Проектирование стабилизированного источника питания

3. Расчет структурной  схемы.

 

трансформатор      выпрямитель    фильтр         стабилизатор

 

Рис.3.1

 

 

3.1. Стабилизатор напряжения.

 

• Напряжение на нагрузке

 

- максимальное выходное напряжение

- минимальное выходное напряжение

 

Где

 

- допустимое отклонение выходного  напряжения источника питания.

 

= 9В – номинальное напряжение  на выходе цепи

D = 3% - отклонение напряжения на выходе цепи от номинального 

 

Тогда

 

U_{Н ДОП} = 0,18 В

U_{Н MAX} = 9.18 B

U_{Н MIN} = 8.82 B

 

• Напряжение на входе.

 

 

- максимальное входное напряжение

- минимальное входное напряжение

 

Где

- допустимое отклонение входного напряжения источника питания.

 

= 127В – номинальное напряжение  на входе цепи

D = 25% - отклонение напряжения на входе цепи от номинального 

 

Тогда

 

U_{С ДОП} = 31,75 В

U_{С MAX} = 158.75 B

U_{С MIN} = 95.25 B

 

• Ток на нагрузке.

 

- минимальный ток нагрузки

 

- максимальный ток нагрузки

Где

 

R_MAX = 5000 Ом – максимальное сопротивление нагрузки

R_MIN = 3 Ом – минимальное сопротивление нагрузки

 

Тогда

 

0.0018 А

3.06 А

 

 

2. Фильтр

 

= 16,005 В

 

Где

 

U_П = 0,005 В

К_П = 0,1

 

 

Где 0,02¸0,05 А – примерные потери в схеме компенсационного стабилизатора.

 

3,06 + 0,04=3,1 А

 

Применим П-образный фильтр и найдем напряжение  падения  на дросселе.

 

16,005*0,15 = 2,4 В

 

3. Выпрямитель.

 

= 18,405 В

А

  где  F = 5 ¸ 7,5

I_{M_B} = 0.5*6*3.1 = 9.3 A

 где  В =0,9 ¸ 1,2

 

Выберем тип вентиля  2Д210А (4 шт), U_обр = 800В, I = 5A, U_пр = 1,2 В

 

Схема выпрямителя однофазная, мостовая.

 

Внутреннее сопротивление  вентеля

 

0,62 Ом

 

4. Трансформатор.

 

Рассчитаем значение сопротивления обмоток трансформатора, приведенное к фазе вторичной обмотки:

 

Где

 

В_m – магнитная индукция в магнитопроводе, принимается равным  <=1,5Тл.

Пусть В_m = 1,4Тл.

S = 1 – число стержней магнитопровода.

К_ТР = 3,5 – коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (у нас для однофазной мостовой схемы).

 

= 0,312 Ом

 

Полное активное  сопротивление  фазы выпрямителя

 

R_в = R_ТР + 2R_i = 0,312 + 2*0,62 = 1,552 Ом

 

Индуктивность рассеивания  трансформатора

 

Где

 

K_L = 5 * 10^-3 - для однофазной мостовой схемы,

 

 

 

 

Основной расчетный  параметр:

 

Где

 

m = 2  – число импульсов выпрямленного напряжения (для однофазной мост. схемы);

 

 

 

Угол сдвига за счет L_s

 

 

По графикам (рис. 3.2) находим  вспомогательные коэффициенты: B, D, F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.2.

 

B = 1.2  D = 1.95 F = 5.3

 

По графику (рис. 3.3) находим вспомогательный коэффициент: H = 700

 

Рис. 3.3.

 

Напряжение вторичной  обмотки трансформатора:

 

U_Т = B*U_В = 1,2*18,405 = 22,086 В

 

Ток вторичной обмотки  трансформатора:

 

I_Т = 0,707*D*I_В = 0,707*1,95*3,1 = 4,27 А

 

Коэффициент трансформации:

 

К_ТР = U_С/U_Т = 127/22,086 = 5.75

 

Ток первичной обмотки  трансформатора:

 

I_С = I_Т/К_ТР = 4,27/5,75 = 0,74 A

 

Типовая мощность:

 

Р_ТИП = 0,707*В*D*I_В*U_В= 0,707*1,2*1,95*3,1*18,405 = 94,39 Вт

 

 

5. Защита.

 

Ток срабатывания защиты:

 

I_ЗАЩ = К_ЗАЩ * I_{Н_MAX} = 2*3,06 = 6,12 А.

 

4. Расчет принципиальной схемы.

 

1. Расчет трансформатора.

 

Уточним параметры: R_ТР и R_В:

 

По справочнику находим  для значения Р_ТИП = 94,39 Вт, f = 50 Гц находим В_m = 1,35 Тл

 

Где

 

В_m – магнитная индукция в магнитопроводе, принимается равным  <=1,5Тл.

S = 1 – число стержней магнитопровода.

К_ТР = 3,5 – коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя (у нас для однофазной мостовой схемы).

 

= 0,312 Ом

 

Полное активное  сопротивление  фазы выпрямителя

 

R_в = R_ТР + 2R_i = 0,312 + 2*0,62 = 1,552 Ом

 

Индуктивность рассеивания  трансформатора

 

Где

 

K_L = 5 * 10^-3 - для однофазной мостовой схемы,

 

 

Основной расчетный  параметр:

 

Где

 

m = 2 – число импульсов выпрямленного напряжения для однофазной мостовой схемы.

 

 

Угол сдвига за счет L_s

 

 

По графикам (рис. 3.2) находим  вспомогательные коэффициенты: B, D, F

 

B = 1.15   D = 2  F = 5.1

 

По графику (рис. 3.3) находим вспомогательный коэффициент: H = 650

 

Напряжение вторичной обмотки  трансформатора:

 

U_Т = B*U_В = 1,15*18,405 = 22,166 В

 

Ток вторичной обмотки  трансформатора:

 

I_Т = 0,707*D*I_В = 0,707*2*3,1 = 4,774 А

 

Коэффициент трансформации:

 

К_ТР = U_С/U_Т = 127/22,166 = 5.73

 

Ток первичной обмотки  трансформатора:

 

I_С = I_Т/К_ТР = 4,27/5,73 = 0,745 A

 

Типовая мощность:

 

Р_ТИП = 0,707*В*D*I_В*U_В= 0,707*1,15*2*3,1*18,405 = 92,78 Вт

 

Определим размеры сердечника трансформатора

 

Где

 

Q_СТ – полное сечение стержня, на котором расположены обмотки,

Q₀ – площадь окна сердечника, приходящаяся на обмотки одного стержня.

В_m = 1,35Тл – максимальная магнитная индукция в сердечнике трансформатора, s = 1 – число стержней трансформатора, на которых расположены обмотки,

f = 50 Гц

 

Из справочника выбираем для броневых и стержневых трансформаторов  из стали Э320 (f = 50 Гц):

 

s = 2,5А/мм² – плотность тока в обмотках,

h = 0,88 – зависимость КПД трансформатора от мощности, для

k_М = 0,3 – коэффициент заполнения окна медью обмотки,

k_С=0,93 – коэффициент заполнения сечения сердечника сталью с толщиной ленты d = 0,35 мм.

 

Таким образом 

 

см⁴

 

выбираем магнитопровод ШЛ25´25, сталь Э320,

 

Q₀ = 16 см²

Q_СТ = 6,04 см²

Q₀ = 5,6 см² – активное сечение стали

G = 0,9 кг – масса магнитопровода

 

Рассчитаем число витков обмоток.

 

 

Рассчитаем диаметры проводов.

 

мм

 

мм

 

Из справочника выбираем ближайшие обмоточные провода ПЭВ-2 – провод медный, круглого сечения, изолированный лаком ВЛ-931, с изоляцией  нормальной толщины.

 

d₁ = 0,62 (с изоляцией = 0,69) мм

d₂ = 1,56 (с изоляцией = 1,67) мм

 

2. Расчет фильтра.

 

Определим значение емкости  фильтра:

 

 

Выбираем П-образный фильтр. Коэффициент пульсации на входе  фильтра:

 

 

Где С₁ = С = 10000 мкФ

 

Коэффициент сглаживания  фильтра

 

 

Индуктивность дросселя L1

 

Конденсатор на выходе возьмем такой  же как и на входе 

 

С₂ = 10000 мкФ

 

3. Расчет стабилизатора.

 

Структурная схема стабилизатора  напряжения (рис.4.3.1.)

 

 

 

 

Рис. 4.3.1.

 

Выходное напряжение U_ВЫХ стабилизатора через делитель напряжения поступает на усилитель сигнала ошибки, где сравнивается с выходным напряжением источника опорного напряжения. С выхода усилителя сигнала ошибки напряжение через транзисторный усилитель мощности поступает на выход стабилизатора.

 

1. Транзисторный усилитель.

 

Транзисторный усилитель  является силовым элементом, усиливающим  сигнал с выхода усилителя сигнала  ошибки. Основная его задача – согласование по мощности нагрузки стабилизатора напряжения и маломощного усилителя сигнала ошибки. Выбор транзистора производится по току нагрузки I_Н, максимальному напряжению на выходе U_{В_MAX}. Рассеиваемая мощность транзистора с радиатором должна быть не менее I_Н* U_{В_MAX}.

 

В

Вт

 

Выбираем транзистор 2Т819А: Р_кmax = 100 Вт, U_K = 80 B, I_kmax = 15A, h₂₁ = 20.

 

Данный транзистор не подходит по току базы, т.к. нам не найти  ОУ с токовым выходом больше тока базы ( ) , поэтому применим составной транзистор состоящий из 2Т819А(VT1) и КТ630Е(VT2) (Р_кmax = 0,8 Вт, U_K = 50 B, I_kmax = 1A, h₂₁ = 300).

 

 

Необходимый базовый  ток будет обеспечивать резистор R5.

 

Выбираем R5 = 8.2кОм

 

 

2. Усилитель сигнала ошибки.

 

Усилитель сигнала ошибки собираем на ОУ, выбираем ОУ К153УД2 у  которого U_ПИТmin = ± 2, I_ВЫХ = 0,5мА

 

 

 

3. Источник опорного напряжения.

 

Источник опорного напряжения должен формировать стабильное напряжение на входе усилителя ошибки. Стабильность источника опорного напряжения определяет качественные показатели стабилизатора, т.к. любые колебания опорного напряжения однозначно проявляются на выходе схемы. По сути источник опорного напряжения является маломощным высококачественным параметрическим стабилизатором напряжения.

 

Состоит он резистора R4 и стабилитрона VD1

 

Стабилитрон выбираем так, чтобы U_СТ < U_H (на 2-3 вольта) и a (температурный коэффициент напряжения стабилизации) был как можно меньшим.

 

Выбираем: КС162А: U_CT = 6.2 B, I_CT = 10 мA, R_CT = 35 Ом.

резистор  Ом

Вт

 

Выбираем резистор МЛТ-0,125 – 910 Ом.

 

4. Делитель напряжения.

 

Делитель напряжения обеспечивает согласование заданного  выходного напряжения и выбранного опорного. Коэффициент деления рассчитывается по уравнению:

 

Коэффициент деления  схемы зависит от положения движка подстроечного резистора R2.

 

 

 

Он используется для точной установки  коэффициента деления в процессе настройки источника питания.

 

Пусть R1 = 800 Ом, R2 = 1,2 кОм, R3 = 2 кОм.

 

мА

 

мВт

Выбираем резистор R1 МЛТ-0,125 – 820 Ом

 

мВт

Выбираем подстроечный резистор R2 С5-17-0,125 – 1,2 кОм

мВт