Источники вторичного электропитания

Размещено на http://www.allbest.ru//

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

Выполнил: ст. гр. ЗБ-365

Цыренов Б.Р.

Руководитель:

Хаптаев А.П.

Улан-Удэ 2017 г.

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

Таблица 1. Исходные данные.

Напряжение фазы питающей сети UФ, В	36
Частота тока питающей сети fс, Гц	400
Число фаз сети, m	1
Пульсность сетевого выпрямителя р	2
Относительное изменение напряжения питающей сети: в строну увеличения, аmax уменьшения, аmin	0,1 0,1
Частота преобразования fn, кГц	50
Uo, B	5
Io max, A	12,0
Io min, A	2,5
Нестабильность выходного напряжения при изменении питающей сети д, %	2
Амплитуда пульсаций выходного напряжения Uвых m, В	0,05

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=5*12,0=60 Bт.

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

UC=UФ=36 В,

UВХМАХ=*UС*(1+аМАХ+кА/2),

UВХМАХ=*36*(1+0,1+0,05/2)=57,1 В,

UВХМIN=*UС*(1-аМIХ-кА/2),

UВХМIN=*36*(1-0,1-0,05/2)=40,6 B,

UВХ=*UС*(1-кА/2),

UВХ=*36*(1-0.05/2)=49,4 B.

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 60?1,78

Lg 49,4?1,69

Согласно графика рис.2 выбираем схему преобразователя рис.4.

Рис.2 График областей предпочтительного применения различных типов преобразователей.

Рис.4. Схема однотактного преобразователя с обратным включением выпрямительного диода.

Определяем U1m и U2m при этом задаёмся следующими значениями:

Напряжение коллектор-эммитер в режиме насыщения UКЭНАС=2,5 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:

?U1=0,05*UВХ ;

?U1=0,05*49,4=2,47 B;

?U2=0,05*U0 ;

?U2=0,05*5=0,25 B;

U1m= UВХМIN- UКЭНАС-?U1 ;

U1m=40,6-2,5-2,47=35,63B ;

U2m=;

U2m==5,95 В .

Определяем коэффициент трансформации:

n21= U2m/ U1m ;

n21=5,95/35,63=0,16 .

Определяем значение гМIN

гМIN= U0/( n21* UВХМАХ+ U0) ;

гМIN=5/(0,16*57,1+5)=0,35 ;

Так как гМIN=0,35>0,15 , устройство реализуемо.

2.3Определяем критическую индуктивность

LW1=LW1КР ;

LW1КР=UВХ* гМАХ2/(2*fn* n21*I0MIN) ;

LW1КР=49,4*0,52/(2*50000*0,16*2,5)=0,000385 Гн .

2.4 Определяем значение г

г= U0/( n21* UВХ+ U0) ;

г=5/(0,16*49,4+5)=0,38.

Таблица 2. Результаты расчётов

г	гМIN	гМАХ	n21	U1m, В	U2m, В	LW1, Гн
0,38	0,35	0,5	0,16	35,63	5,95	0,000385

3. Выбор и расчет трансформатора

3.1 Определение действующих значений I1 и I2

I1= n21*I0MAX ;

I1=0,16*12*=1,6 А ;

I2= I0MAX ;

I2=12*=8 А .

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

Задаёмся значениями:

Коэффициент заполнения медью окна магнитопровода КОК=0,35

Приращение магнитной индукции ?В=0,1 Тл ;

Коэффициент полезного действия з=0,6

Определяем габаритную мощность трансформатора:

РГ= I2* U2m* гМАХ(1+ з)/(2* з) ;

РГ=8*5,95*0,5*(1+0,6)/(2*0,6)=31,73 Вт;

Гц/Вт;

Выбираем плотность тока j=6*106 А/м2

SCT*SOK = ;

SCT*SOK==0,024*10-6 м2 = 2,4 см4

3.3 По значению SCT*SOK выбираем тип магнитопровода и уточняем его параметры

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

Тип магнитопровода Ш12х15 ;

SCT *SOK=4,86 см4 ;

SCT=1,8 см2 ;

Размеры L=42мм, I0=12 мм, I=30 мм, B=15мм, H=21 мм, h=15мм, LCP=97мм;

Рис.4. Броневой ферритовый магнитопровод

3.4 Определяем число витков W1 и W2

W1= гМАХ* U1m/( SCT*?B*fn) ;

W1=0.5*35,63/(1,8*10-4*0,1*50000)=20 витков ;

W2=W1* n21 ;

W2=20*0,16 =3 витка.

3.5 Определяем поперечное сечение жил провода q1 и q2:

q1=I1/j ;

q1=1,6/6*106=0,26*10-6 м2 = 0,26мм2;

q2=I2/j ;

q2=8/6*106=1,3 *10-6 м2 = 1,3 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 0,59 мм;

Диаметр с изоляцией d1=0,66 мм;

Пороговое сопротивление Rп=0,0630 Ом*м.

Для сечения жил провода q2 выбираем провод ПЭЛШО:

Диаметр по меди 1,30 мм;

Диаметр с изоляцией d2=1,46 мм;

Пороговое сопротивление Rп=0,0132 Ом*м.

Пересчитываем q1 и q2 с учетом изоляции:

q1=;

q1==0,34 мм2 ;

q2=;

q2==1,67 мм2 ;

Рассчитываем SOK:

SOK= SCT*SOK/ SCT;

SOK=4,86/1,8=2,7 см2 = 2,7*102 мм2.

3.6 Проверяем условие размещения обмотки в окне магнитопровода

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

(0,34*20+1,67*3)/2,7*102?0,35 ;

0,04?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=202*4*3,14*10-7*1,8*10-4/0,000385=2,34*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*12/(2*0,05*50000)=0,0012 Ф =1200 мкФ.

Согласно значения Сн выбираем конденсатор К50-35 UНОМ=16В, Сн=2200мкФ, Uf50=2,4В.

Определяем амплитуду переменной составляющей напряжения Uf :

Uf= Uf50*K;

Uf=2,4*0,022=0,05 B

Uf< Uвыхm

0,05<0,05

где К=0,022 определяется из рис.5

Рис.5. Зависимость коэффициента снижения амплитуды от частоты

4.2. Определяем максимальное значение тока коллектора IKMAX транзистора VT1

?IL=U0(1- гМIN)/(fn* n212*LW1);

?IL=5*(1-0,35)/(50000*0,162*0,000385)=6,59 A;

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

IK1MAX =0,16*(12/(1-0,5)+6,59 /2)/0,6=7,3 А.

4.3 Определяем максимальное значение напряжения на закрытом транзисторе UКЭМАХ

UКЭ1МАХ=UВХМАХ+U0/ n21;

UКЭ1МАХ=57,1+5/0,16=88,35В.

По рассчитанным значениям IK1MAX и UКЭ1МАХ выбираем тип полевой транзисторов:

Необходимо чтобы:

IKMAX? IK1MAX;

Uси ? 1,2*UКЭ1МАХ(1,2*88,35=106).

Выбираем биполярный транзистор 2Т866А:

Таблица 3. Биполярные транзисторы

Тип транзистора	Тип проводимости	IK (IKMAX) А	UКЭ(UКЭНАС) В	РКМАХ, Вт	h21	ti, мкС
2Т866А	n-p-n	20(20)	160(1,5)	30	15…100	0,1С

Задаёмся следующими значениями:

Напряжение база-эммитер UБЭНАС=0,8 В

Коэффициент насыщения КНАС=1,2

tCП=0,05/fn;

tCП=0,05/50000=1*10-6 c

tВЫКЛ=tРАСП+tCП;

tВЫКЛ=1*10-6+1*10-6=2*10-6 c .

tВКЛ=1*10-6 c

4.4 Определяем значение мощности транзистора Рк:

Рк=I0МАХ*n21*UКЭНАС* гМАХ+0,5*fn* UКЭ1MAX IK1MAX (tВКЛ+ tВЫКЛ)+ гМАХ*KНАС*UБЭНАС*IK1MAX/ h21:

Рк=12*0,16*0,5*0,5+0,5*50000*88,35*7,3*(1+2)* 10-6 +0,5*1,2*0,8*7,3/20=21,1Вт.

Проверяем условие РКМАХ>1,2* РК

30>25,3

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

4.5 Определяем параметры диода VD1

IVD1MAX=I0MAX/(1- гМАХ)+?IL/2;

IVD1MAX=12/(1-0,5)+6,59 /2=27,3 A;

UVD1MAX=U0/ гМIN;

UVD1MAX=5/0,35 =14,3В.

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
2Д2998А	15	30	600	200

Находим мощность диода:

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

РVD1=0,7*12/(1-0,35)+50000*14,3*27,3*0,01/200000=14 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=0,16*12*0,5=0,96А.

5.2 Определяем параметры диодов выпрямителя и диодов VDP1, VDP2

IВСР= IВХ/2;

IВСР=0,96/2=0,48А;

UОБР=UВХМАХ;

f0=p*fc;

f0=2*400=800 Гц.

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

IПР.СР ? IВХ ;

UОБРМАХ ? UОБР ;

UVDmax=88,35 В. fПРЕД ?f0.

Таблица 5. Параметры диодов:

Тип диода	UОБР.МАХ, В	IПР.СР.МАХ, А	IПР.УД., А	fПРЕД., кГц
2Д237А	100(100)	1	3	300

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

РVD2=0,7*12*0,5+50000*88,35*1*0,01/300000=4,3 Вт.

5.4 Рассчитываем величину сопротивления RОГР

RОГР = UВХМАХ / IПР.УД ;

RОГР = 57,1/3=19 Ом.

Выбираем резистор RОГР C2-23-5,0-20 Ом±5% при условии:

RОГР<<

20<<36/0,96

20 Ом<<37,5 Ом

P=I2*Rогр=0,482*20=4,6 Вт

5.5 Находим величину емкости Сф:

Принимаем абсолютный коэффициент пульсации ка=0,05

коэффициент запаса по напряжению кз=1,2

Udm=Uc*;

Udm=36*=50,76B;

Сф=;

Сф=Ф=329мкФ.

5.7 Определяем конденсатор

При условии:

Сном>Сф;

220*2>329;

440>329;

Uном?кз*UВХМАХ;

100?1,2*57,1;

100?.68,52

При выборе конденсатора следует учитывать диапазон рабочих температур, а так же тот факт, что конденсатор Сф будет разряжаться короткими импульсами тока с частотой fn. Для соблюдение условия Сном>Сф необходимо подключить два конденсатора типа К50-35.

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 2Д237А	4 шт.
2	VD1	Диод 2Д2998А	1 шт.
3
4	Сн	Конденсатор К50-35 2200 мкФ UНОМ=16В	1 шт.
5	Сф	Конденсатор К50-35 220 мкФ UНОМ=100В	2 шт.
6		Обмоточный провод ПЭТВ 0,60
7		Обмоточный провод ПЭЛШО 1,46
8	Rогр	Резистор С2-23-5,0-20 Ом ±5%	1 шт.
9	VT1	Транзистор 2Т866А	1 шт.
10	Т1	Ферритовый магнитопровод 3000НМС Ш12х15	1 шт.

электропитание преобразователь напряжение выпрямитель

Рис.7. Принципиальная схема ИВЭП с безтрансформаторным входом.

Список использованной литературы

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

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.

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

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

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.

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

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

Размещено на Allbest.ru