Курсовая работа: Конструкция источников питания

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Тамбовский Государственный Технический Университет Тамбов, Россия

Tambov State Technical University Tambov, Russia

Конструкция источников питания

The design of the power sources

Титова П.А., Макарова И.В.

Titova P.A., Makarova I.V.

ВВЕДЕНИЕ

Неотъемлемой частью ускорения научно-технического прогресса, который характеризуется постоянным увеличением сложности устройств, является развитие электроники.

Выполнение современных радиоэлектронных устройств выдвигает три проблемы конструирования:

1) применение полупроводниковых приборов вместо электронных ламп в электронике, автоматике, радиоаппаратуре;

2) параметры полупроводниковых приборов определяют характеристики электронных устройств, зависящие от параметров схемы;

3) транзисторы в радиоэлектронных схемах выполняют те же функции, что и электронные лампы, но отличаются от нее существенными преимуществами: незначительное потребление мощности, отсутствие накала и связанных с ним недостатков, вибростойкость.

Конструирование - составная часть процесса разработки радиоэлектронной аппаратуры. Это сложный комплекс взаимосвязанных работ, где учитывается знание современных технологий, различные требования к конструкции изделия, знание импульсной техники и других дисциплин.

Цель курсового проекта - это разработка конструкции источников питания, при которой потребуется малый объем расходов энергетических, трудовых и материальных ресурсов.

1. ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

1.1 Назначение и условия эксплуатации

Источник питания относится к третьей группе жесткости по ГОСТ 16019-78. Он является постоянной аппаратурой, работающей в помещении. Он имеет категорию микроклиматического использования УХЛ 3.1 по ГОСТ 15150-69. Из ГОСТа 15150-69 источники питания используются в УХЛ климате, факторы которого зависят от максимальной и минимальной температуры, влаги, давления.

Из ГОСТа 15159-69 источник питания применяется в УХЛ климате, где значение максимальной и минимальной температуры, влажности воздуха, давления или после воздействия термоциклов заданных режимов и продолжительность влияет на работоспособность.

Из ГОСТа 15150-69 для данной категории исполнения имеет следующие значения климатических факторов внешней среды:

Таблица 1 Относительная влажность воздуха

Таблица 2 Температура воздуха при эксплуатации

Рабочее значение атмосферного давления 86,6 кПа.

Режим и длительность работы - непрерывный.

1.2 Описание существующих конструкций

Современные радиотехнические устройства - это сложные комплексы аппаратуры. Они состоят из различных комбинаций ионных, электронных и полупроводниковых приборов, активных и реактивных сопротивлений, дросселей, трансформаторов и магнитных усилителей, а так же большого количества измерительных коммутаций, сигнальных приборов и аппаратов. Все эти элементы потребляют электрическую энергию как в виде постоянного, так и переменного тока.

Радиоустройства в ходе работы потребляют большое количество электрической энергии постоянного и переменного тока. Но подавляющая часть радиотехнических устройств потребляет энергию в виде постоянного тока. Постоянный ток используется для питания полупроводниковых приборов цепей питания магнитных усилителей, реле и других элементов радиотехнических схем.

Переменный ток применяется для питания цепей накала большинства магнитных усилителей, систем автоматики, электродвигателей и различных вспомогательных устройств.

Т.к. в радиотехнике используются разнообразные элементы, то мощности источников электропитания устройств могут иметь величины, начиная с долей ватта до нескольких сотен киловатт, напряжение - с долей вольт до нескольких десятков киловольт, токи - с долей миллиампера до нескольких сотен ампер.

Большинство современных радиотехнических установок представляют собой точные измерительные приборы. Поэтому предъявляются весьма высокие требования к стабильности напряжений.

В зависимости от требований, предъявляемых радиотехническим схемам и ко вторичным источникам электропитания, объема радиоаппаратуры, ее конструктивного использования и потребляемой мощности можно разделить системы вторичного питания на централизованные и индивидуальные.

Для сравнения приведем описание схемы источника питания (рис. 1).

В этой схеме трансформатором понижается сетевое напряжение, выпрямляется диодным мостом, фильтруется конденсатором, стабилизируется параметрическим стабилизатором с усилителем тока. Особенность стабилизатора заключается в подаче напряжения на базу управляющего транзистора с переменного резистора, т.е. изменяется и выходное напряжение источника питания.

Расчетная схема более выгодна, т.к. она проще в изготовлении и не нуждается в подборе балластного сопротивления стабилитрона.

1.3 Описание схемы электрической принципиальной

Схема электрическая принципиальная платы устройства зарядного включает в свою конструкцию 3 самостоятельных узла, выполняющих отдельные функции:

- узел питания состоит из трансформатора и выпрямительного моста

- узел коммутации зарядного тока состоит из составного электрического ключа на транзисторах VT1 и VT2 (КТ209 и КТ829 соответственно)

- узел сравнения зарядного напряжения с напряжением на клеммах аккумулятора, выполненный на компараторе микросхемы DА1 (К554СА3А) и является главным узлом в схеме.

Схема работает следующим образом: при подключении клемм устройства зарядного к аккумулятору с остаточной ЭДС не менее 8 В, питание от аккумулятора подается на схему сравнения через диод VD1. На инвертируемый вход 4 компаратора микросхемы DА1 через цепочку R8, R10 и VD3 подается напряжение равное 4,7 В. На другой вход 3 микросхемы DА1 подается напряжение, зависящее от заряженности аккумулятора. Это напряжение регулируется резистором RP1 и должно быть равным напряжению на входе 4 микросхемы DА1, при условии, что напряжение заряда аккумулятора стало равным U = 14,4 В. При достижении ЭДС на аккумуляторе равным U = 14,4 В происходит переключение компаратора DА1 и на выходе 9 уровень выходного напряжения изменяется от 0 до 7 - 8 В, которое через резистор R3 закрывает транзистор VT1, а тот в свою очередь транзистор VT2. Падение напряжения на транзисторе VT2 образует ток для свечения индикатора единичного HL1, что индуцирует об окончании зарядки аккумулятора.

В целях гарантирования баланса в схеме применен составной среднечастотный транзистор (VT2 - КТ 829 А), коэффициент усиления которого составляет не менее 700. В режиме отсечки падение напряжения составляет 1,5 В при токе 5 А. Поэтому при работе устройства зарядного в номинальном режиме нагрева транзистора при использовании радиатора практически не происходит.

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СХЕМЫ

2.1 Расчет выпрямителя

1. Определить сопротивление нагрузки по формуле где Uо - выпрямительное напряжение, В; Uо = 12 В

Io - выпрямительный ток, мА; Io = 1 А

Rн = 12/1 = 12 Ом

2. Определить мощность нагрузки по формуле

Po = 12 1 = 12 Вт

3. Исходя из требований к схемам выпрямителя, т.е. при мощности менее 1 КВт, выбираем однофазную мостовую схему выпрямителя.

4. Определить сопротивление по формуле где j = 3 А/мм, В = 1,3 Т,

fc - частота, Гц; fc = 50 Гц

5. Для определения сопротивления диода в прямом направлении rтр выбираем тип диода по следующим параметрам:

- средний выпрямленный ток

Iпр.ср. = 1/2 = 0,5 А

- амплитуда обратного напряжения

Uобр.max = 1, 41 1,3 12 = 22 В

По справочнику выбираем вентиль КД 212 А, имеющий параметры:

- Iпр.ср. max = 1 В

- Uобр.max = 100 В

- Uпр. = 1 В

Определить сопротивление вентиля по формуле rпр. = 1/1 = 1 Ом

6. Определить сопротивление фазы выпрямителя по формуле rср. = 3,84 + 2 1 = 5,84 Ом

7. Определить параметр А

А = 1 3,14 5,84/2 12 = 18, 3/24 = 0,7625

8. Из графиков определить параметры В, Д, F

В = 1,47; Д = 4; F = 1,9

9. Определить напряжение на вторичной обмотке трансформатора по формуле

U2 = 1,47 12 = 17,64 В

10. Определить ток во вторичной обмотке трансформатора по формуле

I2 = 0,707 1 = 0,707 А

11. Определить ток первичной обмотки трансформатора по формуле

I1 = 2,8 0,08 = 0,224 А

12. Определить габаритные мощности первичной и вторичной обмоток по формуле

S1 = S2 = 0,707 4 1,47 12 = 49,9 В А

13. Определить требуемое уточненное обратное направление на вентиле по формуле

Uобр.max = 1,41 1,47 12 = 24,9 В

14. Определить требуемое уточненное значение тока вентиля по формуле

Iпр. = 0,5 4 1 = 2 А

15. Определить уточненное значение среднего тока вентиля по формуле

Iпр.ср. = 0.5 1 = 0,5 А

16. Определить максимальный ток по формуле

Iпр.max = 0,5 1,9 1 = 0,95 А

В результате расчета можно сделать вывод, что выбранные диоды проходят по всем показателям.

17. Из графиков определить параметр H. Для однофазной мостовой схемы параметр определяют по кривой m = 2.

H = 900

18. Определить емкость конденсатора, устанавливаемого на выходе выпрямителя по формуле

где кп = 0,1

С = 900/5,84 0,1 = 1541,0958 мкФ

2.2 Расчет трансформатора

1. По определенным значениям мощности трансформатора выбираем магнитопровод для заданной мощности

S1 = S2 = Pтип = 17,8 B A = 49,9 B A

Конфигурация магнитопровода - броневая пластинчатая, марка стали Э-42.

толщина стали 0,35 мм

В = 1,3 Т; j = 3,8 А/мм; Км = 0,28; КПД = 0,8; Кс = 0,94

2. По выбранным значениям определяем произведение

Sст Sок = 49,9 10/175,5 = 43,2 мм

3. По произведению Sст Sок выбираем стандартный магнитопровод Ш 20 20.

Его параметры:

а = 20 мм; h = 50 мм; с = 20 мм; С = 80 мм; H = 70 мм; b = 20 мм

Активная площадь сечения среднего стержня Sст = 3,64 см

Средняя длина магнитной силовой линии Lст = 17,14 см

Активный объем магнитопровода Vстакт = 62,4 см

Вес магнитопровода Gст = 500 г Количество пластин 52 шт.

4. Определяем число витков обмоток трансформатора

5. Определяем сечение проводов обмоток

Sпр1 = 0,224/3,8 = 0,06 мм

Sпр2 = 0.707/3,8 = 0,2 мм

Выбираем стандартные диаметры проводов. Первичная обмотка ПЭЛ. Номинальный диаметр 0,27 мм, в изоляции 0,31 мм. Вторичная обмотка ПЭЛ.

Номинальный диаметр медной проволоки 0,51 мм, в изоляции 0,55 мм.

6. Находим допустимую осевую длину обмотки hg = 50 - 5 = 45 мм

7. Определяем число витков в одном слое и число слоев каждой обмотки

Ку = 1,07 - 1,15

Wc1 = 45/1,15 0,27 = 45/0,3105 = 145 витков

Wc2 = 45/1,15 0,51 = 45/0,5865 = 77 витков

N1 = 2586/145 = 18 слоев

N2 = 240/76,7 = 3 слоя

На этом электрический расчет закончен.

2.3 Выбор элементов схемы

В результате произведенных расчетов элементов схемы получили рассчитанные значения номинальных величин, на основании которых производим выбор типов элементов, их номинальные данные, допустимые отклонения, в соответствии с действующими стандартами на каждый вид элементов.

Вентиль: КD 212 А

Конденсатор: выбираем из ряда соответствующего ГОСТам, при этом учитывая рабочее напряжение на конденсаторе. По этим данным проводим выбор номинала конденсатора: К50 - 6 - 16 В - 220 мкФ.

Трансформатор: число витков обмоток трансформатора W1 = 2586 витков, W2 = 240 витков. Сечение проводов обмоток Sпр1 = 0,06 мм, Sпр2 = 0,2 мм. Диаметры проводов: первичная обмотка ПЕЛ, номинальный диаметр медной проволоки 0,27 мм, в изоляции 0,31 мм. Число витков в одном слое и число слоев каждой обмотки: Wс1 = 145 витков, Wс2 = 77 витков, N1 = 18 слоев, N2 = 3 слоя. Магнитопровод Ш 20 20. Его параметры: a = 20 мм, h = 50 мм, c = 20 мм, C = 80 мм, H = 70 мм, b = 20 мм. Активная площадь сечения среднего стержня Sст = 3,64 см. Средняя длина магнитной силовой линии Lст = 17,14 см. Активный объем магнитопровода Vстакт = 62,4 см. Вес магнитопровода Gст = 500 г. Количество пластин 52 штуки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенной курсовой работы был рассчитан источник питания на напряжение 220 В и ток 1 А, был включен простейший фильтр и параметрический стабилизатор с усилителем тока.

Курсовой проект состоит из двух разделов. В первом разделе необходимо было провести обоснования технического решения данной схемы, рассмотреть ее назначение, условия эксплуатации, сравнить с другими аналогичными конструкциями и описать схему электрическую принципиальную. Во втором разделе нужно было провести электрический расчет выпрямителя для выбора номинальных значений данной схемы, для осуществления ее нормальной работы.

В результате выполнения выше описанных действий можно сделать вывод, что схема источника питания является наиболее современной и экономичной.