ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ СОФИЯ ФАКУЛТЕТ ЕЛЕКТРОННА ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ КАТЕДРА “СИЛОВА ЕЛЕКТРОНИКА”
КУРСОВ ПРОЕКТ ПО
ТОКОЗАХРАНВАЩИ
УСТРОЙСТВА
Тема: СТАБИЛИЗАТОР НА ПОСТОЯННО НАПРЕЖЕНИЕ
Изготвил: ръководител: Начо Иванов Налбантов П.Карамански Курс III, Гр. 55 Фак. №06025427
Научен доц.д-р
София 2001
СЪДЪРЖАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ СОФИЯ.....................1 ФАКУЛТЕТ ЕЛЕКТРОННА ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ .........................................................................................1 КАТЕДРА “СИЛОВА ЕЛЕКТРОНИКА”.....................1 по.............................................................................1 Токозахранващи устройства..................................1 Тема: СТАБИЛИЗАТОР НА ПОСТОЯННО НАПРЕЖЕНИЕ...............................................................1 СЪДЪРЖАНИЕ.........................................................2 ЗАДАНИЕ.................................................................3 Изчисляване на стабилизатора...........................10 Изчисляване на токоизправителя.......................15 Изчисляване на трансформатора........................17 Списък на елементите.........................................23
2
ЗАДАНИЕ
3
4
Обяснителна записка
5
При проектирането на различни видове устройства се поставя за цел те да бъдат достатачно ефективни, надеждни, с добри показатели и не на последно място евтини. Поради тази причина, при изпълнението на проекта се спрях на схемно решение, което съдържа следните блокове:
Трансформатор: Мрежовият трансформатор изпълнява няколко функции – разделя галванично мрежата от веригата на изправеното напрежение, трансформира мрежовото напрежение до необходимата за вентилната група стойност и при необходимост променя броя на фазите на захранващата мрежа. Той трябва да осигурява да има добър коефициент на полезно действие. Недостатък на всички трансформатори са техните сравнително големи размери и тегло. Двуполупериоден мостов токоизправител Токоизправителя преобразува електрическа енергия с променливо напрежение. Вентилната група е схема от електрически вентили, която преобразува променливия ток в постоянен. Токоизправителя е изграден на принципа на мостовата схема (Грец схема) и е изграден на базата на четири броя изправителни диода 31NP70. Капацитивен филтър Филтърът представлява група от пасивни или активни електронни елементи, която отделя и пропуска напрежение с определена форма. Той е изпълнен на базата на електролитен 6
кондензатор с голям капацитет. Стабилизатор на напрежение на базата на схема µ А723 Схемното решение е сравнително просто. Елементите от които е изградено са евтини и компактни. Осигурява се добър коефициент на стабилизация, добър коефициент на полезно действие и малко вътрешно съпротивление. Схемата µ А723 осигурява всички необходими функционални елементи за резлизирането на компенсационен стабилизатор на напрежение. За качеството на стабилизатора се съди по коефицента на стабилизация. Той е равен на отношението между относителното изменение н апроменливата величина към относителното изменение на стабилизираната величина. КСТ = (∆ х /х) / (∆ у /у) В тази формула с ‘х’ е означена променливата величина, а с ‘у’ – стабилизираната величина. Обикновенно универсалните стабилизатори се произвеждат в корпуси, предназначени за интегрални схеми, а тези за фиксирано напрежение – в корпуси на транзистори. Съществува голямо разнообразие на специализирани интегрални схеми на универсални стабилизатори. Най-широко разпространение у нас е получила схемата µ А723. Интегралната схема µ А723 може да работи като последователен, паралелен или ключов стабилизатор на положително или отрицателно изходно напрежение в диапазона от 2 до 37 V. Интегралната схема µ А723 е стабилизатор на напрежение с вграден източник на еталонно напрежение, усилвател и маломощен регулиращ транзистор. Схемата се произвежда в корпус ТО – 100 или в корпус DIL – 14.
7
В проекта е използвана ИС µ А723 в корпус DIL – 14.
8
Изчислителна записка
9
ИЗЧИСЛЯВАНЕ
НА СТАБИЛИЗАТОРА
Изходни данни: UИЗХ = 8V; IT = 2,5A; IT max = 2,8A; kП = 3%; 1. Изчисляване на статичния коефициент на усилване по ток h21 min =
I T max 2,8 = = 280 I ÈÑ 0,01
Избирам схемно решение с използване на съставен транзистор, поради факта, че коефициента на усилване по ток на мошните транзистори е по-малък от 280. 2. Изчисляване на входното напрежение Избирам UCEТ1 = 3V; кП = 0,03; a = 0,1; b = 0,15; UВХ = UИЗХ + UCET1 = 8 + 3 = 11 V UВХ
min
=
U ВХ
ном
=
U ИЗХ + 2(UCESatT2 + UBET 1) 1 - kП
=
8 + 2.( 0,7 + 0,7) = 11,1V 1 - 0,03
U ВХ min 11,1 = = 13V 1- b 1 - 0,15
UВХ max = UВХ ном(1 + а) = 13.(1+0,1) = 14,3V
3. Изчислява се максималната колекторна мощност PC max = (UВХ max – UИЗХ).IT max = (14,3 – 8).2,8 = 17,64W Избирам транзистор Т1: BDP620 тип: Si, NPN; UCE max = 60V; IC max = 15A; PC max =117W; h21E min = 15;Rtj=1,5°C/W 4. Изчисляване на максималния базов ток на Т1 I BT 1 =
I T max 2,8 = = 187 mA ; h21 ET 1 15
5. Изчисляване на максималния колекторен максималната колекторна мощност на Т2
ток
и
ICT2 = IBT1 = 187mA
PCmax=(UВХmax–UИЗХ).ICT2=(14,3-8).0,187=1,18W; Избирам транзистор Т2: 2T9136A тип: Si, PNP; UCE max = 45V; IC max = 1A; PC tot = 8W; h21E = 50; 6. Изчисляване на максималния базов ток на Т2 – IBT2 10
I BT 2 =
I BT 1 0,187 = = 3,74 mA h21 ET 2 50
7. Изчисляване на тока на късо съединение I KC = I T max .(1 −
UИЗХ UВХmaz
) = 2,5.(1 −
8 ) =1,1A 14 ,3
8. Изчисляване на RШ (Шунтово съпротивление) RШ =
UBET 16 0,6 = = 0,545 Ω I KC 1,1
Резистор RШ е жичен и се навива от манганинов проводник с необходимите параметри. 9. Изчисляване на мощността на RШ PRШ = I2T max . RШ = 4,27W; Резистор RШ е жичен и се навива от манганинов проводник с необходимите параметри. 10. Избирам ток през делителя R4 – R5 IR4 = IR5 = 20mA 11. Изчислявам напрежението върху R4 UR4 = RШ.ITmax – UBET16 = 0,545.2,8 - 0,6 = 0,926V 12. Изчисляване на R4 R8 =
U R 4 0,926 = = 46,3Ω I R4 0,02
Избирам стандартно съпротивление R4 = 47Ω ; 13. Изчисляване на R5 R5 =
U0 8 − R4 = − 47 = 353Ω I R4 0,02
Избирам стандартно съпротивление R5 = 330Ω ; 14. Избирам ток през делителя R6 – R7 IДЕЛ = 1mA 15. Изчисляване на R7 R7 =
U ET 7,1 = = 7100 Ω I R7 0,001
Избирам стандартно съпротивление R7 = 6,8kΩ PR7= R7.I2ДЕЛ= 6,8mW; 16. Изчисляване на R6 R6 =
UИЗХ − U ET 8 − 7,1 = = 900 Ω I R6 0,001
Избирам стандартно съпротивление R6 = 910Ω PR6= R6.I2ДЕЛ= 0,91mW; 11
17. За по-точна настройка на стабилизираното напрежение във веригата на делителя R7 – R8 поставям тример-потенциометър R9. Изчислявам съпротивлението на тример-потенциометъра: R8 = (10 ÷ 20)% . (R6 + R7) = 1157Ω . Избирам стандартна стойност на R8 = 1,5кΩ . Корегирам стойността на R6 – R7. R6 = R6 Из – 0,5 . R8 = 6,8 – 0,5 . 1,5 = 6,05kΩ . Избирам стандартна стойност R8 = 6,2кΩ . R7 = R7 Из – 0,5 . R8 = 910 – 0,5 . 1,5 = 160Ω . Избирам стандартна стойност R7 = 160Ω . 18. Изчисляване на R3. R3 =
R6 . R7 6800 .910 = = 803Ω R6 + R7 6800 + 910
Избирам стандартно съпротивление R3 = 820Ω ; 19. Изчисляване на R2 R2 ≤
0,5.U BET 1 0,5.0,6 = = 300Ω I CBOT 1 0,001
Избирам стандартно съпротивление за R2 = 200Ω ; 20. Изчисляване на R1 R1 ≤
0,5.U BET 2 0,5.0,6 = = 3000Ω I CBOT 2 0,0001
Избирам стандартно съпротивление за R1 = 2kΩ ; 21. Изчисляване на средния коефициент на предаване на входния делител σ σ=
R7 + 0,5 R8 6200 + 0,5.1500 = = 0,884 R6 + R7 + R8 160 + 6200 + 1500
22. Изчисляване на коефициента на стабилизация на стабилизатора k CT =
U0 8 .µ ДУ .σ = .2000 .0,884 = 1231 Ui 13
23. Изчиляване на стабилизатора Ri =
U ИЗХ U ВХ
вътрешното
съпротивление
на
h11ET 15 6000 + RШ + 0,545 h21E 8 1000 . = . = 0,0032 Ω k CT 13 1231
24. Изчисляване на капацитета на кондензатора C3, за 12
работна честота f = 2kHz C3 =
I1 0,5.I T 0,5.2,5 = = = 1240 µF ω.U 1 2πf .0,01 .U ÈÇÕ 2.3,14 .2000 .0,01 .8
Избирам стандартен кондензатор C3 = 1500µ F / 25V 25. Кондензатора C2 се избира стандартно C2 = 1000pF
13
Изчисляване на радиатора за мощния транзистор 1. Сумарно топлинно съпротивление От каталога за Т1 се отчита за Rthjc = 1,5°C / W Транзистора се закрепва директно върху радиатор с гладка повърхност, двустранно оребрен, с употреба на силиконова паста. Rtср . = 0,5°C / W RtjP = Rthjc + Rtcp. = 1,5 + 0,5 = 2°C / W 2. Топлинно съпротивление на радиатора t j − ta
Rtp =
Pc
− RtjP
За транзистор 2N3055 tj max = 200°C. Приема се, че температурата на околната среда е 25°C Rtp =
200 − 25 − 2 = 5,07 °C / W 17 ,64
3. Изчислявам активната площ на радиатора SP =
1200 1200 = = 237 cm 2 Rtp 5,07
14
ИЗЧИСЛЯВАНЕ
НА ТОКОИЗПРАВИТЕЛЯ
Входни данни: U0 = 13V; I0 = 2,5A; kП< 0,2; U1 = 220V; f = 50Hz; 1.Изчисляване на вътрешното съпротивление на токоизправителя. То се изчислява с такава стойност, при която се получава очакван КПД η = 80 ÷ 90%. ri =
U 0 1 − η 13 1 − 0,85 . = . = 0,92 Ω I0 η 2,5 0,85
2. Изчисляване на параметъра А (брой фази р = 2). A=
I 0 .π .ri 2,5.3,14 .0,92 = = 0,277 p.U 0 2.13
3. От фиг.8.2. от ръководството за проектиране на ТЗУ се отчита за ψ = 47°. 4. От фиг.8.3. от ръководството за проектиране на ТЗУ се отчита за B = 1,09. 5. Изчисляване на ефективната стойност на напрежението на вторичната намотка на трансформатора. E2 = B.U0 = 1,09 . 13 = 14,17V 6. Изчисляване на максималното обратно напрежение върху диодите (за мостова схема) UОБР = E2 max = 1,41 . E2 = 1,41 . 14,17 = 20V 7. Изчисляване на коефициента на трансфорнация на трансформатора. k TP =
E1 220 = = 15,5 E 2 14 ,17
8. От фиг.8.4. от ръководството за проектиране на ТЗУ се отчита за F= 6. 9. Изчисляване на амплитудата на тока през диодите и през вторичната намотка на трансформатора
15
I0 2,5 = 6. = 7,5 A p 2
I 2 max = F .
Избирам диоди Д1 – Д4: 1N2247A тип: Si, изправителен URmax = 50V; IFmax = 10A; 10. От фиг.8.5. от ръководството за проектиране на ТЗУ се отчита за D= 2,1. 11. Изчисляване на ефективната стойност на тока през вторичната намотка на трансформатора. I 2 = 2 .D.
12.
Изчисляване на ефекривната стойност на тока през първичната намотка на трансформатора. I1 =
13. 14.
I0 2,5 = 2 .2,1. = 3,71 A p 2
1 1 .I 2 = .3,71 = 0,24 A k TP 15 ,5
От фиг.8.6. от ръководството за проектиране на ТЗУ се отчита за р= 2, H = 450. Изчисляване капацитета на филтровия кондензатор. C1 =
1 1 .H = .450 = 2445 µF k П .ri 0,2.0,92
Избирам стандартна стойност за кондензатор C1 = 2700µ F. 15. Изчисляване стойностите на γ 0 за четири стойности на товарния ток и от фиг.8.7. от ръководството за проектиране на ТЗУ се отчитат съответните стойности на cos ψ . Стойностите на γ 0 r
i се изчисляват по ф-та: γ 0 = I 0 . p.E
2 max
cos ψ 0,97 0,86 0,75 0,68
γ 0 0,00575 0,023 0,0403 0,0575
I 0, А 0,25 1 1,75 2,5
16.
Изчисляване на външната характеристика на токоизправителя. Изчислява се по формулата: U0 = E2 max . cosψ . (E2 max = 34,6V) Cosψ 0,97
U0, V 19,4
16
0,86 0,75 0,68
25
17,2 15 13,4
Uo = f (Io)
V
20 15 10 5 0 0,25
1
1,75
2,5 A
Външна характеристика токоизправителя.
ИЗЧИСЛЯВАНЕ
НА ТРАНСФОРМАТОРА
Входни данни: U2 = 14,17; I2 = 3,71A; U1 = 220V; f = 50Hz; 1. Изчислителната мощност на трансформатора е: PИ = U2 . I2 = 14,17 . 3,71 = 52,57W 2. Избирам Ш-образен магнитопровод. 3. Избирам максимална магн. индукция Bmax = 1,2T. 4. Определяне сечението на магнитопровода. S CT =
PИ = 52 ,57 = 7,25 cm 2
5. Изчисляване на максималната и минималната широчина на ламелите на магнитопровода. bmax =
S CT = 2,69 cm
;
bmin =
S CT = 2,20 cm ; 1,5
6. Избирам стандартен пакет ламели Ш30х30. Сечение на магнитопровода SСТ = 792 mm2. Таблични данни за магнитопровода: Pmax = 34VA, SПРОЗОРЕЦА = 675 mm2, Брой ламели = 70 х 0,35mm 7. Изчисляване броя на навивките. 7.1. Първична намотка. w1 = 45
U1 220 = 45 . = 1042 нав . S CT .Bmax 7,92 .1,2
7.2. Вторична намотка.
17
w2' = 45
U2 14 ,17 = 45 . = 67 нав . S CT .Bmax 7,92 .1,2
Корегирам навивките на вторичната намотка с 10%, заради пада на напрежение в трансформатора. ω 2 = 1,1.ω 2' = 1,1.67 = 74 нав . 8. Изчисляване на тока през първичната намотка I1 =
1,1.Pи 1,1.52 ,57 P1 = = = 0,26 A U1 U1 220
9. Тока във вторичната намотка е I2=3,71A 10. Изчисляване диаметъра на проводниците без изолация при избрана плътност на тока ’ ’ 2 j 1=j 2=2,5A/mm 10.1.Първична намотка. d 2 = 1,13.
I1 0,26 = 1 , 13 = 0,36mm 2,5 j '1
Избирам d1=0,38mm. Действителна j1 = 2,5.
плътност
j1 = j '1 .
d 21изч. d 21избр.
;
0,36 2 = 2,24 A 0,38 2
10.2.Вторична намотка. d 2 = 1,13.
I2 3,71 = 1,13. = 1,27 mm ' j2 2,5
Избирам d2=1,25mm j2 = 2,5.
1,27 2 = 2,58 A 1,25 2
11. Изчисляване на общото сечение на проводниците в намотките: SМ =
π 4
(
)
. ϖ1. .d 21 +ϖ2 .d 2 2 = 209 mm 2 .
12. Изчисляване на коефициента на запълване на прозореца на магнитопровода: k3 =
Sм 209 = = 0,30 S proz . 675
13. Изчисляване на масата на медта в трансформатора за 18
q1=0,1134mm2 ; lср.1=15 cm. GМ 1 =10 −5.γ ì .l ñð.1.ϖ1 .q1 =10 −5.8,9.15 .1042 .0,1134 = 0,158 kg
q2=1,227 ; lср.2=21 cm. G М 2 =10 −5.γ ì .l ñð.2 .ϖ2 .q 2 =10 −5.8,9.21 .74 .1,227 = 0,17 kg
14. Изчисляват се загубите в медта:
(
)
2
(
)
Pм = 2,4. j 21.G м1 + j2 .G м 2 = 2,4. 2,2 42.0,1 5 8+ 2,5 82.0,1 7 = 4,6 0 8W 15.
Изчисляване масата на магнитопровода: Gñò. =10 −3 γ ñò..Vñò =10 −3.7,8.162 =1,26 kg
16. Изчисляване на загубите в магнитопровода : 1, 3
Pст . = pст . B
2 max
f 2 1, 3 . .Gст . = 2.1,2 .1 .1,26 = 3,63W 50
17. Изчислява се коефициентът на полезно действие на трансформатора: η=
Pи 52,57 = = 0,87 . Pи + Pм + Pст . 52,57 + 4,608 + 3,63
18. Изчислява се температурата на повърхността на трансформатора: t = ta +
Pм + Pст . 4,608 + 3,63 = 45 + = 62,6 C α t .S охл . 1,3.10 −3.360
Прегряването на повърхността на трансформатора е : °
°
∆ t = 17,6 + 15 = 32,6 C.
19
Принципна електрическа схема
20
21
22
СПИСЪК Позиция от схемата D1, D2, D3, D4 С1, C3
НА ЕЛЕМЕНТИТЕ
Наименование и означение
Ко л
Забележк а
Детайли 1N2247A
4
2700µ F / 25V ± 5%
2
23
C2
1
R1
Кондензатор керамичен ККрД-II, 1000 pF ± 5% Резистор постоянен жичен 0.55Ω / 2W 2kΩ ± 5% / 0.25W
R2
200Ω ± 5% / 0.5W
1
R3
820Ω ± 5% / 0.125W
1
R4
47Ω ± 5% / 0.125W
1
R5
330Ω ± 5% / 0.125W
1
R6
910Ω ± 5% / 0.125W
1
R7
6.8kΩ ± 5% / 0.125W
1
R8
1
Т1
Резистор донастройващ ДК-7 1.5kΩ ± 10% “A” 0.25W 25/70/21 БДС 8503-80 Транзистор BDP620
T2
Транзистор 2N3055
1
DA1
Схема интегрална µ A723
RШ
1
Изработва се
1
1
Сглобени единици Тр1
Трансформатор
Изготвил:Н. Налбантов Приел: доц.Карамански
1 Лист 1 ТУ-София
1,6 кг.
Стабилизиран токоизправител
СТ 01.00.00 201
24
