Расчет однофазного трехканального стабилизированного источника питания для электронных устройств

Федеральное агентство по образованию РФ

 

Ангарская государственная техническая академия

 

Кафедра промышленной электроники и информационно-измерительной техники

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

к курсовой работе по дисциплине

 

«Общая электротехника и электроника»

 

Расчет однофазного трехканального стабилизированного источника

питания для электронных устройств

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                       

 

 

Выполнил ст-нт гр.:        АТП-08-1

                                                                                        Фамилия И. О.       Гамаюнов Д. Н.

                                                                                      

 Проверил:                 Липнин Ю. А.

                                                                          

Дата:_________________________

                                                                                       

      Оценка:_______________________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ангарск 2010 г

 

Содержание:

 

 

1. Описание работы источника питания……………………………………………..3

 

2. Расчет стабилизаторов напряжения  и выбор элементов схемы…………............4

 

2.1. Расчёт стабилизатора первого канала, выбор микросхемы……………………………………………………………………..4

 

2.2. Расчёт стабилизатора второго канала, выбор стабилитрона и транзистора……………………………………………………………………...4

 

3.Расчёт выпрямителей с ёмкостным фильтром…………………………………….5

 

3.1. Расчёт выпрямителя первого канала и внешняя характеристика………6

 

3.2. Расчёт выпрямителя второго канала и внешняя характеристика………9

 

3.3. Расчет выпрямителя  третьего канала и внешняя характеристика…….12

 

3.4. Проверка работоспособности  и правильности расчетов 

выпрямителей в среде моделирования «Electronics workbench»…..............15

 

4. Расчет параметров трансформатора  или выбор стандартного

    трансформатора…………………………………………………………...............18

 

5. Расчет коэффициента полезного действия………………………………………21

 

6. Принципиальная электрическая  схема источника питания

    с перечнем элементов на листе формата А3

 

Список используемой литературы………………………………………………….23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Описание работы источника  питания

 

Многоканальный источник питания радиоэлектронной аппаратуры содержит трансформатор с несколькими вторичными обмотками. В каждом канале к своей вторичной обмотке подключены выпрямитель и сглаживающий фильтр. Для поддержания неизменного напряжения в нагрузке в источник питания может устанавливаться стабилизатор. Структурная схема источника питания представлена на рисунке 1:

 

 

Рис. 1.Структурная схема источника питания.

 

Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства

источников питания, являются:

• величина выходного напряжения Ud и тока Id;

• коэффициент пульсаций Кп - отношение амплитуды пульсаций

    выходного напряжения к среднему значению напряжения (постоянной

       составляющей);

• внешняя характеристика - зависимость напряжения в нагрузке от тока

    нагрузки Ud = f(Id);

• коэффициент полезного действия η.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет стабилизаторов напряжения  и выбор элементов схемы

 

Стабилизаторами напряжения называются устройства, автоматически

поддерживающие постоянство напряжения на стороне потребителя с заданной

степенью точности. По принципу действия стабилизаторы подразделяются на

параметрические и компенсационные.

Для стабилизации напряжения постоянного тока используются нелинейные элементы, напряжение на которых мало зависит от тока, протекающего через них. В качестве таких элементов применяются кремниевые стабилитроны. Для подбора необходимого напряжения стабилитроны можно включать последовательно. Если ток нагрузки превышает максимально допустимый ток стабилитрона, применяется усилитель тока на одном или нескольких транзисторах.

 

 

2.1. Расчёт стабилизатора первого  канала, выбор микросхемы

 

КР142ЕН8Е

 

               Uвх = 17.5 В;

              Iвх = 1 А;

K’п1 = Kп1*Ксгл:             K’п1 = 8 %;    

Рис. 2. Расчетная схема стабилизатора на микросхеме.

 

 

2.2. Расчёт стабилизатора второго  канала, выбор стабилитрона и  транзистора

 

VT1 – КТ704Б;      Uкэ.нас = 5 В,   h21э = 10; 

 

 

VD1, VD1 – 2C530A;                Iст.мин = 2 mA;

         Iст.мах = 54 mA;

rст = 90 Ом.

 

 

 

 

 

Рис. 3. Расчетная схема стабилизатора с усилителем тока на транзисторе

 

 

 U ВХ 2 = Ud2 + (5...10)U КЭ.НАС ;  U ВХ 2 = 85 В;

 

 

 

           

 

        

        

     

 

 

 

 

 

3.Расчёт выпрямителей с ёмкостным  фильтром

 
Поскольку выпрямитель в современных маломощных источниках питания

радиоэлектронной аппаратуры содержит емкостный фильтр для уменьшения

пульсаций выпрямленного напряжения, рассмотрим работу выпрямителя на

активно-емкостную нагрузку. Магнитные потоки рассеяния в трансформаторе

оказывают значительное влияние на характер электромагнитных процессов в

выпрямителях, они учитываются индуктивным сопротивление обмоток ха. Другим важным параметром является активное сопротивление обмоток ra. Особенности расчета выпрямителя зависят от соотношения между параметрами ха и ra.

В выпрямителях малой мощности (особенно низковольтных) индуктивное

сопротивление обмоток значительно меньше активного xa/ra≈0,3. Поэтому при

расчете таких выпрямителей потоками рассеяния пренебрегают для упрощения

расчетов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1. Расчёт выпрямителя первого  канала и внешняя характеристика

 

Рис. 4. Однофазный мостовой выпрямитель

 

Сопротивление фазы выпрямителя R складывается из сопротивления

обмотки трансформатора Ra и сопротивления диодов постоянному току Ri

 

Сопротивление обмотки трансформатора описывается формулой Ra:

где Id - среднее значение выпрямленного тока;

КR - вспомогательный коэффициент; КR = 3.5;

Bmax - максимальная индукция в магнитопроводе трансформатора; Bmax = 1.4;

S - количество стержней трансформатора, несущих обмотки; S = 3;

Ud - выпрямленное напряжение;

f=50 Гц - частота питающей сети.

 

Сопротивление диода постоянному току описывается формулой:

 

где М - количество фаз выпрямления;  М = 2.

;

 

 

 R = 1.93 + 2 · 0.583 = 3.096 Ом ;

 

 

 

 

 

Постоянную составляющую тока для М-фазной схемы выпрямления можно

определить:

После преобразований получим:

;                         

 

 

Амплитуда тока в диоде:

 

                     

θ = 0.5585;

 

;

 

;

 

Среднее значение тока диода:

 

Эффективный ток диода:

 

 

 

 

Ток вторичной обмотки трансформатора:

где К3 - вспомогательный коэффициент;  К3 = 0.707

 

 

Напряжение холостого хода на обмотке трансформатора;    К2 - вспомогательный коэффициент.

 

 

 

Емкость конденсатора фильтра:

 

,    где Кп - коэффициент пульсаций, %.

 

 

 

Внешняя характеристика.

 

 

 

 

 

 

 

3.2. Расчёт выпрямителя второго  канала и внешняя характеристика

Рис. 5. Однофазный мостовой выпрямитель

 

 

 

Сопротивление фазы выпрямителя R складывается из сопротивления

обмотки трансформатора Ra и сопротивления диодов постоянному току Ri

 

 

Сопротивление обмотки трансформатора описывается формулой Ra:

где Id - среднее значение выпрямленного тока;

КR - вспомогательный коэффициент; КR = 3.5;

Bmax - максимальная индукция в магнитопроводе трансформатора; Bmax = 1.4;

S - количество стержней трансформатора, несущих обмотки; S = 3;

Ud - выпрямленное напряжение;

f=50 Гц - частота питающей сети.

 

Сопротивление диода постоянному току описывается формулой:

 

где М - количество фаз выпрямления;  М = 2.

;

 

 

 R = 44 + 2 · 3.11 = 55.22 Ом ;

 

 

 

 

 

Постоянную составляющую тока для М-фазной схемы выпрямления можно

определить:

После преобразований получим:

;                         

 

 

Амплитуда тока в диоде:

 

                     

θ = 0.5585;

 

;

 

;

 

Среднее значение тока диода:

 

Эффективный ток диода:

 

 

 

 

Ток вторичной обмотки трансформатора:

где К3 - вспомогательный коэффициент;  К3 = 0.707

 

 

Напряжение холостого хода на обмотке трансформатора;    К2 - вспомогательный коэффициент.

 

 

 

Емкость конденсатора фильтра:

 

,    где Кп - коэффициент пульсаций, %.

 

 

 

Внешняяхарактеристика.

 

 

 

 

3.3. Расчет выпрямителя  третьего канала и внешняя  характеристика

 

Рис. 6. Однополупериодный выпрямитель

 

 

Сопротивление фазы выпрямителя R складывается из сопротивления

обмотки трансформатора Ra и сопротивления диодов постоянному току Ri

 

Сопротивление обмотки трансформатора описывается формулой Ra:

где Id - среднее значение выпрямленного тока;

КR - вспомогательный коэффициент; КR = 2.3;

Bmax - максимальная индукция в магнитопроводе трансформатора; Bmax = 1.4;

S - количество стержней трансформатора, несущих обмотки; S = 3;

Ud - выпрямленное напряжение;

f=50 Гц - частота питающей сети.

 

Сопротивление диода постоянному току описывается формулой:

 

где М - количество фаз выпрямления;  М = 1.

;

 

 

 R = 17.57 + 1 · 1.166 = 19.236 Ом ;

 

 

 

 

 

Постоянную составляющую тока для М-фазной схемы выпрямления можно

определить:

После преобразований получим:

;                         

 

 

Амплитуда тока в диоде:

 

                     

θ = 0.5585;

 

;

 

;

 

Среднее значение тока диода:

 

Эффективный ток диода:

 

 

 

 

Ток вторичной обмотки трансформатора:

где К3 - вспомогательный коэффициент;  К3 = 1

 

 

Напряжение холостого хода на обмотке трансформатора;    К2 - вспомогательный коэффициент.

 

 

 

Емкость конденсатора фильтра:

 

,    где Кп - коэффициент пульсаций, %.

 

Внешняя характеристика.

 

 

 

 

 

 

 

3.4. Проверка работоспособности  и правильности расчетов

выпрямителей в среде моделирования «Electronics workbench»

 

Выпрямитель 1. Однофазный мостовой.

 

Входное напряжение:

 

 

Выходное напряжение:

 

С = 100 000 мкФ: К50-18 Uном = 25 В; 

 

Допустимая амплитуда напряжения переменной составляющей, %  (6..8)

 

25 · 0.08 = 2В   

Выпрямитель 2. Однофазный мостовой.

Входное напряжение:

 

Выходное напряжение:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С = 2200 мкФ: К50-18 Uном = 100 В; 

 

Допустимая амплитуда напряжения переменной составляющей, %  (4..6)

 

100 · 0.06 = 6В

 

Выпрямитель 3.Однополупериодный.

      

 

Входное напряжение:

 

Выходное напряжение:

 

С = 2200 мкФ: К50-18 Uном = 100 В; 

 

Допустимая амплитуда напряжения переменной составляющей, %  (4..6)

 

100 · 0.06 = 6В

4. Расчет параметров трансформатора  или выбор стандартного

трансформатора.

 

В разделе 3 должны быть рассчитаны выпрямители, работающие на

активно-емкостную нагрузку. Необходимо рассчитать  напряжение на вторичной

обмотке трансформатора U2, к которому подключен выпрямитель, и ток I2 этой

обмотки. В курсовом проекте получаются три значения напряжений и три

значения токов вторичных обмоток:

 

U21; I21;  U22; I22;  U23; I23.

 

U21 = 15 В;  U22 = 60 В;  U23 = 50 В; 

I21 = 0.8 А;  I22 = 0.15 А; I23 = 0.2 А;

 

Номинальную мощность вторичной обмотки принимают равной:

ΣР2 = U21⋅I21+U22⋅I22+U23⋅I23.

 

ΣР2 = 15·0.8 + 60·0.15 + 50·0.2 = 31 Вт.

 

Типовая мощность трансформатора:

где η - КПД трансформатора, который определяется по номограмме на рис. 7.