Вторичный источник электропитания с защитой от перегрузок

Министерство образования и науки Республики Казахстан

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. Серикбаева

Кафедра «Приборостроение и автоматизация технологических процессов»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе

Тема: «Вторичный источник электропитания с защитой от перегрузок»

                                                               Руководитель
                                                               ст.преподаватель кафедры
                                                               __________Н.В.Аринова
                                                               “___”__декабря_2005 г.

                                                               Нормоконтролер

                                                               ст.преподаватель кафедры
                                                               __________Л.А.Проходова
                                                               “___”___декабря_2005 г.

                                                               Студент Булейко Д.В.

                                                               Специальность 3401

                                                               Группа 03-ПС-1

Усть-Каменогорск

 2005

ЗАДАНИЕ

        Рассчитать вторичный источник электропитания с защитой от перегрузок. По следующим исходным данным:

- номинальное значение выходного напряжение  Uн = 10В;

- ток нагрузки  Iн = 3А;

- ток срабатывания схемы защиты от перегрузок   Iн max  = 5А;

- напряжение питания Uп = 18В;

- температура окружающей среды  tокр ср +30 оС;

- нестабильность выходного напряжения при изменении питания и  температуры окружающей среды  dUн = 2%;

- питания в процессе работы изменяется на  dUn = ±10%. 

Содержание

Введение. 4

1. Литературный обзор. 5

1.1 Источники питания. 5

1.2 Основные элементы источников питания. 6

1.3 Стабилизаторы напряжения. 7

Параметрический стабилизатор. 8

Компенсационный стабилизатор. 8

2. Выбор и обоснование структурной схемы.. 10

3. Расчет принципиальной электрической схемы.. 14

3.1 Расчет регулирующего элемента. 14

3.3 Расчет источника опорного напяжения. 16

3.4 Расчет усилительного    элемента. 16

3.4 Расчёт измерительного элемента. 17

3.5 выходное сопротивление и Проверочные расчёты. 17

Заключение. 19

Список литературы.. 20

Приложение. 21

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.

На начальном этапе развития радиоэлектроники в качестве источников питания преимущественно использовались гальванические батареи, основными недостатками которых (особенно при постоянных напряжениях в сотни вольт), являются громоздкость и малый срок службы. Поэтому вскоре были разработаны более совершенные устройства, в которых осуществляется преобразование  переменного напряжения в постоянное. Удобство таких источников питания связано с тем, что в них применяют низкочастотные переменное напряжение так называемой промышленной частоты. Однако развитие транзисторной электроники, особенно маломощных переносных устройств, для питания которых нужны низковольтные маломощные источники, снова вызвало интерес к гальваническим батареям. Сейчас используют оба типа источников питания: в переносной аппаратуре – малогабаритные гальванические батареи и аккумуляторы, а в стационарной аппаратуре – источники питания, в которых происходит преобразование переменного напряжения  промышленной частоты в постоянное.

Т.к. по заданию нам необходимо преобразовать постоянное входное напряжение в постоянное напряжение с большей стабильностью, я использовал компенсационный стабилизатор. Он является одним из ключевых элементов вторичных источников питания и позволяет получить на выходе стабилизированное напряжение с меньшим коэффициентом пульсации.  Это может быть полезно для питания и стабильной работы  низковольтной аппаратуры (в первую очередь транзисторной), различных устройств электроники.

1. Литературный обзор

1.1 Источники питания.

В настоящее время источниками питания называют устройства, предназначенные для снабжения электронной аппаратуры электрической энергией и представляющие собой комплекс приборов и аппаратов, которые вырабатывают электрическую энергию и преобразуют её к виду, необходимому для нормальной работы каждого узла электронной аппаратуры.

Рисунок 1

В общем случае структурная схема источника питания имеем вид, представленный на Рисунке 1. Электрическая энергия, вырабатываемая первичными источниками, не всегда может быть непосредственно использована для питания электронной аппаратуры, поэтому следующим элементом является источник вторичного электропитания – устройство, в котором происходит преобразование одного вида электрической энергии в другую. Если источник первичного питания создаёт переменное напряжение, основными узлами источников вторичного питания является: выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизаторы первичного и выходного напряжения. Т.к. по заданию источник первичного питания создаёт постоянное напряжение, то основными узлами схемы будут стабилизатор выходного напряжения и схема защиты от перегрузок.

 Основными параметрами источника питания являются номинальное значение выходного напряжения и выходное сопротивление. Номинальным значением постоянного напряжения Uном источника питания называют условное, указываемое в технической документации значение постоянного напряжения, относительно которого устанавливают и определяют его отклонения. Выходное сопротивление принимают равным внутреннему сопротивлению эквивалентной схемы источника питания.

Следующим важным параметром является максимальная мощность, отдаваемая источником питания:

Pmax=Uном*Imax.

На выходе источников вторичного питания никогда не бывает идеального постоянного напряжения. Кроме постоянной такое напряжение всегда содержит и переменную составляющую. Последнюю называют напряжение пульсации, а параметром, характеризующим отклонение выходного напряжения от постоянного, служит коэффициент пульсации. Используют два определения  этого коэффициента.

Коэффициентом напряжения по амплитудному значению называют отношение амплитуды напряжения пульсации к номинальному значению постоянной составляющей напряжения:

KпА=ΔU/Uo=Umax-Umin/Umax+Umin,

который используют, когда имеется возможность визуально наблюдать форму выходного напряжения источника питания.

Коэффициентом пульсации по действующему значению называют отношение действующего значения напряжения пульсации к номинальному значению постоянной составляющей напряжения:

Кп=Uп/Uo.

Наконец, в связи с тем что источники питания принадлежат к мощным (силовым) устройствам, ещё одним важным их параметром является коэффициент полезного действия.

Кроме основных электрических параметров каждый источник питания характеризуется рядом конструкторско-экономических показателей, к которым, в первую очередь, относятся габариты, масса и стоимость.

1.2 Основные элементы источников питания

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.

        Стабилизатором напряжения называется устройство, поддерживающие автоматически и с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пределах.

        Не смотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении (сглаживающих фильтров) нагрузки выпрямителя может изменяться. Это объясняется  тем, что сглаживание пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки.

        Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный.

        Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходного напряжения.

        В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величины входного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующее воздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.

1.3 Стабилизаторы напряжения

Стабилизатором напряжения называют устройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения нагрузочного устройства с заданной степенью точности.

Напряжение нагрузочного устройства может сильно изменяться не только при изменениях нагрузочного тока IH, но и за счет воздействия ряда дестабилизирующих факторов. Одним из них является изменение напряжение промышленных сетей переменного тока. В соответствии с  ГОСТ 5237 – 69 это напряжение может отличаться от номинального значения в пределах то +5 до –15%. Другими дестабилизирующими факторами являются изменение температуры окружающей среды, колебание частоты тока и т.д. Применение стабилизаторов диктуется тем, что современная электронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильности питающего напряжения 0,1 – 3%, а для отдельных функциональных узлов электронных устройств нестабильность должна быть и меньше.

 Стабилизаторы классифицируют по ряду признаков:

по роду стабилизируемой величины – стабилизаторы напряжения и тока;

по способу стабилизации – параметрические и компенсационные стабилизаторы.

В настоящее время широкое применение получили компенсационные стабилизаторы, которые подразделяют на стабилизаторы непрерывного и импульсного регулирования. При параметрическом способе стабилизации используют некоторые приборы с нелинейной вольтамперной характеристикой, имеющий пологий участок, где напряжение мало зависит от дестабилизирующих факторов. К таким приборам относят стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания и др. при компенсационном способе стабилизации постоянство напряжения обеспечивается за счет автоматического регулирования выходного напряжения источника питания. Это достигается за счет введения отрицательной обратной связи между выходом и регулирующим элементом, которое изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины.

Основным параметром, характеризующим качество работы всех стабилизаторов, является коэффициент стабилизации. Как отмечалось определяющими дестабилизирующими факторами, из-за которых изменяются выходные величины стабилизатора, являются входное напряжение стабилизатора UВХ и нагрузочный ток IН.

Для стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации равен

KстU=(ΔUВХ/UВХ)/(ΔUВЫХ/UВЫХ),

где ΔUВХ и ΔUВЫХ – приращение входного и выходного напряжений, а UВХ и UВЫХ – номинальные значения входного и выходного напряжений.

Параметрический стабилизатор

С помощью параметрического стабилизатора, в котором применяется полупроводниковый стабилитрон Д, можно получать стабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт при токах от единиц миллиампер до единиц ампер. Если необходимо стабилизировать напряжение менее 3 В, то вместо стабилитронов используют стабисторы.

Стабилитрон в параметрическом стабилизаторе включают параллельно нагрузочному резистору RH. Последовательно со стабилитроном для создания требуемого режима работы включают балластный резистор RВ.

Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопротивление резистора RВ должно быть таким, чтобы его вольт - амперная характеристика пересекла  вольт – амперную характеристику стабилитрона в точке, соответствующей номинальному току стабилитрона и IСТ.НОМ, значение которого указано в паспортных данных стабилитрона.

Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне может достигать 30 – 50.

Компенсационный стабилизатор

Компенсационные стабилизаторы напряжения обладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с параметрическими. Их принцип работы основан на том, что изменения напряжения на нагрузке передается на специально вводимый в схему регулирующий элемент, препятствующий изменению напряжения UН.

Регулирующий элемент может быть включен либо параллельно нагрузке, либо последовательно с ней. В зависимости от этого различают два типа компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельные и последовательные

Воздействие на регулирующий элемент в обоих типах стабилизаторов осуществляется управляющей схемой, в которую входят усилитель постоянного тока У  и источник опорного напряжения ИОН. С помощью ИОН производят сравнения напряжения на нагрузке с опорным напряжением. Функция усилителя сводится к усилению разности сравниваемых напряжений и подаче усиленного сигнала непосредственно на регулирующий элемент.

В параллельном компенсационном стабилизация напряжения на нагрузке достигается, как и в параметрическом стабилизаторе, изменением напряжения на балластном резисторе RВ путем изменения тока регулирующего элемента. Если принять входное напряжение стабилизатора неизменным, то постоянству напряжения на нагрузке будет соответствовать постоянство напряжения на балластном резисторе.

В последовательном стабилизаторе регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой. Стабилизация напряжения нагрузки осуществляется путем напряжения на регулирующем элементе. Ток регулирующего элемента здесь равен току нагрузки.

В соответствии с рассмотренным принцип действия компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения основан на изменении сопротивления регулирующего элемента. Наличие регулирующего элемента обуславливается неизбежной потерей в стабилизаторе.

Также существую компенсационные стабилизаторы напряжения с импульсным регулированием. Принцип действия такого стабилизатора  заключается в преобразовании регулирующим элементом постоянного напряжения питании UП в последовательность периодических импульсов прямоугольной формы .

Основными преимуществами, которыми обладают компенсационные стабилизаторы напряжения с импульсным  регулированием, являются: высокий КПД,  меньшая масса и габариты по сравнению с другими компенсационными стабилизаторами.

Недостатками являются относительная сложность схемы, повышенный уровень пульсаций выходного напряжения, невысокие динамические характеристики.

2. Выбор и обоснование структурной схемы

По заданию надо разработать стабилизатор напряжения, который обеспечивает достаточно большой ток (5 А) при напряжении (18 В).

Поэтому в качестве стабилизатора нежелательно использовать параметрический стабилизатор напряжения, который малоэффективен при высоком токе нагрузки IН, а также нежелательно использовать и импульсный стабилизатор, который не обеспечивает должного уровня сглаживания пульсаций на выходе.

Страницы: 1, 2