Источники вторичного электропитания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КУРСОВОЙ ПРОЕКТ ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ На тему: Источники вторичного электропитания Выполнил: Степанов А.Н.

Проверил: Хаптаев А.П.

Улан-Удэ

2015 г.

Содержание 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

7. 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.

Задание

43 Вариант.

Таблица 1. Исходные данные.

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 КД ?1, усилитель сигнала ошибки КУ>>1 и широтно-импульсный модулятор КШИМ>>1. Произведение КД* КУ* КШИМ называют петлевым коэффициентом усиления, который определяет нестабильность выходного напряжения U0.

2. Выбор и расчёт схемы

2.1 Определяем максимальную выходную мощность преобразователя Р0=U0*I0MAX

Р0=12*10=120 Bт

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

UC=В,

UВХМАХ=*UС*(1+аМАХ+кА/2),

UВХМАХ=*381*(1+0,1+0,05/2)=604,4 В ,

UВХМIN=*UС*(1-аМIХ-кА/2) ,

UВХМIN=*381*(1−0,2−0,05/2)=416,3 B ,

UВХ=*UС*(1-кА/2) ,

UВХ=*381*(1−0.05/2)=524 B .

2.3 По найденным значениям Р0 и UВХ с помощью графика рис. 2 выбираем схему преобразователя Так как шкала логарифмическая, то считаем логарифмы Р0 и UВХ:

Lg 120?2,08

Lg524?2,72

Согласно графика рис. 2 выбираем схему преобразователя рис.5

Рис. 2. График областей предпочтительного применения различных типов преобразователей.

Рис. 5. Схема однотактного обратноходового преобразователя с пониженным напряжением на транзисторах

2.4 Определяем U1m и U2m при этом задаёмся следующими значениями Напряжение коллектор-эммитер в режиме насыщения UКЭНАС=2 B;

Максимальная длительность открытого состояния транзистора гМАХ=0,5;

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

Находим напряжение на активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток трансформатора:

источник вторичный питание трансформатор

?U1=0,02*UВХ ;

?U1=0,02*524=10,5 B;

?U2=0,02*U0 ;

?U2=0,02*12=0,24 B;

U1m= UВХМINUКЭНАС-?U1 ;

U1m=416,3−2-10,5=403,8B ;

U2m=;

U2m==13 В .

2.5 Определяем коэффициент трансформации

n21= U2m/ U1m ;

n21=13/403,8=0,03 .

2.6 Определяем значение гМIN:

гМIN= U0/(n21* UВХМАХ+ U0) ;

гМIN=12/(0,03*604,4+12)=0,40 ;

Так как гМIN=0,40>0,15, устройство реализуемо.

2.7 Определяем критическую индуктивность

LW1=LW1КР ;

LW1КР=UВХ* гМАХ2/(2*fn* n21*I0MIN) ;

LW1КР=524*0,52/(2*30 000*0,03*3)=0,0291 Гн .

2.8 Определяем значение г г= U0/(n21* UВХ+ U0) ;

г=12/(0,03*524+12)=0,43.

Таблица 2. Результаты расчётов

3. Выбор и расчет трансформатора

3.1 Определение действующих значений I1 и I2

I1= n21*I0MAX ;

I1=0,03*10*=0,3 А ;

I2= I0MAX ;

I2=10*=7,7 А .

3.2 Определяем поперечное сечение стержня на поперечное сечение окна SCT*SOK

Задаёмся значениями:

Коэффициент заполнения медью окна магнитопровода КОК=0,25

Приращение магнитной индукции? В=0,1 Тл ;

Коэффициент полезного действия з=0,7

Определяем габаритную мощность трансформатора:

РГ= I2* U2m* гМАХ (1+ з)/(2* з) ;

РГ=7,7*13*0,5*(1+0,7)/(2*0,7)=61 Вт;

Гц/Вт;

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

SCT*SOK = ;

SCT*SOK==0,10*10−6 м4 = 10 см4

3.3 По значению SCT*SOK выбираем магнитопровода и уточняем его параметры Для данной схемы предпочтительней применять разрезной магнитопровод с броневым ферритовым сердечником.

Тип магнитопровода Ш16×20 ;

SCT *SOK=13,37 см4 ;

SCT=3,2 см² ;

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

Рис. 4. Броневой ферритовый магнитопровод.

3.4 Определяем число витков W1 и W2

W1= гМАХ* U1m/(SCT*?B*fn) ;

W1=0.5*403,8/(5,7*10−4*0,1*30 000)=142 витков ;

W2=W1* n21 ;

W2=142*0,03 =4 витков.

3.5 Определяем поперечное сечение жил провода q1 и q2

q1=I1/j ;

q1=0,3/5,7*106=0,05*10−6 м2 = 0,05 мм²;

q2=I2/j ;

q2=7,7/5,7*106=1,35 *10−6 м2 = 1,35 мм² ;

По рассчитанным значениям выбираем тип провода ПЭТВ (провод эмалированный термостойкий с лаковой изоляцией) Для сечения жил провода q1 выбираем провод ПЭТВ:

Диаметр по меди 0,23 мм;

Диаметр с изоляцией d1=0,28 мм;

Пороговое сопротивление Rп=0,433 Ом*м.

Для сечения жил провода q2 выбираем провод ПЭЛШО 1,4314:

Диаметр по меди 1,35 мм;

Диаметр с изоляцией d2=1,5 мм;

Пороговое сопротивление Rп=0,0123 Ом*м.

Пересчитываем q1 и q2 с учетом изоляции:

q1=;

q1==0,06 мм² ;

q2=;

q2==1,76 мм² ;

Рассчитываем SOK:

SOK= SCT*SOK/ SCT;

SOK=13,37/3,2=4,2 см² = 4,2*102 мм2.

3.6 Проверяем условие размещения обмотки в окне магнитопровода

(q1*W1+ q2*W2)/ SOK? KOK ;

(0,06*142+1,76*4)/4,2*102?0,35 ;

0,03?0,35.

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

3.7 Расчет суммарной величины немагнитного зазора Iз

?Iз=W1І*µo* SCT/LW1 ;

?Iз=1422*4*3,14*10−7*5,7*10−4/0,0291=5*10−4 м.

µo=4*р*10−7 Гн/м.

4. Порядок расчета элементов силовой части преобразователя

4.1 Исходя из значения Uвых m, определяем значение выходной емкости Сн Сн= гМАХ* I0MAX/(2* Uвых m*fn);

Сн=0,5*10/(2*0,12*30 000)=0,83 Ф =830 мкФ.

Согласно значения Сн выбираем конденсатор К50−35 UНОМ=16, Сн=1000 мкФ, Uf50=3,2 В.

Определяем амплитуду переменной составляющей напряжения Uf :

Uf= Uf50*K;

Uf=3,2*0,027=0,09 B

Uf< Uвыхm

0,09<0,12

где К=0,027 определяется из рис.5

Рис. 5. Зависимость коэффициента снижения амплитуды от частоты

4.2 Определяем максимальное значение тока коллектора IKMAX транзистора VT1 и VT2

?IL=U0(1- гМIN)/(fn* n212*LW1);

?IL=12*(1−0,40)/(30 000*0,032*0,0291)=11 A;

IK1MAX= n21*(I0MAX/(1- гМАХ)+?IL/2)/з ;

IK1MAX =(0,03*(10/(1−0,5)+11 /2))/0,7=1,1 А.

4.3 Определяем максимальное значение напряжения на закрытом транзисторе UКЭМАХ

UКЭ1МАХ=UВХМАХ+U0/ n21;

UКЭ1МАХ=604,4+12/0,03=1004,4 В По рассчитанным значениям IK1MAX и UКЭ1МАХ выбираем тип полевой транзисторов:

Необходимо чтобы:

IKMAX? IK1MAX;

UКЭМАХ? 1,2*UКЭ1МАХ (1,2*1004,4=1205,3/2=603).

Выбираем полевой транзистор 2П803А:

Таблица 3. Полевые транзисторы

4.4 Определяем значение мощности транзистора Рк Рст. макс=I2с*Rси ОТК=1,12*4,5=5,4 Вт.

Проверяем условие РКМАХ>Рст макс

60>5,4

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

4.5 Определяем параметры диода VD1

IVD1MAX=I0MAX/(1- гМАХ)+?IL/2;

IVD1MAX=10/(1−0,5)+11 /2=25,5 A;

UVD1MAX=U0/ гМIN;

UVD1MAX=12/0,40 =30 В.

По рассчитанным параметрам выбираем диод VD1:

Таблица 4. Параметры диода VD1:

Находим мощность диода:

РVD1=UПРVD*I0MAX/(1- гМIN)+fn* UVD1MAX* IVD1MAX*0,01/ fПРЕД;

РVD1=0,7*10/(1−0,40)+30 000*30*25,5*0,01/200 000=9,53 Вт.

4.6 Определяем коэффициент передачи в контуре регулирования КОС=;

КОС =

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

Рис. 6. Схема выпрямления

5.1 Находим ток потребляемый выпрямителем

IВХ= n21*I0MAX* гМАХ;

IВХ=0,03*10*0,5=0,15А.

5.2 Определяем параметры диодов выпрямителя и диодов VDP1, VDP2

IВСР= IВХ/2;

IВСР=0,15/2=0,075А;

UVDmax=1004,4/2=502,2В

UОБР=UВХМАХ;

f0=2*fc;

f0=2*60=120 Гц.

5.3 Выбираем диоды для выпрямителя и диоды VDP1, VDP2 исходя из условий

IПР.СР? IВХ ;

UОБРМАХ? UОБР ;

fПРЕД ?f0.

Таблица 5. Параметры диодов:

РVD2=UПРVD*I0MAX*гМax+fn* UVD2MAX* IVD2MAX*0,01/ fПРЕД;

РVD2=0,7*10*0,5+30 000*1000*1*0,01/150 000=8,4 Вт.

5.4 Рассчитываем величину сопротивления RОГР

RОГР = UВХМАХ / IПР. УД ;

RОГР = 604,4/30=20,1 Ом.

Выбираем резистор RОГР C2−23−0.5−22 Ом±5% при условии :

RОГР<<

22<<381/0,14

22 Ом<<2721Ом

P=I2*Rогр=0,0752*22=0,12

5.5 Находим величину емкости Сф Принимаем абсолютный коэффициент пульсации ка=0,05 коэффициент запаса по напряжению кз=1,2

Udm=Uc*;

Udm=381*=537,2B;

Сф=;

Сф=Ф=80мкФ.

5.7 Определяем конденсатор При условии:

Сном>Сф;

22*4>80;

88>80;

Uном?кз*UВХМАХ;

450?1,2*604,4;

450?.725,3

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.

Для достижения условия Сном>Сф необходимо подключить параллельно четыре конденсатора типа К50−35.

Таблица 6. Перечень основных элементов схемы:

Рис. 7. Принципиальная схема ИВЭП с безтрансформаторным входом.

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

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