Блок питания для систем безопасности

Мостовая схема выпрямителя

Рисунок 3.1 - Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя

U2 - Напряжение вторичной  обмотки трансформатора

Uн – Напряжение на  нагрузке.

Uн0 – Напряжение на  нагрузке при отсутствии конденсатора.

 

Основная особенность  данной схемы – использование  одной обмотки трансформатора при  выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.

При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки  – вентиль V2 – верхний вывод  нагрузки – нагрузка - нижний вывод  нагрузки - вентиль V3 – нижний вывод  вторичной обмотки – обмотка.

При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки  – вентиль V4 – верхний вывод  нагрузки - нагрузка – нижний вывод  нагрузки – вентиль V1 – верхний  вывод вторичной обмотки –  обмотка.

Как мы видим, в обоих случаях  направление тока через нагрузку (выделено курсивом) одинаково.

Преимущества: мостовая схема  имеет малый уровень пульсаций, высокий КПД, рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности.

Недостатки: увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.

Эта схема выпрямителя  наиболее часто применяется в  самых различных устройствах

Далее в функциональной схеме  приведен обратноходовой преобразователь.

Обратноходовой преобразователь (англ. flyback converter) — разновидность статических импульсных преобразователей напряжения с гальванической развязкой первичных и вторичных цепей.

Основным элементом обратноходового  преобразователя является многообмоточный  накопительный дроссель, который  часто называют трансформатором.

Различают два основных этапа работы схемы: этап накопления энергии дросселем  от первичного источника электроэнергии и этап вывода энергии дросселя во вторичную цепь (вторичные цепи).

При замыкании ключа, к первичной  обмотке дросселя прикладывается напряжение источника питания. В дросселе начинает нарастать магнитный поток, а  следовательно накапливаться энергия. В качестве ключей обычно выступают  транзисторы. При запирании ключевого  элемента (отключении первичной обмотки  от источника питания) ток через  первичную обмотку дросселя резко  уменьшается, наводя на вторичную обмотку  ЭДС, отпирающую диод. Во вторичной цепи начинает протекать ток, который заряжает конденсатор и питает нагрузку. Во время первого этапа (этапа накопления энергии) нагрузка питается только за счет заряда, полученного конденсатором во время второго этапа. Импульсы тока в первичной цепи повторяются с частотой от 1 кГц до 100 кГц (в зависимости от типа преобразователя). В результате во вторичной обмотке протекает ток пилообразной формы. Регулирование напряжения, питающего нагрузку, осуществляется за счёт изменения длительности импульсов тока в первичной обмотке.

Далее в структурной схеме устройства находится стабилизатор. Стабилизатор напряжения — преобразователь электрической энергии, позволяющий получить на выходе напряжение, находящееся в заданных пределах при значительно больших колебаниях входного напряжения и сопротивления нагрузки.

На тот случай, если по каким  – либо причинам будет  отсутствовать  питание от сети, то в схеме предусмотрены  две аккумуляторные батареи. Переключение на них происходит при помощи реле. Реле (фр. relais) — электромеханическое устройство (выключатель), предназначенное для коммутации электрических цепей при заданных изменениях электрических или неэлектрических входных величин. Различают электромагнитные, пневматические и температурные реле.

Существует класс электронных  полупроводниковых приборов именуемых  оптореле (твердотельное реле), но он в данной статье не рассматривается.

В электронной схемотехнике иногда электронные блоки с функцией переключения цепи по изменению какого-либо физического параметра также  называют реле. Например, фотореле, реле контроля фаз или реле-прерыватель указателей поворота автомобиля.

Для зарядки вышеупомянутых аккумуляторных батарей используется зарядное устройство. Зарядное устройство - электротехническое устройство для зарядки аккумуляторных (в основном) и конденсаторных батарей. Состоит из зарядного генератора или из трансформатора с выпрямителем тока и распределит. устройства, куда входят регуляторы напряжения и автоматические выключатели. Мощность зарядного устройства определяется ёмкостью заряжаемых батарей и установленной продолжительностью заряда.

Аккумуляторные  зарядные устройства применяются для периодической зарядки, непрерывной и прерываемой подзарядки и перезарядки (уравнительной зарядки) аккумуляторных батарей, которые, как правило, предварительно собирают в отдельные группы по признаку равенства ёмкости и силы зарядного тока. При периодической зарядке аккумуляторные батареи делят на две группы. Зарядное устройство заряжает одну из двух групп аккумуляторов. При непрерывной подзарядке зарядное устройство питает сеть нагрузки и одновременно подзаряжает аккумуляторные батареи. При прерывистой подзарядке зарядным устройством часть времени питает нагрузку и осуществляет подзарядку аккумуляторной батареи, а часть времени под малой нагрузкой стоит в резерве; цепь нагрузки питается от аккумуляторной батареи. Конденсаторные зарядные устройства применяют для зарядки конденсаторов в нормальном режиме, т. е. непрерывно до номинального напряжения.

Как уже говорилось ранее, для резервного питания в схеме присутствуют две литиевые аккумуляторные батареи . Аккумулятор — химический источник тока многоразового действия, основная специфика которого заключается в обратимости внутренних химических процессов, что обеспечивает его многократное циклическое использование (через заряд-разряд) для накопления энергии и автономного электропитания различных электротехнических устройств и оборудования

Принцип действия аккумулятора основан  на обратимости химической реакции. Работоспособность аккумулятора может  быть восстановлена путём заряда, то есть пропусканием электрического тока в направлении, обратном направлению  тока при разряде.

Несколько аккумуляторов, объединенных в одну электрическую цепь, составляют аккумуляторную батарею.

Максимально возможный полезный заряд  аккумулятора называется зарядной ёмкостью, или просто ёмкостью. Ёмкость аккумулятора — это заряд, отдаваемый полностью  заряженным аккумулятором при разряде  до наименьшего допустимого напряжения. В системе СИ ёмкость аккумуляторов  измеряют в кулонах, на практике часто  используется внесистемная единица  — ампер-час. 1 А⋅ч = 3600 Кл.

Реже на аккумуляторах указывается  энергетическая ёмкость — энергия, отдаваемая полностью заряженным аккумулятором  при разряде до наименьшего допустимого  напряжения. В системе СИ она измеряется в джоулях, на практике иногда используется внесистемная единица — ватт-час. 1 Вт⋅ч = 3600 Дж.

По мере исчерпания химической энергии  напряжение и ток падают, аккумулятор  перестаёт действовать. Зарядить аккумулятор (батарею аккумуляторов) можно от любого источника постоянного тока с большим напряжением при  ограничении тока. Стандартным считается  зарядный ток (в амперах) в 1/10 номинальной ёмкости аккумулятора (в ампер-часах). Многие типы аккумуляторов имеют различные ограничения, которые необходимо учитывать при зарядке и последующей эксплуатации, например NiMH-аккумуляторы чувствительны к перезаряду, литиевые — к переразряду, напряжению и температуре. NiCd- и NiMH-аккумуляторы имеют так называемый эффект памяти, заключающийся в снижении ёмкости, в случае когда зарядка осуществляется при не полностью разряженном аккумуляторе. Также эти типы аккумуляторов обладают заметным саморазрядом, то есть они постепенно теряют заряд, даже не будучи подключенными к нагрузке. Для борьбы с этим эффектом может применяться капельная подзарядка.

Функциональная схема  приведена в приложении1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. РАЗРАБОТКА (СОСТАВЛЕНИЕ И РАСЧЁТ) ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

 

Входное переменное напряжение диапазона 100 -240В, 50 Гц поступает через  сетевой фильтр С1, L1 на выпрямительный мост, состоящий из диодов VD1-VD4. Выпрямленное и сглаженное на С4 напряжение поступает на разделительный трансформатор L2. Это напряжение коммутируется мощным полевым транзистором (700В, 1А) находящимся внутри ИС U1  частотой до100 кГц. Частота и скважность импульсов устанавливается ИС U1 в зависимости от величин входного и выходного напряжений используя при этом обратную связь посредством оптопары U2.

   Когда коммутационный  транзистор ИС U1открыт, то по первичной обмотке трансформатора  L2 протекает ток, в результате вокруг ее образуется магнитное поле. Оно не трансформируется во вторичные обмотки т. к. там стоят диоды включенные в обратном направлении.  Когда коммутационный транзистор ИС U1закрывается, то на концах первичной обмотке трансформатора  L2 напряжение меняется на обратное. Накопленное магнитное поле образует во вторичных обмотках трансформатора  L2 токи, которые выпрямляются, сглаживаются и формируют выходное напряжение. Тиристор VR2 предназначен для защиты ОХП от КЗ в выходной цепи.  Трансформатор L2 и оптопара U2 обеспечивают гальваническую развязку первичных и вторичных цепей, что очень важно с точки зрения  техники безопасности.

Если питание сети присутствует, ток протекает непосредственно  на стабилизатор DA1. На случай, если питание отсутствует, предусмотрены две аккумуляторные батареи, а также зарядное устройство для них. Переключение на батареи происходит при помощи реле К1.

Одним из наиболее важных элементов  схемы является трансформатор L2. Рассчитаем его.

Целью расчета является получение  заданных выходных параметров трансформатора (для сети с частотой 50 Гц) при  его минимальных габаритах и  массе.

Расчет трансформатора целесообразно  начать с выбора магнитопровода, т. е. определения его конфигурации и геометрических размеров.

Наиболее широко распространены три  вида конструкции магнитопроводов, приведенные на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 - Конструкции магнитопроводов трансформаторов:

а) броневого пластинчатого; б) броневого ленточного; в) кольцевого ленточного.

Трансформатор с кольцевым сердечником (тороидальный) может использоваться при мощностях от 30 до 1000 Вт, когда требуется минимальное рассеяние магнитного потока или когда требование минимального объема является первостепенным. Имея некоторые преимущества в объеме и массе перед другими типами конструкций трансформаторов, тороидальные являются вместе с тем и наименее технологичными (удобными) в изготовлении. Поэтому расчёт произведён для этого вида трансформаторов.

Исходными начальными данными для расчета являются:

- входное переменное напряжение = 174…265 В;

- максимальный ток нагрузки = 2 А;

Порядок расчета следующий:

Максимальный ток обмотки 1-2:

= 2,28A,

где - максимальный ток нагрузки,

 – максимальный коэффициент  заполнения,

- выходное постоянное  напряжение.

Действующее значение тока первичной обмотки 1-2

 

Коэффициент трансформации

,

где - падение напряжения на транзисторе (для предварительных расчетов принимаем равным 5В )

Действующее значение тока вторичной обмотки

 

 

Индуктивность первичной  обмотки

 

где = 20кГц – частота преобразования(для обеспечения удержания выходного напряжения на холостом ходу за счет большой глубины модуляции частота преобразования выбрана сравнительно низкой)

Число витков первичной обмотки

Выбираем магнитопровод 2хМП140-4 КП24х13х7. Средняя длина магнитной  линии ,

Площадь поперечного сечения , относительная магнитная проницаемость

 

Полученное число необходимо округлить до ближайшего целого значения и желательно четного значения, поэтому =64.

Приращение индукции за время  импульса

 

Индукция технического насыщения  материала МП1420 равна 0,65 Тл. Она больше чем рассчитанное приращения индукции, поэтому можно сделать вывод, что магнитопровод выбран правильно. Тем не менее значение индукции весьма велико(> 0,3 Тл), поэтому после сборки макета  потребуется экспериментальная  проверка теплового режима работы трансформатора из-за увеличенных потерь на гистерезис.

Коэффициент трансформации  обмотки 3-4 питания узла управления

 

где – напряжение питания цепи управления.

Число витков остальных обмоток

 выбираем 22 витка.

 выбираем 11 витков.

Диаметр проводов обмоток 

Для уменьшения индуктивности  рассеяния обмотки равномерно распределяют по магнитопроводу, располагая их друг над другом. Диаметр провода с  изоляцией определяют  исходя из условия расположения первичной  обмотки виток к витку по внутренней окружности сердечника в один слой:

 

Наиболее близким оказался провод ПЭТВ - 2 диаметром 0,6 мм (без изоляции). Его погонное сопротивление составляет =0,142 Ом/м. Сечение провода:

мм²

Плотность тока

  А/мм²

Длина провода первичной  обмотки 1-2

 

Потери в проводе первичной  обмотки

 

Диаметр провода вторичной  обмотки

 

Выбираем провод диаметром 1,3 мм, погонное сопротивление которого =0,015 Ом/м. С учетом наличия на магнитопроводе первичной обмотки и изоляции на ней длина провода вторичной обмотки 5-6 составит:

 

Потери в проводе вторичной  обмотки

 

Вычисление потерь в магнитопроводе – задача сложная и трудоемкая. На этапе расчетов эти потери считают  эквивалентными потерями в проводах обмотки, а окончательную проверку теплового режима трансформатора проводят экспериментально:

 

 

Произведем следующие  расчеты

 

Выходные максимальные токи