Розробка конструкції та техніко-економічне обґрунтування таймера-регулятора потужності (стр. 2 из 11)

Оптрон МОС3083 відрізняється від звичайних тим, що містить внутрішній вузол, що забезпечує відкриття його фотосимістора в моменти переходу прикладеної до нього змінної напруги через нуль, так що в ці ж моменти відкривається і потужний симістор VS1, включений в коло навантаження. Цим забезпечений низький рівень імпульсних перешкод, що створюються таймером-регулятором в мережі живляння. Диференцируюче коло C9R22 захищає симістор від відкриття кидками мережевої напруги.

Перемикач SA2 дозволяє змінити коефіцієнт заповнення (відношення тривалості до періоду повторення) імпульсів струму, що проходить через випромінюючий діод оптрона SU2 десятьма ступенями по 10 %. Такими ж ступенями змінюється і потужність, що виділяється на навантаженні. У нижньому (по схемі) положенні перемикача на виході елементу DD2.4 встановлений високий постійний рівень, що відповідає безперервно включеному навантаженню.

Змінюючи тривалість циклу регулювання потужності змінним резистором R7, можна встановити її оптимальною для конкретного навантаження. Якщо навантаженням служать лампи розжарювання, вдається спостерігати цікаві світлові ефекти.

3 РОЗРАХУНКОВА ЧАСТИНА

3.1 Розрахунок стабілізатора напруги на трьох транзисторах

Згідно до завдання на ДП необхідно розрахувати стабілізатор постійної напруги (рисунок 3.1)

Рисунок 3.1 - Схема електрична принципова стабілізатора на трьох транзисторах

Данідля розрахунку

1Напруга на виході стабілізатора

Uвих. = 12.5 ±0,5 В

2 Нестабільність напруги на виході стабілізатора

Рст. вих. = 0,0005

3 Напруга на виході мережі

Uвх. = 220 ±10% В з частотою f= 50 Гц

4 Нестабільність напруги мережі

Рст. вх = 0,1

5 Необхідний коефіцієнт стабілізації

Кст = Рст. вх. / Рст. вих. (3.1.1)

Кст = 0.1/0.0005 = 200

6Пульсації на виході

U~mвих. = 0,006 В

Кп вих. = (U~mвих. / Uвих.)•100% (3.1.2)

Кп вих. = (0.006/12.5)•100% = 0.048 %

7 Робоча температура

Тmax= 35ºC

Tmin= 15ºC

∆T= 20ºC

1 Розрахунок регулюючого транзистора

1.1 Максимальний струм регулюючого транзистора

Ік max= Ін max= 1А

Беремо транзистор КТ814В з параметрами:

Uке= 65 В

Uкеmin= 3 В

Ін max= 12А

Ік обр. = 0.015 А

Рк доп. = 1.5 Вт

h21е min= 40 при Ік = 1А

Rtк = 1ºС / Вт

Тк max= 80ºC

1.2 Амплітуда пульсацій на вході стабілізатора

U~mвх. = (0.05÷0.1)•( Uвих. max+ Uкэ min) (3.1.3) U~mвх. = 0.07•(13 + 3) = 1.12 В

1.3 Мінімальна напруга на вході стабілітрона

Uomin= Uвих. max+ Uкэ min+ U~mвх. (3.1.4)

Uomin= 13 + 3 + 1.12 = 17.2 В

1.4 Номінальна напруга на вході стабілізатора

Uон = Uomin/ (1 - Рст. вх) (3.1.5) Uон = 17.2 / (1 - 0.1) = 19 В

1.5 Коефіцієнт згладжування

q= Кп вх. / Кп вих (3.1.6)

q= 5.9 / 0.048 = 123 < Кст = 200,

де Кп вх.= (U~mвх. / Uон)•100% (3.1.7)

Кп вх. = (1.12 / 19) • 100% = 5.9%

1.6 Максимальна напруга на вході стабілізатора

Uо max= Uон • (1 + Рст. Вх) (3.1.8)

Uо max= 19 • (1 + 0.1) = 20.9 В

1.7 Величина внутрішнього динамічного опору випрямляча

Riв = (0.05÷0.15)• Uон / Ік max(3.1.9)

Riв = 0.1 • 19 / 1 = 1.9 Ом

1.8 Максимальна напруга на вході стабілізатора (при максимальному струмі навантаження)

Uо maxmax= Uо max+ Riв •( Ін max– Iн min) (3.1.10)

Uо maxmax= 20.9 + 1.9 •(1 – 0.5) = 21.85 В

1.9 Максимальна напруга між колектором та емітером

Uке max= Uо maxmax- Uвих. min(3.1.11)

Uке max= 21.85 – 12 = 9.85 В

1.10 Максимальна потужність розсіювання на транзисторі

Рк max= Uке max• Ік max(3.1.12)

Рк max= 9.85•1 = 9.85 Вт > Рк доп. = 1.5 Вт

1.11 Площа тепловідводу транзистора

Sт = Рк max/ Kт •( Тк max- Тmax- Рк max• Rtк) (3.1.13)

Sт = 9.85 / 0.0016•(80 - 35 - 9.85•1) = 9.85 / 0.0016•35.15 = 9.85 / 0.05624 = 175 мм² = 1.75 см²

1.12 Максимальний струм емітера регулюючого транзистора

Іе max= Ік max+ Ік max/ h21е min (3.1.14)

Іе max= 1 + 1 / 40 = 1.025 А

1.13 Максимальний струм бази регулюючого транзистора

Іб max= Іе max/ h21е min (3.1.15) Іб max= 1.025 / 40 = 0.0256 А

1.14 Шукаємо транзистор по величині струму

Ік2 = 1.1• Іб max (3.1.16)

Ік2 = 1.1 • 0.0256 = 0.2816 А

По струму Ік2 беремо транзистор П601БИ з параметрами

Uке max= 30 В

Ік max= 0.5 А

Рк доп. = 0.5 Вт

h21е min” = 80 при Ік = 0.5А

Іб2 = Іе max/ h21е min•h21е min” = 1.025 / 40•80 = 0.00032 А < 0.0005 А

1.15 Величина опору автозміщення Rб транзистора П601БИ

ІRб = (1 ÷ 1.5)•Ік обр. (3.1.17)

ІRб = 1.2•0.015 = 0.018 А

Rб = Uвих. min/ ІRб (3.1.18)

Rб = 12 / 0.018 = 670 Ом

Потужність на опорі

РRб = (ІRб)²•Rб (3.1.19)

РRб = (0.018)²•680 = 0,254 Вт

Беремо опір типу С2-23- 0.5 – 680 Ом

1.16 Потужність на транзисторі П601БИ

Рк2 = Рк max•Ік2 (3.1.20)

Рк2 = 9.85•0.028 = 0.278 Вт < Рк доп. = 0.5 Вт

2 Розрахунок пристрою порівняння та ППС

2.1 Величина еталонної напруги

Uоп. < Uвих. min– (2 ÷ 3)В (3.1.21)

Uоп. < 12 – 2 = 10 В

Іоп. cт. min> 5•Ібн (3.1.22)

Іоп. cт. min> 5•0,0004 = 0,002 А

Беремо стабілітрон типу Д810 з параметрами

Uст н = 10 В

Uст min= 9 В

Uст max= 10.5 В

Іст min= 0.002 А

Іст max= 0.026 А

αст 0.058 при Т = -20 ÷ +20ºС

Rдин = 12 Ом при Іст = 0,005 А

2.2 Величина струмута напруги колектора транзистора

Іку ≥ 8•Ібн (3.1.23)

Іку ≥ 8•0.0004 = 0.0032 A

Uк = Uвих. max- Uст min (3.1.24)

Uк = 13 – 9 = 4 В

Беремо транзистор КТ342Б з параметрами:

Uке дод. = 20 В

Ік max= 0.02 A

Pк дод. = 0.15 Вт

h21е min= 50

2.3 Струм бази транзистора ППС

Uк = Uвих. max- Uст min (3.1.25)

Uк = 13 – 9 = 4 В

2.4 Вхідний опір транзистора ППС

Rвх. ппс = 1 / (25÷35)•Іку (3.1.26)

Rвх. ппс = 1 / 25•0,0032 = 12,5 Ом

2.5 Величина опору Rг2

Rг2 = Uвих. min- Uст max/ Іст min+ Іку (3.1.27)

Rг2 = 12 – 10.5 / 0.002 + 0.0032 = 290 Ом

Потужність розсіювання на ньому

Рг2 = (Іст min+ Іку)²•Rг2 (3.1.28) Рг2 = 0.00002704•290 = 0.00784 Вт

Беремо резистор С2-23-0.125-320

2.6 Максимальний струм скрізь стабілітрон

Іст max=((Uвих.max– Uст min) / Rг2) + Іку (3.1.29)

Іст max= ((13 -9) / 320) + 0.0032 = 0.0157А = 15.7 мА < Іст max= 26 мА

2.7 Величина струму у опірному дільнику

Іділ >> Іб ппс = 30•0.000064 = 0.002А (3.1.30)

2.8 Опір резистивного дільника

Rділ = Uвих. min/ Іділ (3.1.31)

Rділ = 12 / 0.002 = 6.25 кОм

2.9 Коефіцієнт зворотного зв’язку дільника

Кз.в. min= Uст min/ Uвих. max (3.1.32)

Кз.в. min= 9 / 13 = 0.69

Кз.в. = Uст н / Uвих. (3.1.33)

Кз.в. = 10 / 12.5 = 0.8

Кз.в. max= Uст max/ Uвих. min (3.1.34)

Кз.в. max= 10.5 / 12 = 0.875

2.10 Величина опорів R1 та R3 дільника

R1 ≤ (1 - Кз.в. max)•Rділ (3.1.35)

R1 ≤ 0.125•6000 = 750 Ом

РR1 = (Іділ)²•R1 (3.1.36)

РR1 = 0.000004•750 = 0.003 Вт

Беремо резистор С2-23-0.125-750

R3 ≤ Кз.в. min•Rділ (3.1.37)

R3 ≤ 0.69•6000 = 4100

РR3 = (Іділ)²•R3 (3.1.38)

РR3 = 0.000004•4000 = 0.016 Вт

Беремо резистор С2-23-0.125-4.3к±10%

2.11 Опір змінного резистора R2

R2 ≥ Rділ - R1 - R3 (3.1.39)

R2 ≥ 6000 – 750 – 4300 = 950 Ом

Беремо резистор СП2-2а-1.3к

2.12 Максимальний ККД

ή = Uвих. max•Ін max/ Uо max•Ік max (3.1.40)

ή = 13•1 / 20.9•1 = 0.622

2.13 Основний коефіцієнт стабілізації

Кст. осн = (Кз.в. / Rвх. ппс)•(Rк.с / А)•( Uвих. / Uон) , де (3.1.41)

а) 1/ Rк.с = (Rк1+Rк2) / Rк1•Rк2 = (240000 + 30000) / 72•100000000

Rк1 = R1к•h21е min” = 3000•80 = 240000 Ом

Rк2 = 30000 Ом (для транзистора П601БИ)

Rк.с = 720000 / 27 = 26.7 •1000 Ом

б) А = 1 + (Rділ •(1 - Кз.в.)•Кз.в. / h21е min) / Rвх. ппс = 1 + (6000•0.2•0.8/50)/ 12.5 = 1 + 1.536 = 2.536

Кст. осн = 0.8•26700•12.5 / 12.5•2.536•19 = 267000 / 602.3 = 443.3

2.14 Коефіцієнт стабілізації

Кст. = Кст. осн = 443.3 > 200 (3.1.42)

2.15 Фактичний коефіцієнт пульсацій та амплітуда на виході стабілізатора

Кп. вих. = Кп. вх. / Кст. (3.1.43)

Кп. вих. = 5.9 / 443.3 = 0.0133 %

U~mвих. = Кп. вих.•Uоп. (3.1.44)

U~mвих. = 0.000133•10 = 0.00133 =1.33 мВ

3.2Розрахунок випрямляча з фільтром

Згідно до завдання на ДП необхідно розрахувати випрямляч з фільтром (рисунок 3.2)

Рисунок 3.2 - Схема електрична принципова випрямляча з фільтром

Дані для розрахунку

1 Напруга в навантаженні

U_о= 19 В

2 Струм навантаження

Iо = 0,5 А

3 Коефіцієнт пульсацій напруги в навантаженні

Кп= 5,9 % = 0,059

4 Напруга і частота живлячої мережі

U_мер.= 220 В з f= 50 Гц

Розрахунок

1.Потужність нагрузки:

Р_о = Io• U_о (3.2.1)

Р_о = 0,5 • 19 = 9,5 Вт

2.Падіння напруги на дроселі

Uдр = 0,15U_о(3.2.2)

Uдр = 2,85 В

3Постійна напруга на вході згладжуючого випрямляча

U_пост = U_о + Uдр (3.2.3)

U_пост = 19 + 2,85 = 21,85 В

4Обираємо однофазну мостову схему.

Визначаємо активний опір трансформатора

Rтр = Kr• U_пост • a/ Io• f• Bm (3.2.4)

де a =

= 2,53

Kr= 3,5 Bm= 1,4 Тл

S = 1

Rтр= 3,5 • 21,85 • 2,53 / 0,5 • 50 • 1,4 = 5,53 Ом

5 Обираємо тип вентилю

Іов= 0,5Iо (3.2.5)

Іов= 0,25 А

Iтв = 0,5F• Iо(3.2.6)

Iтв = 0,5 • 6 • 0,5 = 1,5 А

Uобр= 1,41В • U_пост (3.2.7)

Uобр= 1,41 • 21,85 = 30,8В

де В = 1

F= 6

Обираємо вентиль типу Д214 (4 шт.) з параметрами:

Uобр = 100 В

Іов макс = 2 А

Середня пряма напруга Uпр ≤ 1 В

6 Внутрішній опір вентилю

Ri= Uпр / 3 Іов (3.2.8)

Ri= 1 / 3 • 0,75 = 1,33 Ом

7 Повний активний опір фази вентилю

Rв = Rтр + 2Ri (3.2.9)

Rв = 5,53 + 2,66 = 8,2 Ом

8Індуктивність дроселя трансформатора

Ls= KL• S• U_пост / Io• f• Bm• a (3.2.10)

Ls= 0,005•1•21,85 / 0,5•50•1,4•2,53 = 0,0012 Гн

де KL= 0,005

9Величина розрахункового параметра

А = П • Io• Rв / m• U_пост (3.2.11)

А = 3,14•0,5•8,2 / 2•21,85 = 0,29

10Кут зсуву фаз за рахунокLs

£ = arctg(2П•f• Ls/ Rв) (3.2.12)

£ = arctg0,0459 = 3°

В = 1,09

D= 2,17

F= 6

H= 600

11Визначимо величини необхідні для розрахунку трансформатора

U2 = B•U_пост (3.2.13)

U2 = 1,09•21,85 = 23,82В

I2 = 0,707• D•Io (3.2.14)

I2 = 0,707 • 2,17• 0,5 = 0,77 А

I1 = Kтр• I2 (3.2.15)

I1 = 0,07А

де Kтр= U2 / U1 = 0,108

Ртип = 0,707 • В • D• Io• U_пост (3.2.16)

Ртип = 0,707•1,09•2,17•0,5•21,85 = 18,27 В•А

12Уточнюємо величину Rтр та Rв

При Ртип до 40 В•А і f = 50 Гц для сталі Е340 значення Bm = 1,55 Тл

Rтр = 3,12 Ом

Ls= 0,0015 Гн

Rв = 3,12 + 2,66 = 5,78 Ом

13Уточнюємо параметри вентилю та трансформатора

А = 0,21

£ = arctg(2П•f• Ls/ Rв) (3.2.17)

£ = arctg0,081 = 5°

В = 1

D= 2,21

F= 6,4

H= 440

I_ов = 0,5 А

U_обр = 1,41•1•21,85 = 30,8 В < U_{обр доп} = 100 В

U₂= 1•21,85 = 21,85 В

I₂ = 0,707•2,21•0,5 = 0,78А

К_тр = 21,85/220 = 0,099

I₁= 0,099•0,707•2,21•0,5 = 0,077А

Р_тип = 0,707•0,78•2,21•21,85 = 26,63 В•А

14 Вибираємо П-образний LC фільтр

Коефіцієнт пульсацій на вході фільтру:

К_п.вх. = 100Н / R_вС_о (3.2.18)