Файл: Проектирование и изготовление блока питания для радиоэлектронной аппаратуры согласно выданному заданию.docx
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 3052
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Ивановский государственный политехнический университет»
Кафедра автоматики и радиоэлектроники
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине «Источники вторичного электропитания»
на тему:
«Проектирование и изготовление блока питания для радиоэлектронной
аппаратуры согласно выданному заданию»
Расчетно-пояснительная записка
Код, направление подготовки 11.03.01 Радиотехника
Профиль подготовки Производственная и бытовая
радиоэлектронная аппаратура
Выполнил Миногин Д.А.
Группа РТ-21
Форма обучения Очная
Принял к.т.н., доцент ХХХХХХХ
Иваново 2023
1. Содержание
2. Задание на проектирование
3. Обоснование и выбор схемы блока питания.
4. Проектирование и расчет элементов стабилизатора. Выбор
элементов, входящих в состав стабилизатора.
5. Расчет сглаживающего фильтра и выбор элементов фильтра.
6. Расчет выпрямителя блока питание и выбор диодов.
7. Расчет силового трансформатора.
8. Проектирование печатной платы.
9. Протокол испытания блока питания.
10. Заключение о соответствии блока питания заданию.
11. Литература
12. Приложения
12.1. Принципиальная схема блока питания.
12.2. Печатная схема блока питания.
12.3. Таблица с перечнем использованных компонентов.
12.4. Протокол испытаний источника питания.
2. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
ПО ИСТОЧНИКАМ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ.
Разработать схему, произвести расчет и выбор элементов схемы, включая трансформатор, выпрямитель, фильтры и стабилизатор, а так же изготовить работающий источник постоянного напряжений, включая печатную плату, согласно ниже приведенного варианта задания.
| № варианта | Фамилия студента | Напряж. сети UCЕТИ, В | Постоянное стабилизированное напряжение и ток. | ||
| UО, B | IО, A | КПУЛЬС, не более | |||
| 13 | Миногин Д.А. | 230±10% | 16±0.5 | 3 | 0.05 |
3. Обоснование и выбор схемы источника.
Источники питания радиоэлектронной аппаратуры предназначены для получения необходимого для работы электронных схем постоянного напряжения. Задача источника питания РЭА преобразовать переменное сетевое напряжение в необходимое по величине и качеству постоянное напряжение.
В настоящее время для получения постоянного напряжения используют два основных способа преобразования сетевого напряжения в сглаженное постоянное напряжение.
Классический, более старый вариант способ, предлагает следующую последовательность преобразования переменного напряжения сети в необходимое по величине постоянное напряжение.
1. Трансформация переменного сетевого напряжения в обычно пониженное переменное напряжение. Трансформация осуществляется на частоте сети (50 или 60Гц) с помощью силового трансформатора.
2. Выпрямление пониженного переменного напряжения в полупроводниковых выпрямителях.
3. Сглаживание полученного выпрямленного напряжения с целью уменьшения пульсации выпрямленного напряжения.
4. При необходимости может происходить дополнительная стабилизация выпрямленного напряжения в стабилизаторах различных типов.
Источник питания, выполненный по этой схеме, достаточной прост в исполнении, но имеет большие габариты и вес по сравнению с современными инверторными преобразователями.
Современные инверторные преобразователи используют другую последовательность преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное напряжение.
1. На первом этапе этих источниках происходит выпрямление сетевого напряжение частотой 50-60 Гц и сглаживание выпрямленного напряжения с помощью емкостного фильтра.
2. Полученное постоянное напряжение величиной 200-400В подается на полупроводниковый инвертор, который снова превращает постоянное напряжение в переменное, но с очень большой частотой (до 100 кГц).
3. Полученное переменное напряжение поступает на высокочастотный трансформатор, где понижается или повышается до нужной величины.
4. К вторичной обмотке трансформатора подключают выпрямитель и сглаживающий фильтр. За счет высокой частоты переменного напряжения после инвертора удается значительно уменьшить вес и габариты трансформатора и сглаживающего фильтра. Инвертор, при необходимости, за счет обратных связей может дополнительно стабилизировать выходное напряжение. Реализации такого источника более сложная техническая задача, в первую очередь из-за наличия в источнике инвертора.
Я останавливаюсь на следующей классической структурной схеме блока питания:
1. Понижающий силовой трансформатор, работающий от сети 110В, который понижает переменное напряжение до необходимой величины
2. Пониженное переменное напряжение будет выпрямляться мостовым двухполупериодным выпрямителем.
3. Выпрямленное напряжение сглаживается емкостным фильтром С.
4. Сглаженное постоянное напряжение подается на стабилизатор, на выходе которого будет получено заданное напряжение 12В.
Рис 1. Типовая схема источника питания постоянным напряжением
4. Проектирование и расчет элементов стабилизатора. Выбор элементов, входящих в состав стабилизатора.
Напряжение на выходе стабилизатора должно быть 16В. Напряжение на опорном стабилитроне VD, который задает это напряжение можно определить по формуле:
UСТАБИЛИТРОНА = UВЫХ.СТАБИЛИЗАТОРА + 0,65В
для схемы с одним выходным регулирующим транзистором (рис.1)
Дополнительное напряжение 0,65В учитывает падение напряжения в регулирующем транзисторе
UСТАБИЛИТРОНА = UВЫХ.СТАБИЛИЗАТОРА + 1,3В
Для схемы с составным (двойным) выходным регулирующим транзистором (рис.2).
Рис.2. Типовая схема источника питания постоянным напряжением с составным выходным транзистором.
Для первого случая напряжение на стабилитроне должно быть 16,65В, для второго 17,3В.
Подбираем стабилитрон на необходимое напряжение. Среди отечественных стабилитронов серии КС может подойти стабилитроны типа КС216Ж на 16В (15,2-16,8В) или КС508В на 16В (15,3-17,1В). Но ток стабилизации через эти стабилитроны очень маленький – всего 8 мА. Чтобы на выходе стабилизатора получить ток 3А нужно усилить ток стабилитрона 8 мА в 375 раз. Это потребует многокаскадного усиления.
Поэтому более выгодно сделать составной стабилитрон из двух или трех последовательно включенных стабилитронов на меньшее напряжение, но большие токи. При этом их напряжения стабилизации будут складываться.
Но чтобы стабилитроны при этом равномерно нагревались, необходимо подобрать стабилитроны с примерно одинаковыми токами стабилизации. Наиболее оптимальным будет последовательное включение трех стабилитронов типа КС456А1 с напряжениями стабилизации 5.04-6.16В и номинальным током 36 мА - 3*5,6=16,8В.
Основные характеристики стабилитрона:
Напряжение стабилизации 5,04…5,6…6,16В
Минимальный ток стабилизации Imin - 3 мА
Максимальный ток стабилизации Imax – 142мА
Рассеиваемая мощность PMAX < 1Вт
Рабочий ток стабилитрона:
Iстаб.раб= (Imax – Imin)/2 = (142-3)/2 = 69,5 мА.
Принимаю рабочий ток Iстаб.раб=60 мА = 0,06А.
Рассеиваемая мощность на одном стабилитроне:
Рст =Uст* Iстаб.раб =5,6В*0,06А = 0,336Вт < 1,0Вт
Необходимый минимальный коэффициент усиления выходных транзисторов
Kус = Io/Iстаб.раб = 3/0,06 =50
Необходимый коэффициент Kус=50 получить за счет только одного транзистора большой мощности (Iэм>3A) практически сложно. Например, транзистор КТ819 имеет коэффициент передачи тока h21э не более 20.
Поэтому принимаю за основу схему рис.2 с составным выходным каскадом на двух транзисторах. Выходной транзистор Т1 - КТ819Б в пластиковом корпусе ТО-220. Основные параметры транзистора этого приведены ниже:
| Структура транзистора | n-p-n |
| Максимальный постоянный ток коллектора, Iomax, А | 10 |
| Напряжение коллектор –эмиттер, макс, Uокэ, В | 40 |
| Напряжение эмиттер-база, макс, Uокэ, В | 5 |
| Максимальная рассеиваемая мощность с радиатором, Рмах, Вт | 60 |
| Максимальная рассеиваемая мощность без радиатора, Рмах, Вт | 1,5 |
| Статический коэффициент передачи тока транзистором для схемы с общим эмиттером h21Э | 20 |
Рис. 3. Транзистор КТ819 в корпусе ТО-220
При выходном токе стабилизатора и транзистора 3А, ток базы этого транзистора будет не менее:
Iб1 =Iвых/h21Э =3А/20 = 0,15А
Минимальный коэффициент усиления тока второго транзистора должен быть
h21Э(2) = Iб1/ Iстаб.раб = 0,15А/0,06 > 2,5
Поэтому в качестве транзистора VТ2 для предварительного усиления тока стабилитрона выбираю транзистор с максимальным током примерно 0,5-1А, с n-p-n структурой, например КТ807(0,5А) или КТ 815 (1,5А)
Выбираю транзистор КТ815 , так как он в настоящее время более распространен, чем КТ807.
Основные характеристики транзистора КТ815Б
| Структура транзистора | n-p-n |
| Максимальный постоянный ток коллектора, Iomax, А | 1,5 |
| Напряжение коллектор –эмиттер, макс, Uокэ, В | 45 |
| Напряжение эмиттер-база, макс, Uокэ, В | 5 |
| Максимальная рассеиваемая мощность с радиатором, Рмах, Вт | 10 |
| Максимальная рассеиваемая мощность без радиатора, Рмах, Вт | 1,0 |
| Статический коэффициент передачи тока транзистором для схемы с общим эмиттером h21Э | 40 |
Рис. 4. Транзистор КТ815
В результате получаем следующую схему стабилизатора (рис 5)
Рис . 5. Выбранная схема стабилизатора напряжения
Определяем окончательно напряжение, необходимое на стабилитроне
UСТАБИЛИТРОНА = UВЫХ.СТАБИЛИЗАТОРА + 1,3В = 16В +1,3В =17,3В
для схемы с составным (двойным) выходным регулирующим транзистором.
Стабилитрон VD будет состоять из трех последовательно включенных стабилитронов КС456А1.
При сборке и настройке схемы стабилизатора будет необходимо подобрать из партии стабилитронов КС456А1, имеющих обычно разброс напряжения стабилизации, стабилитроны с напряжением стабилизации 5,75-5,85В.
Рассчитываем необходимое напряжение на входе стабилизатора
Минимально необходимое напряжение для работы стабилизатора:
UВХ.СТАБИЛИЗАТОРА MIN = UСТАБИЛИТРОНА +1B =17,3+1=18,3B
Чтобы обеспечить нормальную работу стабилизатора при изменении напряжения в сети на ± 10% необходим запас напряжения на входе как минимум еще на 10% , т.е. еще на 1,83В. То есть минимум 18,03В. Принимая во внимание пульсацию входного напряжения после фильтра (Кп = 0,05) – поднимаем напряжение еще на 5%. (+1,92В).
В итоге минимально на входе стабилизатора должно быть 19.95В.
Поэтому принимаю напряжение на входе равное 20В.
Это напряжение должно быть на выходе выпрямителя и емкостного фильтра.
Осталось рассчитать сопротивление Rб, которое обеспечивает рабочий ток стабилитронов.
Rб = (Uвход