Исследование и расчёт электрических схем вторичного источника питания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизатор, ток нагрузки, напряжение, мощность, магнитопровод, первичная обмотка, вторичная обмотка, емкость, КПД, индуктивность, частота.

Цель работы: изучение и расчет источника однофазного вторичного питания.

Объект исследования является источник однофазного вторичного питания. Блок-схема однофазного источника вторичного питания приведена на рисунке 1

Рисунок 1- Блок-схема однофазного источника вторичного питания

В курсовой работе произведен анализ и расчет четырёх основных устройств однофазного источника вторичного питания - трансформатора, выпрямителя, сглаживающего фильтра и стабилизатора.



Содержание

Введение

1. Анализ технического задания

2. Разработка принципиальной схемы

3. Расчёт данных

3.1 Расчёт стабилизатора

3.2 Расчёт сглаживающего фильтра

3.3 Расчёт выпрямителя

3.3.1 Состав и основные параметры выпрямителей

3.3.2 Схемы выпрямителей

3.3.3 Основные параметры вентилей в схемах выпрямителей

3.4 Расчёт трансформатора

Заключение

Список использованных источников



Введение

Источники вторичного питания предназначены для построения электрических схем, преобразующих энергию переменного тока в энергию постоянного тока с помощью выпрямителей. Источник вторичного электропитания (ИВЭ) представляет собой устройство, обеспечивающее электропитанием самостоятельные приборы или отдельные узлы электронной аппаратуры. Блок-схему источника вторичного питания можно представить в виде отдельных функциональных узлов. Основными функциями которого являются выпрямление переменного напряжения, инвертирование, преобразование, стабилизация и регулирование.

К современным электронным полупроводниковым устройствам предъявляются жесткие требования к качеству потребляемой электрической энергии, а именно: высокая стабильность питающего напряжения, требуемая форма питающего напряжения, высокая стабильность частоты питающего напряжения. однофазный стабилизатор выпрямитель

Источники вторичного питания подразделяются по типу первичного источника питания, по роду тока на выходе, по выходному напряжению, по потребляемой мощности. Источники вторичного питания бывают однофазные и трехфазные.

В курсовой работе проведен анализ и расчет четырёх основных устройств однофазного источника вторичного питания - трансформатора, выпрямителя, и сглаживающего фильтра и стабилизатора.



1. Анализ технического задания

В данной курсовой работе необходимо рассчитать и спроектировать вторичный источник питания по следующим исходным данным:

Вар	Uвх, В	ДU, %	Гц	Uвых, В	Схема Выпрямителя	Схема фильтра	К пульс	К стаб	Iн	ДIн, %
3	115	10	400	3,3	ОПП	RC	200	30	30	15

Рассмотрим структурную схему устройства ИВЭ.

Рисунок 1. Структурная схема ИВЭ.

1.1 Общий принцип работы ИВЭ

На входе трансформатор изменяет переменное напряжение U_с до требуемого значения U₂, то есть согласует входное напряжение с нагрузкой и осуществляет электрическую развязку источника выпрямительного напряжения и нагрузочного устройства.

После трансформатора стоит вентильная диодная группа (1 или несколько вентилей), где U₂ преобразуется в пульсирующее напряжение U_п. Количество вентилей зависит от схемы выпрямителя.

В выпрямительном напряжении U_п помимо постоянной составляющей присутствует переменная, которая с помощью сглаживающего фильтра снижается до требуемого уровня U_ф и имеет очень маленькие пульсации.

Стабилизатор поддерживает неизменным U_н в нагрузочном устройстве R_н.

1.2 Выпрямительные устройства

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.

1.3 Сглаживающие фильтры

Сглаживающие фильтры включают между выпрямителем и нагрузкой для уменьшения пульсаций (переменной составляющей) выпрямленного напряжения. Наиболее часто используются фильтры, состоящие из дросселя и конденсатора или из резистора и конденсатора.

1.4 Стабилизаторы

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.



2. Разработка принципиальной схемы

На Рисунке 2 приведена принципиальная схема ИВЭ, на которой отмечены составные части: транзистор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор.

Рисунок 2. Принципиальная схема устройства ИВЭ.

На входе вторичного источника питания ставим транзистор, затем схему однополупериодного выпрямителя напряжения, после выпрямителя поставим сглаживающий RC фильтр, потом необходимо рассчитать и установить одну из схем параметрического стабилизатора напряжения.



3. Расчёт данных.

3.1 Расчёт стабилизатора

1. Расчет следует производить «от нагрузки». Для чего по исходным данным определим R_Н :

2. Теперь необходимо определить I_{ст max} и I_{ст min} - значения токов стабилизации максимум и минимум соответственно, для этого воспользуемся данными:

Тогда:

I_{ст max} = I_н + ДI_н = 30+3=33 мА

I_{ст min} = I_н - ДI_н = 30-3=27 мА

3. После проведенных расчетов необходимо выбрать тип стабилитрона.

Стабилитрон выбираем по следующим показателям:

U_ст 3.3 В; I_ст 30 мА, I_{ст max} 33 мА

Нам подходит стабилитрон типа КС433A, со следующими данными:

U_ст = 3.3 В, I_ст = 30 мА, I_{ст max} = 191 мА

4. Теперь надо рассчитать величину балластного сопротивления R_б:

5. В ходе расчета стабилизатора, мы получили следующие данные:

Стабилитрон типа КС158А.



3.2 Расчёт сглаживающего фильтра

Сглаживающий фильтр - электрическая цепь, позволяющая уменьшить пульсации напряжения, получаемые на выходе выпрямителя.

Основным параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания пульсаций по k-ой гармонике, который определяется отношением коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра:

где обусловлен требованиями питаемой РЭА, а определяют после выбора схемы ЭВП и расчета его параметров.

Наибольшее распространение в схемах ЭВП получили Г-образные и П-образные LC- и RC-фильтры, показанные на рисунке 3.1(а, б, в, г).

Рисунок 3.1 - Схемы пассивных электрических фильтров



Для Г-образного LC-фильтра

Для RC-фильтра

где

Выбор той или иной схемы фильтра определяет характер нагрузки ЭВП и в значительной степени влияет на его массогабаритные и иные показатели. Однофазные схемы ЭВП применяются, как правило, при емкостном характере нагрузки. Двухфазные схемы используются с обоими типами нагрузки. Емкостной характер нагрузки предпочтительней для ЭВП малой мощности, а индуктивный - для ЭВП средней и большой мощности. Следует также иметь в виду, что при емкостном характере нагрузки увеличивается вероятность перегрузки вентилей по току, больше габаритная мощность трансформатора и выходное сопротивление ЭВП, но выпрямленное напряжение несколько больше, а его пульсации меньше.

Дано сопротивление нагрузки Ом и Rб = 73.3 Ом

1) Находим сопротивление , получим:

Где n - КПД, принято его брать от (0.6…..0.9)

2) Определим индуктивность :



Так как мы имеем 2 катушки индуктивности, то делим общее число пополам и получаем следующие значения:

C0 = С1 = 500 мкФ

3.3 Расчёт выпрямителя.

3.3.1 Состав и основные параметры выпрямителей

Электрический выпрямитель (ЭВП) предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. Работа ЭВП характеризуется выходными параметрами и параметрами, определяющими режим работы вентилей и трансформатора. К выходным параметрам ЗВП относятся: номинальные средние значения выпрямленных напряжения и тока ( и ); коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (); , где - амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения; частота основной гармоники выпрямленного напряжения (); выходное сопротивление ЭВП ().

Вентили характеризуются средним (), действующим () и амплитудным () значениями прямого тока; амплитудой обратного напряжения на вентиле (). Выбор вентилей осуществляется по этим параметрам, величины которых не должны превышать предельных значений, указанных в технических условиях на выбранный тип вентиля.

Для трансформатора определяются: действующее значение ЭДС и тока вторичной обмотки ( и ); действующие значения тока первичной обмотки (); габаритная мощность трансформатора , где - действующее значение напряжение на первичной обмотке.

Величины параметров вентилей и трансформатора зависят от схемы ЭВП и характера нагрузки. Для ЭВП источников вторичного электропитания (ИВЭ) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) наиболее типична работа на нагрузку с емкостным или индуктивным характером.

3.3.2 Схемы выпрямителей

Схемы выпрямителей принято классифицировать по числу выпрямленных фаз m, при определении которого исходят из доли среднего выпрямленного тока, приходящейся на один вентиль (параллельное включение вентилей не учитывается). Наибольшее распространение в ИВЭ РЭА при мощностях нагрузки менее 1 кВт получили однофазные и двухфазные схемы ЭВП, представленные на рисунке 3.2.



Рисунок 3.2 - Схемы выпрямителей.

Основная однофазная схема (рисунок 3.2. а) применяется, как правило, при работе на емкостную нагрузку при мощностях до 2…10 Вт. Достоинства схемы: простота, невысокая стоимость. Недостатки: низкая частота пульсаций, высокое обратное напряжение, плохое использование трансформатора, подмагничивание магнитопровода трансформатора постоянным током.

Схема удвоения напряжения (рисунок 3.2. б) применяется в высоковольтных ЭВП. Ее преимущества: повышенная частота пульсаций, низкое обратное напряжение, хорошее использование трансформатора. Недостатки: повышенное выходное сопротивление, возможность появление пульсаций с частотой сети, невозможность установки однотипных вентилей на одном радиаторе без изолирующих прокладок.

Основная двухфазная схема (рисунок 3.2. в) применяется при емкостном и индуктивном характере нагрузки. Основные преимущества состоят в повышенной частоте пульсаций, минимальное число вентилей и возможности их установки на общий радиатор. Недостатки: сложный трансформатор, его худшее использование по сравнению с мостовой схемой и схемой удвоения, высокое обратное напряжение.

Мостовая схема (рисунок 3.2. г) из всех рассмотренных обладает наилучшими технико-экономическими показателями. Применяется при емкостном и индуктивном характере нагрузки. Достоинства схемы: повышенная частота пульсаций, низкое обратное напряжение, хорошее использование трансформатора. Недостатки: большое число вентилей, повышенное падение напряжения на них, невозможность установки вентилей на одном радиаторе без изоляции. Из-за повышенного падения напряжения на вентилях применее 10 В и больших токах нагрузки может оказаться целесообразным применение основной двухфазной схемы, а не мостовой.

На рисунке (3.2. д) показан бестрансформаторный вариант мостовой схемы ЭВП, применяемый в ИВЭ с высокочастотными преобразователями.

3.3.3 Основные параметры вентилей в схемах выпрямителей

В современных ЭВП в качестве вентилей используется, как правило, кремниевые диоды, важнейшими эксплуатационными параметрами которых являются: максимальный средний прямой ток ( ); максимальное повторяющееся импульсное обратное напряжение ( ); постоянное прямое напряжение ( ) при заданном прямом токе ( ); дифференциальное сопротивление ( ); средний обратный ток ( ); ток перегрузки (); пороговое напряжение ( ).



Рисунок 4 - Вольт-амперная характеристика выпрямителя

Исходные данные:

f=400 ГцRн1 = 110 Ом

Rб =73.3 Ом

1) Найдем сопротивление Rн2:

Rн2 = Rн1 + Rб =184 Ом

2) Находим значение Xс:

Хс = Rн2/60 = 183.3/60 = 3 Ом

3) Значение емкости фильтра С:

С=1000 мкФ

3.4 Расчёт трансформатора

Исходные данные, приведены в таблице 1.1.1:

Таблица 1.1.1 Исходные данные для расчета трансформатора

Напряжение первичной обмотки	Напряжение вторичной обмотки , В	Ток нагрузки
115	3,5	1,5

1) Находим суммарную мощность:

Р_сумм=115*1,5+3,5*1,5=177,75 Вт

2) С помощью табл. 1.1.2 определяем габаритную мощность:

Таблица 1.1.2 Соотношение мощности трансформатора и КПД

Суммарная мощность, Вт	10-20	20-40	40-100	100-300
КПД трансформатора	0,8	0,85	0,88	0,92

КПД = 0,92

Р_г=177,75/0,92=163,53 Вт

3) Находим сечение трансформатора:

S=1,2*

S=1,2*=1,2*12,78=15,34

4)Находим приближенное значение ширины магнитопровода:

a=0,8*=0,8*3,91=3,13 см

5) Выбираем пластины трансформатора типа Ш-19, для которых а=1,9 см, и находим толщину магнитопровода:

с=S/a=15,34/3,13=4,9 см.

Фактически полученное сечение магнитопровода сердечника:

S=a*c=3,13*4,9=15,34 см²

Определяем коэффициент К. Допустим, что используются пластины трансформаторной стали типа Ш-19 без отверстий по углам. Тогда К=45.

6) Находим количество витков на 1 В:

n=K/S=45/15,54=2,93

7) Определяем количество витков первичной обмотки при питании от сети напряжением 115 В:

W₁=U₁*n=115*2, 93=336,95=337 витков

8) Находим из таблицы 1.1.3коэффициент m для вторичной обмотки:

при I₁=1,5 A, m=1,04;

Таблица 1.1.3 Выбор коэффициента для расчета

Сила тока вторичной обмотки, А	0,2-0,5	0,5-1,0	1,0-2,0	2,0-4,0
M	1,02	1,03	1,04	1,06

9) Определяем количество витков вторичной обмотки с округлением до ближайшего целого числа:

=1,04*3,5*2,93=11 витков;

10) Находим силу тока в первичной обмотке:

I₁=P_г/U_сети=163,53/115=1,42 А

11) Находим диаметр провода первичной обмотки:

d₁ =p

d₁= 0,72* =1,19*0,72=0,856 мм

d_1изол=0,856+0,856/10=0,941 мм

где d_i-диаметр провода из меди в миллиметрах;

d_{i изол} - диаметр провода по изоляции в миллиметрах;

p-коэффициент, учитывающий допустимый нагрев, зависящий от марки провода

Таблица 1.1.4 Выбор коэффициента p для расчета:

Марка провода	ПЭЛ	ПЭВ-1	ПЭВ-2	ПЭТ
P	0,8	0,72	0,69	0,65

По таблице 1.1.4 выбрали:

Марка провода: ПЭВ-1

Коэффициент p=0,72

12) Находим диаметры проводов вторичных обмоток:

d₂=p=0,72*1,09=0,69 мм;

d_2изол =1,1*d₂ =0,76 мм;

13) Cоставляем таблицу намоточных данных, где диаметры проводов по меди выбраны из ближайших больших стандартных значений, а диаметры проводов в изоляции взяты на 10% больше, чем диаметры проводов по меди.

Таблица 1.1.5 Диаметры проводов обмоток

Обмотка	Количество витков, W	Диаметр провода по меди, d, мм	Диаметр провода по изоляции, мм
Первичная	337	0,85	0,941
Вторичная	11	0,69	0,76



Заключение

В курсовой работе проведен анализ и расчет четырёх основных устройств однофазного источника вторичного питания - трансформатора, выпрямителя, сглаживающего фильтра и стабилизатора. В процессе их исследования определены их основные характеристики, особенности их работы. Рассчитано каждое из устройств.

В целом работа позволила систематизировать изученный материал на лекциях, ознакомиться с практическим применением полученных теоретических знаний.



Список использованных источников

1) Методические рекомендации к курсовому проектированию ''Исследование источников вторичного питания'', СЗИП СПГУТД 2011

2) Конспект лекций по курсу "Электротехника и электроника"

3) А. И. Кучумов "Электротехника и схемотехника", Москва, 2005 г.

4) Кононенко В.В. Электротехника и Электроника. Учебное пособие для вузов. Р.:Феникс,2008

5) Найвельт Г.С. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

Справочник.М.:Радио и связь,1985

Размещено на Allbest.ru

...