Здесь можно найти образцы любых учебных материалов, т.е. получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


курсовая работа Проектирование стабилизированного источника питания

Информация:

Тип работы: курсовая работа. Добавлен: 04.12.2012. Сдан: 2012. Страниц: 42. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):



МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра АВТ

Дисциплина  электроника 
 
 
 

Курсовой проект
тема: «Проектирование  стабилизированного
источника питания» 
 
 

                                         Выполнил студент: Иванова Е. В.

                                         Группа: ЭМ-31

                                         Принял: к.т.н. Сердюков Н.А. 
 
 
 
 
 

г. Вологда
2011г.
 

оглавление
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ ……………………………………………………… 3
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………… 4
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР     …………………………………………… 6
1.1  Основные параметры    ……………………………………………………. 6
1.2  Выпрямительные устройства     ………………………………………….... 7
1.3   Стабилизаторы напряжения  ……………………………………………….. 12
1.3.1  Параметрический стабилизатор …..……………………………………….. 12
1.3.2  Компенсационный стабилизатор …………………………………………….14
1.3.3  Импульсные стабилизаторы ……………………………………………….. 17
2. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ………………………………………… 20

3.  Расчет параметров компонентов структурной схемы .. 21

4.  РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И РАСЧЕТ
ЕЕ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ……………………………………………….. 26
4.1  Расчет выпрямителя, трансформатора и фильтра ………………….……. 26
4.1.1  Расчет выпрямителя  …………………….………………………………….. 27
4.1.2  Расчет трансформатора  ………………….…………………………………. 28
4.2  Расчет стабилизатора ………………………………………………………… 32
4.3  Расчет схемы защиты ………………………………………………………… 40
4.3  Расчет радиатора   …………………………………………………………… 41
5.  МОДЕЛИРОВАНИЕ ………………………………………………………... 42
6.  РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА ………………………... 45
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………… 46
СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………... 47
ПРИЛОЖЕНИЯ  ……………………………………………………………………... 49
Приложение 1 ……………………………………………………………………... 49
Приложение 2 ……………………………………………………………………... 50
Приложение 3 ……………………………………………………………………... 52
Приложение 4 ……………………………………………………………………... 53  
Техническое задание 

      Проектирование  стабилизированного источника питания с характеристиками, соответствующими техническому заданию: 

      Условия технического задания: 

Номинальное напряжение питающей сети: UC = 110 B
Отклонение  напряжения питающей сети от номинального: DUC = 25%
Частота питающей сети: f = 50 Гц
Номинальное напряжение на выходе цепи: UH = 15 B
Отклонение напряжения на выходе цепи от номинального: DUH = 0,5%
Минимальное сопротивление нагрузки: RH MIN = 5 Ом
Максимальное  сопротивление нагрузки: RH MAX = 1 кОм
Коэффициент срабатывания защиты по току: KЗАЩ = 2
 

ВВЕДЕНИЕ
       Минувшее  десятилетие ознаменовалось резким увеличением темпов технического прогресса, научно-технической революцией во многих областях современной техники и прежде всего  в радиоэлектронике и автоматике.
       В каждом электронном устройстве имеется источник электропитания, от нормального функционирования которого зависит работоспособность всего устройства. Эти источники разнообразны, и выбор того или иного из них определяется потребляемой мощностью, видом питаемого электронного устройства, а также условиями его эксплуатации. В одних случаях источники питания конструктивно объединены с питаемым устройством, в других – отделены от него и представляют собой самостоятельную конструкцию
  Радиоэлектронная  аппаратура и приборы автоматики предъявляют весьма жесткие требования к качеству потребляемой ими электрической энергии, а в ряде случаев требуют обязательного преобразования энергии первичного источника. Поэтому одновременно с прогрессом в автоматике и радиоэлектронике происходило бурное развитие преобразовательной техники и статических средств вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, которые осуществляют необходимые преобразования электрической энергии (часто многократные), обеспечивая при этом требуемые значения питающих напряжений как постоянного, так и переменного – однофазного или многофазного – токов; электрическую изоляцию цепей питания друг от друга и от первичного источника; высокую стабильность вторичных питающих напряжений в условиях значительного изменения первичного питающего напряжения и нагрузок; требуемую форму напряжений переменного тока, постоянство сдвига их фаз и высокую стабильность их частоты и т. п.
       Полученные  в этой области качественно новые  результаты, а именно обеспечение  высокой надежности, экономичности и большого срока службы средств вторичного электропитания при их сравнительно малых габаритах и массе, обусловлены переходом на полупроводниковую элементную базу.
       В настоящее время средства вторичного электропитания представляют собой  достаточно сложные устройства, которые содержат большое количество разнообразных функциональных узлов, выполняющих те или иные функции преобразования электрической энергии и улучшения ее качества. Прогресс в разработке и совершенствовании переносных, подвижных и стационарных автономных объектов различного назначения, территориально удаленных от промышленных энергетических систем и снабженных автономными первичными источниками электрической энергии типа аккумуляторных или солнечных батарей, топливных элементов, ядерных источников и т. п., вызвал повышенный интерес инженеров и ученых к области питания радиоэлектронной аппаратуры и систем автоматики от первичной сети переменного тока.
     В итоге разработок создан обширный класс  полупроводниковых преобразовательных устройств. Согласно ГОСТ 23413-79 средством вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры называется функциональная часть радиоэлектронной аппаратуры, использующая электроэнергию, получаемую от системы электроснабжения или источника питания электроэнергией и предназначенную для формирования вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Источники вторичного электропитания состоят из функциональных узлов вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, выполняющих одну или несколько функций, например, функции выпрямления, стабилизации, усиления, регулирования и т. п. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

      1.1 Основные параметры 

      Вторичные источники питания характеризуются  рядом электрических эксплуатационных и массогабаритных параметров, которые обеспечивают их работоспособность в составе радиоэлектронных комплексов.

При проектировании источников вторичного питания (ИВЭП), а также при выборе и расчетах элементов силовой части устройства необходимо учитывать следующие  основные параметры источника первичного напряжения:
    Номинальное значение напряжения питающей сети переменного или постоянного тока.
    Максимальное и минимальное значения напряжения питающей сети.
    Амплитуды и длительности провалов и выбросов напряжения питающей сети.
    Пределы изменения частоты питающей сети.
    Число фаз питающей сети.
   ИВЭП  характеризуется также рдом выходных электрических параметров, которые  обеспечивают возможность их применения в составе радио-электронной аппаратуры различного назначения. К основным электрическим параметрам ИВЭП могут быть отнесены:
    Номинальное значение выходного напряжения (тока).
    Граничные минимальные и максимальные значения пределов регулирования или изменения выходного напряжения (тока).
    Нестабильность выходного напряжения (тока), определяемая отношеним изменения выходного напряжения (тока), вызванного различными дестабилизирующими факторами. (изменение входного напряжения, сопротивления нагрузки, климатических условий и т.д.)
    Допустимый размах переменной составляющей выходного напряжения.
    Допустимая амплитуда выброса выходного напряжения при скачкообразном уменьшении тока нагрузки.
    Коэффициент полезного действия, определяемый отношением мощности, отдаваемой ИВЭП в нагрузку, к мощности, потребляемой от источника первичного питания.
    Коэффициент мощности, определяемый отношением активной мощности, потребляемой от сети переменного тока, к полной мощности.
    Длительность процесса установления выходного напряжения, отсчитываемая от момента включения.
   К ИВЭП предъявляются также специальные  требования, которые указываются в техническом задании на разработку, к ним, как правило, относятся:
    Обеспечения электронной защитой как самого источника питания, так и потребителей.
    Обеспечение гальванической развязки выходных цепей питания и шин источника первичного напряжения.
    Дистанционное управление источником питания.
    Получение минимальных массы и габаритов источника питания либо максимально возможного КПД; непревышение установленного уровня потребляемой мощности.

      1.2  Выпрямительные устройства

      Выпрямитель является статическим преобразователем переменного тока в постоянный, у которого выходное выпрямленное напряжение изменяется при изменении входного напряжения питания или тока нагрузки.
      В источниках вторичного электропитания находят применение  нерегулируемые и регулируемые выпрямители, выполненные на полупроводниковых приборах: диодах, тиристорах или транзисторах.
      Выпрямители нерегулируемые выполняются по схеме  приведенной на рис. 1.1.  Его основными  элементами являются трансформатор, электрические  вентили и сглаживающий фильтр.
      
      Рис. 1.1 Нерегулируемый выпрямитель
        рис. 1.1 структурная схема нерегулируемого  выпрямителя
      Тр – трансформатор, В – электрические вентили, Ф – сглаживающий фильтр.
      Выходное  постоянное напряжение не регулируется внешними органами; оно может быть незначительно уменьшено или увеличено скачком за счет соответствующей перепайки отводов обмоток трансформаторв, если они предусмотрены на нем. Трансформатор в схеме выпрямителя не только устанавливает требуемый уровень выпрямленного напряжения, но и обеспечивает гальваническую развязку и электрическую изоляцию выходных цепей от первичной сети питания.
      Выпямители  регулируемые выполняются на тиристорах. На рис. 1.2 приведена структурная  схема регулируемого выпрямителя, в состав которой входят силовой  трансформатор (Тр), на вход которого подается переменное напряжение питающей сети, регулирующие вентили – тиристоры (ВР), схема управления включения тиристоров (СУ) и сглаживающий фильтр (Ф).  

        
 
 
 

      1.2 Регулируемый выпрямитель
      Регулирование выходного напряжения достигается за счет изменения угла включения тиристоров. При этом с увеличением угла включения выходное выпрямленное напряжение уменьшается. Фазирование угла включения тиристоров осуществляется от переменного напряжения входной сети питания. Таким образом, тиристоры выполняют одновременно две функции: преобразуют переменное напряжение в постоянное и регулируют уровень выходного напряжения.
      Тиристорные регулируемые выпрямители применяются  в источниках питания для получения  выпрямленных напряжений больше 5 – 10 В при токах нагрузки от едениц до десятков ампер.
      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.
      Главные части конструкции, определяющие электро-магнитную  основу трансформатора, - сердечник (магнитопровод) и обмотки с изоляцией, составляющие вместе катушку. Остальные элементы играют чисто конструктивную, но весьма важную роль (установочная арматура, теплоотводы от сердечника и катушек и подсоеденительные элементы).
      Магнитопроводы  в зависимости от технологии изготовления делятся на пластинчатые, ленточные и прессованные. На рис. приведены основные конструкции основных видов магнитопроводов броневого, стержневого и тороидального типов.
      Обмотки броневых и стержневых трансформаторов  выполняются в виде катушек с  каркасной или бескаркасной намоткой. Используется как правило, рядовая многослойная намотка обмоток на каркасе или гильзе прямоугольной формы. Рядовая намотка производится по всй высоте каркаса или секциями на его части.
      Изоляция  обмоток включает в себя изоляцию витковую, межслоевую, межобмоточную и наружную от магнитопровода элементов конструкции.
      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.  Выпрямители без сглаживающего фильтра используются сравнительно редко, когда пульсация напряжения на выходе не имеет существенного значения. Сглаживающий фильтр также часто отсутствует в схемах много фазных выпрямителей, имеющих малую  пульсацию выпрямленного напряжения.
      В выпрямителях в основном используют следующие схемы:
    Однополупериодная (рис. 1.3) 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 и 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. 1.4) 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. 1.5) 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 UMAX – 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.
      Наиболее  широко применяются сглаживающие фильтры, состоящие из индуктивности и  емкости (типа LC) или из сопротивления и емкости (типа RC). Эти фильтры могут быть однозвенными или двузвенными. Возможно такде применение комбинированных двузвенных фильтров. Основные схемы фильтров показаны на рис.1.6

      Основные  схемы сглаживающих фильтров

      
      
      
      
 
 
 
 
 
       
      Рис. 1.6
      Иногда  находят применение полупроводниковые и электронные сглаживающие фильтры.
      Все сглаживающие фильтры характеризуются  коэффициентом сглаживания q, который в соответствии с формулами можно представить как отношение амплитуды первой гармоники пульсации на входе фильтра к амплитуде первой гармоники пульсации на выходе фильтра.
      Кроме трансформаторов, вентилей и фильтров, источники питания могут содержать  дополнительные устройства: стабилизаторы напряжения и устройства защиты от повреждений при нарушениях нормального режима работы.

      1.3 Стабилизаторы напряжения 

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

      1.3.1 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. 

      На  рис. 1.7 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. 1.8, 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 UBX MIN до максимального UBX 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. 

      Для питания РА, не требующей очень  высокой стабильности питающего  напряжения постоянного тока или большой выходной мощности, целесообразно применять простые, надежные и дешевые параметрические стабилизаторы напряжения (ПСН). Основой таких устройств является элемент с нелинейной ВАХ, у которого напряжение на электродах мало зависит от протекающего через элемент тока. Одним из таких элементов является кремниевый стабилитрон.
      Простейшая  схема представлена на рисунке 1.9.
       Данная схема  представляет собой эмиттерный повторитель, параллельно транзистору Т включено сопротивление нагрузки RН. Балластный резистор RБАЛ может быть включен как в коллекторную, так и в эмиттерную цепи транзистора. В последнем случае у входных и выходных цепей образуется общий провод.
      Схема работает следующим образом. При  возрастании по какой-либо причине  напряжения UН происходит увеличение напряжения UЭБ и коллекторного тока IK, так как транзистор Т работает в области усиления. Возрастание коллекторного и соответственно эмиттерного токов приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе RБАЛ, что компенсирует рост напряжения UН. Поскольку ток IСТ кремниевого стабилитрона является одновременно базовым током транзистора, очевидно, что ток нагрузки в этой схеме может быть в h21К @ h21Э раз больше, чем в простейшей схеме ПСН. Резистор R увеличивает ток через стабилитрон, обеспечивая его устойчивую работу при максимальном значении коэффициента h21Э, минимальном напряжении питания UП и максимальном токе нагрузки IН.

      1.3.2 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.

         Достоинствами компенсационных  стабилизаторов является хорошо разработанная теория, возможность получения высоких коэффициентов стабилизации и очень малых выходных сопротивлений, простота настройки и регулировки.

 
      Схемы компенсационных  стабилизаторов постоянного  напряжения бывают последовательного (рис. 2.1) и параллельного (рис. 2.2) типов.  

        
 
 
 
 

        
 

        

 
 
        

      Различие  приведенных схем состоит в следующем. В последовательных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе возрастает при увеличении напряжения на нагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузки. В параллельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входного напряжения, а ток находится в прямой зависимости от напряжения на нагрузке.
            Стабилизаторы параллельного  типа имеют невысокий КПД и  применяются сравнительно редко. Для стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках обычно применяются  стабилизаторы напряжения последовательного типа. Их недостатком является то, что при коротком замыкании на выходе к регулирующему элементу будет приложено все входное напряжение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

      Принцип работы компенсационных стабилизаторов

      Компенсационный стабилизатор с непрерывным способом регулирования (НСН) представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования выходного напряжения при воздействии различных возмущающих факторов (изменение питающего напряжения, нагрузки, температуры окружающей среды и пр.), в которой выходное напряжение поддерживается постоянным за счет изменения падения напряжения на регулирующем элементе.
      В качестве регулирующего элемента схемы  обычно используются биполярные транзисторы n-p-n и p-n-p типа, работающие в режиме усиления. Поскольку в режиме усиления у транзистора существует линейная зависимость между входным и выходным сигналами, то стабилизаторы напряжения с непрерывным способом регулирования иначе называют линейными стабилизаторами напряжения.
      Типичная  простая схема компенсационного стабилизатора напряжения постоянного  тока с непрерывным способом регулирования последовательного типа приведена на рис. 1.10.
        
      Рассмотрим  работу этого стабилизатора, считая возмущающим фактором изменение  питающего напряжения UП.
      При повышении напряжения питания UП происходит увеличение выходного напряжения UН стабилизаторов и соответственно той его части UН.Д., которая снимается с резисторов R''пт, Rд2 делителя напряжения.
      Сигнал  ошибки Uэб=Uн.д.–Uст воздействует на вход транзистора Т2, вызывая увеличение его коллекторного тока Iк2. Это приводит к уменьшению базового тока транзистора Т1 (Iб1). Поскольку транзистор Т1 работает в режиме усиления, то падение напряжения на нем возрастает, компенсируя происшедшее увеличение выходного напряжения.
      Через резистор RК  одновременно протекают коллекторный ток IК2 транзистора Т2 и базовый ток Iб1 транзистора Т1. Поскольку резистор RК является сопротивлением нагрузки УПТ, то для получения больших значений усиления его сопротивление приводит к ограничению тока IК1 и тока нагрузки стабилизатора. Разрешить это противоречие можно заменой транзистора Т1 составным транзистором с большим коэффициентом передачи тока h21Э1.
      Уменьшение  значения сопротивления RД1 достигается выбором более мощного делителя напряжения. Обычно ток делителя выбирается на порядок больше, чем базовый ток транзистора Т2. Дальнейшее уменьшение сопротивления резисторов делителя напряжения не целесообразно, так как приводит к снижению КПД схемы, увеличению температурной нестабильности выходного напряжения стабилизатора из-за разогрева резисторов делителя.

      1.3.3 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. 1.11
      На  рис. 1.11 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.

      Принципы  работы импульсных стабилизаторов.

      В стабилизаторах с импульсным регулированием регулируемый резистор заменяется ключом, что сводит к минимуму рассеиваемую на нем мощность (рис.1.12). Ключ может  подсоединять или отсоединять нагрузку, тем самым регулируя среднюю мощность забираемую ею от источника. Для сглаживания пульсаций выходного напряжения, вызываемых коммутацией ключа, в силовую цепь импульсного стабилизатора включают специальный фильтр, состоящий из дросселя L, конденсатора С и разрядного диода VD. Цепь обратной связи стабилизатора управляет интервалами времени, в течении которых ключ замкнут или разомкнут.
      
      Напряжение  на нагрузке определяется как напряжением  источника Е, так и соотношением интервалов импульсов, в течении которых ключ замкнут или разомкнут. Воздействуя на длительность замыкающих ключ импульсов, можно регулировать напряжение на нагрузке и, следовательно, поддерживать его постоянным при изменении первичного напряжения Е.
      Преобразование  сигнала ошибки, являющегося в  импульсном стабилизаторе, как в линейном, медленно меняющимся постоянным напряжением, в импульсную последовательность с переменной скважностью (необходимо для управления ключом) производится в специальном импульсном устройстве, входящем в цепь ОС стабилизатора. Работой ключа можно управлять несколькими способами. Если импульсное устройство создает на своем выходе импульсную последовательность с постоянным периодом повторения и меняющейся в зависимости от сигнала ошибки длительностью импульса, то такую схему называют стабилизатором с широтно-импульсной модуляцией. Если же импульсное устройство замыкает ключ при напряжении на выходе, меньшем некоторого порога, и размыкает его при превышении порога, то такую схему называют релейной или двухпозиционным стабилизатором. Стабилизатор, ключ которого управляется от входного напряжения, называют импульсным параметрическим стабилизатором.
      В современных схемах импульсных стабилизаторов в качестве ключа широко применяются транзисторы и тиристоры. Реальные транзисторы, работающие в ключевом режиме, дроссели и диоды обладают малыми потерями, что позволяет сделать силовую цепь стабилизатора малогабаритной. Требуемая для обеспечения малых пульсаций индуктивность дросселя L уменьшается с ростом частоты коммутации ключа. Поэтому частоту коммутации выбирают настолько большой, насколько позволяют применяемые в качестве ключа транзисторы (реально до сотен килогерц).
      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. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
       На  основе обзора технической литературы выберем структурную схему для  реализации. Общую структурную схему источника вторичного питания с заданными параметрами моего варианта изобразим в виде последовательно соединенных звеньев (рис. 2.1). Каждое звено обеспечивает стабильную работу ИВП. Для получения характеристик, оговоренных в техническом задании, хорошо подходит ИВП на входе которого стоит трансформатор (Т). Для преобразования переменного напряжения в постоянное будем  использовать мостовой выпрямитель (В), так как у него наиболее простая конструкция, чем, например, у двухполупериодного. В качестве сглаживающего фильтра возьмем ёмкостной фильтр (Ф). Он является наиболее удобным в использовании, сравнительно недорогим и обеспечивает достаточный уровень стабилизации. В качестве блока стабилизации используем компенсационный стабилизатор с последовательным включением регулирующего транзистора и встроенным блоком защиты – ограничителем тока на транзисторе с резистором.

       С 






 Rн                                                                                                                                                               
                                                                                                                                                                                                    
     
     Рис. 2.1
   Воздействие на регулирующий элемент РЭ осуществляется управляемой схемой, в которую входят усилитель постоянного тока У и источник опорного напряжения ИОН. С помощью  ИОН производят сравнение напряжения на нагрузке с опорным напряжением. Функция усилителя сводится к усилению разности сравниваемых напряжений и подаче усиленного сигнала непосредственно на регулирующий элемент.

3. Расчет параметров  компонентов структурной  схемы

 
Расчет  буду вести с помощью программы  Mathcad.
Исходные  данные:
Номинальное напряжения питающей сети: Uc=110B
Отклонение  напряжения питающей сети от номинального: ?Uc=25%
Частота питающей сети: fc=50
Номинальное напряжение на выходе цепи: Un=15B
Отклонение  напряжения на выходе цепи от минимального: ?Un=0,5%
Минимальное сопротивление нагрузки: Rn_min=5Ом
Максимальное  сопротивление нагрузки: Rn_max=1000Ом
Коэффициент срабатывания защиты по току: Кзащ=2 

      Основными показателями качества стабилизированного источника питания можно считать:
    Относительный коэффициент стабилизации, равный отношению относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе источника при RН = const:
 

                  

     Отношение, или абсолютный коэффициент стабилизации, равносильный коэффициенту сглаживания фильтра и часто применяющийся для оценки сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения:
  

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

                                                 
Ucmin=110-110*25/100 = 82.5 В
   
Ucmax=110+110*25/100 = 137.5В
      
      Un0 = 15.075-14.925 = 0.15В
     

                                                        максимальное выходное напряжение
      
?Iн = 3.015 - 0.015 = 3А

                                             

                                              
 
Отклонения  напряжения сети
   
 
а:= 0,25 
 
 

      
    Выходное  сопротивление, характеризующее уменьшение выходного напряжения при колебаниях тока нагрузки, но при UC = const:

R вых = 0.5 / 3 = 0.17 Ом
       Для стабилизаторов напряжения желательно иметь выходное сопротивление как можно меньше, причем ни 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.
    Ток срабатывания защиты:
 

    Коэффициент пульсаций:
    Амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения Uп м н ? 25 мВ
Примем  UП М Н = 0,005В

Кр = 0.005 / 15 = 3.33 * 10-4  
 
 
 

Предъявляем требования к блокам источника питания:
Выбор выпрямителя и  фильтра.
Для выпрямителя  переменного напряжения с выхода транзистора будем использовать однофазную двухполупериодную мостовую схему так, как она обладает из всех вариантов двухполупериодных выпрямителей наилучшими техника экономическими показателями. Достоинства этого выпрямителя – повышенная частота пульсации. Относительно небольшое обратное напряжение, хорошее использование трансформатора. Фильтр сглаживает мгновенное значение напряжения. Более правильный подход к разработке источника питания состоит в том, чтобы с помощью конденсатора уменьшить пульсации до некоторого уровня (например, 10% от напряжения постоянного тока), а затем, для устранения остатков пульсаций, использовать схему с обратной связью (стабилизатор напряжения).
Выбор стабилизатора.
      Для стабилизации напряжения выберем схему  компенсационного стабилизатора с непрерывным регулированием последовательного типа . Она обладает значительным КПД, экономичного в режиме холостого хода и высоким коэффициентом стабилизации.
       В качестве стабилизатора в данной схеме будем использовать компенсационный стабилизатор, в состав которого входит схема защиты по току, регулирующий элемент, усилитель постоянного тока и измерительный элемент.
      Т.к. максимальный ток нагрузки  больше 0,6А и меньше 4А, то выбираем регулирующий элемент, состоящий из трех транзисторов.
 Выбор трансформатора.

      Он  понижает величину входного переменного  напряжения и для гальванической развязки блока питания и сети. Выбор трансформатора производится по расчетным максимальным действующим значениям тока и напряжения вторичной обмотки трансформатора с учетом полной мощности трансформатора S.

Uc max = 137.5 В,  S = 321.816 Вт.  

Выбор защиты.
      Устройства  защиты стабилизаторов напряжения от перегрузок можно разделить на встроенные, воздействующие на регулирующий элемент стабилизатора, и автономные, содержащие отдельный ключевой элемент. Обычно к стабилизаторам с защитой от короткого замыкания выходной цепи предъявляется требование автоматического возврата в рабочий режим после устранения перегрузки.
      Ток срабатывания защиты
               
 

4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ  СХЕМЫ УСТРОЙСТВА  И РАСЧЕТ ЕЕ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ

4.1 Расчет выпрямителя,  трансформатора и  фильтра

Амплитуда пульсаций на входе стабилизатора:
 
Определим минимальное напряжение на входе стабилизатора:
 
минимальное коллекторное напряжение транзистора принимаем:
 В
 А – ток через резистор R2;
 А – ток через резистор R3;
 А – ток через резистор R1;
Минимальное потребление  тока стабилизатором  равно сумме  токов, которыми мы задаемся через выходной делитель.
 А – ток через резистор R4;
 А – ток через резистор R5;
 А – ток через резистор R6;
 А – ток через резистор R7;
 А – ток через резистор R8;
 А – ток через делитель напряжения.
 
А
 
 
       Максимальное  потребление тока от выпрямителя UC MIN при IH MAX, UH MAX:

 
 
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:

 
 
 
 
 
 
Рассчитаем  значение активного сопротивления  обмоток трансформатора:
 
 Тл – магнитная индукция в магнитопроводе,
 принимается   равным 1,1 ? 1,5Тл;
 
– коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя, это значение для однофазной мостовой схемы;
S – число стержней магнитопровода, для магнитопроводов ШЛ S = 1.

Найдем индуктивность рассеяния обмоток трансформатора
 
 
 
 
;
Где kL – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления, для мостовой схемы  

р –  число чередующихся секций обмоток, если вторичная обмотка наматывается после вторичной (или наоборот) р=2
 
 
 
 
  

r – активное  сопротивление фазы выпрямителя 
nv = 2 – количество последовательно включенных и одновременно работающих вентилей,

rdiv – дифференциальное сопротивление диода
В качестве вентилей выберем кремневые диоды типа КД202А с параметрами:
UОБР МАХ = 50В
IСР = 5А
UПР = 0,9В
Далее определим параметр А, зависящий  от угла отсечки вентиля:

 
 
 
Из графиков определяем коэффициенты B, D, F, H:
B = 1 D = 2,2 F = 6,8 H = 250 

4.1.2 Расчет трансформатора
Определим параметры трансформатора:
    Действующее напряжение вторичной обмотки
    При Uc min:= 82.5 В                        U2 min:= В*U0 min= 20.59 В
    При Uc max:= 137.5 В                     U2 max:= U2(1+a) = 34.3125 В
    При Uc nom:= 110 В                         U2:=  U2min / (1-a) = 27.45 В                           

    Коэффициент трансформации

    Ток вторичной  обмотки трансформатора
 
 
 
    Ток первичной  обмотки трансформатора
 
 
 
 
    Типовая мощность
 
 
 
 
 
    Средний ток одного вентиля
 
 
 
    Вентили КД202А подобраны правильно. 

    Вычислим  габаритную мощность трансформатора
 
 
 
 
    Определим размеры сердечника трансформатора:
 
где QСТ – 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, hТР = 0,9 – КПД трансформатора, – коэффициент заполнения окна медью обмотки, kС=0,85 – коэффициент заполнения сечения сердечника сталью.
       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 ПЛ20?40, где а = 20мм, b = 40мм, h = 50мм, Н = 90.
Активная площадь сечения магнитопровода:
 см2
 
 
Определим э.д.с. одного витка:
 В
 
Число витков первичной обмотки:

 
 
Число витков вторичной обмотки:

. 
 

Определим диаметр провода обмоток (без  изоляции):
 
 
 
 
 
По справочнику определим диаметр провода обмоток с изоляцией: d1 = 0,955мм, d2 = 1,7мм.
Определим значение емкости фильтра:
 
 
 
.
По ГОСТу  выбираем емкость К50-16-50-1915 мкФ.
     Путем увеличения емкости конденсатора можно уменьшить пульсации напряжения до требуемого уровня. Такой способ борьбы с пульсациями имеет 2 недостатка:
        1. Конденсаторы нужной емкости  могут оказаться недопустимо  громоздкими и дорогими;
        2. Даже в том случае, когда пульсации уменьшены до пренебрежимо малого уровня, наблюдаются колебания выходного напряжения. Изменения выходного напряжения может быть вызвано изменением тока нагрузки, т.к. трансформатор, диод и др. элементы обладают конечным внутренним сопротивлением.

4.2 Расчет стабилизатора

       В качестве стабилизатора в данной схеме будем использовать компенсационный стабилизатор, в состав которого входит схема защиты по току, регулирующий элемент, усилитель постоянного тока и измерительный элемент.
     
    Т.к. максимальный ток нагрузки больше 0,6А и меньше 4А, то выбираем регулирующий элемент, состоящий из трех транзисторов.  

    Рассчитаем  транзистор VT3:
       Находим наименьшее напряжение на входе стабилизатора:
Ubx_min:= Un + Uкз_min = 19 В , где Uкз_min – минимальное напряжение на
регулирующем  транзисторе VT3.
     VT3 предположительно кремневый, то  Uкз min выбираем в пределе 3..5 В.
      Учитывая  нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора ±20%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:
         
 
 
         
 
 
       Максимальное  напряжение на входе стабилизатора Uвх_max2 при минимальной нагрузке
 
, где
 
 
  
 
 

       Максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер на регулирующем транзисторе:
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.