Стабилизаторы и трансформаторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стабилизированный ИП



Содержание

стабилизатор транзистор выпрямитель

Введение

1. Расчётная часть

1.1 Расчёт стабилизатора

1.2 Расчёт входных параметров стабилизатора

1.3 Расчёт преобразователя

1.4 Расчёт параметров делителя

1.5 Конструктивный расчёт импульсного трансформатора

1.6 Расчёт входного выпрямителя и слаживающего фильтра

2. Организационно-экономическая часть

Заключение

Список литературы

Приложение



Введение

Анализ исходных данных:

U_c = 220 В ± 10%

F_c = 50 Гц

U_вых = 12 В

I_вых = 3 А

К_п = 3%

К_ст = 130

Требования по габаритам: ограниченные, минимальные.

Выбор схемы и её обоснование:

Анализируя исходные тех. данные, выбираем схему с безтрансформаторным входом, т.к. у нас имеется ограничение по габаритам.

Структурная схема:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1

Назначение элементов структуры:

Выпрямитель (В) - выпрямляет входное переменное напряжение, в постоянное, пульсирующее.

Сглаживающий фильтр (СФ) - сглаживает пульсации напряжения.

Преобразователь (Пр) - преобразование постоянного напряжения одного номинала в переменное напряжение другого номинала.

Переключающее устройство (ПУ) - транзисторы, работающие в ключевом режиме.

Трансформатор (Тр) - изменение амплитуд напряжения, тока и гальванически развязывает вход и выход.

Стабилизатор (Ст) - Обеспечивает постоянство входного напряжения с заданной точностью, при изменение входных напряжений или нагрузки в допустимых пределах.

Выбор и обоснование выбора принципиальной схемы.

В_вх (Выпрямитель) -- Выбираем однофазную мостовую схему выпрямления, т. к. есть возможность подключения с безтрансформаторным входом, малые габариты и хорошее качество выпрямленного напряжения.

СФ_вх (Сглаживающий фильтр) -- Выбираем емкостной фильтр, так как малые потери постоянной составляющей, прост и занимает минимальные габариты.

Пр (Преобразователь) -- Выбираем двухтактный преобразователь напряжения, так как у него высокий КПД, и нет подмагничивания магнитопровода, как в однотактной схеме.

В_вых (Выпрямитель) -- Выбираем однофазную мостовую схему выпрямления, т. к. есть возможность подключения с безтрансформаторным входом, что обеспечивает малые габариты и хорошее качество выпрямленного напряжения.

СФ_вх (Сглаживающий фильтр) -- Выбираем емкостной фильтр, так как малые потери постоянной составляющей, он прост и занимает минимальные габариты.

Ст (Стабилизатор) -- Выбираем компенсационный стабилизатор постоянного напряжения с непрерывным действием, так как высокий коэффициент стабилизации.



1. Расчётная часть

1.1 Расчёт стабилизатора

Задаём коэффициент пульсации на входе у стабилизатора К_п1 - зависит от выходного напряжения.

При U_вых ? 5В, то

Где ?? - коэффициент изменения входного напряжения в сети, а значит и входное напряжение стабилизатора.

Определяем коэффициент изменения напряжения выпрямителя.

Задаёмся величиной внутреннего сопротивления выпрямителя.

U_вых ? 5В, то

Минимальное допустимое падение напряжения на регулируемом транзисторе.

U_кэmin ? (2ч8)В - кремневый.

Расчёт максимального тока, потребляемого стабилизатором.



I_вхст = I_нmax = I_н + I_доб = 3.09

I_доб - ток стабилитрона + ток делителя.

I_доб = (0.03 ч 0.1) • I_н, при чём коэффициент уменьшается увеличением тока.

Вспомогательный коэффициент.

Где,

Коэффициент регулировки выходного напряжения. Выходное напряжение регулируется приблизительно на 20% вверх и вниз от номинала.

Определяем входные напряжения стабилизатора.

_Uвхmin = U_вых ??_max F = 12 • 1.2 • 1,323 = 17 В

U_вхном = = 18 В

U_вхmax = U_вхном • A_max = 19 В

Определение параметров регулятивного VT3 и выбор типа транзистора.

- Максимальное напряжение.



- Максимальная мощность, рассеиваемая на транзисторе VT3.

По полученным данным выбираем усилительный транзистор VT3, таким условиям удовлетворяет нас КТ818А с параметрами:

Определение параметров опорного стабилитрона VD9 и выбор его типа.

- Напряжение опорное.

U_опном=7В

Выбираем опорный стабилизатор VD9 по полученным данным, которым соответствует 2С168А с параметрами:

Определение параметров усилительного транзистора VT4 и выбор его типа.

- Максимальное напряжение.

Выбираем усилительный транзистор VT4 по полученным данным, которым соответствует П416Б с параметрами:

- Расчёт балластного резистора R4.

Примем R4 = 510 Ом согласно ряду E-24.

Расчёт коллекторного сопротивления R3.

Расчёт сопротивлений делителя R5-R7.

Примем R5=360 Ом согласно ряду E-24.

Примем R6=1300 Ом согласно ряду Е-24.



Примем R7=1500 Ом согласно ряду Е-24.

Расчёт коэффициента стабилизации.

где rк3 - сопротивление коллекторного перехода (коллектора) VT3 определяется по выражению

rэ4 -- сопротивление эмиттера VT4

r_б4 -- сопротивление базы VT4, в соответствии с r_б составляет 100ч500 Ом

Примем: r_б4 = 500 Ом

Если подключить R3 источнику входного напряжения U_вх, возникает прямая связь с выходы на вход схемы; эта связь уменьшает коэффициент стабилизации примерно в r_к3/R3 раз.

Увеличение R3 уменьшает (r_к3/R3), но может привести к нарушению условия нормальной работы стабилизатора: ДI_к4 = -ДI_б3, согласно которому увеличение, например, тока базы транзистора VT3 на ДI_б3 вызывает уменьшение тока коллектора транзистора VT4 на такое же значение. А поскольку ток базы VT3 связан с током нагрузки соотношением I_б3 = I_н/h_21э3, то приведет к нарушению условия нормальной работы стабилизатора, поэтому:

Для повышения коэффициента стабилизации используют подключение в цепь регулирующего элемента дополнительного транзистора, который образует с транзистором VT3 схему составного транзистора. Так как ток коллектора дополнительного транзистора VТ3' равен току базы VT3, т.е. I_б3 = I_к3=I_н/h_21э3, то транзистор VT3' выбирается из условий:

|U_кэmax |> |U_вхmax -- U_выхmin|,

I_кmax>I_к3max = I_нmax/h^!_21э3

Исходя из условий выбираем транзистор 2T825A с параметрами:

h_21Э = 500ч18•10³, U_кэ3=100В, I_к = 2 А

Окончательный коэффициент стабилизации:

Электрический расчёт выходного выпрямителя и сглаживающего фильтра (проверка К_п и q).

Выбор типа диодов VD1-VD4.

Выбор производится по значению среднего тока I_пр.ср и значению обратного напряжения U_{обр.и.п.} тогда,



В соответствие с полученными значениями, выбираю диоды 2Д210А(с барьером Шоттки) с параметрами:

Расчёт входной ёмкости фильтра и выбор конденсатора С3.

,

где K_п - коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения на выходе схемы выпрямителя, обычно она составляет около (2ч5)%.

Примем K_п=3%

Исходя из полученных данных, выбираем конденсатор К50-3Б с параметрами:

С=10 мкФ; U_max=25 В.

1.3 Расчёт преобразователя

Исходные данные:

U_вх = 310В

U_вых = 19В

I_вых = 3,09А

T_{окр. max} = 45 C°

F_п = 50000 Гц

Расчёт основных параметров и выбор типа транзистора:

Выбор типа транзистора производится по значениям входного тока I_вх=I_кmax и максимального напряжения между коллектором и эмиттером транзистора U_кэmax которое определяется с соответствии со следующими выражениями.

,

где ?? - КПД преобразователя и равно оно 0,65ч0,9

В соответствии со следующими данными I_кэmax = 0,27 А и U_кэmax = 744 В, выбираю транзистор типа 2T884A с параметрами: I_кmax = 2А, U_кэmax = 800В, P_кmax = 1Вт (без теплоотвода), P_кmax = 15Вт (с теплоотводом)

1.4 Расчёт параметров делителя

Расчёт резисторов R1, R2 делителя производится в соответствии с выражениями

,

где коэффициент ??_нас = (1,5ч3), примем ??_нас = 2

Примем R1 = 160 Ом согласно ряду Е-24.



В котором I_дел • R1 = U_R1, а I_дел = U_R1 / R1. Примем U_R1 = 30 В.

Примем R2 = 1,5 кОм согласно ряду Е-24.

Ёмкость блокировочного конденсатора С2.

Выбирается в пределах 0,5 ч 1 мкФ. Выбираю К53-14, с параметрами С = 0,68 мкФ, U = 30 В.

1.5 Конструктивный расчёт импульсного трансформатора

Габаритная мощность трансформатора:

Формула определяется в соответствии типа выпрямителя на входе (мостовой).

Выбор типа магнитопровода:

Он определяется мощностью P_г и частотой преобразователя f_п. При P_г ? 1 кВт применяют ленточные магнитопроводы тороидального вида из за малых потерь на рассеивание мощности и гистерезис. В качестве материала на частотах более 2кГц используются пермаллои марок 50НП, 65НП и 34НКМП.

К моим данных хорошо подходит 65НП с толщиной ленты = 0,05мм, B_s=1,3 Тл

Расчёт S_cS₀ магнитопровода трансформатора.

В моём случае тороидальный ленточный нарезной магнитопровод из пермаллоя марки 65НП, то J=3 А/мм²; K_c=0,8; K₀=0,2ч0,3; з=0,8; ??=1.

Расчёт значения толщины стержня магнитопровода.

Толщина намотки ?? и ширина обмотки b рассчитываются по формулам:

отсюда:

Выбор типоразмера магнитопровода:

Выбираю магнитопровод ОЛ-16/26-10 с параметрами: b=10мм; d=16мм; D=26мм; I_c=6,5мм; a=5мм; S_c=0,45см².

Определение числа витков половины коллекторной обмотки трансформатора:

Определение числа витков половины базовой обмотки трансформатора:

Определение числа витков выходной обмотки трансформатора:

Действующее значение тока в коллекторной обмотке:



Действующее значение тока в базовой обмотке:

Диаметр проводов обмоток трансформатора:

Определяется в соответствие с выражением

тогда, диаметр провода коллекторной обмотки:

Диаметр провода базовой обмотки:

Диаметр провода выходной обмотки:



Согласно полученным данным выбираю провод марки ПЭВ-1 (с изоляцией), где диаметры проводов обмоток с изоляцией следующие:

dк = 0,395 мм, dб = 0,115 мм, dвых = 1,26 мм

Проверка выбранного транзистора по тепловому режиму производится следующим образом:

Определяется максимально допустимая мощность при максимальной температуре при помощи формулы:

- без теплоотвода.

- с дополнительным теплоотводом.

Определяется среднее значение мощности транзистора:

где P_к.отс -- мощность, рассеиваемая в области отсечки, Р_к.отс = 0,

Рк.нас -- мощность, рассеиваемая в области насыщения,

Рк.а -- мощность, рассеиваемая в активной области, при возрастании тока коллектора от 0 до Iкmax



,

тогда

Сравниваются полученные значения Pк.ср и Pкmax:

При сравнении необходимо чтобы Pкmax > Pк.ср, тогда 0,8Вт > 0,6Вт, т.е данное условие выполняется, и на трансформатор не требуется дополнительный теплоотвод.

1.6 Расчёт входного выпрямителя и слаживающего фильтра

Расчёт состоит из выбора типа диодов и расчета выходной емкости.

Выбор типа диодов:

Производится по значению среднего тока

Iпр.ср. = 0,5 • Iвых, и по значению обратного напряжения U_обр.и.п = 1,5 • U_вых, тогда

В соответствии с полученными значениями выбираю диоды VD1-4 2Д220Е с параметрами Iпр.ср.= 3А, Uобр.и.п = 600 В

Расчет входной емкости фильтра:



где Кп% - коэффициент пульсации выпрямленного напряжения на выходе схемы выпрямления, т.е. на емкости С1, причем обычно Кп% = 2ч5.

Примем Кп% = 4, тогда

Выбираю конденсатор С1 К50-3Б с параметрами С = 5 мкФ, U = 450В



2. Организационно-экономическая часть

В трансформаторе применял тороидальный ленточный магнитопровод так как требуются минимальные размеры, так же в нем минимальные потери на рассеиваемости мощности и гистерезисе. Магнитопровод применял пермаллоидный, так как у него прямоугольная петля гистерезиса и она обеспечивает быстрое перемагничивание трансформатора.

Выпрямительные диоды VD1-4 выбрал типа 2Д220Е, VD5-8 выбрал типа 2Д222ВС, потому что это диоды с барьером Шоттки и параметры у них превышают параметры обычных диодов, так же они могут работать на высоких частотах (до 200КГц, что требуется от диодов VD5-8) без снижения режимов работы. Cстабилитрон 2С168А выбрал потому, что - требовались как можно меньшие параметры ТКН (температурный коэффициент напряжения) и Rс1 (дифференциальное сопротивление стабилитрона), которые при увеличение могут сказать на работе стабилитрона, а следовательно и всего стабилизатора.

Конденсаторы С2-С3 выбрал оксидно-полупроводниковые, так как они имеют меньшие размеры по сравнению с другими и обеспечивают необходимую величину емкости, по сравнению с электролитическими. Конденсатор С1 выбрал электролитический, так как только этот тип конденсаторов способен работать на высоких напряжениях(требуется U = 310В).

Транзисторы VT1-VT2 выбирал типа 2Т884А, так как только данный тип транзисторов способен работать с высокими напряжениями. Транзисторы VT3, и составной транзистор VT3' выбирал высокочастотными, близкими к требуемым параметрам, что удешевит их стоимость. Транзистор VT4 выбирал маломощным, но с высоким коэффициентом передачи.

Резисторы выбирал непроволочные (кроме R1 -- его брал проволочным, так как на нем рассеивается мощность 7,5 Вт и непроволочные не могут работать с такой мощностью), так как их второстепенные параметры (емкость, индуктивность и паразитные сопротивления) минимальны, по сравнению с проволочными. Переменный резистор выбирал близкий к требуемым параметрам, что уменьшит его стоимость и размер.



Заключение

Анализируя данные, делаем вывод о том, что КПД низкий, так как в схеме используется компенсационный стабилизатор непрерывного действия.

Для того что повысить КПД необходимо:

1) Использование ШИМ стабилизации.

2) Использовать в качестве стабилизатора напряжения импульсный стабилизатор с более высоким КПД (до 90%).



Список литературы

1. Горюнов Н.Н. «Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным микросхемам» 2010.

2. Грумбина А.Б. «Электрические машины и источники питания радиоэлектронных устройств» 2008.

3. Чадова О.И. Лекции по дисциплине: «Источники Питания» 2011.



Приложение

Размещено на Allbest.ru