Курсовая работа по электронике «Проектирование вторичного источника электропитания»

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего
образования
«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
Факультет заочного обучения
Кафедра электрификации и автоматизации сельского хозяйства
Курсовая работа по электронике
«Проектирование вторичного источника электропитания»
Выполнил:
Студент:
Направление: Агроинженерия.
Профиль: (Электрооборудование и
электротехнологии)
Проверил:
БАРНАУЛ 2019
Содержание
Техническое задание ................................................................................................... 3
Введение ....................................................................................................................... 3
Теоритические основы ................................................................................................ 4
1.1
Типовой источник питания ............................................................................... 4
1.2
Трансформатор ................................................................................................... 4
1.3
Выпрямитель ...................................................................................................... 5
1.4
Фильтр ................................................................................................................. 5
1.5
Стабилизатор напряжения ................................................................................ 6
2
Основная часть. Разработка источника питания. .............................................. 8
2.1
Выпрямитель нерегулируемый с НЧ фильтром. ............................................ 8
2.2
Выпрямитель с параметрическим стабилизатором. ..................................... 11
2.3
Выпрямитель с электронным стабилизатором напряжения(ОУ) ............... 16
3 Расчет мощности трансформатора ....................................................................... 19
4 Компоновка элементов аппаратуры ..................................................................... 20
Заключение ................................................................................................................ 20
Список литературы ................................................................................................... 21
Приложение А структурная схема устройства ...................................................... 22
Приложение Б принципиальная схема устройства ................................................ 23
2
Техническое задание
Произвести расчет параметров радиоэлементов типовых источников
электропитания с выходным напряжением U = 16В и мощностью P = 160Вт для:
- Нерегулируемого выпрямителя с фильтром НЧ.
- Выпрямителя с параметрическим стабилизатором(16Вт).
- Выпрямителя с электронным стабилизатором напряжения (ОУ).
Проанализировать полученные устройства, выявить их
достоинства и
недостатки;
Введение
Источник электропитания – устройство, которое преобразует параметры
электроэнергии
основного
источника
электроснабжения
(например,
промышленной сети) в электроэнергию с параметрами, необходимыми для
функционирования вспомогательных устройств.
Вся радиоэлектронная аппаратура(РЭА) нуждается в одном или
нескольких источниках питания. Огромное число организаций проводят
исследования в области первичных и вторичных источников электропитания.
Производят их в значительных объемах и поставляют на рынок. В настоящее
время, как правило, не представляет затруднений приобретение необходимого
источника электропитания. В тоже время при разработке той или иной
радиоаппаратуры разрабатывается свой источник питания.
3
Теоритические основы
1.1
Типовой источник питания
Выпрямители
предназначены
для
преобразования
переменного
напряжения (тока) в постоянный. Они применяются для питания практически
всех устройств на полупроводниковых и интегральных элементах, в
промышленных установках по электросварке и выплавке металлов, в технологии
с процессами электролиза, в электроприводах различных транспортных средств
и т.д.
В зависимости от числа фаз различают однофазные и многофазные
(обычно трехфазные) выпрямители.
По величине мощности выпрямители делят на: выпрямители малой,
средней к большой мощности. Выпрямители малой мощности, как правило,
являются однофазными, средней и большой мощности – трехфазные.
Обобщенная блок – схема выпрямителя малой мощности приведена на
рисунке
Рисунок 1 – Обобщенная блок – схема выпрямителя малой мощности
1.2
Трансформатор
Трансформа́тор – статическое электромагнитное устройство, имеющее
несколько индуктивно связанных обмоток на
каком
–
либо
предназначенное
посредством
магнитопроводе
для
и
преобразования
электромагнитной
индукции
одной или нескольких систем (напряжений)
Рисунок 2 – Устройство трансформатора.
4
переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без
изменения частоты.
1.3
Выпрямитель
Выпрями́тель (электрического тока) – преобразователь электрической
энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое
устройство, предназначенное для преобразования входного электрического тока
переменного
направления
в
ток
постоянного
направления
(то
есть
однонаправленный ток), в частном случае – в постоянный выходной
электрический ток.
Рисунок 3 – Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост).
Рисунок 4 – Двухполупериодный выпрямитель.
1.4
Фильтр
LC–фильтр нижних частот (Рисунок 5.а) пропускает электрические
колебания в полосе частот от 0 до 𝐹 =
1
2𝜋√𝐿𝐶
.
Это объясняется тем, что на низких частотах сопротивление индуктивного
элемента XL фильтра мало, а емкостного XC – велико и электрические колебания
проходят со входа на выход почти без ослабления.
5
Рисунок 5 – Схема LC – фильтра нижних частот (а) и его АЧХ (б)
С увеличением частоты сопротивление индуктивного элемента возрастает,
а емкостного – снижается и коэффициент передачи фильтра уменьшается
(Рисунок 5, б).
1.5
Стабилизатор напряжения
Стабилиза́тор напряже́ния – электромеханическое или электрическое
(электронное)
устройство,
имеющее
вход
и
выход
по
напряжению,
предназначенное для поддержания выходного напряжения в узких пределах, при
существенном изменении входного напряжения и выходного тока нагрузки.
Параллельный
параметрический
стабилизатор
на
полупроводниковом стабилитроне.
Такие стабилизаторы применяется для стабилизации напряжения схем с
малым потребляемым током, так как для
стабилизации
напряжения
ток
через
стабилитрон VD1 должен в несколько раз (3–10)
превышать ток потребления от стабилизатора в
присоединённой нагрузке Rн. Обычно такая Рисунок 6 – параметрический
стабилизатор на
схема линейного стабилизатора применяется в полупроводниковом
качестве источника опорного напряжения в
стабилитроне.
более сложных схемах регулирующих стабилизаторов.
6
Последовательный стабилизатор на биполярном транзисторе.
В этой схеме напряжение на базе регулирующего транзистора равно
напряжению на стабилитроне Uz и выходное напряжение будет: Uout = Uz − Ube,
Ube – напряжение между базой и эмиттером транзистора. Так как Ube мало
зависит от тока эмиттера, – выходного тока стабилизатора, и невелико (0,4 В для
германиевых транзисторов и 0,6 – 0,65 В для кремниевых транзисторов)
приведённая схема осуществляет стабилизацию напряжения.
Фактически схема представляет собой рассмотренный выше параллельный
параметрический стабилизатор на
стабилитроне, подключённый ко
входу эмиттерного повторителя. В
нём
нет
контура
авторегулирования,
обеспечивающего
практически
полную компенсацию изменений
Рисунок 7 – Последовательный
выходного напряжения и изменений стабилизатор на биполярном
транзисторе
выходного тока.
Последовательный компенсационный стабилизатор с контуром
авторегулирования.
В таких стабилизаторах выходное напряжение сравнивается с опорным
напряжением,
разность
этих
напряжения
усиливается
усилителем
сигнала
рассогласования,
выход усилителя сигнала
рассогласования управляет
регулирующим элементом.
В качестве примера
приведена
рисунке.
схема
Часть
на
Рисунок 8 – Последовательный компенсационный
выходного стабилизатор с контуром авторегулирования
напряжения Uout, снимаемая с
7
резистивного делителя напряжения, состоящего из потенциометра R2 и
постоянных резисторов R1, R3 сравнивается с опорным напряжением Uz от
параметрического стабилизатора – стабилитрона D1. Разность этих напряжений
усиливается дифференциальным усилителем на операционном усилителе (ОУ)
U1, выход которого изменяет базовый ток транзистора, включенного по схеме
эмиттерного повторителя.
В этой схеме имеется контур авторегулирования, – петля отрицательной
обратной связи. Если выходное напряжение меньше заданного, то через
обратную связь регулирующий транзистор открывается больше, если выходное
напряжения больше заданного, – то наоборот.
Для устойчивости контура авторегулирования петлевой сдвиг фазы должен
быть близок к 180°. Так как часть выходного напряжения Uout подаётся на
инвертирующий вход операционного усилителя U1, сдвигающего фазу на 180°,
а регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя,
который при низких частотах фазу не сдвигает, это обеспечивает устойчивость
контура авторегулирования, так как петлевой сдвиг фазы близок к 180°.
2 Основная часть. Разработка источника питания.
2.1
Выпрямитель нерегулируемый с НЧ фильтром.
Выбираем базовую схему выпрямителя с LC фильтром:
Тр– р
Выпря
митель
Фильтр
Нагрузка
Рисунок 9 – Базовая схема выпрямителя с НЧ фильтром
8
Параметры выпрямителя Uн = 16В, Iн = 10А.
Наиболее широко используют Г – образный индуктивно – емкостной
фильтр. Для сглаживания пульсации таким фильтром необходимо, что бы
выполнялось условие: емкостное сопротивление должно быть значительно
меньше сопротивления нагрузки Xc<<RН, а индуктивное сопротивление больше
емкостного Xc<< XL.
Для промышленной сети частотой f = 50 Гц и мостовой схемы
выпрямителя, число плеч m = 2.
𝐿𝐶2 =
10(𝑔 + 1)
𝑚2
,
(1)
где g – коэффициент сглаживания, задаем g = 5
L – величина индуктивности катушки, Гн; С2– емкость, мкФ.
𝐿𝐶2 =
10(5 + 1)
22
= 15Гн ∙ мкФ;
(1.1)
Находим значение индуктивности катушки из выражения:
𝐿≥
2𝑅н
2
(𝑚 −1)∙𝑚∙6,28∙𝑓н
;
(1.2)
Где 𝑓н – частота тока нагрузки, 𝑓н = 100 Гц при 𝑓с = 50Гц;
I = U/R; P = I*U; Rн = 16/(160/16);Rн = 1,6Ом;
𝐿 ≥ (22
2∙1,6
−1)∙2∙6,28∙100
Выбираем
; 𝐿 ≥ 0,00085Гн ; 𝐿 ≥ 0,85мГн ;
стандартный
дроссель.
Применим
дроссель
Д262Т
с
индуктивностью L = 0,0025Гн, максимальным током I = 12,5А, сопротивлением
Rдр = 0,04Ома, размерами 77х75(ШЛМ20х25).
Определяем емкость конденсатора:
С2 =
С2 =
15
0.0025
𝐿С2
𝐿
;
(1.3)
; С1 = 6000мкФ;
Определяем напряжение на конденсаторе: Uс = 1.2Uн = 1.2∙16 = 19.2В.
Выбираем номинальную емкость оксидного конденсатора С2 = 6800мкФ, U = 25
В, типа К50 – 35.
Определяем емкость конденсатора С1: С1 = 0.1 C2;
9
С1 = 0.1 6800 = 680мкФ; Umin = 19.2В; Применим конденсатор типа К50 –
35 с емкостью 680мкФ и Uном = 35В.
Рассчитаем и подберем необходимые параметры вентилей и вторичной
обмотки трансформатора.
Исходными данными являются: Uн(В), Iн(А), Rн(Ом), Рн(Вт), Uc,fc, Kп
Рн = Uн∙Iн; Uc = ±10%; Kп = Im/ Icp;
а) выбираем схему выпрямителя – мостовая.
б) из таблицы параметры выпрямителей работающих на индуктивный
фильтр:
Для мостового выпрямителя рассчитываем параметры выпрямителя при
работе на индуктивный фильтр.
Таблица 1 – параметры выпрямителя при работе на индуктивный фильтр
U2
Тип
Выпр. В
мост
1.1∙Uн.хх
I2
А
I1
А
Pтр
Вт
Uобр.max
В
Iв.ср
А
Iн
Iн/
Kл
I2∙U2 1.57∙Uн∙1.1 0.5∙Iн
Iв
А
Iв.max fн
А
Гц
Kн
–
0.7∙Iн
Iн
0.67
2fc
Определяем сопротивление вторичной обмотки трансформатора:
𝑟тр = 2
𝑈н ∙𝑗 4 𝑓𝑐 ∙𝐵∙𝐽
𝐼н ∙𝑓𝑐 ∙𝐵
√1.6∙𝑃 ;
н
(1.4)
где j – плотность тока, j = 3 А/мм; В ≈ 1,2 Тл. – магнитная индукция,
𝑟тр = 2
16∙3
4
50∙1.2∙3
√
10∙50∙1.2 1.6∙160
;
𝑟тр = 0,16 ∙ 0.916; 𝑟тр = 0,147Ом;Выбираем
выпрямительные диоды, для моста диоды типа Д104 – 1б с Iв,ср = 16А, Uoбр.max
= 100В, Uпр = 0,9В.
Определяем напряжение холостого хода выпрямителя:
UН.ХХ = UН + IН·rтр + 2Uпр; UН.ХХ = 16 + 10∙0,147 + 2∙0,9 ≈ 19,27В.
Определяем значение параметров согласно таблице 12.1.
U2 = 1,1∙19,27 = 21,2В; I2 = 10А; I1 = IН/Кл = 10/530 = 0,019А;
где Кл – коэффициент ослабления; Кл = U2/RL, (RL – активное сопротивление
дросселя (для Д262Т RL = 0,04Ома));
10
Кл = 21,2/0,04 = 530; I1 = 20/1,47 = 13,6А; Pтр = I2∙U2 = 10∙21,2 = 212Вт;
Uoбр.max = 1,57∙19,27∙1.1 = 33,28В; Iв.ср = 0,5∙20 = 10А; Iв = 0,7∙20 = 14А; Iв.max =
20А; fH = 2∙50 = 100 Гц; KН = 0,67.
Полученные значения сводим в таблицу:
Таблица 2 – Параметры выпрямителя при работе на индуктивный фильтр
U2
Тип
Выпр. В
мост
21,2
I2
А
I1
А
Pтр
Вт
Uобр.max
В
10
13,6
212
33,28
Iв.ср
А
10
Iв
А
14
Iв.max
А
fн
Гц
20
100
Kн
–
0.67
Величина сопротивления резистора: Rн = 16/(160/16); Rн = 1,6Ом.
Так – как Резисторы ПЭВ мощностью в 160вт изготавливаются с минимальным
сопротивлением в 3,9Ома, воспользуемся формулой параллельного соединения
резисторов: 1/Rн = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3; 1/1,6 = 1/3.9 + 1/3.9 + (1/R3); R3 = 1/(1/1.6
– 1/3.9 – 1/3.9); R1 = R2 = 3.9Ом, R3 = 9Ом;
Рабочая принципиальная схема выпрямителя имеет вид:
Рисунок 10 – Рабочая принципиальная схема выпрямителя
2.2
Выпрямитель с параметрическим стабилизатором.
Тр– р
Выпря
митель
Фильтр
Стабили
трон
11
Нагрузка
Рисунок 11 – Базовая схема выпрямителя с Параметрическим стабилизатором напряжения.
Параметры выпрямителя Uн = 16В, Iн = 1А.
Рассчитываем и выбираем нагрузку:
𝑅н =
𝑈н
𝐼н
; 𝑅н =
16
1
= 16Ом;
(2.1)
Необходимую мощность резистора найдем из выражения:
𝑃н = 𝐼 2 · 𝑅; 𝑃н = 12 · 16 = 16Вт.
(2.2)
Выбираем резистор ПЭВ–25Вт сопротивлением 16Ом с мощностью РН= 25Вт.
В связи с отсутствием стандартного стабилитрона с требуемыми
параметрами составим его из нескольких.
С учетом тока и напряжения нагрузки, согласно таблице выберем
стабилитрон типа Д815А (Iст = 1.4А, Uст.н = 5,6В) и соединим их последовательно.
Получиться сборка с параметрами:
Iст = 1.6А и Uст.н = Uст1 + Uст2 + Uст3 = 5,6 + 5,6 + 5,6 = 16,8В при Iст.н = 1А,
Iст.max = 1.4А, Iст.min = 50мА, Rg = 0,6Ом.
Стабилитрон
должен
крепится
к
теплоотводящему
радиатору,
обеспечивающему сохранение температуры корпуса при работе не свыше
+130°С. Рекомендуется применение алюминиевого радиатора толщиной 3...4 мм,
площадью не менее 100см2.
Допускается последовательное соединение любого числа стабилитронов.
Параллельное включение стабилитронов разрешается при условии, что
суммарная рассеиваемая на всех стабилитронах мощность не превышает
допустимую для одного стабилитрона.
12
По
паспортным
данным
стабилитрона
строим
его
вольтамперную
характеристику и выбираем рабочую
точку.
С учетом Iн. = 1А, Iст.н. = 1,4А, находим
ток: Iв = Iн + Iст.н; Iв = 1 + 1,4 = 2,4А
Рассчитываем
фильтра,
сопротивления
параметры
Rб
и
Rф .
Принимаем Rб = Rср = 0,25∙Rн = 2,4∙0,25
= 0,6 Ом.
Напряжение на фильтре найдем
из выражения:
Рисунок 12 – Вольтамперная характеристика
стабилитрона Д815А по паспортным данным
𝑈ф = 𝑈н + 𝐼В ∙ (𝑅ф + 𝑅б ),
(2.3)
𝑈ф = 16 + 2,4 ∙ (0,6 + 0,6) = 18,88В;
Емкость конденсатора рассчитываем по формуле:
С1 =
16 ∙ 𝐼В ∙ 𝑞
𝑈Ф ∙ 𝑚
;
(2.4)
где m – коэффициент выпрямителя для мостовой схемы m = 2;
q – коэффициент снижения пульсации, задаем q = 5;
Uф – напряжение на фильтре.
16 ∙ 2400 ∙ 5
С1 =
18.88 ∙ 2
= 5084,7 мкФ; Выбираем конденсатор типа К50 – 24 5000мкФ,
Uн = 35В;
Конденсатор С0 выбираем из условия С0 = 0,1 ∙ С1 типа МБГП С0 = 500
мкФ, Uн = 35В.
Прочие параметры схемы определяем из таблицы Параметры выпрямителей
при работе на емкость.
Таблица 3 - Параметры выпрямителей при работе на емкость
Тип
“B”
Мост
U2
I2
Pω2
В
А
Вт
В Uн 0,71∙D∙Iн I2∙U2
Uобр.max
Iв.ср
В
А
1,4∙В∙Uн∙1,1 0,5∙Iн
13
Iв
Iв.max
fн
А
А
Гц
0,7∙D∙Iн 0,7∙F∙Iн 2∙fc
Для расчёта параметров выпрямителя используем график зависимости
параметров F, D, B = f(A). Где А – расчетный параметр.
А =
𝐼в ∙𝜋 ∙𝑟𝜙
(2.5)
2∙ 𝑈н
Для Г образного фильтра RC:
𝑟𝜙 ≈ 𝑅𝜙 ≈ 0,25 ∙ 𝑅Н ;
(2.6)
𝑈Н = 𝑈НОМ + 𝐼в ∙ 𝑅б ;
(2.7)
𝑟𝜙 ≈ 0,25 ∙ 16 = 4 Ома ;
𝑈Н = 16 + 2,5 ∙ 0,6 = 17,5В; А =
2,5 ∙3,14 ∙4
2∙ 17,5
≈ 0,8 ;
Рисунок 13 – График переходных параметров выпрямителя
Таким образом для А = 0,8 значения D = 1,8; F = 4,3; В = 1,5
Расчетные параметры равны:
~𝑈2 = 𝐵 ∙ 𝑈𝐻 = 1,5 ∙ 17,5 = 26,25В;
𝑈Обр.𝑚𝑎𝑥 = 1,4 ∙ 𝐵 ∙ 𝑈Н ∙ 1,1 = 1,4 ∙ 1,5 ∙ 16 ∙ 1,1 = 37В;
~𝐼2 = 0,71 ∙ 𝐷 ∙ 𝐼𝐻 = 0,71 ∙ 1,8 ∙ 2,4 = 3,06𝐴;
𝑃𝜔2 = 3,06 ∙ 1,5 ∙ 1,8 ∙ (16 ∙ 2,4) = 317Вт;
𝐼в.ср = 0,5 ∙ 𝐼н = 0,5 ∙ 2,4 = 1,2А;
𝐼в = 0,7 ∙ 𝐷 ∙ 𝐼Н = 0,7 ∙ 1,8 ∙ 2,4 = 1,72А;
𝐼в.𝑚𝑎𝑥 = 0,7 ∙ 𝐹 ∙ 𝐼Н = 0,7 ∙ 4,3 ∙ 2,4 = 7,22𝐴;
Полученные значения сводим в таблицу аналогичную таблице
14
Таблица 4 – Рассчитанные параметры выпрямителя при работе на индуктивный фильтр
Тип
“B”
Мост
U2
I2
В
А
26,25 3,06
Pω2
Вт
317
Uобр.max
В
37
Iв.ср
А
1,2
Iв
А
1,72
Iв.max
А
7,22
fн
Гц
100
Исходя из тока выпрямителя 1,72А и обратного напряжения 37В выбираем
диоды КД202А (5Ах50В).
Основные
показатели
работы
выпрямителя
с
параметрическим
стабилизатором напряжения является величина коэффициента стабилизации
напряжения: 𝜂𝑈 =
∆𝑈1
∆𝑈2
, где ∆𝑈1 – колебания напряжения нагрузки без
стабилизатора напряжения, Его можно найти из выражения: ∆𝑈1 = 0,2 ∙ 𝑈Н
∆𝑈1 = 0,2 ∙ 𝑈Н = 0,2 ∙ 16 = 3,2В ; ∆𝑈2 – колебания напряжения нагрузки на
вольтамперной характеристике, при изменении рабочего тока на 20%, может
быть найдено из выражения: ∆𝑈2 = 𝑈ст2 − 𝑈ст1 то есть при 𝐼𝑝1 = 135𝑚𝐴;
𝑈ст1 = 20,4В ; а при 𝐼𝑝2 = 165𝑚𝐴,
𝑈ст2 = 20,5В; Тогда: ∆𝑈2 = 20,5 − 20,4 = 0,1В ; 𝜂𝑈 =
4,4
0,1
= 44 ед.
Рассчитаем КПД выпрямителя:
КПД =
КПД =
22 ∙ 0,09
13,8
𝑃𝐻
𝑃тр.𝜔2
,
(2.7)
≈ 14% что явно недостаточно (𝜂𝑐𝑝 = 40 − 50%), таких
значений возможно добиться при снижении тока стабилитрона около трех раз,
точность при 𝐼ст = 50𝑚𝐴.
Рисунок 14 – Рабочая схема выпрямителя с параметрическим стабилизатором
15
2.3
Выпрямитель
с
электронным
стабилизатором
напряжения(ОУ)
Наилучшие показатели стабилизации напряжения можно получить при
помощи электронных стабилизаторов компенсационного типа, т.е. путем
автоматического регулирования выходного напряжения по его отклонению от
опорного напряжения обычно создаваемого с помощью маломощного
стабилитрона с повышенной стабильностью на малом токе. При этом можно
заметить очень высокий коэффициент стабилизации при КПД до 95% и высокий
коэффициент
сглаживания
пульсаций
значительных
показателей
фильтра
выпрямленного
за
счет
напряжения
динамических
без
свойств
регулирующих транзисторов.
Рассмотрим базовую схему вида:
Тр– р
Выпря
митель
Опорное
напряжение
Силовой
транзистор
Нагрузка
Операционны
й усилитель
Обратная
связь
Рисунок 15 - Базовая схема выпрямителя с интегральной схемой на операционном
усилителе.
Напряжение нагрузки расчетное: 𝑅пр =
𝑈𝑛
𝐼𝑛
; 𝑅пр =
16𝐵
10𝐴
= 1,6Ом;
Выбираем номинальное сопротивление 𝑅н = 1,6Ом. +/– 5 % типа ПЭ – 200∙2
Мощностью равную:
𝑃н = 𝐼 2 𝑅 = 102 · 1,6 = 160Вт.
16
Для расчета сопротивлений делителя (R4, R5, R6) задаемся током делителя мА I
д 2 и определяем расчетные значения сопротивлений: 𝑅4𝑝 + 𝑅5𝑝 + 𝑅6𝑝 =
𝑅4𝑝 + 𝑅5𝑝 + 𝑅6𝑝 =
16
2·10−3
𝑈н
𝐼д
,
= 8кОм. Из них принимаем: 𝑅5𝑝 = 0,5 ∑ 𝑃𝑑𝑝 ;
𝑅5𝑝 = 8 кОм · 0,5 = 4кОм; выбираем переменный резистор номиналом:
𝑅н = 𝑅5н = 4.7кОм типа СП3 – 4АМ(0,125Вт). Мощностью не менее : 𝑃н =
𝐼 2 𝑅 = 4 · 10−6 · 4000 = 0,016Вт. 𝑅4 = 𝑅6 = 0,25 ∑ 𝑃𝑑𝑝 ; 𝑅4 = 𝑅6 = 0,25 ·
8 кОм = 2кОм.
Выбираем постоянные резисторы типа МЛТ 2 кОм + / – 5%. Мощностью
равную: 𝑃н = 𝐼 2 𝑅 = 4 ∗ 10−6 · 2000 = 0,008Вт.
В качестве источника опорного напряжения Uоп выбираем прецизионный
стабилитрон типа Д818Г на 10В с рабочим током Iст = 5мА и рассчитываем
𝑅ст =
𝑈н −𝑈с
𝐼ст
=
16−10
5·10−3
= 1,2кОм. 𝑃 = 𝐼 2 𝑅 = (5 · 10−3 )2 · 1200 = 0,03 Вт.
Выбираем резистор повышенной точности типа С1 – 8 по ряду Е24 1,2кОм,
P = 0,125Вт.
В
качестве
ОУ
используем
микросхему К140УД6 общего применения
вида: 𝐼вых,мах =
Задаем
пульсации
𝑈н
𝑅н
=
16
2∗103
= 8 мА.
коэффициент
К
=
100
и
снижения
рассчитываем
сопротивление усилителя вида:
Рисунок 16 - Схема подключения
Исходя из рабочего выходного тока микросхем К140УД6
равного
15мА
определим
входное
сопротивление:𝑅вх =
Определим
𝑈н
𝐼в
=
16
5∗10−3
= 3,2кОм.
сопротивление
второго
резистора: 𝑅2 = 𝑅1 · 𝐾; 𝑅2 = 3,2 · 100 =
320кОм.
Выбираем
резисторы
повышенной Рисунок 17 – Схема усилителя
точности типа С1 – 8±1%
17
𝑅1 = 3,2кОм ± 1% ,𝑅2 = 320кОм ± 1%.
Выбираем резисторы с мощностью 0,125Вт.
Исходя из тока 10А выбираем составной транзистор типа КТ897А
имеющий
из
В/А
характеристики
вида:
Рисунок 18 – В/А характеристики КТ897А
Из этого следует, что для управления
необходимо
выбрать
промежуточный
транзистор с током Iб.max ≤ 7.5мА и составить
схему:
Рисунок 19 – Схема силового
Выбираем транзистор типа КТ603А с преобразователя
соответствующими токами коллектора I к min ≥
50мА и базы I б max ≤ 7.5мА, что показано на
В/А характеристике:
С учетом минимального тока базы
определим сопротивление Rб:
𝑅б =
∆𝑈н
𝐼б.м
=
1,8
3·10−3
= 600Ом,
где
∆𝑈н падение напряжения = 0,9 · 2 = 1,8В.
𝑃 = 𝐼 2 𝑅 = (3 · 10−3 ) · 600 = 0,05Вт.
Выбираем 𝑅б = 620Ом ± 5%, P = 0,125Вт,
Для выбора диодов определим
Рисунок 20 – ВАХ транзистора
КТ603А
𝑈в = 𝑈н + ∆𝑈н = 16 + 1,8 = 17,8В, 𝐼в = 1,5 · 𝐼н = 10 · 1,5 = 15𝐴.
18
Построим мост на диодах Д104 – 16 с прямым током 16А и обратным
напряжением 100В.
Для уменьшения пульсаций на выходе выпрямителя выбираем С1 типа
МБМ С = 10 мкФ, ± 10 %, 𝑈с > = 1,4 · 𝑈н = 1,4 · 16 = 22,4В.
𝐼н = 1,1 · 𝐼макс = 1,1 · 10 = 11А.
Рабочая
схема
ИП
с
электронным
стабилизатором
имеет
вид:
Рисунок 21 Рабочая схема выпрямителя
Рабочие
параметры
выпрямителя
с
электронным
стабилизатором
напряжения имеют показатели:
q – коэффициент снижения пульсаций, определяет Коу и составляет 100, что
значительно больше Кст.
𝜂(КПД) =
𝑃н
𝑃з
=
16·10
22,4 ·11
= 0,65.
0,65 · 100 = 65%, что больше 𝜂(ст) , при
этом, емкость фильтра намного меньше.
3 Расчет мощности трансформатора
Трансформатор рассчитывают в следующем порядке:
1- Определяют общую мощность вторичных обмоток.
∑ 𝑃2 = 𝑃21 + 𝑃22 + 𝑃23 + 𝑃24
(3.1)
𝑃2 = 160 + 16 + 160 = 336ВА.
2- Исходя из КПД типовых трансформаторов(0,8/0,9) определим мощность
первичной обмотки
∑ 𝑃1 =
∑ 𝑃2
𝜂
19
;
(3.2)
𝑃1 =
336
0,85
= 395,3ВА при 𝜂ср = 0,85.
3- Исходя из габаритной мощности (1 Р) выбирают магнитопровод. Из
таблицы: магнитопроводы витые, П – образные, выбираем
соответствующие параметры трансформатора: сердечник ТЛ
габаритами 8х12.5х28 (ахbхh, мм), В(Тл) = 1,45, мм а
4 Компоновка элементов аппаратуры
Конструкции выполняют в виде набора функциональных модулей, в
каждом из которых находится одна – три микросхемы и несколько дискретных
элементов. Устройства управления, питания, головки измерительных приборов
выполняют в виде оригинальных устройств, характерных для данного изделия.
Широко используют цифровые преобразователи. Местное расположение
большого числа элементов требует учета их тепловых режимов, как при
эксплуатации, так и при монтаже. Исходя из назначения прибора, оценивается
сложность компоновки устройства. Оцениваются особенности монтажа
элементов и их регулировка как по номиналу, так и в целом. Предусматриваются
все механические крепления и места под винты и гайки, заклепки и т.д.
Выполняются эскизы компоновки элементов устройства с органами
управления и индикаторами.
Заключение
Были взяты типовые схемы и рассчитаны на заданные параметры. Мы
определили их характеристики, в том числе напряжение, токи, нагрузки, КПД, и
коэффициенты стабилизации, а также подобрали радиодетали по параметрам из
справочников. Параметрический стабилизатор имеет небольшую мощность и
невысокий КПД (14%), при стабилизации К = 9. В то же время электронный
стабилизатор имеет большой КПД = 65% при К = 100.
В современных реалиях все больше преобладают импульсные источники
питания. Но и типовые не теряют своей актуальности, благодаря своей простоте
и надежности.
20
Список литературы
1. Учебное пособие для бакалавров и магистров направления 100800
«Агроинженерия» УДК 621.314 Ц.И. Калинин, Р.А. Куницын Барнаул:
РИО АГАУ, 2014. 78 с.
2. Усилительные устройства: Учебн. пособие для вузов/ Под ред.
О.В.Головина. – М.: Радио и связь, 1993. – 352 с.
3. Шитиков Г.Т. Стабильные автогенераторы метровых и дециметровых
волн. – М.: Радио и связь, 1983.
4. Бокуняев и др. Справочная книга радиолюбителя –конструктора.
5. Википедия – свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. –
https://ru.wikipedia.org/wiki/Трансформатор
6. Википедия – свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. –
https://ru.wikipedia.org/wiki/стабилизатор
21
Приложение А структурная схема устройства
5093.044 001.000 Э1
Выпря
митель
Тр– р
Выпря
митель
Фильтр
Нагрузка
Фильтр
Нагрузка
Стабили
трон
Выпря
Силовой
митель
транзистор
Опорное
напряжение
Операционны
й усилитель
Нагрузка
Обратная
связь
Рисунок 22 – структурная схема устройства источника питания
22
Приложение Б принципиальная схема устройства
5093.044 001.000 Э3
Рисунок 23 – Общая рабочая схема источника питания
23