Исходные данные для расчетов

Введение

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) - электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания в электрическую энергию с иными параметрами: частотой, уровнем и стабильностью, которые согласованы с требованиями, предъявляемыми к этим ИВЭП конкретными электронными устройствами (ЭУ) и системами.

В качестве первичных источников электропитания для ЭУ и систем обычно используют либо промышленную сеть переменного тока, либо автономные источники переменного (генераторы) или постоянного (аккумуляторы, химические батареи и т.д.) тока.

Известно, что возможности непосредственного использования этих источников для питания различных ЭУ и систем весьма ограничены. Причина этого в том, что современные ЭУ выполняются с использованием интегральных схем, требующих для своего питания постоянного напряжения низкого уровня (± 5...± 15 В). При этом отклонения этого напряжения от заданного значения не должны превышать ±(5...10)%. В ряде случаев, например при питании прецизионных аналоговых устройств или аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, стабильность напряжения питания должна быть существенно выше (0.1...0.01)%.

Реальные параметры применяемых на практике первичных источников, как правило, этим требованиям не отвечают. Это обусловлено:

· несовпадением частот напряжения промышленной сети и потребителя, ибо промышленная сеть формирует переменное напряжение с частотой 50 Гц, в то время как ЭУ в основном использует для питания напряжение постоянного тока, т.е. напряжение с частотой, равной нулю;

· несовпадением уровней напряжения, так как, например, действующее значение напряжения промышленной сети равно 220 или 380 В, напряжение стандартной аккумуляторной батареи 12 В (или 6 В, или 9 В), что не соответствует диапазону напряжения питания, необходимому для надежного функционирования интегральных схем (ИС);

· нестабильностью напряжения, ибо промышленная сеть допускает статические (долговременные) отклонения напряжения в диапазоне +15%...-20%, а напряжение 12 В аккумуляторной батареи может изменятся от 7.5 до 15В, что также не соответствует требованиям, предъявляемым к напряжению питания для устройств, выполненных на основе ИС;

Дополнительно следует отметить, что, в общем случае, колебания напряжения питания должны рассматриваться в качестве внешнего возмущения, воздействующего на работу ЭУ и системы в целом. Так, например, изменение этого напряжения сильно влияет на технические характеристики усилительных устройств. В усилителях постоянного тока (УПТ) следствием изменения напряжения питания является дрейф нуля выходного напряжения, а в усилителях переменного тока значение напряжения питания определяет уровень вносимых искажений. Во всех случаях от напряжения питания зависит суммарная мощность, рассеиваемая в ЭУ, а следовательно, его масса и объем. Помимо этого максимальное значение напряжения питания ограничено предельно допустимыми параметрами используемой элементной базы.

Все это обуславливает необходимость применения специального ЭУ, согласующего частоты, уровни и стабильности напряжения, необходимых для питания отдельных узлов электронных схем (ЭС). Роль этого ЭУ и выполняют ИВЭП, преобразующие электрическую энергию, т.е. выполняющие вторичное преобразование электрической энергии.

Цель и постановка задачи

2.1. Целью проектирования вторичных источников электропитания является:

· получение необходимой технической, конструкторской и технологической документации для создания изделия, которое удовлетворяет определенным требованиям.

· Совершенство спроектированного источника определяется по помощи показателей эффективность, стоимость, надежность, удельная мощность (отношение исходной мощности к объему или массе), коэффициент полезного действия.

· К исходным параметрам источников питания относят: исходная мощность , исходное напряжение , уровень исходных пульсаций , параметры переходного процесса при резких изменениях нагрузки, стабильность исходного напряжения, или абсолютное значение допустимых отклонений. Обязательно следует учитывать параметры внешней среды, при которых будет происходить эксплуатация устройства. Кроме того должны выполняться требования по обеспечению исходных параметров при изменении в определенных границах напряжения питание, частоты, входного напряжения, уровня пульсаций и прочее.

· Совокупность показателей эффективности внешних и исходных параметров составляет техническое задание на проектирование вторичного источника питания.

· Разработка проекта устройства осуществляется в несколько этапов. На первом этапе нужно разработать трудоспособный вариант устройства, которое удовлетворяет всем требованиям технического задания, физическим и конструктивно-технологическим ограничением. Иногда этот вариант устройства называют начальным допустимым техническим решением. После этого необходимо определить совокупность независимых параметров устройства, которые способные обеспечить экстремальное значение целевой функции при учете всех ограничений.

· Улучшение конструкции начального допустимого технического решения выполняется итерационными методами и чаще всего с помощью целенаправленного перебора трудоспособных вариантов.

· Среди большого разнообразия вторичных источников электропитания в дальнейшем рассмотрим лишь стабилизированные источники питания двух типов: компенсационные стабилизаторы напряжения беспрерывного действия и импульсные стабилизаторы напряжения.

Исходные данные для расчетов

Рассчитать вторичный источник питания по следующим параметрам:

Uн=15 В; Iн=1,4 А;

Кст=200;Кп=0,9 %; Примечание: Рег. 30%

Коэффициенты нестабильности сетевого напряжения a_мин. и а_макс. следует взять в размере 0,1, т.е. 10%. Значения b_мин. и b_макс, необходимые для расчетов, следует вычислить по формуле:

K_СТ. = (a_МИН. + a_МАКС. ) ⁄ (b_МИН. + b_МАКС. )

Сокращения: ОУ - операционный усилитель, ИС - интегральный стабилизатор, Рег. 10% - регулировка выходного напряжения в указанных пределах.

Выбор и описание электрической схемы:

Схема компенсационного стабилизатора напряжения (приложение 1).

Он содержит мощный регулирующий элемент на составном транзисторе VT2,VT3, усилитель сигнала ошибки на транзисторе VT1, источник опорного напряжения в виде параметрического стабилизатора VD1,R3 и регулируемый делитель выходного напряжения R4,R5. Резисторы R1 и R2 обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, а конденсаторы С1,С2 фильтруют переменные составляющие выходного напряжения с частотой пульсаций. Опорное напряжение стабилитрона VD1 определяет минимальный уровень выходного напряжения. Для эффективной работы стабилизатора на коллекторе транзистора VT1 устанавливается напряжение среднее между опорным и выходным. Коэффициент стабилизации зависит от усилительных свойств транзистора VT1 и сопротивления резистора R1. Максимальный ток в нагрузке ограничен мощностью, рассеиваемой регулирующим транзистором VT3. При больших токах нагрузки коэффициент стабилизации уменьшается за счет падения напряжения на составном транзисторе VT2,VT3, в этом случае необходимо иметь запас K_СТ. не менее 20-30%.