Проектирование импульсного блока питания

Выбранный объект управления удовлетворяет необходимым условиям по напряжению и по току.

Опорное напряжение формируем с помощью стабилитрона 1N1985A, для которого: номинальное напряжение стабилизации 8.2В, ток стабилизации 90 мА.

Uоп = Uст < Uнmin ;

Uоп =8.2 В

определим сопротивление балластного резистора R1. Из условия Iст ном  >> IвхОУ

R1 = = =335Ом.

Принимаем резистор C2-0.125-330Ом±10%.

Определим сопротивление резистора R4 из выражения  Uвх=Iб∙R4+Uбэ+Uн, откуда R4=982Ом. Принимаем стандартное значение 1кОм

Обеспечить требуемые выходные параметры ОУ можно введением обратной связи. Рассчитаем цепь обратной связи: R2–R3 при  коэффициенте усиления 10.

;

Выражая ß, получим:

Так же . Чтобы резисторы не оказывали большого влияния на работу схемы, возьмем их значения наибольшими. Пусть R3=47кОм, тогда  R2= =470кОм. Рассчитаем сопротивления делителя. Задаваясь током делителя 1 мА, и формируя напряжение обратной связи близкой к 3.3В, но менее его, получаем следующие стандартные номиналы: R5=8.2кОм; R6=3.3кОм.

Рассчитаем элементы схемы защиты от короткого замыкания. Транзистор VT2 при токе нагрузки в пределах 1А находится в режиме отсечки. При достижение тока нагрузки 1.5А  VT2 переходит в режим насыщения и закорачивает базу VT1, закрывая его. Напряжение, приложенное к переходу коллектор- эммитер VT2 за вычетом падения напряжения на R4 (24– 1.5=22.5В) и напряжения на диоде в прямом направление составит 22В. Следовательно коллекторный ток в открытом состояние Iк нас должен составлять около 10мА. В соответствие с полученными данными в качестве VT2 выбираем транзистор BKF2034 c параметрами: максимальный ток коллектора Ikmax=100мА, коэффициент усиления по току h21э=30..90, максимальное напряжение коллектор-эмиттер Uкэmax=20В,  максимальная мощность рассеяния на коллекторе транзистора Ркmax=25мВт.

Возьмем в качестве датчика тока резистор R7 сопротивлением 2.3Ом. Тогда при номинальном токе в нагрузке не более 1А, падение напряжения на нем не превысит 2.3В. Согласно выбранному режиму работы (рисунок 7) находим из входной характеристики (рисунок 8) диапазон изменения напряжения смещения.

Рисунок 7

 

Рисунок 8

 

Для режима отсечки Uбэ<560мВ и насыщения Uбэ>620мВ. Соответственное изменение тока базы обеспечивает резистор R8.

R8= (UR7– Uбэ)/ Iб= (2.3–0.57)/0.1·10-3=1730Ом

Принимаем стандартное значение C2-0.125-1.8кОм±10%.

Диод VD4 выбираем марки MT4644, который служит для улучшения связи между каскадом защиты и управляющим транзистором.

Рассчитаем номиналы элементов схемы защиты от перенапряжения. Выбираем стабилитрон 1N4742: напряжение стабилизации 25 В, ток стабилизации 21мА.

Конденсатор С1 предотвращает ложное срабатывание схемы защиты при включение ИБП и его емкость подбирается соответственно для пропускания импульсов малой длительности. Примем значение С1=3.3 нФ.

Принцип действия защиты: в случае достижения напряжения на нагрузке примерно 25В происходит открытие VD5 и начинает протекать ток. Усилитель работает в режиме компаратора и формирует на выходе напряжение соответствующее логической 1, которая поступает на вход третьего элемента ИЛИ-НЕ задающего генератора, отключая его. Сопротивление R9 выбираем равным 1.2кОм, а R10=100 Ом, для обеспечения  напряжения на входе второго операционного усилителя 1В. Выбираем операционный усилитель LM1141, имеющий параметры: напряжение источника питания UИП=±10..±15В, коэффициент усиления 102дб. Резистор R11 принимаем равным 1кОм.

Схема моделирования:

Рисунок 9

Рисунок 10

 

5 Выбор и расчет выпрямителей.

 

Основными параметрами выпрямителей являются: средние значения выпрямленного тока и напряжения; коэффициент полезного действия и коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды напряжения первой гармоники и значению выпрямленного напряжения. Рассмотрим основные схемы однофазных выпрямителей.

Однополупериодные выпрямители. Простейшим однополупериодным выпрямителем является диод, включенный последовательно с вторичной обмоткой трансформатора. Достоинством такого выпрямителя является исключительная простота, а недостатком – большие амплитуды пульсаций. Поэтому такие выпрямители используются редко и только в высокоомных нагрузках. В остальных случаях применяются двухполупериодные выпрямители.

КПД однофазной мостовой схемы выпрямления хуже, чем у двухполупериодной схемы, однако требования к трансформатору тут снижены, а также меньше внешнее поле рассеяния. Однако в двухполупериодной схеме немного снижена амплитуда пульсаций.

Исходя из вышеизложенного целесообразно использовать мостовую схему выпрямления, однако заданием определено использование обратного преобразователя, работающего на однополупериодный выпрямитель, поэтому для первого и второго каналов нагрузки используем однополупериодную схему выпрямления.

Рассчитаем выпрямитель для канала 24 В., 1 А. Принимаем однополупериодную схему выпрямления.

IСР = 1· Imax = 1 А.

Максимальный ток вентиля.

Imax vd = π· Imax = 3,14·1 =3,14 А.

Максимальное обратное напряжение

UОБР max = 3,14 · Uвхmax = = 125.6 В.

Выбираем диод 2Д280A:

UОБР max =200 В, Imax vd=10 A, Rпр = 0.2 Ом, Uпр max=1B

Рассчитаем выпрямитель для канала 15 В., 3 А. Принимаем однополупериодную схему выпрямления.

IСР = 1 · Imax = 3 А.

Максимальный ток вентиля.

Imax vd = π· Imax = = 4,71А.

Максимальное обратное напряжение

UОБР max = 3,14 · Uвхmax = = 75,4 В.

Выбираем диоды 2Д280A:

UОБР max =200 В, Imax vd=10 A, Rпр = 0.2 Ом, Uпр max=1B

 

6 Расчет высокочастотного трансформатора

 

Мощность нагрузки

Вт

Используемая мощность

Вт

Возьмем магнитопровод марки 2000 НМ4 с параметрами: S0=3.5 см2, D=25мм, d=18 мм, b=10мм, Вmax=0.2 Тл

Площадь сердечника:

мм2

Габаритная мощность трансформатора

Примем значение f=150 кГц

Вт

Ргаб>Рн

Определим напряжение на первичной обмотке:

Uкэ нас– напряжение насыщения перехода коллектор- эммитер управляющего транзистора, условно примем его значение равное 1В.

 Uпит– выпрямленное входное напряжение, при 220В переменного входного напряжения оно составит 210В.

 

Рисунок 12

 

Найдем число витков первичной обмотки W1 трансформатора:

Принимаем W1=50 витков.

Обмотка W2 обеспечивает возврат энергии, накопившейся в трансформаторе при открытом регулирующем транзисторе, обратно в сеть. Поэтому число витков W2=W1=50.

Определяем максимальный ток первичной обмотки:

Напряжение на первой и второй вторичной обмотки были определены в предыдущих разделах, поэтому номинальная мощность составит:

Pн = U01д ·I01+ U02д ·I02 =21·3+40·1=103 Вт

А

где 0.8– кпд трансформатора.

Диаметр провода первичной обмотки W1 и W2:

d1=0.6·

=0.6·0.783=0.47 мм

принимаем d1=0.5 мм

Число витков вторичных обмоток:

принимаем W3=5, W4=10 витков.

Диаметр провода первой вторичной обмотки:

мм

Диаметр провода второй вторичной обмотки:

мм

Принимаем d23=1.2 мм, d24=0.8 мм

 

7 Расчет обратного преобразователя и генератора прямоугольных импульсов

 

Главным достоинством обратного преобразователя является его простота конструкции. Его расчет заключается в выборе управляющего транзистора VT1 и подборе R1, C1 для обеспечения частоты задающего генератора 150кГц.

Рисунок 13

 

Рассчитаем время задающую цепочку R1-C1.

Зададимся сопротивлением R1=1кОм, тогда при частоте 150кГц емкость конденсатора:

Ф

Принимаем стандартное значение 1000пФ.

Задающий генератор выполняем на микросхемах К531ЛЕ1П  с напряжением питания 5В и потребляемым током 25мА.

Силовой транзистор преобразователя должен удовлетворять условию:

где γ– коэффициент заполнения

Данный тип генераторов не является симметричным. Для него время импульса в среднем превышает время паузы в 3 раза, поэтому γ=0.75, откуда

мА

Максимальное напряжение перехода коллектор– эммитер для однотактного преобразователя составляет удвоенное напряжение питания, т.е. 420В. Таким образом выбираем в качестве управляющего транзистора 2N6780 с параметрами: максимальное напряжение перехода коллектор– эммитер Uкэmax=800В, максимальный ток коллектора Ikmax=3А, граничная частота fг=28МГц, коэффициент усиления по току долее h21э>10, максимальная мощность рассеяния на коллекторе транзистора Ркmax=45Вт.

Обратное напряжение диода VD1 не превышает напряжения питания, кроме того, он должен работать на частоте 150кГц. Поэтому выбираем диод MT4543, с параметрами: максимальное обратное напряжение 500В, максимальный прямой ток 8А, рабочая частота 150кГц.

Рисунок 14

Рисунок 15

 

8. Расчет питания цифровой  части схемы управления преобразователя.

Рисунок 16

Для питания генератора и схемы формирования управляющих импульсов используем параметрический стабилизатор.

Напряжение питания микросхем 5В, потребляемый ток 25мА, тогда нагрузка:

Ом

Определим напряжение, которое необходимо погасить на конденсаторе С1.

Примем Uvd =2В

Определяем сопротивление конденсатора С1

Определяем емкость С1

мкФ

Выбираем конденсатор  15мкФ

Принимаем  время разряда конденсатора С1 τ=1мс

Следовательно, сопротивление R1 равно

Ом

Выбираем резистор 1кОм. Выбираем схему двухполупериодного мостового выпрямителя.

 Выбираем тип диодов MTS230 с параметрами: Iпр ср=0.5мА; Uобрmax=80В.

Примем коэффициент пульсации емкостного фильтра К=0.1

мкФ

Принимаем С2=150мкФ.

Емкость конденсатора С3 примем равной 0.01мкФ, для обеспечения фильтрации высокочастотных помех. Выбираем стабилитрон 1N5918 с параметрами Uст ном=5.1B, Uстmin=4.8В, Uстmax=5.4В Iст ном=73.5мA.

Рисунок 17

 

Рисунок 18

 

9 Расчет входной цепи

Выберем мостовую схему выпрямления.

Определим параметры диодов входящих в мост:

В

Как было определено ранее в расчете высокочастотного трансформатора, максимальный прямой ток через диоды составляет мА.

Выбираем диоды MTS586 с параметрами: Uобр max=600B; Iпр max=1.5А

Принимаем коэффициент пульсации на выходе емкостного фильтра К=0.01:

Ом

мкФ

Выбираем конденсатор емкостью 1000мкФ.

Сетевое напряжение проходит через помехоподавляющий фильтр, ослабляющий проникновение в сеть помех и образованный дросселями L1, L2, конденсаторами С1, С2. Дроссели L1 и L2 намотаны на общем магнитопроводе типоразмера К20x10x5 из феррита 2000НМ и содержат по 35 витков провода ПЭВ-1 0,4 каждый.

Рисунок 19

 

Конденсаторы С1 и С2 выбираются емкостью 0.068мкФ, т.е. предохраняют от высокочастотных помех.

Принимаем коэффициент пульсации на выходе ёмкостного фильтра K=0,01.

Выбираем конденсатор на выходе входного выпрямителя 800мкФ×50В.

 

 

 

 

 

Заключение

 

В данной курсовой работе мы рассчитали вторичный импульсный источник питания с заданными характеристиками. Нами была выбрана  схема обратного преобразователя, схемы стабилизаторов с применением аналоговых интегральных микросхем для одного канала, схема защиты по превышению напряжения на стабилизаторе и короткому замыканию на нагрузке.

 

Литература

 

1. Источники электропитания радиоэлектрольной  аппаратуры. Справочник. Под. Ред. Найвельта  Г.С. М., Радио и связь. 1985г.

2 Л.Н.Бочаров и др. Расчёт электронных  устройств на транзисторах. М., Энергия 1978г.

3 Г.П. Вересов Электропитание бытовой  радиоэлектронной аппаратуры. М.: Радио  и связь 1983.

4. В.И.Галкин и др. Полупроводниковые  приборы. Справочник. Мн., Беларусь.1987г.