Расчет однофазного стабилизированного источника питания

Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Карагандинский Государственный технический университет

Кафедра: Приборостроения

КУРСОВОЙ ПРООЕКТ

По дисциплине: Основы электроники

Расчет однофазного стабилизированного источника питания



Содержание

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

3.1 Расчет выпрямителя первого канала

3.2 Расчет выпрямителя второго канала

3.2 Расчет выпрямителя третьего канала

4. Расчет параметров трансформатора

5. Расчет коэффициента полезного действия

6. Составление принципиальной электрической схемы источника питания

Заключение

Список использованных источников



Введение

Источники питания строятся по различным схемам, от которых в первую очередь, требуется обеспечение стабильного выходного напряжения с низким уровнем пульсаций. Кроме этого, они должны быть надежными и обеспечивать приемлемый коэффициент полезного действия.

В настоящее время схемотехника источников питания постоянно усложняется. Разработаны импульсные источники с выпрямителем на входе и преобразовательным трансформатором, работающим на ультразвуковой частоте. Однако классические схемы источников питания с трансформатором на частоту 50 Гц все еще успешно применяются для нужд приборостроения.

Цель курсового проекта - обобщение и углубление теоретических знаний в области расчета и анализа работы электронных схем, развитие самостоятельных навыков по выбору компонентов, расчету характеристик и энергетических показателей источников питания.

Объектом исследования в курсовом проекте является однофазный стабилизированный источник питания, подключаемый к сети переменного тока 220В, содержащий трансформатор, выпрямитель на полупроводниковых диодах, сглаживающий емкостный фильтр, и стабилизатор выходного напряжения.

однофазный стабилизатор микросхема трансформатор



1. Работа источника питания

Исходными данными для расчета являются: напряжение на выходе стабилизатора U_d1, ток нагрузки I_d1, коэффициент пульсаций напряжения К_п1.

Исходные данные:

Вариант 83

U_d1=12 B; I_d1=1 A; K_п1=0,5%;

U_d2=120 B; I_d2=0.2 A; K_п2=0,9%;

U_d3=24B; I_d3=3 A; K_п3=10%.

Схема третьего выпрямителя: двухполупериодная сообщим проводом.

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 рисунке 1.

Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства источников питания, являются:

- величина выходного напряжения U_d и тока I_d;

- коэффициент пульсаций К_п - отношение амплитуды пульсаций выходного напряжения к среднему значению напряжения (постоянной составляющей);

- внешняя характеристика - зависимость напряжения в нагрузке от тока нагрузки U_d = f(I_d);

- коэффициент полезного действия .



Рисунок 1 - Структурная схема источника питания



2. Расчет стабилизаторов напряжения и выбор элементов схемы

2.1 Расчет стабилизатора первого канала, выбор микросхемы

Исходными данными для расчета являются: напряжение на выходе стабилизатора U_d1, ток нагрузки I_d1, коэффициент пульсаций напряжения К_п1.

Рисунок 2 - Расчетная схема стабилизатора на микросхеме

По заданным значениям выбираем микросхему стабилизатора КР142ЕН3А с параметрами:

U_вых = 12B - выходное напряжение;

I_выхmax =1,5 A - максимальный выходной ток;

К_п1 = 0,5 - коэффициент пульсаций напряжений;

K_сгл = 32 - коэффициент сглаживания. *

P_max1 = 8 Вт - максимальная мощность рассеивания.

Входное среднее напряжение:

(2.1.1)

При проверке получаем:

(2.1.2)



что противоречит условию. Поэтому находим входное среднее напряжение из формулы (2.1.2):

(2.1.3)

Находим коэффициент подавления пульсаций:

(2.1.4)

Коэффициент пульсаций:

(2.1.4)

(2.1.5)

Максимальное допустимое значение входного напряжения:

(2.1.6)



Минимальное допустимое значение входного напряжения:

(2.1.8)

Выходной ток:

I_выхmax1 ? I_d1 (2.1.9)

1,5А ? 1А

Максимальная средняя мощность:

(2.1.10)

Полученные значения U_вх1, I_вх1 и К'_п1 будут использованы далее для расчета выпрямителя первого канала.

2.2 Расчет стабилизатора второго канала, выбор стабилитрона и транзистора

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



Рисунок 3 - Расчетная схема стабилизатора с усилителем тока на транзисторе для положительной полярности U_d2.

Максимальный коллекторный ток:

I_к.мах=(1,5...3)I_d2, (2.2.1)

I_к.мах = 3*0,2А = 0.6 А,

Максимальное напряжение коллектор-эмиттер:

U_кэ.мах=(1,2...2)U_d2 (2.2.2)

U_кэ.мах = 2*120В 240В

Выбираем транзистор KT8254Б1 , с параметрами:

I_кmax = 2A - максимальный ток коллектора;

U_{кэ max} = 600 B - максимальное напряжение коллектор-эмиттер;

h_21Э() = 30 - коэффициент передачи тока базы;

U_{кэ нас} = 0.6 B - напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения.

P_{к max} =20 Вт - максимальная мощность рассеивания коллектора.

Входное напряжение стабилизатора:

(2.2.3)



Для выбора стабилитрона найдем напряжение стабилизации:

U_ст ? U_d2 (2.2.4)

U_ст = 120В

откуда выбираем стабилитрон д816Г^[2], с параметрами:

U_ст = 120B - напряжение стабилизации;

I_{ст max} = 42мA - максимальный ток стабилизации;

I_{ст min} = 5мA - минимальный ток стабилизации;

r_диф = 150Ом - величина дифференциального сопротивления.

Сопротивление в цепи базы транзистора:

(2.2.5)

Входной ток стабилизатора:

(2.2.6)

(2.2.7)



Коэффициент пульсаций на входе стабилизатора с учетом коэффициента сглаживания:

(2.2.8)

Если мы возьмем значения:

Uвх max =133В

Uвх min =128В

Uвх ср =130.5В

(2.2.9)

Проверка:

Максимальная средняя мощность:

(2.2.10)

Максимальный допустимый ток коллектора:

I_{к max} ? (1,5…3)I_d2 (2.2.11)

2А ? 0,3А

2А ? 0.6А

Минимальный допустимый ток стабилизации

(2.2.12):

Максимальный допустимый ток стабилизации:

(2.2.13)

Полученные значения U_вх2, I_вх2 и К'_п2 будут использованы далее для расчета выпрямителя второго канала.



3. Расчет выпрямителей с емкостным фильтром

Для удобства выбираем мостовые схемы выпрямителя для расчеты первого и второго каналов. Третья схема - двуполупериодная со средней точкой (по варианту).

Для расчета показателей следует найти коэффициенты , , , через значения A₀ и ц по графикам:

Рисунок 4 - график коэффициента B₀

Рисунок 5 - график коэффициента D₀



Рисунок 6 - график коэффициента F₀

Рисунок 7 - график коэффициента H₀₂

3.1 Расчет выпрямителя первого канала

(3.1.1)

Дифференциальное (внутреннее) сопротивление:



(3.1.2)

Принимаем падение напряжения в прямом направлении через диод 1 В.

Сопротивление обмоток трансформатора:

(3.1.3)

где В_т = 1.5 Тл - магнитная индукция в сердечнике трансформатора;

S_Т ? число стержней сердечника трансформатора;

r_В ? активное сопротивление фазы выпрямителя.

Индуктивность рассеяния обмоток трансформатора, приведенное к его вторичной обмотке:

(3.1.4)

Активное сопротивление фазы выпрямителя:

(3.1.5)



Найдем вспомогательные расчетные коэффициенты , , , Н₀.

Тангенс угла ц, характеризующий соотношение между индуктивным и активным сопротивлениям фазы выпрямителя:

(3.1.6)

Основной расчетный коэффициент:

(3.1.7)

где m = 2 -число фаз выпрямления

Отсюда В₀ = 1.02

D₀ = 2.06

F₀ = 5.4

Н₀₂ = 12000

Импульсное обратное напряжение диода:

(3.1.8)

Импульсный прямой ток диода:



(3.1.9)

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода:

U₂₁ = B₀U_вх1 (3.1.10)

U_2x = 1,02*20В = 20,4В

Эффективное значение тока через вторичную обмотку трансформатора:

(3.1.11)

I_2эф =

Эффективное значение тока через диоды:

(3.1.12)

I_2эф =

По полученным данным выбираем четыре диода КД203А^[3], с параметрами

I_{пр ср.} = 10A - допустимый средний ток;

I_{пр и.} = 100A - допустимый импульсный ток;

U_{обр и} = 600B - обратное напряжение.

Проверка на расчет выпрямителя первого канала:

Допустимое обратное напряжение диодов:

(3.1.13)

где = 1 - коэффициент для мостовой схемы.

Допустимый средний ток диодов:

(3.1.14)

где = - коэффициент для мостовой схемы.

Допустимый импульсный ток:

(3.1.15)

(3.1.16)

где = 2 - коэффициент для мостовой схемы;

= 0,65В - падение напряжения на диодах.

(3.1.17)

Емкость конденсатора фильтра:

(3.1.18)

Проверка на расчет конденсатора: делаем коррекцию емкости конденсатора:

Рисунок 8 - Принципиальная схема для проверки коэффициента пульсаций

Угол отсечки:

(3.1.20)



Рисунок 9 - Принципиальная схема для проверки угла отсечки

Напряжение, рассчитанное на конденсатор:

(3.1.21)

Отсюда выбираем электролитический конденсатор К50-35 ^[4] с параметрами:

U_ном = 35 В; С_ном = 3300мкФ;

Допустимая амплитуда напряжения переменной составляющей - 20%.

3.2 Расчет выпрямителя второго канала

Средний выпрямленный ток:

(3.2.1)



Дифференциальное (внутреннее) сопротивление:

(3.2.2)

Принимаем падение напряжения в прямом направлении через диод 1 В.

Сопротивление обмоток трансформатора:

(3.2.3)

где В_т = 1,5 Тл ? магнитная индукция в сердечнике трансформатора;

S_Т ? число стержней сердечника трансформатора;

r_В ? активное сопротивление фазы выпрямителя.

Индуктивность рассеяния обмоток трансформатора, приведенное к его вторичной обмотке:

(3.2.4)

Активное сопротивление фазы выпрямителя:



(3.2.5)

Найдем вспомогательные расчетные коэффициенты , , , Н₀.

Тангенс угла ц, характеризующий соотношение между индуктивным и активным сопротивлениям фазы выпрямителя:

; (3.2.6)

Основной расчетный коэффициент:

(3.2.7)

где m = 2 -число фаз выпрямления

Отсюда В₀ = 0.85

D₀ = 2.45

F₀ = 7.4

Н₀₂ = 11000

Импульсное обратное напряжение диода:

(3.2.8)



Импульсный прямой ток диода:

(3.2.9)

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода:

U₂₂ = B₀U _вх2 (3.2.10)

U₂₂ = 0,85*130 = 110,5В

Эффективное значение тока через вторичную обмотку трансформатора:

(3.2.11)

I_2эф =

Эффективное значение тока через диоды:

(3.2.12)

I_2эф =

По полученным данным выбираем четыре диода КД105А^[3] с параметрами

I_{пр ср.} = 0,3A - допустимый средний ток;

I_{пр и.} = 15A - допустимый импульсный ток;

U_{обр и} = 400B - обратное напряжение.

Проверка на расчет выпрямителя второго канала:

Допустимое обратное напряжение диодов:

(3.2.13)

где = 1 - коэффициент для мостовой схемы.

Допустимый средний ток диодов:

(3.2.14)

где = 0,5 - коэффициент для мостовой схемы.

Допустимый импульсный ток:

(3.2.15)

(3.2.16)

где = 2 - коэффициент для мостовой схемы;

= 0,65В - падение напряжения на диодах.

(3.2.17)



Емкость конденсатора фильтра:

(3.2.18)

Проверка на расчет конденсатора:

Делаем коррекцию емкости конденсатора:

Рисунок 10 - Принципиальная схема для проверки коэффициента пульсаций

Угол отсечки:



Рисунок 11 - Принципиальная схема для проверки угла отсечки

(3.2.23)

Напряжение, рассчитанное на конденсатор:

(3.1.22)

Отсюда выбираем электролитический конденсатор К50-35 с параметрами:

U_ном = 100 В;

С_ном = 330 мкФ;

Допустимая амплитуда напряжения переменной составляющей - 20%.



3.3 Расчет выпрямителя третьего канала

Средний выпрямленный ток:

(3.3.1)

Дифференциальное (внутреннее) сопротивление:

(3.3.2)

Принимаем падение напряжения в прямом направлении через диод 1 В.

Сопротивление обмоток трансформатора:

(3.3.3)

где В_т = 1,5 Тл ? магнитная индукция в сердечнике трансформатора;

S_Т ? число стержней сердечника трансформатора;

r_В ? активное сопротивление фазы выпрямителя.

Индуктивность рассеяния обмоток трансформатора, приведенное к его вторичной обмотке:



(3.3.4)

Активное сопротивление фазы выпрямителя:

(3.3.5)

Найдем вспомогательные расчетные коэффициенты , , , Н₀.

Тангенс угла ц, характеризующий соотношение между индуктивным и активным сопротивлениям фазы выпрямителя:

; (3.3.6)

Основной расчетный коэффициент:

(3.3.7)

где m = 2 -число фаз выпрямления

Отсюда В₀ = 0,93

D₀ = 2.29

F₀ = 6.2

Н₀₂ = 15000

Импульсное обратное напряжение диода:

(3.3.8)

Импульсный прямой ток диода:

(3.3.9)

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора в режиме холостого хода:

U₂₃ = B₀U _вх3 (3.3.10)

U₂₃ = В = 22,32В

Эффективное значение тока через вторичную обмотку трансформатора:

(3.3.11)

I_2эф = 2,29*3А/2=3,435А

Эффективное значение тока через диоды:

(3.3.12)



I_2эф =

По полученным данным выбираем два диода КД203А, с параметрами:

I_{пр ср.} = 10A - допустимый средний ток;

I_{пр и.} = 100A - допустимый импульсный ток;

U_{обр и} = 600B - обратное напряжение.

Проверка на расчет выпрямителя третьего канала:

Допустимое обратное напряжение диодов:

(3.3.13)

где = 2 - коэффициент для двуполупериодной схемы со средней точкой.

Допустимый средний ток диодов:

(3.2.14)

где = 0,5 - коэффициент для двуполупериодной схемы со средней точкой.

Допустимый импульсный ток:

(3.2.15)

(3.2.16)

где = 1 - коэффициент для двуполупериодной схемы со средней точкой.

= 0,65В - падение напряжения на диодах.

(3.2.17)

Емкость конденсатора фильтра:

(3.3.18)

Проверка на расчет конденсатора:

Рисунок 12 - Принципиальная схема для проверки коэффициента пульсаций



Угол отсечки

Рисунок 13 - Принципиальная схема для проверки угла отсечки

Напряжение, рассчитанное на конденсатор:

(3.1.19)

Отсюда выбираем электролитический конденсатор К50-35 с параметрами:

U_ном = 35 В;

С_ном = 6800мкФ;

Допустимая амплитуда напряжения переменной составляющей ±20%.



4. Расчет параметров трансформатора

В разделе 3 были вычислены напряжения на вторичной обмотке трансформатора U₂, к которому подключен выпрямитель, и ток I₂ этой обмотки.

U₂₁ = 20.4В; U₂₂ = 110.5В; U₂₃ = 22.32В;

I₂₁ = 1,46А; I₂₂ = 0,37А; I₂₃ = 3.435А.

Номинальная мощность вторичной обмотки принимается равной:

(4.1.1)

Типовая мощность трансформатора:

(4.1.2)

где =0,85 - КПД трансформатора, который определяется по номограмме на рисунке 9.

П полученным данным выбираем Ш-образный магнитопровод УШ35 Ч 52^5]. Его параметры:

А = 123 мм,

Н = 106 мм,

С = 22 мм,

h = 61,5 мм,

S_ст = 17 см²,

S_т, = 220 ВА - типовая мощность трансформатора,

Е⁽¹⁾ = 0,43В - число вольт на один виток обмотки трансформатора,

U = 0,05 - относительное падение напряжения на обмотках,

J_cp = 1,7 А/мм² - плотность тока в обмотке,

G = 3,8 кг.

Рисунок 14 - Зависимость КПД от мощности вторичных обмоток трансформатора.

(4.1.3)

(4.1.4)

(4.1.5)



Число витков первичной обмотки:

(4.1.6)

где U_сети = 220В - напряжение сети.

Максимальное расчетное значение тока первичной обмотки:

(4.1.7)

(4.1.8)

(4.1.9)

(4.1.10)



(4.1.11)



5. Расчет коэффициента полезного действия

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

=Р_н/Р_вх (5.1)

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

Потери в трансформаторе определяются по формуле:

Р_тр=S_т(1-_тр) (5.2)

Р_тр=174(1-0,85)=26.1 Вт

Потери в вентилях:

Р_в1 = I_{эф. д1}*U_{пр. ср}*N (5.3)

где U_пр.ср = 1В - прямое падение напряжения на вентиле;

N = 2 - число последовательно включенных вентилей выпрямителя.

Р_в1=1,115А1В2=2.23 Вт

Р_в2 = I_{эф. д2}*U_{пр. ср}*N (5.4)

где N = 2 - число последовательно включенных вентилей выпрямителя.

Р_в2=0,738А1В2=1,476 Вт



Р_в3 = I_{эф. д3}*U_{пр. ср}*N (5.5)

Р_в3=0,232А 1В2=0.464 Вт

Общие потери в вентилях:

Р_в = Р_в1 + Р_в2 + Р_в3 (5.6)

Р_в =2.23Вт+1,476Вт+0.464Вт=4,17Вт

Потери в стабилизаторах:

Р_ст1 = (U_вх1 - U_d1)I_вх1 (5.7)

Р_ст1 = (15,15В - 9В)1,5А = 9,225Вт

Р_ст2 = (U_вх2 - U_d2)I_вх2 (5.8)

Р_ст2 = (51,62В -48В)0,401А = 1,45Вт

Общие потери в стабилизаторах:

Р_ст = Р_ст1 + Р_ст2 (5.9)

Р_ст1=(20В - 12В)* 1А=8Вт

Таким образом, КПД источника питания:

(5.10)



6. Составление принципиальной электрической схемы источника питания

По результатам расчетов и выбора типа элементов составляем принципиальную электрическую схему источника питания. В ней предусматриваются дополнительные элементы, с помощью которых производится отключение сетевого напряжения (S1), защита от перегрузки и короткого замыкания по входу (FU1), индикация включения на светодиоде HL1 с ограничительным резистором R2.

Рисунок 15 - Схема трансформатора

Конденсаторы С1, С2, С4 являются фильтрами сглаживающие пульсации напряжения, С3 и С5 - блокировочные, предназначены для защиты стабилизаторов от паразитной генерации на высокой частоте. DА1 и цепь VT1, VD11,VD12 обеспечивают стабилизацию выходного напряжения. Резистор R4 создает малый начальный ток нагрузки высоковольтного стабилизатора для исключения работы транзистора VT1 с обрывом в цепи эмиттера при случайном отключении нагрузки. Диодные мосты VD1-VD4 и VD5-VD8, диоды VD9, VD10 преобразовывают переменное напряжение в пульсирующее. Трансформатор Т1 - устройство для повышения или понижения напряжения питающей сети.



Заключение

В ходе выполнения курсовой работы были закреплены знания о свойствах и параметрах полупроводниковых приборов - диодов, транзисторов, стабилитронов, интегральных микросхем.

Проведя расчёты составных частей источника питания, были выбраны следующие детали:

- микросхема КР142ЕН3A

- транзистор KT8254Б1

- стабилитрон Д816Г

- шесть диодов КД203А

- четыре диода КД105А

- конденсатор К50-35 330мкФ Ч 100В

- конденсатор К50-35 6800мкФ Ч 35В

- конденсатор К50-35 3300мкФ Ч 35В

Из выбранных деталей составляется принципиальная электрическая схема источника питания и определяется коэффициент полезного действия источника питания, который равен 0,6. Также в схеме для индикации включения используются диод светоизлучающий АЛ307КМ с ограничительным резистором С2-33-0,5-1кОм. Отключение сетевого напряжения производится силовым тумблером ТР 1-2 15А 22ОВ. Для защиты от перегрузки и короткого замыкания предусмотрен предохранитель KP 501.



Список использованных источников

1. Новаченко И.В. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры: Справочник. - М.: КУбКа, 1996. 384 с.

2. Справочник по отечественным электронным компонентам

3. Справочник по диодам

4. Характеристики конденсаторов

5. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине «электроника»

Размещено на Allbest.ru

...