Курсовая работа по электронике (новая)-1. Источники вторичного электропитания

Название	Источники вторичного электропитания
Дата	25.01.2019
Размер	0.8 Mb.
Формат файла
Имя файла	Курсовая работа по электронике (новая)-1.doc
Тип	Курсовой проект #65247

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ.
ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра: ЭСПП
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПО ЭЛЕКТРОНИКЕ

На тему: Источники вторичного электропитания

Выполнил: ст. гр. 4ЭлектроЭн

Фарфан С.С.
Проверил: Хаптаев А.П.

Улан-Удэ

2015 г.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3 1.Работа структурной схемы источника вторичного электропитания (ИВЭП)…………………………………………………………………………….5

2.Выбор и расчёт схемы ………………………………………………………….6

3.Выбор и расчет трансформатора……………………………………………….8

4.Порядок расчета элементов силовой части преобразователя……................12

5.Расчёт сетевого выпрямителя…………………………………………………14

6.Перечень элементов схемы…………………………………………………....16

7.Список использованной литературы…………………………………………17

Введение

ИВЭП составляют основу всех средств и систем электропитания РЭА. Это устройства, предназначенные для преобразования входной электроэнергии переменного или постоянного тока и обеспечения электропитанием отдельных цепей РЭА. Они могут состоять из блоков питания или комплекта функциональных узлов ( субблоков ).

Современные электронно-вычислительные машины, устройства автоматики и телемеханики в подавляющем большинстве случаев получают электрическую энергию от сети переменного тока. Однако аппаратуре нужен ток другого вида и качества. Этому и служат источники питания, которые преобразуют сетевой ток и напряжение. При этом они называются вторичными, а сеть переменного тока - первичным источником питания. В ИВЭП осуществляется преобразование входного напряжения в одно или несколько выходных напряжений как постоянного, так и переменного тока.

Состав и конфигурация функциональной схемы обусловлены техническим заданием. ИВЭП содержит наиболее популярные - компенсационные стабилизаторы. Они точны и обеспечивают хорошее подавление пульсаций.

По виду входной энергии ИВЭП можно разделить на источники с переменным и источники с постоянным входным напряжением; по выходной мощности - на микро мощные (до 1 Вт), маломощные (1-10 Вт), среднемощные (10-100 Вт), высоко мощные (100-1000 Вт) и сверхмощные (свыше 1000 Вт) источники. ИВЭП могут иметь разное количество выходных напряжений.

Задачей данного курсового проекта является проектирование источника вторичного электропитания (ИВЭП). В ходе выполнения должны быть приобретены навыки анализа электронных схем, их расчета, выбора необходимой элементной базы, разработки конструкции простых однослойных печатных плат.

Задание:
7 Вариант.

Таблица 1. Исходные данные.

Напряжение фазы питающей сети U_Ф, В	36
Частота тока питающей сети f_с, Гц	400
Число фаз сети, m	1
Пульсность сетевого выпрямителя р	2
Относительное изменение напряжения питающей сети: в строну увеличения, а_max уменьшения, а_min	0,1 0,1
Частота преобразования f_n, кГц	50
U_o, B	5
I_{o max}, A	8
I_{o min}, A	2
Нестабильность выходного напряжения при изменении питающей сети δ, %	2
Амплитуда пульсаций выходного напряжения U_вых_m, В	0,05

1. Работа структурной схемы источника вторичного электропитания (ИВЭП)

Рис.1. Структурная схема ИВЭП с бестрансформаторным входом
На рис. В1 – входной сетевой выпрямитель напряжения;

Ф1 – входной сглаживающий фильтр;

Пр – импульсный преобразователь напряжения (конвертор);

СУ – схема управления.
Конвертор ИВЭП с бестрансформаторным входом строится в основном на базе регулируемых транзисторных преобразователей. Транзисторы в преобразователе работают в режиме переключателя так, что большую часть периода преобразования они находятся в режиме отсечки или насыщения этим объясняется высокие энергетические показатели источников с импульсным регулированием. Повышение частоты преобразования позволяет уменьшить объем и массу электромагнитных элементов и конденсаторов, и тем самым улучшить удельные массо-объёмные показатели.

В стабилизирующих ИВЭП, как правило, применяют широтно-импульсный (ШИМ) способ регулирования, при котором период коммутации постоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения изменяется.

Схема управления содержит следящий делитель с коэффициентом передачи К_Д ≤1, усилитель сигнала ошибки К_У>>1 и широтно-импульсный модулятор К_ШИМ>>1. Произведение К_Д* К_У* К_ШИМ называют петлевым коэффициентом усиления, который определяет нестабильность выходного напряжения U₀.

2.Выбор и расчёт схемы

2.1. Определяем максимальную выходную мощность преобразователя:

Р₀=U₀*I₀_MAX

Р₀=5*8=40 Bт

2.2. Определяем номинальное входное напряжение минимальное, максимальное и значение входного напряжения преобразователя:
U_C=U_Ф=36 В,
U_ВХМАХ=

*U_С*(1+а_МАХ+к_А/2) ,

U_ВХМАХ=

*36*(1+0,1+0,05/2)=57,1 В ,
U_ВХМ_IN=

*U_С*(1-а_М_I_Х-к_А/2) ,

U_ВХМ_IN=

*36*(1-0,1-0,05/2)=40,6 B ,
U_ВХ=

*U_С*(1-к_А/2) ,

U_ВХ=

*36*(1-0.05/2)=49,4 B .
2.3. По найденным значениям Р₀и U_ВХ с помощью графика рис. 2 выбираем схему преобразователя:

Так как шкала логарифмическая, то считаем логарифмыР₀и U_ВХ:

Lg 40≈1,60

Lg 49,4≈1,69

Согласно графика рис.2 выбираем схему преобразователя рис.4.

Рис.2. График областей предпочтительного применения различных типов преобразователей.

Рис.4. Схема однотактного преобразователя с обратным включением выпрямительного диода.

2.4. Определяем U₁_m и U₂_m при этом задаёмся следующими значениями:

Напряжение коллектор-эммитер в режиме насыщения U_КЭНАС=2,5 B;

Максимальная длительность открытого состояния транзистора γ_МАХ=0,5;

Напряжение на диодах в открытом состоянии U_ПР_VD=0,7 B
Находим напряжение на активном сопротивлении первичной и вторичной обмоток трансформатора:

∆U₁=0,05*U_ВХ ;

∆U₁=0,05*49,4=2,47 B;
∆U₂=0,05*U₀ ;

∆U₂=0,05*5=0,25 B;
U₁_m= U_ВХМ_IN- U_КЭНАС-∆U₁ ;

U₁_m=40,6-2,5-2,47=35,63B ;
U₂_m=

;

U₂_m=

=5,95 В .

2.5. Определяем коэффициент трансформации:

n₂₁= U₂_m/ U₁_m ;

n₂₁=5,95/35,63=0,16 .

2.6. Определяем значение γ_М_IN:
γ_М_IN= U₀/( n₂₁* U_ВХМАХ+ U₀) ;

γ_М_IN=5/(0,16*57,1+5)=0,35 ;
Так как γ_М_IN=0,35>0,15 , устройство реализуемо.

2.7. Определяем критическую индуктивность:

L_W₁=L_W_1КР ;
L_W1_КР=U_ВХ* γ_МАХ²/(2*fn* n₂₁*I_0MIN) ;
L_W_1КР=49,4*0,5²/(2*50000*0,16*2)=0,000386 Гн .

2.8. Определяем значение γ:
γ= U₀/( n₂₁* U_ВХ+ U₀) ;

γ=5/(0,16*49,4+5)=0,38.
Таблица 2. Результаты расчётов.

γ	γ_М_IN	γ_МАХ	n₂₁	U₁_m, В	U₂_m, В	L_W₁, Гн
0,38	0,35	0,5	0,16	35,63	5,95	0,000386

3. Выбор и расчет трансформатора
3.1. Определение действующих значений I₁и I₂ :

I₁= n₂₁*I₀_MAX;

I₁=0,16*8*

=1,3 А ;
I₂= I₀_MAX;

I₂=

=6,4 А .
3.2. Определяем поперечное сечение стержня на поперечное сечение окна S_CT*S_OK:

Задаёмся значениями:

Коэффициент заполнения медью окна магнитопровода К_ОК=0,35

Приращение магнитной индукции ∆В=0,1 Тл;

Коэффициент полезного действия η=0,6

Определяем габаритную мощность трансформатора:
Р_Г= I₂* U₂_m* γ_МАХ(1+ η)/(2* η) ;

Р_Г=6,4*5,95*0,5*(1+0,6)/(2*0,6)=25,4 Вт;

Гц/Вт;

Выбираем плотность тока j=6*10⁶ А/м²

S_CT*S_OK =

;

S_CT*S_OK=

=0,016*10^-6 м⁴ = 1,6 см⁴

3.3. По значению S_CT*S_OK выбираем тип магнитопровода и уточняем его параметры:

Для данной схемы предпочтительней применять разрезной магнитопровод с броневым ферритовым сердечником.

Тип магнитопровода Ш10х10 ;

S_CT *S_OK=2,08 см⁴ ;

S_CT=1,0 см² ;

Размеры L=36мм, I₀=10 мм, I=26 мм, B=10мм, H=18 мм, h=13мм, L_CP=84мм;

Рис.4. Броневой ферритовый магнитопровод.

3.4. Определяем число витков W1 и W2:
W1= γ_МАХ* U₁_m/( S_CT*∆B*fn) ;

W1=0.5*35,63/(1,0*10^-4*0,1*50000)=36 витков ;
W2=W1* n₂₁ ;

W2=36*0,16 =6 витков.
3.5. Определяем поперечное сечение жил провода q₁ и q₂:

q₁=I₁/j ;

q₁=1,3/6*10⁶=0,22*10^-6 м² = 0,22мм²;

q₂=I₂/j ;

q₂=5,2/6*10⁶=0,86 *10^-6 м² = 0,86 мм² ;
По рассчитанным значениям выбираем тип провода ПЭТВ (провод эмалированный термостойкий с лаковой изоляцией).

Для сечения жил провода q₁выбираем провод ПЭТВ:
Диаметр по меди 0,49 мм;

Диаметр с изоляцией d1=0,55 мм;

Пороговое сопротивление Rп=0,0914 Ом*м.

Для сечения жил провода q₂выбираем провод ПЭЛШО:

Диаметр по меди 0,93 мм;

Диаметр с изоляцией d2=1,08 мм;

Пороговое сопротивление Rп=0,0253 Ом*м.

Пересчитываем q₁ и q₂ с учетом изоляции:

q₁=

;

q₁=

=0,24 мм² ;
q₂=

;

q₂=

=0,91 мм² ;
Рассчитываем S_OK:

S_OK= S_CT*S_OK/ S_CT;

S_OK=2,08/1,0=2,08 см² = 2,08*10² мм².
3.6. Проверяем условие размещения обмотки в окне магнитопровода:
(q₁*W1+ q₂*W2)/ S_OK≤K_OK ;

(0,24*36+0,91*6)/2,08*10²≤0,35 ;

0,07≤0,35.

Так как условие соблюдается, то обмотка разместится в окне магнитопровода.
3.7. Расчет суммарной величины немагнитного зазора Iз:
∆Iз=W1²*µo* S_CT/L_W1 ;

∆Iз=36²*4*3,14*10^-7*1,0*10^-4/0,000386=4*10^-4 м.

µo=4*π*10^-7 Гн/м.

4. Порядок расчета элементов силовой части преобразователя
4.1. Исходя из значения U_вых_m , определяем значение выходной емкости Сн:

Сн= γ_МАХ* I_0MAX/(2* U_вых_m*fn);

Сн=0,5*8/(2*0,05*50000)=0,0008 Ф =800 мкФ.

Согласно значения Сн выбираем конденсатор К50-29 U_НОМ=16 В, Сн=1000мкФ, U_f₅₀=20%. U_f₅₀= 0,2* U_НОМ;

U_f₅₀=0,2*16=3,2В
Определяем амплитуду переменной составляющей напряжения U_f :
U_f= U_f₅₀*K;

U_f=3,2*0,014=0,04 B

U_f< U_вых_m

0,04<0,05
где К=0,014 определяется из рис.5.

Рис.5. Зависимость коэффициента снижения амплитуды от частоты
4.2. Определяем максимальное значение тока коллектора I_KMAX транзистора VT1:

∆I_L=U₀(1- γ_М_IN)/(fn* n₂₁²*L_W₁);

∆I_L=5*(1-0,35)/(50000*0,16²*0,000386)=6,58 A;
I_K1MAX= n₂₁*(I_0MAX/(1- γ_МАХ)+∆I_L/2)/η ;

I_K₁_MAX =0,16*(8/(1-0,5)+6,58 /2)/0,6=5,14 А.
4.3. Определяем максимальное значение напряжения на закрытом транзисторе U_КЭМАХ:

U_КЭ1МАХ=U_ВХМАХ+U₀/ n₂₁;

U_КЭ1МАХ=57,1+5/0,16=88,35В.

По рассчитанным значениям I_K₁_MAX и U_КЭ1МАХ выбираем тип биполярных транзисторов:

Необходимо чтобы:

I_KMAX≥ I_K₁_MAX;

U_си≥ 1,2*U_КЭ1МАХ(1,2*88,35=106).
Выбираем биполярный транзистор 2Т866А:

Таблица 3. Биполярные транзисторы

Тип транзистора	Тип проводимости	I_K (I_KMAX) А	U_КЭ(U_КЭНАС) В	Р_КМАХ, Вт	h₂₁	t_i, мкС
2Т866А	n-p-n	20(20)	160(1,5)	30	15..100	0,1С

Задаёмся следующими значениями:

Напряжение база-эммитер U_БЭНАС=0,8 В

Коэффициент насыщения К_НАС=1,2

t_C_П=0,05/fn;

t_C_П=0,05/50000=1*10^-6c
t_ВЫКЛ=t_РАСП+t_C_П;

t_ВЫКЛ=1*10^-6+1*10^-6=2*10^-6 c .

t_ВКЛ=1*10^-6 c
4.4. Определяем значение мощности транзистора Рк:
Рк=I_0МАХ*n₂₁*U_КЭНАС* γ_МАХ+0,5*fn* U_КЭ1_MAX I_K₁_MAX (t_ВКЛ+ t_ВЫКЛ)+ γ_МАХ*K_НАС*U_БЭНАС*I_K₁_MAX/ h₂₁:

Рк=5,0*0,16*0,5*0,5+0,5*50000*88,35*5,14*(1+2)* 10^-6+0,5*1,2*0,8*5,14/20=24,1Вт.
Проверяем условие Р_КМАХ>1,2* Р_К

30>29

Условие соблюдается значит выбранный транзистор можно использовать в данной схеме преобразования.
4.5. Определяем параметры диода VD1:
I_VD₁_MAX=I₀_MAX/(1- γ_МАХ)+∆I_L/2;

I_VD1MAX=8/(1-0,5)+6,58 /2=19,3 A;
U_VD1MAX=U₀/ γ_М_IN;

U_VD₁_MAX=5/0,35 =14,3В.
По рассчитанным параметрам выбираем диод VD1:

Таблица 4. Параметры диода VD1:

Тип диода	U_{ОБР.МАХ}, В	I_{ПР.СР.МАХ}, А	I_ПР.УД., А	f_ПРЕД., кГц
2Д2998А	15	30	600	200

Находим мощность диода:
Р_VD₁=U_ПР_VD*I₀_MAX/(1- γ_М_IN)+fn* U_VD₁_MAX* I_VD₁_MAX*0,01/ f_ПРЕД;

Р_VD₁=0,7*8/(1-0,35)+50000*14,3*19,3*0,01/200000=9,3 Вт.

4.6. Определяем коэффициент передачи в контуре регулирования:
К_ОС=

;

К_ОС =

5. Расчёт сетевого выпрямителя
На основании своего варианта выбираем схему сетевого выпрямителя рис.6:

Рис.6. Схема выпрямления.
5.1. Находим ток потребляемый выпрямителем:
I_ВХ= n₂₁*I₀_MAX* γ_МАХ;

I_ВХ=0,16*8*0,5=0,64А.

5.2. Определяем параметры диодов выпрямителя и диодов:
I_ВСР= I_ВХ/2;

I_ВСР=0,64/2=0,32А;
U_ОБР=U_ВХМАХ;
f₀=p*fc;

f₀=2*400=800 Гц.
5.3. Выбираем диоды для выпрямителя и диоды исходя из условий:

I_ПР.СР ≥ I_ВХ ;

U_ОБРМАХ ≥ U_ОБР ;

U_VDmax=88,35В f_ПРЕД ≥f₀.

Таблица 5. Параметры диодов:

Тип диода	U_{ОБР.МАХ}, В	I_{ПР.СР.МАХ}, А	I_ПР.УД., А	f_ПРЕД., кГц
2Д237А	100(100)	1	3	300

Р_VD₂=U_ПР_VD*I₀_MAX*γ_М_ax+fn* U_VD₂_MAX* I_VD₂_MAX*0,01/ f_ПРЕД;

Р_VD₂=0,7*8,0*0,5+50000*100*1*0,01/300000=3 Вт.
5.4. Рассчитываем величину сопротивления R_ОГР.
R_ОГР = U_ВХМАХ / I_ПР.УД;

R_ОГР = 57,1/3=19 Ом.
Выбираем резистор R_ОГР C2-23-2,0-20 Ом±5% при условии :

R_ОГР<<

20<<36/0,64
20 Ом<<56,2 Ом

P=I²*Rогр=0,32²*19=2 Вт

5.5. Находим величину емкости Сф:
Принимаем абсолютный коэффициент пульсации к_а=0,05

коэффициент запаса по напряжению к_з=1,2
Udm=Uc*

;

Udm=36*

=50,76B;

Сф=

;
Сф=

Ф=219мкФ.

5.7. Определяем конденсатор:

При условии:

Сном>Сф;

220>219;

220>219;
Uном≥к_з*U_ВХМАХ;

100≥1,2*57,1;

100≥.68,52

Вывод: При расчете источника вторичного электропитания мы выполнили выбор схемы высокочастотных регулируемых транзисторных преобразователей, расчет элементов силовой части выбранной схемы преобразователя и элементов сетевого выпрямителя, выбрали реальные элементы схем и составили их перечень.

При выборе конденсатора следует учитывать диапазон рабочих температур, а так же тот факт, что конденсатор Сф будет разряжаться короткими импульсами тока с частотой fn, для достижения условия Сном>Сф необходимо подключить параллельно один конденсатор типа К50-35.

Таблица 6. Перечень основных элементов схемы:

№ п/п	Обозначение	Наименование	Количество
1	VD	Выпрямительные диоды 2Д237А	4 шт.
2	VD1	Диод 2Д2998А	1 шт.
3
4	С_н	Конденсатор К50-29 1000 мкФ U_НОМ=16 В	1 шт.
5	С_ф	Конденсатор К50-35 220 мкФ U_НОМ=100 В	1 шт.
6		Обмоточный провод ПЭТВ 0,55
7		Обмоточный провод ПЭЛШО 1,08
8	R_огр	Резистор С2-23-2,0-20 Ом ±5%	1 шт.
9	VT1	Транзистор 2Т866А	1 шт.
10	Т1	Ферритовый магнитопровод 2000НМ1 Ш10х10	1 шт.

Рис.7. Принципиальная схема ИВЭП с безтрансформаторным входом.

7. Список использованной литературы:

Березин О.К. , Костиков В.Г. Шахнов В.А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: «Три Л», 2000.-400с.
Электропитание устройств связи: Учебник для вузов / А.А. Бокуняев, В.М. Бушуев, А. С. Жерненко. Под ред. Ю.Д. Козляева. - М.: Радио и связь,1998.-328с.:ил.
Конденсаторы оксидноэлектрические К560-24…К50-53. Справочник.-Спб.: Издательство РНИИ «Электростандарт»,1996,208 с.:ил.
Прянишников В. А. Электроника: Курс лекций. – Спб.: Корона принт,1998. -400с.
Полупроводниковые приборы.Диоды выпрямительные, стабилитроны,тиристоры: Справочник/ А.Б. Гитцевич, А. А. Зайцев, В.В. Мокряков. Под ред. А. В. Гомомедова. – М.КубК-а,1996.-528с.
Электромагнитные элементы радиоэлектронной аппартуры: Справочник/ Ю.С. Русин, И.Я.Гликман, А.Н. Горский. – М.: Радио и связь,1991.-224с.
Перельман Б. Л. Полупроводниковые приборы. Справочник. «СОЛОН», «МИКРОТЕХ»,1996 г. -176с.:ил.