МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РФ

ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра АВТ

Дисциплина  электроника 
 
 
 

Курсовой проект

тема: «Проектирование  стабилизированного

источника питания» 
 
 

                                         Выполнил студент: Иванова Е. В.

                                         Группа: ЭМ-31

                                         Принял: к.т.н. Сердюков Н.А. 
 
 
 
 
 

г. Вологда

2011г.

 

оглавление

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ ……………………………………………………… 3

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………… 4

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР     …………………………………………… 6

1.1  Основные параметры    ……………………………………………………. 6

1.2  Выпрямительные устройства     ………………………………………….... 7

1.3   Стабилизаторы напряжения  ……………………………………………….. 12

1.3.1  Параметрический стабилизатор …..……………………………………….. 12

1.3.2  Компенсационный стабилизатор …………………………………………….14

1.3.3  Импульсные стабилизаторы ……………………………………………….. 17

2. ВЫБОР СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ………………………………………… 20

3.  Расчет параметров компонентов структурной схемы .. 21

4.  РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА И РАСЧЕТ

ЕЕ ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТОВ ……………………………………………….. 26

4.1  Расчет выпрямителя, трансформатора и фильтра ………………….……. 26

4.1.1  Расчет выпрямителя  …………………….………………………………….. 27

4.1.2  Расчет трансформатора  ………………….…………………………………. 28

4.2  Расчет стабилизатора ………………………………………………………… 32

4.3  Расчет схемы защиты ………………………………………………………… 40

4.3  Расчет радиатора   …………………………………………………………… 41

5.  МОДЕЛИРОВАНИЕ ………………………………………………………... 42

6.  РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА ………………………... 45

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………… 46

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………... 47

ПРИЛОЖЕНИЯ  ……………………………………………………………………... 49

Приложение 1 ……………………………………………………………………... 49

Приложение 2 ……………………………………………………………………... 50

Приложение 3 ……………………………………………………………………... 52

Приложение 4 ……………………………………………………………………... 53  
Техническое задание 

      Проектирование  стабилизированного источника питания с характеристиками, соответствующими техническому заданию: 

      Условия технического задания: 

Номинальное напряжение питающей сети: U_C = 110 B

Отклонение  напряжения питающей сети от номинального: DU_C = 25%

Частота питающей сети: f = 50 Гц

Номинальное напряжение на выходе цепи: U_H = 15 B

Отклонение напряжения на выходе цепи от номинального: DU_H = 0,5%

Минимальное сопротивление нагрузки: R_{H MIN} = 5 Ом

Максимальное  сопротивление нагрузки: R_{H MAX} = 1 кОм

Коэффициент срабатывания защиты по току: K_ЗАЩ = 2

 

ВВЕДЕНИЕ

       Минувшее  десятилетие ознаменовалось резким увеличением темпов технического прогресса, научно-технической революцией во многих областях современной техники и прежде всего  в радиоэлектронике и автоматике.

       В каждом электронном устройстве имеется источник электропитания, от нормального функционирования которого зависит работоспособность всего устройства. Эти источники разнообразны, и выбор того или иного из них определяется потребляемой мощностью, видом питаемого электронного устройства, а также условиями его эксплуатации. В одних случаях источники питания конструктивно объединены с питаемым устройством, в других – отделены от него и представляют собой самостоятельную конструкцию

  Радиоэлектронная  аппаратура и приборы автоматики предъявляют весьма жесткие требования к качеству потребляемой ими электрической энергии, а в ряде случаев требуют обязательного преобразования энергии первичного источника. Поэтому одновременно с прогрессом в автоматике и радиоэлектронике происходило бурное развитие преобразовательной техники и статических средств вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, которые осуществляют необходимые преобразования электрической энергии (часто многократные), обеспечивая при этом требуемые значения питающих напряжений как постоянного, так и переменного – однофазного или многофазного – токов; электрическую изоляцию цепей питания друг от друга и от первичного источника; высокую стабильность вторичных питающих напряжений в условиях значительного изменения первичного питающего напряжения и нагрузок; требуемую форму напряжений переменного тока, постоянство сдвига их фаз и высокую стабильность их частоты и т. п.

       Полученные  в этой области качественно новые  результаты, а именно обеспечение  высокой надежности, экономичности и большого срока службы средств вторичного электропитания при их сравнительно малых габаритах и массе, обусловлены переходом на полупроводниковую элементную базу.

       В настоящее время средства вторичного электропитания представляют собой  достаточно сложные устройства, которые содержат большое количество разнообразных функциональных узлов, выполняющих те или иные функции преобразования электрической энергии и улучшения ее качества. Прогресс в разработке и совершенствовании переносных, подвижных и стационарных автономных объектов различного назначения, территориально удаленных от промышленных энергетических систем и снабженных автономными первичными источниками электрической энергии типа аккумуляторных или солнечных батарей, топливных элементов, ядерных источников и т. п., вызвал повышенный интерес инженеров и ученых к области питания радиоэлектронной аппаратуры и систем автоматики от первичной сети переменного тока.

     В итоге разработок создан обширный класс  полупроводниковых преобразовательных устройств. Согласно ГОСТ 23413-79 средством 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. Источники вторичного электропитания состоят из функциональных узлов вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры, выполняющих одну или несколько функций, например, функции выпрямления, стабилизации, усиления, регулирования и т. п. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

      1.1 Основные параметры 

      Вторичные источники питания характеризуются  рядом электрических эксплуатационных и массогабаритных параметров, которые обеспечивают их работоспособность в составе радиоэлектронных комплексов.

При проектировании источников вторичного питания (ИВЭП), а также при выборе и расчетах элементов силовой части устройства необходимо учитывать следующие  основные параметры источника первичного напряжения:

• Номинальное значение напряжения питающей сети переменного или постоянного тока.
• Максимальное и минимальное значения напряжения питающей сети.
• Амплитуды и длительности провалов и выбросов напряжения питающей сети.
• Пределы изменения частоты питающей сети.
• Число фаз питающей сети.

   ИВЭП  характеризуется также рдом выходных электрических параметров, которые  обеспечивают возможность их применения в составе радио-электронной аппаратуры различного назначения. К основным электрическим параметрам ИВЭП могут быть отнесены:

• Номинальное значение выходного напряжения (тока).
• Граничные минимальные и максимальные значения пределов регулирования или изменения выходного напряжения (тока).
• Нестабильность выходного напряжения (тока), определяемая отношеним изменения выходного напряжения (тока), вызванного различными дестабилизирующими факторами. (изменение входного напряжения, сопротивления нагрузки, климатических условий и т.д.)
• Допустимый размах переменной составляющей выходного напряжения.
• Допустимая амплитуда выброса выходного напряжения при скачкообразном уменьшении тока нагрузки.
• Коэффициент полезного действия, определяемый отношением мощности, отдаваемой ИВЭП в нагрузку, к мощности, потребляемой от источника первичного питания.
• Коэффициент мощности, определяемый отношением активной мощности, потребляемой от сети переменного тока, к полной мощности.
• Длительность процесса установления выходного напряжения, отсчитываемая от момента включения.

   К ИВЭП предъявляются также специальные  требования, которые указываются в техническом задании на разработку, к ним, как правило, относятся:

• Обеспечения электронной защитой как самого источника питания, так и потребителей.
• Обеспечение гальванической развязки выходных цепей питания и шин источника первичного напряжения.
• Дистанционное управление источником питания.
• Получение минимальных массы и габаритов источника питания либо максимально возможного КПД; непревышение установленного уровня потребляемой мощности.

      1.2  Выпрямительные устройства

      Выпрямитель является статическим преобразователем переменного тока в постоянный, у которого выходное выпрямленное напряжение изменяется при изменении входного напряжения питания или тока нагрузки.

      В источниках вторичного электропитания находят применение  нерегулируемые и регулируемые выпрямители, выполненные на полупроводниковых приборах: диодах, тиристорах или транзисторах.

      Выпрямители нерегулируемые выполняются по схеме  приведенной на рис. 1.1.  Его основными  элементами являются трансформатор, электрические  вентили и сглаживающий фильтр.

      

      Рис. 1.1 Нерегулируемый выпрямитель

        рис. 1.1 структурная схема нерегулируемого  выпрямителя

      Тр – трансформатор, В – электрические вентили, Ф – сглаживающий фильтр.

      Выходное  постоянное напряжение не регулируется внешними органами; оно может быть незначительно уменьшено или увеличено скачком за счет соответствующей перепайки отводов обмоток трансформаторв, если они предусмотрены на нем. Трансформатор в схеме выпрямителя не только устанавливает требуемый уровень выпрямленного напряжения, но и обеспечивает гальваническую развязку и электрическую изоляцию выходных цепей от первичной сети питания.

      Выпямители  регулируемые выполняются на тиристорах. На рис. 1.2 приведена структурная  схема регулируемого выпрямителя, в состав которой входят силовой  трансформатор (Тр), на вход которого подается переменное напряжение питающей сети, регулирующие вентили – тиристоры (ВР), схема управления включения тиристоров (СУ) и сглаживающий фильтр (Ф).  

        
 
 
 

      1.2 Регулируемый выпрямитель