КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ
На тему: Источники вторичного электропитания
12Вариант.
Выполнил: Мясников В. ст. гр. 610-1
Руководитель:
Хаптаев А.П.
Дата______________
Оценка____________
Улан-Удэ
2012г
Содержание
Введение…………………………………………………………………………3 1.Работа структурной схемы источника вторичного электропитания (ИВЭП)5
2.Выбор и расчёт схемы ………………………………………………………….6
3.Выбор и расчет трансформатора……………………………………………….8
4.Порядок расчета элементов силовой части преобразователя………………12
5.Расчёт сетевого выпрямителя…………………………………………………14
6.Перечень элементов схемы……………………………………………………16
7.Список использованной литературы…………………………………………17
Введение
ИВЭП составляют основу всех средств и систем электропитания РЭА. Это устройства, предназначенные для преобразования входной электроэнергии переменного или постоянного тока и обеспечения электропитанием отдельных цепей РЭА. Они могут состоять из блоков питания или комплекта функциональных узлов (субблоков).
Современные электронно-вычислительные машины, устройства автоматики и телемеханики в подавляющем большинстве случаев получают электрическую энергию от сети переменного тока. Однако аппаратуре нужен ток другого вида и качества. Этому и служат источники питания, которые преобразуют сетевой ток и напряжение. При этом они называются вторичными, а сеть переменного тока - первичным источником питания. В ИВЭП осуществляется преобразование входного напряжения в одно или несколько выходных напряжений как постоянного, так и переменного тока.
Состав и конфигурация функциональной схемы обусловлены техническим заданием. ИВЭП содержит наиболее популярные - компенсационные стабилизаторы. Они точны и обеспечивают хорошее подавление пульсаций.
По виду входной энергии ИВЭП можно разделить на источники с переменным и источники с постоянным входным напряжением; по выходной мощности - на микро мощные (до 1 Вт), маломощные (1-10 Вт), среднемощные (10-100 Вт), высоко мощные (100-1000 Вт) и сверхмощные (свыше 1000 Вт) источники. ИВЭП могут иметь разное количество выходных напряжений.
Задачей данного курсового проекта является проектирование источника вторичного электропитания (ИВЭП). В ходе выполнения должны быть приобретены навыки анализа электронных схем, их расчета, выбора необходимой элементной базы, разработки конструкции простых однослойных печатных плат.
![]() |
Задание
12 Вариант.
Таблица 1. Исходные данные.
Напряжение фазы питающей сети UФ, В | |
Частота тока питающей сети fс, Гц | |
Число фаз сети, m | |
Пульсность сетевого выпрямителя р | |
Относительное изменение напряжения питающей сети: в строну увеличения, аmax уменьшения, аmin | 0,1 0,15 |
Частота преобразования fn, кГц | |
Uo, B | |
Io max, A | |
Io min, A | |
Нестабильность выходного напряжения при изменении питающей сети δ, % | |
Амплитуда пульсаций выходного напряжения Uвых m, В | 0,2 |
![]() |
Работа структурной схемы источника вторичного электропитания (ИВЭП)
Рис1 Структурная схема ИВЭП с бестрансформаторным входом
На рис. В1 – входной сетевой выпрямитель напряжения;
Ф1 – входной сглаживающий фильтр;
Пр – импульсный преобразователь напряжения (конвертор);
СУ – схема управления.
Конвертор ИВЭП с бестрансформаторным входом строится в основном на базе регулируемых транзисторных преобразователей. Транзисторы в преобразователе работают в режиме переключателя так, что большую часть периода преобразования они находятся в режиме отсечки или насыщения этим объясняется высокие энергетические показатели источников с импульсным регулированием. Повышение частоты преобразования позволяет уменьшить объем и массу электромагнитных элементов и конденсаторов, и тем самым улучшить удельные массо-объёмные показатели.
В стабилизирующих ИВЭП, как правило, применяют широтно-импульсный (ШИМ) способ регулирования, при котором период коммутации постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения изменяется.
Схема управления содержит следящий делитель с коэффициентом передачи КД ≤1, усилитель сигнала ошибки КУ>>1 и широтно-импульсный модулятор КШИМ>>1. Произведение КД* КУ* КШИМ называют петлевым коэффициентом усиления, который определяет нестабильность выходного напряжения U0.
Выбор и расчёт схемы
2.1 Определяем максимальную выходную мощность преобразователя:
Р0=U0*I0MAX
Р0=24*16=384 Bт
2.2 Определяем номинальное входное напряжение минимальное, максимальное и значение входного напряжения преобразователя:
UC=UФ=127 В,
UВХМАХ= *UС*(1+аМАХ+кА/2),
UВХМАХ= *127*(1+0,1+0,05/2)=202,05 В,
UВХМIN= *UС*(1-аМIХ-кА/2),
UВХМIN= *127*(1-0,15-0,05/2)=148,17 B,
UВХ= *UС*(1-кА/2),
UВХ= *127*(1-0.05/2)=175,11 B.
2.3 По найденным значениям Р0 и UВХ с помощью графика рис. 2 выбираем схему преобразователя:
Так как шкала логарифмическая, то считаем логарифмы Р0 и UВХ:
Lg 384≈2,58
Lg 175,11≈2,24
Согласно графика рис.2 выбираем схему преобразователя рис.3
Согласно графика рисунка 2 и с учётом рекомендаций приведённых в методичке, выбираем схему №6.
В этой схеме при открытом транзисторе VT1 дроссель L1 подключён к источнику питания, а напряжение на первичной обмотке трансформатора W1 равно напряжению на конденсаторе С1. Диод VD1 закрыт и к обмотке дросселя L2 приложено напряжение вторичной обмотки трансформатора W2. При запирании транзистора VT1 энергия, накопленная дросселем L1, идёт на заряд конденсаторов С1,С2 и перемагничивание трансформатора Т1. Энергия, накопленная дросселем L2, передаётся через диод VD1 в нагрузку. Отличительной особенностью данной схемы является перемагничивание трансформатора по частному симметричному циклу петли гистерезиса. Это позволяет уменьшить габариты трансформатора по сравнению с другими рассмотренными типами однотактных преобразователей. Синфазность изменения э.д.с. обмоток трансформатора и дросселей позволяет объеденить эти элементы в один конструктивный узел.
3.4. Для схемы №6 задаёмся максимальным значением:
gmax=0,5
3.5 Определяем амплитудные значения э.д.с. первичной U1m и вторичной U2m обмоток трансформатора преобразователя в функции напряжения первичной сети Uвх и мощности нагрузки Р0. При это задаём:
Uкэ.нас=2,5 (В) – напряжение коллектор – эмиттер регулирующего
транзистора в режиме насыщения;
Uпр.VD=Uпр.VD1= Uпр.VD2=1 (В) – падение напряжения на диоде в открытом
состоянии;
DU1=0,02Uвх – падение напряжения на активном сопротивлении
первичной W1 обмотки трансформатора;
DU2=0,02U0 – падение напряжения на активном сопротивлении вторичной
W2 вторичной обмотки трансформатора;
DUL=DUL2=0,05U0=0,05×24=1,2 (B);
DUL1=0,02Uвх=0,02× 175,11 =3,5 (В) – падение напряжения на активном сопротивлении дросселя L, L1, L2.
U1m= Uвх.min- Uкэ.нас-DU1-DUL1
U1m= 148,17 -2,5-3,5-3,5=138,67 (B)
U2m=(U0+Uпр.VD1+DU2)(1-gmax)/gmax
U2m=(24+1+0,48)(1-0,5)/0,5=25,48 (B)
3.6. Определяем требуемый коэффициент трансформации n21 трансформатора:
n21= U2m/ U1m
n21=25,48/138,67=0,18
3.7. С помощью выбранной схемы №6 преобразователя определяем gmin:
gmin= U0/(n21×Uвх.max+U0)
gmin =24/(0,18×202,05+24)=0,39
Так как gmin =0,39>0,15 то устройство реализуемо.
3.8. Определяем критическую индуктивность Lкр1 и Lкр2 в схеме №6.
Принимаем: Lкр1= L1 и L2= Lкр2.
Lкр1= Uвх(1- gmin)/ (2× n21×fп×I0min)
Lкр1= 175,11 (1-0,39)/(2×0,18×40*103×3)=2,472 (мГн)
Lкр2=U0(1- gmin)/ (2×fп×I0min)
Lкр2=24(1-0,39)/(2×40*103×3)=0,061 (мГн)
3.9. Определяем значение g:
g= U0/(n21×Uвх+U0)
g= 24/(0,18× 175,11 +24)=0,432
Полученные при выборе преобразователя данные, необходимые для дальнейших расчётов схемы заносим в таблицу №1.
Таблица №1
g | gmin | gmax | n21 | U1m, В | U2m, В | L1, мГн | L2, мГн |
0,432 | 0,39 | 0,5 | 0,18 | 138,67 | 25,48 | 2,472 | 0,061 |
![]() |
4. Выбор и расчёт трансформатора
Трансформатор является одним из основных элементов преобразователя, во многом определяющим его энергетические и массо-объёмные показатели. Принципиально трансформаторы преобразователей могут быть выполнены на любом магнитопроводе. Для трансформатора схемы №6 преобразователя используются как разрезные, так и замкнутые магнитопроводы.
4.1. Определяем действующее значение токов первичной I1 и вторичной I2 обмоток трансформатора:
I1= n21× I0max
I1=0,18×16×
I2= I0max×
I2=16×
4.2. Определяем произведение поперечного сечения стержня на поперечное сечение окна Sст×Sок:
При этом задаёмся:
· коэффициентом заполнения медью окна магнитопровода k=0,35;
· приращением магнитной индукции DВ на частоте преобразования (для наиболее часто применяемых материалов М2000НМ-1 и 2500НМС-1) - DВ=0,2 (Тл);
· h - коэффициент полезного действия преобразователя h=0,8;
· плотность тока i в обмотках трансформатора i=5´106 (А/м2)
Габаритная мощность трансформатора:
РГ=U2m×I2×gmax(1+h)/(2h)
РГ=25,48×16×0,5(1+0,8)/(2×0,8)=229,32 (Вт)
fп/PГ=40000/229,32=174,43 (Гц/Вт)
Отсюда следует, что плотность тока i=5´106 (А/м2)
Sст×Sок=2U1m×gmax×I1/kok×j×fп×DВ
Sст×Sок=2×138,67×0,5×2,88/0,35×5×106×40×103×0,2=0,028×10-6 м4=2,8 см4
4.3. По известному произведению Sст×Sок выбираем тип магнитопровода и уточняем его параметры:
Для данной схемы применяем разрезной магнитопровод, наибольшее применение нашли броневые, ферритовые магнитопроводы.
Тип магнитопровода и его параметры по таблице:
Тип магнитопровода Ш12х15 I=30 H=21
L=42 B=15 h=15 I0=12
Sст×Sок=4,86см4=4,86×10-8 м4
Марка феррита 3000НМС - Sст=1,8 см2=1,8×10-4м2 Lср=97 мм
Марка магнитопровода Мф=46´2Г
Рисунок 4. Тип магнитопровода.
4.4. Определяем число витков первичной W1 и вторичной W2 обмоток трансформатора:
W1=gmax×U1m/Sст×DB×fп
W1=0,5×138,67/1,8×10-4×0,2×40×103=48,15
Принимаем W1=49 витков
W2=W1×n21
W2=48,15×0,18=8,66
Принимаем W2=9 витков
4.5. Определяем поперечное сечение провода первичной q1 и вторичной q2 обмоток трансформатора.
По приложениям в методичке выбираем стандартный провод, имеющий ближайшее большее значение поперечного сечения. Производим пересчёт поперечного сечения провода с учётом изоляции (q1¢; q2¢).
Обмоточные провода обозначаются следующим образом: сначала буквами указываются марка провода, определяющая тип изоляции (материал, толщину, термостойкость, пробивное напряжение), а далее цифрами указывается диаметр провода без изоляции в миллиметрах (чистый диаметр проводника).
Выбор проводника:
q1=I1/j
q1=2,88/5×106=0,57 ×10-6 (м2)
Так как ток I1=2,88>3 (A), то выбираем провод ПЭТВ – провод медный, с эмалевой изоляцией.
q2=I2/j
q2=16/5×106=3,2×10-6 (м2)
Так как ток I2=16>5 (A), то выбираем провод ПСК – провод медный, изолированный эмалью и одним слоем из натурального шёлка.
Выбираем поперечное сечение без учёта изоляции:
q1=0,57×10-6×106=0,57 (мм2)
q2=3,2×10-6×106=3,2 (мм2)
Выбираем провод площадью поперечного сечения
а) ПЭТВ 0,86: 0,5709 (мм2) – диаметр меди равен 0,86 (мм)
диаметр с изоляцией равен 0,95(мм)
Rпог=0,0297 Ом×м
б) ПСК 2,02: 3,205 (мм2) – диаметр меди равен 2,02 (мм)
диаметр с изоляцией равен 2,32(мм)
Rпог=0,0106 Ом×м
Пересчитываем q1 и q2 с учётом изоляции:
q1=pd2/4=3,14×0,952/4=0,708(мм2)
q2=pd2/4=3,14×2,322/4=4,23(мм2)
4.6. По известным значениям q1, q2, W1, W2, Sок необходимо проверить условие размещения обмотки в окне магнитопровода:
(q1W1+q2W2)/ Sок<kok
(0,708×49+4,23×9)/2,7×102£0,35
0,27£0,35
Sок=4,86/1,8=2,7 см2=2,7×102 мм2
Так как условие соблюдается, обмотка разместится в окне магнитопровода.
5. Порядок расчёта элементов силовой части
5.1. Исходя из заданного значения амплитуды пульсации выходного напряжения Uвых.m, определяем требуемое значение (пульсации) выходной ёмкости Сн:
Сн=U0(1-gmin)/(16f2п∙L2∙Uвых.m)
Сн=24(1-0,39)/(16∙(40∙103)2∙0,061∙10-3∙0,2)=0,047*10-3 (Ф)=47 (мкФ)
По этим данным выбираем стандартный конденсатор при условии что:
Uраб≥1,5U0≥36 (B)
Конденсатор К50-35-47(мкФ)-40(В) + 2,4%
Для конденсаторов К50-35 указана амплитуда переменной составляющей пульсирующего напряжения в вольтах:
Uf=Uf50∙k
Uf=0,06∙2,5=0,15 (B),
где Uf40 – амплитуда переменной составляющей пульсирующего
напряжения на частоте 40 (Гц) при температуре t=40˚С;
k – коэффициент снижения амплитуды переменной составляющей
напряжения пульсаций, но он зависит от частоты(определяем по зависимости коэффициента снижения амплитуды переменной составляющей пульсирующего напряжения от частоты из методички).
Для схемы рисунка 6 при определении значения емкостей конденсаторов С1 и С2 следует задаться значениями
Затем по таблицам П.4, 5. или по справочнику [3], [11] выбираем с учетом вышеизложенных рекомендаций стандартные конденсаторы, при этом следует иметь в виду, что Uc1раб = Uc2раб>1,5U0= 24∙1.5=36 (В)
C1= =(175,11 ∙0,5∙16∙0,18)/(2∙ 148,17 ∙40000∙36)=
=0,6 (мкФ)
C2=
=(0,5 ∙16)/(40000∙36)=5,55 (мкФ)
Выбираем конденсаторы
C1 – К-50-35-1(мкФ)-160(В) + 0,5%
C2 – К-50-35-6,8(мкФ)-160(В) + 0,5%
5.2. Определяем приращение тока дросселя (для схемы №6 ΔIL1, ΔIL2):
ΔIL1=gmin∙Uвх.max/(fп∙L1)
ΔIL1=0,39∙ 202,05 /40000∙0,002472=0,79 (A)
ΔIL2=U0(1-gmin)/(fп∙L2)
ΔIL2=24(1-0,39)/40000∙0,000061=6 (A)
5.3. По ранее выбранному значению к.п.д. преобразователя определяем значение максимального тока коллектора Iк1max транзистора VT1:
Iк1max=U0∙I0max/(h∙Uвх.min)+ΔIL1/2+(I0max+ΔIL2/2)∙n21
Iк1max=24∙16/(0,8∙ 148,1 )+0,79/2+(16+6/2)∙0,18=7,05 (A)
5.4. Определяем максимальное значение напряжения на закрытом транзисторе:
Uкэ1max=Uвх.max/(1-gmin)
Uкэ1max= 202,05 /0,61=331,23 (B)
4.5. По вычисленным значениям Iк1max, Uкэ1max и заданной частоте преобразования fп выбираем тип транзистора:
Необходимо чтобы Uкэmax≥1,2Uкэ1max Iк≥ Iк1max
Uкэmax=1,2∙331,23 =397,5 (В) Iк=7,05 (A)
Определяем время спада:
tсп=(0,1/ fп)
tсп=0,1/40000=2,5∙10-6 с
Напряжение база-эмиттер напряжения принимаем равным Uбэ.нас≈0,8 (В)
Задаёмся коэффициентом насыщения kнас=1,2.
Выбираем транзистор 2Т812Б n-p-n
Данные транзистора → Iк=10 (А); Uкэ.max=500(B); Pк.max=50 (Вт)
Iкmax=17 (A); Uкэ.нас=2,5 (В); n21=25; tc.пас=1,3с (мкс)
Определяем время включения и выключения транзистора:
tвыкл=tрасп+tсп=1,3∙10-6+2,5∙10-6=3,8∙10-6 с
tвкл=tсп=2,5∙10-6 с
где tрасп – время рассасывания не основных носителей в
полупроводниковой структуре;
tсп – время спада.
5.6. Определяем максимальное значение мощности Pк, рассеиваемой транзистором:
Pк=I0max∙n21∙Uкэ.нас∙gmax+0,5fп∙Uкэ1max∙Iк1max(tвкл+ tвыкл)+gmax∙ kнас∙Uбэ.нас∙Iк1max/h21min
Pк=(16∙0,18∙2∙0,5+20000∙331,23∙7,05 (3,8∙10-6+2,5∙10-6)+0,5∙1,2∙0,8∙7,05)/25=
=12 (Вт)
Убеждаемся в возможности использования выбранного транзистора по мощности при заданной температуре окружающей среды из условия Рк.max>1,2Pк (50>14,4). Условие соблюдается, значит можно использовать данный транзистор.
5.7. Определяем параметры диода VD1:
IVD1max=U0∙I0max/(h∙Uвх.min)+(ΔIL1/2)/n21+I0max+ΔIL2/2
IVD1max=24∙16/(0,8∙ 148,17 )+(0,79/2)/0,18+16+6/2=24,44 (A)
UVD1max=Uвх.max∙n21/(1-gmin)
UVD1max=36,36/0,61=59,6 (B)
По данным выбираем диод VD1 c его характеристиками:
Тип диода – 2Д2997Б
Его характеристики – Uобр.max=100 (B); Iпр.ср.max=30 (A)
Iпр.уд=30 (А); fпред=100 (кГц)
5.8. Определяем мощность выбранного диода PVD1:
PVD1=IVD1∙Uпр(1-gmin)+fп∙UVD1max∙IVD1max∙0,01/fпред
PVD1=0,6∙16/(1-0,39)+40000∙59,6∙24,44∙0,01/100∙103=21,5 (Вт)
5.9. Определяем коэффициент передачи в контуре регулирования:
Задаёмся значением – δ=0,03.
Kос=(Uвх.max-Uвх.min)/Uвх∙δ-1
Kос=( 202,05 - 148,17) / 175,11 ∙0,03-1=9,25
6. Расчёт сетевого выпрямителя.
6.1. На основании своего варианта задания выбираем схему сетевого выпрямителя.
Так как по заданию число фаз равняется 1, то выбираем сетевой выпрямитель представленный на рисунке 3.8.а в методичке.
Рисунок 5. Сетевой выпрямитель.
6.2. Находим среднее значение тока, потребляемое от сетевого выпрямителя:
Iвх=n21∙I0max∙g0max
Iвх=0,18∙16∙0,5=1,44 (A)
6.3. Определяем требуемые параметры вентилей:
Параметры:
· Средний выпрямительный ток Iв.ср=Iвх/2=0,72 (А);
· Импульсное обратное напряжения Uобр.н=Uвх.max= 202,05 (B);
· Рабочая частота диода f0=2fc=2∙60=120 (Гц).
Из справочника выбираем диоды для выпрямителя исходя из условий:
Iпр.ср.≥Iв.ср.; Uобр.max≥Uобр.н.; fпред≥f0
Выбираем диод 2Д220 А – Uобр.max=400 (B);
Iпр.ср=3 (A);
Iпр.уд=60 (А);
fпред=20 (кГц).
6.4. Для выбранного типа диода выписываем максимальное значение тока при работе на ёмкость и рассчитываем величину резистора и потребляемую мощность:
Rогр= Uвх.max/Iпр.уд=202,05/60=3.36 (Ом)
По справочнику выбираем тип резистора Rогр при условии: Rогр<Uc/Iвх=127/1,44=88,2 (Ом)
P= Rогр * Iвх 2=3.36*2.07=7Вт
Выбираем резистор С2-23-10-6,2Ом±5%
6.5. Приняв ka=0,1 находим величину ёмкости сглаживающего фильтра Сф:
Udm=Uc* ;
Udm=127* =179,6 B
Сф=Uвх∙Iвх(2π/р-arccos(1-ka))/π∙fc∙U2dm∙ka(2- ka)
Сф= 175,11 ∙1,44(2∙3,14/2-arccos(1-0.1))/3.14∙60∙179,62∙0,1(2- 0,1)=58 мкФ
6.7Определяем конденсатор:
При условии:
Сном>Сф;
100>58;
Uном≥кз*UВХМАХ;
250≥1,2*202,05;
250≥242,46
Конденсатор К50-35-100-250
7. Заключение
Составляем принципиальную схему рассчитанного устройства и перечень элементов.
![]() |
Позиц. обозн. | Наименование | Кол | Примечания |
Диоды | |||
VD1 | Тип 2Д2997Б | 1 | |
Конденсатор | |||
Сн | К50-35-47(мкФ)-40(В) + 2,4% | 1 | |
С1 | К-50-35-1(мкФ)-160(В) + 0,5% | 1 | |
С2 | К-50-35-6,8(мкФ)-160(В) + 0,5% | 1 | |
Транзистор | |||
VT1 | 2Т812Б | 1 | |
Т1 | Трансформатор | ||
Ферритовый магнитопровод 3000НМС Ш12х15 | |||
W1 | Обмоточный провод ПЭТВ 0,86 | Первичная обмотка | |
W2 | Обмоточный провод ПСК 2,02 | Вторичная обмотка | |
Конденсаторы | |||
Сф | К50-35-100-250 | 1 | |
Резистор | |||
Rогр | С2-23-10-6,2Ом±5% | 1 | |
Диоды | |||
VD2 | Тип 2Д220 А | 4 | |
Дроссели | |||
L1 | L= 2,472мГн | 1 | |
L2 | L= 0,061 мГн | 1 |
![]() |
Список использованной литературы:
1. Березин О.К., Костиков В.Г. Шахнов В.А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: «Три Л», 2000.-400с.
2. Электропитание устройств связи: Учебник для вузов / А.А. Бокуняев, В.М. Бушуев, А. С. Жерненко. Под ред. Ю.Д. Козляева. - М.: Радио и связь,1998.-328с.:ил.
3. Конденсаторы оксидноэлектрические К560-24…К50-53. Справочник.-Спб.: Издательство РНИИ «Электростандарт»,1996,208 с.:ил.
4. Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. – Спб.: Корона принт,1998. -400с.
5. Полупроводниковые приборы.Диоды выпрямительные, стабилитроны,тиристоры: Справочник/ А.Б. Гитцевич, А. А. Зайцев, В.В. Мокряков. Под ред. А. В. Гомомедова. – М.КубК-а,1996.-528с.
6. Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппартуры: Справочник/ Ю.С. Русин, И.Я.Гликман, А.Н. Горский. – М.: Радио и связь,1991.-224с.
7. Перельман Б. Л. Полупроводниковые приборы. Справочник. «СОЛОН», «МИКРОТЕХ»,1996 г. -176с.:ил.