Источники вторичного электропитания

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ.

ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра: АЭПП

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ

На тему: Источники вторичного электропитания

Улан-Удэ 2017 г.

Содержание

преобразователь электропитание электрический трансформатор

Введение

1. Работа структурной схемы источника вторичного электропитания (ИВЭП)

2. Выбор и расчёт схемы

3. Выбор и расчет трансформатора

4. Порядок расчета элементов силовой части преобразователя

5. Расчёт сетевого выпрямителя

6. Перечень элементов схемы

Список использованной литературы

Введение

ИВЭП составляют основу всех средств и систем электропитания РЭА. Это устройства, предназначенные для преобразования входной электроэнергии переменного или постоянного тока и обеспечения электропитанием отдельных цепей РЭА. Они могут состоять из блоков питания или комплекта функциональных узлов (субблоков).

Современные электронно-вычислительные машины, устройства автоматики и телемеханики в подавляющем большинстве случаев получают электрическую энергию от сети переменного тока. Однако аппаратуре нужен ток другого вида и качества. Этому и служат источники питания, которые преобразуют сетевой ток и напряжение. При этом они называются вторичными, а сеть переменного тока - первичным источником питания. В ИВЭП осуществляется преобразование входного напряжения в одно или несколько выходных напряжений как постоянного, так и переменного тока.

Состав и конфигурация функциональной схемы обусловлены техническим заданием. ИВЭП содержит наиболее популярные - компенсационные стабилизаторы. Они точны и обеспечивают хорошее подавление пульсаций.

По виду входной энергии ИВЭП можно разделить на источники с переменным и источники с постоянным входным напряжением; по выходной мощности - на микро мощные (до 1 Вт), маломощные (1-10 Вт), среднемощные (10-100 Вт), высоко мощные (100-1000 Вт) и сверхмощные (свыше 1000 Вт) источники. ИВЭП могут иметь разное количество выходных напряжений.

Задачей данного курсового проекта является проектирование источника вторичного электропитания (ИВЭП). В ходе выполнения должны быть приобретены навыки анализа электронных схем, их расчета, выбора необходимой элементной базы, разработки конструкции простых однослойных печатных плат.

Таблица 1

Исходные данные

Напряжение фазы питающей сети UФ, В	110
Частота тока питающей сети fс, Гц	50
Число фаз сети, m	3
Пульсность сетевого выпрямителя р	6
Относительное изменение напряжения питающей сети: в строну увеличения, аmax уменьшения, аmin	0,2 0,1
Частота преобразования fn, кГц	60
Uo, B	27
Io max, A	10
Io min, A	2
Нестабильность выходного напряжения при изменении питающей сети д, %	2
Амплитуда пульсаций выходного напряжения Uвых m, В	0,25

1. Работа структурной схемы источника вторичного электропитания (ИВЭП)

Рис. 1 Структурная схема ИВЭП с бестрансформаторным входом

На рис. В1 - входной сетевой выпрямитель напряжения;

Ф1 - входной сглаживающий фильтр;

Пр - импульсный преобразователь напряжения (конвертор);

СУ - схема управления.

Конвертор ИВЭП с бестрансформаторным входом строится в основном на базе регулируемых транзисторных преобразователей. Транзисторы в преобразователе работают в режиме переключателя так, что большую часть периода преобразования они находятся в режиме отсечки или насыщения этим объясняется высокие энергетические показатели источников с импульсным регулированием. Повышение частоты преобразования позволяет уменьшить объем и массу электромагнитных элементов и конденсаторов, и тем самым улучшить удельные массо-объёмные показатели.

В стабилизирующих ИВЭП, как правило, применяют широтно-импульсный (ШИМ) способ регулирования, при котором период коммутации постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения изменяется.

Схема управления содержит следящий делитель с коэффициентом передачи К_Д ?1, усилитель сигнала ошибки К_У>>1 и широтно-импульсный модулятор К_ШИМ>>1. Произведение К_Д* К_У* К_ШИМ называют петлевым коэффициентом усиления, который определяет нестабильность выходного напряжения U₀.

2. Выбор и расчёт схемы

Определяем максимальную выходную мощность преобразователя:

Р₀=U₀*I_0MAX

Р₀=27*10=270 Bт

Определяем номинальное входное напряжение минимальное, максимальное и значение входного напряжения преобразователя:

U_C=В,

U_ВХМАХ=*U_С*(1+а_МАХ+к_А/2),

U_ВХМАХ=*190,3*(1+0,2+0,05/2)=329 В,

U_ВХМIN=*U_С*(1-а_МIХ-к_А/2),

U_ВХМIN=*190,3*(1-0,1-0,05/2)=235 B,

U_ВХ=*U_С*(1-к_А/2),

U_ВХ=*190,3*(1-0.05/2)=261,6 B.

По найденным значениям Р₀ и U_ВХ с помощью графика рис. 2 выбираем схему преобразователя:

Считаем логарифмы Р₀ и U_ВХ:

Lg 270?2,43

Lg261,6?2,41

Согласно графика рис.2 выбираем схему преобразователя рис.3

Рис. 2 График областей предпочтительного применения различных типов преобразователей

Рис. 3 Схема однотактного прямоходового преобразователя с пониженным напряжением на транзисторах

Определяем U_1m и U_2m при этом задаёмся следующими значениями:

Напряжение коллектор-эммитер в режиме насыщения U_КЭНАС=2 B;

Максимальная длительность открытого состояния транзистора г_МАХ=0,5;

Напряжение на диодах в открытом состоянии U_ПРVD=0,7 B

Находим напряжение на активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток трансформатора:

?U₁=0,02*U_ВХ ;

?U₁=0,02*261,6=5,23 B;

?U₂=0,02*U₀ ;

?U₂=0,02*27=0,54 B;

U_1m= U_ВХМIN- U_КЭНАС-?U₁ ;

U_1m=235-2-5,23=228B ;

U_2m=;

U_2m==66,94 В.

Определяем коэффициент трансформации:

n₂₁= U_2m/ U_1m ;

n₂₁=66,94/228=0,29.

Определяем значение г_МIN:

г_МIN= U₀/(U_ВХМАХ* n₂₁) ;

г_МIN=27/(228*0,29)=0,41;

Так как г_МIN=0,41>0,15, устройство реализуемо.

Определяем критическую индуктивность:

L=L_КР ;

L_КР=;

L_КР==0,0000664 Гн.

Определяем значение г:

г= U₀/(U_ВХ* n₂₁) ;

г=27/(261,6*0,29)=0,36.

Таблица 2

Результаты расчётов

г	гМIN	гМАХ	n21	U1m, В	U2m, В	LW1, Гн
0,36	0,41	0,5	0,29	228	66,94	0,0000664

3. Выбор и расчет трансформатора

Определение действующих значений I₁ и I₂:

I₁= n₂₁*I_0MAX;

I₁=0,29*10*=2,05 А;

I₂= I_0MAX;

I₂=10*=7,1 А

Определяем поперечное сечение стержня на поперечное сечение окна S_CT*S_OK:

Задаёмся значениями:

Коэффициент заполнения медью окна магнитопровода К_ОК=0,25

Приращение магнитной индукции ?В=0,1 Тл ;

Коэффициент полезного действия з=0,7

Определяем габаритную мощность трансформатора:

Р_Г= I₂* U_2m* г_МАХ(1+ з)/(2* з) ;

Р_Г=7,1*66,94*0,5*(1+0,7)/(2*0,7)=289 Вт;

Гц/Вт;

Выбираем плотность тока j=5,7*10⁶ А/м²

S_CT*S_OK = ;

S_CT*S_OK==0,055*10^-6 м⁴ = 5,5 см⁴

По значению S_CT*S_OK выбираем магнитопровода и уточняем его параметры:

Для данной схемы предпочтительней применять разрезной магнитопровод с броневым ферритовым сердечником.

Тип магнитопровода Ш16х20 ;

S_CT *S_OK=13,37 см⁴ ;

S_CT=3,2 см² ;

Размеры L=54мм, I₀=16 мм, I=38 мм, B=20мм, H=27 мм, h=19мм, L_CP=123мм;



Рис. 4 Броневой ферритовый магнитопровод

Определяем число витков W1 и W2:

W1= г_МАХ* U_1m/(S_CT*?B*fn) ;

W1=0.5*228/(3,2*10^-4*0,1*60000)=59 витков ;

W2=W1* n₂₁ ;

W2=59*0,29 =17 витков.

Определяем поперечное сечение жил провода q₁ и q₂:

q₁=I₁/j ;

q₁=2,05/5,7*10⁶=0,36*10^-6 м² = 0,36мм²;

q₂=I₂/j ;

q₂=7,1/5,7*10⁶=1,25 *10^-6 м² = 1,25мм² ;

По рассчитанным значениям выбираем тип провода ПЭТВ (провод эмалированный термостойкий с лаковой изоляцией)

Для сечения жил провода q₁ выбираем провод ПЭТВ:

Диаметр по меди 0,62 мм;

Диаметр с изоляцией d1=0,69 мм;

Пороговое сопротивление Rп=0,0571 Ом*м.

Для сечения жил провода q₂ выбираем провод ПЭЛШО:

Диаметр по меди 1,25 мм;

Диаметр с изоляцией d2=1,36 мм;

Пороговое сопротивление Rп=0,0140 Ом*м.

Пересчитываем q₁ и q₂ с учетом изоляции:

q₁=;

q₁==0,37 мм² ;

q₂=;

q₂==1,45 мм² ;

Рассчитываем S_OK:

S_OK= S_CT*S_OK/ S_CT;

S_OK=13,37/3,2=4,2 см² = 4,2*10² мм².

Проверяем условие размещения обмотки в окне магнитопровода:

(q₁*W1+ q₂*W2)/ S_OK?K_OK ;

(0,37*59+1,45*17)/4,2*10²?0,35 ;

0,11?0,35.

Так как условие соблюдается, то обмотка разместится в окне магнитопровода.

4. Порядок расчета элементов силовой части преобразователя

Исходя из значения U_{вых m}, определяем значение выходной емкости Сн:

Сн= * U₀(1- Y _min)/(16*fn²*L*U_выхm);

Сн=27(1-0,41)/16*60000²*0,0000664*0,25)=0,0000167 Ф =16,7мкФ.

Согласно значения Сн выбираем конденсатор К50-35 U_НОМ=40В, Сн=22 мкФ, U_f50=6В.

Определяем амплитуду переменной составляющей напряжения U_f:

U_f= U_f50*K;

U_f=6*0,021=0,13 B

U_f? U_выхm

0,13?0,25

где К=0,021 определяется из рис.5

Рис. 5 Зависимость коэффициента снижения амплитуды от частоты

Определяем максимальное значение тока коллектора I_KMAX транзистора VT1 и VT2:

?I₁=U₀(1- г_МIN)/(L*fn);

?I₁=27*(1-0,41)/(0.0000664*60000)=4 A;

I_K1MAX= n₂₁*(I_0MAX+?I₁/2)/з;

I_K1MAX =0,29*(10+4 /2)/0,7=5 А.

Определяем максимальное значение напряжения на закрытом транзисторе U_КЭМАХ:

U_КЭ1МАХ=U_ВХМАХ(1+Y_Max/(1-Y_Max));

U_КЭ1МАХ=329(1+0.5/(1-0.5))=658В.

По рассчитанным значениям I_K1MAX и U_КЭ1МАХ выбираем тип биполярный транзисторов:

Необходимо чтобы:

I_KMAX? I_K1MAX;

U_КЭМАХ ? 1,2*U_КЭ1МАХ(1,2*658=790).

Выбираем полевой транзистор КП809Д:

Таблица 3

Полевые транзисторы

Тип транзистора	Тип проводимости	IС (IKMAX) А	UСИ(UКЭНАС) В	РКМАХ, Вт	Rсиотк
КП809Д	n	10	800	50	1,8

Определяем значение мощности транзистора Рк:

Рст. макс=I²_с*R_{си ОТК}=5²*1,8=45 Вт.

Проверяем условие Р_КМАХ>Р_{ст макс}

50>45

Условие соблюдается, значит, выбранный транзистор можно использовать в данной схеме преобразования.

Определяем параметры диода VD1:

I_VD1MAX=I_0MAX+?I₁/2;

I_VD1MAX=10+4 /2=12 A;

U_VD1MAX=U_вхmax*n₂₁;

U_VD1MAX=329*0,29 =95,4В.

По рассчитанным параметрам выбираем диод VD1:

Таблица 4

Параметры диода VD1

Тип диода	UОБР.МАХ, В	IПР.СР.МАХ, А	IПР.УД., А	fПРЕД., кГц
2Д239А	100(100)	15	20(80)	500

Находим мощность диода:

Р_VD1=U_ПРVD*I_0MAX/(1- г_МIN)+fn* U_VD1MAX* I_VD1MAX*0,01/ f_ПРЕД;

Р_VD1=0,7*10/(1-0,41)+60000*95,4*12*0,01/200000=17 Вт.

Определяем коэффициент передачи в контуре регулирования

К_ОС=;

К_ОС =

5. Расчёт сетевого выпрямителя

На основании своего варианта выбираем схему сетевого выпрямителя рис.6:

Рис. 6 Схема выпрямления

Находим ток потребляемый выпрямителем

I_ВХ= n₂₁*I_0MAX* г_МАХ;

I_ВХ=0,29*10*0,5=1,45А.

Определяем параметры диодов выпрямителя и диодов VD_P1, VD_P2:

I_ВСР= I_ВХ/2;

I_ВСР=1,45/2=0,72А;

U_VDmax=658В

U_ОБР=U_ВХМАХ;

f₀=р*fc;

f₀=6*50=300 Гц.

Выбираем диоды для выпрямителя и диоды VD_P1, VD_P2 исходя из условий:

I_ПР.СР ? I_ВХ ;

U_ОБРМАХ ? U_ОБР ;

f_ПРЕД ?f₀.

Таблица 5

Параметры диодов

Тип диода	UОБР.МАХ, В	IПР.СР.МАХ, А	IПР.УД., А	fПРЕД., кГц
2Д236Б	800(800)	1	30	300

Р_VD2=U_ПРVD*I_0MAX*г_Мax+fn* U_VD2MAX* I_VD2MAX*0,01/ f_ПРЕД;

Р_VD2=0,7*10*0,5+60000*658*1*0,01/300000=6,1 Вт.

Рассчитываем величину сопротивления R_ОГР.

R_ОГР = U_ВХМАХ / I_ПР.УД ;

R_ОГР = 329/30=11 Ом.

Выбираем резистор R_ОГР C2-23-6-12 Ом±5% при условии:

R_ОГР<<

11<<190,3/0,6

11 Ом<<317Ом

P=I²*Rогр=0,72²*11=5,7 Вт

Находим величину емкости Сф:

Принимаем абсолютный коэффициент пульсации к_а=0,05

коэффициент запаса по напряжению к_з=1,2

Udm=Uc*;

Udm=190,3*=268,3B;

Сф=;

Сф=Ф=1,2мкФ.

Определяем конденсатор:

При условии:

Сном>Сф;

2,2>1,3;

Uном?к_з*U_ВХМАХ;

450?1,2*329;

450?.395

При выборе конденсатора следует учитывать диапазон рабочих температур, а так же тот факт, что конденсатор Сф будет разряжаться короткими импульсами тока с частотой fn, необходимо подключить параллельно один конденсатор типа К50-29.

Вывод: При расчете источника вторичного электропитания мы выполнили выбор схемы высокочастотных регулируемых транзисторных преобразователей, расчет элементов силовой части выбранной схемы преобразователя и элементов сетевого выпрямителя, выбрали реальные элементы схем и составили их перечень.

Таблица 6

Перечень основных элементов схемы

№ п/п	Обозначение	Наименование	Количество
1	VD	Выпрямительные диоды 2Д236Б	6 шт.
2	VD1	Диод 2Д239А	1 шт.
3	VDp1,VDp2	Диод 2Д236Б	2 шт.
4	Сн	Конденсатор К50-35 22 мкФ UНОМ=40В	1 шт.
5	Сф	Конденсатор К50-29 2,2 мкФ UНОМ=450В	1 шт.
6		Обмоточный провод ПЭЛШО 1,36
7		Обмоточный провод ПЭТВ 0,69
8	Rогр	Резистор С2-23-6,0-12 Ом ±5%	1 шт.
9	VT1,VT2	Транзистор КП809Д	2 шт.
10	Т1	Ферритовый магнитопровода Ш16Ч20 3000HMC;	1 шт.

Рис. 7 Принципиальная схема ИВЭП с безтрансформаторным входом

Список использованной литературы

1. Березин О.К., Костиков В.Г. Шахнов В.А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М.: «Три Л», 2000. 400 с.

2. Электропитание устройств связи: Учебник для вузов / А.А. Бокуняев, В.М. Бушуев, А. С. Жерненко. Под ред. Ю.Д. Козляева. М.: Радио и связь,1998. 328 с.:ил.

3. Конденсаторы оксидноэлектрические К560-24…К50-53. Справочник. Спб.: Издательство РНИИ «Электростандарт», 1996, 208 с.:ил.

4. Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. Спб.: Корона принт, 1998. 400 с.

5. Полупроводниковые приборы.Диоды выпрямительные, стабилитроны,тиристоры: Справочник/ А.Б. Гитцевич, А. А. Зайцев, В.В. Мокряков. Под ред. А. В. Гомомедова. М. КубК-а, 1996. 528 с.

6. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппартуры: Справочник/ Ю.С. Русин, И.Я.Гликман, А.Н. Горский. М.: Радио и связь, 1991. 224 с.

7. Перельман Б. Л. Полупроводниковые приборы. Справочник. «СОЛОН», «МИКРОТЕХ»,1996 г. 176 с.:ил.

Размещено на Allbest.ru

...