4.1. Выпрямитель.
Существует несколько вариантов схем выпрямления, мы рассмотрим три наиболее распространенные и выберем ту, которая больше подойдет для нашего ТЗ.
Рассмотрим однополупериодную схему, ее плюсы и минусы:
«+» − ее простота, имеет минимальное число элементов, невысокая стоимость, возможность работы без трансформатора, надежность;
«−» − имеет низкую частоту пульсации, высокое значение коэффициента пульсации Кп =1,57, плохое использование трансформатора, подмагничивание сердечника постоянным током, низкий КПД.
Двухполупериодная однотактная схема:
«−» − усложненная конструкция трансформатора, высокое обратное напряжение;
«+» − повышенная частота пульсации Кп=0,67, минимальное число диодов.
Рассмотрим однофазную мостовую схему с ее «плюсами» и «минусами»:
«−» − необходимость в четырех диодах, повышенное падение напряжения в диодном комплексе;
«+» − повышенная частота пульсации Кп=0,67, низкая величина обратного напряжения, хорошее использование трансформатора.
Остановимся на мостовой схеме выпрямителя, так как она обладает наилучшими технико-экономическими показателями и наиболее соответствует нашему техническому заданию: обеспечивает сравнительно низкий коэффициент пульсаций, позволяет обойтись без вывода средней точки на трансформаторе.
Сглаживающий фильтр.
Напряжение на выходе любого выпрямителя всегда пульсирующее и содержит постоянную и переменную составляющую напряжения. Пульсация напряжения столь значительна, что непосредственное питание нагрузки от выпрямителя возможно лишь там, где приемник энергии не чувствителен к переменной составляющей в кривой выпрямленного напряжения (зарядка аккумуляторов, питание электродвигателей и т.п.). Для питания многих электронных устройств требуется обеспечение коэффициента пульсации в пределах 10-3 − 10-6. Для уменьшения пульсации между выпрямителем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр.
Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания.
Коэффициентом сглаживания называют отношение коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на выходе фильтра.
 |
Коэффициент пульсации на входе фильтра задается требованиями приемника энергии к питающему напряжению, а коэффициент пульсации на выходе выпрямителя известен после выбора схемы выпрямления.
Кроме обеспечения необходимого коэффициента сглаживания к фильтрам предъявляется еще ряд требований: минимальные габариты; масса и стоимость; отсутствие заметных искажений, вносимых в работу нагрузки; отсутствие недопустимых перенапряжений и выбросов токов при переходных процессах; высокая надежность.
Аналогично выбору выпрямителя, выбираем из нескольких стандартных фильтров тот, который больше подходит нашему техническому заданию:
- Г - образный LC фильтр (рис.5.а.);
- Г - образный RC фильтр (рис.5.б.);
- П - образный LC фильтр (рис.5.в.);
- П - образный RC фильтр (рис.5.г.).
П – образные фильтры мы отбросим сразу, так как они применяются для маломощных выпрямителей с большим коэффициентом сглаживания. Из двух оставшихся выберем Г – образный RC фильтр, так как данный тип фильтра по своим параметрам для нашего технического задания подходит больше, чем все остальные.
4.3. Стабилизатор напряжения.
В большинстве силовых электрических сетей напряжение поддерживается с точностью не выше ±5%.
Для питания электронной аппаратуры (особенно для устройств, содержащих микросхемы) требуется
значительно более высокая стабильность питающего напряжения, достигающая ±0,0001 - 0,5%. Для обеспечения заданной стабильности питающего напряжения применяют стабилизаторы напряжения.
Стабилизатором напряжения называют устройства, которые автоматически поддерживают напряжение на стороне потребителя с заданной степенью точности.
Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжения потребителя, являются колебания входного питающего напряжения, изменения тока нагрузки потребителя, колебания частоты тока сети, изменения окружающей температуры и др.
В зависимости от рода напряжения стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы переменного напряжения и стабилизаторы постоянного напряжения. По принципу стабилизации стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные. В качестве параметрических стабилизаторов используют нелинейные элементы. Стабилизация напряжения в таких стабилизаторах осуществляется за счет нелинейности вольтамперной характеристики нелинейного элемента.
В параметрических стабилизаторах постоянного напряжения в качестве нелинейного элемента используют стабилитроны.
Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического регулирования, в которой эффект стабилизации достигается за счет изменения параметров управляемого элемента, называемого регулирующим.
В зависимости от способа включения регулирующего элемента относительно сопротивления нагрузки стабилизаторы напряжения подразделяются на последовательные и параллельные, а по режиму работы регулирующего элемента – на стабилизаторы с непрерывным регулированием и импульсные.
Основными параметрами стабилизатора являются:
- коэффициент стабилизации:
- коэффициент сглаживания пульсации;
- внутреннее сопротивление стабилизатора Rст.
Недостатками параметрических стабилизаторов напряжения являются: сравнительно малый коэффициент стабилизации, ограниченный диапазон токов в цепи нагрузки, невозможность плавного регулирования выходного напряжения.
Поэтому компенсационные стабилизаторы напряжения в этом плане выглядят более эффективными, так как они не содержат таких недостатков, а из условия технического задания от нас требуется сравнительно высокий коэффициент стабилизации, выходной коэффициент пульсации, что при использовании параметрического стабилизатора мы не сможем добиться, соответственно, в проектировании будем использовать компенсационный стабилизатор напряжения.
Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения представляют собой систему автоматического регулирования, которая обеспечивает постоянство выходного напряжения с высокой степенью точности при изменениях напряжения сети, тока нагрузки и т.д.
В зависимости от способа выполнения регулирующего элемента стабилизаторы подразделяются на последовательные и параллельные. В стабилизаторах первого типа регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой, в стабилизаторах второго типа – параллельно.
Стабилизатор последовательного типа (рис.6.а) состоит из регулирующего элемента Р, включенного последовательно с нагрузкой, схемы сравнения СС и усилитель постоянного тока У.
Схема сравнения включает в себя источник опорного напряжения и сравнивающий делитель. В схеме сравниваются выходное и опорное напряжения. Сигнал разности этих двух напряжений подается на вход усилителя постоянного тока. При изменении выходного напряжения на выходе схемы сравнения появляется сигнал рассогласования, который усиливается усилителем постоянного тока и поступает на вход регулирующего элемента. Изменение сигнала на входе регулирующего элемента приводит к изменению падений напряжения на нем, и выходное напряжение изменится до первоначального значения с определенной степенью точности.
Параллельная схема стабилизатора (рис.6.б) состоит из тех же элементов. Отличие заключается в том, что регулирующий элемент включен параллельно нагрузке, а последовательно с ней включен гасящий резистор Rг. При изменении выходного напряжения появляется сигнал на выходе схемы сравнения, усиливается усилителем постоянного тока и воздействует на регулирующий элемент так, что ток последнего изменяется.
Изменение тока регулирующего элемента вызывает изменение тока через гасящий резистор, что приводит к изменению падения напряжения на нем, в результате чего компенсируется изменение выходного напряжения с определенной степенью точности.
Из рассмотренных выше схем видно, что качественные параметры их приблизительно одинаковые, в проектировании нашего источника питания будем использовать схему с последовательным включением регулирующего элемента, имеющую более высокий КПД и применяющуюся в разработках более часто.
Опираясь на исходные данные курсового проекта, выберем схему стабилизатора из справочной литературы, которая наиболее подходит по своим параметрам, а так как параметры этой схемы неполностью соответствуют нашим данным, то внесем в нее некоторые изменения, чтобы она полностью подходила под наши данные.
Энергетический расчет ИП.
5.1. Расчет элементов стабилизатора постоянного напряжения.
Исходные данные для расчета (берем из ТЗ):
Расчет силовой части стабилизатора.
Максимальный ток через регулирующий транзистор 
равен 
; 
.
VD5 и VD6 - два диода типа Д226 с прямым падением напряжения 1В. Так как в качестве нагрузки усилителя используется эмитерный повторитель, то определяем минимальное напряжение 
Найдем ориентировочную амплитуду пульсации на входе стабилизатора 
Минимальное напряжение на входе стабилизатора 
Примем 
Определим номинальное 
и максимальное 
напряжение на входе стабилизатора:
Прикинем ориентировочную величину внутреннего сопротивления фильтра 
.
Найдем максимальное напряжение на входе стабилизатора 
.
Рассчитаем максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора : 
.
Величина максимальной мощности рассеиваемая на регулирующем транзисторе:
По величинам 
выбираем из справочника тип регулирующего транзистора - П210Б.
Для выбора транзистора 
определим:
1) минимальный и максимальный токи базы транзистора :
(
-параметры в дальнейших расчетах определяются по справочнику);
2) ток через 
:
, где 
- обратный ток коллектора транзистора П240 при максимальной температуре коллекторного перехода, а 
- число транзисторов , включенных параллельно ( =1); 
.
Определим величину сопротивления : 
. Пусть = 5200 Ом, тогда 
. Выбираем в качестве резистор типа ОМЛТ-1-5.2±5% кОм.
3) максимальное значение тока эмиттера транзистора :
;
4) максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер транзистора :
5) максимальную величину мощности, рассеиваемую транзистором : 
.
По величинам 
= 0.109 А, 
= 27.31 В, 
= 2.98 Вт выбираем транзистор типа П216В.
Определим минимальный и максимальный токи базы транзистора :
Так как ток 
> (0.3 ÷ 0.5) мА, то увеличиваем число транзисторов, вводя в составной, до трех.
Для выбора транзистора 
определим:
1) ток через резистор 
:
2) величину сопротивления : 
. Пусть = 22000 Ом, тогда 
. Выбираем в качестве резистор типа ОМЛТ-0.5-22±5% кОм;
3) максимальный ток эмиттера транзистора :
;
4) максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер транзистора : 
5) максимальную величину мощности, рассеиваемую транзистором :
.
По полученным величинам 
, 
, 
выбираем в качестве транзистор типа МП25А.
Найдем максимальный ток базы транзистора :
, 
< (0.3 ÷ 0.5) мА – значит количество транзисторов, входящих в составной, равно трем.
Расчет схемы сравнения и усилителя постоянного тока.
Определим величину опорного напряжения 
= 45 В. В качестве источника опорного напряжения выберем стабилитрон типа Д816Г. Его основанные параметры:
Зададимся максимальным током коллектора усилительных транзисторов 
и 
: 
.
Определим максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора : 
Определим максимальную мощность, рассеиваемую транзистором : 
Выбираем из справочника по полученным величинам 
, 
, 
транзисторы и типа МП25А.
Найдем величину сопротивления в цепи эмиттера следующим образом: 
. Пусть 
, тогда мощность будет равна 
.
В качестве 
выбираем резистор типа ОМЛТ-1-3.3±5% кОм.
Расчет эмиттерного повторителя, состоящего из 
, 
и диодов VD5-VD6.
Сопротивление резистора 
определяем из выражения: 
, где 
, а для диодов Д226 
, тогда 
. Пусть , тогда мощность, рассеиваемая на : 
. Поэтому в качестве сопротивления возьмем один резистор типа ОМЛТ-1-1.1±5% кОм.
Определим сопротивление 
:.
Пусть 
, тогда рассеиваемая мощность на будет равна.. Поэтому в качестве сопротивления выбираем резистор типа ОМЛТ-0.125-280Ом.
Транзистор выбираем исходя из следующих величин:
По этим данным выбираем транзистор типа КТ312Б. Из его характеристик 
, а так как 
< 
, то транзистор выбран верно.
Убедимся, что величина максимального тока через стабилитрон Д3 не превышает предельно допустимого значения: 
что меньше, чем 
= 0.13 А, значит все в порядке.
Сопротивление резистора 
определяем из выражения 
, пусть 
=330 Ом, тогда мощность, рассеиваемая на соответственно равна 
. Поэтому в качестве сопротивления возьмем резистор типа ОМЛТ-1-330±10% кОм.
Зададимся током делителя 
. Определим максимальный и минимальный коэффициенты передачи делителя:
Определим сопротивление делителя 
. Сопротивление резистора верхнего плеча делителя 
. Пусть 
= 620 Ом, тогда 
. В качестве выбираем резистор типа ОМЛТ-0.125-620±10% кОм.
Сопротивление резистора нижнего плеча делителя: 
. Пусть 
, тогда.
Поэтому в качестве сопротивления 
используем резистор типа ОМЛТ-0.5-6.8±10% кОм.
Сопротивление переменного резистора определим из: 
. Пусть 
, тогда 
. Поэтому в качестве резистора 
будем использовать резистор типа СПО-0.5-2.2 кОм.
Определим основные параметры стабилизатора: 
и внутреннее сопротивление r.
Для данного стабилизатора:
(*) 
, где 
- коэффициент усиления составного транзистора по напряжению; 
- коэффициент усиления усилителя постоянного тока; а - коэффициент передачи делителя; 
- коэффициент, учитывающий влияние входного сопротивления усилителя на коэффициент передачи делителя; 
- сопротивление коллектора транзистора в схеме с общим эмиттером; 
- число регулирующих транзисторов, включенных последовательно (в нашем случае он один).
Для нахождения данных параметров воспользуемся рядом табличных формул:
где 
= 50000 Ом – сопротивление коллектора для германиевых транзисторов, 
определяется из справочника при токе 50 мА через диод Д226-2 Ом; так как в схеме два диода, соединенных последовательно, то = 2·2 = 4 Ом, тогда 
.
Найдем сопротивление, шунтирующее вывод усилителя:
, где 
= 20000 Ом – сопротивление коллектора для германиевых транзисторов.
Найдем 
.
Определим 
, где = 20000 Ом для МП25А.
Найдем 
где
Тогда 
.
Используя вышеизложенные вычисления и выражение (*) получаем: 
, что удовлетворяет нашему техническому заданию.
Найдем внутреннее сопротивление стабилизатора: 
, где - число регулирующих транзисторов включенных параллельно, 
- крутизна регулирующего транзистора, при 
, 
. Определим нагрузочную емкость 
. В качестве 
выберем конденсатор типа К-50-29-63 В -470 мкФ.
Найдем коэффициент пульсации на входе стабилизатора (он же на выходе фильтра):
