Прецизионный термостабильный источник питания для АСУ ТП

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 24 Апреля 2014 в 12:30, дипломная работа

Краткое описание

Целью данной магистерской работы является разработка прецизионного, термостабильного источника питания, входящего в состав автоматизированной системы управления технологическим процессом изготовления деталей электронных аппаратов

Содержание

Перечень условных обозначений, символов, единиц, сокращений и терминов…………………………………………………………………...

7
Введение…………………………………………………………………...
8
1. Обзор литературы по теме исследования……………………………..
12
2. Теоретическая часть……………………………………………………
27
2.1 Общие сведения об источниках питания. Виды источников питания ……………………………………………………………………
27
2.2 Критерии выбора источника питания ……………….………………
48
2.3 Структурная схема разрабатываемого источника питания ………..
59
2.4 Описание принципа функционирования устройства …………...….
61
2.5 Разработка конструкции изделия...…………………………………..
62
3 Экспериментальная часть…………………………………………….
70
3.1 Программа испытаний……………………………………………...
70
3.2 Методика испытаний……………………………………………….
70
3.3 Условия и порядок проведения испытаний…………………………
71
3.4 Материально-техническое и метрологическое обеспечение испытаний………………………………………………………………….

72
3.5 Обработка результатов испытаний……………………………….….
73
Выводы………………………………………………………………….....
75
Перечень ссылок………………………………………………………......
76

Вложенные файлы: 1 файл

Записка1.doc

— 1.00 Мб (Скачать файл)

По мощности нагрузки:

    • ИВЭ малой (до 100 Вт);
    • средней (от 100 Вт до 1 кВт);
    • большой мощности (свыше 1 кВт).

По роду тока нагрузки:

  • ИВЭ с выходом на переменном (однофазном или трехфазном) токе;
    • ИВЭ с выходом на постоянном токе.

По числу выходов:

  • одноканальные ИВЭ, имеющие один выход достоянного или переменного тока;
  • многоканальные ИВЭ, имеющие два или больше выходов постоянного или переменного токов.

По стабильности напряжения на нагрузке:

    • стабилизирующие;
    • нестабилнзирующие ИВЭ.

Стабилизирующие ИВЭ содержат в своем составе стабилизатор напряжения (тока) и в свою очередь разделяются:

По характеру стабилизации напряжения (тока) на нагрузке:

    • ИВЭ с непрерывным регулированием;
    • ИВЭ с импульсным регулированием.

По характеру обратной связи:

    • параметрические;
    • компенсационные;
    • комбинированные.

По точности стабилизации выходного напряжения:

  • ИВЭ с низкой стабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность выходного напряжения при воздействии всех дестабилизирующих факторов более 2 – 5%);
  • ИВЭ со средней стабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность не более 0,5 – 2%);
  • ИВЭ с высокой стабильностью выходного напряжения (суммарная нестабильность 0,1 – 0,5%);
    • прецизионные ИВЭ (суммарная нестабильность менее 0,1%).

По виду стабилизируемого параметра:

    • стабилизаторы напряжения;
    • стабилизаторы тока [1, 8].

Рассмотрим подробнее сети питания электроэнергией. В частности рассмотрим параметры первичной сети питания.

Первичная сеть питания электроэнергией характеризуется следующими параметрами:

1) номинальным значением питающего напряжения Uп.ном;

2) относительной нестабильностью питающего напряжения, ха-рактеризующей возможные пределы изменения его значения относительно номинального – верхний предел, равный (Uп.макс. – Uп.ном.)·100/Uп.ном., и нижний предел, равный (Uп.ном. – Uп.мин)·100/Uп.ном., где Uп.макс. и Uп.мин – соответственно максимальное и минимальное значения напряжения питания ИВЭ;

3) внутренним сопротивлением первичного источника питания электроэнергией и питающей сети;

4) для сети постоянного тока задается уровень пульсаций питающего напряжения на входе ИВЭ, который характеризует амплитуду (или эффективное значение) переменной составляющей приложенного к ИВЭ питающего напряжения. Иногда уровень пульсаций определяется относительным значением амплитуды (или эффективного значения) переменной составляющей питающего напряжения по отношению к его номинальному значению;

5) для сети переменного тока задаются частота, возможные искажения формы кривой питающего напряжения и возможная несимметрия по фазам питающей сети.

Нагрузка ИВЭ по каждому из его выходов характеризуется следующими параметрами:

  • номинальное сопротивление Rн.ном. и возможные пределы его изменения Rн.мин. и Rн.макс.;
  • для индуктивно-активных нагрузок переменного тока – но-минальное полное сопротивление

   ,

где и – активное и индуктивное сопротивления нагрузки.

,

где – индуктивность нагрузки.

Пределы изменений номинального полного сопротивления Zн.мин. и Zн.макс.

Номинальное значение коэффициента мощности нагрузки

(cosjн)ном = Rн.ном./Zн.ном.

Пределы его изменения (cosjн)мин и (cosjн)макс:

  • номинальное значение напряжения на нагрузке Uн.ном его допустимая суммарная  нестабильность во всех возможных режимах эксплуатации ИВЭ;
  • для нагрузок переменного тока (электродвигателей перемен-ного тока, магнитных усилителей, электромагнитных механизмов и др.) – частота питающего напряжения fн.ном и ее допустимая нестабильность, требуемая форма питающего напряжения и ее допустимые искажения;
  • для нагрузок постоянного тока (цепи питания электронных и полупроводниковых устройств, электродвигатели постоянного тока и т.п.) – допустимый уровень пульсаций питающего напряжения [10, 19].

Большинство ИВЭ, предназначенных для питания радиоэлектронной аппаратуры и систем автоматики, как правило, имеет несколько выходных цепей, электрически изолированных друг от друга и от первичного источника энергии. Эти цели различаются выходным напряжением и током, требуемой стабильностью и допустимым уровнем пульсаций выходного напряжения. Такая специфика современных ИВЭ обусловлена тем, что питаемая от них радиоэлектронная аппаратура выполняется на полупроводниковых приборах, электронных лампах, интегральных микросхемах и функциональных элементах различных типов, которые для своего нормального функционирования требуют нескольких различных по значению напряжений  постоянного и переменного токов [9].

 

2 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

 

2.1 Общие сведения об источниках питания. Виды источников питания

 

Источником вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры называется функциональная часть радиоэлектронной аппаратуры, использующая электроэнергию, получаемую от системы электроснабжения или источника питания электроэнергией и предназначенную для формирования вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры [33].

Как отмечалось выше, стабилизированные ИП по характеру стабилизации напряжения делятся на источники с непрерывным (линейным) и импульсным регулированием. Аналогично любые (стабилизированные или нестабилизированные) ИП принято делить на линейные и импульсные.

В линейных ИП переменное напряжение питающей сети преобра-зуется трансформатором, выпрямляется, подвергается низкочастотной фильтрации и стабилизируется (рисунок 2.1). В нестабилизированных ИП нагрузка подключается непосредственно к выходу фильтра низкой частоты.

В стабилизаторах линейных ИП осуществляется непрерывное регулирование: последовательно или параллельно с нагрузкой включается регулирующий элемент (транзистор), управляемый сигналом обратной связи, за счет чего выходное напряжение поддерживается на постоянном уровне.

 

Рисунок 2.1 – Упрощённая функциональная схема линейного стабилизированного источника питания

Отличительная особенность линейных стабилизаторов напряжения заключается в том, что их выходное напряжение всегда ниже нестабилизи- рованного входного напряжения. Кроме этого выходное напряжение Uвых всегда имеет одинаковую полярность с входным напряжением Uвх, а сам стабилизатор непрерывно рассеивает мощность Pрас≈Iвых(Uвх − Uвых), где Iвых – выходной ток (ток нагрузки) [16, 21].

Импульсные ИП непосредственно выпрямляют и фильтруют напря-жение питающей сети переменного тока без использования первичного си-лового трансформатора, который для частоты 50 Гц имеет значительные вес и габариты. Выпрямленный и отфильтрованный постоянный ток ком-мутируется мощным электронным ключом, затем преобразуется высо-кочастотным трансформатором, снова выпрямляется и фильтруется (рисунок 2.2).

 

В – выпрямитель;

ФНЧ – фильтр низкой частоты;

КРЭ – ключевой регулирующий элемент;

Т – трансформатор.

Рисунок 2.2 – Упрощённая функциональная схема импульсного источника питания

 

Электронный ключ управляется специальным сигналом, формируе-мым схемой управления. В устройстве может быть обратная связь по на-пряжению, благодаря которой стабилизируется выходное напряжение (управляющий сигнал формируется в зависимости от разности напряжений выходного и опорного). Из-за высокой частоты переключения (от 20 кГц и выше), трансформаторы и конденсаторы фильтров имеют намного меньшие размеры, чем их низкочастотные (50 Гц) эквиваленты. Достоинством импульсных ИП является высокий КПД – 60 – 80% (КПД линейных ИП, как правило, не превышает 40 – 50%). Для питания РЭА используются три типа импульсных электронных устройств, использующихся в качестве ИП: преобразователь − переменный ток/постоянный ток (AС-DС конверторы), преобразователь – постоянный ток/постоянный ток (DC-DC конвертор) и преобразователь − постоянный ток/переменный ток (DC-AC преобразо-ватель или инвертор). Каждый тип устройств имеет собственные определенные области применения.

Импульсные стабилизаторы (DC-DC конверторы), в отличие от аналогичных линейных устройств могут: 1) обеспечивать выходное напряжение, превышающее по величине входное напряжение;                    2) инвертировать входное напряжение (полярность выходного напряжения становится противоположной полярности входного напряжения).

DC-DC конверторы используют принцип  действия импульсных ИП, но применяются для того, чтобы преобразовывать одно постоянное напря-жение в другое, обычно хорошо стабилизированное. Такие преобразовате-ли используются, большей частью, там, где РЭА должна питаться от хими-ческого источника тока или другого автономного источника постоянного тока.

Интегральные DC-DC конверторы широко используются для преобразования и распределения постоянного напряжения питания, поступающего в систему от сетевого ИП или батареи. Другое распространенное применение для DC-DC конверторов, это преобразование напряжения батареи (1.5, 3.0, 4.5, 9, 12, 24 В) в напряже-ние другого номинала. При этом выходное напряжение может оставаться достаточно стабильным при значительных колебаниях напряжения бата-реи. Например, напряжение 12-ти вольтовой автомобильной аккумулятор-ной батареи в процессе работы может изменяться в пределах от 6 до 15 В.

Проведём сравнение импульсных и линейных источников питания. Несмотря на то, что линейные ИП имеют много достоинств, таких как простота, малые уровни пульсаций выходного напряжения и шума, отличные значения нестабильности по напряжению и току, малое время восстановления нормативного уровня выходного напряжения после скачкообразного изменения тока нагрузки, главными их недостатками, ограничивающими их применение являются: низкий КПД, значительные масса и габариты [13, 25].

Импульсные ИП находят широкое применение главным образом бла-годаря их значительно большой удельной мощности и большой эффектив-ности. Важным достоинством импульсных ИП является большое время удержания, то есть время, в течение которого выходное напряжение ИП остается в допустимых пределах при пропадании входного напряжения.

Особую актуальность это приобретает в цифровых вычислителях и компьютерах. Обобщенные результаты сравнения линейных и импульсных ИП представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Сравнение импульсных и линейных ИП

 

Параметр (Возможность)

Линейный ИП

Импульсный ИП

КПД

40 – 55%

60 – 80%

Средняя удельная мощность

30 Вт/дм3

130 – 150Вт/дм3

Нестабильность по входному напряжению

0,02 – 0,05%

0,05 – 1%

Пульсации выходного напряжения

0,5 – 2 мВ

25 – 100 мВ

Время восстановления

50 мкс

300 мкс

Время удержания

2 мс

30 – 35 мс

Возможность инвертирования (изменения полярности) входного напряжения

нет

есть

Возможность увеличения входного напряжения в DC-DC преобразователях

нет

есть


 

Рассмотрим элементную базу источников питания. В качестве базовых электрорадиоэлементов ИП используются: 1) электровакуумные приборы (диоды, триоды и многосеточные лампы); 2) полупроводниковые диоды, стабилитроны и стабисторы, тиристоры, транзисторы; 3) трансформаторы и дроссели (низкочастотные и высокочастотные); 4) конденсаторы (в основном оксидные, имеющие большую удельную емкость); 5) линейные интегральные микросхемы (операционные усилители, усилители низкой частоты); 6) интегральные стабилизаторы напряжения и тока (линейные и импульсные); 7) интегральные микросхемы, входящие в состав импульсных ИП (АС-DС и DС-DС конверторы, однотактные и двухтактные ШИМ – контроллеры, корректоры коэффициента мощности, специализированные схемы управления импульсными источниками вторичного электропитания); 8) элементы (устройства) индикации (лампы накаливания и светодиоды, аналоговые и цифровые индикаторы); 9) предохранители (плавкие, биметаллические, электронные).

Современная тенденция развития ИП такова, что они строятся в ос-новном с применением интегральных микросхем, а доля дискретных ак-тивных элементов в них постоянно уменьшается. Уже в 1967 была разра-ботана микросхема линейного интегрального стабилизатора μА 723, пред-ставляющая собой настоящий блок питания. Микросхема 723 содержит температурно-компенсированный источник опорного напряжения, диффе-ренциальный усилитель, последовательно включенный проходной транзи-стор и схему защиты, обеспечивающую ограничение выходного тока. Со-временные стабилизаторы имеют лучшие электрические параметры, име-ют широкий спектр функциональных возможностей, но построены на техже принципах, что и μА 723.

Отечественной и зарубежной промышленностью выпускается боль-шое число линейных интегральных стабилизаторов, рассчитанных как на фиксированное значение напряжения, так и изменяющееся в определённых пределах. Например, выходное напряжение недорогой отечественной микросхемы КР142ЕН12А может изменяться в пределах от + 1, 25 до         + 36 В. При этом она может отдавать ток в нагрузку до 1,5 А [18, 28].

Ряд линейных стабилизаторов, помимо своей основной функции, способны: 1) следить за значением входного напряжения и формировать контрольный сигнал, предназначенный для предупреждения об аварийной просадке напряжения на входе; 2) изменять выходное напряжение и выходной ток под действием управляющего сигнала; 3) совместно с резервным источником питания (аккумулятором или батареей) обеспечивать бесперебойное питание

Рассмотрим структуру линейного источника питания на примере обобщённой структурной схемы линейного источника питания              (рисунок 2.1).

Информация о работе Прецизионный термостабильный источник питания для АСУ ТП