Разработка импульсного вторичного источника питания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой  проект

по дисциплине “Электронные устройства автоматики”

Тема: “Разработка импульсного вторичного источника питания”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение…………………………………………………………………….3

1 Выбор  структурной схемы источника  питания………………………...5

2 Выбор  функциональной схемы источника  питания……………………6

3 Выбор  электрической принципиальной схемы  источника питания…..8

4 Выбор  и расчёт всех узлов проектируемого  источника питания…….12

5 Моделирование  узлов источника питания…………………………….26

Заключение………………………………………………………………...31

Литература…………………………………………………………………32

 

Введение

 

Источники электрической энергии (ИЭЭ) подразделяются на первичные и вторичные. К первичным  относятся все непосредственные преобразователи различных видов энергии в электрическую: электромашинные генераторы, гальванические и топливные элементы, солнечные батареи и т. д. Ко вторичным относятся преобразователи электрической энергии одного вида в электрическую энергию другого вида.

Электрическая энергия, вырабатываемая первичными источниками, не всегда может быть непосредственно использована для питания электронной аппаратуры. Поэтому электропитание радиоэлектронной аппаратуры осуществляется средствами вторичного электропитания, которые подключаются к источникам первичного электропитания, преобразуют их переменное или постоянное напряжение в ряд выходных напряжений различных номиналов как постоянного, так и переменного тока с характеристиками, обеспечивающими нормальную работу РЭА в заданных режимах. Для выполнения этих задач в состав средств вторичного электропитания входят как сами источники питания, так я ряд дополнительных устройств, обеспечивающих их работу в составе комплекса РЭА.

Требования, предъявляемые ко вторичным ИЭЭ аппаратуры, непрерывно возрастают. В широком диапазоне мощностей источники электропитания должны иметь как можно больший КПД, малую пульсацию выпрямленного напряжения, обеспечивать высокую стабильность напряжения в различных режимах работы. Поэтому в состав вторичных источников питания, как правило, входят стабилизаторы, обеспечивающие постоянство выходных напряжений или токов с определенной степенью точности; регуляторы, обеспечивающие изменение выходных напряжений или токов в необходимых пределах, сглаживающие фильтры.

Источники   вторичного  электропитания   классифицируются   по следующим  основным признакам:

По виду входной электроэнергии — на ИВЭ, работающие от сети переменного напряжения (однофазной или многофазной), ИВЭ, работающие от сети постоянного напряжения, и ИВЭ, работающие от сетей переменного и постоянного напряжений.

По выходной мощности — микромощные источники питания с выходной мощностью до 1Вт, малой мощности (от 1 до 10 Вт), средней мощности (от 10 до 100 Вт), повышенной мощности (от 100 до 1000 Вт) и большой мощности (свыше 1000 Вт).

 

По виду выходной электроэнергий — на ИВЭ с выходом на переменном токе (однофазные и многофазные), ИВЭ с выходом на постоянном токе и комбинированные — с выходом на переменном и постоянном токе.

По номинальному значению выходного  напряжения — низкое (до 100 В), среднее (от 100 до 1000 В), высокое (свыше 1000 В).

По степени постоянства выходного  напряжения — нестабилизирующие и стабилизирующие ИВЭ.

По допустимому отклонению номинала выходного напряжения — низкой точности (свыше 5%), средней (от 1 до 5%), высокой (от 0,1 до 1%) и прецизионные (менее 0,1%).

По пульсации — ИВЭ с выходом на постоянном токе делятся на три группы: с малой (менее 0,1%), средней (от 0,1 до 1%) и большой (свыше 1%) пульсациями выпрямленного выходного напряжения.

По числу выходов питающих напряжений — одноканальные ИВЭ, имеющие одни выход, и многоканальные, имеющие два и более выходов питающих напряжений.

По способу стабилизации напряжения — ИВЭ с непрерывным регулированием и ИВЭ с импульсным регулированием.

По методу стабилизации напряжения — параметрические и компенсационные стабилизаторы источников вторичного электропитания. В параметрическом стабилизаторе отсутствует цепь обратной связи и стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет использования нелинейных элементов, входящих в его состав, в компенсационном — за счет воздействия изменения выходного напряжения (тока) на его регулирующее устройство через цепь обратной связи.

Компенсационные стабилизаторы могут выполняться с последовательным или с параллельным включением регулирующего элемента относительно нагрузки.

В настоящее  время в РЭА всё чаще используют импульсные источники вторичного питания. Импульсный источник электропитания вырабатывает постоянные и переменные напряжения, необходимые для электропитания блоков аппаратуры, путем ключевого преобразования выпрямленного сетевого напряжения промышленной частоты 50 Гц. Его основными функциональными частями являются: входной помехоподавляющий фильтр, сетевой выпрямитель со сглаживающим емкостным фильтром, ключевой преобразователь напряжения с импульсным трансформатором и схемой управления, цепи вторичных напряжений (выпрямленных или переменных), не имеющие гальванической связи с питающей сетью. Ключевой преобразователь работает, как правило, на частоте 16—40 кГц, поэтому габаритные размеры и масса импульсного трансформатора в несколько раз меньше, чем сетевого, работающего на частоте 50 Гц. Это обстоятельство, а также более высокий КПД объясняют преимущества использования импульсных источников электропитания (ИИЭ) в бытовой РЭА.

 

1 Выбор структурной  схемы источника питания

 

Структурная схема отображает принцип работы в общем виде. На схеме изображают все основные функциональные части изделия, а также основные взаимосвязи между ними. Построение схемы даёт наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей в изделии. В соответствии с этим структурная схема источника питания будет иметь следующий вид:

Входной помехо-

подавля-

ющий фильтр

 

Сетевой выпря-

митель

 

 

Сглажи-

вающий фильтр

Ключе-

вой преобра-

зователь

Импульс-

ный трансфор-

матор

 

ВЧ выпря-

митель

 

Выход-

ной фильтр

 

ВЧ выпря-

митель

 

Выход-

ной фильтр

 

 

Стаби-лиза-

тор

 

Стаби-

лиза-

тор

 

Схема управле-

ния

 

Цепь защи-

ты

 

Цепь защи-

ты

1 канал

2 канал

Рисунок 1 – Структурная схема источника  питания

 

Сначала напряжение питающей сети подаётся на входной фильтр, который предназначен для предотвращения проникновения импульсных помех в сеть. Затем напряжение выпрямляется входным выпрямителем и сглаживается емкостным фильтром. После этого напряжение преобразуется ключевым преобразователем (инвертором) в высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемого значения импульсным трансформатором. Трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку выходной цепи источника питания от входной питающей сети. Поскольку источник питания имеет два канала выходного напряжения, то импульсный трансформатор имеет две вторичные обмотки, обеспечивающие подключение двух ВЧ выпрямителей. Выпрямленное напряжение сглаживается выходными фильтрами. Стабилизация выходного выпрямленного напряжения в одном канале реализуется на микросхеме, в другом – на дискретных элементах. Также для каждого канала предусмотрена схема защиты.

 

2 Выбор  функциональной схемы источника  питания

 

Согласно  ЕСКД, на функциональной схеме изображают функциональные части изделия (элементы, устройства и функциональные группы) и связи между ними. Графическое построение схемы должно наглядно отражать последовательность функциональных процессов, иллюстрируемых схемой. Действительное расположение в изделии элементов и устройств может не учитываться. Функциональную схему источника питания (Рисунок 2).

 

На функциональной схеме представлены следующие узлы:

1 – Входной помехоподавляющий фильтр

2 – Сетевой  выпрямитель (мостовой) со сглаживающим  ёмкостным фильтром

3 – Однотактный  прямой преобразователь напряжения  с импульсным трансформатором  (с двумя вторичными обмотками), схемой выпрямления и сглаживающим Lc-фильтром

4 – Схема управления преобразователем

5 – Стабилизатор  напряжения первого канала (на  микросхеме) со схемой защиты  от перегрузки по току и  от превышения напряжения на  нагрузке

6 – Стабилизатор  напряжения второго канала (на  дискретных элементах) со схемой  защиты от перегрузки по току  и от превышения напряжения  на нагрузке

3 Выбор  электрической принципиальной схемы  источника питания

 

Принципиальная  схема является наиболее полной электрической  схемой изделия, на которой изображают все электрические элементы и  устройства, необходимые для осуществления  и контроля в изделии заданных электрических процессов, все связи  между ними, а также элементы подключения (разъемы, зажимы), которыми заканчиваются  входные и выходные цепи. На схеме  могут быть изображены соединительные и монтажные элементы, устанавливаемые  в изделии по конструктивным соображениям.

Выберем принципиальные схемы узлов, из которых  будет состоять проектируемый источник питания.

 

3.1 Выбор  схемы входного помехоподавляющего фильтра

 

Импульсные  источники питания представляют собой нелинейные нагрузки, сопротивление  которых изменяется с течением времени. Ток, потребляемый этими источниками, имеет ярко выраженный импульсный характер, что объясняется схемными особенностями  импульсных источников питания, а именно — наличием сетевого выпрямителя  и сглаживающего ёмкостного фильтра. При приближении кривой питающего напряжения к максимальному значению электронные вентили диодного моста скачкообразно меняют свое сопротивление от бесконечности до определенного малого значения. Подобный характер изменения сопротивления вентиля равносилен включению или отключению им нагрузки. Таким образом, периодическое включение и отключение приводит к появлению коротких импульсов потребляемого тока. Такой сигнал имеет гармоники, простирающиеся до 5 МГц и выше. Наличие высших гармонических составляющих в токах нелинейных электропотребителей приводит к следующим негативным последствиям: перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий, искажение синусоидальности питающего напряжения, дополнительные потери в трансформаторах, сокращение срока службы электрооборудования ускоренное старение изоляции проводов и кабелей и т. д.

Для того, чтобы уменьшить описанные выше эффекты, в схеме источника питания  будем использовать входной помехоподавляющий Lc-фильтр.

 

3.2 Выбор  схемы сетевого выпрямителя

 

Выпрямительные  устройства используются для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянные напряжения требуемой  величины. Проектируемый источник питания работает от однофазной сети переменного тока. Поэтому рассмотрим только однофазные схемы выпрямления.

Однофазная схема выпрямления может работать как без входного трансформатора, так и с трансформатором.

Достоинства схемы — простота, минимальное число вентилей, а, следовательно, невысокая стоимость.

Недостатки  однополупериодной схемы выпрямления — большое значение пульсаций выпрямленного напряжения; подмагничивание сердечника трансформатора (если он используется) постоянным током; высокое обратное напряжение на диоде, большой импульс тока через диод.

Двухполупериодная схема выпрямления  со средней точкой может работать от сети переменного тока только при наличии входного трансформатора, имеющего во вторичной обмотке отвод от средней точки. Поскольку токи во вторичных полуобмотках трансформатора протекают поочередно в противоположных направлениях, подмагничивание магнитопровода отсутствует.

Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой имеет ряд преимуществ перед однополупериодной: при одинаковой выходной мощности меньше габариты и масса трансформатора (из-за отсутствия подмагничивания); вдвое меньше амплитуда тока через выпрямительные диоды; вдвое выше частота пульсаций выпрямленного напряжения. По сравнению с мостовой, в двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой меньше число диодов в плече и, соответственно, больше КПД.

Недостатки  схемы — наличие на входе трансформатора; худшее по сравнению с другими  двухполупериодными схемами выпрямления использование обмоток трансформатора (ток через каждую полуобмотку протекает только в течение половины периода); высокое обратное напряжение на диодах; возможность появления на выходе схемы пульсаций с частотой сети из-за несимметрии плеч.

Мостовая двухполупериодная схема  выпрямления имеет следующие преимущества перед схемой со средней точкой: меньшая габаритная мощность трансформатора; вдвое меньшее обратное напряжение на закрытом диоде; схема может работать без входного трансформатора; при наличии отвода от части вторичной обмотки возможно получение двух выходных напряжений.

Недостаток схемы — большое число диодов, что снижает её КПД и увеличивает стоимость.