Трансформаторный (сетевой) источник питания

Трансформаторный (сетевой) источник питания

Введение

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут быть установлены фильтры высокочастотных помех, всплесков (варисторы), защиты от КЗ, стабилизаторы напряжения и тока.

К простейшим ИВЭП относятся нерегулируемые выпрямители, выполненные по структурной схеме, представленной на рисунке 1а. Силовой трансформатор преобразует напряжение сети переменного тока до требуемого значения; схемы выпрямления преобразуют переменное напряжение в пульсирующее; фильтр сглаживает пульсации напряжения до допустимого уровня.

В тех случаях, когда в целях нормальной работы радиоаппаратуры необходимо обеспечить более высокую стабильность питающих напряжений по сравнению со стабильностью сети первичного тока, схемы выпрямителей дополняются стабилизирующими устройствами, включёнными на входе или на выходе выпрямителя. В последнем случае (рисунок 1б) в качестве стабилизатора (СН) используются непрерывные (линейные) и импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСН).

В регулируемых выпрямителях совмещаются функции выпрямления с регулированием или со стабилизацией выходного напряжения. Регулирование выходного напряжения (рисунок 2а) осуществляется путём изменения угла открытия силовых тиристоров. В режиме стабилизации выходного напряжения выпрямителя (рисунок 2б) управляющий сигнал формируется контуром автоматического регулирования.

В практических схемах ИВЭП кроме основных функциональных узлов включается также устройства контроля, защиты, блокировки, сигнализации неисправностей, кнопки, выключатели, переключатели и т.п.

Почти все устройства бытовой электроники состоят в основном из электронных схем, нормально функционирующих только при питании постоянным током. Здесь сеть переменного тока завершается первичным источником электропитания, энергия которого преобразуется в постоянный ток.

В заключение необходимо отметить следующее: суммарная мощность, потребляемая в настоящее время всеми ИВЭП научно-технической и бытовой радиоаппаратуры, очень велика, поэтому создание экономичных дешевых и надежных ИВЭП является исключительно важной задачей.

Перспективами развития РЭС являются:

–          миниатюризация;

–       усложнение функций;

–       внедрение новых материалов.

1. Общая часть

.1      Анализ технического задания

Габаритные размеры разрабатываемого источника составляет 18х10х6 см, что делает его удобным в установке, переноски и эксплуатации. Масса источника питания 250 г.

Вид климатического исполнения - умеренный климат (У) по ГОСТ 15150-69.

Категория условия эксплуатации - в закрытых помещениях с естественной вентиляцией (3) или в помещениях (объёмах) с искусственно регулированием климатическими условиями. При температуре окружающей среды от -10…+ 50

Корпус источника питания и его клеммы выполнены из изоляционного материала предотвращающего поражением электрическим током, наличие защитного заземления не обязательно. Данное устройство необслуживаемое, устойчиво к ударным нагрузкам и вибрациям, имеет по току и напряжению.

1.2   Разработка схемы электрической структурной источника питания

При разработке структурных схем используются следующие методы:

Эвристический метод - основан на накопленном опыте, анализе технической литературы и интуитивных соображений. На основе их анализа создаётся несколько моделей структурных схем, из них выбирается самая надёжная, самая простая, самая дешёвая.

Математический метод - на основе исходных данных создаётся модель - математическое описание внешних воздействий. Проводится анализ модели, в которую входит математический расчёт, моделирование на ЭВМ, испытание макетов. Выбирается модель, имеющая оптимальные показатели качества.

Функциональное наращивание. На основе технического задания составляется перечень функций, которые должно реализовывать разрабатываемое

устройство. В соответствии с функциями приводится перечень устройств реализующих эти функции и строится структурная схема.

Функции, которые должно реализовывать устройство:

1) понижение напряжения;

2)      выпрямление напряжения;

)        фильтрация;

)        стабилизация.

На основании функций выше названных, ниже перечислены устройства которые их реализовывают:

1)    трансформатор;

2)      выпрямитель;

)        фильтр;

)        стабилизатор.

При разработке структурной схемы ИВЭП использовался метод функционального наращивания, и схема представлена на рисунке:

1.3  
Разработка схемы электрической принципиальной источника питания

Принципиальная структурная схема разработана на основе анализа исходных данных принятой структурной схемы. Исходя из структурной схемы, разрабатываемый источник питания состоит из 4 функциональных устройств.

Понижающий трансформатор.

Этот прибор широко применяется в системах питания радиоустройств, причём в качестве трансформаторов питания электронной аппаратуры используются трансформаторы малой мощности, которые предназначены для преобразования напряжения электрических цепей в напряжение, необходимое для питания электронной аппаратуры. Рассматриваемые трансформаторы питания можно классифицировать по следующим признакам:

1)      В зависимости от числа фаз преобразуемого напряжения - на однофазные и трёхфазные;

2)      В зависимости от числа обмоток - на двух обмоточные и многообмоточные;

)        В зависимости от конфигурации магнитопровода - на стержневые, броневые и тороидальные.

Исходя из экономичности, КПД, массогабаритных характеристик для разрабатываемого блока питания выбираем маломощный, броневой трансформатор питания, имеющий первичную обмотку и одну вторичную.

Выбор выпрямителя

В ИП РЭА чаще всего используется однофазная мостовая схема выпрямителя. Данная схема позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых соединены анодами, образуя общий плюс, а два других соединены катодами, образуя общий минус выпрямителя.

Схемы выпрямления бывают:

1)     Однофазная однополупериодная схема выпрямления;

2)     Двухполупериодная (двухфазная) схема выпрямления с нулевым выводом;

3)     Однофазная мостовая схема выпрямления;

4)      Трёхфазная однополупериодная схема выпрямления;

)        Трёхфазная мостовая схема выпрямления.

Для разрабатываемого источника питания выбираем однофазную мостовую схему выпрямления, которая имеет ряд преимуществ над остальными: меньшие значения габаритной мощности, меньшие значения обратного напряжения на диоде и напряжения вторичной обмотки. Однако необходимость использования четырёх диодов является её недостатком.

Исходя из анализа технического задания и достоинств мостовой схемы, выбираем для разрабатываемого блока питания мостовую схему в качестве выпрямителя.

Выбор сглаживающего фильтра.

В разрабатываемом ИВЭП в качестве фильтра используется преимущественно электролитические конденсаторы, хотя иногда их заменяют масляными. Электролитические конденсаторы обладают большой ёмкостью при относительно небольших размерах. Масляные конденсаторы имеют одно явное преимущество перед электролитическими: их рабочее напряжение выше.

Виды фильтров:

1)    Ёмкостной фильтр;

2)      Индуктивный фильтр;

)        Индуктивно-ёмкостные фильтры;

)        Резистивно-ёмкостные фильтры;

)        Фильтры с резонансными контурами;

)        Многозвенные фильтры;

)        Активные фильтры.

Кроме основного требования - сглаживания пульсации выпрямленного напряжения - к фильтру предъявляются следующие требования:

Потери мощности и падение постоянной составляющей напряжения в фильтре должно быть минимальным; фильтр не должен влиять на работу потребителя; внешние электромагнитные поля, создаваемые фильтром, не должны нарушать функционирование устройства; во время переходных процессов фильтр не должен создавать перенапряжений и сверхтоков; собственная частота фильтра должна быть существенно меньше основной частоты пульсаций во избежание появления резонансных явлений в отдельных звеньях фильтра; фильтр должен обладать высокой надёжностью в пределах заданного диапазона температур.

Конденсатор, включённый параллельно нагрузке, представляет собой простейший емкостной фильтр. При повышении напряжения источника питания конденсатор периодически заряжается и разряжается на нагрузку, когда питающее напряжение становится меньше напряжения на его зажимах.

При этом конденсатор отдаёт нагрузке заранее запасенную энергию и напряжение на нагрузке изменяется в относительно меньших пределах, чем при отсутствии конденсатора, в чём и заключается сглаживающее действие емкостного фильтра.

Основной недостаток - необходимость применения диодов, рассчитанных на большую амплитуду прямого тока.

выпрямитель трансформатор источник питание

1.4   
Выбор элементной базы блока питания

При разработке какого-либо устройства важное место занимает выбор элементной базы. Выбор ЭРЭ, должен быть сделан так, чтобы обеспечить надежную работу каждого узла и блока питания в целом. При этом выбирают элементы имеющие широкое применение и распространение в современной радиоаппаратуре, дешёвые и простые в установке.

Критерии выбора ЭРЭ

Трансформаторы:

Трансформатор выбирается с любой конструкцией магнитопровода и количеством вторичных обмоток, с максимально высоким КПД.

Основные параметры:

)        Коэффициент трансформации - отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке;

2)      КПД (коэффициент полезного действия) представляет собой отношение активной мощности на входе.

В трансформаторах малой мощности КПД составляет 60-90%

Исходя из этого, выбираем броневой трансформатор с выходным напряжением 6,5 В и током 0,06 А.

Транзисторы:

)        По коэффициенту усиления на рабочей частоте;

2)      По максимальной рассеиваемой мощности;

)        По максимально допустимому напряжению между коллектором и эмиттером (между коллектором и базой);

)        По максимальной рабочей частоте;

)        По величине входного сопротивления.

Резисторы:

)        По максимальной рассеиваемой мощности;

2)      По типу проводящего слоя;

)        По максимальному рабочему напряжению;

)        По классу прочности;

)        По ТКR.

Конденсаторы:

)        По типу конденсатора;

2)      По номинальному напряжению UН(1,3-1,5)UРАБ;

)        По классу точности;

)        По ТКС.

Диоды:

)        По максимально выпрямляемому току;

2)      По прямой рассеиваемой мощности;

)        По максимально допустимому обр. напряжению;

Исходя из выше перечисленных критерий, выбираем ЭРЭ для проектируемого блока питания:

1)               Транзистор: КТ814А - h21=40; Pmax=10Вт; Umax=40B; fmax=3МГц; Rб=10Ом.

2)      Резистор: R1- Рном=0,125Вт; МЛТ; резистор общего назначения;

Umax=350В±5%.

3)               Конденсаторы: С1 - UН(1,3-1,5)UРАБ=400В; ±0,4; ТКЕ=10-8 1/Сº.

С2 - UН(1,3-1,5)UРАБ=16В; ±0,4; ТКЕ=10-6 1/Сº.

С3 - UН(1,3-1,5)UРАБ=10В; ±0,2; ТКЕ=10-5 1/Сº.

4)               Диоды: КД208А - Imax=0,5A; Pmax=60Вт; Uобр max=35B.

2. Расчетная часть

.1 Расчет маломощного трансформатора

Расчет маломощного трансформатора осуществляется на основе методики, изложенной в [2]. Исходные данные: напряжение сети U1 = 220 В, частота сети f = 50 Гц, параметры вторичной обмотки: U2 = 15,864В, I2 = 1,5А.

1)      Мощность трансформатора в соответствии с формулой (1):

PГ = U2 ∙ I2                                                                                             (1)

PГ =15,864В ×1,5А=23,79Вт

По таблице 12.1 [2] выбираем сталь 1511, kC = 0.93, В = 1,26 Тл, J = 3,2A/мм2, kO= 0.28, ή = 0,92.

2)      Ток I1 в соответствии с формулой (2) и с учётом, что cos j = 0.9:

                                                                                (2)

I1 =23,79Вт /(220×0,89×0,9)=0,13 A

)        Исходная расчётная величина SCSO в соответствии с формулой (3) определяется:

                                                 (3)

SCSO = =10,4 см4

По приложению 1 [2] согласно полученному SCSO выбираем магнитопровод Ш16´12 с параметрами: а =16 мм, с =16мм, h =40 мм, b =10мм, SC =1,31 см2.

4)      Число витков в обмотках трансформатора согласно формулам (4) и (5)

                                                                       (4)

                                                                     (5)

где DU1% =15, DU2% =20:

w1 = ((220´(1-5)/100)´104)/(4,44´50´1,26´1,31) =5103 витков;

w2 = ((7,2´ (1+15)/100)´104)/(4,44´50´1,26´1,31) =413 витков;

5)      Сечение проводов обмоток в соответствии с формулой (6) определяется

qпр =                                                                                          (6)

q = 0,0516/3,9=0,0205 мм2; qnp2 = 0,9/3,9 = 0,4 мм2

По найденным сечениям проводов из приложения 2 [2] для провода ПЭВ-1 находим соответствующие диаметры проводов обмоток с изоляцией. Таким образом,1 = 0,160 мм, d2 = 0,605 мм.

6)      Определяем возможность размещения обмоток в выбранном окне магнитопровода, для чего производим расчёты согласно формулам (7), (8) и (9)

a)  число витков в первичной обмотке в одном слое:

                                                                                              (7)

где h - высота окна магнитопровода, мм;

e1 - расстояние обмотки до ярма, обычно 2¸5 мм;

Полученное значение округляется до ближайшего меньшего числа

b)  число слоёв обмотки:

                                                                                           (8)

Полученное значение округляется до ближайшего большего значения.

c)  толщина обмотки:

                                                                                (9)

где  = 0

Обмотка w1:

Число витков в одном слое обмотки:

w11 = (22,5 - 2´2)/0,160 =225

Число слоёв обмотки:

m1 =5103/225= 22,7

Толщина всей обмотки d1 с учётом, что = 0,06:

d1 = 22,7(0,160+0,06) =4,98 мм.

Обмотка w2:

Число витков в одном слое обмотки:

w12 = (22,5 - 2´2)/0,605 =59,5

Число слоёв обмотки:

m2 = 413/59,5 =6,92

Толщина всей обмотки d2 с учётом, что g2 = 0,06:

d2 = 6,62(0,605+0,06) =4,60 мм.

Необходимая ширина окна определяется в соответствии с формулой (10):

             (10)

где k - коэффициент разбухания обмоток за счёт неплотного прилегания слоёв, k = 1,2¸1,3,

e2 - толщина изоляции между обмотками и стержнем, e2 = 1,0¸2,0 мм,

e3 - толщина наружной изоляции катушки, e3 = 0,5¸5 мм,

e4 - расстояние от катушки до второго стержня, e4 = 1¸4 мм,

dN-1,N - толщина изоляции между обмотками, она составляет 0,5¸1 мм.

СНЕОБХ = 1,25´(1,5+4,98+0,75+4,60+0,5)+1,3 =15,11 мм.

с ≥ СНЕОБХ

2.3    Расчёт выпрямителя на нагрузку ёмкостного характера

осуществляется на основе методики, изложенной [2].

Исходные данные (номинальные значения): выпрямленное напряжение в нагрузке UОН = 12 В, выпрямленный ток в нагрузке IО = 0,5 А; коэффициент пульсации выпрямленного напряжения на нагрузке kПН = 1%; напряжение сети U1 = 220 В; частота сети fС = 50 Гц; рабочий диапазон температур DТОКР = -60¸80ОС; мощность в нагрузке РОН = UОН´ IО = 9´0,6 = 5,4 Вт.

Применим однофазную мостовую схему выпрямления с фильтром, начинающимся с конденсатора; обозначим его СО.

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения на конденсаторе С0 принимается равным Кп.вх = 5¸15 %. Примем Кп.вх = 5.

Напряжение на выходе схемы выпрямления:

U0 = U0H´[1+0.01´ (DUФ/U0H)%],

где (DUФ/U0H)% подставляется из графика [2]. В соответствии с мощностью РОН=0,39 Вт DUФ/U0H = 10,1%. Таким образом, U0 = U0H´[1+0.01´ (DUФ/U0H)%] = 9´(1+0,01´10,1) = 9,909 В.

Основные параметры диодов схемы определяются по таблице 12 [2], согласно которой приблизительное значение

Iпр.ИП = 3,5´I0 = 3,5´0,6 = 2,1 А.пр.ср. = I0 / 2 = 0,6/2 = 0,3 А.

Uобр.ИП = 1,5´U0 = 1,5´9,909 = 14,86 В.

В соответствии с этими данными выбираем диоды КД208А со следующими параметрами при окружающей температуре -60¸+800С: Iпр.ср max = 350 мА > Iпр.ср, Uобр max = 35 В > Uобр.ИП, Iпр.И max = 6´ Iпр.ср max = 0,3´6 = 1,8 А > Iпр.И приб; Uпр.ср. = 1 В.

Таким образом, NПОСЛ = 1.

1)       Активное сопротивление обмоток трансформатора, приведённое к вторичной обмотке, определяется согласно формуле (11):

                                                        (11)

2)       Дифференциальное сопротивление диодов определяется согласно формуле (12):

                                                                              (12)

3)       Активное сопротивление фазы выпрямителя определяется согласно формуле (13)

                                                                                    (13)

r0 = 2´1,11+2,43 = 4,65 Ом

4)       Индуктивность рассеяния обмоток трансформатора определяется согласно формуле (14):

                                                                    (14)

5)       Соотношение между активным и реактивным сопротивлением фазы выпрямителя определяется по формуле (15):

                                                                                 (15)

Þ j = 2,870

6)       Вспомогательный коэффициент определяется по формуле (16):

                                                                                                (16)

7)       Расчётные коэффициенты B, D, F и H определяются по графикам [2]:

B = 1,58; F =4,85; D = 1,9; H = 63000;

8)       Уточняется значение Iпр.И :

Iпр.И =                                                                          (17)

Iпр.И = (0,6´4,8)/2 = 1,44 А; Iпр и = 1,44 А < 2,1 А.

Следовательно, вентиль КД304 по току выбран правильно.

9)       Электрические параметры трансформатора:

U2 = BU0 = 1,58´ 9,909 =15,6562B                                                      (18)= DI0 /Ö 2= 1,9´0,6 /Ö 2= 0,8061 A                                               (19)= (U2 /U1)´ I2 = (15,6562 / 220)´ 0,8061 =0,00574 A                (20)= 1,5´ P0 = 1.5´ U0´ I0 = 1,5´ 0,6´ 9= 8,9181Вт                                  (21)

10)     Проверка выбранного диода по обратному напряжению:

Таким образом, по обратному напряжению вентиль КД208А выбран правильно.

11)     Входная ёмкость фильтра СО определяется согласно формуле (23):

                                                                                (23)

где = 15 %.

Принимаем ближайшее стандартное значение С0 = 1008 мкФ. По приложению 4 [2] выбираем конденсатор К50-3Б с Uраб = 16 В.

12)     Коэффициент пульсации, соответствующий С0 определяется по формуле (24):

                                                                                 (24)

Таким образом, вентиль КД304А по току выбран правильно.

3. Экспериментальная часть

.1 Описание конструкции блока питания

Разрабатываемый блок питания состоит из трансформатора, печатной платы, на которой размещаются электрорадиоэлементы.

Корпус сделан из дерева, скреплён при помощи гвоздей. Верхняя крышка открывается, что обеспечивает простоту в замене деталей при неисправности. Габаритные размеры составляют 14×8×8 см, что делает его проще в использовании. Вес 250г.

Печатная плата.

Печатная плата сделана из стеклотекстолита толщиной 2мм химическим методом, при котором выполняется травление незащищенных участков фольги на поверхности диэлектрика; детали должны располагаться от платы на расстоянии не менее 1,5мм; лужение производить припоем ПОС-61 при температуре 183Сº. К корпусу печатная плата крепится тремя шурупами длиной не более 9мм.

Порядок сборки блока питания.

1)        Сборка печатной платы;

2)      Сборка корпуса;

3)