Вторичный источник питания с защитой от перегрузок

19 Министерство образования и науки Республики Казахстан ВОСТОЧНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. Серикбаева Кафедра «Приборостроение и автоматизация технологических проце с сов» ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе Тема: « Вторичный источник электропитания с защитой от пер е грузок » Руководитель ст.преподаватель кафедры __________Н.В.Аринова “___”__ декабря _2005 г. Нормоконтролер ст.преподаватель кафедры __________Л.А.Проходова “___”___ декабря _2005 г. Студент Булейко Д.В. Специальность 3401 Группа 03-ПС-1 Усть-Каменогорск 2005 ЗАДАНИЕ Рассчитать вторичный источник электропитания с защитой от пер е грузок. По следующим исходным данным: - номинальное значение выходного напряжение U н = 10 В; - ток нагрузки I н = 3 А; - ток срабатывания схемы защиты от перегрузок I н max = 5 А; - напряжение питания U п = 18 В; - температура окружающей среды t окр ср + 30 о С; - нестабильность выходного напряжения при изменении питания и температуры окружающей среды U н = 2%; - питания в процессе работы изменяется на U n = ±10%. Содержание Введение 4 1. Литературный обзор 5 1.1 Источники питания. 5 1.2 Основные элементы источников питания 6 1.3 Стабилизаторы напряжения 7 Параметрический стабилизатор 8 Компенсационный стабилизатор 8 2. Выбор и обоснование структурной схемы 10 3. Расчет принципиальной электрической схемы 14 3.1 Расчет регулирующего элемента 14 3.3 Расчет источника опорного напяжения. 16 3.4 Расчет усилительного элемента 16 3.4 Расчёт измерительного элемента. 17 3.5 выходное сопротивление и Проверочные расчёты. 17 Заключение 19 Список литературы 20 Приложение 21 Введение Для обеспечения нормального функционирования электронных устройств, прежде всего, необходимы источники энергии, которые наз ы вают источниками питания. Для этой цели в большинстве случаев и с пользуют источники постоянного напряжения. На начальном этапе развития радиоэлектроники в качестве источников питания преимущественно использовались гальванические батареи, о с новными недостатками которых (особенно при постоянных напряжениях в сотни вольт), являются громоздкость и малый срок службы. Поэтому вскоре были разработаны более совершенные устройства, в которых осуществляется преобразование переменного напряжения в постоя н ное . Удобство таких источников питания связано с тем, что в них прим е няют низкочастотные переменное напряжение так называемой промы ш ленной частоты. Однако развитие транзисторной электроники, особенно маломощных переносных устройств, для питания которых нужны низк о вольтные маломощные источники, снова вызвало интерес к гальванич е ским батареям. Сейчас используют оба типа источников питания: в п е реносной аппаратуре – малогабаритные гальванические батареи и акк у муляторы, а в стационарной аппаратуре – источники питания, в которых происходит преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное. Т.к. по заданию нам необходимо преобразовать постоянное входное напряжение в постоянное напряжение с большей стабильностью, я и с пользовал компенсационный стабилизатор. Он является одним из кл ю чевых элементов вторичных источников питания и позволяет получить на выходе стабилизированное напряжение с меньшим коэффициентом пульсации. Это может быть полезно для питания и стабильной работы низковольтной аппаратуры (в первую очередь транзисторной) , разли ч ных устройств электроники. 1. Литературный обзор 1.1 Источники питания. В настоящее время источниками питания называют устройства, предн а значенные для снабжения электронной аппаратуры электрической эне р гией и представляющие собой комплекс приборов и аппаратов, которые вырабатывают электрическую энергию и преобразуют её к виду, необх о димому для нормальной работы каждого узла электронной аппаратуры. 19 Рисунок 1 В общем случае структурная схема источника питания имеем вид, пре д ставленный на Рисунке 1. Электрическая энергия, вырабатываемая пе р вичными источниками, не всегда может быть непосредственно использ о вана для питания электронной аппаратуры, поэтому следующим элеме н том является источник вторичного электропитания – устройство, в кот о ром происходит преобразование одного вида электрической энергии в другую. Если источник первичного питания создаёт переменное напр я жение, основными узлами источников вторичного питания является: в ы прямитель, сглаживающий фильтр, стабилизаторы первичного и выхо д ного напряжения. Т.к. по заданию источник первичного питания создаёт постоянное напряжение, то основными узлами схемы будут стабилизатор выходного напряжения и схема защиты от перегрузок. Основными параметрами источника питания являются номинальное значение выходного напряжения и выходное сопротивление . Номинал ь ным значением постоянного напряжения Uном источника питания наз ы вают условное, указываемое в технической документации значение п о стоянного напряжения, относительно которого устанавливают и опред е ляют его отклонения. Выходное сопротивление принимают равным вну т реннему сопротивлению эквивалентной схемы источника питания. Следующим важным параметром является максимальная мощность, о т даваемая источником питания: Pmax=Uном*Imax . На выходе источников вторичного питания никогда не бывает идеальн о го постоянного напряжения. Кроме постоянной такое напряжение всегда содержит и переменную составляющую. Последнюю называют напряж е ние пульсации, а параметром, характеризующим отклонение выходного напряжения от постоянного, служит коэффициент пульсации. Использ у ют два определения этого коэффициента. Коэффициентом напряжения по амплитудному значению называют о т ношение амплитуды напряжения пульсации к номинальному значению постоянной составляющей напряжения: K пА = Д U/Uo=Umax-Umin/Umax+Umin , который используют, когда имеется возможность визуально наблюдать форму выходного напряжения источника питания. Коэффициентом пульсации по действующему значению называют отн о шение действующего значения напряжения пульсации к номинальному значению постоянной составляющей напряжения: Кп=Uп/Uo. Наконец, в связи с тем что источники питания принадлежат к мощным (силовым) устройствам, ещё одним важным их параметром является к о эффициент полезного действия. Кроме основных электрических параметров каждый источник питания характеризуется рядом конструкторско-экономических показателей, к которым , в первую очередь, относятся габариты, масса и стоимость. 1.2 Основные элементы источников питания Основным источником питания электронных устройств в настоящее вр е мя являются выпрямительные устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, называемый выпрямленным. Постоянное напряжение или ток, получаемые от выпрямителей, по различным пр и чинам могут изменяться, что может нарушить нормальную работу ра з личных устройств, питание которых осуществляется от выпрямительных устройств. Основным причинами нестабильности является изменение напряжения сети и изменение тока нагрузки. Для обеспечения постоя н ного напряжения на сопротивлении нагрузки применяют стабилизаторы напряжения. Стабилизатором напряжения называется устройство, поддержив а ющие автоматически и с требуемой точностью напряжение на нагрузке при изменении дестабилизирующих факторов в обусловленных пред е лах. Не смотря на применение сглаживающих фильтров, напряжение на сопротивлении (сглаживающих фильтров) нагрузки выпрямителя может изменяться. Это объясняется тем, что сглаживание пульсаций фильтром уменьшается только переменная составляющая выпрямленного напр я жения, а величина постоянной составляющей может изменяться и при колебаниях напряжения сети, и при изменении тока нагрузки. Существует два принципиально разных метода стабилизации напряжения: параметрический и компенсационный. Сущность компенсационного метода стабилизации сводится к авт о матическому регулированию выходного напряжения. В компенсационных стабилизаторах производится сравнение фа к тической величины входного напряжения с его заданной величиной и в зависимости от величины и знака рассогласования между ними автом а тически осуществляется корректирующее воздействие на элементы ст а билизатора, направленное на уменьшение этого рассогласования. 1.3 Стабилизаторы напряжения Стабилизатором напряжения называют устройство, автоматически обе с печивающее поддержание напряжения нагрузочного устройства с з а данной степенью точности. Напряжение нагрузочного устройства может сильно изменяться не тол ь ко при изменениях нагрузочного тока IH, но и за счет воздействия ряда дестабилизирующих факторов. Одним из них является изменение напряжение промышленных сетей переменного тока. В соответствии с ГОСТ 5237 – 69 это напряжение может отличаться от номинального зн а чения в пределах то +5 до – 15%. Другими дестабилизирующими факт о рами являются изменение температуры окружающей среды, колебание частоты тока и т.д. Применение стабилизаторов диктуется тем, что с о временная электронная аппаратура может нормально функционировать при нестабильности питающего напряжения 0,1 – 3%, а для отдельных функциональных узлов электронных устройств нестабильность должна быть и меньше. Стабилизаторы классифицируют по ряду признаков: по роду стабилизируемой величины – стабилизаторы напряжения и тока; по способу стабилизации – параметрические и компенсационные стаб и лизаторы. В настоящее время широкое применение получили компенсационные стабилизаторы, которые подразделяют на стабилизаторы непрерывного и импульсного регулирования. При параметрическом способе стабилиз а ции используют некоторые приборы с нелинейной вольтамперной хара к теристикой, имеющий пологий участок, где напряжение мало зависит от дестабилизирующих факторов. К таким приборам относят стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания и др. при компенсационном способе ст а билизации постоянство напряжения обеспечивается за счет автоматич е ского регулирования выходного напряжения источника питания. Это д о стигается за счет введения отрицательной обратной связи между вых о дом и регулирующим элементом, которое изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины. Основным параметром, характеризующим качество работы всех стабил и заторов, является коэффициент стабилизации. Как отмечалось опред е ляющими дестабилизирующими факторами, из-за которых изменяются выходные величины стабилизатора, являются входное напряжение ст а билизатора UВХ и нагрузочный ток IН. Для стабилизатора напряжения коэффициент стабилизации равен KстU=( ДU ВХ/UВХ)/( ДU ВЫХ/UВЫХ), где ДU ВХ и ДU ВЫХ – приращение входного и выходного напряжений, а UВХ и UВЫХ – номинальные значения входного и выходного напряж е ний. Параметрический стабилизатор С помощью параметрического стабилизатора, в котором применяется полупроводниковый стабилитрон Д, можно получать стабилизированное напряжение от нескольких вольт до нескольких сотен вольт при токах от единиц миллиампер до единиц ампер. Если необходимо стабилизировать напряжение менее 3 В, то вместо стабилитронов используют стабисторы. Стабилитрон в параметрическом стабилизаторе включают параллельно нагрузочному резистору RH. Последовательно со стабилитроном для с о здания требуемого режима работы включают балластный резистор RВ. Для нормальной работы параметрического стабилизатора сопротивление резистора RВ должно быть таким, чтобы его вольт - амперная характ е ристика пересекла вольт – амперную характеристику стабилитрона в точке, соответствующей номинальному току стабилитрона и IСТ.НОМ, значение которого указано в паспортных данных стабилитрона. Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряж е ния на полупроводниковом стабилитроне может достигать 30 – 50. Компенсационный стабилизатор Компенсационные стабилизаторы напряжения обладают более высоким коэффициентом стабилизации и меньшим выходным сопротивлением по сравнению с параметрическими. Их принцип работы основан на том, что изменения напряжения на нагрузке передается на специально вводимый в схему регулирующий элемент, препятствующий изменению напряж е ния U Н . Регулирующий элемент может быть включен либо параллельно нагрузке, либо последовательно с ней. В зависимости от этого различают два типа компенсационных стабилизаторов напряжения: параллельные и посл е довательные Воздействие на регулирующий элемент в обоих типах стабилизаторов осуществляется управляющей схемой, в которую входят усилитель п о стоянного тока У и источник опорного напряжения ИОН . С помощью ИОН производят сравнения напряжения на нагрузке с опорным напр я жением. Функция усилителя сводится к усилению разности сравнива е мых напряжений и подаче усиленного сигнала непосредственно на рег у лирующий элемент. В параллельном компенсационном стабилизация напряжения на нагру з ке достигается, как и в параметрическом стабилизаторе, изменением напряжения на балластном резисторе R В путем изменения тока регул и рующего элемента. Если принять входное напряжение стабилизатора неизменным, то постоянству напряжения на нагрузке будет соответств о вать постоянство напряжения на балластном резисторе. В последовательном стабилизаторе регулирующий элемент включен п о следовательно с нагрузкой. Стабилизация напряжения нагрузки ос у ществляется путем напряжения на регулирующем элементе. Ток регул и рующего элемента здесь равен току нагрузки. В соответствии с рассмотренным принцип действия компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения основан на изменении сопр о тивления регулирующего элемента. Наличие регулирующего элемента обуславливается неизбежной потерей в стабилизаторе. Также существую компенсационные стабилизаторы напряжения с и м пульсным регулированием. Принцип действия такого стабилизатора з а ключается в преобразовании регулирующим элементом постоянного напряжения питании U П в последовательность периодических импульсов прямоугольной формы . Основными преимуществами, которыми обладают компенсационные ст а билизаторы напряжения с импульсным регулированием, являются: в ы сокий КПД, меньшая масса и габариты по сравнению с другими компе н сационными стабилизаторами. Недостатками являются относительная сложность схемы, повышенный уровень пульсаций выходного напряжения, невысокие динамические х а рактеристики. 2. Выбор и обоснование структурной схемы По заданию надо разработать стабилизатор напряжения, который обе с печивает достаточно большой ток (5 А) при напряжении (18 В). Поэтому в качестве стабилизатора нежелательно использовать параме т рический стабилизатор напряжения, который малоэффективен при в ы соком токе нагрузки I Н , а также нежелательно использовать и импуль с ный стабилизатор, который не обеспечивает должного уровня сглажив а ния пульсаций на выходе. Остановим выбор на компенсационном стабилизаторе. Схемы компенсационных стабилизаторов постоянного напряжения б ы вают последовательного и параллельного типов [1]. Различие приведенных схем состоит в следующем. В последов а тельных стабилизаторах напряжение на регулирующем элементе возра с тает при увеличении напряжения на нагрузке, а ток приблизительно р а вен току нагрузки. В параллельных стабилизаторах напряжение на рег у лирующем элементе не зависит от входного напряжения, а ток находи т ся в прямой зависимости от напряжения на нагрузке. Параллельные стабилизаторы не чувствительны к перегрузкам по току, так как с увеличением тока Iн ток регулирующего элемента уменьшается. При токах Iн, заметно больших расчётного значения Iн . макс, регулирующий элемент запирается. При коротком замыкании на выходе напряжение Uвx полностью падает на балластном сопративлении Ro и регулирующий транзистор оказывается в не опасности. Последов а тельные стабилизаторы чувствительны к перегрузкам, поскольку ток нагрузки и ток регулирующего элемента возрастают одновременно и в равной степени. При токах Iн>Iн.макс усилительный и опорный элеме н ты оказываются запертыми, а регулирующий транзистор работает с ма к симальным базовым током, определяемым величиной токоотводящего сопротивления и разностью потенциалов Uвх-Uвых. Короткое замыкание на выходе (Uвых=0) увеличивает базовый ток регулирующего транз и стора и напряжение на нём обычно в несколько раз. При этом рассеив а емая мощность возрастает на порядок и больше и транзистор неизбежно выходит из строя. Этот недостаток последовательных стабилизаторов заставляет дополнять их схему тем или иным типом защиты. Такая защита при заданном повышении нагрузочного тока над расчё т ным значением Iн.макс либо быстро снимает напряжение питания, либо резко уменьшает ток регулирующего транзистора, отключая его базу от токоотводящего резитсра. При одном и том же выходном напряжении и обчных значениях допусков в последовательных стаблизаторах требуется менее высоковольтный транзистор, чем в параллельных. Однако этот вывод не учитывает ав а рийной ситуации, когда на регулирующем транзисторе может в течении короткого времени действовать полное напряжение питания. Поэтому практически в обоих типах стабилизаторов ориентируются на одно и то же условие Up.доп