Источники вторичного электропитания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

ФГБОУ ВПО «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

Кафедра: «АЭПП»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по курсу: Электроника

на тему: Источники вторичного электропитания

Выполнила:

Боролдоев Б.С.

Проверил:

Хаптаев А.П.

Улан-Удэ 2016 г

Содержание

Введение

1. Исходные данные

2. Структурная схема источника вторичного электропитания

3. Алгоритм выбора схемы преобразователя

3.1 Определяем максимальную выходную мощность преобразователя

3.2 Для схемы №4 задаёмся максимальным значением

4. Порядок расчёта элементов силовой части

4.1 Исходя из заданного значения амплитуды пульсации выходного напряжения Uвых.m, определяем требуемое значение (пульсации) выходной ёмкости Сн

4.2 Определяем приращение тока дросселя (для схемы № ДIL)

4.3 Определяем максимальное значение мощности Pк, рассеиваемой транзистором

4.4 Определяем коэффициент передачи в контуре регулирования

5. Расчёт сетевого выпрямителя

5.1 На основании своего варианта задания выбираем схему сетевого выпрямителя

5.2 Находим среднее значение тока, потребляемое от сетевого выпрямителя

5.3 Определяем требуемые параметры вентилей

5.4 Для выбранного типа диода выписываем максимальное значение тока при работе на ёмкость и рассчитываем величину резистора Rогр

Список использованной литературы

Введение

Целью настоящей работы является закрепление теоретических знаний, полученных при изучении основных разделов курса «Электроника», выработка навыков самостоятельной работы, умение грамотно оформлять техническую документацию, развитие способности творчески решать вопросы проектирования электронных устройств.

При выполнении курсовой работы обоснуем выбор одной из четырёх наиболее широко применяемых на практике схем высокочастотных регулируемых транзисторных преобразователей, произведём расчёт элементов силовой части выбранной схемы преобразователя, выбрать реальные элементы схем и составить их перечень, изобразить согласно ЕСКД и ГОСТ полную принципиальную схему ИВЭП.

1. Исходные данные

Напряжение фазы питающей сети - Uф=36 (В);

Частота тока питающей сети - fc=400 (Гц);

Число фаз сети - m=1;

Пульсность сетевого выпрямителя - p=2;

Относительное изменение напряжение питающей сети в сторону

· увелечения amax=0,1

· уменьшения amin=0,1;

Частота преобразования - fп=50 (кГц);

U0=5 (В); I0max=8 (А); I0min=2 (А);

Нестабильность выходного напряжения при изменении питающей сети - =2%;

Амплитуда пульсации выходного напряжения - Uвых.m=0,05 (В).

2. Структурная схема источника вторичного электропитания

На этом рисунке: В1 - входной сетевой выпрямитель напряжения;

Ф1 - входной сглаживающий фильтр (ФНЧ);

ПР - импульсный преобразователь напряжения;

СУ - схема управления;

U0 - выходное напряжения преобразователя;

Uвх - входное напряжение преобразователя.

Конвертер ИВЭП с бестрансформаторным входом строится в основном на базе регулируемых транзисторных преобразователей. Транзисторы в преобразователе работают в режиме переключения так, что большую часть периода преобразования они находятся в режиме отсечки или насыщения. Этим объясняются высокие энергетические показатели источников с импульсным регулированием.

Повышение частоты преобразования позволяет уменьшить объём 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 (отсечки) изменяется.

Схема управления содержит следящий делитель с коэффициентом передачи kд1, усилитель сигнала ошибки kу1 и широтно-импульсный модулятор kшим1. Произведение kд kу kшим называют петлевым коэффициентом усиления, который определяет нестабильность выходного напряжения U0.

3. Алгоритм выбора схемы преобразователя

3.1 Определяем максимальную выходную мощность преобразователя

P0=U0I0max=58=40 (В)

Определяем номинальное Uвх максимальное и минимальное значения входного напряжения преобразователя

Uвх.max=Uc(1+amax+ka/2) Uc=Uф=36 (В)

Uвх.max=1,436(1+0,1+0,1/2)=57,96 (В)

Uвх.min=Uc(1-amin-ka/2)

Uвх.min=1,436(1-0,1-0,1/2)=42,84 (B)

Uвх=Uc(1-ka/2)

Uвх=1,436(1-0,1/2)=47,88 (B)

где ka=0,1 - абсолютный коэффициент пульсаций на выходе сетевого выпрямителя;

Uc=Uф - при пульсности сетевого выпрямителя p=2.

По известным значениям P0 и Uвх с помощью графика рисунка 2 выбираем схему преобразователя

lg P0=1.6

lg Uвх=1.68

В схеме при отпирании транзистора VT1 напряжение питания прикладывается к первичной обмотке W1 трансформатора Т1. полярность напряжения на вторичной обмотке такова, что диод VD1 закрыт. В этом интервале происходит накопление энергии в трансформаторе. При запирании транзистора VT1 изменяется полярность напряжения на обмотках трансформатора, открывается диод VD1 и энергия, накопленная трансформатором, передается в нагрузку. Регулировочная характеристика идеального преобразователя нелинейна и имеет вид

Согласно графика рисунка 2 и с учётом рекомендаций приведённых в методичке, выбираем схему №4.

U0=гn21Uвх/(1-г)

Достоинством схемы является наличие одного моточного элемента (трансформатора Т1), что является в ряде случаев определяющим при выборе схемы малогабаритного, маломощного, экономичного источника электропитания.

3.2 Для схемы №4 задаёмся максимальным значением

max=0,5

Определяем амплитудные значения ЭДС первичной U1m и вторичной U2m обмоток трансформатора преобразователя в функции напряжения первичной сети Uвх и мощности нагрузки Р0. При этом задаём:

Uкэ.нас=2,5 (В) - напряжение коллектор - эмиттер регулирующего транзистора в режиме насыщения;

Uпр.VD=Uпр.VD1= Uпр.VD2=1 (В) - падение напряжения на диоде в открытом состоянии;

U1=0,02Uвх - падение напряжения на активном сопротивлении

первичной W1 обмотки трансформатора;

U2=0,02U0 - падение напряжения на активном сопротивлении вторичной

W2 вторичной обмотки трансформатора;

UL=UL2=0,05U0=0,055=0,25 (B);

UL1=0,02Uвх=0,0247,88=0,958 (В) - падение напряжения на активном сопротивлении дросселя L, L1, L2.

U1m= Uвх.min- Uкэ.нас-U1

U1m=42,84-2,5-0,958=42,382 (B)

U2m=(U0+Uпр.VD1+U2)(1-max)/ max

U2m=(5+1+0,1)(1-0,5)/0,5=6,1 (B)

3.3 Определяем требуемый коэффициент трансформации n21 трансформатора

n21= U2m/ U1m

n21=6,1/42,382=0,14

С помощью выбранной схемы №4 преобразователя определяем min:

min=U0/(n21Uвх.max+U0)

min=5/(0,1457,96+5)=0,38

Так как min=0,380,15 то устройство реализуемо.

Определяем критическую индуктивность LW1кр1 в схеме №4.

Принимаем: LW1= LW1кр

LW1кр=Uвх 2max/(2 n21fпI0min)

Lкр1=47,88(0,38)2/(20,1450*1032)=0,247 (мГн)

Определяем значение :

=U0/(n21Uвх+U0)

=5/(0,1447,88+5)=0,43

Полученные при выборе преобразователя данные, необходимые для дальнейших расчётов схемы заносим в таблицу №1.

Таблица №1

	min	max	n21	U1m, В	U2m, В	LW1, мГн
0,43	0,38	0,5	0,14	42,382	6,1	0,247

Выбор и расчёт трансформатора

Трансформатор является одним из основных элементов преобразователя, во многом определяющим его энергетические и массо-объёмные показатели. Принципиально трансформаторы преобразователей могут быть выполнены на любом магнитопроводе. Для трансформатора схемы №6 преобразователя используются как разрезные, так и замкнутые магнитопроводы.

Определяем действующее значение токов первичной I1 и вторичной I2 обмоток трансформатора:

I1= n21 I0max

I1=0,1481=1.12(A)

I2= I0max

I2=80.787=6.299(A)

Определяем произведение поперечного сечения стержня на поперечное сечение окна SстSок:

При этом задаёмся:

· коэффициентом заполнения медью окна магнитопровода k=0,35;

· приращением магнитной индукции В на частоте преобразования (для наиболее часто применяемых материалов М2000НМ-1 и 2500НМС-1) - В=0,1 (Тл);

· - коэффициент полезного действия преобразователя =0,6;

· плотность тока j в обмотках трансформатора j=6106 (А/м2)

Габаритная мощность трансформатора:

РГ=U2mI2max(1+)/(2)

РГ=17,329,7980,5(1+0,8)/(20,8)=61.368 (Вт)

fп/PГ=50000/61.368=814,8 (Гц/Вт)

Отсюда следует, что плотность тока i=5.7106 (А/м2)

SстSок=2U1mmaxI1/kokjfпВ

SстSок=238,4240,51.12/0,35610651030,2=0,0210-6см4

По известному произведению SстSок выбираем тип магнитопровода и уточняем его параметры:

Для данной схемы применяем разрезной магнитопровод, наибольшее применение нашли броневые, ферритовые магнитопроводы.

Тип магнитопровода и его параметры по таблице:

Тип магнитопровода Ш1010 I=26 H=18

L=36 B=10 h=13 I0=10

SстSок=2,08см4=2,0810-4 м4

Марка феррита 2000НМ1 - Sст=1см2=110-4 м2 Lср=84 мм

Масса магнитопровода Мф=22,22Г

Определяем поперечное сечение провода первичной q1 и вторичной q2 обмоток трансформатора.

По приложениям в методичке выбираем стандартный провод, имеющий ближайшее большее значение поперечного сечения. Производим пересчёт поперечного сечения провода с учётом изоляции (q1; q2).



Рисунок 4. Тип магнитопровода.

Определяем число витков первичной W1 и вторичной W2 обмоток трансформатора

W1=maxU1m/SстBfп

W1=0,542,382/110-40,150103=43

W2=W1n21

W2=42,3820,14=6

Обмоточные провода обозначаются следующим образом: сначала буквами указываются марка провода, определяющая тип изоляции (материал, толщину, термостойкость, пробивное напряжение), а далее цифрами указывается диаметр провода без изоляции в миллиметрах (чистый диаметр проводника). электропитание преобразователь трансформатор выпрямитель

Выбор проводника:

q1=I1/j

q1=1.12/6106=0,1810-6 (м2)

q2=I2/j

q2=6.299/6106=1,0510-6 (м2)

Так как ток I2=6.2995 (A), то выбираем провод ПЭЛШО - провод медный, изолированный эмалью и одним слоем из натурального шёлка.

Выбираем поперечное сечение без учёта изоляции:

q1=0,1910-6106=0,19 (мм2)

q2=1,0810-6106=1,08 (мм2)

Выбираем провод площадью поперечного сечения

а) ПЭЛШО 0,19: 0,02835(мм2) - диаметр меди равен 0,19 (мм)

диаметр с изоляцией равен 0,28 (мм)

Rпог=0,635 Омм

б) ПЭЛШО 1,08: 0.9161 (мм2) - диаметр меди равен 1,08 (мм)

диаметр с изоляцией равен 1,24(мм)

Rпог=0,0188 Омм

Пересчитываем q1 и q2 с учётом изоляции:

q1=d2/4=3,140,282/4=0,0615 (мм2)

q2=d2/4=3,141,612/4=1.21(мм2)

По известным значениям q1, q2, W1, W2, Sок необходимо проверить условие размещения обмотки в окне магнитопровода:

(q1W1+q2W2)/ Sокkok

(0,061543+1.216)/2,081020,35

0,0480,35

Sок=2,08/1=2,08см2=2,08102 мм2

Так как условие соблюдается, обмотка разместится в окне магнитопровода.

4. Порядок расчёта элементов силовой части

4.1 Исходя из заданного значения амплитуды пульсации выходного напряжения Uвых.m, определяем требуемое значение (пульсации) выходной ёмкости Сн

Сн=(max * I0max) (/2 Uвх.min *fn)

Сн=(0.5*8)/(2*0.05*50*103)=0,0008 (Ф)=800 (мкФ)

По этим данным выбираем стандартный конденсатор при условии что:

Uраб?1,5U0?16 (B)

Конденсатор К50-29) (Uном=16(В); Сн=1000(мкФ))

Для конденсаторов К50-29 указана амплитуда переменной составляющей пульсирующего напряжения в вольтах:

Uf=Uf50•k

Uf=0,2•0,15=0,03 (B),

где Uf50 - амплитуда переменной составляющей пульсирующего

напряжения на частоте 50 (Гц) при температуре t=40?С;

k - коэффициент снижения амплитуды переменной составляющей

напряжения пульсаций, но он зависит от частоты.

4.2 Определяем приращение тока дросселя (для схемы № ДIL)

ДIL= U0 (1- гmin)/( fn *n212 *Lw1);

ДIL=5(1-0.38)/(50000*0.1420.247)=0,25(A)

По ранее выбранному значению к.п.д. преобразователя определяем значение максимального тока коллектора Iк1max транзистора VT1:

Iк1max=n21(I0max/(1-max)+ ДIL)/

Iк1max=0.14(8/(1-0.5)+0.25)/0.6=3.791 (A)

Определяем максимальное значение напряжения на закрытом транзисторе:

Uкэ1max=Uвх.max/(1-min)

Uкэ1max=57,96/0,62=35,94 (B)

По вычисленным значениям Iк1max, Uкэ1max и заданной частоте преобразования fп выбираем тип транзистора:

Необходимо чтобы Uкэmax?1,2Uкэ1max Iк? Iк1max

Uкэmax=1,2•35,94=43,12 (В) Iк=3.791(A)

Определяем время спада:

tсп=(0,1/ fп)

tсп=0,1/50000=2•10-6

Напряжение база-эмиттер напряжения принимаем равным Uбэ.нас?0,8 (В)

Задаёмся коэффициентом насыщения kнас=1,2.

Выбираем транзистор 2Т867А n-p-n

Данные транзистора > Iк=25 (А); Uкэ.max=300 (B); Pк.max=10 (Вт)

Iкmax=40 (A); Uкэ.нас=1,2 (В); n21=25; tc.пас=1,3 (мкс)

Определяем время включения и выключения транзистора:

tвыкл=tрасп+tсп=1,3•10-6+2•10-6=3,3•10-6

tвкл=tсп=2•10-6

где tрасп - время рассасывания не основных носителей в

полупроводниковой структуре;

tсп - время спада.

4.3 Определяем максимальное значение мощности Pк, рассеиваемой транзистором

Pк=I0max•n21•Uкэ.нас•max+0,5fп•Uкэ1max•Iк1max(tвкл+ tвыкл)+max• kнас•Uбэ.нас•Iк1max/h21min

Pк=8•0,14•1,2•0,5•50000•35,94•3.791(3,3•10-6+2•10-6)+0,5•1,2•0,8•0,325=24.4 (Вт)

Убеждаемся в возможности использования выбранного транзистора по мощности при заданной температуре окружающей среды из условия Рк.max>1,2Pк (110>99,476). Условие соблюдается, значит можно использовать данный транзистор.

Определяем параметры диода VD1:

IVD1max= I0max/(1-max)+ДIL/2

IVD1max=8/0.5+0.25/2=16.125 (A)

UVD1max=Uвх.max•n21/(1-min)

UVD1max=8.11/0,62=13.1 (B)

По данным выбираем диод VD1 c его характеристиками:

Тип диода - 2Д2999(В)

Его характеристики - Uобр.max=50 (B); Iпр.ср.max=20 (A)

Iпр.уд=70 (А); fпред=100 (кГц)

Определяем мощность выбранного диода PVD1:

PVD1=(Uпр* IVD1)*(1-min)+(fn* UVD1max* IVD1max*0.01)/fпред

PVD1=(50*8)*0.62+(50000*13.1*16.125*0.01)/100000=249.05 (Вт)

Выбираем диоды Vdp1 и Vdp2 такие же как и диоды для сетевого выпрямителя.

4.4 Определяем коэффициент передачи в контуре регулирования

Задаёмся значением - д=0,02.

Kос=(Uвх.max-Uвх.min/Uвх•д)-1

Kос=(57,96-42,84/47,88•0,02)-1=15.78

5. Расчёт сетевого выпрямителя

5.1 На основании своего варианта задания выбираем схему сетевого выпрямителя

Так как по заданию число фаз равняется 1, то выбираем сетевой выпрямитель представленный на рисунке 3.8.а в методичке.

Рисунок 5. Сетевой выпрямитель.

5.2 Находим среднее значение тока, потребляемое от сетевого выпрямителя

Iвх=n21•I0max•0max

Iвх=0,14•8•0,5=0.56 (A)

5.3 Определяем требуемые параметры вентилей

Параметры:

· Средний выпрямительный ток Iв.ср=Iвх/2=0.56/2=0,28 (А);

· Импульсное обращение напряжения Uобр.н=Uвх.max=57,96 (B);

· Рабочая частота диода f0=2fc=2•400=800 (Гц).

Из справочника выбираем диоды для выпрямителя исходя из условий:

Iпр.ср.?Iв.ср.; Uобр.max?Uобр.н.; fпред?f0

Выбираем диод 2Д204А - Uобр.max=400 (B);

Iпр.ср=0,4 (A);

Iпр.уд=10 (А);

fпред=50 (кГц).

5.4 Для выбранного типа диода выписываем максимальное значение тока при работе на ёмкость и рассчитываем величину резистора Rогр

Rогр= Uвх.max/Iпр.уд=57,96/10=5,8 (Ом)

По справочнику выбираем тип резистора Rогр при условии: Rогр«Uc/Iвх=36/1,8=20

Выбираем резистор С2•23•0,5-6,2Ом±5%

5.5 Приняв ka=0,1 находим величину ёмкости сглаживающего фильтра Сф:

Udm=Uc*1.414=50.91В

Сф=Uвх•Iвх(2р/р-arccos(1-ka))/р•fc•U2dm•ka(2- ka)

Сф=(47.88*0.56(2*3.14/2-arccos(1-0.1)))/(3.14*400*50,912*0,1(2-0,1))=116мкФ

Определяем конденсатор:

При условии:

Сном>Сф; 220>116;

Uном?кз*UВХМАХ;

100?1,2*57,96;

100?69,55.

Выбираем конденсатор К50-35.

Принципиальная схема ИВЭП.



Перечень основных элементов схемы:

№ п/п	Обозначение	Наименование	Количество
1	VD1	Диод 2Д2998Б	1 шт.
2	VD	Выпрямительные диоды 2Д253Д	4 шт.
3	Ск	Конденсатор К50-35 220 мкФ UНОМ=100В	1 шт.
4	Сф	Конденсатор К50-35 220 мкФ UНОМ=315В	1 шт.
5	W1	Обмоточный провод ПЭЛШО 1,08
6	W2	Обмоточный провод ПЭЛШО 0,19
7	Rогр	Резистор С2-23-0,5-22 Ом ±5%	1 шт.
8	VT1	Транзистор 2Т867A	1 шт.
9		Ферритовый магнитопровод 2000НМ1 Ш10х10	1 шт.

Список использованной литературы

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

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.-328с.: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. -400с.

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.-528с.

6. Хаптаев А.П., Чмелева Л.О. Источники вторичного электропитания: Методические указания по выполнению курсовой работы. Улан-Удэ: Изд-во ВСГУТУ, 2009

Размещено на Allbest.ru

...