Разработка логического модуля с питанием от сети

U2 ,I2– напряжение и ток вторичных обмоток трансформатора;

Ud,Id– среднее напряжения и тока на выходе СВ (при отсутствии фильтра);

fп– частота пульсаций выпрямленного напряжения;

KПсв–коэффициент пульсаций СВ (при отсутствии фильтра).

2. Расчет параметров фильтра и выбор конденсаторов для его реализации.

Рассчитаем минимальное и максимальное значения напряжения нагрузки:

Рассчитаем минимальное значение сопротивления нагрузки:

Значение частоты пульсаций выпрямленного напряжения определим, воспользовавшись справочной таблицей (приложение 1): fп =2∙f1=100 Гц. Для расчета требуемой емкости фильтра воспользуемся методикой его расчета, основанной на разложении сигнала в ряд Фурье.  Расчетная формула имеет вид:

0,0085 Ф =8 500 мкФ.

При выборе конденсаторов для реализации фильтра учитываем, что необходимую емкость фильтра можно обеспечить параллельным соединением нескольких конденсаторов, при этом емкость фильтра будет равна суммарной емкости всех конденсаторов, а рабочее напряжение выбранных конденсаторов должно быть больше максимального напряжения нагрузки. Этим условиям отвечает фильтр, из 2 конденсаторов типа К50-24-4700 мкФ ± 10% с рабочим напряжением 25 В. При этом емкость фильтра составит 9 400 мкФ.

 

3. Расчет параметров схемы выпрямления и выбор диодов для ее реализации.

Тип СВ определен заданием на проектирование. Для заданной СВ определяем по прил.1 максимальное значение обратного напряжения 
UVDобр,max = UHmax = 15B.

СВ содержит 2 диода, причем через каждый из них протекает половина составляющей тока нагрузки. Для каждого из диодов максимальное теоретическое значение тока равно

При выборе диодов рекомендуется вводить в расчеты коэффициент запаса по токуи напряжению 1,2÷1,5.

Следовательно, условиям расчета будут удовлетворять диоды с максимально допустимым прямым током свыше 0,5∙1,5 = 0,75 А и с максимально допустимым обратным напряжением свыше 15 В.

Данным условиям отвечают диоды типа КД213А 2шт. со следующими параметрами: , , Uпр = 1 В.

4. Расчет параметров трансформатора и выбор его типа.

Рассчитаем максимальную мощность, потребляемую нагрузкой

По соотношению определим требуемую габаритную мощность трансформатора, где - коэффициент использования трансформатора при работе с однофазной двухполупериодной СВ со средней точкой (прил.1).

Рассчитаем минимальное и максимальное значения действующего напряжения на вторичных обмотках трансформатора при идеальных параметрах элементов:

Трансформатор для заданного типа СВ должен содержать 2 полуобмотки, причем через каждую из них протекает ток, равный току через каждый диод с учетом коэффициента запаса по току .

Следовательно, условиям проектирования будет отвечать трансформатор, габаритная мощность которого превышает 22,4 ВА, напряжение на двух вторичных полуобмотках с учетом возможного соединения секций лежит в пределах , а допустимый ток в обмотках должен быть больше 0,75 А.

Данным условиям отвечает трансформатор марки ТПП-254-127/220-50 со следующими параметрами: Sгаб= 31 ВА; I2max = 1,76 A;соединение секций вторичных обмоток позволяет получить 2 полуобмотки с напряжением 
U2 =5+2,5+1,34 = 8,84 В, а на первичной обмотке набирается напряжение 
U1 = 220 В. Схема соединений обмоток представлена на принципиальной электрической схеме источника питания (Приложение5).

Для построения выходной характеристики источника питания определим коэффициент трансформации для данной схемы соединения обмоток

КТ=U2/U1 = 8,84/220 = 0,04.

Рассчитаем активное сопротивление первичной обмотки трансформатора 

RT1 = (uk∙U1)/ (100%∙KT∙I2max) = (5∙220)/(100∙0,04∙1.76) = 156Ом, где: 
I2max= 1,76 А – максимально допустимое значение тока во вторичных обмотках трансформатора ТПП-254-127/220-50;

uk= 5% - напряжение короткого замыкания данного трансформатора.Определяем активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной стороне, т.е. внутреннее сопротивление источника питания:

RT2 = (KT)2∙RT1= 0,042∙156 = 0,25 Ом.

Следовательно, уравнение внешней характеристики источника питания UH =f(IH) будет иметь вид UH(IH) = UНхх - RT2∙IH , где UНхх- напряжение холостого хода источника питания.

 

5. Построение областей допустимых и возможных значений внешней характеристики источника питания.

Допустимые требуемые значения напряжения нагрузки лежат в пределах

UH = UHmin÷UHmax = 7.5÷15B.

Верхний и нижний теоретический предел возможных значений будут определяться напряжением холостого хода и наклоном выходной характеристики трансформатора.

Максимальное значение напряжения холостого хода определяется по формуле 
UНхх,max= U1max∙КТ∙ = 225∙0,04∙ = 12,72 В,при этом потери напряжения на схеме выпрямления считаются нулевыми. Следовательно, уравнение верхней границы возможных значений внешней характеристики источника питания примет видUНmax (IH) = UНхх,max - RT2∙ IH = (12,72– 0,25∙ IH) В.

Минимальное значение напряжения холостого хода определяется по формулеUНхх,min= U1min∙КТ∙ = 215∙0,04∙ = 12,12 В,при этом потери напряжения на схеме выпрямления считаются максимальными (Приложение 1). Следовательно, уравнение нижней границы возможных значений внешней характеристики источника питания будет иметь вид:

UНmin(IH) = (UНхх,min - RT2∙IH) – UПОТ,СВ = ((12,12 – 0,25∙IH) -1) =((11,12 – 0,25∙IH) В.

Графики границ значений внешней характеристики, построенные в программе Mathcad, приведены на рис.5. Из графиков следует, что теоретически возможные средние значения внешней характеристики лежат внутри области допустимых значений, что подтверждает правильностьрасчетов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5

6. Моделирование работы источника питания в программе Electronics Workbench (EWb).

Моделирование производится для определения максимально возможного теоретического значения коэффициента пульсаций. Этот случай будет иметь место при UНхх,min = 11,12 В и при RHmin= 7,5 Ом, причем в качестве входного напряжения следует брать действующие значения напряжений на вторичных обмотках трансформатора, которые определяютсяпо формуле:

U2min = UНхх,min/ = 11,12/ = 7,9 В.

Результаты моделирования представлены на рис.6, из которых следует, что среднее значение напряжения нагрузки Uмод =9,8 В, а размах колебаний относительно нуля при этом составляет 0,55 В. Определяем значение коэффициента пульсаций модели

КПмод= =

Моделирование показывает, что значение коэффициента пульсаций отвечает исходным данным (Рис.6).

 

Рис.6

 

2. Разработка принципиальной электрической схемы второго канала питания.

1. Постановка задачи на проектирование.

Исходные данные:

Uн = 36 В ± 20%;

Iнmax = 1A;

Кп = 0,06;

U1 = 220 ±5 В;

f1= 50 Гц.

где: Uн – напряжение нагрузки; Iнmax – максимальный ток нагрузки; Кп– коэффициент пульсаций напряжения нагрузки; U1- напряжение сети питания; f1 – частота напряжения сети питания.

Тип схемы выпрямления: однофазная двухполупериодная со средней точкой, тип фильтра – емкостной.

Функциональная схема нестабилизированного источника питания постоянного тока представлена на рис.7.

На рис.7 обозначено:

Тр – трансформатор;

СВ – схема выпрямления;

Ф – фильтр;

VD– идеальный диод, присутствующий в схеме при расчетах, необходимый для условного разделения  напряжений на выходах схемы выпрямления и фильтра;

I1– ток в первичной обмотке трансформатора;

U2 ,I2– напряжение и ток вторичных обмоток трансформатора;

Ud,Id– среднее напряжения и тока на выходе СВ (при отсутствии фильтра);

fп– частота пульсаций выпрямленного напряжения;

KПсв–коэффициент пульсаций СВ (при отсутствии фильтра).

2. Расчет параметров фильтра и выбор конденсаторов для его реализации.

Рассчитаем минимальное и максимальное значения напряжения нагрузки:

Рассчитаем минимальное значение сопротивления нагрузки:

Значение частоты пульсаций выпрямленного напряжения определим, воспользовавшись справочной таблицей (приложение 1): fп =2∙f1=100 Гц. Для расчета требуемой емкости фильтра воспользуемся методикой его расчета, основанной на разложении сигнала в ряд Фурье.  Расчетная формула имеет вид:

0,0018 Ф = 1 800 мкФ.

При выборе конденсаторов для реализации фильтра учитываем, что необходимую емкость фильтра можно обеспечить параллельным соединением нескольких конденсаторов, при этом емкость фильтра будет равна суммарной емкости всех конденсаторов, а рабочее напряжение выбранных конденсаторов должно быть больше максимального напряжения нагрузки. Этим условиям отвечает фильтр, из 1 конденсатора типа К50-24-2200 мкФ ± 10% с рабочим напряжением 40 В. При этом емкость фильтра составит 2 200 мкФ.

3. Расчет параметров схемы выпрямления и выбор диодов для ее реализации.

Тип СВ определен заданием на проектирование. Для заданной СВ определяем по прил.1 максимальное значение обратного напряжения 
UVDобр,max = UHmax = 43,2B.

СВ содержит 2 диода, причем через каждый из них протекает половина составляющей тока нагрузки. Для каждого из диодов максимальное теоретическое значение тока равно

При выборе диодов рекомендуется вводить в расчеты коэффициент запаса по току и напряжению 1,2÷1,5.

Следовательно, условиям расчета будут удовлетворять диоды с максимально допустимым прямым током свыше 1,5∙0,5 = 0,75 А и с максимально допустимым обратным напряжением свыше 43,2В.

Данным условиям отвечают диоды типа КД213А 2шт. со следующими параметрами: , , Uпр = 1 В.

 

4. Расчет параметров трансформатора и выбор его типа.

Рассчитаем максимальную мощность, потребляемую нагрузкой

По соотношению определим требуемую габаритную мощность трансформатора, где - коэффициент использования трансформатора при работе с однофазной двухполупериодной СВ со средней точкой (прил.1).

Рассчитаем минимальное и максимальное значения действующего напряжения на вторичных обмотках трансформатора при идеальных параметрах элементов:

Трансформатор для заданного типа СВ должен содержать 2 полуобмотки, причем через каждую из них протекает ток, равный току через каждый диод с учетом коэффициента запаса по току .

Следовательно, условиям проектирования будет отвечать трансформатор, габаритная мощность которого превышает 64 ВА, напряжение на двух вторичных полуобмотках с учетом возможного соединения секций лежит в пределах , а допустимый ток в обмотках должен быть больше 0,5 А.

Данным условиям отвечает трансформатор марки ТПП-282-127/220-50 со следующими параметрами: Sгаб=72 ВА; I2max = 0,815 A;соединение секций вторичных обмоток позволяет получить 2 полуобмотки с напряжениемU2 =24 В, а на первичной обмотке набирается напряжение  
U1 = 220 В. Схема соединений обмоток представлена на принципиальной электрической схеме источника питания (Приложение5).

Для построения выходной характеристики источника питания определим коэффициент трансформации для данной схемы соединения обмоток

КТ=U2/U1 = 24/220 = 0,109.

Рассчитаем активное сопротивление первичной обмотки трансформатора

RT1 = (uk∙U1)/ (100%∙KT∙I2max) = (5∙220)/(100∙0,109∙1) = 100,9Ом, где: 
I2max= 1 А – максимально допустимое значение тока во вторичных обмотках трансформатора ТПП-282-127/220-50;

uk= 5% - напряжение короткого замыкания данного трансформатора.Определяем активное сопротивление обмоток трансформатора, приведенное ко вторичной стороне, т.е. внутреннее сопротивление источника питания:

RT2 = (KT)2∙RT1= 0,1092∙100,9 = 1,19 Ом.

Следовательно, уравнение внешней характеристики источника питания UH =f(IH) будет иметь вид

UH(IH) = UНхх - RT2∙IH , где UНхх- напряжение холостого хода источника питания.

5. Построение областей допустимых и возможных значений внешней характеристики источника питания.

Допустимые требуемые значения напряжения нагрузки лежат в пределах  
UH = UHmin÷UHmax = 19,2÷28,8B.

Верхний и нижний теоретический предел возможных значений будут определяться напряжением холостого хода и наклоном выходной характеристики трансформатора.

Максимальное значение напряжения холостого хода определяется по формулеUНхх,max= U1max∙КТ∙ = 225∙0,109∙ = 34,6 В,при этом потери напряжения на схеме выпрямления считаются нулевыми. Следовательно, уравнение верхней границы возможных значений внешней характеристики источника питания примет видUНmax (IH) = UНхх,max - RT2∙ IH = (34,6– 1,19∙ IH)В.

Минимальное значение напряжения холостого хода определяется по формулеUНхх,min= U1min∙КТ∙ = 215∙0,109∙ = 33,14 В,при этом потери напряжения на схеме выпрямления считаются максимальными (Приложение 1). Следовательно, уравнение нижней границы возможных значений внешней характеристики источника питания будет иметь вид:

UНmin(IH) = (UНхх,min - RT2 ∙IH) – UПОТ,СВ = ((33,14 – 1,19∙IH) -1) =((32,14 – 1,19 ∙IH) В.

Графики границ значений внешней характеристики, построенные в программе Mathcad, приведены на рис.8. Из графиков следует, что теоретически возможные средние значения внешней характеристики лежат внутри области допустимых значений, что подтверждает правильностьрасчетов.