Расчет импульсного источника вторичного электропитания (стр. 1 из 9)

Источник вторичного электропитания (ИВЭП) является обязательным функциональным узлом практически любой электронной аппаратуры. Как электротехническое устройство он обеспечивает постоянными питающими напряжениями от единиц до десятков-сотен вольт транзисторные устройства и интегральные схемы.

До настоящего времени большая часть источников электропитания представляет собой громоздкие электротехнические устройства, осуществляющие силовое преобразование энергии напряжения на относительно низкой частоте – 50 Гц, а регулирование или стабилизация выходного напряжения производится линейными методами. Это обстоятельство приводит к большой материалоемкости и низкой эффективности ИВЭП.

В настоящее время в современной электронной аппаратуре практически отсутствуют подобные низкоэффективные источники электропитания. Произошел переход на высокочастотные импульсные методы преобразования энергии переменного и постоянного напряжений, что позволило снизить расход электротехнической меди в несколько десятков раз и принципиально исключить использование трансформаторной стали. Удельная выходная мощность современных ИВЭП составляет (200…500) Вт/кг, а КПД достигает (70…90)% в широком диапазоне изменения первичного напряжения. В данном курсовом проекте предлагается рассчитать источник вторичного электропитания (ИВЭП) с выходным напряжением

, максимальным током нагрузки

и КПД не менее 0,72, с диапазоном изменения действующего значения первичного напряжения, при котором ИВЭП сохраняет номинальные параметры

, а также с другими исходными данными для расчёта импульсного источника электропитания согласно заданию преподавателя.

1. Теоретические сведения

1.1 Обобщенная структурная схема "безтрансформаторного" ИВЭП

Под "безтрансформаторным" понимается ИВЭП, первичным у которого является переменное напряжение низкой частоты, а выходными (напряжениями нагрузки) являются постоянные напряжения, требующиеся для питания электронной аппаратуры.

Обобщенная структурная схема "безтрансформаторного" ИВЭП приведена на рис. 1.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема "безтрансформаторного" ИВЭП.

Здесь обозначения соответствуют:

- действующее значение переменного напряжения, выражаемого функцией

, где

-максимальное значение функции,

, Сет.В- сетевой выпрямитель с выходным напряжением

; Сгл.Ф- низкочастотный сглаживающий фильтр; ИПН - импульсный преобразователь постоянного напряжения, на вход которого подается постоянное напряжение

. Выходные постоянные напряжения ИПН:

, поступают в приборы-потребители (электронные приборы - нагрузка для ИВЭП).

В курсовом проекте принято, что первичным для ИВЭП является переменное напряжение

и частоты

. Однако это не исключает правомерности изложенных положений и применимости приведенных уравнений для любых других значений напряжения

Величины выходных напряжений ИВЭП определяются выбранной для электронных приборов элементной базой.

Функции структурных узлов Сет.В и Сгл.Ф заключаются в выпрямлении переменного напряжения сети

и его последующем сглаживании фильтром, который практически во всех случаях является емкостным. Импульсный преобразователь ИПН предназначен для выполнения двух функций.

Первая из них заключается в электрической изоляции выходных напряжений от

от первичного

. Она обеспечивает выполнение требований техники безопасности и помехоустойчивости функционирования электронной аппаратуры. Эту функцию может реализовать только индуктивный трансформатор.

Вторая функция ИПН заключается в необходимости стабилизации напряжений

при изменениях первичного напряжения

, мощности нагрузок и воздействии различного рода эксплуатационных дестабилизирующих факторов. Поэтому в качестве ИПН используются преобразователи с регулированием выходных напряжений при помощи схем управления, использующих широтно-импульсную, частотно-импульсную или другой вид модуляции.

1.2 Функциональная схема практического "безтрансформаторного" ИВЭП

Функциональная схема "безтрансформаторного" ИВЭП с использованием ОПНО приведена на рис. 2.

Рис.2. Функциональная схема ИВЭП.

Здесь обозначения функциональных узлов соответствуют: ФВФ — блок высокочастотных и низкочастотных фильтров и сетевой выпрямитель; TV -силовой трансформатор; S - силовой ключ, включаемый и выключаемый схемой управления СУ (сигнал

) и осуществляющий коммутацию постоянного напряжения

в цепи первичной обмотки

трансформатораTV; УГР - устройство гальванической развязки, выполняющее функции электрической изоляции аналогового сигнала управления; СС - схема сравнения, осуществляющая сравнение выходного напряжения ОПНО с внутренним опорным напряжением СС и вырабатывающая на этой основе аналоговый сигнал для передачи на УГР. Напряжение вторичной обмотки

трансформатора TV выпрямляется диодом VD_B, и через фильтр C_ф1, С_ф2, L_ф поступает на выход ИВЭП - U_H (в нагрузку). Параллельно первичной обмотке

включена демпфирующая цепь, осуществляющая снижение амплитуды импульсов перенапряжения на ключе S, возникающих при его размыкании.

1.3 Сетевой выпрямитель с фильтрами

На рис. 3. приведена схема сетевого выпрямителя ФВФ с фильтрующими элементами.

Рис.3. Схема сетевого выпрямителя ФВФ.

Мостовой выпрямитель напряжения сети

выполнен на диодах

. На его выходе включен емкостной фильтр, в качестве которого используется конденсатор

, сглаживающий низкочастотные пульсации выпрямленного напряжения. Резистор

является нелинейным сопротивлением, ограничивающим пусковой ток заряда конденсатора

при первоначальном подключении ИВЭП к сети

. Необходимость введения этого резистора в схему ИВЭП вызвана тем, что емкость конденсатора

велика (составляет десятки-сотни микрофарад), и его заряд, например, в момент времени, когда мгновенное значение синусоиды сетевого напряжения равно максимальному значению

обусловит появление импульса тока большой амплитуды. Практически, если не принимать специальных мер, амплитуда может значительно превышать установившееся значение тока, потребляемого ИВЭП от сети, достигая величин в десятки, иногда сотни, ампер. Сопротивление нелинейного резистора

в холодном состоянии (в момент включения ИВЭП) максимально. По мере заряда конденсатора

резистор разогревается, его сопротивление уменьшается и после полного заряда

сопротивление

практически не влияет на энергетические характеристики ИВЭП.