|
|
Проектирование стабилизированного источника электропитанияСОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 4 1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА 5 2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ 12 3. РАСЧЁТ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА 23 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА 31 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ О КАЧЕСТВЕ РАЗРАБОТАННОГО УСТРОЙСТВА И ЕГО СООТВЕТСТВИЕ ТРЕБОВАНИЯМ ТЗ 37 6. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 44 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 48 ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ вместо этого листа подшить задание ВВЕДЕНИЕ Источники электропитания для современной радиоэлектронной аппаратуры являются стабилизирующими устройствами. Они поддерживают на нагрузке питающее напряжение с определенной точностью при воздействии всех дестабилизирующих факторов: изменении входного напряжения питания, тока нагрузки, температуры окружающей среды. В связи с этим выбор наиболее рациональной структуры схемы при оптимизации источника вторичного электропитания определяется в основном способом стабилизации выходного напряжения, при котором в наибольшей мере удовлетворяются все остальные заданные требования. В состав стабилизированного источника питания радиоэлектронной аппаратуры входят трансформатор, выпрямитель (в которых выходное выпрямленное или переменное напряжения изменяются при изменении входного напряжения питания или тока нагрузки), стабилизатор напряжения (тока), который сохраняет неизменным напряжение (ток) на нагрузке (с определённой степенью точности), выравнивая колебания напряжения источников входной электроэнергии переменного или постоянного тока, в силу разных причин имеющих широкие пределы изменения номинала: ± 20 - 30%. Кроме того, в процессе работы изменяется ток, потребляемый аппаратурой. Поэтому большинство источников вторичного электропитания содержат в своем составе стабилизаторы напряжения и тока как простейшие параметрические, так и более сложные - компенсационные. 1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА В источниках вторичного электропитания (ИВЭ) находят применение нерегулируемые и регулируемые выпрямители, выполняемые на полупроводниковых приборах, диодах, тиристорах или транзисторах. Выпрямители нерегулируемые выполняются на полупроводниковых диодах по структурной схеме, приведенной на рис. 1. Здесь на первичную обмотку трансформатора TV подается переменное напряжение питающей сети Uc, а вторичная обмотка, рассчитанная с определенным коэффициентом трансформации для получения требуемого выпрямленного напряжения U0, подключена к диодам выпрямителя В, соединенным по определенной схеме. Фильтр Ф сглаживает пульсации выпрямленного напряжения до требуемого уровня. Рис. 1. Структурная схема нерегулируемого выпрямителя. Выходное постоянное напряжение U0 на рис.1 не регулируется внешними органами; оно может быть незначительно уменьшено или увеличено скачком за счет соответствующей перепайки отводов обмоток трансформатора, если они предусмотрены в 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. Выпрямители регулируемые выполняются на тиристорах. На рис.2 приведена структурная схема регулируемого выпрямителя, в состав которой входят силовой трансформатор TV, на вход которого подается переменное напряжение питающей сети Uc, регулирующие вентили - тиристоры ВР, схема управления включением тиристоров СУ и сглаживающий фильтр Ф. Регулирование выходного напряжения U0 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, на рис.2 тиристоры выполняют одновременно две функции: преобразуют переменное напряжение в постоянное и регулируют уровень выходного напряжения. Рис.2. Структурная схема регулируемого выпрямителя. Тиристорные регулируемые выпрямители применяются в источниках питания для получения выпрямленных напряжений больше 5-10 В при токах нагрузки от единиц до десятков ампер. Непрерывный параметрический стабилизатор осуществляет стабилизацию выходного напряжения за счет свойств вольтамперных характеристик нелинейного элемента, например стабилитрона, стабистора, дросселя насыщения. Структурная схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 3 В ней нелинейный элемент НЭ подключен к входному питающему напряжению Uo через гасящий резистор Rг, а параллельно НЭ включена нагрузка Ry. При изменении входного напряжения Uo ток через нелинейный элемент НЭ увеличивается, в результате чего возрастает падение напряжения на гасящем резисторе так, что выходное напряжение на нагрузке остается постоянным. Стабильность выходного напряжения в параметрическом стабилизаторе определяется наклоном вольтамперной характеристики НЭ и является невысокой. Кроме того, в параметрическом стабилизаторе нет возможности плавной регулировки выходного напряжения и точной установки его номинала. Рис. 3. Структурная схема параметрического стабилизатора напряжения. Непрерывный последовательный стабилизатор выполняется по структурной схеме, приведенной на рис.4, в которой регулирующий элемент РЭ - транзистор, включенный последовательно с нагрузкой Rн. При изменении входного выпрямленного напряжения Uo или тока нагрузки в измерительном элементе ИЭ, в который входит сравнивающий делитель и источник опорного напряжения, выделяется сигнал рассогласования, который усиливается усилителем постоянного тока УПТ и подается на вход регулирующего элемента РЭ, изменяя его сопротивление по постоянному току таким образом, что выходное напряжение Uн на нагрузке Rн сохраняется постоянным с определенной степенью точности. Измерительный элемент ИЭ выделяет также сигнал переменной составляющей (пульсации) выпрямленного напряжения и сглаживает ее регулирующим элементом РЭ до весьма малого уровня. Рис.4. Структурная схема непрерывного последовательного стабилизатора. Непрерывный параллельный стабилизатор выполняется по структурной схеме, приведенной на рис. 5, в которой регулирующий элемент РЭ - транзистор, включенный параллельно нагрузке Rн. Здесь выходное напряжение Uн поддерживается постоянным за счет изменения тока, протекающего через регулирующий элемент РЭ. Например, при увеличении входного напряжения Uо возрастает ток через РЭ, за счет этого увеличивается падение напряжения на гасящем резисторе Rр на приблизительно такую же величину, а выходное напряжение Uн остается стабильным с определенной степенью точности. При изменении тока нагрузки стабильность выходного напряжения поддерживается за счет того, что сумма токов разветвления, протекающих через параллельно соединенные регулирующий элемент РЭ и нагрузку Рн, остается неизменной. Рис. 5. Структурная схема непрерывного параллельного стабилизатора. Магнитно-полупроводниковые стабилизаторы с регулированием на стороне переменного тока выполняются по структурной схеме, приведенной на рис. 6. Здесь регулирующий элемент стабилизатора РЭ включен в первичную обмотку трансформатора TV, на вход которого подается переменное напряжение питающей сети Uc, а слежение ведется за выходным постоянным напряжением Uн, получаемым после выпрямителя B и фильтра Ф. При изменении входного напряжения Uc или тока нагрузки сигнал рассогласования, выделенный измерительным элементом ИЭ через схему управления СУ, подается на регулирующий элемент РЭ, который уменьшает или увеличивает среднее (или действующее) значение напряжения на первичной обмотке трансформатора TV таким образом, что выходное напряжение Uн остается стабильным с определенной степенью точности. В качестве регулирующего элемента в этой схеме может использоваться дроссель насыщения, транзистор или тиристор. Если в качестве РЭ применен дроссель насыщения или тиристор, включенный в диагонали диодного моста, то стабилизация выходного напряжения Uн осуществляется изменением среднего значения переменного напряжения, поступающего на первичную обмотку трансформатора TV. Это изменение реализуется за счет вертикальной отсечки части синусоиды напряжения питающей сети Uс, т. е. изменением угла включения (отсечки). Рис. 6. Структурная схема стабилизатора с регулированием на стороне переменного тока. Транзистор в качестве регулирующего элемента РЭ в схеме на рис. 6 может работать в линейном или в импульсном режимах, изменяя среднее значение переменного напряжения на первичной обмотке трансформатора TV так, что выходное напряжение Uн остается стабильным. В линейном режиме транзистор под действием сигнала управления изменяет свое выходное сопротивление, отсекая верхнюю часть синусоиды входного питающего напряжения Uc. При работе в импульсном режиме транзистор изменяет скважность коротких импульсов, заполняющих каждый полупериод синусоиды входного напряжения, изменяя тем самым среднее значение переменного напряжения на первичной обмотке трансформатора. Стабилизаторы с регулированием на стороне переменного тока находят применение в ИВЭ, потребляющих входную энергию переменного тока промышленной или повышенной частоты для получения низких или высоких напряжений повышенной или большой мощности. Недостатком стабилизаторов такого типа является сравнительно большие внутреннее сопротивление и пульсация выпрямленного напряжения. Импульсные стабилизаторы дают возможность работы при значительном интервале колебаний входного напряжения и обладают высокими характеристиками, но отличаются сравнительно сложной схемой и оправдывают себя в радиоэлектронной аппаратуре, использующей одновременно несколько питающих напряжений (теле - видеотехника, компьютеры и микропроцессорные устройства). Кроме того, они обладают большим внутренним сопротивлением и высоким уровнем излучаемых помех в первичную электросеть. Использование этого типа стабилизатора для разрешения задачи настоящего курсового проекта представляется нецелесообразным. Преобразующие стабилизаторы применительно к заданию курсового проекта интереса не представляют, так как находят свое применение в многоканальных источниках вторичного электропитания, потребляющих энергию от источников постоянного тока (аккумуляторов, солнечных батарей и т. п.). Основным преимуществом стабилизаторов напряжения с непрерывным регулированием является возможность получения выходного напряжения с малыми пульсациями и малым динамическим внутренним сопротивлением. Импульсные стабилизаторы позволяют получить минимальную массу и габариты, высокий КПД устройства, однако пульсации и внутреннее динамическое сопротивление их значительно хуже, чем в непрерывных стабилизаторах. Кроме того, импульсные стабилизаторы являются источником помех, наводимых на шины первичного электропитания и выходные цепи. Стабилизаторы с непрерывным регулированием не создают импульсных помех и не искажают форму кривой тока питающего напряжения. Непрерывные стабилизаторы с параллельным включением регулирующего элемента относительно нагрузки обеспечивают неизменность входного потребляемого тока, повышенную устойчивость регулирующего элемента к перегрузкам по току и короткому замыканию. Одновременно такие стабилизаторы обладают пониженным значением КПД при низких выходных напряжениях. Рекомендуются к применению в цепях с выходными напряжениями от 10 до 50В при токах нагрузки до нескольких ампер. Непрерывные стабилизаторы с последовательным включением регулирующего элемента относительно нагрузки обеспечивают высокую стабильность напряжения, малую пульсацию, отсутствие помех и обладают сравнительно простой схемой. Среди недостатков можно отметить значительные потери мощности на регулирующем элементе, низкий КПД при широких пределах изменения входного напряжения и малых значениях выходного напряжения. Целесообразны к применению в цепях с высокими требованиями по стабильности и пульсации выходного напряжения при широких пределах изменения тока нагрузки. Анализируя задание курсового проекта и учитывая вышесказанное, принимаем за основу, следующую функциональную схему стабилизированного источника электропитания (наглядно схема представлена на листе 1 графической части): выпрямитель напряжения сети переменного тока нерегулируемый; стабилизатор непрерывного последовательного типа. Выпрямитель состоит из: силового понижающего трансформатора TV, обеспечивающего требуемый выпрямителю уровень входного переменного напряжения и гальваническую развязку от сети; полупроводникового выпрямителя переменного тока, который обеспечивает требуемый уровень постоянного напряжения на входе стабилизатора; фильтра, сглаживающего пульсации выпрямленного напряжения. Uс Rн Функциональная схема проектируемого источника электропитания. Состав и принцип действия стабилизатора непрерывного последовательного типа уже был описан выше. 2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ 2.1. Общие сведения о компенсационных стабилизаторах. В отличие от параметрических компенсационные стабилизаторы напряжения (КСН) обеспечивают необходимую стабильность напряжения на нагрузке при помощи цепи отрицательной обратной связи, воздействующей на регулирующий элемент (РЭ). В зависимости от схемы включения РЭ компенсационные стабилизаторы разделяются на последовательные и параллельные, структурные схемы которых приведены на рис. 4 и 5 соответственно. В состав КСН любого типа входят следующие основные функциональные узлы: регулирующий элемент, устройство сравнения (УС), усилитель постоянного тока (УПТ). Регулирующий элемент в КСН выполняется, как правило, на составных транзисторах, схемы которых показаны на рис. 8. Число включаемых транзисторов зависит от их коэффициентов передачи тока и заданного тока нагрузки стабилизатора. Для схемы на рис 8, а), состоящей из двух транзисторов, статический коэффициент передачи тока составного каскада h21Э = h21Э1h21Э2 , а напряжение насыщения UКЭнас = UКЭнас2 + UЭБ1. Для схемы из трех транзисторов (рис. 8, б) h21Э = h21Э1h21Э2 h21Э3, напряжение насыщения UКЭнас = UКЭнас3 + UЭБ1 + UЭБ2 . В формулах индексами 1, 2, 3 обозначены соответствующие параметры транзисторов VТ1, VT2 и VT3. Напряжение коллектор - эмиттер (в режиме насыщения) в схеме рис. 8, в) за счет включения вспомогательного источника Ев и резистора R такое же, как и в схеме на рис. 8, а), а статический коэффициент передачи тока определяется из выражения h21Э = h21Э1h21Э2 h21Э3. По коэффициенту передачи тока схема на рис. 8, г) составного транзистора эквивалентна схемам на рис. 8, б), в), а напряжение насыщения в ней меньше, чем в других схемах, и определяется коэффициентом насыщения транзистора VТ1. При расчете коэффициента стабилизации КСН удобно пользоваться коэффициентом усиления по напряжению ?т (при постоянном коллекторном токе Iк = const), который определяется по входным и выходным характеристикам транзисторов. Для составного транзистора, состоящего из двух транзисторов (рис. 8, а), коэффициент усиления ?т = ?т1?т2 / (?т1 + ?т2), для составного транзистора из трех транзисторов (рис. 7, б) ?т = ?т1?т2?т3 / (?т1?т2 + ?т1?т3 + ?т2?т3). Кроме коэффициентов усиления транзисторы характеризуются входным h11Э, внутренним riт и коллекторным rк сопротивлениями. Для составного транзистора, состоящего из трех транзисторов, значения h11Э, riт и rк соответственно равны: h11Э33 = h11Э1 h21Э2 h21Э3 + h11Э2 h21Э3 + h11Э3 ; riт = ?т33 h11Э33 / h21Э33 ; 1/rк =1/rк1+1/rк2+1/rк3. На рис. 7, д), е) приведены схемы составных транзисторов, имеющих структуры n-р-n и р-n-р. Применение транзисторов различной структуры позволяет согласовать вход регулирующего элемента с выходом схемы управления при различных полярностях напряжения питания. Схемы сравнения и усилители постоянного тока выполняются на транзисторах. Поэтому они одновременно с формированием сигнала рассогласования осуществляют его предварительное усиление. На рис. 8 приведены основные схемы сравнения, выполненные на одном транзисторе, а на рис. 9 - дифференциальные схемы сравнения на двух транзисторах. Каждая схема содержит делитель напряжения (например, RP, R3, R4 - на 5, a-в, д, е и R5, R6, RP на рис. 9, a, б, источник опорного (эталонного) напряжения Uоп (в устройствах сравнения низковольтных КСН - рис. 8, д) - их два; Uоп1 и Uoп2), который обычно выполняется на стабилитроне, и один или два дополнительных источника напряжения Едоп, необходимых для обеспечения нормального, режима работы транзисторов. Иногда питание транзисторов осуществляют от выходного напряжения КСН, что позволяет исключить Едоп (такие соединения на рис. 8 и 9 показаны пунктирной линией). В тех случаях, когда предварительного усиления недостаточно для получения заданного коэффициента стабилизации, включают дополнительные каскады усиления. На вход этих УПТ поступает усиленный сигнал рассогласования, а выход соединяется с базой регулирующего транзистора. В схемах на рис. 8, a)-в) выходное напряжение стабилизатора больше опорного, причем схемы на рис. 8, а), б) могут быть выполнены без источника дополнительного напряжения. Схемы на рис. 8, г) - е) применяются в низковольтных КСН, в которых выходное напряжение меньше опорного (Uн Типовые схемы стабилизаторов напряжения с последовательным включением РЭ приведены на рис. 10. В этих схемах конденсатор Со.с. предназначен для повышения устойчивой работы КСН за счет уменьшения коэффициента усиления УПТ по переменному напряжению, а конденсатор Сн - для улучшения переходных характеристик и повышения степени устойчивости КСН. Резисторы, соединяющие минусовую шину источника питания Uп с базами регулирующих составных транзисторов, предназначаются для компенсации обратных токов транзисторов (например, R3, R4 на рис. 10, б). Минусовая шина дополнительного источника напряжения Eдоп может быть соединена с различными точками КСН: с эмиттером регулирующего транзистора, с его коллектором или с минусовой шиной Uп (последний случай включения Едоп показан на рис. 10, a пунктирной линией). Если источник дополнительного питания подсоединяется к эмиттеру регулирующего транзистора, то напряжение Едоп должно быть больше напряжения эмиттер - база составного транзистора, которое в зависимости от числа (обычно 2-3) транзисторов лежит в пределах (1,6-2,4) В. При этом, чтобы нестабильность выходного напряжения была минимальной при изменениях напряжения дополнительного источника, достаточно выбрать Едоп= (4?8) В. При объединении минусовых шин Eдоп и Uп для обеспечения нормальной работы стабилизатора необходимо повысить напряжение дополнительного источника на величину выходного напряжения, что ухудшает КПД (особенно при повышенных Uн). Если источник дополнительного питания подсоединяется минусовой шиной к коллектору регулирующего транзистора, то к нестабильности выходного напряжения от изменения Eдоп добавляется еще нестабильность от изменения Uп величина, которой может изменяться в больших пределах. Поэтому первая схема включения минусовой шины Едоп с эмиттером регулирующего транзистора, является наиболее целесообразной. С целью повышения коэффициента стабилизации КСН часто применяют взамен Едоп токостабилизирующий двухполюсник (ТД). Применение ТД вместо Eдоп приводит к небольшому увеличению минимально допустимого входного напряжения на КСН. Для повышения качества выходного напряжения в УПТ стабилизатора применяются операционные усилители, которые обладают большим коэффициентом усиления и малым температурным уходом. Питание операционного усилителя может осуществляться непосредственно от выходного напряжения стабилизатора. Можно также питать операционный усилитель от дополнительного источника, но в этом случае нет необходимости включать согласующий каскад на отдельном транзисторе. Основными показателями качества выходного напряжения КСН являются коэффициент стабилизации Кст по изменению напряжения питания Uп, внутреннее сопротивление rн, нестабильности от изменения напряжения дополнительного источника ? Uн.доп. и температуры ? Uн.т. Кст =?Uп / ?Uн ? Uн / Uп ? Кн ?т Uн / Uп ; где h11э, riт, ?т - входное и внутреннее сопротивление, а также коэффициент усиления по напряжению составного транзистора; rо, rт. д, riу - соответственно внутреннее сопротивление источника питания Uп, токового датчика ТД и транзистора УПТ; Кн - коэффициент передачи цепи обратной связи, равный произведению коэффициентов передачи УПТ и делителя выходного напряжения. Нестабильность выходного напряжения КСН при изменениях напряжения дополнительного источника, питающего коллекторную цепь транзистора (но не стабилитрона), равна: . Величина температурной нестабильности ?Uн.т. определяется в основном температурным уходом напряжения эмиттер - база транзистора первого каскада УПТ, источника опорного напряжения и делителя выходного напряжения. Для получения минимального значения ?Uн.т необходимо: в делителе выходного напряжения применять термостабильные резисторы (например, ПТМН, С5-22, С2-31); первый каскад УПТ выполнять на дифференциальном усилителе с использованием двух транзисторов, выполненных на одном кристалле (например, К1НТ591) или операционных усилителей; применять термокомпенсированные стабилитроны типа Д818Е, КС196Г. Обеспечить малое значение ?Uн.т можно также применением термочувствительных резисторов в делителе выходного напряжения или р-n переходов. Однако при этом требуется многократная регулировка, а иногда и подбор элементов, что значительно увеличивает трудоемкость регулировки стабилизаторов и поэтому такой метод термокомпенсации применяется редко. 2.2. Общие сведения о выпрямительных устройствах. Выпрямительные устройства используются для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянные напряжения требуемой величины. Выпрямительное устройство в большинстве случаев состоит из трансформатора, преобразующего переменное напряжение питающей сети в более высокое или низкое, полупроводниковых диодов, осуществляющих выпрямление переменного напряжения, и сглаживающего фильтра, уменьшающего пульсацию выпрямленного напряжения. Основным элементом выпрямительного устройства является диод, который представляет собой нелинейный прибор. Сопротивление диода для тока, протекающего в прямом направлении, в сотни тысячи раз меньше, чем для тока, протекающего в обратном направлении. В настоящее время в основном применяются кремниевые полупроводниковые диоды. Для работы выпрямителей принципиальное значение имеет характер нагрузки, включённой на выходе выпрямителя, т. е. схема сглаживающего фильтра. Разные формы токов в фазе и их продолжительность приводят к тому, что методы расчета выпрямителей с различным характером нагрузки существенно различаются. Выпрямители, работающие на фильтр, начинающийся с ёмкости (с ёмкостной реакцией), используются в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей. Трансформаторы этих выпрямителей имеют большую габаритную мощность по сравнению с выпрямителями с индуктивным фильтром. К недостаткам выпрямителей с ёмкостным фильтром относится большая амплитуда тока через диод. Выпрямители с индуктивным фильтром применяются в широком диапазоне выпрямленных напряжений при мощностях от десятков ватт до нескольких киловатт и при токах свыше 1А. Такие выпрямители имеют меньшее внутреннее сопротивление по сравнению с выпрямителями с ёмкостным фильтром, что уменьшает зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки. Применение индуктивного фильтра ограничивает импульс тока через диод. Недостатком выпрямителей с индуктивным фильтром являются перенапряжения, возникающие на выходной ёмкости и на дросселе фильтра при включении выпрямителя и при скачкообразных изменениях тока нагрузки, что представляет опасность для элементов самого выпрямителя и его нагрузки. Выпрямители без сглаживающего фильтра применяются сравнительно редко в тех случаях, когда пульсация напряжения на нагрузке не имеет существенного значения. Сглаживающий фильтр также часто отсутствует в схемах многофазных выпрямителей, имеющих малую пульсацию выпрямленного напряжения. Расчет выпрямителя сводится к выбору схемы и типа диодов, расчету режима работы диодов, определению параметров трансформатора и сглаживающего фильтра. Исходные данные для расчета выпрямителя должны содержать следующие параметры: напряжение питающей сети Uс; число фаз питающей сети m; частоту питающей сети fс; выпрямленное напряжение Uо; выпрямленный ток Iо; коэффициент пульсации на входной ёмкости фильтра (Со) , где U01 - амплитуда первой гармоники пульсации на входной ёмкости фильтра. При работе выпрямителя с ёмкостным фильтром обычно используют схемы, приведенные на рис. 10. Выбор схемы выпрямителя зависит от ряда факторов, которые должны учитываться в зависимости от требований, предъявляемых к выпрямительному устройству. К таким факторам относятся выпрямленное напряжение и мощность, частота пульсации выпрямленного напряжения, число диодов, обратное напряжение на диоде, коэффициент использования мощности трансформатора, напряжение вторичной обмотки. Повышенная частота пульсации позволяет уменьшить размеры сглаживающего фильтра. При увеличении коэффициента использования мощности трансформатора, который равен отношению выпрямленной мощности к габаритной мощности трансформатора, габариты последнего уменьшаются, а КПД выпрямителя, как правило, возрастает. Это следует учитывать при выборе схем для выпрямителей повышенной мощности. При выборе схемы для высоковольтных выпрямителей необходимо учитывать, что снижение напряжения вторичной обмотки трансформатора позволяет уменьшить межслойную изоляцию и, следовательно, размеры трансформатора. Однополупериодную схему (рис. 10, а) обычно применяют при выпрямленных токах до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения. Эта схема характеризуется плохим коэффициентом использования мощности трансформатора. Двухполупериодную схему со средним выводом вторичной обмотки (рис. 10, б) применяют в низковольтных выпрямителях. По сравнению с однофазной мостовой она позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери. Однофазная мостовая схема (рис. 10, в) характеризуется высоким коэффициентом использования мощности и поэтому может быть рекомендована для использования в устройствах повышенной мощности при выходных напряжениях от десятков до сотен вольт. Симметричная схема удвоения напряжения (рис. 10, г) представляет собой последовательное соединение двух однополупериодных схем и применяется при повышенных выпрямленных напряжениях (до 1-2 кВ) в устройствах различной мощности при небольших токах. Несимметричные схемы с умножением напряжения применяются при очень малых токах нагрузки, т. е. в режиме, близком к холостому ходу. Одна из таких схем показана на рис. 10, д) . В этой схеме выпрямленное напряжение почти в 5 раз больше амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора, так как коэффициент умножения kумн., равный числу диодов или конденсаторов, в данном случае равен 5. Увеличение или уменьшение выпрямленного напряжения достигается соответственно добавлением или исключением нужного числа каскадов, каждый из которых состоит из одного диода и одного конденсатора. В схемах умножения частота пульсации f = fс; обратное напряжение на диоде в напряжение на всех конденсаторах (кроме первого С1) равно удвоенному амплитудному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора. При нечетном числе каскадов по вторичной обмотке протекает постоянные ток, вызывающий вынужденное намагничивание трансформатора. 2.3. Выбор расчётной принципиальной схемы. К расчёту принимаем однофазную мостовую схему выпрямителя (рис.10, в) ) с ёмкостным фильтром, обеспечивающую высокий КПД, а следовательно меньшие мощность и габариты силового трансформатора. Стабилизирующий блок строим по схеме компенсационного стабилизатора (лист 2 грфической части). В качестве регулирующего элемента принимаем составной транзистор (VT1, VT2). Усилитель постоянного тока (VT3) в стабилизаторе питаем от источника входного напряжения стабилизатора. Это несколько снизит коэффициент стабилизации, но позволит отказаться от дополнительного источника питания, необходимого для обеспечения нормального режима работы транзистора усилителя. Для регулировки выходного напряжения стабилизатора в обусловленных заданием пределах в цепь делителя включён переменный резистор R4. 3. РАСЧЁТ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ Расчёт источника питания производим в обратной последовательности, задаваясь выходными характеристиками стабилизатора в результате расчета получим параметры, служащие отправной точкой для расчёта выпрямителя. Расчет выпрямителя позволит правильно подобрать тип силового трансформатора. 3.1. Расчёт стабилизатора. 1. Выбираем в качестве регулирующего элемента VT2 транзистор КТ817А с параметрами [1, 6]: IКmax=3 А; UКЭmax=25 B; PКmax=25 Bт, h21Эmin=30, IКБ=0,4 мА. При заданном токе нагрузки Iн.max=1,2 А принимаем напряжение насыщения на транзисторе UКЭнас=3 В [4], а максимальный уровень пульсаций выходного напряжения Uп~= 0,15 В. Определяем входное напряжение питания: Uп.max=(UКэнас.0+Uп~+Uн+?Uн)(1+ас)/(1-bс)=(3+0,15+22+3)(1+0,1)/(1-0,15)=36,4 В; Uп = Uп max /(1+ас)=36,4/(1+0,1) = 33,1 В; Uп.min = Uп(1-bс) = 33,1(1-0,15) = 28,1 В. Максимальная мощность, рассеиваемая на регулирующем транзисторе: Рт = Iн.max(Uп max- Uн- ?Uн) = 1,2·(36,4-22-3) = 13,7 Вт. Выбранный транзистор КТ 817А удовлетворяет требованиям рассеиваемой мощности. 3. По паспорту (входным и выходным) характеристикам транзистора КТ 817А определяем [4]: Uэб2 = 0,8 В; ?Uэб2 = 0,04 В; ?Uкэ = 6 В; ?т2 = ?Uкэ/?Uэб = 6/0,04 = 150; h11Э2 = ?Uэб/(Iб2-Iб1) = 0,1/(1,5-103-0,3-103) = 83 Ом Максимальные значения коллекторного тока, напряжения коллектор - эмиттер (в момент включения) и рассеиваемой мощности для составного транзистора VT1 соответственно равны : Ik1 = Iн max /h21э2min = 1,2/25 = 0,05 А; Uкэ ? Еп max = 36,4 B; Рк1 = Рт max /h21э2min = 13,7/25 = 0,6 Вт. Выбираем в качестве составного транзистора VT1 КТ 608А с параметрами [1, 6]: Ik1max = 0,4 A ? 0,05 A; Uкэ1max = 60 B ? 36,4 B; Рк1max = 0,8 Bт ? 0,6 Вт; Uкэнас1 = 1 В; h21э2min = 60; Uэб1 = 0,7 В; h11э1 = 300 Ом; IКБ01 = 0,01 мА; ?т =600. Ток базы транзистора VT1 Iб1 = Iк1/h21э2min = 0,05/60 = 0,8 мА. 4. Принимаем схему составного транзистора без вспомогательного источника питания. Минимальное напряжение на регулирующем элементе: UКЭнас = UКЭнас1 + UЭБ2 = 1+0,8 = 1,8 В Уточняем значение напряжения питания, рассеиваемой на транзисторах мощности, а также ?т22, h11э, по приведенным выше формулам: Uп max = (1,8+0,15+22+3)(1+0,1)/(1-0,15) = 34,9 В; Uп = 34,9/(1+0,1) = 31,7 В; Uп min = 31,7(1-0,15) = 26,9 В. Рк2 = 1,2(34,9 - 22 - 3) = 11,9 Вт; 5. Максимальное значение напряжения Uвых. у равно: 6. Расчёт цепи обратной связи: а) выбираем стабилитрон VD5 типа Д815Ж с параметрами [1, 6]: Uст.min.=16,2 В, Uст.max=18,0 В, Iст.min=25 мА, Iст.max=450 мА, rдиф=3,0 Ом, ?н=1,1 мВ/оС; б) принимаем вариант подключения питания схемы сравнения к коллектору регулирующего транзистора: , и выбираем в качестве VТ3 транзистор КТ312Б с параметрами: UКЭ3max=35 В; IК3max=30 мА; ?тз=2 мВ/оС; h21Э3min=25; UЭБ3=0,8 В; rЭ3=50 Ом; rЭБ3=1 кОм; h11Э3=1 кОм; ?Т3=1000; в) принимаем коллекторный ток транзистора VТ3 равным IК3=2,8 мА > Iб1= Iвых.у.= 0,8 мА и вычисляем: г) определив ток базы транзистора VТ3 и сопротивления резисторов делителя напряжения: ; ; . Принимаем R4 = 6,8 кОм; д) коэффициент передачи по напряжению: , где , . е) для повышения устойчивости КСН выбираем С2 = 0,1 мкФ. Ёмкостное сопротивление на частоте 100 Гц равно: . Это сопротивление, образующее отрицательную обратную связь по переменному напряжению, уменьшит коэффициент передачи Кн цепи обратной связи на частоте 100 Гц не более чем в 2 раза, то есть Кн? 6. 7. Определяем значения Кст, rн, Uн~ (принимаем rо=2 Ом): 8. Определяем температурную нестабильность выходного напряжения КСН, учитывая ?н=1,1 мВ/оС, ?н.т.= -2 мВ/оС, ?н.д= -0,8 мВ/оС - общий температурный коэффициент резисторов R4, R5, R6. Знак "минус" в полученном результате означает уменьшение выходного напряжения с повышением температуры. Вычисляем: 10. Определяем номинальное и минимальное значения КПД стабилизатора: , где мощность, потребляемая системой управления равна 3.2. Расчёт выпрямителя. Расчёт выпрямителя с ёмкостным фильтром: Uс= 220 В ; fс= 50 Гц ; Uо= 34,9 В ; Iо= 1,2 А . Принимаем однофазную мостовую схему, наиболее характерную для источников питания данного типа. Находим сопротивление трансформатора rт: , где kr - коэффициент по типу выпрямителя, для мостовой схемы 3,5; S - число стержней трансформатора, несущих обмотки, S = 2; В - магнитная индукция в магнитопроводе, принимаем 1,5 Т. . Индуктивность рассеяния обмоток трансформатора, приведённую к фазе вторичной обмотки, определяем по приближённой формуле: , где kL - коэффициент, зависящий от схемы выпрямителя, в данном случае 5?10-3; р - число чередующихся секций обмоток трансформатора, в данном случае р = 2. . Так как выбрана стержневая модель трансформатора, характерная для мостовой схемы, то индуктивность рассеяния уменьшаем в 2 раза, т.е. Ls= =0,5?0,0012 = 0,6?10-3. Вычисляем средний выпрямленный ток Iпр.ср. и обратное напряжение Uобр.max.: По справочным данным выбираем диод КД202В с параметрами: Iпр.max= 5?103 мА > 4?103 мА; Uобр.max= 100 В > 47,6 В; Uпр.= 0,9 В. Внутреннее сопротивление диода: Тангенс угла ?, характеризующего соотношение между индуктивным и активным сопротивлениями фазы выпрямителя: откуда ? ? 5о. Основной расчётный коэффициент: . В зависимости от значений Ао, ? находим с помощью вспомогательных графиков коэффициенты Во, Dо и Fо [4]. Во = 0,92; Dо = 2,3; Fо = 0,65. По значениям Ао, ? и m находим с помощью вспомогательных графиков коэффициент Н02 = 12000. Определяем ЭДС фазы вторичной обмотки трансформатора: . Уточняем значения: Выбранный диод удовлетворяет всем требованиям. Определяем коэффициент трансформации: . Ёмкость фильтра определяем по формуле: . Коэффициент трансформации: n = E2 / Uc = 32,1 / 220 = 0,15. Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора: Iс = n I0 = 0,15 ? 1,95 = 0,3 А . Габаритная мощность трансформатора, при выходной мощности 40 Вт принимаем по вспомогательным графикам КПД трансформатора равным 0,85 [4]: Pг = (UсIс + U0I0) / 2? = (0,3 ? 220 + 1,2 ? 32,1) / 2 ? 0,85 ? 60 Вт. 3.3. Подбор элементов схемы. Мощности, рассеиваемые на резисторах: 0,125 Вт; 0,125 Вт; 0,125 Вт; 0,125 Вт; 0,125 Вт; 0,125 Вт. По справочным таблицам подбираем типы элементов и находим их габаритные размеры. R1 МЛТ-0,125 Вт 1,5 кОм ? 2% - А 6 х 2,2 мм R2 МЛТ-0,125 Вт 47 кОм ? 2% - А 6 х 2,2 мм R3 МЛТ-0,125 Вт 47 Ом ? 2% - А 6 х 2,2 мм R4 СП3-1 0,25Вт 6,8 кОм 15,5 х 16 х 2 мм R5 МЛТ-0,125 Вт 150 Ом ? 2% - А 6 х 2,2 мм R6 МЛТ-0,125 Вт 13 кОм ? 2% - А 6 х 2,2 мм С1 К50-35 1000 мкФ 63 В 18 х 40 мм С2 К73-9 100В 0,1 мкф ? 10% 15 х 8 х 7 мм VD1-VD4 КД202В 13 х 37 мм VD5 Д815Ж 13 х 37 мм VТ1 КТ608А 11,7 х 8 мм VТ2 КТ817А 11,1 х 7,8 х 2,8 мм VТ3 КТ312Б 7,4 х 2,7 мм Силовой трансформатор ТV1 подбираем унифицированный [5] типа ТС - 60-3-220-50. Достоинством этого трансформатора является вторичная обмотка с несколькими отводами, позволяющая получить требуемое переменное напряжение 32В. Для повышения безопасности устройства в цепи первичной обмотки трансформатора целесообразно предусмотреть плавкий предохранитель 0,4 - 0,5 А, в цепи стабилизатора 1,5 - 2А. На выходе стабилизатора рекомендуется предусмотреть электролитический конденсатор, сглаживающий пульсацию выходного напряжения. Его ёмкость зависит от допустимой величины пульсаии и удаленности нагрузки от источника питания. Ориентировочная ёмкость (500-1000 мкФ 50В). На основании принятых элементов приступаем к разработке конструкции устройства. 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА Основанием для разработки конструкции источника вторичного электропитания (ИВЭ) является схема электрическая принципиальная с перечнем элементов и ТЗ на конструирование Рационально составленная принципиальная схема ИВЭ облегчает конструкторскую работу по составлению компоновочного макета прибора, способствует размещению элементов без лишних связей, с наименьшей длиной соединительных проводников. Для этого в принципиальной схеме выделяются основные функциональные узлы, силовые цепи, через которые протекают полные токи нагрузки, слаботочные цепи управления, вспомогательные цепи контроля и защиты. Рациональность такого разделения электрической принципиальной схемы диктуется тем, что конструкция каждой функциональной части имеет свои особенности. Силовая часть конструируется с учетом размещения мощных полупроводниковых приборов и силовых интегральных микросхем на теплоотводах габаритные размеры, которых должны быть рассчитаны на обеспечение заданного перегрева элементов при максимальной рабочей температуре. Схемы управления, как правило, размещаются на печатных платах с минимальной длиной проводов, чтобы устранить паразитные связи и возможную генерацию, которая может возникнуть в замкнутой цепи регулирования. В техническом задании конструктору, кроме назначения ИВЭ и его размещения в составе комплекса РЭА, должны быть указаны требования, предъявляемые к конструкции ИВЭ, условия эксплуатации, включая механические воздействия, температура окружающей среды, способ охлаждения. Сведения о тепловых режимах ЭРИ (особенно для мощных полупроводниковых приборов) должны содержать значения рассеиваемой мощности в непрерывном или повторно кратковременном режимах работы, длительности циклов. По этим данным конструктор должен рассчитать радиаторы для охлаждения элементов. Силовые полупроводниковые приборы могут иметь индивидуальные радиаторы или размещаться на общем теплоотводе. В последнем случае каждый из них, как правило, должен быть электрически изолирован от общего радиатора. Тепловые режимы элементов проверяют расчетным путем по разработанной конструкторской документации или опытным путём после изготовления и испытания конструктивного образца, т. е. на поздней стадии разработки. Поэтому, если на ранней стадии конструирования источников питания при выборе теплоотводов и способа охлаждения будут допущены грубые ошибки, это приведет к переработке конструкции всего прибора, увеличению сроков разработки и изготовления аппаратуры. Конструкция ИВЭ должна обладать определенной преемственностью за счет целесообразного использования готовых или ранее разработанных узлов и деталей, это дает существенный экономический эффект. Технологичность конструкции - основное требование производства. Разрабатываемый блок или модуль питания будет технологичным, если он полностью удовлетворяет техническим и эксплуатационным требованиям и может быть изготовлен наиболее экономичными технологическими процессами, освоенными на предприятии Конструкция приборов должна также быть ремонтопригодной, удовлетворять требованиям простоты и безопасности обслуживания. Источники питания стационарной аппаратуры выполняются в. виде сменных блоков на принятой для данного комплекса, которая подчиняется определенному модульному размерному растру для соответствующего конструктивного уровня - унифицированной ячейки, блока или шкафа. Особенности разработки конструкции таких устройств связаны с наличием в них мощных тепловыделяющих полупроводниковых приборов и источников помех, которые необходимо подавлять в местах их возникновения. Особенно это относится к ИВЭ, использующих тиристорные регулируемые выпрямители, к источникам питания с бестрансформаторным входом. Источники и модули питания бытовой аппаратуры обычно конструктивно размещаются вместе с функциональной аппаратурой, которую они питают. Для уменьшения массы и габаритов таких ИВЭ целесообразно совмещать элементы конструкции прибора с теплоотводом. Анализ радиоаппаратуры показывает, что вторичные источники питания в большинстве случаев создаются на дискретных корпусных элементах, в то время как остальная аппаратурная часть строится на интегральной элементной базе. Результатом такого подхода явилось то, что объем, и масса вторичных источников питания составляет до 40-50% аппаратурной части РЭА. Во многих случаях эти проблемы вызваны несовершенством конструкции вторичных источников питания и устройств, отводящих от них тепло. Эти причины сдерживают внедрение интегральных методов проектирования силовых устройств и дальнейшее уменьшение их масс и габаритов. Общеизвестно, что объемные конструкции блоков питания обладают значительным температурным сопротивлением от их источника до его стока. Кроме того, корпусные активные и пассивные элементы схемы также обладают большим тепловым сопротивлением, что в свою очередь требует дополнительного увеличения объема конструкции и охлаждающей поверхности. Конструкция силового модуля должна обладать: кратчайшим расстоянием от источника тепла до его стока (l должно быть минимальным); максимальной площадью окружающей поверхности (S должно быть максимальным); материал теплоотвода должен обладать максимальной теплопроводностью (? должно быть максимальным). Наиболее полно этим требованиям отвечает конструкция изделия, которая обладает: максимальной площадью поверхности при одновременном уменьшении ее объема; применением активных элементов с малым тепловым сопротивлением, т.е. необходимо применить бескорпусные элементы; применением конструкции малокорпусных или бескорпусных пассивных элементов (трансформаторы, дроссели); применением алюминия, меди, окиси бериллия, керамики 22ХС и им подобных материалов. Кроме того, такие конструкции обладают минимальной материалоемкостью, максимальной простотой монтажа, улучшенными электрическими параметрами. Материалы, используемые в качестве оснований для печатных плат (ПП), должны обладать совокупностью определенных свойств. К их числу относятся высокие электроизоляционные свойства, достаточная механическая прочность и др. Все эти свойства должны быть стабильными при воздействии агрессивных сред и изменяющихся условий. Кроме того, материал платы должен обладать хорошей сцепляемостью с токопроводящим покрытием, минимальным короблением в процессе производства и эксплуатации. Если платы изготавливаются из листового материала, то последний должен допускать возможность обработки резанием и штамповкой. В качестве материала ПП используем листовой фольгированный материал - стеклотекстолит фольгированный марки СФ 2-50-2,0 ГОСТ 10316-70. Выбор данного материала объясняется назначением и условиями работы устройства. Печатные платы из стеклотекстолита имеют лучшую устойчивость к механическим, вибрационным, климатическим воздействиям по сравнению с платами из гетинакса. Физико-механические и электрические свойства сведены в таблицу. Таблица 2 Физико-механические свойства стеклотекстолита Показатели СФ-2 1. Плотность с фольгой, г/см 1,9-2,9 2. Предел прочности на растяжение, кг/см 2000 3. Удельное поверхностное электрическое сопротивление, Ом 1010 4. Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 106Гц 0,07 5. Диэлектрическая проницаемость 6 Размеры плат не рекомендуется брать более 240х360 мм при обычных и 120х180 мм при малогабаритных деталях. Это связано с тем, что при больших габаритных размерах ПП увеличивается длина печатного проводника, чем снижается его прочность, снижается сила сцепления печатного проводника с изоляционным материалом, что требуется затем дополнительное сцепление путем предусмотрения дополнительных контактных площадок и отверстий. Из-за этого увеличиваются паразитные связи, что неблагоприятно сказывается на параметры устройства (помехи, пульсации, паразитные связи, наводки и т.д.). Одновременно снижается механическая жесткость печатной платы. Для устранения этого эффекта целесообразны квадратная и прямоугольная форма (рекомендуемое соотношение сторон по ОСТ4 ГО.070.011 - 1:1; 1:2; 2:3; 2:5). Платы всех размеров рекомендуется выполнять с плотностью монтажа, соответствующей классу А. К этому классу относятся платы, у которых ширина проводников и расстояние между ними в узких местах находятся в пределах 0,5-0,6 мм. Принимаем площадь всех элементов 22 см2, а коэффициенты плотности монтажа равным 0,7, получаем максимальную площадь печатной платы равной 32 см2. Исходя из особенностей конструкции блока, а именно: ограничение размеров в целях достижения наименьших габаритов модуля, печатная плата модуля имеет размеры и форму, изображенную на листе 2 графической части. Зная габариты платы, можно перейти к компоновке элементов на ПП с учетом необходимых зазоров между элементами и рационального их размещения, для снижения паразитных связей и наводок. Выбираем шаг координатной сетки 2,5 мм согласно ГОСТ 20317-62 и отраслевого стандарта ОСТ 4.ГО.070.011. Центры монтажных и переходных отверстий расположены в узлах координатной сетки. На печатной плате целесообразно разместить все элементы стабилизированного источника питания, кроме транзистора VT2, так как последний в процессе работы может рассеивать мощность до ? 14 Вт и требует установки на радиаторе. Транзистор должен нормально работать при температуре окружающей среды 45оС. Допустимая температура его коллекторного перехода не должна превышать 70оС. То есть перегрев не должен превышать ?t = 25 оС. При рассеиваемой мощности 14Вт и перегреве 30оС (с запасом) по вспомогательному графику [6] находим площадь поверхности радиатора S = 500 см2. Для сокращения габаритных размеров рекомендуется применить специально изготовленные радиаторы ребристой конструкции. Соединение VT2 с печатной платой осуществляется подпайкой проводов в соответствующие точки печатной платы, которые должны быть отмаркированы вспомогательными подписями. Соединение печатной платы источника тока с внешними цепями (Uвх, нагрузка, напряжение питания ОУ, корпус) - также неразъемное - с помощью подпаиваемых проводов. Технические требования на печатный монтаж приведены на чертеже печатной платы. Небольшая сложность устройства позволяет выполнить монтаж на односторонней печатной плате (лист 3 графической части). Перечень элементов стабилизированного источника питания размещен на одном листе с электрической принципиальной схемой (лист 2 графической части). 5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ О КАЧЕСТВЕ РАЗРАБОТАННОГО УСТРОЙСТВА И ЕГО СООТВЕТСТВИЕ ТРЕБОВАНИЯМ ТЗ К источникам вторичного электропитания предъявляются следующие специальные технические требования: 1. Номинальное значение выходного питающего напряжения постоянного тока и допуск на точность его установки в вольтах должны выбираться из следующего ряда: 0,25; 0,4; 0,6; 1,2; 2,4; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0 (6,3); 9,0 (10); 12,0 (12,6); 15; 20; 24; 27; 30; 40; 48; 60; 80; 100 (125); 150; 200; 250 (300); 400 (500); 680; 800; 1000; 1250; 1500; 2000; 2500; 3000; 4000; 5000; 6000; 8000; 10000; 12000; 15000; 20000, 25000. Номинальное выходное напряжение проектируемого блока питания 22В является нестандартным, но за счёт наличия возможности регулировки способен обеспечивать номиналы стандартного ряда 20 и 24В. Номинальные значения напряжений переменного тока в вольтах действующего значения должны выбираться из ряда: 1,2; 2,4; 3,15; 5,0; 6,0 (6,3); 12 (12,6); 15; 24; 27; 36; 40; 60; 80; 110 (115); 127; 200; 220; 380. Напряжения, указанные в скобках, применять не рекомендуется; при необходимости их применение должно быть согласовано в установленном порядке. Характеристики входного напряжения являются стандартными. Практически номинальные значения выходного напряжения определяются элементной базой проектируемого комплекса РЭА и ограничиваются небольшим числом номиналов напряжений. Допуск на точность установки номинала напряжения определяется выбранной элементной базой и требованиями к выходным параметрам РЭА. 2. Для унифицированных ИВЭ широкого применения номинальные значения тока выбираются из установленного ряда по ГОСТ 18275- 72. Для ИВЭ частного применения значение тока нагрузки по каждой цепи определяется техническим заданием. 3. Переменная составляющая (пульсация) выходных напряжений постоянного тока задается в процентах от номинального напряжения или в абсолютных значениях. Коэффициент пульсации выходных напряжений постоянного тока определяется требованиями аппаратуры и задается из следующего ряда: 0,01; 0,02; 0,03: 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1; 2; 3; 5%. Заложенный в расчет коэффициент пульсации удовлетворяет требованиям ТЗ. 4. Суммарная нестабильность выходного напряжения при воздействии всех дестабилизирующих факторов задается в процентах от номинального напряжения: 0,1; 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 5,0; 10%. Для контроля параметров ИВЭ в процессе их изготовления и испытаний задаются частные нестабильности выходного напряжения: нестабильность по напряжению - допустимое изменение выходного напряжения при заданных пределах изменения входного напряжения питающей сети и неизменном токе нагрузки; при этом указывается характер изменения сети - плавный или скачкообразный; нестабильность по току - допустимое изменение выходного напряжения при заданных пределах изменения тока нагрузки и неизменном входном напряжении питающей сети. Этот параметр определяет внутреннее сопротивление ИВЭ при медленных изменениях тока. При импульсном потреблении тока указывается допустимое динамическое внутреннее сопротивление или частотная характеристика; температурная нестабильность (ТКН) - допустимое изменение выходного напряжения при изменении температуры окружающей среды в заданных пределах. Обычно температурная нестабильность задается совместно с частными нестабильностями по напряжению и току. Нестабильности и пульсации выходных постоянных напряжений являются важнейшими параметрами, которые оказывают существенное влияние на массогабаритные характеристики ИВЭ, поскольку для их реализации требуется применять сложные схемно-технические решения, большее число элементов. Полученные расчётом коэффициенты стабилизации и температурной стабильности удовлетворяют требованиям технического задания. 5. Коэффициент полезного действия ИВЭ или потребляемая мощность от источника первичной энергии в различных режимах работы: непрерывном, повторно-кратковременном или импульсном. Значение КПД зависит от многих факторов: уровня выходного напряжения и мощности, способа регулирования и требуемой точности, гальванической развязки от входной питающей сети и др. Обобщенные данные КПД для ИВЭ с выходным напряжением до 100 В и мощностью до 100 Вт приведены в табл. 2. КПД запроектированного источника вторичного электропитания (0,7) несколько превосходит типовые значения для данного класса. 6. Гальваническая развязка выходных цепей питания от шин источника входной электроэнергии. Силовой трансформатор обеспечивает гальваническую развязку вторичных цепей питания от сети. 7. Электрическая защита потребителя от превышения выходного напряжения, допустимый уровень превышения питающего напряжения. 8. Электрическая защита источника питания от перегрузки или короткого замыкания в нагрузке, автоматическое восстановление работоспособности источника питания при снятии перегрузки или короткого замыкания в нагрузке. Электрическая защита обеспечивается плавкими предохранителями. Конструктивно-технологические требования. Конструкция источников питания должна быть совместимой с аппаратурой, для которой они разрабатываются. Кроме того, к ИВЭ предъявляются ряд специфических конструктивно-технологических требований, основными из которых являются следующие. 1. Масса устройств электропитания должна быть минимальной. 2. Технологичность конструкции и преемственность конструктивных решений. 3. Требования по унификации и стандартизации. 4. Конструкция ИВЭ должна исключать возможность случайного сдвига органов регулирования. При повороте органа регулирования по часовой стрелке должно происходить увеличение регулируемого параметра: напряжения, частоты и т.п. Некоторые перечисленные требования являются взаимно-противоречивыми. Например, для обеспечения высокой надежности необходимо уменьшать коэффициенты нагрузки элементов, снижать температуру нагрева полупроводниковых приборов за счет увеличения массы и габаритов теплоотводов, что приводит к увеличению массы и габаритов ИВЭ в целом. Основной и наиболее трудной задачей разработчика при проектировании ИВЭ является отыскание компромиссных решений, при которых наряду с обеспечением заданных электрических требований удовлетворялись бы требования по снижению массы приборов. Вторичные источники питания характеризуются рядом электрических, эксплуатационных и массогабаритных параметров, которые обеспечивают их работоспособность в составе радиоэлектронных комплексов. Электрические параметры разделяются на статические, измеряемые при медленном изменении во времени возмущающих факторов (входного напряжения питания, тока нагрузки, температуры и т. д.), и динамические, измеряемые при быстром изменении во времени возмущающих факторов (например, при скачкообразном включении напряжения питания, импульсном изменении тока нагрузки) Ниже приводятся основные параметры ИВЭ. 1. Номинальное выходное напряжение выпрямителя Uо и пределы его изменения. верхний Uo.max и нижний Uomin, В. Максимальное изменение напряжения выпрямителя где . 2. Номинальное выходное напряжение стабилизатора Uн, В и пределы его изменения: верхний U0.max и нижний U0.min, В. Максимальное изменение выходного напряжения стабилизатора 3. Пределы регулировки выходного напряжения стабилизатора верхний Uн.per.max., нижний Uн.per.min, В. 4. Номинальное значение тока нагрузки выпрямителя I0, А, и пределы его изменения: максимальное I0max и минимальное I0min. 5. Номинальное значение тока нагрузки стабилизатора и пределы его изменения: максимальное Iн.max и минимальное Iн.min. 6. Нестабильность выходного напряжения, которая определяется как отношение изменения выходного напряжения ?Uн. к номинальному значению выходного напряжения стабилизатора Uн. при заданных изменениях входного напряжения или тока нагрузки. Коэффициент нестабильности (или нестабильность) по напряжению ?Uн, определяется при заданном изменении входного питающего напряжения на величину ?Uв.х и Iн = const: Коэффициент нестабильности по току ?Uн определяется при заданном изменении тока нагрузки на величину ?Iн = Iн.max - Iн.min при U0 = const: где индексы "U" и "I" означают, что изменения выходного напряжения ?Uн измерены при изменении входного напряжения питания и выходного тока нагрузки соответственно. 7. Наряду с коэффициентом нестабильности для характеристики стабилизирующих свойств ИВЭ используется коэффициент стабилизации по напряжению Кст, который показывает, во сколько раз относительное изменение входного напряжения больше относительного изменения выходного напряжения при неизменном токе нагрузки Следует отметить, что при определении коэффициента стабилизации по отношению к изменению выпрямленного напряжения Uо из-за внутреннего сопротивления выпрямителя коэффициенты ао > ас и bо > bс. 8. Амплитуда переменной составляющей (пульсации) напряжения: на входе фильтра U?о~, на его выходе Uо~, на выходе стабилизатора Uн~. Значение пульсации задается коэффициентом пульсации kп, который выражается в относительных единицах, например на входе выпрямителя или в процентах . Для уменьшения пульсации на выходе выпрямителя включается сглаживающий фильтр, действие которого можно характеризовать коэффициентом фильтрации kф.ф, который определяется, как отношение значений пульсации на входе и выходе фильтра kф.ф = или стабилизатора kф.ст. = . Следует отметить, что сравнивать по удельным показателям можно только идентичные приборы, разработанные для одинаковых условий эксплуатации, питающиеся от входной сети с одинаковыми характеристиками. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Запроектированный источник вторичного элетропитания соответствует всем основным требованиям технического задания, обеспечивает стабильную работу при заданных характеристиках питающей сети, допускает указанные пределы регулирования выходного напряжения. Коэффициент стабилизации превышает заданный. Соблюдены требования температурной стабильности, пульсации нагрузки, обеспечения нормальной работы в указанных пределах изменения температуры окружающей среды. Схема технологична, не использует редких и дорогих элементов, включает в себя унифицированные компоненты. Данный модуль рекомендуется размещать в одном корпусе с нагрузкой, предусматривая конструктивную защиту от электрических помех. 6. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Графическая часть представлена чертежами на трех листах, содержащих следующую информацию. Лист 1 - функциональная схема устройства. Лист 2 - схема электрическая принципиальная, спецификация элементов схемы. Лист 3 - чертёж печатной платы устройства. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Аксёнов А.И., Нефёдов А.В., Юшин А.М. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры: Справочник. - М.: Радио и связь, 1992. Конев Ю.И. Источники вторичного электропитания. Справочник, 1983. Крауз А. и др. Проектирование стабилизированного источника электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Найвельт Г.С. Источники электропитания РЭА. Справочник, 1985. Сидоров И.Н. Малогабаритные трансформаторы и дроссели. Справочник, 1985. Чистяков Н.И. Справочная книга радиолюбителя-конструктора: В 2-х книгах. - 2-е изд., исправ. - М.: Радио и связь, 1993. 2 Работа на этой странице представлена для Вашего ознакомления в текстовом (сокращенном) виде. Для того, чтобы получить полностью оформленную работу в формате Word, со всеми сносками, таблицами, рисунками, графиками, приложениями и т.д., достаточно просто её СКАЧАТЬ.  |
|
Банк готовых работ
Форма заказа
Скачать работу
экономические  Copyright © refbank.ru 2005-2024
Все права на представленные на сайте материалы принадлежат refbank.ru. Перепечатка, копирование материалов без разрешения администрации сайта запрещено. |
|