Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Уфимский государственный авиационный технический университет

Кафедра Электроники и биомедицинских технологий

Пояснительная записка

по дисциплине «Основы микропроцессорной техники»

Основы преобразовательной техники

Студент

Ахмадеев Р.Р.

Принял

Иванов А.И.

Уфа - 2015

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный авиационный технический

Кафедра __________________________________

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по дисциплине «Основы преобразовательной техники»

Студент Ахмадеев Р.Р. Группа ЭН-401 сф

Консультант Иванов А.И.

1. Тема курсовой работы

«Источник вторичного электропитания»

2. Техническое задание:

Спроектировать источник вторичного электтропитания, работающий на статическую, активную нагрузку, и рассчитать его элементы.

Произвести конструктивный расчет трансформатора. В схемах предусмотреть автоматическую защиту источника питания от коротких замыканий в цепи нагрузки.

1. Техническое задание на проектирование

Содержанием проекта является разработка схемных вариантов и расчет преобразовательных устройств, состоящих из 3-5 узлов типа трансформатор, выпрямитель, фильтр, система управления, импульсный регулятор и -т.п.

Спроектировать источник вторичного электтропитания, работающий на статическую, активную нагрузку, и рассчитать его элементы.

Произвести конструктивный расчет трансформатора. В схемах предусмотреть автоматическую защиту источника питания от коротких замыканий в цепи нагрузки.

Первичный источник питания	U1 = 220 В, 50 Гц
Номинальное выходное напряжение ИП	Uн = 5 В
Ток нагрузки	Iн=0,1 А
КПД	? 0,6
Амплитуда пульсаций	10 мВ
Диапазон окружающей среды	± 400 С

Расчет блока питания

Блок питания будет иметь выходное напряжения 5 вольт, а ток нагрузки примем равным 0,5 амперу.

Прежде всего, потребуется трансформатор он обозначен на схеме как Т1, диодный выпрямитель VD1, оксидный сглаживающий конденсатор большой емкости С1, стабилитрон - D1 - стабилизирующий напряжение до 5 вольт, понадобятся постоянный резистор R1 и переменный резистор R2, которым регулируется выходное напряжение, а так же транзисторы VT1, VT2, VT3

Структурная схема источника питания:

Блок питания состоит из двух основных узлов - это выпрямитель, состоящий из трансформатора, выпрямительных диодов и конденсатора и стабилизатор.

Рассчитаем стабилизатор.

Схема стабилизатора показана на рисунке. Это, так называемый параметрический стабилизатор. Состоит он из двух частей:

1 - сам стабилизатор на стабилитроне D с балластным резистором Rб

2 - эмиттерный повторитель на транзисторе VT.

Непосредственно за тем, чтобы напряжение оставалось тем каким нам надо, следит стабилизатор, а эмиттерный повторитель позволяет подключать мощную нагрузку к стабилизатору. Он играет роль усилителя.

Два основных параметра нашего блока питания - напряжение на выходе и максимальный ток нагрузки:

Uвых = 5 Вольт, а Imax = 0,5 Ампер.

Сначала необходимо определить какое напряжение Uвх подать на стабилизатор, чтобы на выходе получить необходимое Uвых. Это напряжение определяется по формуле:

Uвх = Uвых +

Uвх = 5+3=8 (В)

где ориентировочно принимаем - падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора VT. Таким образом, для работы нашего стабилизатора на его вход мы должны подать не менее 8 вольт.

Выбор транзистора

Определим, какой нужен транзистор VT3. Для этого надо определить, какую мощность он будет рассеивать.

Pmax=1.3 (Uвх-Uвых)

Pmax=1.3 (8-5)0,625=2,44 Вт

В справочнике выбираем транзистор. Помимо только что полученной мощности, надо учесть, что предельное напряжение между эмиттером и коллектором должно быть больше Uвх, а максимальный ток коллектора должен быть больше Imax.

По справочнику выбираем транзистор n-p-n структуры и выписываем его параметры:

Выбрали КТ815А

Pк.макс=10 Вт; Uкэ.макс=25 В; Iк.макс=1,5 А.

VT3: КТ815А

Расчет стабилизатора.

Сначала определяется максимальный ток базы выбранного транзистора:

Iб max3=Iкmax3 / h21Э3

h21Э3- это минимальный коэффициент передачи тока транзистора и берется он из справочника. В справочнике 40.

Iбmax3=1,5/40=0.0375 А (или 38 мА).

Далее будем выбирать стабилитрон. Выбираем его по двум параметрам - напряжению стабилизации и току стабилизации.

Напряжение стабилизации должно быть равно максимальному выходному напряжению блока питания, то есть 5 вольтам, а ток - не менее 38 мА, то есть тому, что мы посчитали.

По напряжению нам подходит стабилитрон КС156А.

Ucт(В) I ст(мА) Р макс(мВт)

Iстмин = 3 мА

Но вот ток стабилизации… 10 мА нам никак не годится. Будем уменьшать ток базы выходного транзистора. А для этого добавим в схему еще один транзистор. Смотрим на рисунок. Мы добавили в схему транзистор VT2.

Эта операция позволяет нам снизить нагрузку на стабилитрон в h21Э раз. h21Э, разумеется, того транзистора, который мы только что добавили в схему. Возьмём КТ315А.

Его минимальный h21Э равен 20, то есть мы можем уменьшить ток до 38/30=1.9 мА, что нам вполне подходит.

Для точной регулировки выходного напряжения введём в схему переменный резистор R3. Его сопротивление = Uст/ Iб max

R3 =5.6/0.0019 = 2947 Ом, из ряда Е6 = 3,3 кОм ;

Теперь посчитаем сопротивление и мощность балластного резистора Rб.

Rб=(Uвх-Uст)/(Iб max+Iст min+ IRб)

где Uст - напряжение стабилизации стабилитрона, Iст min - ток стабилизации стабилитрона, IRб= Iб max

Rб= (8-5,6)/(0,0019+0,003+0,0019) ?353 Ом.

Определим мощность этого резистора

Prб=(Uвх-Uст)2/Rб.

Pбr=(8-5,6)2/353?0,016 Вт. (Rб = 360 Ом, 0,125 Вт из ряда E24)

Таким образом, из исходных данных - выходного напряжения и тока, получили элементы схемы и входное напряжение, которое должно быть подано на стабилизатор.

Выпрямитель

Учитывая то, что известно, какое напряжение нам надо подать на стабилизатор - 8 вольт, вычисляем напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Для этого рассмотрим схему с конца. После конденсатора фильтра мы должны иметь напряжение 8 вольт.

Учитывая то, что конденсатор фильтра увеличивает выпрямленное напряжение в 1,41 раза, получаем, что после выпрямительного моста должно получиться 8/1,41?5,7 вольт.

Теперь учтем, что на выпрямительном мосту теряем порядка 1,5-2 вольт, следовательно, напряжение на вторичной обмотке должно быть:

U = 5,7+2=7,7 вольт.

Возможно, что такого трансформатора не найдется, в данном случае можно применить трансформатор с напряжением на вторичной обмотке от 8 до 10 вольт.

2. Определим емкость конденсатора фильтра

Cф=3200Iн/UнKн

где Iн - максимальный ток нагрузки,

Uн - напряжение на нагрузке,

Kн - коэффициент пульсаций.

В нашем случае

Iн = 0,5 Ампер,

Uн=5 вольтам,

Kн=0,02 (т.к. амплитуда пульсаций 10мВ, ).

Cф=3200*0.5/5*0,02=16000.

Однако, поскольку за выпрямителем идет еще стабилизатор напряжения, можно уменьшить расчетную емкость в 5…10 раз. То есть 2000 мкФ будет вполне достаточно.

Выбираем выпрямительные диоды или диодный мост.

Для этого надо знать два основных параметра - максимальный ток, текущий через один диод и максимальное обратное напряжение, так же через один диод. питание стабилизатор фильтр диод

Необходимое максимальное обратное напряжение считается:

Uобр max=2Uн,

Uобр max=2*5=10 Вольта.

Максимальный ток, для одного диода должен быть больше или равен току нагрузки блока питания. Для диодных сборок в справочниках указывают общий максимальный ток, который может протекать через эту сборку. Возьмём диодный мост КЦ405Е

.

Расчёт трансформатора.

Его габариты и масса полностью определяются той мощностью, которую должен отдавать блок питания:

Рвых = Uвых * Iвых.

Pвых= 7,7* 0,5=3,9 Вт

К посчитанной мощности следует добавить мощность потерь на диодах выпрямителя.

Pвыпр= 2Unp* Iвых,

Pвыпр=2*4*0,5=4 Вт

где Unp-- прямое падение напряжения на одном диоде.

От сети трансформатор будет потреблять мощность, несколько большую рассчитанной, что связано с потерями в самом трансформаторе. Различают "потери в меди" -- на нагрев обмоток при прохождении по ним тока -- это обычные потери, вызванные активным сопротивлением обмоток, и "потери в железе", вызванные работой по перемагничиванию сердечника и вихревыми токами в его пластинах Отношение потребляемой из сети к отдаваемой мощности равно КПД трансформатора з. КПД маломощных трансформаторов невелик и составляет 60...65 %, возрастая до 90 % и более лишь для трансформаторов мощностью несколько сотен ватт. Итак,

Ртр= Рвых+Рвыпр+40%.

Ртр= 2,5+4+40%=6,5+2,6=9,1 Вт

Теперь можно определить площадь сечения центрального стержня сердечника (проходящего сквозь катушку), пользуясь эмпирической формулой:

S= 1,2*vPтр =3.6 см2

В обозначениях магнитопроводов уже заложены данные для определения сечения. Например, Ш25х40 означает ширину центральной части Ш-образной пластины 25 мм, а толщину набора пластин 40 мм. Учитывая неплотное прилегание пластин друг к другу и слой изоляции на пластинах, сечение такого сердечника можно оценить в 8...9 см2, а мощность намотанного на нем трансформатора -- в 65...80 Вт.

Площадь сечения центрального стержня магнитопровода трансформатора S определяет следующий важный параметр -- число витков на вольт. Оно не должно быть слишком малым, иначе возрастает магнитная индукция в магнитопроводе, материал сердечника заходит в насыщение, при этом резко возрастает ток холостого хода первичной обмотки, а форма его становится не синусоидальной -- возникают большие пики тока на вершинах положительной и отрицательной полуволн. Резко возрастают поле рассеяния и вибрация пластин. Другая крайность -- излишнее число витков на вольт -- приводит к перерасходу меди и повышению активного сопротивления обмоток. Приходится также уменьшать диаметр провода, чтобы обмотки уместились в окне магнитопровода.

Число витков на вольт n у фабричных трансформаторов, намотанных на стандартном сердечнике из Ш-образных пластин, обычно рассчитывают , из соотношения:

n = (45...50)/S;

n = 45/3,6=13 Вит/В;

где S берется в см2. Определив n и умножив его на номинальное напряжение обмотки, получают ее число витков. Для вторичных обмоток напряжение следует брать на 10 % больше номинального, чтобы учесть падение напряжения на их активном сопротивлении.

Для первичной сетевой обмотки число витков, учитывая потери напряжения, будет равно:

n1=0,97*n*UI

n1=0,97*13*220=2775 Вит.

Для вторичной обмотки число витков, учитывая потери напряжения, будет равно:

n2=1,03*n*U2

n2=1,03*13*7,7=104 Вит.

Определив токи обмоток, следует найти диаметр провода исходя из допустимой для трансформаторов плотности тока 2...3 А/мм2. Расчет облегчает график приведённый ниже

Диаметр провода любой обмотки трансформатора можно определить по формуле:

d2=0,7*0,5=0,490,5 мм;

где I -- сила тока (A), проходящего через данную обмотку; d -- диаметр провода (по меди) в мм.

Сила тока, проходящего через первичную (сетевую) обмотку, определяется из обшей мощности трансформатора Р:

I1=Pтр/U1

I1=9,1/220=0,041 А

d1=0,7*0,041=0,02870,06 мм.

Остается еще выбрать типоразмер пластин для сердечника. Для этого необходимо подсчитать площадь, которую занимает вся обмотка в окне сердечника трансформатора:

Sм= 4*(d12*n1+ d22*n2)=4(0,06*2775+0,5*104)= 874 мм2

Где Sм- площадь (в кв. мм), занимаемая всеми обмотками в окне;

d1, d2 - диаметры проводов обмоток (в мм);

n1, n2-- числа витков этих обмоток.

Этой формулой учитывается толщина изоляции проводов, неравномерность намотки, а также место, занимаемое каркасом в окне сердечника.

По полученной величине Sм выбирается типоразмер пластины с таким расчетом, чтобы обмотка свободно разместилась в окне выбранной пластины. Выбирать пластины с окном, значительно большим, чем это необходимо, не следует, так как при этом ухудшаются общие качества трансформатора.

Наконец определяют толщину набора сердечника - величину b, которую подсчитывают по формуле:

b=100*S/a = 100*3,6/25=14,4

Здесь размер a - ширина среднего лепестка пластины и b в миллиметрах; S - в кв. см.

Для защиты от короткого замыкания рассмотрим схему защиты.



Резистор R5 имитирует нагрузку блока питания, когда к ИП ничего не подключено.

На транзисторе VT1, диоде VD5 , VD6 и резисторе R1 собран узел защиты от короткого замыкания . Резистор R1 и прямое сопротивление диодов VD5 VD6 образуют делитель напряжения, к которому своей базой подключен транзистор VT1. В рабочем состоянии транзистор VT1 закрыт положительным (относительно эмиттера) напряжением смещения на его базе.

При коротком замыкании на выходе блока питания эмиттер транзистора VT1 окажется соединенным с анодом диода VD5, и на его базе (относительно эмиттера) появится отрицательное напряжение смещения (падение напряжения на диоде VD5). ТранзисторVT1 откроется, и участком коллектор-эмиттер зашунтирует стабилитрон VD7. В результате этого транзисторы VT2 и VT3 окажутся закрытыми. Сопротивление участка коллектор-эмиттер регулирующего транзистора VT3 резко возрастет, напряжение на выходе блока питания упадет почти до нуля, и через цепь короткого замыкания потечет настолько малый ток, что он не причинит вреда деталям блока. Как только короткое замыкание будет устранено, транзистор VT1 закроется и напряжение на выходе блока восстановится.

В программе CirkutMaker при коротком замыкании:

Список литературы

1. Расчет электромагнитных элементов источников вторичного электропитания / А.Н. Горский, Ю.С. Русин, Н.Р. Иванов, Л.А. Сергеева - М.: Радио и связь, 1988. - 176 с.

2. Мойн В.С., Лаптев Н.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергия, 1972. - 512 с.

3. Преобразовательная техника. Проектирование малогабаритных источников вторичного электропитания: Учеб, пособие / В.С. Кокшаров. - Уфа: УАИ, 1991. - 84 с.

Размещено на Allbest.ru

...