ЗМІСТ
Введення
1 Аналіз технічного завдання
2 Розробка принципової схеми
3 Розрахунок елементів схеми
4 Аналіз спроектованого пристрою на ЕОМ
Висновки
Перелік посилань
Додаток А
Додаток Б
Додаток В
Введення
Вторинні джерела живлення використовуються в РЕА, що живиться від мережі змінного струму, для отримання напруг постійного і змінного струму, необхідних для живлення різних вузлів. Недоліком даного типу блоку живлення є велика матеріаломісткість, меншою питомою потужністю і більш низьким ККД, на відміну від імпульсного джерела живлення - це обумовлено наявністю трансформатора живлення працює на частоті 50 Гц і стабілізатора компенсаційного типу безперервної дії. У даний момент в РЕА частіше стали використовуватися інші види джерел живлення.
1 Аналіз технічного завдання
У донної курсової роботі необхідно розрахувати та спроектувати вторинний джерело харчування за такими вихідними даними
U вих = 12 В
U вих = 0.4 B
f = 50 Гц
U вх = 15 B
U вх = 220 B
K ст = 100
I н = 2 mA
На рис. 1.1 зображена структурна схема вторинного джерела живлення.
Трансформатор харчування | випрямляч | Сглаживающий фільтр | Стабілізатор напруги |
Рис.1.1 - Структурна схема вторинного джерела живлення
Випрямні пристрої (випрямлячі) відносяться до вторинних джерел електроживлення. Вони використовуються для перетворення перемінної напруги в постійне. Джерелом змінної напруги може бути мережа змінного струму частотою 50 Гц або перетворювач постійної напруги в змінну підвищеної частоти.
Випрямляч в більшості випадків складається з трансформатора харчування, що змінює напругу, комплекту вентилів - випрямляючих змінну напругу й згладжує фільтра. Опір вентиля в прямому напрямку в сотні разів менше, ніж у зворотному. В даний час в основному використовуються напівпровідникові вентилі.
Згладжують фільтри включають між випрямлячем і навантаженням
Для зменшення пульсацій (змінної складової) випрямленої напруги. Найбільш часто використовуються фільтри, що складаються з дроселі і конденсатора (рис.1.1, а) або з резистора і конденсатора (рис.1.2, а).
Р ис. 1.2 - Схеми згладжуючих фільтрів
На рис. 1.3 - зображена однофазна мостова схема випрямляча
Рис.1.3-Однофазна мостова схема випрямляча
Стабілізатори напруги мають такі основні параметри: Коефіцієнт нестабільності по напрузі - ставлення похідної вихідної напруги по вхідній напрузі до вихідною напругою:
Кн u = U вих * 100% / U вих * U вх (1.1)
Коефіцієнт нестабільності по струму - відносна зміна вихідної напруги при зміні вихідного струму в певних межах:
Кн i = U вих * 100% / I вих (1.2)
Коефіцієнт стабілізації напруги - відношення відносних змін вхідної і вихідної напруги при постійному вихідному струмі:
Кст = 1 / (КНУ * U вх) (1.3)
Вихідний опір стабілітрона - похідна вихідного напруги по вихідного току:
R вих = dU вих / dI вих (1.4)
Коефіцієнт корисної дії - відношення потужності на виході стабілітрона до потужності на вході.
Коефіцієнт згладжування пульсацій - співвідношення напруги пульсацій на вході і на виході.
У вторинних джерелах живлення використовуються параметричні
і компенсаційні стабілізатори напруги.
Найбільш простими стабілізаторами напруги є параметричні стабілізатори напряженія.Оні характеризуються порівняно невисокими коефіцієнтами стабілізації, великим вихідним опором, низьким ККД. У таких стабілізаторах неможливо отримати точне значення вихідної напруги і регулювати його.
На рис.1.4 зображена схема параметричного стабілізатора напруги.
Рис.1.4 - З Хема параметричного стабілізатора напруги
Компенсаційні стабілізатори напруги представляють собою систему автоматичного регулювання, в якій із заданою точністю підтримується постійним напруга на виході незалежно від зміни вхідної напруги і струму навантаження. На рис.1.5 зображена одна зі схем компенсаційного стабілізатора напруги.
Рис.1.5 - З Хем компенсаційного стабілізатора напруги
2 Розробка принципової схеми
На вході вторинного джерела живлення можна поставити схему однофазного випрямляча напруги зображену на рис.1.3.
Після випрямляча поставимо згладжує R - C фільтр зображень
на рис.1.2, а.
Потім необхідно розрахувати і встановити одну зі схем параметричного стабілізатора напряженія.Напрімер схему зображену на рис.1.5.
Схема вторинного джерела живлення буде мати вигляд:
Рис.1.5 - Схема вторинного джерела живлення
3 Розрахунок елементів схеми
1. Розрахунок слід проводити «від навантаження». Для чого за вихідними даними визначимо R Н:
(3.1)
.
2. Задамося коефіцієнтом стабілізації (з вихідних даних):
К = 100.
3. Знаходимо величину мінімальної напруги на вході стабілізатора
U ВХ.МІН = U ВИХІД + U К.Е1 МІН + U ВИХІД, (3.2)
де U К.Е1 МІН - мінімально допустима напруга між емітером і
колектором регулюючого транзистора, при якому робота
ще відбувається на лінійній ділянці вихідної характеристики
IK = F (U К. Е) при I0 = const;
U ВИХІД - відхилення напруги на виході стабілізатора від номінального.
Напруга U К.Е1 МІН для більшості транзисторів не перевищує 1-3 ст. При розрахунку U К.Е1 МІН можна приймати рівним 3 ст. Величина напруги U ВИХІД для нашого випадку визначається верхньою межею регулювання вихідної напруги, тобто U ВИХІД = 0,4 В. Таким чином,
U ВХ.МІН = 12 + 3 + 0.4 = 15.4 B.
Номінальна і максимальна напруги на вході стабілізатора з урахуванням допустимих відхилень вхідної напруги (оскільки нестабільність напруги живильної мережі нам не задана, візьмемо відхилення U ВХ = ± 10%, що цілком достатньо для забезпечення заданих показників якості) відповідно рівні
(3.3)
(3.4)
3. Визначаємо максимальне падіння напруги на ділянці
емітер - колектор регулюючого транзистора
U К.Е1 МАКС = U ВХ. МАКС - U ВИХІД, (3.5)
U К.Е1 МАКС = 18,2 - 12 = 6,2 в.
4. Знаходимо максимальну потужність, що розсіюється на колекторі
регулюючого транзистора,
РК1 МАКС = U К.Е1 МАКС • I ВИХІД. МАКС, (3.6)
де I ВИХІД. МАКС - максимальне значення струму навантаження. Для нашого випадку (при незмінному струмі навантаження)
I ВИХІД. МАКС = I ВИХІД. = 0,1 А
Отже
РК1 МАКС = 8,2 • 0,1 = 0,82 Вт
5. Вибираємо тип регулюючого транзистора.
При виборі необхідно виконати умови
I К1. МАКС I ВИХІД. I К1. МАКС. ДОП.; (3.7)
U К.Е1 МАКС U К.Е1 МАКС. ДОП.; (3.8)
РК1 МАКС РК1 МАКС. ДОП. (3.9)
Користуючись таблицями відповідних довідників вибираємо транзистор Т1 типу П4БЕ з такими параметрами: коефіцієнт посилення по струму В1 = 20, максимально допустима напруга колектор - емітер UК.Е1 МАКС. ДОП. = 60 в;
максимально допустимий струм колектора I К1. МАКС. ДОП. = 5 а; максимально допустима потужність, що розсіюється на колекторі (без додаткового тепловідводу), РК1 МАКС. ДОП = 3 Вт
Таким чином, для обраного транзистора П4БЕ умови (3.7) (3.9) виконуються.
6. Вибираємо тип согласующего транзистора Т2. Транзистор Т2 призначений для узгодження великого вихідного опору (близько 10 ком) підсилювача постійного струму, зібраного на транзисторі Т3, з малим вхідним опором (близько 10 ом) регулюючого транзистора Т1.
Крім того, транзистори Т1 і Т2, утворюючи складовою транзистор, мають загальний коефіцієнт посилення по струму
Взаг. = В1 • В2 (3.10)
де В1 і В2 - коефіцієнти підсилення по струму транзисторів Т1 і Т2. Великий коефіцієнт посилення по струму Взаг. дозволяє значно підвищити коефіцієнт стабілізації схеми по напрузі.
Приймаючи
I К2 I Е2 .= I б1, (3.11)
де I К2 і I Е2. - Струми колектора і емітера транзистора Т2; I б1 - струм бази транзистора Т1 та враховуючи, що
I б1 I К1 / В1 = 100 / 20 = 5 мА, (3.12)
отримаємо
I К2 5 мА.
Крім того,
U К.Е2 МАКС U К.Е1 МАКС 8,2 в. (3.13)
Таким чином, потужність, що розсіюється на колекторі транзистора Т2, дорівнює Рк2 макс U к.е2 макс • I к2 = 8,2 • 5х10-3 = 0,041 Вт = 41 мВт.
За довідником вибираємо транзистор Т2 типу П201А з параметрами:
коефіцієнт посилення по струму В2 = 40, максимальна напруга між колектором і емітером U к.е2 макс. доп .= 22 в, максимальний струм колектора I к2. макс. доп = 1,5 а, максимально допустима потужність, що розсіюється на колекторі, Рк2 макс. доп = 1 Вт Оскільки Рк2 макс. = 0,041 вт <Рк2 макс. доп = 1 вт, то транзистор Т2 обраний правильно.
7. Вибираємо тип кремнієвого стабілітрона. В якості джерела еталонного напруги звичайно використовується кремнієвий стабілітрон, який повинен мати номінальну напругу стабілізації, який повинен мати номінальну напругу стабілізації
U ст (0,6 0,7) • U вих, (3.14)
U ст (0,6 0,7) • 9 = 5,4 ст.
За довідником вибираємо стабілітрон типу Д808, у якого
U ст = U пов = 8 ст. ; I ст 5 мА; I ст. макс. мА.
8. Знаходимо коефіцієнт розподілу напруги дільником R 5, R 6 і R 7
= U 2 вих / U вих U пов / U вих = 8 / 12 = 0,667 (3.15)
9. Вибираємо тип керуючого (підсилювального) транзистора Т3. На транзисторі Т3 зібраний підсилювач, який повинен реагувати на найменші коливання вихідної напруги і підсилювати їх до величини, достатньої для управління регулюючим транзистором. Тому керуючий транзистор повинен забезпечувати достатню посилення сигналу за напругою. При виборі транзистора необхідно звернути увагу на величину колекторного струму I кз. Цей струм повинен бути по можливості невеликим, але завжди перевищувати струм бази согласующего транзистора Т2. Зазвичай величина струму I кз вибирається в межах 0,5 2 ма. Необхідне значення коефіцієнта посилення по напрузі для керуючого транзистора можна знайти за формулою
(3.16)
де U вх = U вх. макс - U вх. хв = 17,2 - 14 = 3,2 в.
Найбільш часто в якості керуючих використовуються малопотужні низькочастотні транзистори.
Попередньо виберемо транзистор тиру МП41 (П15) з такими даними: коефіцієнт посилення по струму B3 = 30, максимально допустима напруга колектор-емітер U К.Е3 МАКС. ДОП. == 20 в, максимальний струм колектора
I К3. МАКС. ДОП = 20 ма, максимально допустима потужність розсіювання на колекторі Рк3 макс. доп = 0,15 Вт Визначимо фактичний коефіцієнт посилення каскаду на транзисторі МП41 (П15). Для цього можна скористатися формулою
(3.17)
де , - Крутість характеристики транзистора Т3 (число, що показує,
на скільки міліампер зміниться колекторний струм при зміні напруги між базою і емітером транзистора на 1 в);
R 1 - опір навантаження в ланцюзі колектора транзистора Т3.
Для малопотужних низькочастотних транзисторів, що використовуються в схемах стабілізаторів напруги, значення крутизни лежить в межах
S 3 = (20 40) мА / в.
Приймаються S3 = 30 мА / в.
Опір R1 може бути знайдено за формулою
(3.18)
Потужність, що розсіюється на резисторі R1, становить
PR 1 = (IK 3) 2 • R 1 = 12 000 • (2х10-3) 2 = 0,048 Вт
Визначимо величину потужності, що розсіюється на колекторі транзистора T3,
Рк3 макс. = U к.е3 макс. • I КЗ. (3.19)
Приймаючи
U к.е3 макс. = U вих. + U вих - U пов = 12 + 0.4 - 8 = 4.4 B. і I кз = 2 х 10 -3 А отримаємо
Рк3 макс. = 4.4 • 2 х 10 -3 = 0,0088 Вт <Рк3 макс. доп. = 0,15 Вт.
Отже, транзистор Т3 обраний правильно.
10. Визначаємо величини опорів резисторів і ємностей конденсаторів схеми. Як ми вже з'ясували, опір навантаження в ланцюзі колектора транзистора Т3 R 1 = 12 кОм. Знайдемо опору вихідного дільника. Струм дільника I д зазвичай обирають на один - два порядки вище струму бази керуючого транзистора Т3. Номінальний струм бази транзистора Т3 можна знайти за формулою
I БЗ = I кз / В3, (3.20)
I БЗ = 2 х 10 -3 / 30 = 0,66 мА.
Вибираючи струм дільника I д = 5 ма, знайдемо загальний опір подільника
R д = R 5 + R 6 + R 7 = U вих / I д, (3.21)
R д = 12 / 5х10-3 = 2.4 кОм.
Вихідна напруга стабілізатора можна регулюватися в межах ± 2 ст. Враховуючи також, що напруга стабілізації стабілітрона Д808 може змінюватися в межах 7-8,5 в, визначимо опір нижнього плеча дільника для крайніх значень U пов і U вих
(3.22)
Ом;
(3.23)
.
Величини опорів R 5 і R 6 рівні
R 6 = (R д.н.) макс - (R д.н.) хв; (3.24)
R 6 = 1758 - 1354 = 404 Ом;
R 5 = R д - (R д.н.) макс; (3.25)
R 5 = 640 Ом;
Отримані значення опорів дільника відповідають номінальним. Тому остаточно приймаємо R5 = 640 ом; R6 = 400 Ом; R7 == 1,4 кОм (тип резисторів R7 - ПОМ-0, 12, R5 і R6 - СПО). Опір R8 береться такої величини, щоб задається їм струм через стабілітрон становив I ст = 5 ма,
R8 = (3.26)
R8 = (12 - 8) / 5х10-3 = 800 Ом
За довідником вибираємо резистор з опором R8 = 800 Ом (тип резистора-ПОМ-0, 12).
Для збільшення швидкодії стабілізатора використовується ємнісний зв'язок між виходом стабілізатора і входом підсилювача, зібраного на транзисторі Т3. З цією метою в схему стабілізатора включають конденсатор С2. Величина ємності цього конденсатора вибирається порядку одиниць - десятків мікрофарад. Наприклад, для розраховується схеми можна використовувати електролітичний конденсатор типу ЕМ ємністю 3 мкф з робочим напругою 20 ст.
Конденсатор С3 служить для підвищення стійкості стабілізатора і одночасно дозволяє зменшити вихідний опір схеми. Ємність конденсатора С3 вибирається порядку 1000 - 2000 мкф. Для нашої схеми можна, використовувати електролітичний конденсатор типу ЦЕ-2 ємністю 1000 мкФ з робочою напругою 35 в.
11. Знаходимо коефіцієнт стабілізації розрахованого стабілізатора за формулою
(3.27)
Таким чином, коефіцієнт стабілізації розрахованого стабілізатора виявився більше необхідного, так як
12. К. п. д. стабілізатора в номінальному режимі знаходимо, за формулою
(3.28)
де I вх = I вих + I ст + I д = 100 + 5 + 5 = 110 мА. Отже
13. Розрахунок схеми захисту від короткого замикання. Ланцюг складається з транзистора МП41; дільника напруги, зібраного на резисторах R2 і R3;
й балансового опору R4. Розрахунок доповнено моделюванням у програмі Electronics Workbench для підбору найбільш оптимальних параметрів ланцюга.
Виберемо резистор R4 = 3 Ом; расчитаем падіння напруги на ньому
U R 4 = I * R = 0,1 * 3 = 0,3 В.
Расчитаем дільник, таким чином, щоб у верхньому плечі дільника, забезпечувалося падіння напруги рівне U R 4.
R2 = 0,3 / 0,005 = 60 Ом,
R3 = 12 / 0,005 = 2,4 кОм.
Аналіз всієї схеми у програмі Electronics Workbench показав, підключення системи захисту, знижує к.к.д. стабілізатора і призводить до зниження вихідної напруги. Підйом вхідної напруги стабілізатора до рівня 30 В а також зміна R2 з 60 на 3 Ома, з одного боку дозволяють зберегти вихідні параметри і показники якості на незмінному рівні, а з іншого боку споживана схемою потужність зросте незначно.
У результаті вибираємо R2 = 3 Ом і R3 = 2,4 кОм.
14. Розрахуємо необхідну схему випрямлення в складі: трансформатор харчування; діодний міст; згладжує сонденсатор
Визначаємо ємність конденсатора на вході стабілізатора, що забезпечує пульсацію випрямленого струму не більше 10%. Для мостової схеми
, (3.29)
За каталогом вибираємо стандартний електролітичний конденсатор типу ЦЕ-2 ємністю 300 мкФ на 25 ст.
Вибір трансформатора здійснюється за довідником (хоча можна усуществіть розрахунок і самостійно) виходячи з визначених нами вхідних параметрів стабілізатора, виберемо трансформатор типу ТПП 237-127/220-50,
з наступними параметрами: номінальний струм вторинної обмотки I 2Н = 0,1 A; напруга на вторинній обмотці U 2Н = 20 B (варто відзначити, що дане напруга заздалегідь враховує всі втрати знайдені в процесі моделювання: втрати на вентилях і в ланцюзі захисту від короткого замикання; Всі інші втрати були враховані в процесі розрахунку схеми стабілізатора.).
Виберемо тип вентилів. Зворотне напруга на вентиль для однофазної мостової схеми складає
U обр = 1,5 * U 0, (3.30)
U обр = 1,5 * 20 = 30 в.
Середнє значення струму вентиля для даної схеми складе
I ср = 0,5 * I 0, (3.31)
I ср = 0,5 * 0,1 = 0,05 А = 50 мА.
Для даного випадку добре підходить діод Д 206, з наступними параметрами
U обр.доп = 100 В,
I ср.доп. = 100 мА.
4 Аналіз спроектованого пристрою на ЕОМ
Скопіювавши значення вихідної напруги, на виході осцилографа з Work bench отримаємо:
Висновок
У цій роботі був розрахований вторинний джерело живлення які використовуються в РЕА, що живиться від мережі змінного струму, для отримання напруг постійного і змінного струму, необхідних для живлення різних вузлів. Недоліком даного типу блоку живлення є велика матеріаломісткість, меншою питомою потужністю і більш низьким ККД, на відміну від імпульсного джерела живлення - це обумовлено наявністю трансформатора живлення працює на частоті 50 Гц і стабілізатора компенсаційного типу безперервної дії. У даний момент в РЕА частіше стали використовуватися інші види джерел живлення.
У цій роботі був розрахований вторинний джерело живлення з такими параметрами:
U вих = 12 В
U вих = 0.4 B
f = 50 Гц
U вх = 15 B
U вх = 220 B
K ст = 100
I п = 0.02 A
Список використаної літератури
1 Єкимов В.Д Вибір схеми стабілізатора напруги. - Радіо і зв'язок, 1978 р
2 Крилов В.М Стабілізатори напруги на К142ЕН - Радіо, 1979 р