Блок питания

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

1 Анализ технического  задания

2 Разработка принципиальной  схемы

3 Расчет элементов  схемы

4 Анализ спроектированного  устройства на ЭВМ

Выводы

Перечень ссылок

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

 

 

Введение

 

Вторичные источники  питания используются в РЭА, питающейся от сети переменного тока, для получения напряжений постоянного и переменного тока, необходимых для питания различных узлов. Недостатком данного типа блока питания является большая материалоёмкость, меньшей удельной мощностью и более низким КПД, в отличии от импульсного источника питания – это обусловлено наличием трансформатора питания работающего на частоте 50 Гц и стабилизатора компенсационного типа непрерывного действия. В данный момент в РЭА чаще стали использоваться другие виды источников питания.

 

 

1 Анализ технического  задания

 

В донной курсовой работе необходимо рассчитать и спроектировать вторичный источник питания по таким исходным данным

Uвых=12 В

Uвых=0.4 B

f =50 Гц

 Uвх=15 B

Uвх=220 B

Kст=100

Iн=2 mA

На рис. 1.1 изображена структурная схема вторичного источника питания.

 

Трансформатор питания

выпрямитель

Сглаживающий фильтр

Стабилизатор напряжения

Рис.1.1 – Структурная  схема вторичного источника питания

 

Выпрямительные устройства (выпрямители) относятся к вторичным источникам электропитания. Они используются для преобразования переменного напряжения в постоянное. Источником переменного напряжения может быть сеть переменного тока частотой 50 Гц или преобразователь постоянного напряжения в переменное повышенной частоты.

Выпрямитель в большинстве случаев  состоит из трансформатора питания, изменяющего напряжение,комплекта вентилей – выпрямляющих переменное напряжение и сглаживающего фильтра. Сопротивление вентиля в прямом направлении в сотни раз меньше, чем в обратном. В настоящее время в основном используются полупроводниковые вентили.

Сглаживающие фильтры  включают между выпрямителем и нагрузкой

Для уменьшения пульсаций (переменной составляющей) выпрямленного  напряжения. Наиболее часто используются фильтры, состоящие из дросселя и конденсатора (рис.1.1,а) или из резистора и конденсатора (рис.1.2,а).

 

Рис. 1.2 - Схемы сглаживающих фильтров

 

На рис. 1.3 - изображена однофазная мостовая схема выпрямителя

 

Рис.1.3- Однофазная мостовая схема выпрямителя

Стабилизаторы напряжения имеют такие основные параметры : Коэффициент нестабильности по напряжению – отношение производной выходного напряжения по входному напряжению к выходному напряжению:

 

Кнu=

Uвых*100% / Uвых* Uвх (1.1)

 

 

Коэффициент нестабильности по току – относительное изменение выходного напряжения при изменении выходного тока в определенных пределах:

 

Кнi=

Uвых*100% / Iвых(1.2)

 

Коэффициент стабилизации напряжения – отношение относительных  изменений входного и выходного  напряжений при постоянном выходном токе :

 

Кст=1/(Кну*Uвх)(1.3)

 

Выходное сопротивление стабилитрона – производная выходного напряжения по выходному току :

 

Rвых=dUвых/dIвых(1.4)

 

Коэффициент полезного  действия – отношение мощности на выходе стабилитрона к мощности на входе.

Коэффициент сглаживания пульсаций – соотношение напряжения пульсаций на входе и на выходе.

Во вторичных источниках питания используются параметрические

и компенсационные стабилизаторы  напряжения.

Наиболее простыми стабилизаторами  напряжения являются параметрические  стабилизаторы напряжения.Они характеризуются сравнительно невысокими коэффициентами стабилизации, большим выходным сопротивлением, низким КПД. В таких стабилизаторах невозможно получить точное значение выходного напряжения и регулировать его.

На рис.1.4 изображена схема параметрического стабилизатора напряжения.

 

Рис.1.4 - Схема параметрического стабилизатора напряжения

 

Компенсационные стабилизаторы  напряжения представляют собой систему  автоматического регулирования, в которой с заданной точностью поддерживается постоянным напряжение на выходе независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки. На рис.1.5 изображена одна из схем компенсационного стабилизатора напряжения.

 

Рис.1.5 - Схем компенсационного стабилизатора напряжения

 

2 Разработка принципиальной схемы

На входе вторичного источника питания можно поставить схему однофазного выпрямителя напряжения изображенную на рис.1.3.

После выпрямителя поставим сглаживающий R-C фильтр изображений

на рис.1.2,а.

Потом необходимо рассчитать и установить одну из схем параметрического стабилизатора напряжения.Например схему изображенную на рис.1.5.

Схема вторичного источника  питания будет иметь вид:

 

Рис.1.5 - Схема  вторичного источника питания

 

3 Расчет элементов  схемы

 

1. Расчет следует производить  «от нагрузки». Для чего по исходным данным определим RН :

 

 (3.1)

 

.

2. Зададимся коэффициентом  стабилизации (из исходных данных) :

К = 100.

3. Находим величину  минимального напряжения на входе  стабилизатора

 

UВХ.МИН = UВЫХ + UК.Э1 МИН + DUВЫХ, (3.2)

 

где UК.Э1 МИН — минимально допустимое напряжение между эмиттером и

коллектором регулирующего  транзистора, при котором работа

еще происходит на линейном участке выходной характеристики

IK = F (UК.Э) при I0 = const;

DUВЫХ — отклонение напряжения на выходе стабилизатора от номинального.

Напряжение UК.Э1 МИН для большинства транзисторов не превышает 1—3 в. При расчете UК.Э1 МИН можно принимать равным 3 в. Величина напряжения DUВЫХ для нашего случая определяется верхним пределом регулировки выходного напряжения, т. е. DUВЫХ= 0,4 В. Таким образом,

UВХ.МИН = 12 + 3 + 0.4 =15.4 B.

Номинальное и максимальное напряжения на входе стабилизатора  с учетом допустимых отклонений входного напряжения (поскольку нестабильность напряжения питающей сети нам не задана, возьмем отклонение DUВХ = ± 10%, что вполне достаточно для обеспечения заданных показателей качества) соответственно равны

 

 (3.3)

 

 (3.4)

 

3. Определяем максимальное  падение напряжения на участке

эмиттер — коллектор  регулирующего транзистора

 

UК.Э1 МАКС = UВХ. МАКС — UВЫХ, (3.5)

 

UК.Э1 МАКС = 18,2 — 12 = 6,2 в.

4. Находим максимальную  мощность, рассеиваемую на коллекторе

регулирующего транзистора,

 

РК1 МАКС = UК.Э1 МАКС • I ВЫХ. МАКС, (3.6)

 

где I ВЫХ. МАКС — максимальное значение тока нагрузки. Для нашего случая (при неизменном токе нагрузки)

I ВЫХ. МАКС = I ВЫХ. = 0,1 А

Следовательно

РК1 МАКС = 8,2 • 0,1 = 0,82 Вт.

5. Выбираем тип регулирующего  транзистора.

При выборе необходимо выполнить  условия

 

I К1. МАКС » I ВЫХ. £ I К1. МАКС. ДОП.; (3.7)

 

UК.Э1 МАКС £ UК.Э1 МАКС. ДОП.; (3.8)

 

РК1 МАКС £ РК1 МАКС. ДОП. (3.9)

 

Пользуясь таблицами соответствующих  справочников выбираем транзистор Т1 типа П4БЭ с такими параметрами: коэффициент  усиления по току В1 = 20, максимально  допустимое напряжение коллектор —  эмиттер UК.Э1 МАКС. ДОП. = 60 в;

максимально допустимый ток коллектора I К1. МАКС. ДОП. = 5 а; максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе (без дополнительного теплоотвода), РК1 МАКС. ДОП = 3 вт.

Таким образом, для выбранного транзистора П4БЭ условия (3.7) ¸ (3.9) выполняются.

6. Выбираем тип согласующего  транзистора Т2. Транзистор Т2 предназначен для согласования большого выходного сопротивления (порядка 10 ком) усилителя постоянного тока, собранного на транзисторе Т3, с малым входным сопротивлением (порядка 10 ом) регулирующего транзистора Т1.

Кроме того, транзисторы  Т1 и Т2, образуя составной транзистор, имеют общий коэффициент усиления по току

 

Вобщ. = В1 • В2 (3.10)

 

где В1 и В2 — коэффициенты усиления по току транзисторов Т1 и Т2. Большой коэффициент усиления по току Вобщ. позволяет значительно повысить коэффициент стабилизации схемы по напряжению.

Принимая

 

I К2 I Э2.= I б1, (3.11)

 

где I К2 и I Э2. — токи коллектора и эмиттера транзистора Т2 ; I б1 — ток базы транзистора Т1 и учитывая, что

 

I б1 I К1 / В1 = 100 /20 = 5 мА, (3.12)

 

получим

I К2 » 5 мА.

Кроме того,

 

UК.Э2 МАКС = UК.Э1 МАКС = 8,2 в. (3.13)

 

Таким образом, мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора  Т2, равна Рк2 макс » Uк.э2 макс • I к2 = 8,2 • 5х10-3 = 0,041 Вт = 41 мВт.

По справочнику выбираем транзистор Т2 типа П201А с параметрами:

коэффициент усиления по току В2 = 40, максимальное напряжение между коллектором и эмиттером Uк.э2 макс. доп.=22 в, максимальный ток коллектора I к2. макс. доп = 1,5 а, максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе, Рк2 макс. доп = 1 вт. Поскольку Рк2 макс. = 0,041 вт < Рк2 макс. доп = 1 вт, то транзистор Т2 выбран правильно.

7. Выбираем тип кремниевого стабилитрона. В качестве источника эталонного  напряжения обычно используется  кремниевый стабилитрон, который  должен иметь номинальное напряжение  стабилизации, который должен иметь  номинальное напряжение стабилизации

 

Uст » (0,6 ¸ 0,7) • Uвых, (3.14)

 

Uст » (0,6 ¸ 0,7) • 9 = 5,4 ¸ 6,3 в.

По справочнику выбираем стабилитрон  типа Д808, у которого

Uст = Uэт = 8 в. ; I ст = 5 мА ; I ст. макс. = 40 мА.

8. Находим коэффициент  деления напряжения делителем R5,R6 и R7

 

a = U2 вых / Uвых » Uэт / Uвых = 8 / 12 = 0,667 (3.15)

 

9. Выбираем тип управляющего (усилительного) транзистора Т3. На  транзисторе Т3 собран усилитель, который должен реагировать на самые незначительные колебания выходного напряжения и усиливать их до величины, достаточной для управления регулирующим транзистором. Поэтому управляющий транзистор должен обеспечивать достаточное усиление сигнала по напряжению. При выборе транзистора необходимо обратить внимание на величину коллекторного тока I кз. Этот ток должен быть по возможности небольшим, но всегда превышать ток базы согласующего транзистора Т2. Обычно величина тока I кз выбирается в пределах 0,5 ¸ 2 ма. Требуемое значение коэффициента усиления по напряжению для управляющего транзистора можно найти по формуле

 

 (3.16)

 

где DUвх = Uвх. макс — Uвх. мин = 17,2 – 14 = 3,2 в.

Наиболее часто в  качестве управляющих используются маломощные низкочастотные транзисторы.

Предварительно выберем  транзистор тира МП41 (П15) с такими данными: коэффициент усиления по току B3 = 30, максимально допустимое напряжение коллектор—эмиттер UК.Э3 МАКС. ДОП. == 20 в, максимальный ток коллектора  
I К3. МАКС. ДОП = 20 ма, максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе Рк3 макс. доп = 0,15 вт. Определим фактический коэффициент усиления каскада на транзисторе МП41 (П15). Для этого можно воспользоваться формулой

 

 (3.17)

где , — крутизна характеристики транзистора Т3 (число, показывающее,

на сколько миллиампер изменится коллекторный ток при  изменении напряжения между базой  и эмиттером транзистора на 1 в);

R1 — сопротивление нагрузки в цепи коллектора транзистора Т3.

Для маломощных низкочастотных транзисторов, используемых в схемах стабилизаторов напряжения, значение крутизны лежит в пределах

S3 = (20 ¸ 40) мА/в.

Принимаем S3 = 30 ма/в.

Сопротивление R1 может  быть найдено по формуле

 

 (3.18)

 

Мощность, рассеиваемая на резисторе R1, составляет

PR1 = (IK3)2 • R1 = 12000 • (2х10-3)2 = 0,048 Вт.

Определим величину мощности, рассеиваемой на коллекторе транзистора T3,