Узлы устройства

 

Министерство образования и  науки РФ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «ЭВМ и С»

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Вариант № 23

 

 

 

 

Выполнил:   студент гр. ИВТ-462

Заволочкин Д. О.

Проверил:   к.т.н. А.И. Нефедьев

Оценка _______баллов

«____» ___________2012г.

 

 

 

 

 

 

Волгоград 2012

Содержание

 

Задание 3

Введение 4

Схема функциональная 5

Схема электрическая принципиальная 6

Расчетная часть 7

Качественный анализ работы схемы 7

Расчет трансформатора 10

Расчет выпрямителя 13

Расчет емкостного фильтра 15

Расчет стабилизатора 16

Расчет радиатора 20

Моделирование на ЭВМ 23

Выводы 25

Список литературы 26

 

 

 

 

Задание

Построить схему стабилизированного источника питания в соответствии с функциональной схемой и вариантом  задания.

Произвести качественный анализ работы схемы, определить мощность, потребляемую нагрузкой. Рассчитать трансформатор, выпрямитель, емкостной фильтр, стабилизатор, радиатор для регулирующего транзистора стабилизатора. При расчете трансформатора необходимо взять 20% запас по мощности, схема защиты стабилизатора по току должна ограничивать выходной ток на уровне 1,1 выходного тока.

Произвести моделирование схемы  в программе «ElectronicsWorkbench 5.12». При моделировании использовать идеальные модели транзисторов.

Проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

Вариант	23
Схема стабилизатора	3
Схема выпрямителя	Мостовая
Uвых, В.	24
Iвых, А.	1
tmaxокр. среды, 0C	40

 

 

Введение

Для обеспечения нормального функционирования электронных устройств, прежде всего, необходимы источники энергии, которые  называют источниками питания. Для  этой цели в большинстве случаев  используют источники постоянного  напряжения.

Источник питания — устройство, предназначенное для формирования напряжения, необходимого системе, из напряжения электрической сети. Чаще всего блоки питания преобразуют  переменный ток сети 220 В частотой 50 Гц (для России, в других странах используют иные уровни и частоты) в заданный постоянный ток. Источник электропитания является неотъемлемой частью любого радиотехнического устройства.

Основным источником питания электронных  устройств в настоящее время  являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в  ток одного направления, называемый выпрямленным. Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств. Основным причинами нестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения.

 

 

 

 

Схема функциональная

Структурная схема линейного ИП изображена на рис. 1, ее использование, исходя из заданных требований к разрабатываемому источнику питания вполне оправданно, так как она является достаточно типичной и удовлетворяет требованиям  условия.

Рис. 1. Схема функциональная.

Тр – трансформатор. Предназначен для изменения напряжения.

В – выпрямитель. Предназначен для выпрямления напряжения.

Ф – фильтр. Предназначен для сглаживания выпрямленного напряжения.

Ст – стабилизатор. Предназначен для поддержания среднего значения напряжения на нагрузке.

 

 

 

 

 

 

 

Схема электрическая  принципиальная

Составим принципиальную электрическую  схему ИП.

Включим в схему ключ (S1) и плавкий предохранитель для защиты от перегрева и возгорания электрической цепи и её элементов (FU1). К последнему подключим трансформатор (T1).

Выпрямитель, фильтр и стабилизатор выбираем в соответствии с заданием.

На вход схемы подается переменной напряжение 220 В.

Таким образом, схема будет выглядеть  следующим образом (рис. 2).

Рис. 2. Электрическая принципиальная схема вторичного источника питания.

 

 

 

 

 

Расчетная часть

Качественный  анализ работы схемы

Разработанная схема представляет собой трансформаторный источник питания, или, иными словами, источник питания  без преобразования частоты.

На вход схемы подаётся переменное напряжение промышленной частоты . Подключение и отключение от первичного источника напряжения (сетевое напряжение) осуществляется при помощи ключа S1.

В случае внутреннего сбоя, источник не должен позволить этому  сбою достичь системы, которую он питает. Поэтому после ключа S1, установлен плавкий предохранитель FU1. Плавким предохранителем называется коммутационный аппарат, предназначенный для отключения защищаемой цепи посредством расплавления специальных токоведущих частей (плавких вставок) под воздействием тока, превышающего определенное значение, с последующим гашением возникающей электрической дуги.

Трансформатор T1 является понижающим трансформатором индуктивного (обмоточного) типа. Он представляет собой магнитопровод с обмоткой из меди или алюминия.

К достоинствам такого трансформатора можно отнести:

1. Обмоточные трансформаторы не требуют к себе какого-либо особенного обслуживания и просты в эксплуатации.
2. Возможно изготовление приборов с любой входной и выходной мощностью и напряжением до 2 кВт.
3. Индуктивный понижающий трансформатор способен работать долгие годы.

Недостатки обмоточных трансформаторов:

1. Цена на медь постоянно растёт и соответственно повышается цена оборудования в целом.
2. Понижающие трансформаторы индуктивного типа тяжелы и напряжение на вторичной обмотке напрямую зависит от напряжения на первичной обмотке.

Главная задача трансформатора Т1 – это понижение входного напряжения до определённого уровня.

После трансформатора установлен выпрямитель. Его задача – преобразовать  переменный электрический ток в пульсирующий постоянный. В данной схеме, в соответствии с заданием, был использован диодный мост в качестве выпрямителя. Он выполнен по мостовой схеме Гретца на диодах. На вход диодного моста подаётся переменное напряжение. В каждый из полупериодов ток проходит только через 2 диода. В итоге, на выходе диодного моста получается пульсирующее напряжение с частотой, вдвое большей частоты питающего напряжения.

Напряжение на выходе любого выпрямителя всегда пульсирующее и  содержит постоянную и переменную составляющие напряжения. Для сглаживания пульсаций  применяют сглаживающие фильтры - устройства, предназначенные для подавления пульсаций выпрямленного напряжения до уровня, при котором происходит нормальная работа потребителя. Сглаживающие фильтры бывают активные и пассивные. В данной схеме был использован  простейший ёмкостной фильтр. Он представляет собой конденсатор C1, включённый параллельно нагрузке.

Итак, как уже говорилось ранее, на выходе выпрямителя образуется пульсирующее напряжение. Изначально конденсатор C1 разряжен. При подаче на него напряжения, он начинает заряжаться. Достигнув максимального значения, амплитуда выходного напряжения выпрямителя начинает уменьшаться до нуля. Соответственно, заряженный до максимального значения конденсатор начинает разряжаться через нагрузку. При следующем нарастании амплитуды процесс повторяется. Естественно, что размах амплитуды пульсации или пилообразного напряжения, получаемого на выходе ёмкостного фильтра, напрямую зависит от ёмкости конденсатора C1 и от величины сопротивления нагрузки. Чем больше ёмкость, тем меньше пульсации, чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше пульсации.

Согласно функциональной схеме источника питания, после  фильтра следует линейный компенсационный  стабилизатор напряжения. Стабилизатором напряжения называют устройство, поддерживающее с определенной точностью неизменным напряжение на нагрузке. Другими словами, стабилизатор напряжения - это устройство, на выходе которого напряжение остается неизменным при воздействии дестабилизирующих  факторов. Он представляет собой устройство автоматического регулирования, которое  с заданной частотой поддерживает напряжение на нагрузке независимо от изменения  входного напряжения и тока нагрузки.

В соответствии с выбранной структурной  схемой составляем приблизительную  схему компенсационного стабилизатора  напряжения (см. рис. 5).

 

 

 

Расчет  трансформатора

1. Определение суммарной мощности  вторичной обмотки. Запас мощности  – 20%.

2. Определение габаритной мощности  трансформатора. Здесь η – КПД,  равный 0,95.

3. Определение сечения рабочего  керна сердечника.

Определение ширины рабочего керна.

Определение толщины пакета.

Выбор сердечника с несколько бóльшим значением ширины рабочего керна и толщины пакета.

Определение реального сечения  рабочего керна сердечника.

4. Определение количества витков, приходящихся на один вольт  напряжения.

 

5. Определение количества витков  первичной обмотки.

6. Определение количества витков  вторичной обмотки.

, так как 

7. Определение силы тока в  первичной обмотке.

8. Определение диаметров проводов  в обмотках (по меди).

Сводная таблица полученных результатов:

Обмотка	Число витков (W), вит	Диаметр по меди (dпо меди), мм	Диаметр по изоляции (dпо изол), мм
первичная	1584	0,296	0,35
вторичная	212	0,798	0,89

 

Проверка  правильности расчёта трансформатора.

Т. к. , трансформатор был рассчитан верно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет выпрямителя

Выпрямитель электрического тока –  преобразователь электрической  энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический  ток. По заданию, в качестве выпрямителя используется схема диодного моста (рис. 3) – электрическая схема, предназначенная для преобразования (“выпрямления”) переменного тока в пульсирующий постоянный. Обычно  схема дополняется ёмкостным фильтром.

Рис. 3Схема выпрямителя

1. Среднее напряжение нагрузки (для мостового выпрямителя)

 

 

2. Средний ток нагрузки

 

 

3. Обратное максимальное напряжение на диодах (для мостового выпрямителя)

 

 

4. Средний ток диода

 

 

5. Максимальный ток диода

 

 

6. Коэффициент пульсаций без фильтра

 

Выберем диоды  КД202А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет  емкостного фильтра

Сглаживающий фильтр – электрическая  цепь, позволяющая уменьшить пульсации  напряжения, получаемые на выходе выпрямителя. В качестве фильтра будем использовать П-образный емкостной фильтр. Рассчитаем значение емкости сглаживающего емкостного фильтра С1 (рис. 4).

Рис. 4. Ёмкостной фильтр.

В разработанной схеме  был использован ёмкостной фильтр, который представляет собой конденсатор  C1. Мы рассчитаем параметры этого конденсатора.

Для начала вычислим минимальное  амплитудное значение входного напряжения для фильтра (без учёта пульсаций):

 

Найдем среднее значение напряжения:

 

 

 

Найдем минимальный номинал  емкости для конденсатора C1:

 

Возьмем конденсатор  К50-37 2200 мкФ х 50В

Расчет стабилизатора

Рис. 5 Схема стабилизатора

Данная схема состоит  из регулирующего элемента, источника  опорного напряжения, измерительного элемента и схемы защиты компенсационного стабилизатора напряжения от перегрузки. Регулирующий элемент включает  транзистор VT2. Источник опорного напряжения – VD1. Схема сравнения -  VT2, VT3. Измерительный элемент – R4R5R6. Схема защиты компенсационного стабилизатора напряжения от перегрузки реализована на элементах VT4 и R4.

Учитывая нестабильность входного напряжения на входе стабилизатора 10%, находим среднее и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

Подберем стабилитрон VD1.

 должно быть примерно в два раза меньше . Поэтому примем .

Таким образом, выберем стабилитрон, удовлетворяющий  данному требованию: КС212 с напряжением стабилизации 12 В и током стабилизации 12 мА.

Определяем максимальное значение на транзисторе VT2: