Расчет источника вторичного электропитания

Камчатский Государственный Технический Университет

КАФЕДРА РАДИООБОРУДОВАНИЯ СУДОВ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине:

«Схемотехника»

 

Тема: «Расчет источника вторичного электропитания»

Выполнил: Проверил:

Курсант уч.гр. 05-РО преподаватель

Трофимов В.И. Парфенкин А.И.

«__»_________ 2008г. Защита назначена на:

«__»_________2008г.

Оценка ______

«__»_________2008г.

г.Петропавловск-Камчатский

2008г.

 

Камчатский Государственный Технический Университет

КАФЕДРА РАДИООБОРУДОВАНИЯ СУДОВ

 

 

 

Техническое задание  
на курсовую работу по дисциплине:

 

 

Схемотехника

 

Курсант Трофимов В.И. курс 3 группа 05-Ро

 

 

 

Тема задания:

«Расчет источника вторичного электропитания»

 

 

 

Технические данные:

1. Напряжение питания сети Uпит = 220В
2. Частота сети 50Гц
3. Постоянное напряжение на выходе схемы выпрямления 5 В
4. Постоянный ток на выходе схемы 1А
5. Коэффициент пульсации Kпульс = 6%
6. Коэффициент стабилизации Кстаб = 100

 

 

 

 

Дата выдачи:____________2008г.                         Срок сдачи___________2008г

 

 

 

Руководитель

Преподаватель кафедры РОС Парфенкин А.И.

 

Содержание:

1. Техническое задание
2. Введение
3. Анализ технического задания
1. Расчет устройств схем электропитания радиотехнических систем
2. Разработка принципиальной схемы
4. Расчетная часть
1. Расчет стабилизаторанапряжения
2. Расчет выпрямителя и сглаживающего фильтра для питания электронного стабилизатора напряжения по постоянному току.
3. Расчет силового трансформатора
5. Приложение
6. Список литературы

 

2. Введение

Источники электропитания, являющиеся неотъемлемой частью любых радиотехнических устройств, представляют собой комплексы элементов, приборов и аппаратов, вырабатывающих электрическую энергию и преобразующих ее к виду, необходимому для нормальной работы радиоустройств.

Все источники электропитания могут быть разделены на две группы – на источники первичного и вторичного питания.

 

К источникам первичного питания относятся устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую (электромагнитные генераторы, электрохимические источники тока, термоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи, фотоэлектрические преобразователи и атомные батареи).

К источникам вторичного питания относятся устройства, преобразующие электрическую энергию одного вида в другой (преобразователи переменного напряжения в постоянное – выпрямители, преобразователи постоянного напряжения в переменное – инверторы, преобразователи переменного напряжения – трансформаторы, преобразователи частоты переменного тока – умножители и делители частоты).

 

3. Анализ технического  задания

3.1. Расчет устройств схем электропитания радиотехнических систем

 

Разработка устройства электропитания заключается в выборе наиболее рациональной схемы выпрямителя, числа и типа вентилей, схемы фильтра и его элементов, в определении параметров трансформатора и сглаживающего дросселя фильтра, в выборе схемы регулирования или схемы стабилизации, определении параметров этих схем, их эксплуатационных характеристик.

 

Расчет выполняется согласно техническим условиям:

 

• назначения рассчитываемого устройства;
• номинального напряжения и частоты тока сети;
• номинального значения выпрямленного напряжения и тока;
• допустимого коэффициента пульсации на выходе выпрямителя при номинальной нагрузке;
• пределов изменения напряжения сети и тока нагрузки;
• допустимые пределы изменения напряжения на выходе выпрямителя.

 

Большинство требований предъявляемых к устройствам электропитания имеет противоречивый характер.

Так, например, высокий КПД и надежность работы трудно обеспечить при минимальном весе; требование стабилизации напряжения приводит к снижению КПД.

 

Поэтому основная задача, решаемая при расчете устройства электропитания, заключается в техническом обосновании и выборе решения, наиболее полно соответствующего поставленным требованиям.

Источники электропитания по роду тока подразделяются на источники постоянного и переменного напряжения, а по степени постоянства выходного напряжения – на нестабилизированные и стабилизированные.

При разработке нестабилизированного источника постоянного напряжения целесообразен следующий порядок расчета:

• выбор типа вентилей, схемы выпрямления и схемы фильтра;
• предварительный расчет выпрямителя;
• расчет фильтра;
• расчет сглаживающего дросселя;
• расчет трансформатора;
• окончательный расчет выпрямителя и фильтра.

 

При разработке стабилизированных источников выпрямленного напряжения необходимо соблюдать следующий порядок расчета:

• выбор схемы стабилизации;
• расчет регулирующего элемента;
• расчет измерительного элемента;
• расчет усилительного элемента;
• определение требуемых параметров выпрямителя.

 

После этого производится расчет нестабилизированного источника постоянного напряжения в последовательности указанной выше.

Разработка нестабилизированного источника переменного напряжения сводится к расчету трансформатора.

 

При разработке стабилизированных источников переменного напряжения расчет выполняется в следующей последовательности:

• выбор схемы стабилизации;
• предварительный расчет схемы стабилизатора;
• расчет трансформатора;
• окончательный расчет схемы стабилизатора;
• расчет измерительного элемента;
• расчет усилительного элемента.

 

После выполнения всех расчетов для источников питания всех типов необходимо:

• составить принципиальную электрическую схему с перечнем элементов;
• технические условия, расчетных источников питания.

 

 

3.2. Разработка принципиальной схемы

 

Наиболее распространенной системой электропитания радиотехнической аппаратуры является система, состоящая из источника переменного напряжения и выпрямителей, преобразующих переменное напряжение источника в постоянное напряжение различной величины.

 

В качестве источников переменного напряжения используются распределительные электрические сети энергосистем, питающиеся от электрических станций с электромашинными генераторами.

Выпрямитель является статическим преобразователем переменного тока в постоянный. Достоинством выпрямителей является отсутствие вращающихся частей, высокая надежность, небольшие размеры, высокий коэффициент полезного действия, простота конструкции.

Основными элементами выпрямителя являются трансформатор, электрические вентили и сглаживающий фильтр.

 

 

 

 

 

   Сеть                 Нагрузка 

 

Основное назначение трансформатора заключается в том, чтобы преобразовать переменное напряжение источника (сети) до величины соответствующей заданному значению выпрямленного напряжения.

Кроме того, обеспечивает электрическое разделение (изоляцию) цепей постоянного и переменного токов.

Электрические вентили служат для выпрямления, т.е. преобразования переменного напряжения в напряжение одного неизменного направления. Напряжение на выходе выпрямителя является пульсирующим.

Непосредственное питание радиотехнических схем от выпрямителей в большинстве случаев является недопустимым из-за большой амплитуды переменной составляющей выпрямленного напряжения.

Для уменьшения амплитуды переменной составляющей, т.е. для сглаживания пульсаций, применяют специальные устройства – сглаживающие фильтры.

Кроме трансформаторов, вентилей, сглаживающих фильтров выпрямители  могут содержать различные дополнительные и вспомогательные устройства. К их числу следует отнести: устройства для стабилизации выпрямленного напряжения, т.е. для поддержания его величины на определенном, заранее заданном уровне; устройства для регулирования выпрямительного напряжения; устройства для включения и отключения выпрямителя; устройства для защиты выпрямителя при нарушениях нормального режима работы и др.

 

4. Расчетная часть

4.1. Расчет стабилизатора напряжения

 

Исходные данные для расчета:

Номинальное выходное напряжение Uн [В] 5

Номинальный ток нагрузки Iн [A] 1

Коэффициент пульсации Кп [%] 6

Коэффициент стабилизации Кст 100

Температура окружающей среды tср [oC] +20

Климатические условия норм

 

Принципиальная схема:

Рис. Схема стабилизатора напряжения

Расчет схемы электрической принципиальной:

Согласно схеме находим наименьшее напряжение на входе стабилизатора:

Uвх min = Uн + Uкз min = 5 + 4 = 9 В, где Uкз min – минимальное напряжение на регулирующем транзисторе VT3.Исходя из того, что VT3 предположительно кремневый, то Uкз min выбираем в пределе 3..5 В.

Учитывая нестабильность входного напряжения а входе стабилизатора ±10%, находим среднее и максимальное значение напряжения на входе стабилизатора:

Uвх ср = Uвх min/0,9 = 5/0,9 = 5,55 В

Uвх max = Uвх ср·1,1 = 5,55·1,1 = 6,11 В

Определяем максимальное значение на регулирующем транзисторе:

Uкз max = Uвх max -Uн = 6,11 – 5 = 1,11 В

Мощность, которая рассеивается на коллекторе транзистора VT3, равняется

P3 = Uк3 max·Iн = 1,11·1 = 1,11 Вт

По полученным значениям Uк3 max, Iн, Р3 выбираем тип регулирующего транзистора

 

Марка транзистора: 2Т704А

Допустимый ток коллектора, Iк доп 2,5А

Допустимое напряжение коллектор-эмиттер, Uк доп 5 В

Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред 15 Вт

Минимальный коэф. передачи тока базы, 3

 

Находим ток базы транзистора VT3

IБ3 = Iн/ h21Э3 min = 0,3 A

 

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT2.

Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер VT2.

Uк2max = Uк3max – Uбэ3 = 1,11 – 0,4 = 0,71 В, где Uбэ3 – падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT3.

Ток коллектора VT2 состоит из тока базы VT3 и тока потерь, который протекает через резистор R3, для маломощных транзисторов, используемых в качестве согласующего элемента, дополнительный ток выбирают в пределах 0,5-2 мА.

 Iк2 = Iб3 + IR3 = 0,3 + 0,002 = 0,302 A

 

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT2, равняется

P2 = Iк2·Uк2max = 0,302·0,71 = 0,21 Вт

 

По полученным данным Uк2max, Iк2, P2 выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

 

Марка транзистора: 2Т603Б

Допустимый ток коллектора, Iк доп 0,4А

Допустимое напряжение коллектор-эмиттер, Uк доп 30 В

Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред 0,5 Вт

Минимальный коэф. передачи тока базы, h21Э2 min  60

Рассчитываем ток базы VT2

Iб2 = Iк2/ h21Э2 min = 0,302/60 = 0,005 A

 

Источником эталонного напряжения берем параметрический стабилизатор напряжения на кремневом стабилитроне VD2из расчета:

UVD2 = 0,7Uн = 0,7·5 = 3,5 В

 

Выбираем тип стабилитрона и выписываем его основные параметры:

 

Стабилитрон 2С156А

IVD2 = 4,5·10-3 А – средний ток стабилизации

RVD2 = 38 Ом – дифференциальное сопротивление стабилитрона

 

Определяем начальные данные для выбора транзистора VT4

Рассчитываем напряжение коллектор-эмиттер транзистора

Uк4max = Uн + Uбэ3 + Uбэ2 – UVD2 = 5 + 0,4 + 1,5 – 3,5 = 3,4 В

 

Задаем ток коллектора VT4 меньшим, нежели средний стабилитрона VD2

Iк4 = 3·10-3 А

Мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора VT4

Pк4 = Iк4· Uк4max  = 10,2·10-3 Вт

 

По полученным значениям Uк4max, Iк4, Pк4 выбираем тип транзистора и выписываем его параметры:

Марка транзистора: МП9А

Допустимый ток коллектора, Iк доп 20·10-3А

Допустимое напряжение коллектор-эмиттер, Uк доп 15 В

Рассеиваемая мощность коллектора, Pпред 150·10-3 Вт

Минимальный коэф. передачи тока базы, h21Э4 min  15

 

Рассчитываем ток базы VT4

Iб4 = Iк4/ h21Э4 min = 3·10-3 /15 = 2·10-4А

 

Рабочее напряжение стабилитрона VD1 определяем из соотношения