Курсовая работа: Стабілізоване джерело живлення

Название: Стабілізоване джерело живлення
Раздел: Рефераты по физике
Тип: курсовая работа

Зміст

1. Вступ

2. Огляд існуючих елементів

3. Розрахунок компенсаційного стабілізатора послідовного типу

4. Синтез структурної схеми

5. Розрахунок однофазного випрямляча малої потужності

6. Висновок

Список використаної літератури

Додатки

1. Вступ

Джерело живлення - елемент електричного кола, в якому зосереджена електрорушійна сила. Джерела живлення характеризуються значенням електрорушійної сили і внутрішнього опору. До джерел живлення належать гальванічні елементи, електрохімічні батареї, акумулятори, термопари, сонячні батареї, електричні генератори, тощо. В залежності від електрорушійної сили джерела живлення поділяють на джерела живлення постійного струму і джерела живлення змінного струму. Розрізняють первинні джерела живлення, які безпосередньо перетворюють інші види енергії в електричну і вторинні джерела живлення, які виконують роль проміжних перетворювачів електричної енергії, такі як блоки живлення електронних приладів, трансформатори, тощо.

Блок живлення - пристрій, призначений для формування напруги, що необхідна системі, з напруги електричної мережі. У побуті найчастіше блок живлення перетворює напругу 220 В частотою 50 Гц (в Україні та багатьох інших країнах саме таку напругу та частоту має побутова електромережа) в заданий постійний струм.

Стабілізоване джерело живлення - це елемент електричного кола який стабілізує електричну енергію.

На наш час електроніка дуже швидко розвивається. В своєму розвитку вона має два напрями:

1 Інформаційний - до нього належать електронні засоби та системи вимірювання, контролю і керування різними технологічними процесами на виробництві, науці, медицині… Основними видами є індикаторні пристрої, лічильники, логічні схеми, генератори напруг тощо.

2 Силовий (енергетичний) напрям пов'язаний із перетвореннями змінного і постійного струмів для потреб електроенергетики, металургії, хімії… Основними видами є випрямлячі, інвертори, керовані перетворювачі.

Електронні системи за способом формування і передавання сигналів керування поділяють на два класи - аналогові та дискретні, які, у свою чергу поділяють на імпульсні, релейні та цифрові.

Аналогові електронні пристрої і системи призначені для приймання, перетворення та передавання електричного сигналу, що змінюється за законом безперервної функції. В електронній системі аналогового типу кожному певному значенню реальної фізичної величини на вході давача відповідає однозначне, цілком визначене значення обраного електричного параметра постійного або змінного струму.

Дискретні електронні пристрої призначені для приймання, перетворення та передавання електронних сигналів, отриманих у наслідок квантування за часом або (та) за рівнем заданої аналогової функції.

2. Огляд існуючих елементів

На даний час стабілізовані джерела живлення використовуються майже повсюди. Наприклад в холодильниках використовуються стабілізатори електричної енергії які стабілізують перепади у мережі електричного живлення. Також стабілізованим джерелом живлення є простий зарядний прилад для мобільного телефону. Так як напруга у мережі 220В буде дуже велика для батареї в мобільному, то зарядний пристрій стабілізує напругу до 10-20В.

Також необхідно пам’ятати, що стабілізоване джерело живлення сам по собі є споживачем електроенергії і джерелом шуму, тому при проектуванні електромережі будівлі слід враховувати споживання енергії таким стабілізатором і передбачити захист від акустичної дії працюючого приладу на користувачів.

Житлові будинки забезпечуються електроенергією по третій категорії надійності, що означає можливість перерви в централізованому електропостачанні до діб.

Основне призначення блоку живлення - формування напруги живлення, яка необхідна для функціонування всіх блоків ПК. Основна напруга живлення компонентів це: +12В, +5В, +3,3В. Існує також додаткова напруга: - 12В та - 5В. Ще блок живлення здійснює гальванічну розв'язку між мережею 220В та компонентами комп'ютера. Це необхідно для усунення струмів витоків, наприклад щоб корпус ПК не бився струмом, а також перешкоджає виникненню паразитних струмів при сполученні пристроїв.

Для здійснення гальванічної розв'язки достатньо виготовити трансформатор з необхідними обмотками. Але для живлення комп'ютера потрібна чимала потужність, особливо для сучасних ПК. Для живлення комп'ютера довелося б виготовляти трансформатор, що мав би не тільки великий розмір, але і був би досить важким. Однак зі збільшенням частоти струму трансформатора для створення того ж магнітного потоку необхідно менше витків і менше перетин магніто проводу. У блоках живленнях, побудованих на основі перетворювача, частота живлячої напруги трансформатора в 1000 і більше раз вище. Це дозволяє створювати компактні та легкі блоки живлення.

Розглянемо блок-схему простого імпульсного блоку живлення, що лежить в основі всіх імпульсних блоків живлення.

Блок схема імпульсного блоку живлення.

Перший блок здійснює перетворення змінної напруги мережі в постійну. Такий перетворювач складається з діодного мосту, що випрямляє змінну напругу, і конденсатора, що згладжує пульсації випрямленої напруги. У цьому боці також знаходяться додаткові елементи: фільтри сіткової напруги від пульсацій генератора імпульсів і термістори для згладжування стрибка струму в момент включення. Однак цих елементів може не бути з метою заощадження на собівартості.

Наступний блок - генератор імпульсів, який генерує з певною частотою імпульси, що живлять первинну обмотку трансформатора. Частота генерації імпульсів різних блоків живлення різна та знаходиться в межах 30 - 200 кГц. Трансформатор здійснює головні функції блоку живлення: гальванічну розв'язку з мережею і зниження напруги до необхідних значень.

Змінну напругу, отриману від трансформатора, наступний блок перетворює у постійну напругу. Блок складається з діодів, що випрямляють напругу, та фільтра пульсацій. У цьому блоці фільтр пульсацій набагато складніше, ніж у першому блоці та складається з групи конденсаторів і дроселя. З метою заощадження виробники можуть встановлювати конденсатори малої ємності, а також дроселі з малою індуктивністю.

Перший імпульсний блок живлення являв собою двотактний або однотактний перетворювач. Двотактний означає, що процес генерації складається з двох частин. У такому перетворювачі по черзі відкриваються та закриваються два транзистори.

Відповідно в однотактному перетворювачі один транзистор відкривається і закривається. Схеми двотактного та однотактного перетворювачів представлені нижче.

3. Розрахунок компенсаційного стабілізатора послідовного типу

3.1.1 Знаходимо напругу на вході стабілізатора. Спочатку знаходимо мінімальну напругу яка б забезпечила максимальну напругу на виході стабілізатора при максимальному струмі через регулюючий транзистор.

+ +

де - мінімальна напруга на ділянці колектор - емітер регулюючого транзистора;

- амплітуда пульсації вхідної напруги;

Напруга = 4 (В)

3.1.2 Напругу розраховуємо по формулі:

= 0.08 · ( + )

= 0.08 (20 + 4) = 1.92

3.1.3 Якщо колекторним навантаженням підсилювача являється струмостабілізуючий двополюсник ТД, то вибрав приблизно тип діодів V1,V2 і їх кількість, можна визначити напругу для регулюючого транзистора із виразу:

= n · + 3 В

Де n - кількість діодів V1,V2, включених послідовно; - максимальне пряме падіння напруги на одному діоді; Тип V1,V2: Д2Б

= 2 · 0.5 + 3 = 4 (В)

= 0.08 · (20 + 4) = 2 (В)

= 20 +4 + 4 =26 (В)

3.1.4 Номінальну і максимальну напругу на вході стабілізатора визначаємо з виразу:

= / (1 - ) = 26/ (1 - 0.15) = 30.6 (В)

= · (1 + ) = 30.6 (1 + 0.1) = 34 (В)

3.2 Далі знаходимо напругу на вході стабілізатора примінімальномуструмі:

= + ( - ) ·

Де - величина внутрішнього опору випрямляча

= / = 0.09 · 30.6/0.15 = 18.4 (Ом)

= 34 + (0.15 - 0.15) · 20 = 34 (В)

3.2.1 Визначаємо максимальну напругу на ділянці колектор - емітер регулюючого транзистора:

= - = 34 - 10 = 24 (В)

3.2.2 Величина максимальної потужності, яка розсіюється на транзисторі дорівнює:

= - )

3.3 Де - максимальний струм колектора регулюючого транзистора, який дорівнює:

= +

= 25 (мА)

= 0.15 + 0.025 = 0.175 (А)

= (34 - 10) · 0.175 = 4.2 (Вт)

3.4 По обчисленим , , значенням із довідника вибираємо тип регулюючого транзистора: П702

= 60 (В),

= 2 (А),

Р = 40 (Вт),

= 25, = 10 (мА),

f= 1 (МГц)

3.4.1 Визначаємо параметри регулюючого транзистора. Для цього задаємось зміною струму бази регулюючого транзистора при зміні струму навантаження від 0 до . Приймаємо 100 (мкА).

3.4.2 Тому мінімальне значення коефіцієнта передачі струму регулюючого транзистора для схеми з загальним емітером може бути знайдене із виразу:

/ = 0.15/1000 · = 1500

3.4.3 Кількість транзисторів, які входять в состав:

= (7)

1500 = , де n 3

3.4.4 Аналогічним шляхом вибираємо транзистори V5 i V6:

= / = 0.15/25 = 0.006

3.4.5 Тип V5 вибираємо: КТ604А

= 250 (В),

= 200 (мА),

Р = 0.8 (Вт),

= 10, = 0.2 (мА)

= / ( · )

= 0.15/ (25 · 10) = 0.0006 (мА)

3.4.6 Тип V6 вибираємо: МП104

= 60 (В),

= 10 (мА),

Р = 0.15 (Вт),

=9, =0.4 (мА)

3.5 Величини опорів R3 та R4 визначаємо:

R4 = / , де = = 10 (мА)

R4 = 10 / 0.01 = 100 (Ом)

R3 = / , де = = 0.2 (мА)

R4 = 10 / 0.0002 = 50000 (Ом)

3.5.1 Для вибору стабілітрона, який використовується в якості опорної напруги, знаходимо величину необхідної опорної напруги по формулі:

= 0.63 · = 0.63 · 10 = 6.3 (В)

3.6 Вибираємо тип кремнієвого стабілітрона: КС602А

= 6.2 (В),

= 150 (Ом),

= 3 (мА),

= 22 (мА),

= - 6 · (мВ / )

3.6.1 Вибираємо тип підсилювального транзистора. Для цього задаємося максимальним струмом колектора транзистора:

= 3 (мА)

3.6.2 Визначаємо максимальну напругу на ділянці колектор - емітер підсилювального транзистора:

= - , = 20 - 6.3 = 13.7 (В)

3.6.3 Знаходимо максимальну потужність яка розсіюється на колекторі транзистора:

= ·

= 13.7 · 0.003 = 0.041 (Вт)

По величинам , , вибираємо тип підсилювального транзистора V7: МП104

= 60 (В),

= 10 (мА),

Р = 0.15 (Вт),

= 9, = 0.4 (мА)

3.6.4 Опір резистора R1 в колі діодів ТД розраховується по формулі:

R1 = ( - n · ) / (8)

де - максимальна пряма напруга на одному діоді; n - кількість діодів; - мінімальне значення прямого струму діода

R1 = (10 - 2 · 0.5) / 0.005 = 1800 (Ом)

3.6.5 Максимальний струм, який проходить через R1:

= - n· ) / R1 (8)

= (34 - 2 · 0.5) / 1800= 0.018 (А)

3.6.6 Максимальна потужність, яка розсіюється на резисторі R1:

= · R1 (9)

= · 1800 = 0.6 (Вт)

3.6.7 Вибираємо тип транзистора: С2-23-0.25

Опір резистора R2 знаходимо по формулі:

R2 = (n· · - 0,3) / ( + ) (10)

де - струм бази регулюючого складового транзистора

= 0.4 (мА)

R2 = (2 · 0.5 - 0.3) / (0.003 + 0.0004) = 206 (Ом)

3.6.8 Транзистор V3 в схемі ТД вибираємо виходячи з співвідношення:

= + , = 0.003 +0.0004 = 0.0034 (мА)

= ·

= 25.3 · 0.0034 = 0.09 В

= - n · , = 26.3 - 2 ·0.5 = 25.3 (В)

Тип транзистора: МП 104

= 60 (В),

= 10 (мА),

Р = 0.15 (Вт),

= 9, = 0.4 (мА)

3.6.9 Максимальна потужність на резисторі R2:

= · R2

= · 206 = 2.4 (мВт)

3.7 Вибираємо тип резистора: С2-23-0.125

3.7.1 Опір резистора R5 в колі стабілітрона V8 знаходимо:

R5 = ( - ) / (11)

R5= (10 - 6.2) / 0.003 = 1266 (Ом)

3.7.2 Знаходимо максимальний струм через стабілітрон V8:

= ( - ) / R5 (12)

= (20 - 6.2) / 1266 = 0.011 (мА)

3.7.3 Максимальна потужність, яка розсіюється на резисторі R5:

= · R5 (13)

= · 1266 = 0.15 (Вт)

3.8 Вибираємо тип резистора: С2-23-0.25

3.8.1 Для розрахунку опорів резисторів дільника R6, R7,R8 задаємося струмом дільника: = 0.008 (А)

3.8.2 Знаходимо загальний опір вихідного дільника:

= R6 + R7 + R8 = /

= 20 / 0.008 =2500

3.8.3 Обчислюємо мінімальний і максимальний коефіцієнт передачі дільника:

= / (14)

= (6.2 - 0.4) / 20 = 0.29

= / (15)

= (6.2 + 0.4) / 10 = 0.66

3.8.4 Опіррезистора R8:

R8 = · (16)

R8= 0.29 ·2500 = 725 (Ом)

3.8.5 Знаходимо опір резистора R7:

R7 =R8 · (1 - ) /

R7 = 725 · (1 - 0.66) / 0.29 = 850 (Ом)

3.8.6 Знаходимо опір резистора R6:

R6 = RД - R7 - R8 (17)

R8 = 2500 - 850 - 725 = 925 (Ом)

3.8.7 Знаходимо потужності, які розсіюються на резисторах R6.R7,R8:

= · R6 (18)

= ·925= 0.06 (Вт)

3.8.8 Тип резистора: ПТМН - 0.5

= · R7 (19), = ·850= 0.05 (Вт)

3.8.9 Тип резистора: С2-23-0.25

= ·R8 (20)

= ·725= 0.05 (Вт)

3.9 Тип резистора: С2-23-0.125

3.9.1 Ємність конденсатора С1 на виході стабілізатора визначаємо по формулі:

С1 = 0.23 · / · 2 (21)

де коефіцієнт передачі струму найбільш потужного транзистору, який входить в состав ний транзистор (V5); - вихідний опір стабілізатора; гранична частота коефіцієнта передачі струму найбільш потужного регулюючого транзистора в схемі з загальною базою.

С1 = 0.23 · 25/0.5 · 2 · · 1 · = 1.8 (мкФ)

3.10 Необхідно, щоб робоча напруга на конденсаторі відповідала виразу:

= 1.4 · (22)

= 1.4 · 20 = 28 (В)

3.11 Номінальний і мінімальний КПД стабілізатора знаходимо з виразів:

𝜂 = / · 100 = · 100 = · 100 = 65

= / · 100 = · 100 = 100 = 29

3.11.1Знаходиморозрахункове значення амплітуди пульсації вихідної напруги:

= / ( · ) (23)

= 400 / (200 · 30.6) = 0.06

3.11.2 Необхідно, щоб виконувався вираз:

(24)

0.06 0.08

Вираз виконується, отже розрахована схема стабілізатора задовольняє вказаним і початкових даних вимогам.

4. Синтез структурної схеми

Структурная схема такого блока живленняпоказана на рисунку.1. Через ввімкненийна вході фільтр Z1 сітьовоїнапругипоступаєна випрямлячUZ1 іUZ2. Фільтр Z1 виключаєпопаданнявисокочастотних перешкодв сеть переменного тока. Выпрямитель UZ1 преобразует сетевое напряжение в високое (близько310 В) постійнанапруга, якапоступае даліна транзисторний фільтр Z2, зменшуєтьсяпульсаціямивипрямленноїнапруги. Довиходу цього фільтра підключеновисокочастотний преобразователь напругиU1. Частоту преобразования и форму колебаний задаєгенератор прямокутних импульсів G1, що живитьсявідвыпрямлячаUZ2 через сглажуванийфільтр Z3 істабилизатор напругиU2. С метоюзменьшеннягабаритів імасипристроїв частота преобразования вибрана дужевисоко (100 кГц).

С вихода преобразователя через понижующий трансформатор прямокутноїнапругипоступаєдовиходноговипрямлячаUZ3, сглаживающийфільтр Z4 и даліна навантаження.

Основнітехничніхарактеристики блока живленнянаступні: напругаживлення - 200...240 В, вихіднанапруга - ±25,20 и 10 В при струмінавантаження соответственно 3, 1 і3 А; КПД - 0,75.

Розробка структурної схеми.

В результатіпроведенного аналитичного обзора следует зупинитиувагуна схемуджерела дивленняс компенсаційним стабилизатором напруги.

Структурна схема разрабатуємого блока живлення

Розглянемо основніблоки структурноїсхеми.

Осколькинапругана навантаженнізначно меньше сітьовоїнапруги, то для йогопониженнянеобхіднийтрансформатор.

Випрямлячпреобразуєзміннунапругувторичнїобмотки трансформатора U₂ в випрямленнупульсируючунапругуU_d .

Випрямленнупульсируючунапругунепригодно для того, щобїїнепосредственно подаватина віхід стабілізатора. Для зменшення пульсації випрямленоїнапругиприменен сглаживающий фильтр.

Конечный узел источника питания - компенсационный стабилизатор напряжения.

На выходе стабилизатора получается плавно регулируемое стабилизированное напряжение требуемой величины.

5. Розрахунок однофазного випрямляча малої потужності

Вихідні дані для розрахунку випрямляча:

Визначимо орієнтовні значення параметрів вентилів та габаритну потужність трансформатора.

Для цього необхідно задати значення допоміжних коефіцієнтів B,D і F. Для мостової схеми їх вибирають в інтервалах B=0,95…1,1; D=2,1…2,2; F=6,8…7,2

Нехай B=1; D=2,15; F=7,0

Тоді амплітуда зворотної напруги на вентилі становитиме:

Середнє та амплітудне значення струму через вентиль відповідно:

Габаритну потужність трансформатора визначимо:

За визначеним значенням габаритної потужності з таблиці 11.7.2 [2 ст.324] знаходимо максимальне значення індукції для сталі марки Э360, забезпечуючи виконання умови ВА:

для

Вибираємо тип вентилів за таблицею 11.7.3 [2ст.325]. При цьому необхідно забезпечити виконання умов:

В якості вентилів вибираємо кремнієві діоди типу КД105Г, що мають наступні параметри:

Знаходимо опір діода у провідному стані:

Знайдемо величину активного опору обмоток трансформатора:

де - коефіцієнт, що залежить від схеми випрямляча; для мостової схеми =3,5;

- амплітуда магнітної індукції в магніто проводі трансформатора, Тл;

S - число стержнів трансформатора, що на них розміщено обмотки: для броньового трансформатора з Ш - подібними пластинами магніто проводу S=1.

Знаходимо індуктивність розсіювання обмоток трансформатора:

де - коефіцієнт, що залежить від схеми випрямлення: для мостової схеми

Визначаємо кут , що характеризує співвідношення між індуктивним і активним опорами випрямляча:

деr - активний опір випрямляча.

У загальному випадку

де - кількість послідовно увімкнених і одночасно працюючих вентилів, для мостової схеми

Знаходимо величину основного розрахункового коефіцієнта:

деm - число фаз випрямляча (для мостової схеми m=2).

За знайденими значеннями і кута за графіками, наведеними на рис.11.7.2 - 11.7.5 [2 ст.328-329], знаходимо величини допоміжних коефіцієнтів .

Знаючи величини коефіцієнтів B,D,F і H, можна знайти уточнені параметри трансформатора і вентиля, за якими перевіримо правильність їх вибору.

Діюче значення напруги вторинної обмотки трансформатора становить:

Діюче значення струму вторинної обмотки трансформатора:

Повна потужність вторинної обмотки трансформатора:

Діюче значення струму первинної обмотки трансформатора:

де - коефіцієнт трансформації трансформатора ()

Повна потужність первинної обмотки трансформатора:

Уточнимо повну (габаритну) потужність трансформатора:

Уточнимо значення параметрів діода:

Отже тип діода вибрано правильно.

Знаходимо величину ємності конденсатора фільтра:

вибираємо конденсатор типу KD-50мкФ-500В з ємністю 35мкФ на напругу.

Будуємо зовнішню (навантажувальну) характеристику випрямляча .

За допомогою цієї характеристики можна визначити відхилення випрямленої напруги від заданого значення при різних величинах струму навантаження , у тому числі напругу холостого ходу , струму короткого замикання та величину внутрішнього опору випрямляча .

Для розрахунку зовнішньої характеристики будемо задавати значення від 0 до номінального значення та знаходити відповідні їм значення допоміжного коефіцієнта

За графіком на рисунку 11.7.6 [2ст332] знаходимо відповідні значення величини θ (4-5 значень) залежно від та , де θ - кут відтинання.

Тоді відповідні їм значення вихідної напруги випрямляча можна розрахувати за формулою:

θ=θ

Результати розрахунку занесли до таблиці 1

	для	cosθ
0	0	1,35	261.3
0,05	0,004	1,3	253.5
0,1	0,008	1,25	243.75
0,12	0,01	1,2	241.8

Знаходимо значення напруги холостого ходу випрямляча:

Величина струму короткого замикання стаовить:

Величина внутрішнього опору випрямляча складає:

Знайдемо величину к.к.д. випрямляча:

де - втрати потужності у трансформаторі з к.к.д.

- втрати потужності у одночасно працюючих діодах:

Втрати потужності у трансформаторі:

Втрати потужності у діодах:

, Тоді

6. Висновок

З цієї курсової роботи ми дізналися про стабілізоване джерело живлення.

Стабілізоване джерело живлення - це елемент електричного кола який стабілізує електричну енергію.

Список використаної літератури

1. В.І. Бойко "Основи технічної електроніки"

2. А.М. Гуржій "Електричні і радіотехнічні вимірювання"

3. Б.П. Хромой "Електрорадіовимірювання"

Додатки

Додаток А

Для живлення сучасних електронних пристроїв малої потужності найчастіше застосовують однофазні випрямлячі змінного струму, зазвичай двопівперіодні.

Величину пульсації вихідної напруги знижують до необхідної величини за допомогою ємнісних фільтрів. Це обумовлює ємнісний характер навантаження випрямляча.

У якості вентилів найчастіше застосовують напівпровідникові, головним чином кремнієві, випрямні діоди.

Схемав мостового випрямляча з ємнісним фільтром наведена на рисунку 1.

Рисунок 1 - Однофазний мостовий випрямляч з ємнісним фільтром

Такий випрямляч забезпечує двопівперіодне випрямлення і має малі габарити, масу і відповідно, вартість трансформатора.

Додаток Б

У компенсаційних стабілізаторах виконуються порівняння фактичної величини вихідної напруги з її заданою величиною, і в залежності від величини і знаку неузгодження між ними автоматично здійснюється коректуючий вплив на елементи стабілізатора. Який направлений на зменшення цього неузгодження.

Схема стабілізатора постійної напруги компенсаційного типу. В якості регулюючог8о елемента - складовий транзистор (Vp), який складається з трьох транзисторів V4, V5, V6. Живлення транзистора V7, який виконує функції елемента порівняння і підсилювача постійного струму, виконується через стабілізатор струму (струмостабілізуючого двополюсника) на схемі ТД. Такий спосіб живлення дозволяє істотно збільшити стабільність роботи підсилювача постійного струму. Джерелом опорної напруги слугує стабілітрон V8. Вихідний дільник напруги R6, R7, R8… Для підвищення стійкості схеми (запобігання самозбудження) ввімкнен вихідний конденсатор C1/.