Теоретическое введение

Вторичный источник питания — это устройство, предназначенное для обеспечения питания электроприбораэлектрической энергией, при соответствии требованиям её параметров: напряжения, тока, и т. д. путём преобразования энергии других источников питания.

Функционально его устройство можно представить следующим образом:

Для преобразования напряжения питания до нужной величины используется силовой трансформатор — стационарный прибор с двумя или более обмотками, который посредством электромагнитной индукции преобразует систему переменного напряжения и тока в другую систему переменного напряжения и тока, как правило, различных значений при той же частоте в целях передачи электроэнергии без изменения её передаваемой мощности.

Схематически обозначается следующим образом:

Самым важным параметром трансформатора для данной задачи является коэффициент трансформации, который рассчитывается по формуле:

Для преобразования переменного тока в постоянный используется выпрямитель— преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

В зависимости от количества выпрямленных полупериодов питающего напряжения схемы выпрямителей делятся на однотактные и двухтактные.

По числу фаз выпрямленного напряжения делятся на однофазные, двухфазные, трехфазные.

В разработанной схеме будет использована однофазная двухтактная схема выпрямления, которая состоит из четырех силовых диодов, включенных в мостовой схеме:

Параметрами, существенными для решаемой задачи являются максимальное обратное напряжение и максимальный прямой ток диодов.

После выпрямления ток будет одного знака, но пульсирующим. Величина пульсаций равна амплитуде колебаний на входе выпрямителя. Избавиться от пульсаций поможет сглаживающий фильтр — устройство для сглаживания пульсаций после выпрямления переменного тока диодным мостом. Простейшим сглаживающим фильтром является электролитический конденсатор, установленный на схеме параллельно нагрузке, соблюдая полярность конденсатора.

Расчет емкости конденсатора производится по формуле:

, где

— средний ток, мА;

— частота питающего напряжения, Гц;

— требуемая величина пульсаций, В.

Такую же задачу частично выполняет стабилизатор, поэтому задача сглаживающего фильтра – уменьшить пульсации до 10% от изначального значения.

Поскольку напряжение на входе ВИП может изменяться в пределах 10%, устройство нуждается в стабилизаторе напряжения — преобразователе электрической энергии, позволяющему получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения.

Основной характеристикой этого компонента является коэффициент стабилизации:

Схема простейшего стабилизатора напряжения приведена на следующем рисунке:

Состоит из двух элементов:

Стабилитрон — полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме электрического пробоя.

Балластное сопротивление — сопротивление, включаемое в цепь для поглощения излишнего напряжения.

Важные для данной задачи параметры стабилитрона — это напряжение стабилизации, минимальный и максимальный ток стабилизации.

Расчет величины балластного сопротивления производится по формуле:

Далее следует проанализировать величину тока, протекающего через нагрузку. Если она превышает верхнюю границу рабочей области стабилитрона – ВИП нуждается в усилителе тока (буферном усилителе).

В качестве буферного усилителя можно используется биполярный транзистор, включенный в схему как эмиттерный повторитель.

Такая схема включения транзистора характеризуется высоким усилением по току и коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице.

Параметры, важные для данной задачи — коэффициент передачи по току, максимальный коллекторный ток и максимальное напряжение между эмиттером и коллектором транзистора.

Ход работы

1. Параметры потребителя:

Ток нагрузки достаточно большой – в схему следует включить буферный усилитель.

2. Общая схема вторичного источника питания:

Устройство предназначается для обеспечения питания нагрузки, расчёт будет производиться справа налево (от нагрузки к источнику входного напряжения).

3. Стабильное напряжение величиной 12В нагрузке предоставит стабилизатор, но он не способен дать требуемый ток, поэтому данную задачу возьмет на себя буферный усилитель. Требуется согласовать эти два устройства между собой.

Такое напряжение на входе усилителя, а соответственно и на выходе стабилизатора может обеспечить стабилитрон КС215Ж, параметры которого:

4. Параметры усилителя

Используемый транзистор имеет n-p-n структуру.

Для того, чтобы стабилитрон работал в номинальном режиме допустим, что ток базы равен номинальному току стабилизации.

Первое, что требуется рассчитать – это коэффициент передачи по току транзистора, он должен быть не меньше расчетного значения:

При этом накладываются ограничения:

В данном случае подойдут следующие транзисторы:

Модель	Uкэ, B	Iкmax,A	Hfe
2N1137			75/170
2N3515		0.5	50/200
2N1194		0.2

Для обеспечения работы устройства в режиме холостого хода, необходимо в эмиттерную цепь, параллельно нагрузке, включить сопротивление большой величины.

5. Стабилизатор

Для расчета балластного сопротивления необходимо знать величину напряжения на входе стабилизатора.

По условию, входное напряжение колеблется в пределах 10 процентов, поэтому на стабилизатор следует подать напряжение с запасом, а излишек погасить на балластном сопротивлении. Примем эту величину равную 23 вольтам.

Отсюда:

Из ряда допустимых значений

Мощность, рассеиваемая этим сопротивлением

.

Следует выбирать сопротивление мощностью 0,125 Вт.

6. Сглаживающий фильтр.

Ток, протекающий через конденсатор:

Величина емкости из ряда допустимых значений:

Ограничения, накладываемые при выборе конденсатора:

Выпрямитель:

7. Диоды подбираются по следующим критериям:

Таблица рекомендуемых моделей диодов:

Модель	Iпр, А	Uобр, В
КД128А	0.16
КД103А	0.1
2Д121А	0.1
КД102А	0.1

8. Завершающим элементом является трансформатор. Его коэффициент трансформации рассчитывается как отношение количества витков на вторичной обмотке к количеству витков на первичной обмотке, однако на практике удобней использовать отношение напряжений на первичной и вторичной обмотках:

Чтобы трансформатор смог обеспечить ВИП напряжением и током необходимой величины, его мощность должна быть не меньше мощности нагрузки (2 Вт.), а лучше чтобы она была взята с запасом, чтобы перекрыть потери при рассеивании мощности всеми радиодеталями.

Вывод: был рассчитан вторичный источник питания, преобразующий входной переменный синусоидальный ток с напряжением 220В и частотой 50Гц в постоянный ток с напряжением 15В, предназначенный для питания нагрузки мощностью 2Вт.

Предварительный анализ нагрузки показал, что схема нуждается в таком функциональном элементе как буферный усилитель.

Для обеспечения требуемых выходных параметров тока расчет производился от нагрузки к источнику питания.

Поочередный анализ каждого функционального элемента ВИП позволил подобрать каждую радиодеталь нужного номинала или модели, в соответствии с накладываемыми на нее ограничениями.

Для транзисторов и диодов приведены соответствующие таблицы с рекомендуемыми к использованию моделями полупроводниковых устройств.

Министерство образования и науки Украины

Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского

“Харьковский авиационный институт”

Кафедра 301

Пояснительная записка к расчетной работе

по дисциплине «Основы электроники и схемотехники»

ХАИ.070102. 321.03.

Исполнитель: студент 321гр.

Громенко В.А.

“___”_______________

Руководитель: к.т.н.,доц.

Зимовин А.Я.

“___”_______________

Харьков, 2014

Дата добавления: 2015-11-16