Проектирование вторичных источников питания

Рассмотрим их:

Усилитель сигнала  согласования

_{Uмах.вых}=3В;

I_потр=10мА;

I_вых = 9мкА;

К_усил=1350...12000

Рис. 9. Схема ОУ К140 УД1Б

Резистор  C2 - 33 H - 1,0 - 20 кОм ± 5 % (R_вх1= 20 кОм) -  ко входу (1);

Резистор C2 - 33 H - 1,0 - 200 кОм ± 5 % (R₂=20кОм) – ко входу(7).

                      VD7 – стабилитрон КС 512А (Ucт = 2В; Icт=5мА, Р=1Вт)

                       

 

 

R₇ – интегратор.

 R₇= К_пу*R_вх= 21*20=420кОм;

резистор – С2-33А-0,125 - 420

Параметрический источник питания для операционных усилителей.

Рис. 10. Параметрический источник питания  для операционных усилителей.

Uнг = Uп = 12,6В

Iнг = Iп = 10мА

Диоды

      (29)

     (30)

Выбираем диоды (VD8-VD11): Д202 (Iв.ср = 0,4А, U_{обр.мах} = 100В, ΔU_в.д.= 1В)

Выбираем трансформатор (Т3)

Е_d.о = U_нг+ ΔU_в.б = 12,6+2 = 14,6В    (31)

ΔUв._б = k_т ΔU_в.д= 2*1 =2В     (32)

 

(33)

 

(34)

 

Трансформатор: ТПП 226-127/220 (U₁=220В; U₂ = 20В; I₁ = 0,063 А ; f = 50 Гц) см. рис.7

Выбор стабилитронов (VD12 и VD13):

КС 512А (Uнг=12В; Icт=5мА, Р=1Вт), Iст = 1…6,7 мА, Ucт = 10,8…13,2В

 

 

(35)

    (36)

      (37)

Uпит – подключаем к 1 и 7 выводам микросхемы соответственно.

Выход GRD – на «землю» микросхемы (выход 4).

Компаратор.

В качестве компаратора  возьмем микросхему ОУ К140 УД1Б.

Резистор  C2 - 33 H - 1,0 - 30 кОм ± 5 % (R_вх2= 30 кОм) -  к неинвертирующему  входу (10);

 

 

 

 

Стабилитрон  VD8 Выбираем стабилитрон VD6 КС119А с параметрами:

Ucт_N=1.9 В,

Iст_N=10 мА,

Uст=1.72 2.1 В

Iст=1.0 100 мА

Ткmax=125 °C

Pmax=0.2 Вт

Генератор пилообразного  напряжения.

 

 

 

 

 

 

 

Элементы:

С1 = 0,25нФ – конденсатор –К50-6 (С=1мкФ, U_cN = 50В

R1 = R2 = 10кОм (C2 - 33 H - 1,0 - 10 ± 5 %)

R3 = 100кОм - Резистор C2 - 33 H - 1,0 – 110 ± 5 %

R4 = R5 = 3кОм (C2 - 33 H – 0,5 – 3)

Rр = 1кОм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

(38)

 

 

Распределитель  импульсов.

Состоит из D-триггер (К155ТМ2) и логического элемента - микросхемы К176ЛА7

Номинальное напряжение питания  - 5 – 12В

Ток потребления - не более 82 мА

Выходное напряжение низкого уровня – не более 0,3В

Выходное напряжение высокого уровня – не менее 8,3В

 

 

 

 

Этот распределитель импульсов формирует выходное напряжение одним импульсом на полупериод.

С выходов микросхемы сигнал поступает на оптотранзисторную пару:

АОТ110А (I_вх = 30мА, I_вых = 220мА, U_пробоя = 500В)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Выбор входного  фильтра.

 

    Iвх.            L1

 

Iс1

 C1

 

 

Рис. 16. Схема включения входного фильтра.

На входе ставим L-C фильтр (Рис. 16) для повышении электромагнитной совместимости проектируемого ВИП. Фильтр должен пропускать постоянную составляющую входного тока и не пропускать переменную составляющую. Расчет ведется для первой гармоники , создающей наибольшие помехи.

(39) (40)   (41)   (42) (43)

Определим ток, который  должен течь через конденсатор:

  ₍₄₄₎

Теперь рассчитаем допустимый ток и напряжение конденсатора. Примем номинальное напряжение конденсатора Uc_N=300В тогда

(45)   (46)   (47)   (48)   (49)   (50)

Выбираем конденсатор  К50-27емкостью С₁=470мкф при номинальнонапр. Uc_N=300В

Рассчитаем параметры  дросселя:

(51)   (52)

Выбираем дроссель Д245 с индуктивностью L₁=0,0012гн I_др1=9А и сопротивлением R_др1=0,0548 Ом.

Таблица 2.

Массогабариты дросселя

Тип дросселя	B, мм	C1, мм	С, мм	H, мм	L, мм	Масса, г
Д245	43	28	24	51	50	310

 

Рис. 18. Габариты дросселя.

 

9. Выходной фильтр.

           L2

 

 

С2 С3 Zнг

 

 

 

Рис. 19. Схема включения  выходного фильтра.

На выходе ставим фильтр, состоящий из двух конденсаторов C₂ и C₃ и одного дросселя L₂ (рис. 19). Сначала рассчитаем параметры конденсатора C₃.

C₃ компенсирует реактивную составляющую тока нагрузки.

,      (53)

,      (54)

.   (56)

.  (57)

Выбираем конденсатор  К50-27  с допуском  по номинальной емкости 280 мкф

Теперь по точной методике определим параметры конденсатора C₂ и дросселя L₂, исходя из условия минимума массогабаритных показателей фильтра.

Для n-гармоники амплитудное значение входного напряжения равно:

.    (58)

Вычислим амплитудные  значения входного напряжения для 3, 5, 7, 9, 11 гармоники по формуле (58):

Коэффициент гармоник

.    (59)

Коэффициент режекции

.     (60)

Найдем коэффициент режекции для каждой гармоники:

Минимальный коэффициент  режекции у третьей гармоники, ее и будем гасить.

Интегральный показатель параметра  фильтра

.      (61)

Для третьей гармоники  показатель

Определим параметры  фильтра из условий минимума суммарной  мощности и максимального напряжение:

     (62)

Решая систему (62) при R_н=1,4 Ом, получим С₂=2218 мкФ и L₂=4473 мкГн

Выбираем конденсатор  К50-24 с допуском  по номинальной емкости 2200 мкФ и дроссель Д270 с индуктивностью L₁=0,005 Гн, I_др1=12,2А и сопротивлением R_др1=0,0372 Ом.

 

10. Выбор схемы  защиты.

Ввиду чувствительности полупроводниковых приборов к перегрузкам, применяют различные системы  защиты для обеспечения надежной работы преобразователей. Для защиты от коротких замыканий на стороне постоянного тока будем использовать короткозамыкатель. Схемы защиты представлены на рис. 20. Короткозамыкатель может быть реализован по схеме с плавким предохранителем или с автоматическим выключателем.

Рис. 20. Схемы  защиты.

При достижении током  нагрузки значения выше допустимого  напряжение на Rш становится больше, чем ∆U_VD и транзистор VT открывается, что приводит к открытию тиристора VS. Источник питания ВИП закорачивается накоротко через VS, что приводит к резкому увеличению тока, потребляемого от источника питания и перегоранию плавкого предохранителя F1 или отключению автоматического выключателя F2. ВИП отключается от источника питания.

Достоинство многих типов  АВ в том, что в них совмещены  устройство защиты и коммутационный аппарат, позволяющий производить включение и выключение преобразователей в нормальных режимах. АВ обеспечивают многократность действия и дают возможность дистанционного управления. Однако АВ уступают плавким предохранителям по быстродействию.

Для защиты проектируемого ВИП выбираем короткозамыкатель  с автоматическим выключателем.

Допустимый ток нагрузки . Исходя из условия , рассчитаем сопротивление шунта:

 

Выбираем диод Д201Б.

Выбираем транзистор ТК135-16 с целью унификации (см. таб. 1).

Сопротивление R берем равным R=20 Ом

Выбираем тиристор  КУ202Д.

Выбираем автоматический выключатель 

 

11. Тепловой расчет.

Рассчитаем радиатор для транзистора ТК135-16.

Должно выполнятся соотношение  для теплового сопротивления, которым  должен обладать радиатор:

где  R_т – тепловое сопротивление,

R_пер.к. – сопротивление участка переход-корпус прибора,

R_{корп.рад.} - сопротивление участка корпус-радиатор,

R_{эл.изол.} – тепловое сопротивление для электрической изоляции транзистора.

Максимальная мощность потерь транзистора:

P=P_стат+P_дин+P_баз.     (63)

Статические потери:

.   (64)

Динамические потери

    (65)

  (66)

Тогда P=24,23Вт

   (67)

С учетом R_из=R_лавсан=1,14 ^оС/Вт, получим:

Площадь поверхности  радиатора с учетом, что  :

    (68)

Выбираем радиатор, площадью 650 см².

Рис. 21. Простейшая конструкция ребристого радиатора.

Число пластин – 3 штуки. А=130мм, В=500мм, С=50мм, D=2,5мм.

 

12. Статический  расчет.

Uз Uнг

 

 

 

 

Uосн

 

 

Рис. 22. Блок схема ВИП  для статического расчета.

Необходимо рассчитать коэффициент предварительного усиления , коэффициент передачи и коэффициент обратной связи по напряжению .

Определим эквивалентное сопротивление, являющееся суммой активных сопротивлений  дросселя выходного фильтра и  обмотки трансформатора, приведенной ко вторичной стороне.

- число стержней трансформатора,

- для мостовой однофазной  схемы,

(69)   (70)   (71)   (72)   (73)

 рассчитывается через уже  найденные коэффициенты  и и напряжение замыкания и размыкания.

(74) (75)     (76)

Были получены коэффициенты предварительного усиления , передачи и обратной связи по напряжению K_н=0,076

 

13. Динамический расчет.

По управляющему воздействию.

Передаточная функция  выходного фильтра:

 

Рис.23. Структурная схема  скорректированной системы

.   (77)

.   (78)

Передаточная функция  ВИП по управлению:

  (79)

На вход подаем единичное  ступенчатое воздействие:

Рис. 24. Устойчивая система

Как видно из рисунка - система – устойчива, следовательно, нам не потребуется корректирующее звено.

 

 

Список литературы:

1. А. А. Мартынов, «Проектирование вторичных источников питания», учебное пособие, СПб, ГУАП, 2000 г.
2. А. А. Мартынов, «Справочные данные по элементной базе для курсовых проектов по дисциплинам «Проектирование электроприводов», «Проектирование вторичных источников питания», «Полупроводниковые устройства систем управления»», СПб, ГУАП, 2000 г.
3. Электротехнический справочник. Использование электрической энергии. Под общ. Ред. И. Г. Орлова. Т. 3. Кн. 2. М.: Энерго-атомиздат, 1988. 616 с.
4. «Интегральные микросхемы», справочник, Б. В. Тарабрин, Л. Ф. Лунин, Ю. Н. Смирнов и др.; Под ред. Б. В. Тарабрина. – 2-е изд., испр. – М.,  Энергоатомиздат, 1985.