Проектирование стабилизированного источника питания

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

             Кафедра АВТОМАТИКИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

 

Дисциплина ЭЛЕКТРОНННЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ УПРАВЛЕННИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

 

тема: «Проектирование  стабилизированного

источника питания»

 

Вариант  № 25

 

 

 

 

                                                                 Выполнил:

ст. гр.   ЗЭМВ – 21у

Шитов А.С.

                                                                      Принял:  преподаватель                                                                             

                                                      Сердюков Н.А.

 

 

 

 

 

 

 

Вологда 2012

 

оглавление

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ  ………………………………………………………… 3

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………… 4

1. Аналитический обзор  ……………………………………………………………… 5

1.1 Выпрямительные устройства  …………………………………………………. 5

1.2 Стабилизаторы напряжения  …………………………………………………... 8

1.2.1 Параметрический стабилизатор  ………………………………………….. 8

1.2.2 Компенсационный стабилизатор  ………………………………………… 9

1.2.3 Импульсные стабилизаторы  …………………………………………….. 10

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ  СХЕМЫ ……………………………………… 11

3. Расчет параметров  компонентов структурной схемы  …….. 12

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ  СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И РАСЧЕТ

ЕЕ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ  …………………………………………….. 14

4.1 Расчет выпрямителя,  трансформатора и фильтра …………………….……. 14

4.1.1 Расчет выпрямителя  …………………….……………………………….. 14

4.1.2 Расчет трансформатора  …………………….……………………………. 16

4.2 Расчет стабилизатора  ………………………………………………………… 18

4.3 Расчет схемы защиты ………………………………………………………… 21

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ……………………………………………………………... 23

6. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА ……………………………... 23

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………… 24

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………... 25

ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………………………... 26

Приложение 1 ……………………………………………………………………... 27

Приложение 2 ……………………………………………………………………... 29

Приложение 3 ……………………………………………………………………... 30

Приложение 4 ……………………………………………………………………... 31 Приложение 5 ……………………………………………………………………... 32

Приложение 6 ……………………………………………………………………... 33

 

Техническое задание

 

Проектирование стабилизированного источника питания с характеристиками, соответствующими техническому заданию:

Условия технического задания:

 

Номинальное напряжение питающей сети: U_C = 110 B

Отклонение напряжения питающей сети от номинального: DU_C = 30%

Частота питающей сети: f = 400 Гц

Номинальное напряжение на выходе цепи: U_H = 5 B

Отклонение напряжения на выходе цепи от номинального: DU_H = 2%

Минимальное сопротивление  нагрузки: R_{H MIN} = 5 Ом

Максимальное сопротивление нагрузки: R_{H MAX} = 1000 кОм

Коэффициент срабатывания защиты по току: K_ЗАЩ = 1,5

 

Введение

 

Источники электропитания, являющиеся неотъемлемой частью любых  радиотехнических устройств, представляют собой комплексы элементов, приборов и аппаратов, вырабатывающих электрическую энергию и преобразующих ее к виду, необходимому для нормальной работы радиоустройств.

Все источники питания  могут быть разделены на две группы – на источники первичного и вторичного питания.

Источниками первичного питания называются устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую.

Источниками вторичного питания называются устройства, преобразующие электрическую энергию одного вида в другой. К ним относятся преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители), преобразователи переменного напряжения в переменное (инверторы), преобразователи величины переменного напряжения (трансформаторы), преобразователи частоты переменного тока (умножители и делители частоты) и многие другие.

Я в своем курсовике буду заниматься проектированием источника вторичного питания.

Основными элементами, входящими  в схему источника питания, являются трансформатор, выпрямитель и фильтр.

 

1. Аналитический  обзор

1.1 Выпрямительные устройства

Выпрямитель является статическим преобразователем переменного тока в постоянный. Его основными элементами являются трансформатор, электрические вентили и сглаживающий фильтр.

Рис. 1.1

 

Приведенная на рис. 1.1 структурная  схема выпрямителя содержит:

Тр – трансформатор, В – электрические вентили, Ф – сглаживающий фильтр.

 

Основное назначение трансформатора заключается в том, чтобы преобразовать переменное напряжение источника первичного питания до величины, соответствующей заданному значению выпрямленного напряжения. Кроме того трансформатор необходим для электрического разделения цепей постоянного и переменного токов.

Электрические вентили служат для  выпрямления, т.е. преобразования переменного напряжения в напряжение одного известного направления. При выпрямлении напряжения синусоидальной формы мгновенные значения выпрямленного напряжения периодически изменяются по величине, т.е. напряжение получается пульсирующим.

Непосредственное питание радиотехнических схем от выпрямителей в большинстве  случаев является недопустимым из-за большой амплитуды переменной составляющей. Для уменьшения амплитуды переменной составляющей, т.е. сглаживания пульсаций применяют специальные устройства – сглаживающие фильтры. Кроме трансформаторов, вентилей и фильтров, источники питания могут содержать дополнительные устройства: стабилизаторы напряжения и устройства защиты от повреждений при нарушениях нормального режима работы.

 

В выпрямителях в основном используют следующие схемы:

• Однополупериодная (рис. 1.2) является простейшей схемой выпрямления и работает только на нагрузку емкостного характера. Из-за низкого коэффициента использования выпрямительного трансформатора и необходимости применения большой емкости для сглаживания пульсаций данная схема широкого распространения не получила. Применяется она в тех случаях, когда требуются выпрямленные напряжения в пределах до 100 В при токах нагрузки, не превышающих несколько миллиампер.

Основным преимуществом  однополупериодной схемы является ее простота, так как схема содержит всего два элемента – трансформатор и вентиль.

Недостатками схемы  являются:

а) большие размеры  и вес трансформатора;

б) значительная величина обратного напряжения на вентиле;

в) значительная величина амплитуды тока через вентиль;

г) большая величина и низкая частота  пульсаций, что приводит к увеличению размеров и веса сглаживающего фильтра.

 

• Двухполупериодная схема с выводом средней точки (рис. 1.3) дает несколько больший коэффициент использования выпрямительного трансформатора и меньшую по сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя пульсацию.

Двухполупериодная схема с  нулевым выводом имеет следующие  преимущества перед однополупериодной схемой:

а) размеры и вес  трансформатора значительно уменьшаются  вследствие лучшего использования  обмоток;

б) амплитудное значение тока через вентиль уменьшается вдвое;

в) значительно уменьшаются  размеры и вес сглаживающего фильтра вследствие увеличения вдвое основной частоты пульсации и уменьшения более чем в два раза коэффициента пульсации.

Недостатками схемы  являются: необходимость вывода нулевой  точки вторичной обмотки трансформатора и наличие в схеме двух вентилей вместо одного.

 

• Однофазная мостовая схема (рис. 1.4) находит наиболее широкое применение при питании от однофазной сети. Обратное напряжение, приходящееся на каждый вентиль, и напряжение вторичной обмотки трансформатора при этой схеме примерно в два раза меньше, чем в двухполупериодной схеме. Данную схему используют как при емкостном, так и индуктивном характере нагрузки для получения выпрямленных напряжений от 10 до нескольких сотен вольт при токах в нагрузке от сотен миллиампер до сотен ампер. При больших выпрямленных напряжениях различием в прямых падениях напряжения на вентилях в схемах двухполупериодной и однофазной мостовой можно пренебречь, и тогда преимущество мостовой схемы неоспоримо. Весьма существенным преимуществом однофазной мостовой схемы является также и то, что она может быть непосредственно подключена к питающей сети переменного тока, как, например, в схеме стабилизатора с бестрансформаторным входом.

Однофазная мостовая схема имеет следующие преимущества перед двухполупериодной схемой с нулевым выводом:

а) размеры и вес трансформатора меньше вследствие лучшего использования  обмоток;

б) не требует специального вывода от средней точки вторичной  обмотки;

в) напряжение на зажимах  вторичной обмотки вдвое меньше;

г) вентили могут включатся  в сеть переменного тока без трансформатора, если напряжение этой сети обеспечивает получение необходимого значения выпрямленного напряжения;

в) обратное напряжение, приходящееся на один вентиль, вдвое меньше.

В однофазной мостовой схеме  целесообразно использовать только полупроводниковые вентили.

 

• Симметричная схема удвоения напряжения используется для получения выпрямленных напряжений (до нескольких киловольт) при небольших (до десятков миллиампер) значениях тока нагрузки. По сравнению с однополупериодной схема удвоения имеет лучший коэффициент использования трансформатора. Эта схема при одном и том же значении выпрямленного напряжения имеет примерно в 2 раза меньшее напряжение на вторичной обмотке выпрямительного трансформатора и соответственно вдвое меньшее обратное напряжение на вентиле. Пульсация на выходе выпрямителя имеет частоту, равную удвоенной частоте тока питающей сети.

Недостатком схемы следует считать  крутую внешнюю характеристику выпрямителя и то, что ни один из выводов вторичной обмотки трансформатора не может быть соединен с корпусом, если с ним соединен один из выводных концов выпрямителя.

Существуют также несимметричные схемы с умножением напряжения: трехфазные-однотактные  и мостовые схемы выпрямления.

 

Для уменьшения пульсаций напряжения на выходе выпрямителя используются сглаживающие фильтры. Допустимая величина пульсации характеризуется коэффициентом пульсации:

, (1.1)

где U_MAX – амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения,

U₀ – среднее значение выпрямленного напряжения.

Простейшими сглаживающими  фильтрами являются фильтры, состоящие  либо из одной индуктивности, включенной последовательно с нагрузкой, либо из одной емкости, включенной параллельно нагрузке. Индуктивный фильтр обеспечивает хорошее сглаживание пульсаций при малых сопротивлениях нагрузки, т.е. при больших токах, поэтому его применяют главным образом в мощных выпрямительных установках. Емкостной фильтр обеспечивает хорошее сглаживание при больших сопротивлениях нагрузки, т.е. малых токах, поэтому его применяют в выпрямителях небольшой мощности.

 

 

1.2 Стабилизаторы напряжения 

Стабилизатором  напряжения называется устройство, поддерживающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.

1.2.1 Параметрический  стабилизатор 

Стабилизаторами параметрического типа называются электрические схемы, напряжение на выходе которых остается практически неизменным при изменении входного напряжения или тока нагрузки в результате перераспределения токов и напряжений между отдельными элементами схемы. Для стабилизаторов этого типа характерным является наличие в схеме одного или нескольких нелинейных элементов.

Рис. 1.5 Рис. 1.6

 

На рис. 1.5 приведена  блок-схема параметрического стабилизатора, состоящего из двух элементов: линейного 1 и нелинейного 2. Если стабилизатор работает в цепи постоянного тока, то в качестве линейного и нелинейного элементов используются активные сопротивления. При работе стабилизатора в цепи переменного тока, как правило, применяются реактивные сопротивления (индуктивные или емкостные).

Из рис. 1.6, где 1 – вольтамперная характеристика (ВАХ) линейного элемента, 2 – ВАХ нелинейного элемента, а также характеристика всей схемы в целом – 3, видно, что при изменении напряжения на входе стабилизатора от некоторого минимального значения U_{BX MIN} до максимального U_{BX MAX}, напряжение на выходе стабилизатора изменяется в более узких пределах, чем на входе. Это объясняется тем, что большая часть приращения напряжения падает на линейном элементе. Таким образом, в параметрических стабилизаторах выходное напряжение почти не меняется при изменении входного за счет перераспределения напряжений между отдельными компонентами схемы.