Размещено на http://www.allbest.ru/

43

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание

1. Произвести расчет стабилизированного источника питания. Выполнить электрический расчет всех элементов и начертить принципиальную схему стабилизированного источника питания.

2. Исходные данные для расчета следующие. Источник работает от сети переменного тока с напряжением U_C = 220 B и частотой 400 Гц. Изменения напряжения сети составляют не более 10% от номинального значения. Выходное напряжение U_O, ток нагрузки I_O, коэффициент нестабильности по входному напряжению

K_U и выходное сопротивление стабилизатора R_ВЫХ выбираются из таблицы 1 в соответствии с номером варианта. Нестабильность U_O не более 5%.

Таблица 1. Варианты контрольного задания

Номер варианта	UO, В	IO, А	KU, %, не более	RВЫХ, Ом, не более	Частота сети, Гц
18	+15	2	0,8	0,03	400



Решение

Структурная схема стабилизированного источника питания представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема стабилизированного источника питания

В состав схемы входят:

- понижающий силовой трансформатор;

- диодный мостовой выпрямитель;

- сглаживающий фильтр;

- линейный стабилизатор напряжения.

Для последующих расчётов выберем схему выпрямителя.

Однополупериодная схема применяется при малых токах нагрузки (от 1 до 100 мА) и низких требованиях к уровню пульсаций напряжения. При проектировании низковольтных сильноточных выпрямителей (U₀<= 5-15В, I> = 3-5 A) целесообразно использовать схему со средней точкой.

Следовательно, в нашем случае ни одна из этих схем не подходит и выбираем схему Греца (рисунок 2).

стабилизированный электрический грец сфема

Рисунок 2. Мостовая схема Греца



Основные достоинства:

1) коэффициент использования трансформатора по мощности достигает 0,9 при нагрузке с индуктивной реакцией и примерно 0,66 при емкостном характере нагрузки;

2) величина переменной составляющей напряжения и её частота такие же как и у двухфазной схемы;

3) отсутствует вынужденное намагничивание сердечника трансформатора.

Недостатки мостовой схемы выпрямления:

1) необходимость в четырех вентилях;

2) удвоенное прямое падение напряжения на диодах, что существенно снижает КПД.

Выбор вентилей осуществляется на основании параметров, рассчитанных с помощью приближенных значений коэффициентов. При выполнении контрольного задания рекомендуется использовать фильтр, начинающийся с индуктивности при токе нагрузки более 1 А (рисунок 3). Рассчитаем фильтр.

Рисунок 3. LC-фильтр

Коэффициент пульсаций на входе сглаживающего фильтра К_ПВХ на основной гармонике зависит от схемы выпрямления (числа фаз m) и определяется выражением , а К_ПВЫХ принимаем для расчета (К_ПВЫХ=0,002).

При расчёте LC - фильтра определяется значение LC, обеспечивающее требуемый коэффициент q

q=

Естественно, что величина произведения LC зависит от частоты питающей сети

, (1)

где .

В выражении (1) индуктивность дросселя L выражена в Генри (Гн), а емкость С - в Фарадах (Ф).

На выбор величин индуктивности дросселя и емкости конденсатора фильтра влияют следующие факторы:

Для обеспечения индуктивного характера нагрузки выпрямителя (отсутствия перерывов тока в дросселе) индуктивность дросселя должна быть больше

, (2)



где U₀ и I_0min - значения постоянной составляющей напряжения и тока соответственно на выходе выпрямителя. Полагаем, что Uо=Uн. Из приложения выбирается дроссель, индуктивность которой не менее расчётной.

Выбираем дроссель Д2, сопротивление дросселя R_ДР=35 Ом, индуктивность 0,16 Гн.

Минимальное значение ёмкости конденсатора фильтра ограничивается соотношением Xс<(0,1…0,2) Rн, где Rн=Uн/Iн - сопротивление нагрузки ИВЭП. Тогда Xс=0,1*7,5=0,75 Ом.

Rн =15/2=7,5 Ом

Для тока с наименьшей частотой пульсаций

. (3)

При выборе номинального значения ёмкости конденсатора необходимо учитывать значительное её отклонение от номинала (до 20%), ограничения по допустимому коэффициенту пульсаций, а также уменьшение эффективной ёмкости электролитических, танталовых, оксиднополупроводниковых конденсаторов с ростом частоты пульсаций. С учётом этих факторов значение средней расчетной величины коэффициента запаса следует принять Кз=1,5…2.

С=1,5*0,00016=0,00024 Ф.

После выбора номинальных значений элементов LC-фильтра необходимо произвести оценку перенапряжений U_ст/U_о при резком изменении тока нагрузки. Так как при расчете необходимо знать внутреннее сопротивление выпрямителя, то оценку перенапряжений произведем после расчета выпрямителя.

Расчет выпрямителя, работающего на LC-фильтр, выполняется с учетом падения напряжения на дросселе, которое равно:

где Rдр - сопротивление обмотки дросселя, полученное из справочных данных.

Следовательно, напряжение, на которое следует рассчитывать выпрямитель,

U_о' = U_о +U_др

=15+70=85 В

где Uо - выходное напряжение источника питания, приведенное в задании.

Обратное напряжение определяется по максимальному значению выпрямленного напряжения

, (4)

где б_max - относительное отклонение напряжения питающей сети в сторону повышения не более 10%, Uо - выходное напряжение источника питания.

Выбираем вентиль так, чтобы выполнялись соотношения:

U_{обр.макс} > U_обр.; I_пр.ср. < I_{пр.ср.макс},

I_пр.< 1,57 I_{пр.ср.макс.}

I_пр.ср. < I_{пр.ср.макс}=0,5 I₀=0,5*2=1 А;

I_пр.< 1,57 I_{пр.ср.макс}=1,57*1=1,57 А.

Следовательно, параметры вентилей должны быть:

U_обр< U_{обр.макс}< 85 В;

I_пр.ср. < 1 А;

I_пр.< 1,57 А.

Выбираем выпрямительные диоды Д229Ж с параметрами U_обр=100 В; I_{пр.ср.макс}=0,7 А; I_обр=0,2 мА; U_пр.ср. =1 В.

Определяем сопротивление вентиля в прямом направлении

R_пр= U_пр.ср/I_{пр.ср.max} (5)

R_пр= 1/0,7=1,4 Ом

Находим индуктивное сопротивление трансформатора

. (6)

3. Определяем активное сопротивление и индуктивность рассеяния Ls обмоток трансформатора:

(7)

(8)

где S - количество стержней трансформатора, на которых помещены его обмотки;

B_m - амплитуда магнитной индукции по рисунку 3.а

где j - плотность тока в обмотках трансформатора, А/мм²;

Габаритная мощность трансформатора определяется по формулам.

S_тр = 1,11 P_о, где P_о = I_о U_о=2*15=30 ВА.

S_тр = 1,11*30=33,3 ВА.

Рисунок 4. Ориентировочные зависимости от полной мощности трансформатора: а - максимального значения магнитной индукции, б - плотности тока в обмотке

B_m=1,25 Тл; j=4,9 А/мм².

Вычисляем активное сопротивление фазы

R = R_тр + 2·R_пр (9)

R = 0,43+ 2*1,4=3,23 Ом

4. Определяем напряжение холостого хода выпрямителя:



(10)

где U_пр. = 2U_пр.ср. =2*1=2 В;

N - число вентилей, включенных последовательно (N=2)

Следует брать «m» равным 2 для схемы со средней точкой и мостовой.

5. Определяем параметры трансформатора:

U₂=E₂=1,11*U₀=1,11*15=16,65 В

S₁=S₂= S_тр = 1,11*P₀=1,11*30=33,3 ВА

Число витков первичной обмотки

W₁=W₀U₁(1-U_R/2) (11)

где k_C - коэффициент заполнения (k_C=0,65…0,9). Принимаем k_C=0,7%;

k_Ф - коэффициент пульсации по первой гармонике. При m=2 k_Ф=0,7%.

U_R=20%.

W₁=3*220 (1-0,2/2)=594 витков.

W₂=W₀U₂(1-U_R/2) =2*16,65 (1-0,2/2)=30 витков.

Выбираем трансформатор ТПП87-220-400.

Определяем напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети U_0ххmax:

U_0ххmax= U_0хх(1+ б_max) (12)

U_0ххmax= 90,036*(1+ 0,1)=99,03 В

По величине напряжения U_0ххmax уточняем величину обратного напряжения U_обр<1,41*U_0ххmax=1,41*99,03=139,6 В. Следовательно, вентили выбраны, верно.

7. Определяем напряжение на выходе выпрямителя при минимальном напряжении сети

U₀= U_0* (1 - б_min)=15*(1-0,1)=13,5 В.

8. Определяем внутреннее сопротивление выпрямителя

R₀=(U_0хх - U₀)/I₀ (13)

R₀=(90,036 - 13,5)/2=38,3 Ом

9. Коэффициент полезного действия выпрямителя

(14)

где мощность трансформатора Р_ТР=S_ТР(1-з_ТР).

з_ТР=0,87.

Р_ТР=33,3*(1-0,87)=4,3 ВА.

Р_Д= I_пр.ср U_пр.N= I_пр.ср 2U_прср.N =0,7*2*1*4=5,6 Вт N - общее число вентилей (N=4).



Тогда

10. Максимальное напряжение на конденсаторе LC-фильтра определяется выражением:

, (15)

Где , - коэффициент затухания; - резонансная частота фильтра.

Наибольшее перенапряжение на элементах фильтра возникает при резком изменении тока нагрузки от номинального I_н до 0 вследствие индуктивной реакции фильтра. Сравнивая значения напряжения U_ст и напряжения холостого хода выпрямителя, определяем наибольшее из них и по нему с запасом 15-20% производим выбор конденсатора фильтра по рабочему напряжению.

U_0хх>U_СТ, следовательно выбираем конденсатор на напряжение 90,036*1,2=108,04 В, емкостью 0,00016 Ф=160 мкФ. Выбираем из справочника конденсатор К50-35 -150 В-270 мкФ±20%

Рассчитаем стабилизатор напряжения. Исходные данные:

1. Номинальное значение выходного напряжения U_вых=15 В;

2. Пределы регулирования выходного напряжения U_выхmin=13,5 В, U_выхmax=16,5 В;

3. Максимальный и минимальный токи нагрузки I_нmax=I₀(1+0,05)=2*1,05=2,1 А, I_нmin=I₀(1-0,05)=2*0,95=1,9 А;

4. Коэффициент нестабильности по входному напряжению K_U=0,8%;

5. Нестабильность выходного напряжения K_п=DU_вых/U_вых =3/15=0,2;

6. Коэффициент стабилизации напряжения K_CT=K_п/ K_u =0,2/0,01=20;

7. Выходное сопротивление стабилизатора R_вых =0,03 Ом.

8. Диапазон температур окружающей среды и_окрmin=5°C, и_окрmax=50°C

9. Максимально допустимые температуры нестабильности выходного напряжения в диапазоне рабочих температур г±4.

Выбор ИМС производится по заданным U_вых, I_{вых max}, К_ст, г, R_вых. При этом следует отдавать предпочтение тем ИМС, которые работают с меньшим количеством внешних элементов. При этом должны быть выполнены условия: U_{вых имс} U_вых; I_{вых max имс} I_{н max}; К_{ст имс}>К_ст. Выбираем микросхему КР1180ЕН12 с параметрами: U_{вых имс} =25 В; I_{вых max имс}=6 А; К_{ст имс}=70.

Определяем:

(16)

U_{вх min}=U_{вых max}+U_пд; (17)

U_{вх max}=U_вх (1+a₍₊₎), (18)

где a_(+), a_(-) - наибольшие положительные и отрицательные относительные изменения входного напряжения соответственно;

U_пд - минимальное падение напряжения на стабилизаторе (U_пд=2,5 В).

U_{вх min}=16,5+2,5=19 В

U_{вх max}=19,2*(1+0,01)=19,4 В

Возможные пределы изменения КПД:

(19)

(предполагается, что ток, потребляемый стабилизатором, мал, т.е. Iвых Iвх).

Типовая схема включения микросхемных стабилизаторов КР1180 на фиксированное выходное напряжение показана на рисунке 3. Емкость входного конденсатора C1 должна быть не менее 2,2 мкф, а выходного конденсатора C2 - не менее 1 мкф.

Рисунок 5. Схема включения микросхемных стабилизаторов КР1180

В приложении дана принципиальная схема стабилизированного источника питания.



Рисунок 6. Принципиальная схема стабилизированного источника питания



Список использованных источников

1. Федоринчик М.П. Методические указания и контрольные задания по курсу электропреобразовательные устройства для студентов специальности «Радиотехника» заочной формы обучения - Мн.: БГУИР.2016

2. Методические указания и контрольные задания по курсу электропитание систем телекоммуникаций (с основами энергосбережения) для студентов специальности «Сети телекоммуникаций» заочной формы обучения - Мн.: БГУИР.2005

3. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/ Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; Под ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радио и связь. 1985. - 576 с.

4. Транзисторы: Справочник/ О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, С.Л. Пожидаев - М.: Радио и связь. 1989. - 272 с.

5. Алексеев О.В., Китаев В.Е., Шихин А.Я. Электротехнические устройства / Под ред. А.Я. Шихина: Учебник для вузов. - М.: Энергоиздат, 1981. - 336 с.

6. Иванов-Цыганов А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1991. - 272 с.

7. Электропитание устройств связи: Учебник длявузов /А.А. Бокуняев, Б.В. Горбачев, В.Е. Китаев и др.; Под ред. В.Е. Китаева. - М.: Радио и связь, 1988. - 280 с.

8. Китаев В.Е., Бокуняев А.А. Расчет источников электропитания устройств связи: Учеб. пособие. - М.: Связь, 1979. - 214 с.

Размещено на Allbest.ru