Выбор и обоснование принципиальных схем каскадов ИП

4.1. Выпрямитель.

Существует несколько вариантов схем выпрямления, мы рассмотрим три наиболее распространенные и выберем ту, которая больше подойдет для нашего ТЗ.

Рассмотрим однополупериодную схему, ее плюсы и минусы:

«+» − ее простота, имеет минимальное число элементов, невысокая стоимость, возможность работы без трансформатора, надежность;

«−» − имеет низкую частоту пульсации, высокое значение коэффициента пульсации К_п=1,57, плохое использование трансформатора, подмагничивание сердечника постоянным током, низкий КПД.

Двухполупериодная однотактная схема:

«−» − усложненная конструкция трансформатора, высокое обратное напряжение;

«+» − повышенная частота пульсации Кп=0,67, минимальное число диодов.

Рассмотрим однофазную мостовую схему с ее «плюсами» и «минусами»:

«−» − необходимость в четырех диодах, повышенное падение напряжения в диодном комплексе;

«+» − повышенная частота пульсации Кп=0,67, низкая величина обратного напряжения, хорошее использование трансформатора.

Остановимся на мостовой схеме выпрямителя, так как она обладает наилучшими технико-экономическими показателями и наиболее соответствует нашему техническому заданию: обеспечивает сравнительно низкий коэффициент пульсаций, позволяет обойтись без вывода средней точки на трансформаторе.

Сглаживающий фильтр.

Напряжение на выходе любого выпрямителя всегда пульсирующее и содержит постоянную и переменную составляющую напряжения. Пульсация напряжения столь значительна, что непосредственное питание нагрузки от выпрямителя возможно лишь там, где приемник энергии не чувствителен к переменной составляющей в кривой выпрямленного напряжения (зарядка аккумуляторов, питание электродвигателей и т.п.). Для питания многих электронных устройств требуется обеспечение коэффициента пульсации в пределах 10^-3 − 10^-6. Для уменьшения пульсации между выпрямителем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр.

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания.

Коэффициентом сглаживания называют отношение коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на выходе фильтра.

Коэффициент пульсации на входе фильтра задается требованиями приемника энергии к питающему напряжению, а коэффициент пульсации на выходе выпрямителя известен после выбора схемы выпрямления.

Кроме обеспечения необходимого коэффициента сглаживания к фильтрам предъявляется еще ряд требований: минимальные габариты; масса и стоимость; отсутствие заметных искажений, вносимых в работу нагрузки; отсутствие недопустимых перенапряжений и выбросов токов при переходных процессах; высокая надежность.

Аналогично выбору выпрямителя, выбираем из нескольких стандартных фильтров тот, который больше подходит нашему техническому заданию:

- Г - образный LC фильтр (рис.5.а.);

- Г - образный RC фильтр (рис.5.б.);

- П - образный LC фильтр (рис.5.в.);

- П - образный RC фильтр (рис.5.г.).

П – образные фильтры мы отбросим сразу, так как они применяются для маломощных выпрямителей с большим коэффициентом сглаживания. Из двух оставшихся выберем Г – образный RC фильтр, так как данный тип фильтра по своим параметрам для нашего технического задания подходит больше, чем все остальные.

4.3. Стабилизатор напряжения.

В большинстве силовых электрических сетей напряжение поддерживается с точностью не выше ±5%.

Для питания электронной аппаратуры (особенно для устройств, содержащих микросхемы) требуется

значительно более высокая стабильность питающего напряжения, достигающая ±0,0001 - 0,5%. Для обеспечения заданной стабильности питающего напряжения применяют стабилизаторы напряжения.

Стабилизатором напряжения называют устройства, которые автоматически поддерживают напряжение на стороне потребителя с заданной степенью точности.

Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжения потребителя, являются колебания входного питающего напряжения, изменения тока нагрузки потребителя, колебания частоты тока сети, изменения окружающей температуры и др.

В зависимости от рода напряжения стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы переменного напряжения и стабилизаторы постоянного напряжения. По принципу стабилизации стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные. В качестве параметрических стабилизаторов используют нелинейные элементы. Стабилизация напряжения в таких стабилизаторах осуществляется за счет нелинейности вольтамперной характеристики нелинейного элемента.

В параметрических стабилизаторах постоянного напряжения в качестве нелинейного элемента используют стабилитроны.

Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического регулирования, в которой эффект стабилизации достигается за счет изменения параметров управляемого элемента, называемого регулирующим.

В зависимости от способа включения регулирующего элемента относительно сопротивления нагрузки стабилизаторы напряжения подразделяются на последовательные и параллельные, а по режиму работы регулирующего элемента – на стабилизаторы с непрерывным регулированием и импульсные.

Основными параметрами стабилизатора являются:

- коэффициент стабилизации:

- коэффициент сглаживания пульсации;

- внутреннее сопротивление стабилизатора R_ст.

Недостатками параметрических стабилизаторов напряжения являются: сравнительно малый коэффициент стабилизации, ограниченный диапазон токов в цепи нагрузки, невозможность плавного регулирования выходного напряжения.

Поэтому компенсационные стабилизаторы напряжения в этом плане выглядят более эффективными, так как они не содержат таких недостатков, а из условия технического задания от нас требуется сравнительно высокий коэффициент стабилизации, выходной коэффициент пульсации, что при использовании параметрического стабилизатора мы не сможем добиться, соответственно, в проектировании будем использовать компенсационный стабилизатор напряжения.

Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения представляют собой систему автоматического регулирования, которая обеспечивает постоянство выходного напряжения с высокой степенью точности при изменениях напряжения сети, тока нагрузки и т.д.

В зависимости от способа выполнения регулирующего элемента стабилизаторы подразделяются на последовательные и параллельные. В стабилизаторах первого типа регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой, в стабилизаторах второго типа – параллельно.

Стабилизатор последовательного типа (рис.6.а) состоит из регулирующего элемента Р, включенного последовательно с нагрузкой, схемы сравнения СС и усилитель постоянного тока У.

Схема сравнения включает в себя источник опорного напряжения и сравнивающий делитель. В схеме сравниваются выходное и опорное напряжения. Сигнал разности этих двух напряжений подается на вход усилителя постоянного тока. При изменении выходного напряжения на выходе схемы сравнения появляется сигнал рассогласования, который усиливается усилителем постоянного тока и поступает на вход регулирующего элемента. Изменение сигнала на входе регулирующего элемента приводит к изменению падений напряжения на нем, и выходное напряжение изменится до первоначального значения с определенной степенью точности.

Параллельная схема стабилизатора (рис.6.б) состоит из тех же элементов. Отличие заключается в том, что регулирующий элемент включен параллельно нагрузке, а последовательно с ней включен гасящий резистор Rг. При изменении выходного напряжения появляется сигнал на выходе схемы сравнения, усиливается усилителем постоянного тока и воздействует на регулирующий элемент так, что ток последнего изменяется.

Изменение тока регулирующего элемента вызывает изменение тока через гасящий резистор, что приводит к изменению падения напряжения на нем, в результате чего компенсируется изменение выходного напряжения с определенной степенью точности.

Из рассмотренных выше схем видно, что качественные параметры их приблизительно одинаковые, в проектировании нашего источника питания будем использовать схему с последовательным включением регулирующего элемента, имеющую более высокий КПД и применяющуюся в разработках более часто.

Опираясь на исходные данные курсового проекта, выберем схему стабилизатора из справочной литературы, которая наиболее подходит по своим параметрам, а так как параметры этой схемы неполностью соответствуют нашим данным, то внесем в нее некоторые изменения, чтобы она полностью подходила под наши данные.

Энергетический расчет ИП.

5.1. Расчет элементов стабилизатора постоянного напряжения.

Исходные данные для расчета (берем из ТЗ):

Расчет силовой части стабилизатора.

Максимальный ток через регулирующий транзистор равен ; .

VD5 и VD6 - два диода типа Д226 с прямым падением напряжения 1В. Так как в качестве нагрузки усилителя используется эмитерный повторитель, то определяем минимальное напряжение Найдем ориентировочную амплитуду пульсации на входе стабилизатора

Минимальное напряжение на входе стабилизатора Примем

Определим номинальное и максимальное напряжение на входе стабилизатора:

Прикинем ориентировочную величину внутреннего сопротивления фильтра .

Найдем максимальное напряжение на входе стабилизатора .

Рассчитаем максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора : .

Величина максимальной мощности рассеиваемая на регулирующем транзисторе:

По величинам выбираем из справочника тип регулирующего транзистора - П210Б.

Для выбора транзистора определим:

1) минимальный и максимальный токи базы транзистора :

( -параметры в дальнейших расчетах определяются по справочнику);

2) ток через :

, где - обратный ток коллектора транзистора П240 при максимальной температуре коллекторного перехода, а - число транзисторов , включенных параллельно ( =1); .

Определим величину сопротивления : . Пусть =5200 Ом, тогда . Выбираем в качестве резистор типа ОМЛТ-1-5.2±5% кОм.

3) максимальное значение тока эмиттера транзистора :

;

4) максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер транзистора :

5) максимальную величину мощности, рассеиваемую транзистором : .

По величинам = 0.109 А, = 27.31 В, = 2.98 Вт выбираем транзистор типа П216В.

Определим минимальный и максимальный токи базы транзистора :

Так как ток > (0.3 ÷ 0.5) мА, то увеличиваем число транзисторов, вводя в составной, до трех.

Для выбора транзистора определим:

1) ток через резистор :

2) величину сопротивления : . Пусть = 22000 Ом, тогда . Выбираем в качестве резистор типа ОМЛТ-0.5-22±5% кОм;

3) максимальный ток эмиттера транзистора :

;

4) максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер транзистора :

5) максимальную величину мощности, рассеиваемую транзистором :

.

По полученным величинам , , выбираем в качестве транзистор типа МП25А.

Найдем максимальный ток базы транзистора :

, < (0.3 ÷ 0.5) мА – значит количество транзисторов, входящих в составной, равно трем.

Расчет схемы сравнения и усилителя постоянного тока.

Определим величину опорного напряжения = 45 В. В качестве источника опорного напряжения выберем стабилитрон типа Д816Г. Его основанные параметры:

Зададимся максимальным током коллектора усилительных транзисторов и : .

Определим максимальное напряжение коллектор-эмиттер транзистора :

Определим максимальную мощность, рассеиваемую транзистором : Выбираем из справочника по полученным величинам , , транзисторы и типа МП25А.

Найдем величину сопротивления в цепи эмиттера следующим образом: . Пусть , тогда мощность будет равна .

В качестве выбираем резистор типа ОМЛТ-1-3.3±5% кОм.

Расчет эмиттерного повторителя, состоящего из , и диодов VD5-VD6.

Сопротивление резистора определяем из выражения: , где , а для диодов Д226 , тогда . Пусть , тогда мощность, рассеиваемая на : . Поэтому в качестве сопротивления возьмем один резистор типа ОМЛТ-1-1.1±5% кОм.

Определим сопротивление : .

Пусть , тогда рассеиваемая мощность на будет равна . . Поэтому в качестве сопротивления выбираем резистор типа ОМЛТ-0.125-280Ом.

Транзистор выбираем исходя из следующих величин:

По этим данным выбираем транзистор типа КТ312Б. Из его характеристик , а так как < , то транзистор выбран верно.

Убедимся, что величина максимального тока через стабилитрон Д3 не превышает предельно допустимого значения: что меньше, чем = 0.13 А, значит все в порядке.

Сопротивление резистора определяем из выражения , пусть =330 Ом, тогда мощность, рассеиваемая на соответственно равна . Поэтому в качестве сопротивления возьмем резистор типа ОМЛТ-1-330±10% кОм.

Зададимся током делителя . Определим максимальный и минимальный коэффициенты передачи делителя:

Определим сопротивление делителя . Сопротивление резистора верхнего плеча делителя . Пусть = 620 Ом, тогда . В качестве выбираем резистор типа ОМЛТ-0.125-620±10% кОм.

Сопротивление резистора нижнего плеча делителя: . Пусть , тогда.

Поэтому в качестве сопротивления используем резистор типа ОМЛТ-0.5-6.8±10% кОм.

Сопротивление переменного резистора определим из: . Пусть , тогда . Поэтому в качестве резистора будем использовать резистор типа СПО-0.5-2.2 кОм.

Определим основные параметры стабилизатора: и внутреннее сопротивление r.

Для данного стабилизатора:

(*) , где - коэффициент усиления составного транзистора по напряжению; - коэффициент усиления усилителя постоянного тока; а - коэффициент передачи делителя; - коэффициент, учитывающий влияние входного сопротивления усилителя на коэффициент передачи делителя; - сопротивление коллектора транзистора в схеме с общим эмиттером; - число регулирующих транзисторов, включенных последовательно (в нашем случае он один).

Для нахождения данных параметров воспользуемся рядом табличных формул:

где = 50000 Ом – сопротивление коллектора для германиевых транзисторов, определяется из справочника при токе 50 мА через диод Д226-2Ом; так как в схеме два диода, соединенных последовательно, то = 2·2 = 4 Ом, тогда .

Найдем сопротивление, шунтирующее вывод усилителя:

, где = 20000 Ом – сопротивление коллектора для германиевых транзисторов.

Найдем .

Определим , где = 20000 Ом для МП25А.

Найдем где

Тогда .

Используя вышеизложенные вычисления и выражение (*) получаем: , что удовлетворяет нашему техническому заданию.

Найдем внутреннее сопротивление стабилизатора: , где - число регулирующих транзисторов включенных параллельно, - крутизна регулирующего транзистора, при , . Определим нагрузочную емкость . В качестве выберем конденсатор типа К-50-29-63В-470мкФ.

Найдем коэффициент пульсации на входе стабилизатора (он же на выходе фильтра):