Пример расчета блока питания

Варианты заданий к курсовой работе

В таблице 4.1 представлены варианты заданий к курсовой работе. Номер варианта выбирается студентом по двум последним цифрам номера (шифра) зачетной книжки. Для выбранного варианта из таблицы 4.1 выписываются необходимые для расчета блока питания данные (см. пункт 3.1). Не допускается выполнение курсовой работы по варианту задания, номер которого не соответствует двум последним цифрам номера зачетной книжки студента.

Таблица 4.1 – Варианты заданий к курсовой работе

№	Uc, В	m	fc, Гц	Uвых, В	Iн, А	ΔUвых, ±В	ΔUвх.с, ±В	ΔTокр, ±˚С
					2,0	±1	±22	-20 ÷ +45
					1,9	±1,5	±17	-20 ÷ +45
					1,8	±2	±33	-20 ÷ +45
					1,7	±1,2	±22	-20 ÷ +45
					1,6	±0,5	±17	-20 ÷ +45
					1,5	±2,5	±33	-20 ÷ +45
					1,4	±1,6	±22	-20 ÷ +45
					1,3	±2,2	±17	-20 ÷ +45
					1,1	±1	±33	-20 ÷ +45
					1,0	±1,5	±22	-20 ÷ +45
					0,9	±2	±17	-20 ÷ +45
					0,8	±1,2	±33	-20 ÷ +45
					0,7	±0,5	±22	-20 ÷ +45
					0,6	±2,5	±17	-20 ÷ +45
					0,5	±1,6	±33	-20 ÷ +45
					1,0	±2,2	±22	-20 ÷ +45
					0,8	±0,7	±17	-20 ÷ +45

Продолжение таблицы 4.1

					2,0	±1	±11	-20 ÷ +45
					1,9	±1,5	±13	-20 ÷ +45
					1,8	±2	±17	-20 ÷ +45
					1,7	±1,2	±11	-20 ÷ +45
					1,6	±0,5	±13	-20 ÷ +45
					1,5	±2,5	±17	-20 ÷ +45
					1,4	±1,6	±11	-20 ÷ +45
					1,3	±2,2	±13	-20 ÷ +45
					1,1	±1	±17	-20 ÷ +45
					1,0	±1,5	±11	-20 ÷ +45
					0,9	±2	±13	-20 ÷ +45
					0,8	±1,2	±17	-20 ÷ +45
					0,7	±0,5	±11	-20 ÷ +45
					0,6	±2,5	±13	-20 ÷ +45
					0,5	±1,6	±17	-20 ÷ +45
					1,8	±2,2	±11	-20 ÷ +45
					1,7	±1	±22	-20 ÷ +45
					1,6	±1,5	±17	-20 ÷ +45
					1,5	±2	±11	-20 ÷ +45
					1,4	±1,2	±22	-20 ÷ +45
					1,3	±0,5	±17	-20 ÷ +45
					1,1	±2,5	±11	-20 ÷ +45
					1,0	±1,6	±22	-20 ÷ +45
					0,9	±2,2	±17	-20 ÷ +45
					0,8	±0,7	±11	-20 ÷ +45
					0,7	±1,2	±13	-20 ÷ +45
					0,6	±1	±17	-20 ÷ +45

Продолжение таблицы 4.1

					2,0	±1	±38	-20 ÷ +45
					1,9	±1,5	±22	-20 ÷ +45
					1,8	±2	±57	-20 ÷ +45
					1,7	±1,2	±38	-20 ÷ +45
					1,6	±0,5	±22	-20 ÷ +45
					1,5	±2,5	±57	-20 ÷ +45
					1,4	±1,6	±38	-20 ÷ +45
					1,3	±2,2	±22	-20 ÷ +45
					1,1	±1	±57	-20 ÷ +45
					1,0	±1,5	±38	-20 ÷ +45
					0,9	±2	±22	-20 ÷ +45
					0,8	±1,2	±57	-20 ÷ +45
					0,7	±0,5	±38	-20 ÷ +45
					0,6	±2,5	±22	-20 ÷ +45
					0,5	±1,6	±57	-20 ÷ +45
					1,8	±2,2	±38	-20 ÷ +45
					1,7	±1	±22	-20 ÷ +45
					1,6	±1,5	±57	-20 ÷ +45
					1,5	±2	±38	-20 ÷ +45
					1,4	±1,2	±22	-20 ÷ +45
					1,3	±0,5	±57	-20 ÷ +45
					1,1	±2,5	±38	-20 ÷ +45
					1,0	±1,6	±22	-20 ÷ +45
					0,9	±2,2	±57	-20 ÷ +45
					0,8	±0,7	±38	-20 ÷ +45
					0,7	±1,2	±22	-20 ÷ +45
					0,6	±1,5	±57	-20 ÷ +45

Продолжение таблицы 4.1

					2,0	±1	±11	-20 ÷ +45
					1,9	±1,5	±15	-20 ÷ +45
					1,8	±2	±8	-20 ÷ +45
					1,7	±1,2	±11	-20 ÷ +45
					1,6	±0,5	±15	-20 ÷ +45
					1,5	±2,5	±8	-20 ÷ +45
					1,4	±1,6	±11	-20 ÷ +45
					1,3	±2,2	±15	-20 ÷ +45
					1,1	±1	±8	-20 ÷ +45
					1,0	±1,5	±11	-20 ÷ +45
					0,9	±2	±15	-20 ÷ +45
					0,8	±1,2	±8	-20 ÷ +45
					0,7	±0,5	±11	-20 ÷ +45
					0,6	±2,5	±15	-20 ÷ +45
					0,5	±1,6	±8	-20 ÷ +45
					1,8	±2,2	±11	-20 ÷ +45
					1,7	±1	±15	-20 ÷ +45
					1,6	±1,5	±8	-20 ÷ +45
					1,5	±2	±11	-20 ÷ +45
					1,4	±1,2	±15	-20 ÷ +45
					1,3	±0,5		-20 ÷ +45
					1,1	±2,5	±11	-20 ÷ +45
					1,0	±1,6	±17	-20 ÷ +45
					0,9	±2,2		-20 ÷ +45
					0,8	±0,7	±11	-20 ÷ +45
					0,7	±1,5	±17	-20 ÷ +45
					0,6	±1,2		-20 ÷ +45

Продолжение таблицы 4.1

					1,0	±2,2	±11	-20 ÷ +45
					0,8	±1	±17	-20 ÷ +45

Расшифровка представленных в таблице 4.1 данных приведена в пункте 3.1.

Рассмотрим на примере выбор правильного варианта задания к курсовой работе. Если зачетная книжка имеет номер 12345, то по двум последним цифрам данного номера в качестве нужного выбирается вариант № 45. Номер зачетной книжки обычно пятизначный и указывается в верхней части первой страницы. Номера вариантов заданий приведены в первом столбце табл. 4.1. По номеру варианта выбирается соответствующая строка таблицы и из этой строки выписываются значения необходимых для расчета параметров. Это U_c, m, f_c, U_вых, I_н, ΔU_вых, ΔU_вх.с, ΔT_окр. Для приведенного примера U_c=380 В, m=1, f_c=50 Гц, U_вых=9 В, I_н=2,0 А, ΔU_вых= ±1 В, ΔU_вх.с= ±38 В, ΔT_окр=-20 ÷ +45 ˚С.

Выполненная не по своему варианту курсовая работа не засчитывается. Кроме того, не допускается брать часть данных для расчета из другого варианта или выполнять расчеты по данным, которые не приведены в таблице 4.1.

Рассмотрим пример расчета блока питания. Данный пример следует рассматривать как образец применения приведенного в пункте 3 порядка расчета, а не как образец выполнения курсовой работы, которая помимо непосредственно расчетов должна содержать краткие теоретические сведения к ним, подробные рассуждения и обоснования студента по ходу расчета, анализ результатов, выводы и быть соответствующим образом структурирована путем разделения информации на главы, пункты и подпункты.

Исходные данные для расчета блока питания следующие:

U_c = 220 В – напряжение питающей сети;

m = 1 – число фаз питающей сети;

f_c = 50 Гц – частота переменного напряжения питающей сети;

U_вых = 12 В – напряжение на выходе блока питания;

I_н = 1 А – ток нагрузки;

ΔU_вых = ±2,5 В – пределы регулировки выходного напряжения;

ΔU_вх.с = ±22 В – нестабильность входного сетевого напряжения;

ΔT_окр = -20 ÷ +45 – диапазон рабочих температур.

Вычисляем напряжение на выходе сглаживающего фильтра по (3.2.1):

U_0н = (1,5·12) В = 18 В.

Выходной ток выпрямителя принимаем приближенно равным току нагрузки блока питания согласно (3.2.2):

I₀ = 1 А.

В учебных целях на выходе сглаживающего фильтра максимально допустимое значение коэффициента пульсации выпрямленного напряжения по первой гармонике k_п.вых% принимаем равным 2,7 %.

Определяем мощность нагрузки выпрямителя по формуле (3.3.1):

P_0н = (18·1) Вт = 18 Вт.

Так как P_0н = 18 Вт < 100 Вт, I₀ = 1 А и U_0н < 300 В, то выбираем однофазную мостовую схему выпрямления, для которой коэффициент пульсации k_п% = 67 %.

Так как I₀ = 1 А, то входным элементом сглаживающего фильтра выбираем дроссель. С учетом этого вычисляем требующийся коэффициент сглаживания фильтра по (3.3.3):

q= = 24,8.

Так как q = 24,8 < 25, то весь фильтр должен представлять собой однозвенный LC-фильтр, и для этого необходимо добавить к выбранному в качестве входного элемента фильтра дросселю конденсатор так, чтобы в итоге получилась схема, как на рисунке 2.8г. Получившийся сглаживающий фильтр образует индуктивную нагрузку для выпрямителя.

Вычислим напряжение на выходе схемы выпрямления U₀ с учетом падения напряжения на дросселе LC-фильтра по (3.4.1). Перед этим определяем по графику на рисунке 3.1, что = 10,05 %. Тогда

U₀=18 В ≈ 19,8 В.

Рассчитаем требуемые параметры диодов выпрямителя с индуктивной нагрузкой. Так как выбрана однофазная мостовая схема выпрямителя, то согласно таблице 3.6.1 получаем:

I_пр.ср = А = 0,5 А; I_пр.и = 1 А; U_обр.и = ( ·19,8) В ≈ 28 В.

Под вычисленные параметры подходят диоды марки КД202Б. Выпишем их параметры:

I_{пр.ср.max} = 1 А, U_{обр.и.max} = 50 В, U_пр = 1 В, I_{обр.и.max} = 1 мА, диапазон рабочих температур – от -60 до +120 ºС.

Для однофазной мостовой схемы согласно таблице 3.7.1 необходимо 4 диода.

Произведем электрический расчет выпрямителя.

Используя информацию из пунктов 3.8, 3.9, таблицы 3.9.1 и уже полученные данные, определяем:

k_rL = 5,2, B = 1,2 Тл, σ = 1 шт, k_L = 0,0064.

Число стержней σ магнитопровода трансформатора, несущих обмотки, выбрали, исходя из того, что предполагается к использованию трансформатор с броневым магнитопроводом, как наиболее рациональный в диапазоне малых мощностей.

Рассчитываем активное сопротивление обмоток питающего трансформатора, приведенное к вторичной обмотке по формуле (3.9.1):

r_тр= 5,2∙ ∙ Ом = 2,3 Ом.

Вычисляем индуктивность рассеяния обмоток трансформатора, приведенную к фазе вторичной обмотки, по формуле (3.9.2):

L_S = 0,0064∙1∙ Гн = 0,0016 Гн.

Падение напряжения ΔU_тр на активном сопротивлении трансформатора согласно таблице 3.9.1:

ΔU_тр = (1·2,3) В = 2,3 В.

Падение напряжения ΔU_L на реактивном сопротивлении трансформатора согласно таблице 3.9.2:

ΔU_L = (0,14·19,8 В) = 2,8 В.

Рассчитываем прямое падение напряжения U_пр.сх на диодах в выбранной схеме выпрямителя по формулам таблицы 3.9.1:

U_пр.сх = (2·1) В = 2 В.

Вычисляем ориентировочное падение напряжения на дросселе фильтра по формуле (3.9.3):

U_ф= (18∙0,01∙10,05) В = 1,8 В.

Определяем выпрямленное напряжение U_0x на холостом ходе по (3.9.4):

U_0x=(19,8+2,3+1,8+2+2,8) В = 28,7 В.

Находим уточненное значение U_обр.и для выбранной схемы выпрямителя по формулам таблицы 2.6.1:

U_обр.и = (1,57·28,7) В = 45 В.

Полученное окончательное значение U_обр.и является допустимым для диодов выбранной марки (КД202Б).

Согласно данным таблицы 3.9.1 рассчитаем параметры трансформатора, питающего выпрямитель:

U₂ = (1,11·28,7) В = 31,9 В;

I₁ = ·1 А = 0,145 А;

I₂ = I₀ = 1 А;

P_Г = (1,11·28,7·1) Вт = 31,9 Вт.

Рассчитаем параметры индуктивно-емкостного фильтра с индуктивным характером входного сопротивления.

Определим минимально допустимое значение индуктивности дросселя фильтра по формуле (3.11.1):

L_min = Гн = 0,061 Гн.

Учитывая полученное значение L_min и ток через дроссель I₀, выбираем стандартный дроссель марки Д158, для которого:

L = 0,08 Гн, I = 1,1 А, r_L = 1,35 Ом.

Вычисляем параметр V по формуле (3.11.2):

V = Гн∙мкФ = 64,5 Гн∙мкФ.

Рассчитываем значение емкости С конденсатора фильтра по (3.11.3):

С = мкФ = 806,25 мкФ.

Требуемое рабочее напряжение конденсатора определяем по (3.11.4):

U_раб = ( ·28,7) В = 41 В.

Выбираем стандартный электролитический конденсатор типа К50-22 с номинальным напряжением 50 В и емкостью C_ст 1000 мкФ.

Находим уточненное значение коэффициента сглаживания q_ут фильтра с учетом значений L и C_ст выбранных элементов по формуле (3.11.5):

q_ут= –1 = 31.

31 ≥ 24,8 – условие (3.11.6) соблюдено.

Определяем резонансную частоту фильтра по (3.11.7), предварительно переведя емкость C_ст из микрофарад в фарады путем деления на 1000000:

ω₀= рад/с = 111,8 рад/с.

Проводим проверку на отсутствие резонанса по условию (3.11.8):

ω₀ = 111,8 рад/с ≤ (2∙3,14159∙50) рад/с = 314 рад/с – условие выполняется.

Таким образом, параметры фильтра подобраны правильно.

Рассчитываем реальное падение напряжения U_ф.р на выбранном дросселе по формуле (3.11.9):

U_ф.р = (1,35·1) В = 1,35 В.

Проверим соблюдение условия (3.11.10):

U_ф.р = 1,35 В ≤ U_ф = 1,8 В – условие соблюдается.

Перейдем к расчету электронного стабилизатора постоянного напряжения компенсационного типа с последовательно включенным регулирующим элементом (рисунок 2.9). Для этого предварительно определим необходимые для его расчета исходные данные, учитывая, что часть их известна из задания к расчету блока питания, а часть – уже так или иначе определена при предыдущих вычислениях.

Согласно информации из пункта 3.12 напряжение на выходе стабилизатора U_вых=12 В, выходной ток стабилизатора I_н=1 А, пределы регулировки выходного напряжения стабилизатора ΔU_вых=±2,5 В.

Коэффициент стабилизации K_СТ по величине принимаем равным 500.

Напряжение на входе стабилизатора U_вх = U_0н = 18 В.

Нестабильность входного напряжения стабилизатора ΔU_вх при выпрямителе блока питания, нагруженном на индуктивную нагрузку, определим по (3.12.2):

ΔU_вх = 22∙ В = 3,2 В.

Рассчитываем параметры элементов стабилизатора напряжения.

Вычисляем максимальное напряжение коллектор-эмиттер для транзистора VT1 по формуле (3.13.1):

U_КЭ1.тр = (18 + 3,2 – (12 – 2,5)) В = 11,7 В.

Определяем максимальную мощность, которая должна рассеиваться на регулирующем транзисторе VT1, по (3.13.2):

P_K1.тр = (11,7∙1) Вт = 11,7 Вт.

Максимальный коллекторный ток транзистора VT1 I_K1.тр = I_н = 1 А по (3.13.3).

В соответствии с условием (3.13.4) выбираем из справочника транзистор марки КТ818А. Для нормального функционирования данного транзистора без опасности перегрева его необходимо установить на охлаждающий радиатор. Выпишем основные параметры для КТ818А:

I_K1.max = 10 А, U_КЭ1.max = 40 В, P_K1.max = 60 Вт, h_21Э1 = 15, f_гр1 = 3 МГц, U_КБ1 = 40 В, I_КБ01 = 0,001 А, диапазон рабочих температур – от -40 ºС до +100 ºС.

Находим требуемые пределы U_оп.тр изменения опорного напряжения стабилитрона VD1 по формулам (3.13.5) и (3.13.6):

U_{оп.тр.min} = () В = 6,5 В;

U_{оп.тр.max} = () В = 7,5 В.

В итоге требуемые пределы изменения опорного напряжения стабилитрона составляют U_оп.тр = 6,5÷7,5 В, в соответствии с которыми по справочнику выбираем стабилитрон марки Д815Б, имеющий следующие параметры:

U_оп = 7,5 В, I_ст.ном = 0,05 А, r_ст = 0,8 Ом, ТКН = +3,75 мВ/˚С.

Рассчитываем для транзистора VT2 требующееся максимальное значение напряжения коллектор-эмиттер по формуле (3.13.7):

U_КЭ2.тр = ((12+2,5) – 7,5) В = 7 В.

По условию (3.13.8) выбираем транзистор марки КТ501К, имеющий следующие параметры:

I_K2.max = 0,3 А, U_КЭ2.max = 45 В, P_K2.max = 0,35 Вт, h_21Э2 = 100, f_гр2 = 5 МГц, U_КБ2 = 45 В, I_КБ02 = 10^-6 А, диапазон рабочих температур – от -60 ºС до +125 ºС.

Согласно условию (3.13.9) зададимся коллекторным током транзистора VT2:

I_К2 = (0,6·0,05) А = 0,03 А.

Определяем сопротивление резистора R_б в цепи источника опорного сигнала по формуле (3.13.10):

R_б = Ом = 225 Ом.

Округляем R_б до ближайшего стандартного из ряда E12 значения 220 Ом.

Рассчитываем базовый ток транзистора VT1 по (3.13.11):

I_Б1.тр = А = 0,067 А.

Находим ток, протекающий по резистору R_к, по (3.13.12):

I_Rк = (0,067 – 0,03) А = 0,037 А.

Вычисляем сопротивление резистора R_к по формуле (3.13.13):

R_к = Ом = 95 Ом.

Округляем R_к до ближайшего стандартного из ряда E12 значения 100 Ом.

Рассчитываем базовый ток транзистора VT2 по (3.13.14):

I_Б2.тр = А = 0,0003 А.

Определяем ток в цепи делителя напряжения (резисторы R1, R3 и потенциометр R2) по формуле (3.13.15):

I_дел = (20·0,0003) А = 0,006 А.

Находим максимальное напряжение на выходе стабилизатора по (3.13.16):

U_вых.max = (12 + 2,5) В = 14,5 В.

Находим минимальное напряжение на выходе стабилизатора по (3.13.17):

U_вых.min = (12 – 2,5) В = 9,5 В.

Рассчитываем сопротивления резисторов R1, R3 и потенциометра R2 делителя напряжения по формулам (3.13.19), (3.13.20) и (3.13.21):

R₃ = Ом = 1250 Ом;

R₁ = Ом = 333 Ом;

R₂ = – 333 Ом = 834 Ом.

Округляем полученные значения R₁, R₂ и R₃ до ближайших из ряда E12:

R₁ = 330 Ом, R₂ = 820 Ом, R₃ = 1200 Ом.

Вычисляем сопротивление коллекторного перехода регулирующего транзистора VT1 по формуле (3.13.22):

r_К1 = Ом = 40000 Ом.

Определяем сопротивление эмиттерного перехода усилительного транзистора VT2 по (3.13.23):

r_Э2 = Ом = 0,87 Ом.

Сопротивление базы r_Б2 усилительного транзистора VT2 принимаем 200 Ом.

Рассчитываем коэффициент стабилизации схемы по формуле (3.13.24):

K_ст = ∙ = 4520 > 500.

Следовательно, вычисленные параметры элементов схемы стабилизатора напряжения являются оптимальными.

Теперь рассчитаем силовой трансформатор для блока питания.

Находим мощность вторичной цепи по формуле (3.15.1):

S₂ = (31,9·1) ВА = 31,9 ВА.

Определяем мощность S₁ первичной цепи по (3.15.3), предварительно выбрав по таблице 3.15.1 КПД трансформатора:

S₁ = ВА = 36,7 ВА.

Вычисляем поперечное сечение стержня магнитопровода трансформатора по формуле (3.15.5), учитывая, что выбрана броневая форма сердечника и трансформатор будет с воздушным охлаждением (сухим):

Q_c = 6 ∙10² мм² = 514 мм².

Рассчитываем уточненное значение поперечного сечения стержня магнитопровода трансформатора с учетом изоляции между листами электротехнической стали по (3.15.7):

Q_c.ут = (1,1∙514) мм² = 565 мм².

Находим геометрические параметры магнитопровода трансформатора. Для этого вычисляется предварительная ширина a_пр стержня магнитопровода по (3.15.8):

a_пр = мм = 17,7 мм.

Округляем a_пр до ближайшего из таблицы 3.15.2 значения 16 мм.

Определяем толщину b пакета пластин магнитопровода по (3.15.9):

b = мм = 35 мм.

Рассчитываем высоту стержня H магнитопровода по (3.15.10):

H = (3,5∙16) мм = 56 мм.

Находим ширину окна сердечника с по формуле (3.15.11):

c= мм = 19 мм.

Рассчитываем сечение ярма Q_я трансформатора с учетом изоляции между листами электротехнической стали по (3.15.13):

Q_я = (0,575∙565) мм² = 325 мм².

Определяем диаметры проводов первичной и вторичной обмоток трансформатора по формулам (3.15.14) и (3.15.15), предварительно выбрав по таблице 3.15.1 плотности тока в проводах обмоток:

d₁ = 1,13∙ мм = 0,24 мм;

d₂ = 1,13∙ мм = 0,63 мм.

Вычисляем число витков первичной обмотки по формуле (3.15.16):

w₁ = шт = 1462 шт.

Находим число витков вторичной обмотки по формуле (3.15.17):

w₂ = 1462∙ шт = 212 шт.

Основные параметры трансформатора рассчитаны.

Приложения

Дата добавления: 2017-01-13