2.9 Выбор конденсаторов с1 с5

Конденсатор С4 повышает устойчивость работы стабилизатора за счет уменьшения коэффициента усиления дифференциального каскада VТ4, VТ5 (А1) на высоких частотах. В [4] рекомендуется выбрать = 0,15 мкФ. Для нашего варианта выбираем керамический конденсатор типа КМ-6, 0,15 мкФ, номинальное напряжение 25 В, группа ТКЕ – Н3О (рисунок В.12) [15].

Выходной конденсатор фильтра С5 обеспечивает устойчивость при импульсном изменении тока нагрузки и снижает уровень пульсаций. Входные конденсаторы С1, С2 необходимо включить для устранения генерации при скачкообразном изменении входного напряжения. Генерация входного напряжения может возникать из-за влияния паразитных индуктивности и емкости соединительных проводов с источником питания. Эти емкости рекомендуется [2] рассчитать из соотношений:

С₅ 0,25 (мкФ),

С 0,04 (мкФ), 2.28

С₂ 0,04 (мкФ),

где - ток нагрузки в амперах;

- ток, потребляемый от источника питания в амперах;

- ток источника питания в амперах.

В нашем случае С₅ 0,25 5 = 1,25 мкФ, С 0,04 5 = 0,2 мкФ, С₂ 0,04 5/20 = 0,01 мкФ. Выбираем керамические конденсаторы типа К10- 47: С₅ = 2,2 мкф, номинальное напряжение 50 В, группа ТКЕ – Н3О; С - 0,5 мкФ, 50 В, Н3О; С₂ = 0,1 мкФ, 50 В, Н3О.

Конденсатор СЗ шунтирует выход опорного напряжения от наводок и помех со стороны других элементов схемы. Выбираем из [15] конденсатор типа КМ-6, С = 0,1 мкФ, 50 В, группа ТКЕ - М750.

2.10 Выбор резистора R1

Резистор R1 ограничивает ток внешнего выключающего сигнала . Рекомендуемый ток управления 0,5 0,З мА, откуда:

R = /(0,5 0,З мА) 2.29

Полагаем минимальное напряжение управления = 5 В, тогда R = 5 / 0,5 = 10 кОм. Выбираем резистор типа С2-33, 10 кОм, 0,25 Вт.

3 Расчет выпрямителя и сглаживающего фильтра

В техническом задании на курсовой проект определено, что стабилизатор питается от промышленной сети переменного тока. В состав источника питания входят понижающий трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр. Трансформатор осуществляет преобразование напряжения питающей сети в более низкое напряжение. Выпрямитель преобразует это напряжение в однополярное пульсирующее напряжение, а сглаживающий фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения до необходимого уровня.

3.1 Расчет сглаживающего фильтра

Проектирование начинают с выбора и расчета сглаживающего фильтра. Наиболее широкое применение в источниках питания нашли фильтры, состоящие из одной емкости (С-фильтры), из сопротивления и емкости (RС-фильтры), из индуктивности и емкости (LС-фильтры). Чисто емкостные фильтры и RС-фильтры применяют обычно при сравнительно малых токах - не более 2/3 А [2, 4]. При больших токах часто применяют LС-фильтры, причем они могут быть однозвенные или двухзвенные. Исходными данными для расчета фильтра являются амплитуда пульсаций на входе и выходе фильтра, частота пульсаций, напряжение и ток нагрузки для фильтра.

Требуемый коэффициент сглаживания фильтра определяется как:

3.1

где - амплитуда пульсаций выпрямленного напряжения;

- амплитуда пульсаций выходного напряжения фильтра (на клеммах питания стабилизатора).

Для LС-фильтров падение постоянной составляющей напряжения на фильтре невелико, поэтому можно принять тогда:

3.2

Коэффициент пульсаций определяется схемой выпрямителя. В нашем примере задана трехфазная сеть 380B. Выберем трехфазную схему выпрямления с нулевой точкой [2]. На рисунке 6 приведена полная схема питания проектируемого стабилизатора. Выпрямитель VD2 VD4 обеспечивает питание силовых цепей стабилизатора .Два комплекта вторичных обмоток трансформатора W2 и W3 и переключатель S1 предназначены для изменения напряжения при переключении диапазонов регулирования. Выпрямитель VD5 VD7 обеспечивает формирование дополнительного питающего напряжения . Для сглаживания пульсаций питающих напряжений выбраны однозвенные LС-фильтры.

Рисунок 6 - Схема питания стабилизатора

Известно, что коэффициент пульсаций для выбранной схемы выпрямления составляет ⁼ 0,25 [2]. Отсюда требуемый коэффициент сглаживания g = 0,25/0,04 = 6,25. Согласно рекомендациям [2] при 3 <g < 16 целесообразно использовать однозвенный фильтр. Для обеспечения требуемого коэффициента сглаживания необходимо выполнить условие [4],

3.3

где - индуктивность и емкость фильтра;

т - число пульсаций выпрямленного напряжения за период (т = 3);

- частота сети (50 Гц).

Минимальное значение индуктивности фильтра находится согласно [2]

3.4

где - выпрямленное напряжение в режиме холостого хода;

- минимальный ток нагрузки для фильтра, принимаем = 0,4 .

Пока не выбраны силовой трансформатор и диоды выпрямителя принимаем ( = 1,2 , где - номинальное выпрямленное напряжение. Для основного и дополнительного источника питания, с учетом допустимого увеличения напряжения сети, номинальные выпрямленные напряжения находятся как:

3.5

В рассматриваемом примере = 28,63 1,1= 31,49 В. Откуда =2 28,63 1,2/(8 З 3,14 50 2) = 9,1мГн. Выбираем сглаживающий дроссель = 10 мГн, на ток 6 А. Конструкторский расчет дросселя в данном курсовом проекте не выполняется. Из (2.3) имеем 8,2 10 (Гн Ф), откуда требуемое значение емкости фильтра С₆ 8,2 10 /10=0,82 10 Ф. Выбираем в качестве С6 электролитический конденсатор типа К50-6,1000мкФ,50В,+80%-20% ОЖ0.464.120ТУ.

При включении питания и сбросе нагрузки за счет колебательных процессов на выходе LС-фильтра возникает перенапряжение. Необходимо обеспечить, чтобы перенапряжение не превысило допустимое для стабилизатора значение. Согласно [2] перенапряжение при сбросе нагрузки оценивается выражением:

3.6

В нашем варианте = [9,1 25/1 + 31,49²]^1/2 = 34,92 В, меньше допустимого значения напряжения на входе стабилизатора. При включении выпрямителя напряжение на конденсаторе может достигать:

3.7

где - относительное изменение напряжения на конденсаторе фильтра, определяется из графика на рисунке 7 в зависимости от коэффициента затухания фильтра.

Рисунок 7 - Зависимость относительного изменения напряжения на выходе LС-фильтра от коэффициента затухания

3.8

где - коэффициент затухания фильтра;

- суммарное внутреннее сопротивление трансформатора, выпрямителя и фильтра;

= - волновое сопротивление фильтра.

Поскольку пока не известны параметры выпрямителя и трансформатора, можно принять = 0,2 . Для рассматриваемого варианта = 28,63/5 = 5,73 Ом, = 0,2 = 1 ,15 Ом, = (9,1/1)^1/2=3 Ом, откуда = 0,5(1,15/3+3/5,73) /(1+0,2) = 0,41. Из графика (рисунок 7) находим = 0,2. Согласно (3.7) имеем = 31,49(1+0,2) = 37,79 В. Это напряжение не превышает допустимое напряжение на силовом транзисторе VТ1 .

При включении выпрямителя, работающего на LС-фильтр, ток через диоды выпрямителя также превышает свое установившееся значение и находится как:

3.9

где определяют по графику, приведенному на рисунке 8 в зависимости от соотношений и - Для нашего примера по графику находим = 4 А, откуда = 5(1+4) = 25 А. При выборе диодов выпрямителя необходимо, чтобы они выдерживали однократный ударный ток 25 А. Аналогично рассчитывается фильтр для дополнительного источника питания:

3.10

В рассматриваемом примере = 9,26 1,1= 10,19 В. Откуда =2 9,26 1,2/(8 З 3,14 50 2) = 2,9мГн. Выбираем сглаживающий дроссель = 3 мГн, на ток 1 А. Конструкторский расчет дросселя в данном курсовом проекте не выполняется. Из (2.3) имеем 8,2 10 (Гн Ф), откуда требуемое значение емкости фильтра 8,2 10 /3=2,8 10 Ф. Выбираем в качестве С76 электролитический конденсатор типа К50-6,3000мкФ,50В,+80%-20% ОЖ0.464.120ТУ.

При включении питания и сбросе нагрузки за счет колебательных процессов на выходе LС-фильтра возникает перенапряжение. Необходимо обеспечить, чтобы перенапряжение не превысило допустимое для стабилизатора значение. Согласно [2] перенапряжение при сбросе нагрузки оценивается выражением:

3.11

В нашем варианте = [3 25/1 + 10,19²]^1/2 = 13,37 В, меньше допустимого значения напряжения на входе стабилизатора. При включении выпрямителя напряжение на конденсаторе может достигать:

3.12

где - относительное изменение напряжения на конденсаторе фильтра, определяется из графика на рисунке 7 в зависимости от коэффициента затухания фильтра:

3.13

где - коэффициент затухания фильтра;

- суммарное внутреннее сопротивление трансформатора, выпрямителя и фильтра;

= - волновое сопротивление фильтра.

Поскольку пока не известны параметры выпрямителя и трансформатора, можно принять = 0,2 . Для рассматриваемого варианта = 9,26/5 = 1,85 Ом, = 0,2 = 0 ,38 Ом, = (3/1)^1/2=1,73 Ом, откуда = 0,5(0,38/1,73+1,73/1,85) /(1+0,2) = 0,53. Из графика (рисунок 7) находим = 0,15. Согласно (2.7) имеем = 10,19(1+0,15) = 11,72 В. Это напряжение не превышает допустимое напряжение на силовом транзисторе VТ2 .

При включении выпрямителя, работающего на LС-фильтр, ток через диоды выпрямителя также превышает свое установившееся значение и находится как:

3.14

где определяют по графику, приведенному на рисунке 8 в зависимости от соотношений и - Для нашего примера по графику находим = 2,4 А, откуда = 5(1+2,4) = 17 А. При выборе диодов выпрямителя необходимо, чтобы они выдерживали однократный ударный ток 20 А.

Рисунок 8 - Зависимость относительного изменения тока LС-фильтра от соотношения при различных

3.2 Расчет выпрямителя

Исходными данными для расчета выпрямителя являются напряжение питающей сети , число фаз питающей сети m, частота питающей сети , выпрямленное напряжение , выпрямленный ток . Для работы выпрямителя существенным является характер нагрузки, т.е. схема сглаживающего фильтра. В зависимости от того, с какого элемента начинается фильтр, различают емкостную, индуктивную или активную нагрузки. Недостатком чисто емкостных фильтров является худший коэффициент использования трансформатора и большая амплитуда тока выпрямительных диодов. Недостатком выпрямителей с индуктивным фильтром является перенапряжение на выходной емкости, возникающее во время включения питания и скачкообразном изменении тока нагрузки.

Методика расчета выпрямителей с различным типом нагрузки хорошо разработана [2]. В данном курсовом проекте рассмотрим расчет выпрямителя на индуктивно-емкостный фильтр.

Расчет выпрямителя сводится в основном к выбору вентилей. Вентили выбираются по величине среднего, амплитудного и ударного тока, а также по величине обратного напряжения. В [2] приведена таблица с формулами для различных схем выпрямителей, работающих на индуктивную нагрузку. Из этой таблицы для трехфазного выпрямителя с нулевой точкой имеем:

= /3, = 3.15

=2,45 =2,1 , =0,58 3.16

где - средний ток диода;

.- максимальный ток диода;

- максимальное обратное напряжение на диоде;

— действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора;

- выпрямленное напряжение в режиме холостого хода;

- действующее значение тока через диод и вторичную обмотку трансформатора.

Для рассматриваемого варианта находим = 5/3 = 1,7 А, = 5 А, = 2,1 31,5 = 66,15 В, = 0,58 5 = 2,9 А. По рассчитанным данным с учетом ударного тока выбираем из [14] низкочастотный диод типа 2Д202В со следующими параметра-ми: среднее прямое напряжение 1 В; средний обратный ток 1 мА; постоянное обратное напряжение 100 В; постоянный прямой ток (при температуре 130 С) 3 А; импульсный прямой ток (при длительности 10 мс и частоте 50 Гц) 30 А; рассеиваемая мощность 6 Вт; тепловое сопротивление переход-корпус 3,5 К/Вт; максимальная температура перехода диода 130 °С. Дополнительный выпрямитель рассчитывается аналогичным образом.

Уточняем напряжение холостого хода выпрямителя:

3.17

где и — падение напряжения на активном и реактивном сопротивлениях трансформатора;

- падение напряжения на вентилях;

— падение напряжения на активном сопротивлении дросселя.

С целью упрощения расчета принимаем = (0,05 0,1) - Из справочных данных диода имеем ⁼ 1 В. Согласно рекомендациям [2] падение напряжения на дросселе принимаем = 0,1 . Для рассматриваемого варианта находим = 31,5 +1,58 + 1 + 3,15 = 37,23 В. Уточняем обратное напряжение на диоде = 2,1 37,23 = 78,2 В < 100 В.

Пользуясь формулами, приведенными в [2], можно найти параметры, необходимые для расчета или выбора трансформатора. Например, габаритная мощность трансформатора для рассматриваемого варианта = 1,35( + ) = =1,35(5 31,5 + 0,38 9,26 1,1) = 245 Вт.