Расчет импульсного источника вторичного электропитания

Федеральное  агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

«Уральский  государственный университет путей  сообщения»

 

 

 

 

Кафедра      Электроники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой  проект.

 

Тема: «РАСЧЕТ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ»

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент   гр. Ш-330 ________________________ Садыков Д.Р.

Проверил: преподаватель _____________________________ Сергеев Б.С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2012

Содержание.

Введение…………………………………………………………………....3

Исходные  данные курсового проекта…………………………………….5

1. Источники вторичного электропитания (сведения из теории):

1) Обобщенная структурная схема "бестрансформаторного" ИВЭП…..6

2) Функциональная схема практического "бестрансформаторного" ИВЭП………………………………………………………………………..7

3) Сетевой выпрямитель с фильтрами……………………………………8

4) Силовой каскад ОПНО………………………………………………...10

5) Работа схемы сравнения……………………………………………….12

6) Схема управления силовым транзистором…………………………...12

     2. Расчет  "бестрансформаторного"  ИВЭП………………………………...16

           Заключение……………………………………………………………….27

            Список используемой литературы……………………………………...28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

Источник вторичного электропитания (ИВЭП) является обязательным функциональным узлом практически любой электронной  аппаратуры. Как электротехническое устройство он обеспечивает постоянными  питающими напряжениями транзисторные  устройства и интегральные микросхемы. История развития ИВЭП начинается с 20-30 годов прошлого столетия и связана  с появлением электронных устройств  на электровакуумных приборах. В дальнейшем появились транзисторы и интегральные микросхемы (ИМС), что привело к  последующему радикальному увеличению сложности электронных систем и  решаемых ими задач.

Однако до начала 70-х годов в  схемотехнике и практической реализации ИВЭП не происходило изменений, которые  могли бы существенно улучшить их технико-экономические и эксплуатационные характеристики. В значительной степени  это относится к электротехническим системам аппаратуры СЦБ и связи  железнодорожного транспорта. До настоящего времени бóльшая часть источников электропитания железнодорожного транспорта представляет собой громоздкие электротехнические устройства, осуществляющие силовое  преобразование энергии напряжения на относительно низкой частоте – 50 Гц, а требуемая в некоторых  случаях стабилизация выходного  напряжения производится линейными  методами. Это обстоятельство приводит к большой материалоемкости и  низкой энергетической эффективности  ИВЭП.

В настоящее время в современной  электронной аппаратуре военного, промышленного  и бытового назначения практически  отсутствуют подобные низкоэффективные источники электропитания. Произошел  переход на высокочастотные импульсные методы преобразования энергии переменного  и постоянного напряжений. Это  позволило снизить расход электротехнической меди в несколько десятков раз  и принципиально исключить применение трансформаторной стали. В качестве наглядного примера можно привести бытовую электронную аппаратуру: телевизоры, приемники, музыкальные центры, компьютеры и т.д., где применяются малогабаритные "бестрансформаторные" ИВЭП. Термин "бестрансформаторные" является условным, принятым в современной силовой электронике. Он не означает, что в таких ИВЭП отсутствует силовой трансформатор, а подразумевает под собой, что масса и габариты силового трансформатора радикально уменьшились. Удельная выходная мощность современных ИВЭП составляет до 200…500 Вт/кг, а их КПД достигает 70…90% в широком диапазоне изменения первичного напряжения. Известны ИВЭП, которые без переключений функционируют при изменениях первичного переменного напряжения от 90 до 270 В. Однако получение высоких энергетических и массогабаритных характеристик ИВЭП было достигнуто путем существенного их усложнения.

За последние годы вопросы применения современных ИВЭП коснулись и  железнодорожного транспорта. Это связано  с революционными процессами внедрения  информационных и управляющих электронных  систем в различные области транспорта. Разрабатываются и внедряются сложные  коммуникационные и вычислительные комплексы, элементная база и принципы построения которых являются наиболее передовыми не только на отечественном, но и на мировом уровне, это же относится и к источникам электропитания. Данное обстоятельство привело к  тому, что практически все ИВЭП этой аппаратуры построены по "бестрансформаторному" принципу.

 

 

 

 

 

 

Исходные  данные курсового проекта.

 

1) Максимальное напряжение сети  переменного напряжения (действующее  значение) – Е_{с макс} = 250 В.

2) Минимальное напряжение сети  переменного напряжения (действующее  значение) – Е_{с мин} = 140В.

3) Частота сети переменного напряжения  – f = 50 Гц.

4) Выходное напряжение ИВЭП – U_н = 15 В.

5) Пульсации выходного напряжения DU_н = 0,15 В.

6) Максимальный ток нагрузки  ИВЭП – I_{н макс} = 4 А, максимальная выходная мощность Р_н = 60 Вт.

7) Пульсации напряжения на конденсаторе С_нч сглаживающего фильтра сетевого выпрямителя – DЕ_п = 90В.

8) КПД ИВЭП – не менее h = 0,6.

9) Режим работы силового каскада  – ПТ.

10) Частота преобразования ОПНО  – f_пр = 40 кГц.

11) Максимальная температура окружающей  среды – Т_окр = 50^оС.

12) Суммарная индуктивность рассеяния  обмоток силового  трансформатора TV – L_s = 2 мкГн.

13) Амплитуда увеличения импульса  напряжения сток-исток силового  транзистора преобразователя, возникающего  за счет влияния индуктивности  рассеяния обмоток трансформатора TV – DU_си = 75 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Источники вторичного электропитания.

(сведения из теории)

1) Обобщенная  структурная схема "бестрансформаторного" ИВЭП

 

Под "бестрансформаторным" понимается ИВЭП, первичным у которого является переменное напряжение низкой частоты (50 Гц) , а выходными (напряжениями нагрузки) являются постоянные напряжения, необходимые  для питания электронной аппаратуры.

Обобщенная структурная схема "бестрансформаторного" ИВЭП приведена на рис. 1.

                                     +                               +                                            U_н1

        »Е_с                                 Е_в                             Е_п                                                                        

                                                                                                                               U_нi      

                                            

Рис.1. Обобщенная структурная схема "бестрансформаторного" ИВЭП

 

Здесь обозначения соответствуют: Е_с – действующее значение переменного напряжения; Сет.В – сетевой выпрямитель с выходным постоянным напряжением Е_в; Сгл.Ф – низкочастотный сглаживающий фильтр; ИПН – импульсный преобразователь постоянного напряжения, на вход которого подается постоянное напряжение Е_п. Выходные постоянные напряжения ИПН: U_н1,…U_нi, поступают в приборы-потребители.

Величины выходных напряжений ИВЭП определяются выбранной для электронных  приборов элементной базой.

Функции структурных узлов Сет.В  и Сгл.Ф заключаются в выпрямлении  переменного напряжения сети Е_с и его последующем сглаживании фильтром, который практически во всех случаях является емкостным. Импульсный преобразователь ИПН предназначен для выполнения двух функций.

Первая из них заключается в  гальванической развязке (электрической  изоляции) выходных напряжений U_н1,…U_нi от первичного Е_с. Она вводится в ИВЭП для выполнения требований техники безопасности и обеспечения помехоустойчивости функционирования электронной аппаратуры. Очевидно, что функцию гальванической развязки для силовых электрических устройств может реализовать только индуктивный трансформатор.

Вторая функция ИПН заключается  в необходимости стабилизации напряжений U_н1,…U_нi при изменениях первичного напряжения Е_с, мощности нагрузок и воздействии различного рода эксплуатационных дестабилизирующих факторов. Поэтому в качестве ИПН используются преобразователи с регулированием выходных напряжений при помощи схем управления, использующих широтно-импульсный, частотно-импульсный или другой вид модуляции.

Для упрощения и получения более  наглядных результатов изложения  полная структурная схема ИПН  разбивается на несколько автономных функциональных узлов.

2) Функциональная схема практического  "бестрансформаторного" ИВЭП

 

В качестве ИПН могут быть применены  различные типы импульсных преобразователей. В данном  курсовом проекте в  качестве ИПН используется однотактный  преобразователь с обратным включением выпрямительного диода (ОПНО).     

Функциональная схема "бестрансформаторного" ИВЭП с использованием ОПНО приведена  на рис.2.

Рис.2. Функциональная схема "бестрансформаторного" ИВЭП

 

Здесь обозначения функциональных узлов соответствуют: ФВФ – блок высокочастотных и низкочастотных фильтров и сетевой выпрямитель; TV – силовой трансформатор; S – силовой ключ, управляемый схемой управления СУ (сигнал U_у) и осуществляющий коммутацию постоянного напряжения Е_п в цепи первичной обмотки w₁ трансформатора TV; УГР – устройство гальванической развязки, выполняющее функции электрической изоляции аналогового сигнала управления; СС – схема сравнения, осуществляющая сравнение выходного напряжения ОПНО с внутренним опорным напряжением СС и вырабатывающая на этой основе аналоговый сигнал для передачи на УГР. Напряжение вторичной обмотки w₂ трансформатора TV выпрямляется диодом VD_в и через фильтр С_ф1, L_ф, С_ф2 поступает на выход ИВЭП – U_н (в нагрузку). Параллельно первичной обмотке w₁ включена демпфирующая цепь, осуществляющая снижением амплитуды импульсов перенапряжения на ключе, возникающих при его размыкании.

На рис.2 приведена схема ИВЭП с одним выходным напряжением, в  то время как большинство ИВЭП для электронной аппаратуры имеют  несколько выходов. 

Преобразователи типа ОПНО обладают определенной спецификой динамических характеристик. В частности, имеются  определенные трудности в обеспечении  устойчивости замкнутой системы  автоматического регулирования (САР), которая выполняет функции стабилизации выходного напряжения ИВЭП. Во многих случаях невозможно обеспечить достаточно надежную устойчивость системы при  наличии в выходном сглаживающем фильтре L-звена, которым на рис.2 является дроссель L_ф. Поэтому вход СС подключен к выходу выпрямителя VD_в, а не к выходу U_н  (после L_ф). Обеспечение требуемых норм пульсаций выходного напряжения DU_н при коммутации мощности нагрузки выполняется достаточно большой емкостью конденсатора С_ф2.

3) Сетевой выпрямитель  с фильтрами

 

На рис.3 приведена схема сетевого выпрямителя ФВФ с фильтрующими элементами.

Мостовой выпрямитель напряжения сети Е_с выполнен на диодах VD_c1,…VD_c4. На его выходе включен емкостной фильтр, в качестве которого используется конденсатор С_нч, сглаживающий низкочастотные пульсации выпрямленного напряжения. Резистор R_пуск является нелинейным сопротивлением, ограничивающим пусковой ток заряда конденсатора С_нч при первоначальном подключении ИВЭП к сети Е_с.

Рис. 3. Схема сетевого выпрямителя  ИВЭП

 

Необходимость введения этого резистора  в схему ИВЭП вызвана тем, что  емкость конденсатора С_нч велика (составляет десятки-сотни мкФ), и его заряд, например в момент времени, когда мгновенное значение синусоиды сетевого напряжения равно Е_м, обусловит появление импульса тока большой амплитуды. Если не принимать специальных мер, амплитуда может значительно превышать установившееся значение тока, потребляемого ИВЭП от сети, достигая величин в десятки, иногда сотни, ампер. Сопротивление нелинейного резистора R_пуск в холодном состоянии (в момент включения ИВЭП) максимально. По мере заряда конденсатора С_нч резистор разогревается, его сопротивление уменьшается и после полного заряда С_нч сопротивление R_пуск практически не влияет на энергетические характеристики ИВЭП.

Кроме низкочастотного фильтра (С_нч), в схеме выпрямителя (рис.3) имеются высокочастотные фильтры. Во входной цепи установлен фильтр, состоящий из двухобмоточного дросселя L_вч и конденсаторов С_вч1 и С_вч3. Дроссель и конденсатор С_вч3 ослабляют синфазные ВЧ помехи, которые существуют между питающими проводниками ИВЭП, а конденсаторы С_вч1, С_вч2 и С_вч4 снижают уровень дифференциальных ВЧ помех, которые возникают и распространяются между корпусом прибора и питающими проводниками. Для ВЧ помех проводник Общ.ВЧ является эквипотенциальным для всех высокочастотных напряжений, возникающих в ИВЭП или приходящих извне от сети Е_с. В общем случае этот проводник рекомендуется соединять, если это возможно, с соответствующим качественным внешним заземлением.