Проектирование стабилизированного источника питания

1.2.2 Компенсационный  стабилизатор 

Стабилизаторы компенсационного типа характеризуются тем, что напряжение на выходе остается практически неизменным при изменении входного напряжения или тока нагрузки в результате воздействия цепи отрицательной обратной связи на регулирующий элемент схемы. Таким образом, принципиальным отличием компенсационного стабилизатора от параметрического является наличие в схеме отрицательной обратной связи.

Рис. 1.7

 

На рис. 1.7 приведена блок-схема  компенсационного стабилизатора, состоящего из трех элементов: регулирующего 1, измерительного 2 и усилительного 3. Элемент 1 представляет собой регулируемое активное (для стабилизаторов постоянного тока) и реактивное нелинейное (для стабилизаторов переменного тока) сопротивление, включенное последовательно с нагрузкой. Элемент 2 фиксирует отклонение напряжения на выходе стабилизатора от некоторого эталонного напряжения. Элемент 3 усиливает изменение выходного напряжения и воздействует на регулирующий элемент, изменяя его сопротивление и поддерживая этим постоянство выходного напряжения с высокой степенью точности.

 

1.2.3 Импульсные  стабилизаторы 

Выше рассмотренные стабилизаторы  являются стабилизаторами непрерывного действия. Значительно больший КПД имеют импульсные или ключевые стабилизаторы. Мощность нагрузки такого стабилизатора достигает 90%. Существенное повышение КПД ключевых стабилизаторов достигается импульсным режимом работы регулирующего элемента стабилизатора.

 

Рис. 1.8

 

На рис. 1.8 приведена структурная  схема источника питания с ключевым стабилизатором. Здесь Тр – трансформатор, В – вентиль, Ф1 – первый сглаживающий фильтр, РЭ – регулирующий элемент, Пр – импульсное устройство, УЭ – усилительный элемент, ОЭ – опорный элемент, ИЭ – измерительный элемент, КЭ– коммутационный элемент, Ф2 – второй сглаживающий фильтр.

Для управления РЭ нужен импульсный генератор или импульсное устройство типа триггера. Выходное напряжение имеет форму импульсов, поэтому этому стабилизатору требуется сглаживающий фильтр.

Изменение выходного напряжения стабилизатора приводит к изменению длительности поступающего на составной транзистор отрицательного импульса мультивибратора. Это приводит к изменению падения напряжения до прежнего уровня, таким образом, происходит автоматическое регулирование выходного напряжения стабилизатора за счет отрицательной обратной связи.

 

По сравнению со стабилизаторами  непрерывного действия ключевые стабилизаторы имеют следующие недостатки: большее значение амплитуды пульсаций выходного напряжения и меньший коэффициент стабилизации, который тем ниже, чем больше мощность нагрузки. Комбинированные непрерывно-импульсные схемы позволяют в определенной степени устранить недостатки стабилизаторов обоих типов.

 

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ  СХЕМЫ

 

Чаще всего, источники  вторичного питания, состоят из следующих компонентов:

трансформатор – для преобразования переменного напряжения источника первичного питания, до величины, соответствующей заданному значению выпрямленного напряжения.

выпрямитель – для преобразования переменного напряжения в напряжение одного известного направления.

сглаживающие  фильтры – для уменьшения амплитуды переменной составляющей, т. е. сглаживания пульсаций.

стабилизатор – устройство для поддержания напряжения на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах.

защита – предназначена для защиты стабилизатора от перегрузки из-за чрезмерного тока нагрузки.

В соответствии с этим, мой источник будет состоять из перечисленных  компонентов.

Структурная схема стабилизированного источника питания приведена  на рис. 2.1.

Рис. 2.1

 

На данной схеме:

Тр – понижающий трансформатор;

ВГ – вентильная группа;

СФ – сглаживающий фильтр;

СТ – стабилизатор постоянного напряжения.

 

В соответствии с проделанным аналитическим обзором производим выбор устройств для реализации компонентов структурной схемы:

1. В качестве вентильной группы используем однофазную мостовую схему.
2. В качестве сглаживающего фильтра выберем емкостной фильтр.
3. В качестве блока стабилизации используем компенсационный стабилизатор с последовательным включением регулирующего транзистора и встроенным блоком защиты – ограничителем тока на транзисторе с резистором – «датчиком» в цепи эмиттера регулирующего составного транзистора.

 

3. Расчет параметров компонентов структурной схемы

 

Основными показателями качества стабилизированного источника  питания можно считать:

 

1. Относительный коэффициент стабилизации, равный отношению относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе источника при R_Н = const:

Отношение , или абсолютный коэффициент стабилизации, равносильно коэффициенту сглаживания фильтра и часто применяется для оценки сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

 

2. Диапазон допустимого изменения входных и выходных напряжений, а также токов нагрузки, в пределах которого сохраняется заданная степень стабилизации выходного напряжения.

U_C0 = U_{C MAX} – U_{C MIN} = 66В, где

 – допустимое отклонение напряжения питающей цепи от номинального.

U_{C MAX} = U_C + U_{C ДОП} = 143В – максимальное напряжение в питающей сети.

U_{C MIN} = U_C – U_{C ДОП} = 77В – минимальное напряжение в питающей сети.

 

U_Н0 = U_{Н MAX} – U_{Н MIN} = 0,2В, где

 – допустимое отклонение  выходного напряжения источника питания.

U_{Н MAX} = U_Н + U_{Н ДОП} = 5,1 В – максимальное выходное напряжение.

U_{Н MIN} = U_Н – U_{Н ДОП} = 4,9 В – минимальное выходное напряжение.

 

DI_Н = I_{Н MAX} – I_{Н MIN} = 1,0151А, где

 – максимальный ток нагрузки.

 – минимальный ток нагрузки.

Отклонения напряжения сети: а_С = в_С = 0,15В.

 

3. Выходное сопротивление, характеризующее уменьшение выходного напряжения при колебаниях тока нагрузки, но при U_C = const:

Для стабилизаторов напряжения желательно иметь выходное сопротивление как можно меньше, причем не только в статическом режиме, при медленном изменении сопротивления нагрузки, но главным образом в динамическом, когда сопротивление нагрузки коммутируется. Возникающие в этом случае переходные процессы могут привести к весьма значительным выбросам или провалам выходного напряжения стабилизатора.

 

4. Ток срабатывания защиты:

I_ЗАЩ = K_ЗАЩ×I_Н = 1,52А.

 

5. Коэффициент пульсаций:

Примем U_{П М Н} = 0,005В

 

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ  СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И РАСЧЕТ ЕЕ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ

4.1 Расчет выпрямителя,  трансформатора и фильтра

 

Зададимся амплитудой пульсаций  на входе стабилизатора:

U_0– = 0,1×U_{H MAX} = 0,51 В.

 

Определим минимальное  напряжение на входе стабилизатора:

U_{0 MIN} = U_{H MAX} + U_{КЭ1 MIN} + U_0–

 

Принимаем минимальное коллекторное напряжение транзистора Т₁: U_{КЭ1 MIN} = 2,5В,

тогда U_{0 MIN} = 5,1 + 2,5 + 0,51 = 7,91 В.

Минимальное потребление тока стабилизатором  равно сумме токов, которыми мы задаемся через выходной делитель.

I_R1 = 18 мА – ток через резистор R1;

I_R2 = 2 мА – ток через резистор R2;

I_R3 = 5 мА – ток через резистор R3;

I_R4 = 5 мА – ток через резистор R4;

I_R5 = 10 мА – ток через резистор R5;

I_R6 = 15 мА – ток через резистор R6;

I_R7 = 15 мА – ток через резистор R7;

I_R8 = 15 мА – ток через резистор R8;

I_Д = 5 мА – ток через делитель напряжения.

I_{0 MIN} = I_R1 + I_R2 + I_R3 + I_R4 + I_R5 + I_R6 + I_Д = 50 мА.

 

Максимальное потребление  тока от выпрямителя U_{C MIN} при I_{H MAX}, U_{H MAX}:

I_{0 MAX} = I_{H MAX} + I_{0 MIN} = 1,02 + 0,05 = 1,07 А.

 

4.1.1 Расчет  выпрямителя

Проанализировав аналитический обзор, можно прийти к выводу, что в качестве выпрямителя в нашем источнике питания целесообразно применить однофазную мостовую схему.

Найдем номинальное  напряжение на входе стабилизатора:

 

Максимальное напряжение на входе стабилизатора:

 

Рассчитаем значение активного  сопротивления обмоток трансформатора:

Пусть I₀ = I_ЗАЩ = 1,52А.

Вт – магнитная  индукция в магнитопроводе, принимается  равным 1,1 ¸ 1,5Тл.

Пусть Вт = 1,3Тл.

S – число стержней магнитопровода, для магнитопроводов ШЛ S = 1.

К_С = 3,5×10³ – коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя, это значение для однофазной мостовой схемы.

Тогда           

 

Далее определим параметр А, зависящий от угла отсечки вентиля:

, где

р – число импульсов  выпрямленного напряжения р = 2;

r – сопротивление фазы выпрямителя,

r = r_TP + n_B + r_ДИФ

n_B = 2 – количество последовательно включенных и одновременно работающих вентилей,

r_ДИФ – дифференциальное сопротивление диода, равное

 

В качестве вентилей выберем  кремневые диоды типа КД202А с  параметрами:

U_{ОБР МАХ} = 50В

I_СР = 5А

U_ПР = 0,9В

 

 

Тогда                                    r = 0,101 + 2×0,39 = 0,881Ом

 

 

Из графиков определяем коэффициенты B, D, F, H:  [Приложение 1]

B = 0,95 D = 2,2 F = 5,7 H = 375

 

 

 

 

4.1.2 Расчет трансформатора

Определим параметры  трансформатора:

1. Действующее напряжение вторичной обмотки

при U_{C MIN} = 93,5B U_{2 MIN} = B×U_{0 MIN} = 0,95×7,91 = 7,51B

при U_{C HOM} = 110B 

при U_{C MAX} = 126,5B U_{2 MAX} = U₂×(1 + a_C) = 8,835×(1 + 0,15) = 9,985B

 

2. Коэффициент трансформации

 

3. Ток вторичной обмотки трансформатора

 

4. Ток первичной обмотки трансформатора

 

5. Типовая мощность

Средний ток одного вентиля

Вентили КД202А подобраны  правильно.

 

6. Вычислим габаритную мощность трансформатора

Определим размеры сердечника трансформатора:

,

где Q_СТ – полное сечение стержня, на котором расположены обмотки,

Q₀ – площадь окна сердечника, приходящаяся на обмотки одного стержня.

Выбираем Вт = 1,3Тл – максимальная магнитная индукция в сердечнике трансформатора, s = 1 – число стержней трансформатора, на которых расположены обмотки, s = 4А/мм² – плотность тока в обмотках, h_ТР = 0,9 – КПД трансформатора, k_М = 0,25 – коэффициент заполнения окна медью обмотки, k_С=0,85 – коэффициент заполнения сечения сердечника сталью.

Таким образом  .

Мощность, потребляемая выпрямителем от вторичной обмотки  трансформатора:

 

Мощность самого трансформатора от выпрямителя должна составлять:

 

Для трансформатора можно  использовать магнитопровод с минимальной  площадью сердечника

 

Значение ширины стержня  определим по формуле:

 

Выбираем магнитопровод  Ш12´15, где а = 15мм, b = 12мм, h = 9мм, L = 42, Н = 21, В = 15.

 

Толщина набора для сердечника из пластин:

 

Полное сечение стержня, на котором расположены обмотки:

 

Определим э.д.с. одного витка:

Число витков первичной  обмотки: .