Курсовой - ИВЭП / Kurs_ИВЭП_1-9

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования Уральский государственный университет путей сообщения

Челябинский институт путей сообщения

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

изадание на курсовую работу для студентов ИТ – II курс

ЧЕЛЯБИНСК

2007

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Источники вторичного электропитания

Средства вторичного электропитания электронных устройств, называемые обычно источниками вторичного электропитания (ИВЭП) предназначены для формирования необходимых для работы электронных элементов напряжений с заданными характеристиками. Они могут быть выполнены в виде отдельных блоков или входить в состав различных функциональных электронных узлов. Их основной задачей является преобразование энергии первичного источника в комплект выходных напряжений, которые могут обеспечить нормальное функционирование электронного устройства. Общая структура ИВЭП приведена на рис. 1.

Общая структурная схема ИВЭП

Типовые структурные схемы ИВЭП

Структура ИВЭП зависит от типа первичного источника электрической энергии. Все используемые первичные источники можно разделить на две большие группы: источники переменного напряжения и источники постоянного напряжения. Источники переменного напряжения обычно имеют на выходе напряжение гармонической формы с фиксированной частотой 50 Гц, 400 Гц и др. и фиксированным значением 110 В, 127 В, 220 В или 380 В. Источники постоянного напряжения, например, аккумуляторные батареи также имеют фиксированное напряжение из ряда 6, 12, 24 или 48 В.

2

Сеть

Трансформатор Выпрямитель Фильтр Нагрузка

а)

Сеть

Трансфоматор Регулируемый Фильтр Нагрузка Выпрямитель

б)

Устройство

управления Управление

Сеть

Трансформатор Выпрямитель Фильтр Стабилизатор

в)

Нагрузка

Структурные схемы ИВЭП с трансформаторным входом:

а) нерегулируемый ИВЭП; б) регулируемый ИВЭП;

в) стабилизированный ИВЭП.

Структурные схемы ИВЭП, использующих электроэнергию, получаемую от сети переменного напряжения через трансформатор, приведены на рис. 2. Такие ИВЭП можно разделить на три группы: нерегулируемые, регулируемые и стабилизированные.

Схема нерегулируемого ИВЭП с трансформаторным входом приведена на рис. 2 а. Она состоит из силового сетевого трансформатора, нерегулируемого выпрямителя и фильтра пульсаций выпрямленного напряжения. Эта схема является простейшей и используется в тех случаях, когда требования к удельной мощности и качеству выходных напряжений невысокие.

Если требуется изменять выходное напряжение ИВЭП, то в схему вводится регулируемый выпрямитель, как показано на рис. 2 б. Управление выходным напряжением может осуществляться оператором. Сам регулируемый выпрямитель обычно выполняют на тиристорах

3

От недостатков первых двух ИВЭП свободна схема со стабилизатором, приведенная на рис. 2 в. В эту схему после фильтра включается стабилизатор с непрерывным или импульсным регулированием выходного напряжения. Удельная мощность такого ИВЭП невелика по двум основным причинам: наличию силового трансформатора, работающего на частоте силовой сети, и необходимости использования стабилизатора.

Однофазный мостовой выпрямитель с ёмкостным фильтром

Рассмотрим работу маломощного однофазного мостового выпрямителя при работе на чисто активную нагрузку и с ёмкостным сглаживающим фильтром (рис. 3).

Однофазная мостовая схема выпрямления с C-фильтром

В представленной на рисунке схеме диоды VD1…VD4 образуют мост, в одну диагональ которого, между точками (т.) «a» и «b» включён источник переменного напряжения питающей сети Ui , а в другую: между катодами и анодами диодов – нагрузка Rn . Параллельно резистору Rn подсоединяется конденсатор C, используемый в качестве ёмкостного фильтра (C-фильтр).

Рассмотрим вначале работу выпрямителя без учёта влияния ёмкостного фильтра (конденсатор C - отключён). Диоды в схеме работают попарно. В один из полупериодов питающего наряжения, когда потенциал т.«a» положителен относительно т.«b», диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 и VD3 - закрыты. Ток от источника Ui проходит через диод VD1, нагрузку Rn и диод VD4. К диодам VD2 и VD3 прикладывается переменное обратное напряжение, равное ui . В следующий полупериод напряжения сети т.«a» имеет отрицательный потенциал по отношению к т.«b».

4

Теперь открыты диоды VD3 и VD2, а ток протекает от т.«b» к т. «a»: через диод VD3, нагрузку Rn и диод VD2 . Таким образом, в течение всего периода ток проходит через нагрузку в одном направлении.

Включение конденсатора С параллельно нагрузке Rn изменяет режим работы выпрямителя по сравнению с работой при чисто активной нагрузке. Так, для отпирания диодов VD1 и VD4 уже недостаточно положительной разницы потенциалов между т.«a» и т.«b». Необходимо, чтобы напряжение ui = uаb превысило напряжение на конденсаторе uc = uн. Как видно из рис. 1.2, на интервале 0…φ1, когда питающее напряжение меньше напряжения на конденсаторе: ui < uс , диоды VD1 и VD4 - закрыты. Нагрузка и конденсатор отделены от сети запертыми диодами. Конденсатор разряжается через резистор Rn с постоянной времени τ = Rn·C . В момент времени ωt = φ1, когда ui = uс, диоды VD1 и VD4 открываются. Конденсатор на интервале φ1… φ2 подключается к напряжению сети и заряжается. Из-за падения напряжения на открытых диодах величина uс < ui. Процесс заряда конденсатора заканчивается в момент ωt = φ2 , когда напряжение на нём становится равным напряжению сети: uс = ui . В интервале φ2… φ3 все диоды мостовой схемы закрыты. Конденсатор разряжается через резистор нагрузки. В момент ωt = φ3 , когда потенциал т.«b» положителен относительно т.«a», напряжение ui (отрицательная полуволна) становится равным uс . Теперь открываются другие диоды (VD3 и VD2) и процесс повторяется. Кривая напряжения на нагрузке отличается от кривой при чисто активной нагрузке: она становится более сглаженной.

Диаграммы напряжений

5

Практическая направленность курсовой работы

На железнодорожном транспорте широкое применение находят аналоговые и импульсные устройства электронной техники. Они предназначены для организации оперативно-технической связи, для построения систем контроля и управления электроснабжением. Питание таких устройств осуществляется от сети переменного тока – однофазной 220 В и трехфазной 380 В через источники вторичного электропитания, служащие для преобразования величины, выпрямления и стабилизации напряжения. Источники вторичного электропитания строятся по различным схемам, от которых в первую очередь, требуется обеспечение стабильного выходного напряжения с низким уровнем пульсаций. Кроме этого, они должны быть надежными и обеспечивать приемлемый коэффициент полезного действия.

В настоящее время схемотехника вторичных источников электропитания постоянно усложняется. Разработаны импульсные источники с выпрямителем на входе и преобразовательным трансформатором, работающим на ультразвуковой частоте. Однако классические схемы источников питания с трансформатором на частоту 50 Гц все еще успешно применяются для нужд автоматики и телемеханики в электроснабжении железнодорожного транспорта.

Цель курсового проекта – обобщение и углубление теоретических знаний студентов по дисциплине «Электротехника и электроника» в области расчета и анализа работы электронных схем, развитие самостоятельных навыков по выбору электронных компонентов, расчету характеристик и энергетических показателей источников питания.

Объектом исследования в курсовом проекте является однофазный стабилизированный источник питания, подключаемый к сети переменного тока 220 В 50 Гц, содержащий трансформатор, выпрямитель на полупроводниковых диодах, сглаживающий емкостный фильтр, и стабилизатор выходного напряжения. Выполнение курсового проекта предусматривает решение студентом следующих задач:

1.закрепление знаний о свойствах и параметрах полупроводниковых приборов – диодов, транзисторов, стабилитронов, интегральных микросхем;

2.выяснение того, как отдельные простые схемы при определенном соединении образуют более сложное устройство, в котором каждая схема вносит свой вклад в реализацию функций всего устройства;

3.приобретение навыков работы со справочной литературой.

Содержание курсовой работы

В курсовой работе выполняется разработка источника вторичного электропитания.

Вариант электрической схемы вторичного источника электропитания (ИВЭП) курсовой работы представлен на рисунке.

6

Многоканальный источник вторичного электропитания (ИВЭП) радиоэлектронной аппаратуры содержит трансформатор с несколькими вторичными обмотками. В каждом канале к своей вторичной обмотке подключен выпрямитель и сглаживающий фильтр. Для поддержания неизменного напряжения в нагрузке источники питания первого и второго каналов содержат стабилизаторы.

Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства источников питания, являются:

1.величина выходного напряжения Ud и тока Id;

2.коэффициент пульсаций Кп – отношение амплитуды пульсаций

выходного напряжения к среднему значению напряжения (постоянной составляющей);

3.внешняя характеристика – зависимость напряжения в нагрузке от тока нагрузки Ud = f(Id);

4.коэффициент полезного действия η.

Задание на курсовую работу

Исходные данные для расчета трехканального источника питания представлены в таблице 1. Вариант определяется по предпоследней и последней цифрам шифра (номера студенческого билета).

По данным варианта необходимо:

1. Выбрать схемы стабилизаторов для первого и второго каналов источника питания.

7

2.Зарисовать расчетную схему источника питания, содержащего два канала со стабилизаторами и один канал с выпрямителем без стабилизатора.

3.Выбрать типовую микросхему серии 142 для первого канала и рассчитать стабилизатор с усилителем тока на транзисторе для второго канала источника питания.

4.Определить входное напряжение, входной ток и уровень пульсаций напряжения на входе каждого стабилизатора (Uвх1, Iвх1,

КВХП1 и Uвх2, Iвх2, КВХП 2 ).

Таблица 1

5.Выбрать тип сердечника трансформатора и рассчитать каждый из трех выпрямителей.

6.По результатам расчета выбрать тип диодов выпрямителей и стандартные значения емкостей конденсаторов сглаживающих фильтров. Указать тип и рабочее напряжение конденсаторов.

7.Построить внешние характеристики выпрямителей и временную диаграмму работы для первого выпрямителя (Uвх1).

8.Начертить на листе формата А3 принципиальную электрическую схему источника питания. Привести спецификацию элементов схемы.

8

Оформление курсовой работы

Курсовой проект состоит из расчетной и графической частей. Расчетная часть оформляется на одной стороне листа формата А4. Графическая часть оформляется на миллиметровой бумаге формата А4 и включает в себя расчетную схему источника питания, временные диаграммы работы, графики внешних характеристик выпрямителей. Принципиальная электрическая схема источника питания со спецификацией элементов выполняется на листе формата А3. Рекомендуется также на отдельном листе расшифровать условные графические обозначения элементов на принципиальных электрических схемах. Все разделы пояснительной записки должны иметь название и нумероваться цифрами (1, 2, 3 и т.д.). Подразделы также должны иметь название и нумероваться в пределах каждого раздела двумя цифрами (1.1; 1.2... 3.1; 3.2). Схемы, графики, таблицы должны иметь сквозную нумерацию располагаться сразу после ссылки на них в тексте работы или на следующей отдельной странице и иметь название.

Отмеченные при проверке преподавателем ошибки должны быть аккуратно исправлены (схемы, графики) или переписаны на обратной стороне предыдущего листа.

Структура и состав расчетно-пояснительной записки:

1.Титульный лист;

2.Задание;

3.Содержание;

4.Введение;

5.Описание работы источника питания;

6.Расчет стабилизаторов напряжения и выбор элементов схемы;

6.1.Расчет стабилизатора первого канала, выбор микросхемы;

6.2. Расчет стабилизатора второго канала, выбор стабилитрона и транзистора;

7. Расчет выпрямителей с емкостным фильтром;

7.1.Расчет выпрямителя первого канала, внешняя характеристика и временная диаграмма работы;

7.2.Расчет выпрямителя второго канала, внешняя характеристика;

7.3.Расчет выпрямителя третьего канала, внешняя характеристика;

8.Расчет параметров трансформатора или выбор стандартного трансформатора;

9.Принципиальная схема источника питания;

10.Определение коэффициента полезного действия;

11.Список использованной литературы;

12.Приложения (компьютерные программы и результаты расчетов, справочные сведения и т. д.).

Объем пояснительной записки составляет 25-30 листов.

9