Реферат: Вторичный источник электропитания с защитой от перегрузок

Министерство образования и наукиРеспублики Казахстан

ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. Серикбаева

Кафедра «Приборостроение иавтоматизация технологических процессов»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к курсовой работе

Тема: «Вторичный источник электропитания с защитой от перегрузок»

Руководитель
 ст.преподавателькафедры
 __________Н.В.Аринова
 “___”__декабря_2005г.

Нормоконтролер

ст.преподавателькафедры
 __________Л.А.Проходова
 “___”___декабря_2005г.

СтудентБулейко Д.В.

Специальность3401

Группа03-ПС-1

Усть-Каменогорск

2005

ЗАДАНИЕ

Рассчитать вторичный источникэлектропитания с защитой от перегрузок. По следующим исходным данным:

-номинальное значение выходного напряжение Uн = 10В;

-ток нагрузки Iн = 3А;

-ток срабатывания схемы защиты от перегрузок Iн max = 5А;

-напряжение питания Uп = 18В;

-температура окружающей среды tокрср +30 оС;

-нестабильность выходного напряжения при изменении питания и температуры окружающей среды

dUн = 2%;

-питания в процессе работы изменяется на

dUn= ±10%.

Содержание

TOC o «1-3» h z u

Введение. PAGEREF _Toc123119774 h 4

1.Литературный обзор. PAGEREF_Toc123119775 h 5

1.1 Источники питания.PAGEREF _Toc123119776 h 5

1.2 Основные элементы источников питания. PAGEREF _Toc123119777 h 6

1.3 Стабилизаторы напряжения. PAGEREF _Toc123119778 h 7

Параметрический стабилизатор. PAGEREF _Toc123119779 h 8

Компенсационный стабилизатор. PAGEREF _Toc123119780 h 8

2. Выбори обоснование структурной схемы… PAGEREF _Toc123119781 h 10

3. Расчетпринципиальной электрической схемы… PAGEREF _Toc123119782 h 14

3.1 Расчет регулирующего элемента. PAGEREF _Toc123119783 h 14

3.3 Расчет источника опорного напяжения.PAGEREF _Toc123119784 h 16

3.4 Расчет усилительного элемента. PAGEREF _Toc123119785 h 16

3.4 Расчёт измерительного элемента.PAGEREF _Toc123119786 h 17

3.5 выходное сопротивление и Проверочные расчёты.PAGEREF _Toc123119787 h 17

Заключение. PAGEREF _Toc123119788 h 19

Список литературы… PAGEREF _Toc123119789 h 20

Приложение. PAGEREF _Toc123119790 h 21

Введение

Для обеспечения нормального функционированияэлектронных устройств, прежде всего, необходимы источники энергии, которыеназывают источниками питания. Для этой цели в большинстве случаев используютисточники постоянного напряжения.

На начальном этапе развития радиоэлектроникив качестве источников питания преимущественно использовались гальваническиебатареи, основными недостатками которых (особенно при постоянных напряжениях всотни вольт), являются громоздкость и малый срок службы. Поэтому вскоре были разработаныболее совершенные устройства, в которых осуществляется преобразование переменного напряжения в постоянное. Удобствотаких источников питания связано с тем, что в них применяют низкочастотныепеременное напряжение так называемой промышленной частоты. Однако развитиетранзисторной электроники, особенно маломощных переносных устройств, дляпитания которых нужны низковольтные маломощные источники, снова вызвало интереск гальваническим батареям. Сейчас используют оба типа источников питания: в переноснойаппаратуре – малогабаритные гальванические батареи и аккумуляторы, а встационарной аппаратуре – источники питания, в которых происходитпреобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное.

Т.к. по заданию нам необходимо преобразоватьпостоянное входное напряжение в постоянное напряжение с большей стабильностью,я использовал компенсационный стабилизатор. Он является одним из ключевыхэлементов вторичных источников питания и позволяет получить на выходестабилизированное напряжение с меньшим коэффициентом пульсации. Это может быть полезно для питания и стабильнойработы низковольтной аппаратуры (впервую очередь транзисторной), различных устройств электроники.

1. Литературныйобзор1.1Источники питания.

В настоящее время источниками питанияназывают устройства, предназначенные для снабжения электронной аппаратурыэлектрической энергией и представляющие собой комплекс приборов и аппаратов,которые вырабатывают электрическую энергию и преобразуют её к виду, необходимомудля нормальной работы каждого узла электронной аппаратуры.

SHAPE * MERGEFORMAT

Источник первичного питания

Стабилизатор первичного напряжения

Выпрямитель

Сглаживающий фильтр

Стабилизатор напряжения

Нагрузка

Источник вторичного питания

Рисунок SEQ Рисунок * ARABIC 1

В общем случае структурная схема источникапитания имеем вид, представленный на Рисунке 1. Электрическая энергия,вырабатываемая первичными источниками, не всегда может быть непосредственноиспользована для питания электронной аппаратуры, поэтому следующим элементомявляется источник вторичного электропитания – устройство, в котором происходитпреобразование одного вида электрической энергии в другую. Если источникпервичного питания создаёт переменное напряжение, основными узлами источниковвторичного питания является: выпрямитель, сглаживающий фильтр, стабилизаторыпервичного и выходного напряжения. Т.к. по заданию источник первичного питаниясоздаёт постоянное напряжение, то основными узлами схемы будут стабилизаторвыходного напряжения и схема защиты от перегрузок.

Основнымипараметрами источника питания являются номинальное значение выходногонапряжения и выходное сопротивление. Номинальным значением постоянногонапряжения Uном источника питания называют условное, указываемое в техническойдокументации значение постоянного напряжения, относительно которогоустанавливают и определяют его отклонения. Выходное сопротивление принимаютравным внутреннему сопротивлению эквивалентной схемы источника питания.

Следующим важным параметром являетсямаксимальная мощность, отдаваемая источником питания:

Pmax=Uном*Imax.

На выходе источников вторичного питанияникогда не бывает идеального постоянного напряжения. Кроме постоянной такоенапряжение всегда содержит и переменную составляющую. Последнюю называют напряжениепульсации, а параметром, характеризующим отклонение выходного напряжения отпостоянного, служит коэффициент пульсации. Используют два определения этого коэффициента.

Коэффициентом напряжения по амплитудномузначению называют отношение амплитуды напряжения пульсации к номинальномузначению постоянной составляющей напряжения:

KпА=ΔU/Uo=Umax-Umin/Umax+Umin,

который используют, когда имеетсявозможность визуально наблюдать форму выходного напряжения источника питания.

Коэффициентом пульсации по действующемузначению называют отношение действующего значения напряжения пульсации к номинальномузначению постоянной составляющей напряжения:

Кп=Uп/Uo.

Наконец, в связи с тем что источники питанияпринадлежат к мощным (силовым) устройствам, ещё одним важным их параметромявляется коэффициент полезного действия.

Кроме основных электрических параметровкаждый источник питания характеризуется рядом конструкторско-экономическихпоказателей, к которым, в первую очередь, относятся габариты, масса истоимость.

1.2Основные элементы источников питания

Основным источником питания электронныхустройств в настоящее время являются выпрямительные устройства, преобразующиепеременный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным. Постоянноенапряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным причинам могутизменяться, что может нарушить нормальную работу различных устройств, питаниекоторых осуществляется от выпрямительных устройств. Основным причинаминестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки.Для обеспечения постоянного напряжения на сопротивлении нагрузки применяютстабилизаторы напряжения.

Стабилизаторомнапряжения называется устройство, поддерживающие автоматически и с требуемойточностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов вобусловленных пределах.

Несмотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении(сглаживающих фильтров) нагрузки выпрямителя может изменяться. Этообъясняется тем, что сглаживаниепульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленногонапряжения, а величина постоянной составляющей может изменяться и приколебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки.

Существуетдва принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический икомпенсационный.

Сущностькомпенсационного метода стабилизации сводится к автоматическому регулированию выходногонапряжения.

Вкомпенсационных стабилизаторах производится сравнение фактической величинывходного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины изнака рассогласования между ними автоматически осуществляется корректирующеевоздействие на элементы стабилизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования.

1.3 Стабилизаторынапряжения

Стабилизатором напряжения называютустройство, автоматически обеспечивающее поддержание напряжения нагрузочногоустройства с заданной степенью точности.

Напряжение нагрузочного устройства можетсильно изменяться не только при изменениях нагрузочного тока IH, но и за счетвоздействия ряда дестабилизирующих факторов. Одним из них является изменение напряжениепромышленных сетей переменного тока. В соответствии с ГОСТ 5237 – 69 это напряжение может отличатьсяот номинального значения в пределах то +5 до –15%. Другими дестабилизирующимифакторами являются изменение температуры окружающей среды, колебание частотытока и т.д. Применение стабилизаторов диктуется тем, что современнаяэлектронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильностипитающего напряжения 0,1 – 3%, а для отдельных функциональных узлов электронныхустройств нестабильность должна быть и меньше.

Стабилизаторы классифицируют по рядупризнаков:

по роду стабилизируемой величины –стабилизаторы напряжения и тока;

по способу стабилизации – параметрические икомпенсационные стабилизаторы.

В настоящее время широкое применениеполучили компенсационные стабилизаторы, которые подразделяют на стабилизаторынепрерывного и импульсного регулирования. При параметрическом способе стабилизациииспользуют некоторые приборы с нелинейной вольтамперной характеристикой,имеющий пологий участок, где напряжение мало зависит от дестабилизирующихфакторов. К таким приборам относят стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания идр. при компенсационном способе стабилизации постоянство напряженияобеспечивается за счет автоматического регулирования выходного напряженияисточника питания. Это достигается за счет введения отрицательной обратнойсвязи между выходом и регулирующим элементом, которое изменяет свое сопротивлениетак, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины.

Основным параметром, характеризующимкачество работы всех стабилизаторов, является коэффициент стабилизации. Какотмечалось определяющими дестабилизирующими факторами, из-за которых изменяютсявыходные величины стабилизатора, являются входное напряжение стабилизатора UВХи нагрузочный ток IН.

Для стабилизатора напряжения коэффициентстабилизации равен

KстU=(ΔUВХ/UВХ)/(ΔUВЫХ/UВЫХ),

где ΔUВХ и ΔUВЫХ – приращениевходного и выходного напряжений, а UВХ и UВЫХ – номинальные значения входного ивыходного напряжений.

Параметрический стабилизатор

С помощью параметрического стабилизатора, вкотором применяется полупроводниковый стабилитрон Д, можно получатьстабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт притоках от единиц миллиампер до единиц ампер. Если необходимо стабилизироватьнапряжение менее 3 В, то вместо стабилитронов используют стабисторы.

Стабилитрон в параметрическом стабилизаторевключают параллельно нагрузочному резистору RH. Последовательно состабилитроном для создания требуемого режима работы включают балластныйрезистор RВ.

Для нормальной работы параметрическогостабилизатора сопротивление резистора RВ должно быть таким, чтобы его вольт — амперная характеристика пересекла вольт– амперную характеристику стабилитрона в точке, соответствующей номинальномутоку стабилитрона и IСТ.НОМ, значение которого указано в паспортных данныхстабилитрона.

Коэффициент стабилизации параметрическогостабилизатора напряжения на полупроводниковом стабилитроне может достигать 30 –50.

Компенсационный стабилизатор

Компенсационные стабилизаторы напряженияобладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлениемпо сравнению с параметрическими. Их принцип работы основан на том, чтоизменения напряжения на нагрузке передается на специально вводимый в схемурегулирующий элемент, препятствующий изменению напряжения UН.

Регулирующий элемент может быть включен либопараллельно нагрузке, либо последовательно с ней. В зависимости от этого различаютдва типа компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельные и последовательные

Воздействие на регулирующий элемент в обоихтипах стабилизаторов осуществляется управляющей схемой, в которую входятусилитель постоянного тока У и источник опорного напряжения ИОН. С помощью ИОН производят сравнения напряжения на нагрузке с опорным напряжением.Функция усилителя сводится к усилению разности сравниваемых напряжений и подачеусиленного сигнала непосредственно на регулирующий элемент.

В параллельном компенсационном стабилизациянапряжения на нагрузке достигается, как и в параметрическом стабилизаторе, изменениемнапряжения на балластном резисторе RВ путем изменения тока регулирующегоэлемента. Если принять входное напряжение стабилизатора неизменным, топостоянству напряжения на нагрузке будет соответствовать постоянство напряженияна балластном резисторе.

В последовательном стабилизаторерегулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой. Стабилизациянапряжения нагрузки осуществляется путем напряжения на регулирующем элементе.Ток регулирующего элемента здесь равен току нагрузки.

В соответствии с рассмотренным принципдействия компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения основан наизменении сопротивления регулирующего элемента. Наличие регулирующего элементаобуславливается неизбежной потерей в стабилизаторе.

Также существую компенсационныестабилизаторы напряжения с импульсным регулированием. Принцип действия такогостабилизатора заключается в преобразованиирегулирующим элементом постоянного напряжения питании UП в последовательностьпериодических импульсов прямоугольной формы .

Основными преимуществами, которыми обладаюткомпенсационные стабилизаторы напряжения с импульсным регулированием, являются: высокий КПД, меньшая масса и габариты по сравнению сдругими компенсационными стабилизаторами.

Недостатками являются относительная сложностьсхемы, повышенный уровень пульсаций выходного напряжения, невысокиединамические характеристики.

2. Выбор иобоснование структурной схемы

По заданию надо разработать стабилизаторнапряжения, который обеспечивает достаточно большой ток (5 А) при напряжении(18 В).

Поэтому в качестве стабилизаторанежелательно использовать параметрический стабилизатор напряжения, которыймалоэффективен при высоком токе нагрузки IН, а также нежелательноиспользовать и импульсный стабилизатор, который не обеспечивает должного уровнясглаживания пульсаций на выходе.

Остановим выбор на компенсационномстабилизаторе.

Схемы компенсационных стабилизаторовпостоянного напряжения бывают последовательного и параллельного типов [1].

СУ

Rн

Uвых

Uвх

Iвх

Iн = Iвх

СУ

Rн

Uвых

Uвх

Iвх

Iн = Iвх

R

б

IР

Рисунок SEQ Рисунок * ARABIC 2

Рисунок SEQ Рисунок * ARABIC 3

Различиеприведенных схем состоит в следующем. В последовательных стабилизаторахнапряжение на регулирующем элементе возрастает при увеличении напряжения нанагрузке, а ток приблизительно равен току нагрузки. В параллельныхстабилизаторах напряжение на регулирующем элементе не зависит от входногонапряжения, а ток находится в прямой зависимости от напряжения на нагрузке.

Параллельныестабилизаторы не чувствительны к перегрузкам по току, так как с увеличением тока Iн ток регулирующего элементауменьшается. При токах Iн, заметно больших расчётного значения Iн.макс,регулирующий элемент запирается. При коротком замыкании на выходе напряжениеUвx полностью падает на балластном сопративлении Ro и регулирующий транзистороказывается в не опасности. Последовательные стабилизаторы чувствительны кперегрузкам, поскольку ток нагрузки и ток регулирующего элемента возрастаютодновременно и в равной степени. При токах Iн>Iн.макс усилительный и опорныйэлементы оказываются запертыми, а регулирующий транзистор работает с максимальнымбазовым током, определяемым величиной токоотводящего сопротивления и разностьюпотенциалов Uвх-Uвых. Короткое замыкание на выходе (Uвых=0) увеличивает базовыйток регулирующего транзистора и напряжение на нём обычно в несколько раз. Приэтом рассеиваемая мощность возрастает на порядок и больше и транзистор неизбежновыходит из строя. Этот недостаток последовательных стабилизаторов заставляетдополнять их схему тем или иным типом защиты.

Такая защита при заданном повышениинагрузочного тока над расчётным значением Iн.макс либо быстро снимаетнапряжение питания, либо резко уменьшает ток регулирующего транзистора,отключая его базу от токоотводящего резитсра.

При одном и том же выходном напряжении иобчных значениях допусков в последовательных стаблизаторах требуется менеевысоковольтный транзистор, чем в параллельных. Однако этот вывод не учитываетаварийной ситуации, когда на регулирующем транзисторе может в течении короткоговремени действовать полное напряжение питания. Поэтому практически в обоихтипах стабилизаторов ориентируются на одно и то же условиеUp.доп≥Uвх.макс. Усилительные транзисторы выбирают из того же условия,что и регулирующий элемент.

При одном и том же токе нагрузке впараллельных стабилизаторах требуется примерно вдвое более сильноточныетранзисторы, чем в последовательных. По мощности разница получается ещё больше.Однако при наличии «гасящего» сопративления в параллельных стабилизаторахразница в допустимой мощности регулирующих элементов делается практическинесущественной.

Коэффициент полезного действия упоследовательных стабилизаторов зависит от напряжения Uр.мин, которое не входитв выражении для параллельных стабилизаторов. Поэтому однозначное сравнение,строго говоря, невозможно. Всё же, КПД у последовательных стабилизаторов несомненновыше, чем у параллеьных.

Таким образом, при решении конткретных задачпараллельные стабилизаторы могут быть практически равноценным, а с учётомперегрузочной способности – даже оптимальным вариантом.

Учитывая всё выше сказанное, выбираемкомпенсационный параллельный стабилизатор.

Согласно заданию курсовой работы, нам необходиморазработать вторичный источник электропитания с защитой от перегрузок. Параллельныйкомпенсационный стабилизатор идеально подходит условию защиты от перегрузок.Тем более, что целью разработки данного источника питания является ничто иное,как получение более стабильного напряжение. КПД схемы и Кст не являеютсярешающими величинами в расчёте. Поэтому, я считаю, оптимальным выбром дляпостроения вторичного источника питания с защитой от перегрузок являетсякомпенсациооный стабилизатор параллельного типа.

Структурная схема компенсационногостабилизатора параллельного типа.

<img src="/cache/referats/21861/image004.gif" v:shapes="_x0000_s1344"> SHAPE * MERGEFORMAT

СУ

Rн

Uвых

Uвх

Iвх

Iн = Iвх

R

б

IР

Рисунок SEQ Рисунок * ARABIC 4

где

Rб — баластное сопративление

Р – регулирующий элемент

СУ – сравнивающее устройство

О – опорный элемент

Rн – сопративление на нагрузке

На основании рис. 4 легко записать:

Iy+Ip+Iн=Uвх-Uвых/Ro.

Т.е.ток регулирующего элемента зависит от двух величин – тока нагрузки и входного напряжения.А именно, если Uвх=const, то изменение тока Iн сопровождается таким же, нопротивоположным по знаку изменением тока Ip; иначе говоря, токи Ip и Iнменяются во взаимно противоположных направлениях:

ΔIp=-ΔIн.

Данноевыражение приводит к выводу, что ток регулирующего элемента минимален примаксимальном токе нагрузки и минимальном входном напряжении.

Оканчательнаясхема, по которой будем проводить расчёт представлена на рис. 5.

Рисунок SEQ Рисунок * ARABIC 5

Где транзистор Т1 играет роль регулирующегоэлемента, Т2 усилительного транзистора, стабилитрон Д – источник опорногонапряжения, резисторы Rд1 и Rд2 – делитель напряжения.

Основнымипараметрами, характеризирующими стабилизатор, являются:

1. Коэффициент стабилизации, представляющийсобой отношение относительного изменения напряжения на входе к относительномуизменению напряжения на выходе стабилизатора при постоянной нагрузке.

Kсти =

DUвх/ Uвх: DUвых / Uвых ,

где Uвх и Uвых — номинальное напряжение навходе и выходе стабилизатора.

DUвх и

DUвых — изменение напряжений на входе и выходестабилизатора.

Коэффициенты стабилизации служат основнымикритериями для выбора рациональной схемы стабилизации и оценки ее параметров.

2. Выходное сопротивление, характеризующееизменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки и неизменном входномнапряжении.

Rвых =

DUвых/ DIвых , п

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике