Проектирование стабилизированного источника питания
Курсовой проект - Компьютеры, программирование
Другие курсовые по предмету Компьютеры, программирование
ГЛАВА 1. ОБЗОР
.1 Стабилизированный источник питания
Различают первичные и вторичные источники питания.
Назначение вторичных источников питания (ВИП) - преобразование сетевого напряжения в постоянные напряжения заданных номиналов, необходимые для обеспечения работоспособности электронных схем. Можно выделить две основные структурные схемы ВИП: классическую (сетевой трансформатор -выпрямитель-фильтр-стабилизатор постоянного напряжения) и импульсную (выпрямитель сетевого напряжения - высокочастотный преобразователь в импульсные напряжения необходимых номиналов - выпрямитель импульсного напряжения - сглаживающий фильтр - стабилизатор постоянного напряжения). Структурная схема классического ВИП представлена на рисунке 1.1:
Рисунок 1.1 - Структура классического ВИП
Трансформатор
Трансформатором называют электромагнитный аппарат, посредством которого переменный ток одного напряжения преобразуется в переменный ток другого напряжения той же частоты. В трансформаторе используется явление взаимоиндукции. Конструктивные параметры трансформаторов при расчете выбирают из условия обеспечения допустимого падения напряжения на обмотках и их перегрева.
Выпрямитель
Для выпрямления однофазного переменного напряжения широко применяют три типа выпрямителей: однополупериодный, двухполупериодный со средней точкой и двухполупериодный мостовой (схема Греца).
Однополупериодный выпрямитель (рисунок 1.2). Когда на диод со вторичной обмотки трансформатора поступает напряжение положительной полярности ("+" приложен к аноду диода), диод открывается, и через нагрузку протекает ток, определяемый напряжением на обмотке и сопротивлением нагрузки. Падение напряжения на кремниевом диоде (около 1 В) обычно мало по сравнению с питающим. Напряжение на выходе выпрямителя имеет вид однополярных импульсов, форма которых практически повторяет форму положительной полуволны переменного напряжения (рисунок 1.3).
Рисунок 1.2 - Однополупериодный выпрямитель
Рисунок 1.3 - Временные диаграммы
Среднее значение выпрямленного напряжения равно:
откуда действующее напряжение вторичной обмотки:
Среднее значение выпрямленного тока:
Действующее значение тока нагрузки:
Мощность, на которую должна быть рассчитана вторичная обмотка трансформатора:
Габаритная мощность трансформатора (без учета КПД.) равна полусумме мощностей, выделяемых первичной и вторичными обмотками:
Как видно из формулы (6), габаритная мощность трансформатора должна быть в 3,1 раза больше полезной мощности, отдаваемой в нагрузку, т.е. трансформатор используется всего на 30%.
Коэффициент пульсаций р (отношение амплитуды первой гармоники к выпрямленному напряжению):
Недостатки однополупериодного выпрямителя:
большой коэффициент пульсаций;
малые значения выпрямленного тока и напряжения;
низкий КПД, т.к. ток нагрузки имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора и уменьшение его магнитной проницаемости.
Двухполупериодные выпрямители (рисунки 1.4 и 1.5) при работе на активно-емкостную нагрузку, вследствие удвоенной частоты пульсаций, позволяют уменьшить габариты сглаживающего фильтра. В отличие от выпрямителя со средней точкой, где обмотки трансформатора используются примерно на 35...40%, в мостовом выпрямителе обмотка работает оба полупериода, поэтому коэффициент ее использования достигает 80%. Кроме того, в нем можно использовать диоды с вдвое меньшим допустимым напряжением.
Рисунок 1.4 - Схема резистивно-емкостной нагрузки однополупериодного выпрямителя
Рисунок 1.5 - Влияние ёмкостной нагрузки
Наиболее распространенная схема двухполупериодного мостового выпрямителя, схема которого представлена на рисунке 1.6:
Рисунок 1.6 - Мостовой выпрямитель
Недостаток мостовой схемы - удвоенное количество диодов по сравнению с выпрямителем со средней точкой. Однако суммарное сопротивление постоянному току двух диодов и обмотки мостового выпрямителя чаще оказывается меньше сопротивления одного диода и обмотки выпрямителя со средней точкой.
Временные диаграммы, иллюстрирующие работу двухтактных выпрямителей на емкостной фильтр, приведены на рисунке 1.7.
При работе выпрямителя на емкостной фильтр диод в плече (оба диода для мостовой схемы) открывается, когда напряжение на входе выпрямителя становится равным напряжению (точнее, превышает его на порог открывания диода) на конденсаторе сглаживающего фильтра (момент t1). При этом в интервале t1-t2 ток через открытые диоды ограничен только сопротивлением обмотки трансформатора и открытых диодов. В момент времени t2 напряжение на входе выпрямителя вновь становится равным напряжению на конденсаторе, и открытый диод закрывается. При этом начинается разряд конденсатора фильтра на сопротивление нагрузки. Открывание другого диода происходит в момент времени t3. Далее процессы повторяются. Наличие у трансформатора индуктивности рассеяния приводит к определенной задержке выключения открытого диода (показано пунктирной линией).
Рисунок 1.7 - Временные диаграммы
Сглаживающий фильтр
Для сглаживания пульсаций применяют сглаживающие фильтры (СФ) - устройства, предназначенные для подавления пульсаций