Расчет нестабилизированного источника питания газоразрядного лазера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика С.П. КОРОЛЕВА

Кафедра автоматических систем и энергетических установок

Курсовой проект по дисциплине:

"Источники питания лазеров"

Расчет нестабилизированного источника питания газоразрядного лазера

Выполнила студентка гр.2401

Золотухина А.Д.

Самара

2011



Содержание

Задание

Реферат

Введение

1. Расчет электрических характеристик газоразрядного излучателя постоянного тока

1.1 Определение средней мощности излучения

1.2 Определение коэффициентов ВтАХ

1.3 Определение пульсации мощности излучения

1.4 Определение пульсации тока

1.5 Определение пульсации напряжения

1.6 Определение динамического сопротивления

1.7 Определение полезной электрической мощности

1.8 Определение КПД излучателя

2. Синтез принципиальной схемы источника питания

2.1 Синтез структурной схемы источника питания

2.2 Функциональная схема силовой части источника питания

2.3 Расчет балластного резистора

2.4 Расчет сглаживающего фильтра

2.5 Расчет мостового выпрямителя с удвоением

2.6 Расчет силового трансформатора

2.7 Определение схемы зажигания электрического разряда в излучателе

2.8 Выбор информационного, коммутационного и защитного элементов

2.8. 1Выбор информационного элемента

2.9 Выбор выключателя

2.10 Выбор предохранителя

2.11 Выбор заземления

3. Расчет удельных характеристик

3.1 Определение КПД ИП

3.2 Определение удельной массовой мощности ИП

3.3 Определение удельной объемной мощности ИП

Заключение

Список использованных источников

Задание

Задание к курсовому проекту состоит в разработке структурной, функциональной и компоновочной схем источника питания газоразрядного излучателя, расчете его КПД и удельных характеристик.

Данные для курсового проекта:

1. Активная среда: CO₂.

2. Максимальная мощность излучения: P_max=22Вт.

4. Ток, соответствующий максимальной мощности излучения: I_max=50мА.

5. Минимальная мощность излучения: P_min=2,1Вт.

6. Ток, соответствующий минимальной мощности излучения: I_min=5,2мА.

7. Напряжение, соответствующее минимальной мощности излучения: U_Pmin=13,9кВ.

8. Максимально допустимый ток разряда: I_p=62мА.

9. Напряжение, соответствующее максимальному току разряда: U_Imax=12кВ.

10. Допустимые пульсации мощности излучения: 20%.

11. Режим работы излучателя: максимальный.

12. Напряжение электросети: U_C=220В.

13. Частота изменения сетевого напряжения: f_С=50Гц.

14. Схема выпрямления: мостовая.

Информационная часть: неоновая лампа.

Реферат

Пояснительная записка. 33 стр.,21 рис., 1 таблица, 10 источников, графическая документация: 2л. А3, 3л. А4.

ЛАЗЕР, ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, РАЗРЯД, ТРАНСФОРМАТОР, БАЛЛАСТНЫЙ РЕЗИСТОР, КОНДЕНСАТОР, ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД, ВЫПРЯМИТЕЛЬ, ФИЛЬТР, ПАДЕНИЕ НАПРЯЖЕНЯ, СИЛА ТОКА, МОЩНОСТЬ

В курсовом проекте был спроектирован источник питания CO₂ лазера - выбраны структурная и функциональная схемы, рассчитаны и определены все элементы источника питания. Определен КПД источника питания и его массогабаритные параметры. Выполнен сборочный чертеж источника питания.

Введение

По принятой терминологии лазер состоит из излучателя и источника питания. Преимущественное распространение в технических применениях получили лазеры, преобразующие электрическую энергию в энергию когерентного излучения, поэтому подавляющее большинство источников питания лазеров представляют собой источники электропитания.

Термин ИП лазера несколько шире, чем ИП радиоэлектронного устройства, т.к. ИП лазера должен обеспечивать излучатель всеми необходимыми токами и напряжениями. Например, в случае газоразрядного лазерного излучателя постоянного тока ИП наряду с основным энерговкладом должен осуществлять инициирование разряда в газе. Следовательно, минимальный набор структурных элементов ИП лазера: повышающий трансформатор, выпрямитель и фильтр, дополняется схемой зажигания разряда.

ИП, как техническое устройство, имеет входные, выходные и удельные характеристики. Причем входные характеристики ИП будут являться частью входных характеристик лазера в целом, а его удельные характеристики также войдут в удельные характеристики лазера. Кроме того, поскольку лазер служит преобразователем электрической энергии в энергию когерентного излучения, а эффективность энергетических преобразований характеризуется КПД, то без знания КПД ИП невозможна оценка КПД всего лазера.

Следовательно, специалист по лазерным системам должен представлять особенности строения ИП, обусловленные электрическими характеристиками излучателя, а также уметь грамотно оценивать основные параметры ИП, как составной части лазера.



1. Расчет электрических характеристик газоразрядного излучателя постоянного тока

Если высокая когерентность и монохроматичность излучения лазера определяются в основном принятыми техническими решениями излучателя, то стабильность его выходной мощности в немалой степени зависит от выходных характеристик ИП, так как колебания разрядного тока проявляются как флуктуации мощности излучения.

В качестве первичного источника электроэнергии газоразрядных лазеров в подавляющем большинстве случаев выступает электросеть переменного тока. При преобразованиях переменного тока в постоянный путем его выпрямления и фильтрации тот или иной уровень пульсации выходного напряжения ИП (источника питания) имеет место. За снижение уровня пульсации приходится расплачиваться усложнением ИП и ухудшением его массогабаритных, энергетических и экономических показателей. Поэтому, следует разумно назначать допустимый уровень пульсаций на выходе ИП, исходя из требований по стабильности выходной мощности лазера, диктуемых областью его применения.

Мощность излучения и допуски на ее стабильность относятся к основным параметрам лазера, поэтому они входят в число исходных данных при проектировании ИП. Зависимость выходной мощности излучения лазера от тока разряда называется ватт - амперной характеристикой (ВтАХ). ВтАХ многих, нашедших практическое применение газоразрядных лазеров, немонотонна. При некоторых значениях тока мощность излучения достигает своего максимального значения (см. рис. 1.).

Рис. 1. Вид типичной ВтАХ углекислотного лазера.

1.1 Определение средней мощности излучения

Для углекислотного лазера рабочая точка соответствует максимуму выходной мощности, что можно назвать максимальным режимом.

Экстремальный характер ВтАХ подсказывает вид аппроксимирующего ее многочлена:

(1)

где а, b, с - постоянные коэффициенты, которые следует рассчитывать по заданным точкам и .

Средняя мощность излучателя будет:

(2)

1.2 Определение коэффициентов ВтАХ

Для расчета коэффициентов ВтАХ

а, b, c решается система уравнений.

(3)

Подставляем в систему уравнений известные значения параметров и решая систему в программе MathCAD, получим:

С помощью аналитически заданной ВтАХ (1) рассчитываются допустимые пульсации тока излучателя и средний рабочий ток газоразрядной трубки соответствующий мощности излучения, определенной из соотношения (2).

1.3 Определение пульсации мощности излучения

В максимальном режиме при заданных пульсациях выходной мощности:

(4)

где - это допустимые пульсации выходной мощности излучения лазера



1.4 Определение пульсации тока

В результате решения уравнения:

откуда

Здесь нужно помнить, что, во-первых, выражение (2) есть лишь удобная аппроксимация ВтАХ, и во-вторых, даже если принять и для описания ВтАХ при токах больших , то большим значениям газоразрядных токов будут соответствовать, как правило, и большие тепловые мощности рассеяния на лазерной трубке.

Таким образом, значение ВтАХ в данной курсовой работе состоит в обосновании выбора электрической рабочей точки излучателя и переходах от электрических токов через излучатель к мощности излучения и обратно.

Используя программу Excel построим ВтАХ для проверки результатов (см. рис. 2).

Рис. 2. ВтАХ



1.5 Определение пульсации напряжения

Рабочее напряжение на трубке , допустимый интервал измерения напряжения , обусловленный пульсациями, и динамическое электрическое сопротивление , рассчитывается с помощью вольт- амперной характеристики (ВАХ). ВАХ отпаянных углекислотных газоразрядных трубок в рабочем режиме излучателей имеет падающий характер (см. рис. 3.).

Рис. 3. Графическая иллюстрация расчета напряжений на газоразрядной трубке (ВАХ).

Удобная форма аппроксимации ВАХ газоразрядных лазерных трубок описывается уравнением

(5)

где - напряжение и ток трубки соответственно, а и - постоянные коэффициенты, которые определяются по экспериментальным или заданным значениям .

Рассчитаем коэффициенты и путем решения уравнения (5), подставив в него заданные начальные и конечные точки ВАХ. Получим систему:

Решив ее, получим:

Порядок расчета

по ВАХ (5) аналогичен расчету токов по ВтАХ (2). То есть по уже известным токам

трижды, воспользовавшись уравнением (5) с рассчитанными коэффициентами и , определим пульсации напряжения:

Построим ВАХ для проверки результатов (см. рис. 4).



Рис. 4. ВАХ.

1.6 Определение динамического сопротивления

Динамическое сопротивления определяется через производную . При аналитически заданной ВАХ в форме (5) его зависимость от тока и параметров ВАХ будет описано выражением:

(6)

При падающих ВАХ сопротивление отрицательно, что является формальным электрическим проявлением неустойчивости разряда в плазме газов без принятия специальных мер по его стабилизации, в частности, электронными методами за счет схемотехнических решений ИП.

Как видно из (6), с учетом положительного знака k₂ , в любой точке ВАХ r_д <0, а по абсолютному значению r_д возрастает с уменьшением тока. Поэтому наибольшее значение r_д будет при наименьшем значении тока из возможных. Для максимального режима это ток I₂.



1.7 Определение полезной электрической мощности

Для ИП излучатель является нагрузкой. Поэтому электрическая мощность, передаваемая ИП в излучатель, и есть конечный энергетический результат работы ИП. Следовательно, электрическая мощность, вкладываемая ИП в излучатель, есть та полезная мощность , которая и должна быть использована в расчете КПД ИП. Поскольку средний рабочий ток газоразрядной трубки и среднее напряжение U_o на ней уже известны, то полезная электрическая мощность рассчитывается по закону Джоуля - Ленца для участка цепи:

(7)

1.8 Определение КПД излучателя

Полезная мощность ИП в то же время будет обусловливать энергозатраты излучателя на накачку активной среды лазера, то есть будет мощностью затрачиваемой в излучателе, из которого лишь мощность излучения является полезной мощностью излучателя и лазера в целом.

Рассчитанное значение , позволяет оценить КПД излучателя:

(8)

Результаты расчетов в п. 1 сведем в таблицу 1.

Таблица №1. Сводка результатов по электрическим параметрам излучателя.

Коэффициенты аналитически заданной ВтАХ	a, Вт/А2	b, Вт/А	c, Вт
	-9,9151•103	991,5099	-2,7878
Коэффициенты аналитически заданной ВАХ	K1, В	K2, В/А
	11,826•103	1,900
Рабочий ток излучателя I0, мА	50
Рабочее напряжение излучателя U0, кВ	12,04
Наименьшее значение тока излучателя, обусловленное пульсациями I1, мА	28,94
Наибольшее значение напряжения излучателя, обусловленное пульсациями U1, кВ	12,20
Наибольшее значение тока излучателя, обусловленное пульсациями I2, мА	71,07
Наименьшее значение напряжения излучателя, обусловленное пульсациями U2, кВ	11,98
Динамическое сопротивление излучателя rg, кОм	-12,88
Полезная электрическая мощность ИП, PЭП, Вт	602,09
КПД излучателя, зиз	0,0365

2. Определение схемы источника питания

2.1 Определение структурной схемы источника питания

Основное назначение источника питания состоит в обеспечении излучателя всеми необходимыми для его функционирования напряжениями и токами. Для маломощного газоразрядного непрерывного излучателя - это напряжения киловольтного диапазона и токи от единиц до десятков миллиампер с заданным уровнем пульсаций.

Первичным источником электрической энергии для ИП служит однофазная электросеть переменного тока 220В, 200Гц. Наиболее распространенным устройством, преобразующим низкое входное напряжение ИП в высокое выходное, является электромагнитный трансформатор. Поэтому электромагнитный повышающий трансформатор будет одним из элементов структурной и принципиальной схемы ИП.

Для поддержания разряда постоянного тока ИП должен содержать в своем составе высоковольтный выпрямитель, т.е. вторым обязательным элементом структурной и принципиальной схем будет высоковольтный выпрямитель.

Напряжение на выходе однофазного выпрямителя на активной нагрузке изменяется от нуля до практически амплитудного значения напряжения вторичной обмотки трансформатора. Поэтому обеспечение требуемого уровня пульсаций выходного напряжения ИП возлагается на фильтр, подключаемый к выходу выпрямителя.

В простейшей схеме ИП состоящей из повышающего трансформатора, выпрямителя и фильтра, излучатель подключается к фильтру через балластный резистор, который служит для стабилизации газоразрядных процессов в излучателе.

В начальном состоянии электрическая проводимость газоразрядного прибора незначительна, поэтому он представляет разрыв электрической цепи. Включение прибора осуществляется инициированием, в результате которого зажигается разряд в газе и промежуток между электродами прибора приобретает электрическую проводимость. Повышение электрической проводимости достигается его ионизацией, для чего в ИП должна быть предусмотрена специальная схема зажигания. Электропитание схемы зажигания целесообразно осуществлять от высоковольтного выпрямителя и фильтра, что и отражено на структурной схеме синтезируемого ИП (рис.4.)

Эксплуатация ИП невозможна без элементов информации, управления и защиты, которые должны обеспечить необходимую эффективность системы человек-машина. К информационным элементам относят стрелочные измерительные приборы, световые табло и панели, сигнальные лампы и светодиоды, мнемонические схемы, пиктограммы. Они призваны дать человеку-оператору информацию о функционирование ИП.

Таким образом, структурная схема нестабилизированного ИП приобретает вид, изображенный на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема ИП: 1-повышающий трансформатор; 2-выпрямитель; 3-фильтр; 4-балластный резистор; 5-излучатель; 6-схема зажигания; 7-элементы информационные, управления и защиты.

2.2 Определение функциональной схемы источника питания

Функциональная схема силовой части ИП с мостовой схемой выпрямления представлена на рис. 6.

Рис. 6. Функциональная схема силовой части ИП с мостовой схемой выпрямления.

2.3 Расчет балластного резистора

Балластный резистор включается последовательно в цепь газового разряда для обеспечения его стабильности. С увеличением сопротивления растет стабильность тока разряда, однако, КПД ИП при этом падает. Достаточная стабильность разряда обеспечивается выбором

(9)

Округляем значение сопротивления балластного резистора, выбираем ближайшее (в большую сторону) значение сопротивления по ряду номинальных значений сопротивлений Е24.

Однако балластный резистор должен быть рассчитан на требуемую мощность рассеяния, для чего используется закон Джоуля - Ленца

(10)

Тогда по ряду Е24.

Если взять резистор ПЭВ, то он будет удовлетворять предъявленным требованиям.

Характеристики резистора ПЭВ ([1], стр. 135)

Номинальное сопротивление 16 кОм

Рассеиваемая мощность 40Вт

Предельное рабочее напряжение 1,4кВ

Размеры: H=35мм; D=21мм; L=87мм, d=12мм.

Масса не более 98г.

Рис. 7. Резистор ТВО-60.

Определим пульсации напряжения на балластном резисторе. Поскольку балластный резистор включен последовательно с излучателем, то допустимые пульсации тока излучателя проявятся в пульсациях напряжения на балластном резисторе.

Минимальному значению тока излучателя, обусловленному пульсациями , соответствует наибольшее (в силу падающей ВАХ) значение напряжения пульсаций , а максимальному значению тока - наименьшее .

Тогда минимальное падение напряжения на , обусловленное пульсациями будет:

а максимальное, соответственно:

Напряжение на балластном резисторе складывается с напряжением на излучателе. Поэтому допустимые пульсации напряжения на выходе схемы, состоящей из последовательно включенных и излучателя, задаются выражением:

2.4 Расчет сглаживающего фильтра

Сглаживающим фильтром ИП называется устройство, предназначенное для уменьшения переменной составляющей (пульсации) выпрямленного напряжения. Он подключается к выходу выпрямителя и должен обеспечивать заданный коэффициент пульсаций напряжения на излучателе. Емкостной фильтр - это простейший сглаживающий фильтр, состоящий из конденсатора, который включается параллельно нагрузке и выходным зажимом выпрямителя. Реально это может быть не один конденсатор, а несколько, включенных последовательно и (или) параллельно. Емкость конденсатора фильтра формально будет определяться равенством:

где f_n- частота изменения сетевого напряжения

Номинальное напряжение конденсатора фильтра находят из условия его превышения максимального напряжения на фильтре для мостовой схемы выпрямления:

По Е24

Этим требованиям удовлетворяют два высоковольтных конденсатора К75-15. Характеристики конденсаторов К75-15 ([2] стр.320).

Первый:

Номинальная емкость 1мкФ;

номинальное напряжение 16кВ;

масса не более 13000г;

размеры: А=90мм, L=150мм,В=130мм, Н=310мм, h=62мм.

Второй:

Номинальная емкость 10,25мкФ;

номинальное напряжение 16кВ;

масса не более 3000г;

размеры: А=40мм, L=85мм,В=120мм, Н=140мм, h=62мм.

Рис. 8. Конденсатор К75-15.

2.5 Расчет мостового выпрямителя

Выпрямитель преобразует напряжение переменного тока в пульсирующее. При упрощенном качественном анализе работы схем выпрямителей диоды, трансформаторы и нагрузки считаются идеальными, т.е. сопротивление диода в прямом направлении - нулевое, а в обратном - бесконечно большое; сопротивление обмоток трансформатора принимается равным нулю, а нагрузка - активная.

Для преобразования напряжения переменного тока в пульсирующее в ИП в настоящее время применяются полупроводниковые диоды или диодные сборки. Выпрямительные диоды характеризуются двумя основными параметрами:

а) максимально допустимым прямым постоянным током или средним значением импульсного (любой формы) тока

.

б) напряжением на диоде

.

Этим параметрам соответствует диодный столб КЦ201Е, с характеристиками [3, стр. 493]:

Максимальный прямой ток 500мА,

напряжение U_обр =15000кВ,

масса 90г.

Рисунок 9 - Диодный столб КЦ201Е



2.6 Расчет силового трансформатора

Силовой трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, имеющее не менее двух индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции напряжения электрической сети в напряжения, необходимые для питания излучателя и информационной части источника электропитания. Трансформатор состоит из магнитопровода и двух или нескольких обмоток, выполненных из изолированного медного или алюминиевого провода.

Конструктивно магнитопроводы трансформаторов подразделяются на броневые, стрежневые и тороидальные (кольцевые). Соответственно трансформаторы в зависимости от конструкции применяемого магнитопровода подразделяются на броневые, стрежневые и тороидальные. Магнитопровод броневого трансформатора выполняется Ш - образной формы, все обмотки располагаются на среднем стрежне, т.е. обмотки частично охватываются (бронируются) магнитопроводом. В условное обозначение такого трансформатора входит буква "Ш". В броневых трансформаторах магнитный поток разветвляется на правую и левую части, в результате чего в крайних стержнях его величина в 2 раза меньше, чем в среднем. Поэтому сечения крайних стержней вдвое меньше сечения среднего.

Броневые трансформаторы характеризуются следующими достоинствами: наличием только одной катушки с обмотками, более высоким заполнением окна магнитопровода обмоточным проводом, частичной защитой от механических повреждений катушки ярмом магнитопровода. Поскольку номенклатура серийно выпускаемых магнитопроводов обеспечивает весь диапазон мощностей проектируемых в курсовой работе источников питания, то этот тип магнитопровода и рекомендуется выбрать.

В диапазоне частот переменного напряжения электросети от десятков герц до единиц килогерц в качестве материала магнитопровода используется электротехническая сталь в виде пластин или лент.

Порядок расчета силового трансформатора:

Определяем вторичную мощность трансформатора . Она будет равна мощности, потребляемой излучателем

Так как информационной частью является неоновая лампа, то отсутствует и вторичная мощность будет равна:

Определяем первичную мощность трансформатора,

где - КПД трансформатора

Определяем поперечное сечение сердечника трансформатора броневого типа:

Выбираем из унифицированного ряда магнитопроводов типа Ш ближайший по площадке поперечного сечения сердечника , пользуясь неравенством:

Этому неравенству соответствует магнитопровод Ш40х100 с параметрами ([4] стр.47):

Площадь окна магнитопровода S_ок=40см²,

Площадь сечения стали, умноженная на площадь окна S_ст·S_ок=1600см⁴,

Средняя длина проводника l_ср=34,3 м,

Активный объем магнитопровода V_ст=1370см³,

Конструктивная постоянная в=1,3599см²,

Ориентировочная масса 9860г

Рис. 10. Магнитопровод Ш 40х100.

Размеры магнитопровода:

а=20мм; h=100мм; l=40мм; l₁=40мм; L=160мм; В=100мм; Н=140мм.

Определяем число витков первичной обмотки:

(11)

где B - индукция насыщения магнитопровода, которую принимаем

равной 1 Тл.

Формула для расчёта - инженерная, поэтому при подстановке значений входящих в неё переменных необходимо использовать следующие единицы измерения:

.

Для компенсации потерь напряжения в проводах обмоток и на диодах выпрямителя увеличивают полученные значения на 10%:

.

Определяем число витков вторичной обмотки:

;

;

Определяем ток первичной обмотки:

.

Находим сечение и диаметр медной жилы провода первичной обмотки, приняв плотность тока :

Для изготовления обмоток трансформаторов применяются обмоточные провода круглого или прямоугольного сечения, как правило, из меди с изоляционным покрытием. Иногда применяется медная или алюминиевая фольга.

Из [4, стр. 15] выбираем обмоточный провод с ПЭВ-1. Его характеристики:

Номинальный диаметр провода по меди 1,4 мм

Сечение провода по меди 1,5394 мм2

Диаметр провода с изоляцией 1,48 мм

Сопротивление 1 м провода при 20єС 0,0113 Ом

Для второй обмотки:

Из [4, стр. 14] выбираем обмоточный провод ПЭВ-1. Его характеристики:

Номинальный диаметр провода по меди 0,16 мм

Сечение провода по меди 1,5394 мм²

Диаметр провода с изоляцией 0,187 мм

Сопротивление 1 м провода при 20єС 0,873 Ом

Рассчитываем суммарное сечение обмоток:

проверяем, чтобы коэффициент заполнения окна магнитопровода трансформатора К_ок удовлетворял неравенству:

(12)



Выполнение неравенства К_ок < 0,3 является предпосылкой успешного размещения обмотки в окне магнитопровода.

Тогда коэффициент заполнения окна магнитопровода:

Находим габариты и массу трансформатора. При оценке габаритов сечение обмотки вне сердечника принимается равной сечению окна, а масса определяется суммой масс сердечника и медной обмотки, которую можно оценить по плотности меди и габаритному объему обмотки, умноженному на коэффициент заполнения.

Рис. 11. Сечения трансформатора для определения его массы и габаритов

а=40мм; h=100мм; b=100мм; с=40мм

При оценке массы трансформатора принять, что она складывается из массы сердечника и провода обмоток.

(13)

(14)

(15)

2.7 Определение схемы зажигания электрического разряда в излучателе

В начальном состоянии электрическая проводимость газоразрядного прибора незначительна, поэтому он представляет собой разрыв электрической цепи. Включение газоразрядного прибора осуществляется инициированием, в результате которого зажигается разряд в газе, и промежуток между электродами приобретает электрическую проводимость. Повышение электрической проводимости газа достигается его ионизацией.

В лазерной технике малой и средней мощности наибольшее распространение получили следующие способы инициирования зажигания газового разряда: а) статическим электрическим полем; б) высокочастотным электрическим полем; в) высоковольтными импульсами.

Применение того или иного способа зажигания зависит от режима работы излучателя и технических требований к нему. Процесс зажигания газоразрядного прибора электрическими полями характеризуется двумя параметрами: напряжением зажигания и временем запаздывания . Напряжение зажигания всегда имеет разброс и является случайной величиной, которая подчиняется нормальному закону распределения. Поэтому для надежного зажигания излучателя к его электродам нужно приложить напряжение

.

Время запаздывания зажигания разряда складывается из двух компонентов:

а) статического времени запаздывания зажигания, т.е. интервала времени между моментом приложения напряжения к межэлектродному промежутку и моментом появления в нем первого инициирующего электрона, способного привести к пробою;

б) времени формирования разряда, т.е. времени между появлением этого инициирующего электрона и пробоем промежутка.

При низких давлениях до 50 мм рт.ст., характерных для отпаянных гелий-неоновых и углекислотных излучателей .

Учитывая заданный в курсовой работе непрерывный режим излучателя и накачку его активной среды разрядом постоянного тока, оптимальной в плане минимального усложнения схемы основного источника питания представляется схема автоматического зажигания статическим электрическим полем от умножителя напряжения. Следует принять, что для зажигания излучателя достаточно удвоенного напряжения на сглаживающем емкостном фильтре силовой части ИП, т.е. достаточно ввести один каскад умножения.

Тогда функциональная схема ИП с мостовым выпрямителем и схемой автоматического зажигания от умножителя напряжения приобретет вид, представленный на рис. 12.



Рис. 12. Функциональная схема ИП с мостом и схемой автоматического зажигания от умножителя напряжения.

1) для конденсатора

Этим параметрам удовлетворяет конденсатор К75-15, имеющий параметры ([2] стр.320):

Номинальная емкость 0,25мкФ;

номинальное напряжение 16кВ;

масса не более 3000г;

размеры: А=40мм, L=85мм,В=120мм, Н=140мм, h=62мм.

Эскиз данной серии конденсатора был рассмотрен ранее.

2) для резистора .

Этим параметрам удовлетворяет резистор С3-9 , имеющий параметры ([1] стр.129):

Номинальное сопротивление: ;

пПредельное рабочее напряжение ;

Номинальная мощность ;

масса 210г;

Рис. 13. Резистор С3-9.

, где - период изменения сетевого напряжения.

3) для диода и

Этим параметрам удовлетворяет выбранный ранее диодный столб КЦ201Е.

2.8 Выбор информационного, коммутационного и защитного элементов

Выбор информационного элемента

Информационные элементы призваны обеспечить человека-оператора необходимой информацией о состоянии и функционировании ИП. К информационным элементам относят: стрелочные измерительные приборы, сигнальные лампы, светодиодные индикаторы и т.п. В данном курсовом проекте необходимо рассчитать информационный элемент - неоновую лампу.

Неоновые лампы являются приборами тлеющего разряда и предназначены для работы в качестве световых индикаторов электрических сигналов или напряжении.

Как и излучатели, неоновые лампы характеризуются тремя электрическими параметрами:

· напряжением горения ,

· максимальным рабочим током горения ,

· напряжением зажигания

Рис. 14. Схема включения неоновой лампы

Обычно неоновые лампы включаются параллельно первичной обмотке трансформатора (см. рис. 14) и информируют о включенном состоянии выключателя SA, исправности предохранителя FU и наличии сетевого напряжения.

Тип неоновой лампы выбирается из условия , чтобы не вводить специальных схем зажигания.()

Выбираем неоновую лампу ТН-0,5 имеющую параметры([5] стр. 108):

;

;

;

.

Рис. 15. Эскиз неоновой лампы ТН-0,5.

На параметры силового трансформатора Т подключение неоновой лампы влияния не оказывает, т.к. она черпает энергию непосредственно из электросети. электрический пульсация зажигание ток

Для монтажа неоновой лампы в ИП в зависимости от ее конструкции часто следует предусмотреть и подобрать серийно выпускаемый патрон под нее. Если серийный патрон под выбранную неоновую лампу подобрать не удается, то его конструкцию необходимо разработать. Данная лампа имеет цоколь 1Ш15 и следовательно, необходимо подобрать патрон, с помощью которого необходимо закрепить на корпусе ИП.

Выбираем патрон для неоновой лампы ПШМ1 ш20В₇, характеристики которого представлены ([5] стр. 514): масса 30г

Рис. 16. Эскиз патрона ПШМ1 ш20В₇.



При включении неоновой лампы в сеть последовательно с ней включается ограничивающий резистор . Его сопротивление и мощность рассеивания определяются из выражений:

(16)

(по Е24)

(17)

(по Е24)

(18)

Выбираем резистор МРХ ([1] стр. 154), его характеристики:

;

;

;

.

Размеры: D=10мм; L=32мм; l=20мм; d=0,8мм.



Рис. 17. Эскиз резистора МРХ.

2.9 Выбор выключателя

Эксплуатация ИП невозможна без элементов управления и защиты. При автоматической схеме зажигания можно ограничиться единственным элементом управления - выключателем SA. Для отключения источника электропитания от электросети оптимально использовать тумблер или движковый переключатель, которые обеспечивают высокую надежность, визуальную фиксацию включенного или выключенного состояния независимо от исправности других элементов ИП.

Основными электрическими параметрами коммутационных устройств, определяющими пригодность того или иного типа переключателя для выполнения заданной функции, являются: диапазон коммутируемых напряжений и диапазон коммутируемых токов. По ним и будем производить выбор коммутирующих элементов при разработке конструкции ИП.

Выключатель электросети должен быть рассчитан на коммутацию напряжения и тока первичной обмотки силового трансформатора . Кроме того, он должен конструктивно просто закрепляться на передней панели ИП.

Данным требованиям удовлетворяет тумблер Т1 [6], с характеристиками:

Максимальное напряжение ;

Максимальный рабочий ток ;

масса .

Рис. 18. Тумблер ТВ1-1.

2.10 Выбор предохранителя

В процессе эксплуатации ИП могут возникать аварийные ситуации, приводящие к резкому увеличению потребляемого от первичного источника тока. При электропитании от промышленной электросети переменного тока практически неограниченной мощности аварийные сверхтоки могут вызвать чрезмерный нагрев соединительных проводов, силового трансформатора, диодов выпрямителя и других элементов. Поэтому на входе ИП, как правило, включается пассивный элемент защиты от перегрузки по току - плавкий предохранитель.

Плавкий предохранитель выбирают по номинальному току срабатывания. Ток срабатывания должен превышать средний ток первичной обмотки силового трансформатора в 1,5...3 раза. При выборе номинального значения тока срабатывания плавкого предохранителя следует учитывать не только максимально допустимые для защищаемого ИП аварийные всплески тока, но и реально существующие пусковые токи, протекающие с момента включения ИП до его выхода на рабочий режим. Пусковые токи имеют амплитуду во много раз большую, чем установившееся значения тока.

Выбираем предохранитель Н520-6А/250В 5х20мм [6]

номинальное рабочее напряжение ;

D=5мм; L=20мм;

масса 2г.

Рис.19. Предохранитель Н520.

Предохранитель относится к числу часто заменяемых деталей в конструкции ИП поэтому для его монтажа в ИП используют держатель. Для данного предохранителя подойдет держатель HF-301 5х20мм [6], с характеристиками:

Максимальное рабочее напряжение ;

Максимальный рабочий ток ;

Масса .

Рис.20. Держатель HF-301.

2.11 Выбор заземления

Защитное заземление применяют для защиты от поражения электрическим током и обеспечения условий отключения при повреждении изоляции ИП. Защитным заземлением называется электрическое соединение металлических частей (корпуса) ИП с заземлителем. Заземление снижает до безопасного значения напряжение прикосновения человека, поскольку человек оказывается при повреждении изоляции включенным в электрическую цепь параллельно заземлителю, сопротивление которого по сравнению с сопротивлением человека значительно меньше. Это значительно снижает величину тока, протекающего через человека, коснувшегося поврежденной установки.

Заземление следует применять во всех случаях, когда в ИП присутствует напряжение переменного тока 380В и выше и постоянного тока 440В и выше. В конструкции проектируемого ИП должна быть предусмотрена клемма заземления, имеющая электрический контакт с корпусом и минусовым выводом выходного напряжения. В качестве клеммы заземления можно использовать гнездо ГН-4 ([7] стр. 283).

Рис.21. Гнездо ГН-4.



3. Расчет удельных характеристик

3.1 Определение КПД ИП

(19)

где - электрическая мощность, потребляемая излучателем,

- электрическая мощность, потребляемая из электросети,

где - ток, текущий через первичную обмотку трансформатора.

3.2 Определение удельной массовой мощности ИП

,

где - масса ИП, которая определяется по формуле

под следует понимать сумму масс остальных легких частей, таких как винты, провода, печатная плата и др.

Положим, что , тогда

3.3 Определение удельной объемной мощности ИП

В результате курсового проекта, мы получили ИП с габаритами 410х415х414мм

,

где - объем ИП

Заключение

В результате курсовой работы был спроектирован источник питания для CO₂ лазера обладающий следующими характеристиками:

· Габаритные размеры 410х450х414мм

· Масса 45,259 кг

· КПД 79,93%

· Удельная массовая мощность 13,303 Вт/кг

· Удельная объемная мощность

В спроектированном ИП расположение элементов источника питания на приборной панели должно соответствовать наилучшей планировке: элементы располагаются компактно, зазор между ними наименьший. Расположение конденсаторов источника питания вертикальным образом позволило уменьшить площадь поверхности, занимаемой прибором, но высота его сразу сильно увеличилась.

Конструкцию данного ИП можно модернизировать путем более компактного расположения деталей в корпусе, что уменьшит габаритные размеры. В данной схеме наибольший вклад в массу осуществляет трансформатор и конденсаторы, в связи с этим можно уменьшить массу ИП подбором конденсаторов других марок. Так же уменьшения массы ИП можно добиться путем подбора нескольких конденсаторов меньшей емкости и подключением их параллельно.



Список использованных источников

1. Резисторы: Справочник /В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Патрусевич и др.; Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. - 2-е издание, перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1991. - 528с.: ил.

2. Конденсаторы: Справочник /И.И. Четвертков, М.Н. Дьяконов, В.И. Присняков и др.: Под ред. И.И. Четверткова, М.Н. Дьяконова. - М.: Радио и связь, 1993 - 392с., ил.

3. Диоды и их зарубежные аналоги. Справочник/ А.К. Хрулев, Черепанов В.П. В 3 т. Т.1. - М.: ИП РадиоСофт, 1999. - 640с.,ил.

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

5. Гурлев Д.С. Справочник по ионным приборам. - Киев: Техника, 1970. - 180 с.

6. http://www.chipdip.ru/

7. Краткий справочник конструктора радиоэлектронной аппаратуры./ Под ред. Р.Г.Варламова. - М.: Сов. радио, 1972.-856с.

8. Справочник разработчика и конструктора РЭА Элементная база книга 1/Масленников М.Ю, Соболев Е.А. и др. - М.: Радио и связь, 1993.

9. - 156 с.

10. Справочник разработчика и конструктора РЭА Элементная база книга 2/Масленников М.Ю, Соболев Е.А. и др. - М.: Радио и связь, 1993.

11. - 300 с.

12. Расчет нестабилизированного источника питания газоразрядного лазера. Метод. указания. / Составитель В.Н. Гришанов. - Самара: СГАУ, 2003 - 72с.

Размещено на Allbest.ru

...