Разработка импульсного вторичного источника питания

Исходя  из перечисленных достоинств и недостатков, для выпрямления сетевого напряжения выберем мостовую схему выпрямления.

 

3.3 Выбор  сглаживающего фильтра

 

Все рассмотренные  выше схемы выпрямления из-за большого уровня пульсаций очень редко  работают без сглаживающего фильтра. Сглаживающий фильтр должен не только ослаблять пульсации, но и иметь высокую надежность, малые потери мощности, т. е. высокий КПД, минимальные массу, габариты и стоимость, не должен создавать опасных для элементов схемы и нагрузки перенапряжений и всплесков тока как в статическом, так и в динамическом режимах работы.

Простейшими типами сглаживающих фильтров являются индуктивный и ёмкостный фильтры.

Индуктивный фильтр прост, дешев, имеет малые  потери мощности; коэффициент сглаживания фильтра растет с увеличением индуктивности дросселя, числа фаз питающего напряжения и с уменьшением сопротивления нагрузки. Поэтому индуктивные фильтры обычно применяют совместно с многофазными мощными выпрямителями. В маломощных однофазных выпрямителях индуктивный фильтр может являться звеном более сложного фильтра.

Емкостный фильтр состоит из конденсатора, подключенного параллельно сопротивлению нагрузки. Принцип действия заключается в накоплении электрической энергии конденсатором фильтра и последующей отдачи этой энергии в нагрузку.

Более сложные  виды фильтров представляют собой Lc или Rc фильтры, элементы которых соединены по Г-образной или П-образной схеме. Однако недостатком таких фильтров является уменьшение напряжения на нагрузке за счет падения напряжения на элементах такого фильтра. Поэтому для сглаживания выпрямленного сетевого напряжения целесообразно использовать более простые и достаточно эффективные ёмкостные сглаживающие фильтры.

 

3.4 Выбор  схемы преобразователя напряжения

 

Ключевой  преобразователь постоянного напряжения является основным узлом импульсного  источника питания. В проектируемом  ИИП используется прямой однотактный  преобразователь. Характерным признаком  прямоходовых схем является передача энергии во время прямого хода, т. е. открытого состояния транзисторов.

Достоинства однотактных преобразователей по сравнению  с двухтактными: отсутствие симметрирования  работы трансформаторов, малое количество ключей, простота схем управления.

 

3.5 Выбор  схемы управления преобразователем  напряжения

 

Управление  преобразователем напряжения осуществляется прямоугольными импульсами. Существуют различные схемы генераторов  таких импульсов: мультивибраторы  и одновибраторы (которые могут  выполняться на дискретных элементах, на ОУ или на логических микросхемах), блокинг-генераторы и т.д.

Для данного  источника питания будем использовать мультивибратор.

 

3.6 Выбор  схем стабилизаторов напряжения  и защиты

 

Стабилизаторы напряжения обеспечивают автоматическое поддержание напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей сети, тока нагрузки, температуры окружающей среды и т. д. Существует два основных типа стабилизаторов напряжения: параметрические (их свойства определяются параметрами  нелинейных элементов) и компенсационные (представляют собой системы автоматического  регулирования). Так как параметрические  стабилизаторы обладают более высоким  коэффициентом стабилизации и меньшим  выходным сопротивлением, будем использовать их. Стабилизатор первого канала будем  проектировать на интегральной микросхеме, второго канала – на дискретных элементах. Защита от перегрузки по току и от превышения напряжения на нагрузке будет включена в схемы стабилизаторов.

 

4 Выбор  и расчёт всех узлов проектируемого  источника питания

 

В данном разделе производим расчёт всех выбранных  узлов, входящих в состав источника  питания.

 

4.1 Расчёт  помехоподавляющего фильтра

 

Схема помехоподавляющего LС-фильтра показана на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема входного помехоподавляющего фильтра

 

Коэффициент сглаживания:

Во избежание  резонансных явлений рекомендуется  выбирать для однозвенного фильтра . Принимаем , тогда:

Берём конденсаторы К50-28:

Тогда дроссели

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Расчёт  сетевого выпрямителя и сглаживающего

ёмкостного  фильтра

 

Схема используемого  мостового выпрямителя со сглаживающим ёмкостным фильтром указана на рисунке 4:

Рисунок 4 – Схема сетевого выпрямителя  со сглаживающим фильтром

 

 

Для преобразования сетевого напряжения в постоянное выберем  мостовую схему выпрямления. Мощность нагрузки источника питания

 

Используемая  мощность:

Определим ток, потребляемый из сети:

 

      Определим параметры диодов входящих в мост:

     

 

 

 

 

 

 

 

 

Ток через  диоды выпрямителя:

Выбираем  диодный мост VD1-VD4 КЦ404Б с параметрами:

Принимаем коэффициент пульсации на выходе ёмкостного фильтра К=0,01.

Выбираем 2 электролитических конденсатора К50-17 С3,С4, подключенных параллельно по 250мкФ и 350В.

 

 

 

4.3 Расчёт  преобразователя напряжения со  схемами выпрямления

и сглаживающими  фильтрами

 

Схема преобразователя  напряжения приведена на рисунке 5:

Рисунок 5 – Преобразователь напряжения со схемами

выпрямления и сглаживающими фильтрами

 

Определяем  максимальное и минимальное значения входного напряжения и :

Принимаем минимальное значение относительной  длительности открытого состояния  транзистора  .

Определяем  коэффициенты трансформации  и для каждого канала:

Округляем полученные значения до ближайших целых  значений. Принимаем  , . Тогда находим минимальное значение относительной длительности открытого состояния транзистора:

Максимальное  значение относительной длительности:

Находим :

Принимаем частоту преобразования =20 кГц.

Определяем  критические значения индуктивностей дросселей:

Необходимо  принимать  . Выбираем стандартный дроссель Д228 с параметрами , .

Необходимо  принимать  . Выбираем стандартный дроссель Д229 с параметрами , .

Определим приращения токов дросселей:

 

Находим значения ёмкостей и :

Выбираем  алюминиевый оксидно-электролитический  конденсатор серии К50-15 с параметрами , .

Выбираем  алюминиевый оксидно-электролитический  конденсатор серии К50-29 с параметрами , .

Находим коэффициент трансформации размагничивания  :

Определяем  максимальное напряжение на закрытом транзисторе  и максимальный ток :

Принимаем .

Выбираем  транзистор КТ855А с параметрами  , .

Определяем  параметры диодов первого канала:

Выбираем  диод Д231Б с параметрами  , .

Выбираем  диод КД202А с параметрами  , .

Определяем  параметры диодов второго канала:

Выбираем  диод КД203Г с параметрами  , .

Выбираем  диод КД202А с параметрами  , .

Параметры диода цепи размагничивания будем  определять после расчёта трансформатора, так как для этого необходимо знать значение намагничивающего тока .

 

4.4 Расчёт  трансформатора

 

Произведём  расчёт высокочастотного трансформатора преобразователя.

Определяем  максимальное значение мощности вторичных  обмоток трансформатора:

Принимаем КПД трансформатора . Тогда расчётная мощность трансформатора:

Выбираем  сердечник 2000НМ1 из феррита. Для такого сердечника, используемого в однотактном  преобразователе, необходимо принимать  максимальное значение магнитной индукции . Определяем для =20 кГц значение плотности тока в обмотках . Коэффициент заполнения медью окна магнитопровода принимаем . Находим коэффициент формы кривой напряжения :

Находим произведение :

По значению выбираем типоразмер магнитопровода. Выбираем прессованный ферритовый магнитопровод K20 10 6 (кольцевой формы) с параметрами: внешний диаметр , внутренний диаметр , толщина , средняя длина магнитной силовой линии , масса магнитопровода , площадь окна магнитопровода .

Определяем  число витков первичной и вторичных  обмоток, принимая относительное изменение  напряжения на выходе трансформатора :

 

Находим число витков размагничивающей обмотки:

Определяем  потери в магнитопроводе, принимая удельные потери в 1 кг материала магнитопровода :

Действующее значение активной составляющей тока холостого хода:

Действующее значение реактивной составляющей тока холостого хода (принимая максимальное значение напряжённости магнитного поля феррита ):

Действующее значение тока холостого хода:

Исходя  из этого, определяем параметры диода  цепи обратной связи:

Выбираем  диод Д229Д с параметрами  , .

Действующее значение тока первичной обмотки  трансформатора:

Поперечные  сечения проводов обмоток (принимая значение плотности тока в обмотках ):

Выбираем  для первичной и вторичных  обмоток обмоточный провод ПЭВ-1 с  параметрами: расчётное сечение 0,1134 мм², номинальный диаметр провода без изоляции 0,38 мм, максимальный наружный диаметр 0,42 мм.

Для размагничивающей обмотки выбираем обмоточный провод ПЭВ-1 с параметрами: расчётное сечение 0,0095 мм², номинальный диаметр провода без изоляции 0,11 мм, максимальный наружный диаметр 0,135 мм.

 

4.5 Расчёт  схемы управления преобразователем

 

Так как  для управления преобразователем необходимо получать импульсы со скважностью больше 2, будем использовать несимметричный мультивибратор. Схема управления преобразователем на несимметричном мультивибраторе показана на рисунке 6.

Рисунок 6 – Мультивибратор

 

Принимаем напряжение источника питания  . Тип транзисторов выбираем из соотношений:

Выбираем  транзисторы КТ210А с параметрами  , , , , .

Выбираем  резисторы  из соотношения:

Так как  для маломощных транзисторов обычно принимают не менее , выбираем резисторы ОМЛТ-0,125 сопротивлением 1 кОм.

Коэффициент насыщения транзисторов обычно принимают в диапазоне , а в качестве – его минимальное значение. Принимая и , находим сопротивления резисторов по формуле: