Проектирование стабилизированного источника питания

Оглавление.

 

Техническое задание  ……………………………………………………….		3
Введение …………………………………………………………………….		4
1.	Аналитический обзор …………………………………………………	5
	1.1. Линейные источники питания  …………………………………….	5
	1.2. Стабилизаторы линейных источников  питания ………………….	7
	1.2.1. Параметрические  стабилизаторы …………………………..	7
	1.2.2. Компенсационные  стабилизаторы …………………………	8
	1.3. Импульсные источники питания  ………………………………….	9
	1.3. Выбор схемы источника питания  …………………………………	10
2.	Разработка  структурной схемы ………………………………………..	11
3.	Расчет структурной схемы …………………………………………….	15
	3.1. Стабилизатор напряжения ……………………………………….	15
	3.2. Фильтр ………………………………………………………………	16
	3.3. Выпрямитель ……………………………………………………….	17
	3.4. Трансформатор ……………………………………………………..	17
	3.5. Защита ………………………………………………………………	19
4.	Расчет принципиальной схемы ……………………………………….	20
	4.1 Расчет трансформатора ……………………………………………	20
	4.2 Расчет фильтра ……………………………………………………...	23
	4.3 Расчет стабилизатора ……………………………………………….	23
	4.3.1. Транзисторный усилитель ………………………………….	24
	4.3.2. Усилитель сигнала  ошибки …………………………………	24
	4.3.3. Источник опорного напряжения ……………………………	25
	4.3.4. Делитель напряжения ……………………………………….	25
	4.4. Расчет защиты ……………………………………………………...	26
5.	Моделирование …………………………………………………………	27
6.	Разработка конструкции ……………………………………………….	27
7.	Заключение ……………………………………………………………..	28
Список литературы …………………………………………………………		29
Приложения …………………………………………………………………		30

 

 

Техническое задание.

 

Проектирование стабилизированного источника питания, обеспечивающего поддержание постоянного напряжения заданного уровня на нестабильной нагрузке.

 

Напряжение питающей сети переменного тока (номинальное)	UС = 127 В
Отклонение напряжения питающей сети от номинального в процентах	DUС = 25 %
Номинальное выходное напряжение источника питания	UН = 9 В
Допустимое отклонение от номинального выходного напряжения источника питания	DUН = 3 %
Минимальное сопротивление  нагрузки	RН MIN = 3 Ом
Максимальное сопротивление  нагрузки	RH MAX = 5000 Ом
Частота питающей цепи	f = 50 Гц
Коэффициент срабатывания защиты по току	КЗАЩ = 2

 

 

Введение.

 

Неотъемлемой частью любого радиотехнического устройства является источник электропитания.

Для питания постоянным током электронных управляющих, измерительных и вычислительных устройств применяют источники питания малой мощности, которые обычно получают энергию от однофазной цепи переменного тока. Такие источники питания в настоящее время строятся как по традиционной схеме с выпрямителем, подключенным к сети через трансформатор, так и по схеме с бестрансформаторным входом, работа которой основана на многократном преобразовании электрической энергии.

Сейчас выпускаемая  аппаратура становится все сложнее, к ней предъявляются более строгие требования и при этом возрастает количество элементов. Следовательно, на первый план выходят вопросы, связанные с качеством питания этой аппаратуры. Кроме того, каждый прибор имеет свои требования к источнику питания.

 

1. Аналитический обзор.

 

Первая проблема, с  которой сталкиваются при конструировании  любых устройств — это проблема электропитания. 

При выборе и разработке источника питания (далее ИП) необходимо учитывать ряд факторов, определяемых условиями эксплуатации, свойствами нагрузки, требованиями к безопасности и т.д.

В первую очередь, конечно, следует обратить внимание на соответствие электрических параметров ИП требованиям питаемого устройства, а именно:

• напряжение питания;

• потребляемый ток;

• требуемый уровень стабилизации напряжения питания;

• допустимый уровень  пульсации напряжения питания. Немаловажны  и характеристики ИП. влияющие на его эксплуатационные качества:

• наличие систем защиты;

• массогабаритные размеры.

Являясь неотъемлемой частью радиоэлектронной аппаратуры, средства вторичного электропитания должны жестко соответствовать определенным требованиям, которые определяются как требованиями к самой аппаратуре в целом, так и условиями предъявляемыми к источникам питания и их работе в составе данной аппаратуры. Любой из параметров ИП, выходящий за границы допустимых требований, вносит диссонанс в работу устройства. Поэтому, прежде чем начинать сборку ИП к предполагаемой конструкции, внимательно проанализируйте все имеющиеся варианты и выберите такой ИП, который будет максимально соответствовать всем требованиям и вашим возможностям.

 

Существует четыре основных типа сетевых источников питания:

 

• бестрансформаторные, с гасящим резистором или конденсатором.

 

• линейные, выполненные  по классической схеме:

понижающий трансформатор - выпрямитель - фильтр - стабилизатор.

 

• вторичные импульсные: понижающий трансформатор -фильтр - высокочастотный преобразователь 20-400 кГц.

 

• импульсный высоковольтный высокочастотный:

фильтр - выпрямитель ~220 В - импульсный высокочастотный преобразователь 20-400кГц.

 

1. Линейные источники питания

 

Отличаются предельной простотой и надежностью, отсутствием  высокочастотных помех. Высокая степень доступности комплектующих и простота изготовления делает их наиболее привлекательными для повторения начинающими радиоконструкторами. Кроме того, в некоторых случаях немаловажен и чисто экономический расчет — применение линейных ИП однозначно оправдано в устройствах, потребляющих до 500 мА, которые требуют достаточно малогабаритных ИП. К таким устройствам можно отнести:

 

• зарядные устройства для  аккумуляторов;

 

• блоки питания радиоприемников, АОНов, систем сигнализации и т.д.

 

Некоторые конструкции, не требующие гальванической развязки с промышленной сетью, можно питать через гасящий конденсатор или резистор, при этом потребляемый ток может достигать сотен мА.

Эффективность и рациональность применения линейных ИП значительно снижается при токах потребления более 1 А. Причинами этого являются следующие явления:

 

• колебания сетевого напряжения сказываются на коэффициенте стабилизации;

 

• на входе стабилизатора  приходится устанавливать напряжение, которое будет заведомо выше минимально допустимого при любых колебаниях напряжения в сети, а это значит, что когда эти колебания высоки. необходимо устанавливать завышенное напряжение, что в свою очередь влияет на проходной транзистор (неоправданно большое падение напряжения на переходе, и как следствие — высокое тепловыделение);

 

• большой потребляемый ток требует применения габаритных радиаторов на выпрямляющих диодах и регулирующем транзисторе, ухудшает тепловой режим и габаритные размеры устройства в целом.

 

В настоящее время  традиционные линейные источники питания  все больше вытесняются импульсными. Однако, несмотря на это, они продолжают оставаться весьма удобным и практичным решением в большинстве случаев радиолюбительского конструирования (иногда и в промышленных устройствах). Причин тому несколько: во-первых, линейные источники питания конструктивно достаточно просты и легко настраиваются, во-вторых, они не требуют применения дорогостоящих высоковольтных компонентов и, наконец, они значительно надежнее импульсных ИП.

 

Типичный линейный ИП содержит в своем составе:

 

• сетевой понижающий трансформатор 
• диодный мост с фильтром
• стабилизатор, который преобразует нестабилизированное напряжение, получаемое со вторичной обмотки трансформатора через диодный мост и фильтр, в выходное стабилизированное напряжение, причем, это выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения стабилизатора.

Основным недостатком такой  схемы является низкий КПД и необходимость резервирования мощности практически во всех элементах устройства (т.е. требуется установка компонентов допускающих большие нагрузки, чем предполагаемые для ИП в целом, например, для ИП мощностью 10 Вт требуется трансформатор мощностью не менее 15 Вт и т.п.). Причиной этого является принцип по которому функционируют стабилизаторы линейных ИП. Он заключается в рассеивании на регулирующем элементе некоторой мощности

 

Ppac = Iнагр * (Uвх - Uвых)

 

Из формулы следует, что чем больше разница между  входным и выходным напряжением стабилизатора, тем большую мощность необходимо рассеивать на регулирующем элементе. С другой стороны, чем более нестабильно входное напряжение стабилизатора, и чем больше оно зависит от изменения тока нагрузки, тем более высоким оно должно быть по отношению к выходному напряжению. Таким образом видно, что стабилизаторы линейных ИП функционируют в достаточно узких рамках допустимых входных напряжений, причем эти рамки еще сужаются при предъявлении жестких требований к КПД устройства. Зато достигаемые в линейных ИП степень стабилизации и подавление импульсных помех намного превосходят другие схемы.

 

1.2. Стабилизаторы линейных источников питания.

1.2.1. Параметрические стабилизаторы

 

Основаны на использовании  особенностей вольт - амперных характеристик некоторых полупроводниковых приборов — в основном, стабилитронов. Их отличает высокое выходное сопротивление. невысокий уровень стабилизации и низкий КПД. Такие стабилизаторы применяются только при малых нагрузках, обычно — как элементы схем (например, в качестве источников опорного напряжения).

 

Основа простейшего параметрического стабилизатора (рис.1.1.) - цепочка из резистора R1 и стабилитрона VD1.

Рис. 1.1.

Стабилитрон - это специальный диод, включенный в обратной полярности и работающий в режиме лавинного обратимого пробоя. Если повышать обратное напряжение на стабилитроне, то сначала ток будет небольшим, а по достижении напряжения стабилизации (об этом указывается в справочных данных) резко возрастет. Чтобы ограничить возрастание тока через стабилитрон, его включают через резистор R1 (это так называемый балластный резистор). Рассчитывают ток через стабилитрон по формуле I = (Uвх - Uст)/R. Таким образом, входное напряжение должно быть всегда больше выходного, стабилизированного.

При питании маломощных устройств часто обходятся таким  простейшим стабилизатором, снимая выходное напряжение со стабилитрона. При расчете по данной формуле ток I должен включать в себя как ток стабилитрона (обычно 5...20 мА), так и ток нагрузки (такого же порядка).

При большем токе нагрузки используют дополнительный транзистор VT1, включенный как эмиттерный повторитель (рис. 1.2.).

 

Рис. 1.2.

 

Он "повторяет" на нагрузке стабилизированное напряжение базы. Выходное напряжение Uст примерно на 0,7 В (падение напряжения на переходе база-эмиттер) меньше паспортного напряжения стабилизации стабилитрона. При больших токах нагрузки используют составной транзистор.

Главные недостатки данного  стабилизатора – низкий коэффициент  стабилизации 20-50 и низкий КПД 20-30%

 

1.2.2. Компенсационные  стабилизаторы.

 

Стабилизаторы компенсационного типа характеризуются тем, что напряжение на выходе остается практически неизменным при изменении входного напряжения или тока нагрузки в результате воздействия цепи отрицательной обратной связи на регулирующий элемент схемы. Таким образом, принципиальным отличием компенсационного стабилизатора от параметрического является наличие в схеме отрицательной обратной связи (рис. 1.3.).

Рис. 1.3