Стабілізоване джерело живлення. Курсова робота з Схемотехніка комп’ютерів. Робота № 521111

Перехід до торгівельного партнера Binance

Стабілізоване джерело живлення

Інформація про навчальний заклад

ВУЗ:

Національний університет Львівська політехніка

Інститут:

Інститут комп’ютерних технологій, автоматики та метрології

Факультет:

Не вказано

Кафедра:

Не вказано

Інформація про роботу

Рік:

2012

Тип роботи:

Курсова робота

Предмет:

Схемотехніка комп’ютерів

Завантажити

Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):

ЗМІСТ Технічне завдання…………………………………………………………………….……... 3 Вступ………………………………………………………………………..…..................... 4 Стабілізатори напруги…….………………….………………………….…..…. 5 Параметричні стабілізатори напруги.……………….………….…...... 5 1.2 Компенсаційні стабілізатори напруги…………………….…….…..... 7 Синтез структурної схеми.………………………………….……………......... 8 Структурна схема………… …………………………………………….……... 13 Розрахунок принципової схеми…………………………….………….….…... 14 Розрахунок стабілізатора…………….………………………………... 14 Розрахунок фільтра……………………………………………………. 18 Розрахунок випрямляча……………………….……..………………... 18 Розрахунок трансформатора………………………………………….. 19 Моделювання……………………….………………………………………….. 21 Додаток 1...…………………………………………………………………………….…... 22 ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ Розробити стабілізоване джерело живлення постійної напруги з такими технічними характеристиками: Номінальна вихідна напруга - Номінальний струм навантаження - Мінімальний струм навантаження - Напруга мережі живлення - Частота мережі живлення - Коефіцієнт стабілізації - Напруга пульсацій - Відхилення напруги мережі живлення - Температура експлуатації - ВСТУП Джерело живлення - елемент електричного кола, в якому зосереджена електрорушійна сила. Джерела живлення характеризуються значенням електрорушійної сили і внутрішнього опору. До джерел живлення належать гальванічні елементи, електрохімічні батареї, акумулятори, термопари, сонячні батареї, електричні генератори, тощо. В залежності від електрорушійної сили джерела живлення поділяють на джерела живлення постійного струму і джерела живлення змінного струму. Розрізняють первинні джерела живлення, які безпосередньо перетворюють інші види енергії в електричну і вторинні джерела живлення, які виконують роль проміжних перетворювачів електричної енергії, такі як блоки живлення електронних приладів, трансформатори, тощо. Блок живлення - пристрій, призначений для формування напруги, що необхідна системі, з напруги електричної мережі. У побуті найчастіше блок живлення перетворює напругу 220 В частотою 50 Гц (в Україні та багатьох інших країнах саме таку напругу та частоту має побутова електромережа) в заданий постійний струм. Стабілізоване джерело живлення - це елемент електричного кола який стабілізує електричну енергію. На наш час електроніка дуже швидко розвивається. В своєму розвитку вона має два напрями: 1 Інформаційний - до нього належать електронні засоби та системи вимірювання, контролю і керування різними технологічними процесами на виробництві, науці, медицині… Основними видами є індикаторні пристрої, лічильники, логічні схеми, генератори напруг тощо. 2 Силовий (енергетичний) напрям пов'язаний із перетвореннями змінного і постійного струмів для потреб електроенергетики, металургії, хімії… Основними видами є випрямлячі, інвертори, керовані перетворювачі. Електронні системи за способом формування і передавання сигналів керування поділяють на два класи - аналогові та дискретні, які, у свою чергу поділяють на імпульсні, релейні та цифрові. Аналогові електронні пристрої і системи призначені для приймання, перетворення та передавання електричного сигналу, що змінюється за законом безперервної функції. В електронній системі аналогового типу кожному певному значенню реальної фізичної величини на вході давача відповідає однозначне, цілком визначене значення обраного електричного параметра постійного або змінного струму. Дискретні електронні пристрої призначені для приймання, перетворення та передавання електронних сигналів, отриманих у наслідок квантування за часом або (та) за рівнем заданої аналогової функції. СТАБІЛІЗАТОРИ НАПРУГИ Стабілізатори напруги — це електронні пристрої, призначені для підтримання сталого значення напруги з необхідною точністю в заданому діапазоні зміни напруги джерела або опору навантаження (дестабілізуючі чинники). За принципом роботи стабілізатори напруги поділяються на параметричні та компенсаційні. Параметричний метод стабілізації базується на зміні параметрів нелінійного елемента стабілізатора, залежно від зміни дестабілізуючого чинника, а стабілізатор називають параметричним. В компенсаційному методі стабілізації у вимірювальному елементі порівнюється величина, що стабілізується, з еталонною і виробляється сигнал розузгодження. Цей сигнал перетворюється, підсилюється і подається па регулювальний елемент. 1.1 ПАРАМЕТРИЧНІ СТАБІЛІЗАТОРИ НАПРУГИ Параметричний стабілізатор напруги на базі стабілітрона показано на рис. 1.1. Особливості роботи такого стабілізатора напруги базуються на тому, що напруга стабілітрона на зворотній ділянці його вольт-амперної характеристики Uст.доп змінюється незначно в широкому діапазоні зміни зворотного струму стабілітрона. Тобто коливання напруги на вході стабілізатора зумовлюють значну зміну струму стабілітрона при незначних змінах напруги на ньому. Рис. 1.1. Схема параметричного стабілізатора напруги Стабілізатори характеризуються коефіцієнтом стабілізації який для параметричних стабілізаторів становить Кст.u = 2030. Рівняння електричної рівноваги для такого стабілізатора має вигляд: U=Uн+ RБI, де RБ — баластний опір, необхідний для зменшення впливу дестабілізуючих чинників на напругу навантаження. Опір баластного резистора ЛБ вибирають таким, щоб при номінальному значенні напруги джерела U, напруга і струм стабілітрона теж дорівнювали номінальним значенням Uст/н, Iстн. Величину Iстн визначають за паспортними даними та виразом Iст/н = (Iстн.мін +Iст.Макс)/2 Тоді, з рівняння електричної рівноваги, визначаємо баластний опір за виразом RБ= де Ін=Рн/Uн; UUd; І = Іст.н + Ін Роботу параметричного стабілізатора зручно ілюструвати за допомогою вольт-амперної характеристики (ВАХ) стабілітрона та відповідної графічної побудови навантажувальної прямої (рис. 1.2). Для побудови ВАХ стабілітрона за його паспортними даними через точку з координатами Uст.н, Iстн. проводять пряму лінію під кутом до осі координат, що визначається значенням динамічного опору стабілітрона Rд. Далі будуємо навантажувальну характеристику при номінальній напрузі джерела. Для цього визначаємо координати двох точок, через які проходитиме пряма. А саме, точка з координатою Uст/н, Iстн. та точка на осі ординат, яка визначається за виразом І = U/RБ. Через ці точки проводимо навантажувальну пряму. Рис. 1.2. Графічна інтерпретація роботи параметричного стабілізатора напруги Роботу стабілізатора перевіряють за умови його здатності забезпечувати задане значення Uн при коливаннях вхідної напруги U. Для прикладу, якщо вхідна напруга змінюється в межах ±10%, то на виході стабілізатора коливання напруги Uн становить ±0,1% (рис. 2). Побудова навантажувальних прямих при зміні напруги мережі в межах ±10% здійснюється шляхом паралельного зсуву навантажувальної характеристики при номінальній напрузі мережі відповідно вліво і вправо на 0,1 U. За допомогою цієї побудови можна з'ясувати, чи при таких коливаннях напруги мережі забезпечуйтеся умови стабілізації, тобто, чи точки перетину зсунених навантажувальних характеристик з ВАХ стабілітрона не виходять за межі значень струмів стабілітрона Iстн.мін +Iст.Макс. 1.2 КОМПЕНСАЦІЙНІ СТАБІЛІЗАТОРИ НАПРУГИ Робота компенсаційних (транзисторних) стабілізаторів напруги базується на порівнянні вихідної напруги стабілізатора з еталонною. Якщо вони не рівні між собою, то різниця цих напруг підсилюється й подається на регулювальний елемент, який відновлює вихідну напругу до стабілізованої величини. Такі стабілізатори дозволяють розширити діапазон стабілізованих напруг та забезпечити вищу якість стабілізації (Кст.u 50) порівняно з параметричними стабілізаторами. За способом вмикання регулювального елемента відносно навантаження, компенсаційні стабілізатори поділяють на послідовного та паралельного типів. На рис. 1.3 зображено компенсаційний стабілізатор послідовного типу. Рис. 1.З. Схема компенсаційного стабілізатора напруги Транзистор VT1 виконує функцію регулювального елемента, а транзистор VT2 — функцію підсилювального елемента. Еталонна напруга задається з допомогою стабілітрона VD. Вона порівнюється з напругою на резисторі R2, яка пропорційна вихідній напрузі стабілізатора, тому що цей резистор є плечем дільника напруги R1, R2. Різниця цих напруг підсилюється транзистором VT2 і виділяється на резисторі Rу Напруга на цьому резисторі є вхідною напругою регулювального елемента VT1 і, тому, зумовлює зміну напруги емітер-колектор VT1, завдяки чому забезпечується стабілізація вихідної напруги. СИНТЕЗ СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ Структурна схема стабілізованого джерело живлення наведена на рис. 2.1 і складається з трансформатора Тр, випрямляча В, згладжуючого фільтру Ф і стабілізатора. Рис. 2.1. Структурна схема стабілізованого джерела живлення Трансформатор — пристрій, що використовується для зміни напруги й сили змінного струму. Трансформатор складається з обмоток на спільному осерді. Одна з обомоток під'єднана до джерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Інша обмотка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Створений струмом у первинній обмотці змінний магнітний потік викликає появу е.р.с. у вторинній обмотці, оскільки обидві обмотки мають спільне осердя. Співвідношення е.р.с. у вторинній обмотці й напруги на первинній залежить від кількості витків у обох обмотках. Випрямляч – це електронний пристрій, який призначений для перетворення змінної напруги в постійну. Випрямлячі поділяються за такими основними ознаками: 1.За кількістю фаз первинної обмотки трансформатора випрямлячі поділяються на однофазні і трифазні. 2.За кількістю фаз вторинної обмотки трансформатора на однофазні, двофазні і трифазні. 3.За кількістю імпульсів струму у вторинній обмотці трансформатора за період частоти мережі на однотактні і двотактні. 4.За схемою з’єднання вентилів: з послідовним ввімкненням вентилів і вторинної обмотки трансформатора, мостові , каскодні. 5.В залежності від призначення на керовані і некеровані. Основні схеми випрямлячів:однопівперіодна схема випрямлення, двопівперіодна схема випрямлення, однофазна мостова схема випрямлення. Однопівперіодна схема випрямлення Рис.2.2. Однопівперіодна схема випрямлення Основна превага однопівперіодної схеми випрямлення – це її простота. До недоліків можна віднести: велика маса і розміри трансформатора, які пов’язані з поганим використанням вторинної обмотки трансформатора і наявністю підмагнічення осердя трансформатора постійною складовою струму; велике значення зворотної напруги на діоді; велике амплітудне значення струму через діод; велике значення коефіцієнта пульсації і низька частота пульсації, що приводить до збільшення маси і габаритних розмірів згладжуючого фільтра. Двопівперіодна схема випрямлення з середньою точкою Рис.2.3. Двопівперіодна схема випрямлення з середньою точкою Основні переваги двопівперіодної схеми випрямлення з середньою точкою: розміри і маса трансформатора значно менші, оскільки значно зменшується підмагнічення трансформатора постійною складовою струму; краще використовуються обмотки трансформатора; амплітудне значення струму через діод зменшується в два рази; значно зменшуються розміри, маса згладжуючого фільтра за рахунок зменшення коефіцієнта пульсацій і збільшення частоти пульсації. За значенням зворотної напруги на один діод розглянуті схеми випрямлення рівноцінні. Недолік такої схеми випрямлення є необхідність використання вторинної обмотки трансформатора з середньою точкою. Однофазна мостова схема випрямлення Рис.2.4. Схема однофазної мостової схеми випрямлення Основні переваги однофазної мостової схеми випрямлення розміри і маса трансформатора значно менші за рахунок кращого використання вторинної обмотки трансформатора; не потрібно спеціального виводу від середньої точки вторинної обмотки трансформатора; зменшена в два рази зворотна напруга, яка прикладається до одного діода. Згладжуючі фільтри На виході випрямляча ми отримуємо пульсуючу напругу в складі якої крім постійної складової є змінні складові, тому через навантаження буде проходити пульсуючий струм. Для послаблення змінної складової випрямленої напруги або для зменшення пульсацій застосовують згладжуючі фільтри. Ці фільтри призначені для згладження пульсацій випрямленої напруги до значення, яке допустиме за умовами експлуатації певного електронного пристрою. Крім зменшення змінної складової згладжуючі фільтри повинні забезпечувати мінімальні втрати постійної складової випрямленої напруги. Отже, згладжуючі фільтри повинні задовольняти наступні вимоги: 1.Фільтр не повинен помітно спотворювати форму струму навантаження. Це може мати місце при швидких змінах опору навантаження, що може протидіяти швидкій зміні напруги і струму. 2.Власна частота коливань фільтра повинна бути нижча ніж нижня частота змінної складової випрямленої напруги. Якщо ця вимога не буде виконуватися, то можливі резонансні явища і зростання амплітуди пульсацій на окремих частотах. 3.Перехідні процеси в фільтрі не повинні викликати значного підвищення напруги або викидів струму в навантаженні. 4.Згладжуючий фільтр повинен бути економічним, мати малу масу, габаритні розміри і вартість. Індуктивні згладжуючі фільтри Індуктивний фільтр складається з індуктивності , яка ввімкнена послідовно з опором навантаженням (рис.2.5). Змінна складова струму створює в осерді дроселя магнітний потік, який індукує в його обмотці проти е.р.с., яка протидіє зміні струму в колі навантаження. Рис.2.5. Індуктивний згладжуючий фільтр Переваги індуктивних фільтрів: простота; малі втрати потужності; мала зміна вихідної напруги при зміні струму навантаження; практично неперервний струм у навантаженні, що полегшує режим роботи трансформатора і випрямляючих діодів. Недоліки індуктивних фільтрів: можливість появи на виводах дроселя підвищеної напруги при різкому зменшенні струму в навантаженні; фільтр є джерелом електромагнітних завад; велика маса і габаритні розміри. Індуктивні фільтри найбільш ефективні при великих струмах і малих опорах навантаження. Застосовуються в потужних випрямляючих пристроях де вони забезпечують хороше згладжування пульсацій. Ємнісні згладжуючі фільтри Ємнісний фільтр представляє собою конденсатор, який шунтує опір навантаження (рис.2.6). Ємнісний фільтр забезпечує ефективне згладжування при великих значеннях опору навантаження і малих струмах. Рис.2.6. Схема ємнісного згладжуючого фільтра Основний недолік ємнісних фільтрів – це необхідність застосування випрямляючих діодів, які розраховані на велике амплітудне значення струму. Компенсаційний стабілізатор постійної напруги послідовного типу Рис.2.7.Електрична схема компенсаційного стабілізатора постійної напруги послідовного типу СТРУКТУРНА СХЕМА Рис. 3.1. Тр – трансформатор В – випрямляч Ф – фільтр Ст – стабілізатор 4. РОЗРАХУНОК ПРИНЦИПОВОЇ СХЕМИ 4.1. РОЗРАХУНОК СТАБІЛІЗАТОРА Розрахунок починаємо з визначення мінімальної напруги на вході стабілізатора В де Uке.min ( мінімальна напруга між емітером і колектором регулюючого транзистора. Для кремнієвого транзистора Uке.min=(4 ... 7) В; (Uвих ( відхилення напруги на виході стабілізатора від номінальної, (Uвих = 0,1·Uном=0,1·18=1,8В Номінальне і максимальне значення напруги на вході стабілізатора з врахуванням відхилення вхідної напруги (н буде дорівнювати Визначаємо максимальний спад напруги на колекторі регулюючого транзистора VT1 Знаходимо максимальну потужність, яка розсіюються на колекторі регулюючого транзистора При виборі регулюючого транзистора керуємося такими вимогами Вибираємо тип регулюючого транзистора з відповідними електричними параметрами: (; Uке.доп; Iк.доп; Pк.доп. Марка - КТ827В Тип - npn А В Вт (3=50; Визначаємо струм бази регулюючого транзистора Іб3>10мА, отже, потрібно використовувати додатковий транзистор VT1. Максимальна потужність розсіювання додатковим транзистором Вибираємо додатковий транзистор VT1 типу КТ3102Б з відповідними електричними параметрами: (1min=200; (1max=600; Uке.доп=50В; Iк.доп=100мА Pк.доп.=0,25Вт Розрахунок проводимо при використанні транзистора із середньостатистичними параметрами: Визначаємо струм бази додаткового транзистора: Приймаємо значення струму колектора підсилювального транзистора VT2 з умови Вибираємо тип підсилюючого транзистора VT2 для якого відомі електричні параметри: Ік.доп=100мА ; Uке.доп=50В ; (min= 200; (max=600 ; Pк.доп=0,25Вт Знаходимо значення струму бази транзистора VT2 в режимі спокою Вибираємо тип кремнієвого стабілітрона, який повинен мати номінальну напругу стабілізації Вибираємо тип кремнієвого стабілітрона, для якого відомі електричні параметри: Ucт; Іст.min; Іст.max; rд. Марка - 1N963A Знаходимо коефіцієнт ділення подільника напруги на резисторах R6, R7, R8 Вибираємо струм подільника Іп1 = (1 ... 2) мА і знаходимо значення сумарного опору подільника кОм Оскільки вихідна напруга стабілізатора повинна регулюватися в границях (10%, а напруга стабілізації стабілітрона може також змінюватися в границях від Uст.min до Uст/max, то визначаємо опір нижнього плеча подільника для крайніх значень Uст і Uвих Визначаємо значення опорів подільника Зі стандартного ряду E12 вибираємо такі резистори: R8=6800Ом; R6=680Ом; R7=1800Ом. Опір резистора R2 розраховуємо з умови забезпечення протікання через стабілітрон додаткового струму Зі стандартного ряду E12 вибираємо такий резистор: R2=180Ом. Задаємося значенням напруги додаткового джерела живлення підсилювального каскаду на транзисторі VT2 рівною Е0>Uвх.max=40 В і розраховуємо значення резистора R1: Приймаємо R1=12300 Ом . Зі стандартного ряду E12 вибираємо такий резистор: R1=1500Ом. Визначаємо коефіцієнт підсилення за напругою підсилювального каскаду на транзисторі VT2: Знаходимо значення коефіцієнта стабілізації стабілізатора: Напруга Е0 може бути вибрана рівною Uвх.min, якщо розрахований коефіцієнт стабілізації Кст більший від заданого. При цьому спрощується принципова схема стабілізатора, оскільки відпадає необхідність у додатковому джерелі. Вибираємо транзистор VT4 типу 2N1675 для якого відомі електричні параметри: Ік.доп=10А ; Uке.доп=100В ; (3= 25; Pк.доп=50Вт Задаємося максимально-допустимим значенням потужності, яка може розсіюватися на колекторі регулюючого транзистора VT1 в режимі перенавантаження і знаходимо значення опору захисту R5 де Uбе3 ( напруга відкривання транзистора захисту VT3. Для кремнієвих транзисторів Uбе3=0,6В. Встановлюємо максимальний струм спрацювання схеми захисту ІЗmax=(2 ... 3)Іном і визначаємо напругу зміщення транзистора VT4 Задаємося значенням струму подільника напруги на резисторах R3 і R4: Iп2 =(1 ... 2)мА і знаходимо значення резисторів цього подільника Зі стандартного ряду E12 вибираємо такі резистори: R4=1000Ом; R3=8200Ом. Коефіцієнт корисної дії стабілізатора знаходимо використовуючи наступний вираз де ( 4.2. РОЗРАХУНОК ФІЛЬТРА Визначаємо напругу на фільтрі: Струм, що тече через фільтр, визначаємо за виразом: Напруга пульсації на вході стабілізатора Un: Внутрішній опір трансформатора Ємність конденсатора фільтра 4.3. РОЗРАХУНОК ВИПРЯМЛЯЧА Напругу на випрямлячі: Струм, що тече через випрямляч, визначаємо за виразом: Зворотна напруга на діоді: Напруга на виході випрямляча під навантаженням де В=0,9÷1,2В Схема випрямлення – однофазна, мостова. Діод VD2 вибираємо зі співвідношення Вибираємо діод VD2 типу 1N4942 4.4. РОЗРАХУНОК ТРАНСФОРМАТОРА Якщо в схемі використано мостовий випрямляч, то номінальна потужність трансформатора де А = 1,2 − коефіцієнт форми струму; UD − спад напруги на одному діоді мостового випрямляча. Для кремнієвих діодів можна прийняти UD = 1 В. Внутрішній опір трансформатора де В − коефіцієнт втрат в трансформаторі, який залежить від його номінальної потужності Номінальна потужність, Вт B Більше 105 1,05 Повний активний опір фази випрямлення: Індуктивність розсіювання трансформатора: де - магнітна індукція в магнітопроводі(≤1,5Тл). S=1 – число стержнів магнітопроводу. (коефіцієнт для однофазної мостової схеми). - для однофазної мостової схеми. Основний розрахунковий параметр: де m=2 – число імпульсів випрямленої напруги(для однофазної мостової схеми) Кут зсуву за рахунок : B=0,9 F=4,2 D=1,8 Напруга вторинної обмотки трансформатора: Струм вторинної обмотки трансформатора: Струм первинної обмотки трансформатора: Визначаємо розмір осердя трансформатора: де - магнітна індукція в магнітопроводі(≤1,5Тл) S=1 – число стержнів магнітопроводу = - густина струму в обмотках =0,97 – ККД трансформатора =0,93 – коефіцієнт заповнення осердя сталлю =0,3 - коефіцієнт заповнення вікна міддю обмотки Кількість витків первинної обмотки трансформатора: Кількість витків вторинної обмотки трансформатора: Визначаємо діаметр дроту обмоток трансформатора: 5. МОДЕЛЮВАННЯ Моделювання стабілізованого джерела живлення проводимо за допомогою «Micro-Cap». Принципова схема стабілізованого джерела живлення. Результат Додаток 1 Познач. елем. Назва Кіл. Примітка Конденсатор С1 К50 –35 – 16В – 4.6 мФ 1 С2 К50 – 16 – 25В – 6,4 мкФ 1 Діоди VD1… VD4 D3SB60A 4 VD5 1N4942 1 Транзистори VТ1 КТ3102B 1 VТ2 2N5039 1 VТ3 КТ827B 1 VТ4 2N1675 1 Стабілітрон VD6 1N963A 1 Резистори R1 С5-5-1Вт-1500Ом±10% 1 R2 С5-14-0,125Вт-180Ом±10% 1 R3 С5-35-3Вт-8200Ом±10% 1 R4 С5-14-1000Ом±10% 1 R5 С5-16-1Вт-1Ом±10% 1 R6 С5-42-2Вт-680Ом±10% 1 R7 С5-5-1Вт-1800Ом±10% 1 R8 С5-25-1Вт-6800Ом±10% 1 Курсовий проект Зм. Арк. №докум. Підпис Дата Проект. Палига А.А Стабілізоване джерело живлення (Перелік елементів) Літера Аркуш Аркушів Керівник Собчук І.С. НУ„ЛП“, ІКТА Гр. УІ-31

Курсова робота Схемотехніка комп’ютерів

sd0001

08.03.2013 17:03-

Коментарі

Ви не можете залишити коментар. Для цього, будь ласка, або зареєструйтесь.

Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!

Маєш корисні навчальні матеріали, які припадають пилом на твоєму комп'ютері? Розрахункові, лабораторні, практичні чи контрольні роботи — завантажуй їх прямо зараз і одразу отримуй бали на свій рахунок! Заархівуй всі файли в один .zip (до 100 МБ) або завантажуй кожен файл окремо. Внесок у спільноту – це легкий спосіб допомогти іншим та отримати додаткові можливості на сайті. Твої старі роботи можуть приносити тобі нові нагороди!

поділитись