Проектирование импульсного блока питания

Министерство образования Республики Беларусь

Витебский государственный технологический университет

кафедра АТПП

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по предмету

“Электронные устройства автоматики”

Проектирование импульсного блока питания.

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент гр.

 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Витебск

2013

 

Содержание

 

1 Введение 2

2 Выбор структурной схемы 4

3 Расчет стабилизаторов 6

4 Расчет стабилизатора на операционном усилителе 8

5 Выбор и расчет выпрямителей 15

6 Расчет высокочастотного трансформатора 16

7 Расчет обратного преобразователя и генератора прямоугольных

импульсов 18

8 Расчет питания цифровой части  управления преобразователя 20

9 Расчет входной цепи 23

Заключение  25

Литература 26

 

 

 

Разработка   принципиальной   электрической   схемы   импульсного вторичного источника питания

 

Bариант 30

 

U01,В	U02, В	I01, А	I02, А
15	24	3	1

 

Uсети = 220 В; fсети= 50 Гц; ΔUсети = ±15%; ΔU01 =±1%;ΔU02 = ±2%; Umп1 < 5 мВ; Umп2 <10мВ.

Обратный преобразователь

 

1. На основании задания на  проектирование произвести выбор оптимальных схемных решений источника питания и всех узлов. В пояснительной записке привести обоснование выбора структурной, функциональной и принципиальной электрических схем проектируемого источника питания, а также описание принципа действия всех узлов и источника питания в целом.

2. По каждому выходу предусмотреть  защиту от перегрузки по току и защиту от превышения напряжения на нагрузке (на выходных зажимах источника) с возможностью регулировки величин тока и напряжения отключения. Стабилизатор напряжения второго канала проектируется на дискретных элементах.

3. Произвести расчет всех узлов  проектируемого источника питания.

4. Выполнить моделирование всех  узлов и проектируемого источника  питания в целом с помощью программ Micro-Cap или Multisim  from Electronics Workbench.

5. На основании анализа результатов  моделирования выполнить коррекцию  выбора принципиальных схем и  расчета всех узлов и проектируемого источника питания в целом.

6. Электрические функциональные  и принципиальные схемы выполнить строго по ГОСТ.

7. Привести таблицу «Перечень  элементов» и список использованной литературы (полное библиографическое описание).

8. Пояснительную записку выполнить  в соответствии с правилами  оформления технической документации.

9. Графическая часть работы (функциональная и принципиальная электрическая схемы проектируемого источника питания) выполняется на листах формата А3.

 

1 Введение

 

Электроника представляет собой бурно развивающуюся область науки и техники. Она изучает принципы устройства, работы и применения различных электронных приборов. Электронные приборы служат основными элементами радиотехнических устройств и определяют важнейшие показатели радиоаппаратуры. Электроника проникла во все отрасли современной науки, техники, промышленности. Электронные приборы используются в автоматике, телемеханике, проводной связи, кино, атомной и ракетной технике, астрономии, метеорологии, геофизике, медицине, биологии, физике, химии, металлургии, машиностроении, различных областях измерительной техники и т.д.

Прогресс электроники содействовал развитию кибернетики – науки, занимающейся вопросами управления и связи в машинах и живых организмах, а также созданию быстродействующих вычислительных машин. Без электронной аппаратуры невозможно исследование космоса с помощью спутников, ракет, космических кораблей и межпланетных станций.

Электронные устройства позволяют проводить разнообразные исследования и измерения, в частности такие, которые не имеют ничего общего с электроникой. Электронные усилители, генераторы, выпрямители, осциллографы, измерительные приборы и другие устройства стали мощным средством для научных исследований, автоматизации и контроля производственных процессов. Методы электроники значительно улучшили изучение свойств многочисленных веществ, существующих в природе, позволили глубже познать строение материи, приблизили нас к более правильному пониманию закономерностей материального мира.

В начале своего развития и в течение нескольких десятилетий электроника опиралась почти исключительно на электронные и ионные электровакуумные приборы. Однако в последнее время почти во всех областях современной электроники основными приборами стали полупроводниковые. Техника полупроводниковых приборов стала большой и очень важной областью электроники.

По сравнению с электронными лампами полупроводниковые приборы имеют существенные достоинства. Среди них:

• малая масса и малые размеры;
• отсутствие затрат энергии на накал;
• более высокая надежность и срок службы;
• большая механическая прочность;
• более высокий КПД, так как потери в самих приборах невелики;
• возможность работы при низких питающих напряжениях;
• возможность использования в микроэлектронной аппаратуре;
• более низкая стоимость.

Использование полупроводниковых приборов дает огромную экономию в расходовании электрической энергии источников питания и позволяет во много раз уменьшить размеры и массу аппаратуры. В полупроводниковых интегральных микросхемах на пластинке кремния размером в несколько квадратных миллиметров размещаются сотни и тысячи транзисторов. На основе микронных технологий и подобных микросхем построены электронные вычислительные машины, содержащие несколько сот миллионов элементов.

Бурное развитие электронных устройств автоматики поставило перед разработчиками проблему миниатюризации источников питания данных устройств. До сих пор источники питания занимали больше всего места и имели массу, превосходящую сами схемы, для питания которых они предназначались. Использование современных электронных средств импульсной техники и цифровой электроники позволяют создавать источники питания электронных схем, имеющие  несравненно меньшие массогабаритные параметры, чем свои предшественники, обладая при этом не худшими, и даже несколько превосходящими электрическими характеристиками.

Целью данной курсовой работы является проектирование и расчет схемы импульсного источника питания, обладающего заданными характеристиками и имеющего структуру, позволяющую снизить массогабаритные параметры такого же источника, но построенного по стандартной схеме проектирования источников питания.

 

2 Выбор структурной и функциональной схемы.

Известно, что с ростом частоты преобразования масса и габариты трансформатора уменьшаются. Этот факт можно использовать для снижения этих параметров. Структурная схема, использующая высокочастотный трансформатор, представлена на рисунок 1.

 

Рисунок 1

 

Данная схема имеет два канала нагрузки, т.е. разработана в соответствии с заданием данной курсовой работы. Работает она следующим образом: сетевое напряжение 220 В, 50 Гц выпрямляется и подается на вход инвертора, который преобразует его в переменное напряжение высокой частоты. Это напряжение подается на высокочастотный трансформатор (ВЧ - трансформатор), где преобразуется на два канала нагрузки в соответствии с требованиями для каждого канала. После этого работа схемы не отличается от работы стандартной схемы источника питания – напряжение выпрямляется, сглаживающие фильтры устраняют пульсации выпрямленного напряжения, стабилизатор обеспечивает заданный уровень отклонения напряжения от номинального (стабилизирует напряжение), схема защиты устраняет превышения напряжения на входе стабилизатора и короткое замыкание на нагрузке.

Среди недостатков данной структурной схемы можно отметить наличие относительно сложной системы управления инвертором. Этот недостаток устраняется введением цифровой схемы управления силовыми транзисторами инвертора.

Функциональная схема управления.

 

Рисунок 2

 

Функциональная схема проектируется в соответствии со структурной схемой. Элементы сетевого фильтра C и TV предотвращают попадание высокочастотных помех из питающей сети в схему импульсного блока питания. Постоянное напряжение формируется однофазным мостовым выпрямителем. Оно запитывает схему управления обратного преобразователя и его силовой транзистор. Высокочастотные импульсы от схемы управления поочередно поступают на вход транзистора, формируя переменное напряжение на высокочастотном трансформаторе, напряжение на вторичных обмотках которого соответствует необходимым значениям согласно заданию. Повышенные рабочие частоты даёт преимущество в габаритных размерах трансформатора и экономию дорогостоящих цветных металлов. В связи с применением индуктивных связей при передаче электрической энергии, прямоугольные импульсы, вырабатываемые схемой управления, в конечном итоге, поступая на входы выпрямителей стабилизаторов, являются близкими к синусоидальному сигналу, что позволяет применять стандартные схемы стабилизаторов. Схема защиты от перенапряжения одного из каналов завязана на схему управления. Ее срабатывание дискретно прерывает работу генератора прямоугольных импульсов.

 

3 Расчет стабилизаторов.

 

Для канала 15 В, 3 А применим микросхему стабилизатора STR54041, c параметрами:

Выходное напряжение 15 В; максимальный ток нагрузки 4 А; нестабильность по напряжению 0.02%

Рисунок 3

 

Выходное напряжение 15В. Делитель R1, R2 выбирается из условия:

Примем R1 = 400 Ом, тогда

R2 =

,

где для STR54041  Iпот = 20 mA.

U ВХ min = UВЫХ max + UКЭ нас,

где UКЭ нас – минимальное напряжение на регулирующем элементе, для STR54041 UКЭ нас = 2,5 В.

U ВЫХ max= UВЫХ + δUВЫХ = 15 + 15 · 0,02 =15,3 В.

U ВХ min = 15,3  + 2,5 = 17,8 В.

U ВХ ном =

,

где α – относительное отклонение напряжения сети, в нашем случае αmin = αmax = 0,15, т.е. 15 %.

U ВХ ном =

= 21 В.

U ВХ max = UВХ ном(1 + αmax) = 21(1+0.15) = 24 В.

Максимальная мощность рассеивания на микросхеме

Pmax = UКЭ max · Imax;

Imax = IВЫХ.

UКЭ max = UВХ max – UВЫХ max = 24-15.3 = 8,7 В.

Pmax =

=26,1 Вт.

Предельно допустимая рассеиваемая мощность STR54041 30 Вт.

R2 =

= 156.5 Ом

Принимаем стандартное значение 150 Ом.

C2   = 4,7 мкФ – исходя из  рекомендаций C2 ≥ 2,2 мкФ.

С1 = 1 мкФ.

Цепи защиты от короткого замыкания по выходу используются практически во всех схемах для предотвращения разрушения дорогостоящих мощных выходных транзисторов. В нашем вторичном блоке питания два выходных канала, таким образом, схем защиты тоже должно быть две. Однако, учтем, что в микросхеме выходного стабилизатора STR54041 уже предусмотрена защита от превышения напряжения на входе и от короткого замыкания на нагрузке. Следовательно, для этого канала не проектируем цепи защиты.

 

4 Расчет стабилизатора на операционном усилителе

 

 

Рисунок 4

 

Проведем расчет для стабилизатора, изображенного на рисунке 4. Зададимся входным напряжением 40В (значение берем более 24· ).

Выбираем регулирующий транзистор VT1 с большим значением коэффициента передачи по току и большими значениями напряжений между коллектором–эмиттером и базой–эмиттером, например 2N4669, имеющий параметры: максимальный ток коллектора Ikmax=2.5А, максимальное напряжение коллектор-эмиттер Uкэmax=60В, максимальная мощность рассеяния на коллекторе транзистора Ркmax=25Вт, коэффициент усиления по току h21э=50..110, граничная частота коэффициента передачи тока fг=2MГц.

Выбираем операционный усилитель LM434, имеющий параметры: напряжение источника питания UИП=±10..±15В, коэффициент усиления 104дб (160000), входное сопротивление Rвх=4МОм, потребляемая мощность 54мВт, входной ток Iвх<300нА, предельные значения выходных напряжения и тока ОУ: UвыхmaxОУ=10В, IвыхmaxОУ=35мА.

Определим требуемый коэффициент стабилизации:

Зададим точку покоя регулировочного транзистора VT1.При токе в нагрузке 1А и выходном напряжение 24В среднее значение напряжения перехода коллектор-эмиттер должно составлять 40-24=16В. Тогда мощность рассеивания на коллекторе транзистора около 16Вт. На выходной характеристике строим нагрузочную прямую и отмечаем точку покоя для среднего входного напряжения.

Рисунок 5

 

Соответственно на входной характеристике

Рисунок 6

 

Ток базы покоя регулировочного транзистора при среднем коэффициенте усиления по току:

UвыхОУ = Uбэ + Uнmax < UвыхmaxОУ ;

Uбэ = 1.5 В

UвыхОУ = 1.5+24.24=25.74 В

IвыхОУ  = Iбmax VT1=

<  IвыхmaxОУ ;