторов схемы. 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 = 2×10 -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 / 5×10- 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

(3.22)

Ом;

(3.23)

.

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 = (3.26)

R8 = (12 — 8) / 5×10−3 = 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

(3.27)

Таким образом, коэффициент стабилизации рассчитанного стабилизатора оказался больше требуемого, так как

12. К. п. д. стабилизатора в номинальном режиме находим, по формуле

(3.28)

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

U R4 = I * R = 0,1 * 3 = 0,3 В.

Расчитаем делитель, таким образом, дабы в верхнем плече делителя, обеспечивалось падение напряжения равное U R4.

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

(3.29)

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,

со следующими параметрами: номинальный ток вторичной обмотки I2Н=0,1 A; напряжение на вторичной обмотке U2Н=20 B (стоит отметить, что данное напряжение заранее учитывает все потери найденные в процессе моделирования: потери на вентилях и в цепи защиты от короткого замыкания; Все остальные потери были учтены в процессе расчета схемы стабилизатора.).

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 Work bench 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

Uвых=0.4 B

f =50 Гц

Uвх=15 B

Uвх=220 B

Kст=100

Iп=0.02 A

Список используемой литературы

1 Екимов В. Д Выбор схемы стабилизатора напряжения. — Радио и связь, 1978 г

2 Крылов В. М Стабилизаторы напряжения на К142ЕН — Радио, 1979 г