Курсовая работа по электротехнике с основами электроники Тема: «Проектирование вторичного источника электропитания» Содержание: 1. Содержание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Техническое задание. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4. Основная часть. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Разработка источника питания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. Расчет параметрического стабилизатора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7. Расчет RC фильтра. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8. Расчет LC фильтра. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9. Расчет источника питания с электрическим стабилизатором на ОУ . . 10.Расчет типовой схемы включения стабилизатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.Расчет источника питания с умножителем напряжения . . . . . . . . . . . . . 12. Расчет мощности для выбора трансформатора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14. Литература. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Техническое задание 1) Изучить структуру и основные типы промышленных источников питания. 2) По заданию составить структурную схему ИП, рассчитать и выбрать основные элементы: общая компоновка, трансформатор или преобразователь, выпрямитель, фильтр, электронный стабилитрон. 3) Составить общую электрическую схему ИП и рассмотреть принцип действия его элементов. 4) Сделать вывод о классе разработанного ИП и сравнить с промышленными аналогами Схема 1:U = Схема 2:U = Схема 3:U = Схема 4: U = B, P = B, P = B, P = B, P = Bт Вт Вт Вт 3 1.Введение. Известно что наиболее распространенными устройствами электроники являются вторичные источники питания. Они могут быть встроенные в любой прибор, либо могут быть отдельным прибором универсальным источником питания. Который имеет определенные характеристики : -напряжению -току -мощности -стабильности -температуре Источники питания могут быль большой мощность, средней мощности и малой мощности. А также простые и сложные. Простейшие схемы вторичного питания являются выпрямителями. Они могут быть однофазными и много фазными. Наиболее простые однофазные выпрямители построены по схеме диодного моста. Рис. №1 Рисунок №1 диодный мост. Содержат 4 одинаковых диода которые могут быть выбраны отдельно либо в виде сборки. Позволяют преобразовать переменное напряжение сети в соответственное пульсирующее постоянное напряжение Практически без потерь напряжения. Рис.№2. 4 Рисунок №2 В ходе выполнения курсовой работы предусмотрено: 1)Схема выпрямителя с фильтром нч. То есть основными показателями такой схемы является пульсация выпрямленного напряжения которое закладывается через коэффициент пульсации. Также в схеме выбираются диоды и резисторы которые обеспечивают рабочий ток. 2)Схема с регулируемым выпрямителем . То есть пульсирующие напряжение регулируется по величине. Для чего расчитываеться регулируемый прибор. Обычно тиристор который идет как управляемый диод. 3)Схема выпрямителя с параметрическим стабилизатором напряжения (со стабилитроном). Который выбирается для обеспечения заданного коэффициента стабильности и максимального КПД. 4)Схема выпрямителя с комписиционным стабилизатором напряжения. То есть универсальный стабилизатор построенный по схеме САР- Системы автоматического регулирования напряжения. 2. Исходные данные на проектирование (вид, схема и номинал величин тока и напряжения). 1)Схема выпрямителя с фильтром нч Напряжение U=15 B Мощность P=150 Вт 2) Схема с регулируемым выпрямителем Напряжение U=15 B Мощность P=150 Вт 5 3) Схема выпрямителя с параметрическим стабилизатором напряжения (со стабилитроном). Напряжение U=15 B мощность P=15 Вт 4) Схема выпрямителя с комписиционным стабилизатором напряжения. Р=300 Вт 6 3. Основная часть. Описание типового источника. Любой стабилизированный источник вторичного электропитания представляет собой совокупность нескольких функциональных узлов, выполняющих различные виды преобразования электрической энергии: выпрямление, фильтрацию, инвертирование, трансформирование, регулирование, стабилизацию, усиление, защиту и пр. Эти функциональные узлы характеризуются рядом признаков: назначением, входными и выходными параметрами, условиями эксплуатации, элементной базой. Ниже даётся краткая характеристика основных функциональных узлов источников вторичного электропитания. Выпрямитель В – преобразователь напряжения переменного тока любой формы в однополярное (пульсирующее) напряжение. Он представляет собой один или несколько нелинейных элементов с односторонней проводимостью (например, полупроводниковых диодов), соединённых в одну или многочисленных схем выпрямления. Фильтр Ф – устройство, содержащее реактивные C, L и активные R элементы и предназначенное для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Фильтр используется также для защиты потребителей электроэнергии (нагрузок) от помех, поступающих во вторичный источник из первичной питающей сети, и для уменьшения уровня помех, создаваемых самим вторичным источником питания в первичной сети. Инвертор И – статический преобразователь напряжения постоянного тока в переменный ток. Инвертор выполняется обычно на полупроводниковых приборах – транзисторах или тиристорах, работающих в режиме переключения. Он может иметь гальванический или трансформаторный выход, форма напряжения на выходе прямоугольная, реже синусоидальная, пилообразная, трапецеидальная и т.п. Маломощный инвертор часто используется в качестве задающего генератора, управляющего работой усилителя мощности УМ. Трансформатор Тр – преобразователь напряжения переменного тока одного номинала в одно или несколько напряжений переменного тока других номиналов. Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку выходных цепей друг от друга и от питающей сети. Трансформатор применяется в источнике вторичного электропитания как самостоятельный 7 узел или входит в состав других узлов, например инвертора, усилителя мощности. Стабилизатор напряжения СН – устройство, поддерживающее неизменным напряжение постоянного или переменного тока в заданных пределах при воздействии различных возмущающих факторов. В ряде случаев стабилизатор напряжения осуществляет точную установку номинала выходного напряжения, обеспечивает возможность плавной регулировки напряжения. Стабилизаторы напряжения постоянного тока с непрерывным способом регулирования могут, кроме того, подавлять переменную составляющую в напряжении постоянного тока. Регулятор напряжения РН – устройство, изменяющее напряжение на нагрузке по требуемому закону в заданном диапазоне регулирования. В качестве регулятора напряжения может быть использована любая схема стабилизации напряжения, у которой разомкнута цепь ООС. Вместо сигнала ошибки регулирования в цепь ООС регулятора подаётся внешний управляющий сигнал, значение которого может меняться вручную или автоматически по заданной программе. Вольтодобавочное устройство ВДУ – дополнительный регулируемый источник напряжения постоянного или переменного тока. Применение такого устройства позволяет коммутировать регулирующему элементу не всю выходную мощность, а только часть её, необходимую для обеспечения стабилизации выходного напряжения в заданных пределах. Питание вольтодобавочного устройства может быть осуществлено от основного первичного источника, от дополнительного (вспомогательного) или от одной из выходных цепей источника вторичного электропитания; регулирование напряжения - непрерывным или импульсным способом. Отдельные функциональные узлы источников вторичного электропитания могут совмещать в себе несколько функций: выпрямление и регулирование напряжения постоянного тока в регулируемом выпрямителе; инвертирование, выпрямление и фильтрацию напряжения постоянного тока в конвертере; инвертирование, трансформацию и стабилизацию напряжения в стабилизированном инверторе. Подобные схемные реализации позволяют упростить схему источника вторичного электропитания, повысить его К.П.Д. и надёжность работы. 8 Стабилизаторы (регуляторы) напряжения, входящие в состав источника вторичного электропитания как отдельные функциональные узлы, представляют собой сложные устройства, состоящие из нескольких функциональных узлов. Рассмотрим одну из часто используемых функциональных схем стабилизатора напряжения показанную на рис.№1 . Тр В Ф Н РЭ И ООС С У С О Рис.№3. На этом рисунке показана функциональная схема компенсационного стабилизатора напряжения. Тр – трансформатор. Он понижает или повышает входное напряжение до величины необходимого в блоке питания. В – выпрямитель. Преобразователь напряжения переменного тока любой формы в однополярное (пульсирующее) напряжение. Ф – фильтр. Устройство, содержащее реактивные С, L и активные R элементы и предназначенное для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Сам компенсационный стабилизатор напряжения представляет собой систему автоматического регулирования с замкнутой цепью ООС. В цепи ООС осуществляется сравнение (частичного или полного) выходного напряжения стабилизатора, снимаемого с измерительного элемента ИЭ, и эталонного напряжения источника опорного напряжения ОН. Сигнал ошибки, появляющийся на выходе сравнивающего элемента СЭ, усиливается усилителем ошибки УО и поступает на схему управления СУ. Последняя 9 воздействует на регулирующий элемент РЭ стабилизатора таким образом, что компенсирует происшедшее изменение выходного напряжения. Следует иметь в виду, что некоторые из перечисленных выше элементов цепи ООС могут отсутствовать или объединяться друг с другом. Выходные характеристики компенсационных стабилизаторов напряжения могут быть улучшены введением в схему нескольких цепей ООС. С этой же целью в компенсационный стабилизатор может быть введено дополнительное параметрическое управление регулирующим элементом (показано на рис.№1. пунктиром). Подобные схемы стабилизации называют комбинированными. В мощных стабилизаторах напряжения через регулируемый элемент целесообразно пропускать только часть выходной мощности необходимую для компенсации возможных изменений выходного напряжения. Источником вольтодобавочного напряжения можно использовать дополнительный первичный источник, в цепь которого включен регулирующий элемент РЭ. Суммирование регулируемого и нерегулируемого напряжений происходит в сумматоре, затем это напряжение поступает в нагрузку. Параметрические схемы стабилизации по сравнению с компенсационными обычно имеют меньшие габариты и массу, проще и более надёжны. К недостаткам параметрических стабилизаторов следует отнести сравнительно малый коэффициент стабилизации выходного напряжения, небольшую выходную мощность, низкий к.п.д. Существует два принципиально отличных друг от друга режима работы регулирующих элементов компенсационных стабилизаторов напряжения: непрерывный (линейный) и импульсный (ключевой или режим переключения). Импульсный режим работы регулирующего элемента стабилизатора позволяет значительно уменьшить рассеиваемую на нём мощность, тем самым повысить к.п.д. и надёжность работы схемы, уменьшить объём и массу стабилизатора. В импульсном режиме меньше влияет на работу стабилизатора зависимость параметров регулирующего элемента от температуры окружающей среды. В качестве регулирующих элементов в этом случае могут быть использованы транзисторы, тиристоры, магнитные усилители и пр. В зависимости от способа регулирования напряжения цепь ООС импульсного стабилизатора может изменять длительность открытого или 10 закрытого состояния регулирующего элемента, частоту следования импульсов, их фазу, амплитуду или одновременно несколько параметров. Элементная база современных стабилизированных источников вторичного электропитания очень разнородна. Она включает в себя мощные тиристоры (на токи в сотни ампер), миниатюрные бескорпусные транзисторы и диоды, крупногабаритные, тяжёлые силовые трансформаторы и микросхемы и пр. Первичные питающие напряжения, преобразуемые источниками вторичного электропитания, также весьма разнообразны. Рассмотрим одну из электрических схем стабилизированного источника вторичного электропитания. На рисунке №2 приведена схема стабилизированного источника питания предназначенного для испытания и налаживания различных устройств на транзисторах и микросхемах. Он имеет регулирование выходного напряжения в широких пределах при значительных колебаниях тока нагрузки. Источник содержит относительно небольшое число деталей и лёгок в налаживании. Вместе с этим он имеет достаточно высокие эксплуатационные характеристики. При напряжении питающей сети в пределах 200-240 В коэффициент стабилизации – более100. Пределы регулирования выходного напряжения – от 0 до27 В при токе нагрузки до 0,5 А. Двойная амплитуда напряжения пульсации – не более 1 мВ, выходное сопротивление – 0,05 Ом. Источник питания снабжён устройством защиты от перегрузки и короткого замыкания с индикацией перегрузки. Рис. №4. 11 Часть выходного напряжения, снимается с движка переменного резистора R10, сравнивается на транзисторе V11 с образцовым напряжением, формируемым стабилитроном V13. Выработанный в результате сравнения управляющий сигнал усиливается и поступает на базу регулирующего транзистора V9. Благодаря тому, что все транзисторы стабилизатора включены по схеме с общим эмиттером, удаётся получить значительное усиление в петле обратной связи, а это, в свою очередь, позволяет получить хорошие выходные характеристики устройства. Резистор R7 ограничивает напряжение, а значит, и рассеиваемую мощность на коллекторе транзистора V10. Заслуживает внимания устройство делителя выходного напряжения на резисторах R10, R11. При таком включении минимальный ток коллектора регулирующего транзистора (при отключённой внешней нагрузке) не зависит от положения движка переменного резистора R10 – регулятора выходного напряжения – и равен примерно 23 мА. В большинстве же стабилизаторов сопротивление делителя неизменно, следовательно, чем меньше выходное напряжение, тем больше напряжение на коллекторном переходе регулирующего транзистора и тем меньше ток коллектора, который становится сравнимым с обратным током коллекторного перехода. Последнее обстоятельство иногда приводит к тому, что стабилизатор «не держит» напряжение, т.е. происходит самопроизвольное повышение выходного напряжения при малой величине тока нагрузки. Резистор R9 уменьшает шунтирование делителя R10,R11 входным сопротивлением транзистора V11. Однако увеличение сопротивления этого резистора приводит к уменьшению глубины обратной связи и, следовательно, к увеличению выходного сопротивления стабилизатора. Подбором резистора R9 (в пределах 0…2 кОм) добиваются при налаживании оптимального соотношения между значениями выходного сопротивления и коэффициента стабилизации источника. Конденсатор С3 облегчает выход стабилизатора на рабочий режим в момент включения, предотвращая закрывание транзистора V11. Резистор R2 и стабилитрон V8 совместно с транзистором V9 образуют устройство защиты стабилизатора от перегрузок. При уменьшении сопротивления нагрузки ниже допустимого значения стабилизатор переходит в режим стабилизации тока. В нормальном режиме суммарное падение 12 напряжения на резисторе R2 и эмиттерном переходе транзистора V9 меньше напряжения стабилизации стабилитрона V8, включённого в прямом направлении. При увеличении тока нагрузки до некоторого уровня открывается стабилитрон V8. Дальнейшего увеличения тока не происходит, так как увеличение напряжения на резисторе R2 приводит к закрыванию регулирующего транзистора. Подбором резистора R2 можно устанавливать ток срабатывания устройства защиты. После устранения перегрузки стабилизатор переходит в нормальный режим стабилизации напряжения. Индикатором перегрузки служит лампа H1, включаемая контактами К1.1 герконового реле К1, срабатывающего при токе 0,6А. Параллельно резистору R11 включена цепь R12 V14. Свечение светодиода V14 свидетельствует о включении и нормальной работе стабилизатора. Двойной параметрический стабилизатор R4V7R5V12 предназначен для получения напряжения, компенсирующего падение напряжения на стабилитроне V13 и эмиттерном переходе транзистора V11, что и позволяет опустить нижнюю границу выходного напряжения практически до нуля. 13 4) Схема выпрямителя с фильтром нч. Чертим разрабатываемую схему выпрямителя. Рис. 5. Общая схема выпрямителя. Расчёт начинаем с определения и выбора сопротивления нагрузки. Сопротивление рассчитывается по формуле: 𝑅𝐻 = 𝐼н = 𝑃 𝑈 = 150 15 𝑈𝐻 𝐼𝐻 = 10 А Напряжение дано по условию ток находим по формуле, находим R. R= 15 10 = 1,5 Ом. Находим мощность нагрузки: Р = 𝐼 2 × 𝑅𝐻 = 102 × 1,5 = 150Вт. Выбираем из ряда Е24 сопротивления 2 штуки 𝑅1 = 𝑅2 = 0,75 Ом. с допуском ±0,5% , и последовательным соединением (Рис.№6). R1 R2 14 Рис.№6 Схема соединения. Находим мощность резисторов: Р =𝐼 2 × 𝑅1 = 𝐼 2 × 𝑅2 = 102 × 0,75 = 75 Вт. Исходя из мощности, выбираем резистор С5-43 2шт (Рис №6). Рис.№6 Резистор С5-43 и его габаритные размеры. Расчет и выбор фильтров: Выбираем бумажный или металлобумажный конденсатор которые могут иметь номинал от С0=0,1-1С1 𝐿𝐶1 = 10(𝑞 + 1)/𝑚2 𝐿≥ 2𝑈0 2𝑅н = (𝑚2 − 1)𝑚𝑤𝐼0 (𝑚2 − 1)𝑚𝑤 𝐿𝐶1 = 10(10 + 1) Гн = 27.5 2 мкф 15 ДР= 5-0,08 : дополнительный ток I=3 A напряжением U=10 сопротивлением R=260±40 Задаемся током I=3А , Рассчитываем сечение дросселя ДР=10/3=3,3 А Тип провода ПБД сопротивление дросселя R=3.3оМ. Например 1 В равен 47х42х41. Выбираем конденсатор 𝐶= 𝐿𝑐 𝑙 = 27.5 5 = 5,5- Емкость конденсатора Рассчитываем С0 = 5,5/10 =0,55 Выбираем конденсатор типа МБГО диапазоном 1-30 мкф U=160 B Номинал 5.6 D=30 l=50 h=2.5 Рис. №7 Рис. №7 Конденсатор типа МГБП Сф = Срасчет = 5,6 Сф = Сн ∗ 1,1=14*1,1=15,4 В Выбираем конденсатор К50-6 𝑈н =16 B. Диапазон емкости от1-4000 мкф D=13mm L=23mm Рис №8 16 Рис №8 17 4.2 Расчет и выбор элементов выпрямителя. Из рабочий схемы видно что, выпрямитель выполнен в виде однофазного моста. А также может быть составлен из отдельных диодов. При расчете выбираем: 1) 𝐼д ≥ 10 А (1,1*10)=11А. 2) Рассчитываем обратное напряжение диода 𝑈наг 𝑚𝑎𝑥 = 1.4 ∗ 𝑈𝐻 = 1.4 ∗ 15 =21 B 3) Рассчитываем напряжение вторичной обмотки трансформатора 𝑃2 = 𝑃𝐻 ∗ 1.2=150*1.2=180 Вт 𝐼2 = 𝑃2 𝑈2 = 180 20 = 9 А. Выбираем элименты схемы: Выбираем диод КД203А Рис №9 Рис №9 КД203А Постоянный прямой ток I=10 A Обратное напряжение U=600 B Частота в предельном режиме 1000Гц Масса диода в сборке 18г без крепежа 12г 18 Строим рабочую схему выпрямителя. Рис.№10 Рис №10. Рабочая схема выпрямителя. 𝐼Н =10; 𝑅н=1,5;Uсф=15,4 мкф ;Uф=5,6мкф ;Uобр max=21 В Iнам=11А ~𝑈2 = 20𝐵 ~𝐼2 = 9𝐴 𝑃2 = 180𝐵т U=600B Конденсатор C1 берем металлобумажный обычный а С2 электролитический полярный. 19 4.2 Управляемый тиристорный выпрямитель. Это выпрямитель - выходное напряжение которого регулируется, т.е. помимо основных элементов выпрямитель имеет дополнительное устройство для регулирования напряжения (Рис№11). Рис.№11 Управляемый тиристорный выпрямитель. А) Начинаем с расчёта и выбора параметров второй схемы по току >10 А Б) Выбираем тиристор I=10 A, 𝑈раб = 19,6В следовательно 𝑈обр = 50В. В) Ток управления по таблице 𝐼упр = 200𝑚𝐴 выбираем тиристор КУ 202 Г Рис.№12 КУ202Г внешний вид. 20 Выбираем тизистор. Рис.№13 КТ117А внешний вид. Коэффициент передачи 0,5-0,7 Рассеиваемая при t<350 𝐶 Межбазовое напряжение 30В Мощность 300мВт Находим мощность нагрузки: Р = 𝐼 2 × 𝑅𝐻 = 52 × 2 = 50Вт. Ср. ток эмитора транзистора 𝐼ср = 50𝑚𝐴 Задаём раб. напряжение(не более 30 В), и раб. током (не более 50 mA) по напряжению стабилитрона. Тип Д815 например 12В (Д815Д), ток транзистора 20mA и рассчитываем общее сопротивление в цепи транзистора 𝑅об = выбираем сопротивление из учёта 𝑅б1 = 10%𝑅об = 60кОм Выбираем по номиналу 62 Ом. Определяем 𝑅б2 =𝑅об − 𝑅б1 = 600 − 62 = 538 Ом Выбираем по номиналу 𝑅б2 =560 Ом. 21 𝑈нас 𝐼тр = 12 20∗10−3 =0,6 кОм, Рассчитываем мощность резисторов и выбираем тип R=𝐼 2 ∗ 𝑅б1 =400*10−6 *62=0,025 Вт. Рассчитываем второе сопротивление : R=𝐼 2 ∗ 𝑅б2 =400*10−6 *560=0,22 Вт. Выбираем тип резистора (самое дешёвое типовое сопротивление) МЛТ 0,125 Вт (700 С) 8,2 Ом – 3 МОм. D=2,2 мм, L=6 мм 0,25Вт, D=3 мм, L=7мм. Схемное обозначение: 𝑅б1 𝑅б2 Выбираем ток управления тиристора , не более 200 mA, выбираем 100 mA. Задаётся током стабилитрона: 𝐼𝑡 = 2𝐼у = 200 𝑚𝐴 Находим параметры стабилитрона: Д818А 𝑈𝑚𝑖𝑛 = 12В 𝐼стаб = 500𝑚𝐴 22 Рис.№14 Д818А внешний вид стабилитрона. Расчёт и выбор стабилитрона. Расчёт ведём по номинальному току, который примерно равен току нагрузки. 𝐼ном = 𝐼упр + 𝐼тран = 130𝑚𝐴 𝑅б = 𝐼ф = 𝑈выпр −𝑈ст 𝐼ном 𝑈выпр ∗𝑈ст 𝐼ном =36 Ом =0,133 А 𝑃ф =𝐼 2 ∗ 𝑅ф P=0,61 Вт МЛТ-1 Вт Диапазон номинальных сопротивлений: 1 Ом-10 МОм МЛТ D=6,6 мм L=13мм. Расчёт и выбор цепочек RC R=kτ=τ τ= 1 𝑓 f=100 Гц (Т.к. мост уравнивает частоту) 𝑓в = 𝑓𝑐 ∗ 2 = 50 ∗ 2 = 100 Гц 23 Задаёмся С=1 мкФ 𝜏 0,01 𝑐 1∗10−6 R= = =1*104 =10 кОм Выбор конденсатора по ряду, напр. и типу МБМ 1 мкФ. D=7 L=22 Выбор резистора: P=𝐼 2 0,2 =9 Вт СП5 P=15 Вт 𝑈𝑚𝑎𝑥 = 500В D=35 мм L=35 Чертим полную схему Рис.№15. Рабочая схема тиристорного выпрямителя. 24 Схема3. Выпрямитель с параметрическим стабилизатором. Рис.№16. Основная схема выпрямителя со стабилитроном Известно, что в стабилитроне используется обратная характеристика специального диода, т.е. такие диоды имеют широкую область тока после электрического пробоя, т.е. тепловой пробой, разрушения диода наступает при большом токе. В обычных диодах тепловой пробой наступает практически при том же токе что и электрический. В результате стабилитрон подключают к нагрузке, имеет стабильное напряжение. В широком диапазоне амперной характеристикой. При выборе стабилитрона необходимо уметь построить вольтамперную характеристику, затем выбрать его рабочую точку и выбрать параметры схемы. Применяемый КПД, не меньше 40-50%. 2. Коэффициент стабильности обеспечивает заданные колебания напряжения нагрузки. Известно, что стабилитроны выпускаются на максимальный ток до 1 А. напряжение 100 Вольт, поэтому для большого напряжения. 3. Далее параллельная схема большого тока, их соединять нельзя т.к. одинаковые стабилитроны пробиваются не равномерно. 25 Известно, что транзистор имеет значительный коэффициент передачи тока, не меньше 10 ед. В результате такая схема обеспечивает многократное увеличение тока, но стабильность понижается, поэтому такие схемы используются редко. 1) Расчёт и выбор: 𝑈н =15; Рн =15 𝐼н = 15 = 1А 15 1) Выбираем тип стабилитрона исходя из напряжения и тока нагрузки. Стабилитрон Д818А. Его основные параметры 𝑈ст =15 B. при токе 𝐼ст = 550мА. 2) 𝐼𝑚𝑎𝑥 = 550А; 𝐼𝑚𝑖𝑛 = 25А; 𝑅д = 3,8 Ом. 26 Вольтамперная характеристика: 27 1) 𝑈𝑚𝑖𝑛 = 𝑈н − ∆𝑈 = 15 − 1,8 = 13,2 В. ∆𝑈 = ∆𝐼𝛼 × 𝑅д = 0,475 × 3,8 = 1,8 В. ∆𝐼 = 𝐼н − 𝐼𝑚𝑖𝑛 = 500 − 25 = 475 𝑚𝐴. 2) 𝑈𝑚𝑎𝑥 = 𝑈н + ∆𝑈 = 15 + 1,9 = 16,9 ∆𝑈 = 𝐼𝛼 × 𝑅д = 1,9 ∆𝐼 = 𝐼𝑚𝑎𝑥 − 𝐼н = 550 − 500 = 50 = 0,05𝛼 Определяем показатели схемы. В данной схеме используется RC фильтра т.к. схема маломощная, при этом 𝑅ф = 0,25 𝑅н Определяем КПД схемы КПД = Рполезное Рзатрат × 100%. Рполезное = Рн = 𝑈н × 𝐼н = 15 × 1 = 15 Вт. 𝑅н = 𝑈н = 15 Ом 𝐼н 𝑅ф = 0,25 × 15 = 3,75 ∆𝑃 = 𝑅ф × 𝑅н = 3,6 × 15 = 4,32 Вт. 𝐼 = 𝐼ст + 𝐼н = 0,2 + 1 = 1,2 Вт. 𝑃ст = 𝑈ст × 𝐼ст = 0,2 × 14 = 2,8 Вт. КПД= 15 15+2,8+4,32 × 100% = 67% Так как КПД в пределах 100%, режим стабилизации выбран верно. Проводим анализ работы стабилизатора. Рассчитаем коэффициент стабилизации К= ∆𝑈н ∆𝑈ст . Известно что сетевое напряжение может колебаться в пределах ±10%. ∆𝑈н =0,2×15=3 В. К= 3 0.14 = 21ед. Ответ: Стабильность напряжения 14 ± 0,07В. 28 Выбираем простейший П образный RC фильтр. Коэффициент сглаживания выбираем g=10. Рассчитаем ёмкость. 16×𝐼общ ×𝑔 16×1,2×10 С= 𝑚×𝑈н = 2×15 =6.4 мкФ. С0 = 0,1 × 6,4 = 0,64 Где m-показатель схемы равный двум. m=2 Выбор сопротивления R нагрузки. Выбираем по номиналу , по мощности, по типу. Р = 𝐼н2 × 𝑅н = 1 × 15 = 15 Вт. По расчётным данным выбираем два сопротивления из ряда Е24 по 15 Ом. Выбираем конденсатор С5-ПЭВ L - 45 мм ; 𝐷 - 17 мм ;h –31 мм. Выбираем конденсатор ПЭВ – 75 Вт; 𝑅ф = 0,25 × 15 = 3,75 Р=𝐼 2 × 𝑅1 = 1,22 × 3,9 = 5,6Вт. Диапазон 1Ом-3,3Ом; D=14; L=35; h=28. 29 Выбираем 𝐶ф конденсатор. По номиналу и напряжению, ряда 𝐸24 нет, выбираем по ряду 𝐸6 . Расчётное напряжение конденсатора 𝑈н = 15 В. 𝑈𝑚𝑖𝑛 = 1,1 × 16,5 В. Выбираем электрический алюминиевый конденсатор K50-6. Выбираем по ряду 𝐸6 . C МБМ=0,1 𝐶ф =0,64 Мкф. 𝐶2 Электр. = 𝐶ф =6,2 Мкф. Выбираем 𝐶1 МБМ по номиналу и напряжению 𝐶н по ряду 𝐸6 берём 0,68 𝑈с0 =𝑈н + 𝐼𝑟𝑞 = 15 + 1,2 × 3,9 = 19,58 МБМ 0,25-1 𝑈н 200 D= 6-20; L=22; 30 Выбираем выпрямитель и рассчитываем. 𝐼об = 0,5 × 1,2 = 0,6А; 𝑈об = 1,44 × 19,63 = 27,6 Мощность трансформатора: 𝑅2 = 𝑈2 × 𝐼2 = 23,5 × 1,44 = 33,8 Вт. 𝑈2 = 1,2 × 19,6 = 23,5 В. 𝐼2 = 1.2 × 𝐼общ = 1.2 × 1,2 = 1.44 А. Выбираем выпрямитель КУ402, 100В. 31 Рис.№17. Рабочая схема параметрического стабилизатора PW3=33,8 Вт. 4.4 Выпрямитель с электронным стабилизатором напряжения Нарисуем базовую схему выпрямителя с электронным стабилизатором напряжения (Рис.№18) Рис.№18.Базовая схема выпрямителя с электронным стабилизатором напряжения. 32 Расчет начинаем с определения и выбора сопротивления нагрузки. 𝑅н = 𝑈н 𝐼н = 15 20 = 0,75 Ом. Определяем мощность резистора - Р=𝐼 2 × 𝑅н =202 × 0,75=300 Вт. Исходя из мощности выбираем 3 резистора ПЭВС5-35В из ряда Е24 0,75 Ом. Рис.№19. Резистор ПЭВ С5-35В и его габаритные размеры. Выбор конденсатор Сф . Выбираем минимальный конденсатор типа МВМ. С1=0,1мкФ, U=160В. Рис.№7. Расчёт и выбор выпрямителей. Берем стандартный выпрямитель вида КД203(Схема №1) Рассчитываем сопротивления делителя (𝑅д1 , 𝑅д2 , 𝑅д3 ). Задаёмся током делителя 1 мА, и определяем суммарное сопротивление делителя. 𝑈н 𝐼д = 15 0.001 𝑅общ = = 15 кОм. 𝑅д1 = 𝑅д3 = 0.25 × 𝑅общ = 0.25 × 15000 = 3,9 кОм. 𝑅д2 = 15000 2 = 7,5 кОм. Находим мощность. 𝑅д1 и 𝑅д3 . Р= 𝐼 2 × 𝑅д1 = 0.0012 × 3900 = 0.0035 Вт Р = 𝐼 2 × 𝑅д2 = 0.0012 × 7500 = 0,0075 Вт То есть, расчетная мощность меньше минимальной, стандартной 0,125 Вт, то есть можно взять любой резистор стандартной мощности. 33 Выбираем 2 резистора С2-33Н. P = 0,125 Вт; Диапазон 1Ом…3Мом. Рис. №20. Схема резистора С2-33Н и его параметры. Так как по ряду Е24 , таких резисторов нету, тогда выбираем по ряду Е6 . Ближайшее значение 6,8. 𝑅д2 = 6,8 кОм. Задаем напряжение стабилитрона и выбираем его с повышенной стабильностью (Д818А). Предназначен для применения в качестве прецизионных источников опорного напряжения. 𝐼𝑚𝑖𝑛 = 3 мА, задается I = 4 мА и рассчитывается 𝑅ст = выбираем по номиналу и мощности. 𝑈оп = 9 В; 𝑅ст =1,25 Ом. (Рис. №14) Схема включения ОУ-К140УД6. Рис. №21. 34 𝑈н −𝑈оп 4 , а далее Основные характеристики: Ку = 50000 Ом; 𝐼вых =7,5 мА; 𝑅н = 2 кОм; 𝐼𝑛 = 4 мА; 𝑈𝑛 = 15 В. Ввиду малости тока, выбираем маломощный резистор ОУ. Выбираем из резисторов повышенной точности (прецизионные). Выбрали прецизионный резистор С5-53В. Р = 0,125 Вт. Диапазон 1Ом – 330 кОм. Рис. №22. Схема прецизионного резистора С5-53В и его параметры. Выбираем силовой транзистор. Выбрали силовой транзистор КТ827А. Рис. №23. Схема силового транзистора КТ827А и его параметры. 𝐼к = 20А; ℎ21′ = 5000; 𝐼б = 𝐼к 20 = = 4 мА ℎ21′ 5000 Условие 𝐼б ≤ 𝐼вых оу = 7,5 мА 𝑅б = 0,2 4 = 50 Ом Рб = 0,016 * 50 = 0,08 Вт. 35 Так как расчетная мощность меньше минимальной, стандартной 0,125 Вт, значит возьмем любой стандартной мощности С2-33Н. ( Рис. №20). Расчет мощности на обмотке. Р𝑤4 = 1,2 ∗ 𝑃н4 = 1,2*300= 360 Bт 𝑈2 = 1,2 ∗ 15 = 18 𝐵; 𝐼2 = 20 𝐴. 36 5.Заключение. Cпроектирован источник питания со схемами 1. 2. 3. 4. Нерегулируемый выпрямитель с фильтром НЧ. Управляемый тиристорный выпрямитель. Выпрямитель с параметрическим стабилизатором. Выпрямитель с электронным стабилизатором напряжения. Взяли типовые схемы и рассчитали на заданные параметры и выбрали из справочников. Разработали базовые схемы и определили их характеристики, в том числе напряжение, токи, нагрузки, КПД, и коэффициенты стабилизации. Параметрический стабилизатор имеет небольшую мощность и невысокий КПД (19%), при стабилизации К=9. В то же время электронный стабилизатор имеет большой КПД=55% при К=100. 37 38
