42

МГТУ им. Н. Э. Баумана

Курсовая работа

Расчет вторичного источника электропитания

Москва 2005

1. Задание на курсовую работу

Рассчитать вторичный источник электропитания. Режим работы – продолжительный, нагрузка – активная.

Данные для расчета взять из таблицы в соответствии с номером варианта.

В процессе расчета студент должен:

1. Выбрать (с обоснованием выбора) схему выпрямителя и фильтра.

2. Рассчитать основные параметры полупроводникового диода для выбранной схемы и фильтра.

3. Выбрать (с обоснованием выбора) по справочнику полупроводниковый диод.

4. Рассчитать параметры фильтра, обеспечивающие заданный коэффициент пульсаций напряжения.

5. Выбрать (с обоснованием выбора) по справочникам конденсатор и дроссель необходимых номиналов.

6. Построить внешнюю характеристику выпрямителя и определить его внутреннее сопротивление.

7. Рассчитать напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора для выбранной схемы и фильтра.

8. Выбрать (с обоснованием выбора) материал и тип сердечника трансформатора. Если эти параметры заданы, то обосновать их применение для данной схемы.

9. Рассчитать геометрические размеры сердечника трансформатора.

10. Рассчитать параметры обмоток (числа витков, диаметры проводов и. т. д.).

11. Рассчитать электрические и эксплуатационные параметры трансформатора (к. п. д., ток холостого хода, температуру перегрева обмоток).

12. Изобразить схему выпрямителя и эскиз магнитопровода и катушек трансформатора.

13. Составить электрическую схему замещения выпрямителя для моделирования с использованием программ Electronics Workbench, Multisim или Microcap. В результате моделирования должна быть построена внешняя характеристика выпрямителя и определены:

- токи обмоток трансформатора;

- напряжение вторичной обмотки;

- ток и напряжение в нагрузке;

- коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения;

14. По результатам моделирования провести корректировку основных электрических и геометрических параметров выпрямителя.

Пояснительная записка к курсовой работе должна содержать необходимые расчеты, схемы, графики, чертежи и состоять из 20 – 25 листов.

2. Основы теории построения неуправляемых выпрямителей

Выпрямительные устройства – это устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное. В общем случае они состоят из трех основных узлов: силового трансформатора, вентильного узла (выпрямителя) и сглаживающего фильтра. В качестве вентилей могут использоваться диоды, тиристоры и мощные транзисторы. Выпрямительные устройства характеризуются: выходными параметрами, параметрами, характеризующими режим работы вентилей, и параметрами трансформатора. Наиболее распространенный вентиль в маломощных устройствах - полупроводниковый диод. Если в качестве вентилей используются тиристоры или транзисторы, то возможна реализация управляемого режима выпрямления (на диодах строятся только неуправляемые выпрямители).

К выходным параметрам выпрямителя относятся: номинальное среднее выпрямленное напряжение U_н; номинальный средний выпрямленный ток I_н; коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения K_п; частота пульсаций выпрямленного напряжения; внутреннее сопротивление выпрямителя.

Коэффициентом пульсаций K_п называется отношение амплитуды первой гармоники колебаний выпрямленного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения. Внешняя характеристика выпрямителя - это графически выраженная зависимость среднего значения выходного напряжения от среднего значения выходного тока (тока нагрузки). Для неуправляемых выпрямителей характерно плавное понижение выходного напряжения при повышении тока нагрузки.

Для классификации выпрямителей используются различные признаки и особенности их конструкции: количество выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, число фаз силовой сети, тип сглаживающего фильтра, наличие трансформатора и т.п. По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители. По числу фаз питающего напряжения различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжений с отличными друг от друга начальными фазами. Так, например, если для работы выпрямителя требуется два питающих напряжения, сдвинутых друг относительно друга на какой-либо угол (чаще всего на 180°), то такой выпрямитель называют двухфазным. Аналогично, если для работы выпрямителя требуется три питающих напряжения, сдвинутые друг относительно друга на угол, равный 120°. то такой выпрямитель называют трехфазным.

Выбор принципиальной схемы и расчет выпрямителя

Процесс проектирования выпрямительных устройств в общем случае можно разделить на несколько этапов, которые выполняются последовательно:

• анализ исходных данных, выбор принципиальной схемы выпрямителя и типов применяемых компонентов;

• расчет параметров сглаживающего фильтра;

• расчет параметров вентильного узла и трансформатора, проверка соответствия применяемых компонентов режиму их работы в выпрямителе.

В качестве исходных данных при расчете выпрямителя, как правило, выступают: номинальные выпрямленное напряжение на нагрузке U_н; ток нагрузки I_н и его возможные отклонения в сторону понижения I_мин; сопротивление нагрузки R_н = U_н/I_н или выходная мощность P_вых = U_н^.I_н; номинальное напряжение, подаваемое на первичную обмотку трансформатора U₁, его возможное отклонение в сторону повышения U_макс = U_1макс ─ U₁ и понижения U_мин = U₁ ─ U_{1 мин}, а также его частота f и количество фаз; допустимый коэффициент пульсаций выходного напряжения K_п.

Выбор схемы выпрямителя производят, опираясь на значения требуемой выходной мощности, выходного напряжения и коэффициента пульсаций. Обобщая все приведенные в описаниях конкретных видов выпрямителей их достоинства и недостатки, можно предложить следующие основные критерии.

Однополупериодные выпрямители применяются в основном с емкостным фильтром при токах нагрузки до десятков миллиампер. Преимуществом таких выпрямителей являются простота и возможность работать без трансформатора. К их недостаткам относятся: низкая частота пульсаций, высокое обратное напряжение на вентильных диодах, плохое использование трансформатора, подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током.

Двухполупериодные выпрямители со средней точкой применяется при напряжениях нагрузки до нескольких сотен вольт и выходной мощности до 150 Вт. На выходе выпрямителя обычно устанавливаются Г или П-образные LC и RC фильтры. Основные преимущества этих выпрямителей: повышенная частота пульсаций, малое число вентилей, возможность применения общего радиатора без изоляции вентилей, малое падение напряжения на вентилях. Недостатками являются: большая требуемая габаритная мощность трансформатора по сравнению с мостовыми выпрямителями, повышенное обратное напряжение на вентильных диодах.

Выпрямители, выполненные по мостовой схеме, обладают наилучшими показателями и применяются наиболее часто. Их можно использовать при любом характере нагрузки (емкостная, индуктивная) при выходной мощности до 1000 Вт. Такие выпрямители применяются в основном с емкостным, Г или П-образными LC и RC фильтрами. Достоинствами мостовых выпрямителей являются: повышенная частота пульсаций, эффективное использование трансформатора, возможность питания симметричных нагрузок при наличии вывода средней точки во вторичной обмотке трансформатора. К недостаткам относят невозможность установки однотипных диодных вентилей на одном радиаторе без изолирующих прокладок.

Основные виды сглаживающих фильтров и особенности их применения

Режим работы выпрямителя в значительной степени определяется типом фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяются простейшие емкостные фильтры, в выпрямителях средней и большой мощности - Г-образные LC, RC и П-образные CLC и CRC фильтры.

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания q, который определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе (на нагрузке).

Емкостный фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Он состоит из конденсатора, включаемого параллельно нагрузке. Коэффициент пульсации на выходе выпрямителя с емкостным фильтром обратно пропорционален емкости применяемого конденсатора и величине сопротивления нагрузки. Поэтому применение такого фильтра рационально только при достаточно больших значениях этих величин. По мере совершенствования технологии изготовления конденсаторов большой емкости, рассматриваемый тип фильтра вследствие своей простоты и эффективности находит все большее применение.

Индуктивно-емкостные фильтры (Г-образные LC и П-образные CLC широко применяются при повышенных токах нагрузки). Коэффициент полезного действия у таких фильтров достаточно высокий. К недостаткам индуктивно-емкостных фильтров относятся: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

Резистивно-емкостные фильтры целесообразно применять при малых токах нагрузки (менее 10... 15 мА) и небольших требуемых коэффициентах сглаживания. Достоинства этих фильтров — малые габариты и масса, низкая стоимость. Недостаток — сравнительно большое падение напряжения на фильтре (что снижает КПД устройства выпрямления в целом).

Комбинированные фильтры применяются при необходимости получения больших коэффициентов сглаживания на выходе выпрямителя. Они представляют собой последовательное включение нескольких фильтров. Высокий коэффициент сглаживания и хороший КПД могут также обеспечить разнообразные фильтры на транзисторах.

Особенности выбора выпрямительных диодов

При выборе диодов выпрямителя необходимо учитывать целый набор факторов, определяемых принципиальной схемой выпрямителя, частотой и величиной входного переменного напряжения, величинами напряжения и тока нагрузки, условиями эксплуатации (температура, влажность, устойчивость входного напряжения и т.п.), характером нагрузки (емкостная, индуктивная), наличием коммутационных перегрузок в цепи нагрузки, параметрами применяемого трансформатора и т.д.

В первую очередь необходимо рассчитать значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к силовым диодам при работе выпрямителя выбранного типа, а также оценить среднее значение протекающего через них прямого тока. Полученные таким образом значения, необходимо откорректировать в зависимости от характера нагрузки.

При наличии активно-емкостной нагрузки амплитудное и действующее значения тока силовых диодов могут существенно превышать его расчетное среднее значение I_{д ср}. Так, например, при допустимом уровне пульсаций на выходе порядка 0,1% в однофазном мостовом выпрямителе с емкостным фильтром амплитудное значение тока выпрямительных диодов может достигать 15^. I_{д ср.}

Величина максимально допустимого повторяющегося обратного напряжения U_{обр макс} используемых диодов также подвержена влиянию нагрузки (характер этого влияния может быть вычислен по формулам, приводимым далее).

Опираясь на найденные значения I_{д ср} и U_{обр макс} (не забывая также о предполагаемой частоте входного переменного напряжения), по таблицам справочных данных производят предварительный выбор силовых диодов.

Немаловажное значение для характеристик выпрямителя имеет тип выбранных выпрямительных диодов. Напомним, что в качестве выпрямительных могут использоваться кремниевые, германиевые или арсенид-галлиевые диоды с p – n переходом (в т.ч. лавинные диоды), а также кремниевые или арсенид-галлиевые диоды с переходом Шоттки.

Германиевые выпрямительные диоды довольно широко использовались 10..20 лет назад. В настоящее время они практически полностью вытеснены более совершенными кремниевыми и арсенид-галиевыми приборами.

Кремниевые выпрямительные диоды с p – n переходом — это наиболее распространенный в настоящее время вид диодов, применяемых во всех классах выпрямителей (однако они постепенно вытесняются более эффективными диодами с переходом Шоттки). Их основные свойства:

• максимально прямые допустимые токи кремниевых диодов различных типов составляют 0,1... 1600 А, падение напряжения на диодах при этих токах не превышает обычно 1,5 В;

• с увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается;

• обратная ветвь ВАХ кремниевых диодов не имеет ярко выраженного участка насыщения;

• пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому напряжение пробоя для некоторых типов кремниевых диодов при комнатной температуре может составлять 1500...2000 В);

• диапазон рабочих температур для кремниевых выпрямительных диодов ограничен значениями-60...+125 °С.

Выпрямительные диоды, изготовленные из материала с большой шириной запрещенной зоны, обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах. С этой точки зрения, относительно недавно появившиеся выпрямительные диоды с p – n переходом из арсенида галлия являются очень перспективными приборами. К основным свойствам арсенид-галлиевых приборов следует отнести: