Расчет и анализ работы источника электропитания, состоящего из однофазного мостового выпрямителя, фильтра и стабилизатора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Основная цель курсовой работы - закрепить теоретические знания по разделам «Выпрямители», «Транзисторы», а также привить навыки элементарных расчетов конкретных электрических устройств.

Наиболее распространенным способом электропитания является преобразование входного напряжения сети в постоянное стабилизированное напряжение с заданными значениями показателей установившегося режима.

В общем случае преобразовательное устройство такого типа состоит из трансформатора, выпрямителя, сглаживающего фильтра и стабилизатора.

Трансформатор доводит напряжение до номинала. Выпрямитель преобразовывает переменный ток в постоянный ток. Фильтр улучшает качество выпрямленного напряжения за счет уменьшения пульсаций. Стабилизатор обеспечивает поддержание напряжения (тока) нагрузочного устройства с заданной степенью точности.

К основным требованиям, предъявляемым к источникам питания, относятся следующие: стабильность выходных параметров, экономичность и надежность работы, минимальные габариты и масса, длительный срок службы.

1. Выбор и расчет элементов, входящих в состав стабилизатора

Во время работы выпрямителя его напряжение может измениться из-за нестабильности питающей сети, изменения тока нагрузки и других причин. Вместе с тем целый ряд электронных устройств требуют для своего питания стабильного напряжения. Для получения такого напряжения и применяются стабилизаторы.

По принципу действия стабилизаторы могут быть разделены на два типа: параметрические и компенсационные.

В параметрических стабилизаторах используется эффект изменения параметров приборов - стабилитронов. В компенсационных - выпрямленное напряжение постоянно контролируется и при наличии отклонения регулируется специальным устройством. Эти стабилизаторы используют для регулирования напряжения отрицательную обратную связь.

Так как максимальный ток нагрузки превышает значения стабилитрона, то выбирается компенсационный стабилизатор.

Существует много разновидностей схем компенсационных стабилизаторов. Ниже рассматривается наиболее простой и часто встречающийся вариант. (рис. 1)



Рис. 1.

Регулятором напряжения служит транзистор VT1, который включен последовательно с нагрузкой. Проводимость этого транзистора по постоянному току меняется автоматически в сторону, противодействующую изменению напряжения на выходе стабилизатора. Проводимость транзистора изменяется в зависимости от напряжения на его базе, которое, в свою очередь, зависти от тока коллектора транзистора VT2, определяемого разностью напряжений на его базе относительно эмиттера. Транзистор VT2 выполняет функцию усилителя ошибки (отклонения) выходного напряжения от заданной величины.

Требуемое выходное напряжение устанавливают с помощью переменного резистора R4, входящего в делитель выходное напряжения, а порог срабатывания защиты - с помощью резистора R2.

1.1 Выбор транзисторов

Биполярный транзистор (БТ) - полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами и тремя выводами.

БТ представляет собой пластину полупроводника, в которой созданы три типа области с чередующимся типом проводимости. В зависимости от порядка расположения этих областей различают транзисторы n-p-n-типа и p-n-p-типа.

В основном используются БТ на кремнии (структура n-p-n), т.к. в этом полупроводнике основными носителями являются электроны, а их подвижность в несколько раз выше подвижности дырок.

В момент включения питания через регулирующий транзистор VT1 проходит значительный импульс тока на заряд конденсатора в питаемом устройстве, поэтому максимально допускаемый ток для этого транзистора I_к.имп

должен быть в 3-5 раз больше заданного значения максимального тока нагрузки , а максимально допустимое напряжениедолжно быть не менее максимального значения входного напряжения стабилизатора.

Транзистор усилителя цепи обратной связи VT2 в рассматриваемом стабилизаторе может быть практически любого типа с

,

где h_21э-коэффициент усиления транзистора VT1 по току, и выдерживать напряжение U_кэ, равное входному напряжению стабилизатора.

А

Выбираем транзистор VT1: КТ 801А (структура n-p-n)

Выбираем транзистор VT2: КТ 203А (структура p-n-p)

Таблица 1-Параметры транзисторов

Тип транзисто-ра	Предельный режим	Коэффициент передачи тока	,кГц, не менее	,В, не более
	,В	,А
КТ 801А	80	2	13-50	10	2,5 (5)
КТ 203 А	60	0,01	9	10	1,0 (0,02)

1.2 Выбор стабилитрона

Полупроводниковый стабилитрон - полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит для стабилизации напряжения.

Стабилитрон для схемы рис. 1 выбираем по требуемому напряжению стабилизации и при этом его ток должен быть не менее вычисленного по формуле (1). В устройстве, изображенном на схеме рис. 1, можно использовать стабилитрон с напряжением стабилизации , принимая n=0,6…0,9 (n=0,8).

В

Предварительно выбран стабилитрон КС 533А

Таблица 2-Параметры маломощных стабилитронов

Тип стабилитрона	В	,Ом	,мА	,мА
КС 533А	3315%	40(10)	17	3,0

>1,3. (1)

>1,3мА

17мА>11,4мА

Выбранный стабилитрон подходит.

1.3 Расчет стабилизатора

Целью расчета является определение номинального напряжения на выходе стабилизатора U_d и сопротивлений резисторов, входящих в схему стабилизатора.

Порядок расчета:

1) Номинальное входное напряжение определяют по формуле:

; (2)

В;

2) Сопротивления резисторов для устройства, изображенного в приложении А определяются по выражениям:

; (3)

Ом

; (4)

Ом

; (5)

Ом

. (6)

Ом

Выражение (3) означает, что через резистор R1 следует пропустить 5-10% тока нагрузки.

Коэффициент стабилизации:

(7)

где - коэффициент деления R4.

100,92>100

2. Выбор типа фильтра и расчет его элементов

Для питания большинства устройств выпрямленное напряжение с большим уровнем пульсаций не может быть использовано, поэтому пульсации стремятся уменьшить до заданного уровня. Устройства, с помощью которых достигается снижение пульсаций, называют сглаживающими фильтрами.

В качестве элементов сглаживающих фильтров применяют индуктивные

катушки (дроссели) и конденсаторы, реактивные сопротивления которых зависят от частоты.

При токах нагрузки приблизительно равных 1А и при наличии стабилизатора в выпрямителях, предназначенных для питания радиоэлектронной аппаратуры, применяются обычно фильтры RC-типа (фильтры состоящие из резистора и конденсатора) или просто один конденсатор (сопротивление в этом фильтре присутствует неявно в диодах и обмотках трансформатора). При значительных токах нагрузки целесообразно применять фильтры, содержащие дроссели.

На таких фильтрах происходит довольно большая потеря напряжения и мощности, однако фильтр получается меньше по габаритам и дешевле.

Эффективность работы сглаживающего фильтра оценивают коэффи-циентом сглаживания k, равным отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтров, т.е.

; (8)

При расчете RC-фильтра задаются потерями напряжения на резисторе R от 5 до 30 %, затем по известному току нагрузки и коэффициенту фильтрации определяют емкость конденсатора.

Сопротивление фильтра:

; (9)

где U_н - напряжение на выходе фильтра, В

Ом

Коэффициент передачи постоянного напряжения с входа на выход:

; (10)

, Ом.

Ом

Коэффициент фильтрации фильтра:

; (11)

Произведение:

; (12)

где R-сопротивление фильтра, кОм; С-емкость конденсатора, мкФ;; m-принимаем из таблицы 3.

Таблица 3-Формулы расчета выпрямителя с емкостной нагрузкой

Тип выпря-мителя

,А

Прибли-зительно

Уточ-ненно

Двухполупериодный мостовой

2

кОм мкФ

Емкость конденсатора фильтра, мкФ:

компенсационный стабилизатор транзистор фильтр

(13)

мкФ

3. Выбор диодов и расчет выпрямителя

3.1 Выбор диодов

Диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами.

По расчетным формулам таблицы 3 в соответствии с выбранным типом выпрямителя определяются основные параметры:

- среднее значение прямого тока диода, А;

- повторяющееся импульсное обратное напряжение , прилагаемое к диоду схемы, В;

- повторяющийся импульсный ток диода схемы(приблизительно), А.

После расчета выпрямителя значение уточняется по выражениям таблицы 3.

=; (14)

А

=; (15)

В

. (16)

A

Выбираем диод Д229Л.

Таблица 4-Основные параметры выпрямительных диодов

Тип диода	Максимально допустимые параметры	Среднее прямое напряжение ,В
	Средний прямой ток , А	Импульсное обратное напряжения , В
Д229Л	0,5	400	1

3.2 Электрический расчет выпрямителя

Определяется активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке, Ом:

; (17)

где -коэффициент, зависящий от типа выпрямителя, определяется из табл.3;

-напряжение на выходе фильтра, В; -магнитная индукция в магнитопроводе трансформатора, Тл; для трансформаторов, мощность которых не превышает 1000 Вт, при частоте сети =50 Гц индукция =1,0…1,4 Тл; -число стержней магнитопровода, несущих обмотки. Принимаем =1 для магнитопроводов типа ШЛ и ОЛ.

Ом

Определяется дифференциальное (внутреннее) сопротивление диодов (одного плеча схемы):

; (18)

где - число последовательно соединенных диодов.

Ом

Определяется активное сопротивление фазы выпрямителя по выражениям таблицы 3 в соответствии выбранным типом выпрямителя и известными значениями и .

(19)

Ом

Определяется индуктивность рассеяния обмоток трансформатора, приведенная ко вторичной обмотке трансформатора, Гн:

; (20)

причем коэффициент 0,5 соответствует . Если , то коэффициент в формуле (20) равен 1.

Гн

Определяется соотношение между активным и реактивными сопротивлениями фазы выпрямителя:

; (21)

По полученному значению находится соответствующий угол .

Определяется вспомогательный коэффициент А :

; (22)

Определяются расчетные коэффициенты В,D,F и H по найденному значению коэффициента А по графикам указанным на рисунках 4.1-4.4 [1]

В=1,32; D=1,9; F=4,6; H=40000.

Определяется уточненное значение , А (см. табл.3):

; (23)

А

Выбрали диод: Д232Б

Таблица 5-Основные параметры выпрямительных диодов

Тип диода	Максимально допустимые параметры	Среднее прямое напряжение ,В
	Средний прямой ток , А	Импульсное обратное напряжения , В
Д232Б	2	400	1

Определяются электрические параметры трансформатора (габаритная мощность ,напряжение и токи в обмотках и (см. табл. 3).

(24)

В

; (25)

A

(26)

. (27)

Вт

Вт

4. Расчет трансформатора выпрямителя

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, которое доводит напряжение до номинала.

При расчете трансформатора используются следующие исходные данные: 1) Отношение массы стали к массе меди обмотки:

Принимаем

2) Плотность тока в первичной и вторичной обмотках (для медного провода), А/мм,

;

Принимаем .

3) Магнитная индукция в сердечнике при частоте сети 50 Гц для электротехнической стали, Тл,

;

Принимаем Тл

Расчет трансформатора производится в следующем порядке:

1. Поперечное сечение проводов обмоток, мм:

первичной

, (28)

мм

вторичной

, (29)

мм²

где - плотность тока, принятая в начале расчета, А/мм.

По найденному сечению рассчитывается диаметр и выбирается марка обмоточного провода.

2. Рассчитывается поперечное сечение стержня сердечника, см:

(30)

где С- коэффициент при броневом сердечнике, равный 0,6…0,8.

3. Магнитный поток в стержне сердечника, Вб:

; (31)

.

4. Определяется число витков обмоток:

Первичной

, (32)

вторичной

. (33)

5. Электрическая схема стабилизированного источника питания

Данная схема состоит из однофазного мостового двухполупериодного выпрямителя, который включает в себя трансформатор малой мощности, группу диодов и сглаживающий фильтр RC - типа, и компенсационного стабилизатора.

Заключение

В данной курсовой работе был произведен расчет и анализ работы источника электропитания, состоящего из однофазного мостового выпрямителя, фильтра и стабилизатора. В качестве стабилизатора был выбран компенсационный стабилизатор, подобран тип стабилитрона - КС 533А и типы транзисторов - КТ 801А и КТ 203А. Также в данной работе был выбран и рассчитан сглаживающий фильтр, состоящий из резистора и конденсатора (RC-фильтр). В ходе работы был произведен расчет выпрямителя на нагрузку емкостного характера и выбран диод Д232Б. Следующим шагом был расчет трансформатора малой мощности. Завершительным этапом курсовой работы было изображение полной электрической схемы стабилизированного источника питания с обозначение всех токов и напряжений и построение графиков всех токов и напряжений, действующих в источнике, в функции времени.

Список литературы

1. Электротехника и электроника: Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов очной и заочной форм обучения специальности 072000 « Стандартизация и сертификация( ж.д. транспорт)» / Сост. Е.В. Бурянина - Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2003.-28 с.

2. Основы промышленной электроники: Учебник для неэлектротехнических специальностей вузов / В.Г. Герасимов, О.М.Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков; Под ред. В.Г. Герасимова.-3-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк.,1986.-336 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...