Upload
jonsibal
View
201
Download
8
Embed Size (px)
Citation preview
Технически университет – СофияФилиал Пловдив
Токозахранващи устройства
Курсов проект
Тема: Проектиране на стабилизатор на напрежение
СТУДЕНТ: ВЛАДИСЛАВ СЪБИНОВ ЗАФИРОВСПЕЦИАЛНОСТ: ЕЛЕКТРОНИКА
ФАК. №: 351171ГРУПА: 32 А
Ръководител:.... .............................
/ гл. ас. д-р И. Рачев/
С Ъ Д Ъ Р Ж А Н И Е
1. Теоретична част - стр. 3
2. Описание на избраната схема - стр. 6
3. Изчислителна част - стр. 7
4. Списък на елементите - стр. 19
5. Принципна схема - стр. 20
6. Използвана литература - стр. 25
1
З А Д А Н И Е
ПРОЕКТИЕАНЕ НА СТАБИЛИЗАТОР НА НАПРЕЖЕНИЕ
Изходно напрежение: Uизх = 12 V
Товарен ток: IT = 2 A
Максимална стойност на IT: ITmax = 2.2 A
Изменение на захранващо напрежение: ∆U ± 5%
КП 5%
Захранващо напрежение: 220 V / 50 Hz
Интегрална схема: μA723
2
I. Теоретична част1. Въведение
Токозахранващите устройства, използващи енергията на електроразпределителната мрежа за захранване на електронна апаратура, представляват електронни преобразуватели на променливо в постоянно напрежение. Освен преобразуването те почти винаги извършват и регулиране или стабилизиране на изправеното напрежение и защита от екстремални стойности на токовете и напрежеиията. Преобразуването на променливото напрежение в постоянно се извършва от токоизпра-вители, стабилизирането - от стабилизатори, а защитата - от вериги и елементи за защита. В едно комплексно токозахранващо устройство обикновено са включени и трите вида възли, някои от тях могат да се повтарят многократно.
Възможни са много варианти на схеми на мрежови токозахранващи устройства. На фиг.1 са показани два от най-често срещаните. На фиг.1а е дадено токозахранващо устройство с мрежов трансформатор и еднократно преобразуване на енергията. В този случай напрежението на мрежата се трансформира до необходимата стойност от мрежовия трансформатор, изправя се от вентилната група, изглажда сс от филтър, стабилизира се от стабилизатор и през изходния филтър захранва консуматора.
Фиг.1а
Фиг.1б
ФИГ. 1. БЛОКОВИ схеми на токозахранващи устройстваа - с мрежов трансформатор; б - без мрежов трансформатор
и многократно преобразуване на енергията
3
И в двата варианта освен силовата схема съществуват схеми за управление, защита и сигнализация, които са с различна сложност в зависимост от предназначението им и изискванията към тях.Във всички токозахранващи устройства посоката на енергията е от източника към консуматора - в тази последователност от дидактични съображения се обяснява и изучава действието им. При проектирането им, обаче, изходни данни са данните на консуматора и на моежата. За това проектирането се извършва в обратната последователност - от консуматора към мрежата. Например за схемата от фиг. 1а проекти-рането трябва да протече в следната последователност:— проектиране на изходния филтър;— проектиране на стабилизатора;— проектиране на вентилната група и мрежовия филтър;— проектиране на трансформатора;— проектиране на схемите за управление, защита и сигнализация.
От своя страна всеки отделен възел на комплексното токозахранващо устройство се проектира в определена последователност:
— уточняване на изходните данни, които са определени от консуматора, съседните възли, захранващия токоизточник и околната среда;— избиране на схемно решение;— определяна на режима на работа на елементите от схемата и тяхното изчисляване или избиране по каталог;— проверяване на издръжливостта на екстремални условия и проектиране на съответните защити.
2. Проектиране на стабилизатори на напрежение с интегрална схема µА723Интегралната схема µА 723 е стабилизатор на напрежение с вграден
източник на еталонно напрежение, усилвател и маломощен регулиращ транзистор. Схемата се произвежда в корпус ТО-100 (метало-стъклен с десет извода) или в корпус DIL-14. На фиг.2 е показана блоковата схема на µ 723. Номерацията на изводите без скоби отговаря на корпус DIL-14, а в скобите - на корпус ТО-100. Вътрешните вериги на схемата се захранват през изводите 12(+) и 7(-) с напрежение от 8 до 40 V. На извод 6 е изведен източник за еталонно напрежение Uref = 7,1 V. Максималният ток, който може да се консумира от изхо-да на еталонния източник е 15 mА. Усилвателят У е диференциален, на извод 5 е изведен неинвертиращият му вход, а на извод 4 - инвестира-щият му вход. Коефициентът на усилване на усилвателя е µду = 2000. Транзисторът Т15 е изходен, колекторът и емитерът му са изведени на отделни изводи, което позволява универсално приложение на схемата. Неговите данни са: максимален колекторен ток I = 150 mА; максимално напрежение колектор-емитер UCE max = 40 V; входно съпротивление при емитерен ток 50 mA h11E = 6000 Ω; максимална мощност РCmax = 500 mW. При изпълнение в пластмасов корпус DIL-14 схемата има допълнителен извод 9, на който е изведен анода на стабилитрон за 6,2 V, катода на който е свързан с емитера на транзистора T15. Ако схемата е в корпус ТО-100, този извод липсва.
4
Транзисторът T16 служи за реализиране на схеми за токови защити. Максималната топлинна мощност на цялата интегрална схема е 800 mW.С интегралната схема µА 723 могат да се реализират различни видове стабилизатори на напрежение, които обхващат практически целия диапазон на захранващите токоизточници в електрониката. Те могат да се класифицират по следните признаци:— според изходното напрежениеа) стабилизатори за напрежение до 7 V;б) стабилизатори за напрежение над 7 V;— според полярността на незаземената изходна клема a) стабилизатори за положително напрежение;б) стабилизатори за отрицателно напрежение;— според вида на защитатаа) със защита с токоограничаване;б) със защита с намален ток на късо съединение;— според изходния (товарния) тока) за малък ток (до 20 mА);б) за голям ток (над 20 mА).Проектирането на стабилизатора протича по следната схема:1. Избира се видът на защитата и се изчислява съпротивлението на резистора Rш.2. Според зададените относителни изменения на входното напрежение и коефициента му на пулсации се определя входното напрежение на стабилизатора.3. Изчислява се максималната топлинна мощност в регулиращия транзистор и се избира неговия тип и начин на охлаждане.4. Начертава се окончателно уточненият вариант на схемата.5. Оразмеряват се веригите в схемата за защита по ток.6. Оразмеряват се веригите на обратната връзка по напрежение.7. Изчислява се коефициентът на стабилизация по напрежение на стабилизатора по формулата:
където µду е коефициентът на усилване на усилвателя;σ - коефициентът на предаване по напрежение на входния делител.8. Изчислява се вътрешното съпротивление на стабилизатора по формулата:
Където Rш е съпротивлението на резистора за токова защита; h11E, h21E и h11B - параметри на регулиращия транзистор.9. Изчислява се коефициентът на полезно действие на стабилизатора
Поради многовариантността на схемните решения, които могат да се получат за всеки конкретен случай на проектиране, не е възможно да се създаде универсален алгоритъм като последователност от уравнения и формули.
5
II. Описание на избраната схема
Ако трябва да се направи стабилизатор на напрежение с по-голям изходен ток, необходимо е да се включат допълнителни транзистори (Т1 и Т2) извън интегралната схема, които заедно с вътрешния транзистор Т15 да образува съставен транзистор. Транзистор Т1 и Т2 осигуряват допълнително увеличение на изходния ток. За намаляване на вътрешното съпротивление на стабилизатора се използва положителна обратна връзка по ток чрез резистора R3. Rш – съпротивлението на резистора за токова защита. Резисторите R8 и R10 – делител в обратната връзка за регулиране на изходното напрежение. За точна настройка на изходното напрежение е въведен тример-потенциометър R9. R6 и R7 са допълнителни делители на напрежение.
6
III. Изчислителна част
Проектиране на стабилизатора
1. Изчислява се необходимият статичен коефициент на усилване по ток на регулиращия транзистор за постигане на изходен ток на интегрална схема μА723 .
2. Избира се типът на транзистора Т1. Подходящ е BD441 със следните данни:
3.
4. Избира се типът на транзистора Т2. Подходящ е 2N3719 със следните данни:
5.
7
6. Изчислява се входното напрежение
Където ‘b’ е относителното изменение на входното напрежение.
7. Изчислява се токът на късо съединение:
8. Изчислява се съпротивлението на резистора Rш:
9. Изчислява се мощността отделена в резистора Rш:
Избира се резистор с мощност 6W.
10. Избира се тока през делителя R6, R7:
11. Изчислява се напрежението върху резистора R6:
12. Изчислява се съпротивлението на резистора R6:
Избира се тример-потенциометър със съпротивление 91Ω.
8
13. Изчислява се съпротивлението на резистора R7:
Избира се резистор със съпротивление 510 Ω.
14. Избора се токът през делителя R4, R5:
15. Изчислява се съпротивлението на резистора R5:
Избира се резистор със стандартна стойност 9,1k.
16. Изчислява се съпротивлението на R4:
Избира се стандартна стойност за резистора 2,2k.
17. Изчислява се токът през делителя R8, R9, R10:
18. Изчислява се съпротивлението на резистора R10:
Избира се резистор със стандартно съпротивление 4,3k.
19. Изчислява се съпротивлението на резистора R9:
Избира се тример-потенциометър със съпротивление 2,2k.9
20. Изчислява се съпротивлението на R8:
Избира се резистор със стандартна стойност 560 Ω.
21. Изчислява се съпротивлението на резистора R1:
22. Изчислява се съпротивлението на резистора R2:
23. Изчислява се средният коефициент на предаване на входния делител:
24. Изчислява се коефициентът на стабилизация на стабилизатора:
25. Изчислява се вътрешното съпротивление на стабилизатора:
26. Изчислява се съпротивлението на резистора R3:
27. Изчислява се капацитетът на кондензатора С2 за работната честота f=2kHz:
10
Избира се стандартна стойност за кондензатора C2=680 μF.
28. Фирмата производител на μА723 препоръчва стойноста на кондензатора C1 да бъде от 100pF до 10000pF. За кондензатора избираме C1=1000pF.
Проектиране на токоизправителя и филтъра
Io=ITmax=2,2A – Изходният ток на токоизправителя е равен на входния критичен ток на стабилизатора.Uo=Ui= 16V – Изходното напрежение на токоизправителя е равен на входното на стабилизатора.KП =5% - коефициента на пулсации на входа на стабилизатораη=85%
Избраният токоизправител е еднофазен мостов токоизправител (схема „Грец”) с индуктивно-капацитивен филтър.
Избираме електролитен кондензатор със стандартна стойност Cф=2,2mF
1. Избира се вътрешното съпротивление на токоизправителя със стойност на к.п.д. 85% (изборът се извършва произволно в границите 80-90%)
2. Изчислява се параметъра А:
p=2 – заради типът на токоизправителя (мостов)
а) определяме ψ от графика 8.2. = 48о
б) определяме В от графика 8.3.
В = 1,08
11
3. Изчисляваме ефективната стойност на напрежението въвъ вторичната намотка на трансформатора.
4. Изчислява се максималното обратно напрежение върху вентилите.
5. Изчислява се коефициента на трансформация на трансформатора.
а) Отчитаме F от графика 8.4.
F = 6,1
12
6. Изчислява се амплитудата на тока през вентилите и вторичната намотка на трансформатора.
7. От фигура 8.5 се отчита D=2,1
8. Изчислява се ефективната стойност на тока през вторичната намотка на трансформатора:
9. Изчислява се ефективната стойност на тока през първичната намотка на трансформатора:
10. От фигура 8.6 се отчита за p=2 H= 480
13
11. Изчислява се капацитетът на филтровия кондензатор:
Избира се стандартна стойност C=2200μF
12. Изчисляват се стойностите на γ0 за четири стойности на товарния ток и от фигура 8.7 се отчитат съответните стойности на cosψ
13. Изчислява се външната характеристика на токоизправителя:
Избираме диоди B2M05/10, Si, със следните параметри : U =1,1 V
14
Проектиране на мрежовият трансформатор
Изходните данни за трансформатора са следните :
1. Пресмята се изчислителната мощност на трансформатора.
2. Определя се сечението на магнитопровода
Тук k е коефициент, който приема различни стойности:k=0,98-1,25 – за еднофазен трансформатор с Ш-образен магнитопровод (броневи) тип;k=0,7 – за П-образен магнитопровод на еднофазен трансформатор колонен тип, бобинирано само с едното бедро;k=0,5 – за еднофазен трансформатор с П-образен магнитопровод, бобинирани двете бедра;k=0,4 – за трифазен трансформатор.
Избираме Ш – образен магнитопровод. Изработените с такъв магнитопровод трансформатори са с проста конструкция и с по-ниска цена. Недостатъците обаче са големия собствен паразитен капацитет на намотките и голямата чувствителност към външни магнитни полета.
Коефициентът k има посочените по-горе стойности при магнитна индукция Bmax=1,2T. Ако трансформаторът трябва да работи при друга магнитна индукция B1max, коефициентът се преизчислява по формулата:
3. Определяне на широчината b на магнитопровода. Желателно е магнитопровода да има квадратна форма на напречното си сечение. Тогава страната на квадрата е:
Ако не е възможно да се постигне квадратна форма със стандартните размери на ламелите, предпочита се правоъгълна форма с по-голяма дебелина на пакета от ламели, но непревишаваща 1,5 пъти широчината му. В такъв случай минималната широчина на магнитопровода е:
15
Избира се стандартна широчина b, която е bmin<b<bmax .При изчисляване на размера на магнитопровода трябва да се има предвид дебелината на изолацията между ламелите и оттам сечението на магнитопровода, т.е. дебелината на пакета от ламели трябва да се увеличи с 5-10%.
4. Изчислява се броя на навивките. Основната формула, използвана за това е:
При f=50 Hz
За компенсиране на пада на напрежение в намотките обикновенно навивките на вторичната намотка се увеличават с 5-10%.
5. Изчислява се тока в намотките. Токът през i-тата намотка, ако не е зададен предварително е:
Поради наличие на загуби в трансформатора токът през първичната намотка се увеличава с 5-10%.
Токът през вторичната намотка е даден - 2 2,97I А
6. Изчислява се диаметърът на проводниците без изолацията. Диаметърът d на проводника зависи от ефективната стойност на тока I и от неговата плътност j :
а) за първичната намотка:
16
б) за вторичната намотка:
Плътността на тока се избира. Тя може да варира в широки граници от 1-6 А/mm2 . Тя зависи от мощността на трансформатора, от неговите размери, начина на охлаждане, допустимото прегряване и пр. За малки трансформатори до 100W, изработени от стандартни пакети ламели, за средна плътност на тока се препоръчва 2,5 A/mm2. След като се изчисли диаметъра на проводника се избира най-близката стандартна стойност.
7. Изчислява се общото сечение на проводниците на намотките:
8. Изчислява се коефициентът на запълване на прозореца на магнитопровода. Коефициентът е:
Където Sпроз е площта на прозореца
9. Изчислява се масата на употребената мед:
където γМ=8,9 g/cm3 е плътността на медта;lcp – средната дължина на една навивка;ω – броят на навивките;q – сечението на проводника, mm2.
10. Изчисляват се загубите в медта:
11. Изчислява се масата на магнитопровода:
12. Изчисляват се загубите в магнитопровода:17
13. Изчислява се коефициентът на полезно действие на трансформатора:
14. Изчислява се температурата на повърхността на трансформатора:
Прегряването на повърхността на трансформатора е 26,3 0С. Най-нагрятата точка в дълбочината ще има температура на прегряване по-малка от зададената допустима стойност 55 0С.
18
V. Списък на елементите
Списък на елементите
Означение в схемата Наименование и означение Кол. Забележка
μA723 Интегрална схема 1
T1 Транзистор NPN BD441 1
T2 Транзистор PNP 2N3719 1
Rш Резистор постоянен 1,1 Ω, ±5%, 6W 1
R1 Резистор постоянен 3 kΩ, ±5% 1
R2 Резистор постоянен 30 kΩ, ±5% 1
R3 Резистор постоянен 0,0064 Ω, ±5% 1
R4 Резистор постоянен 2,2 kΩ, ±5% 1
R5 Резистор постоянен 9,1 kΩ, ±5% 1
R6 Резистор постоянен 91 Ω, ±5% 1
R7 Резистор постоянен 510 Ω, ±5% 1
R8 Резистор постоянен 560 Ω, ±5% 1
R9 Резистор постоянен 2,2 kΩ, ±5% 1
R10 Резистор постоянен 4,3 kΩ, ±5% 1
C1 Кондензатор електролитен 1000 pF 1
C2 Кондензатор електролитен 680 μF 1
Cf Кондензатор електролитен 2,2 mF 1
Lf Бобина 16,6 mH 1
D1-D4 Диод B2M05/10, Si 4
TX3 Трансформатор 53W 1
Отг. отдел Техническа справка Вид на документаСписък на елементи
Статус на документавъведен
ТУ-СофияФилиал Пловдив
Разработил В.Зафиров
НаименованиедопнаименованиеСТАБИЛИЗАТОР НА НАПРЕЖЕНИЕ
19
Одобрил Гл.ас.д-р. И.Рачев
Изм.1
Дата на изд.22.12.2010
Езикbg
Лист1/1
VI. Принципна схема
20
21
22
23
24
25
VII. Използвана литература
- Ръководство за проектиране на ТЗУ – Н. Стефанов- www.datasheetcatalog.com
26