АИЭС

 
АЛМАТинский ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКи и Связи

 

Кафедра электроники и компьютерных технологий

 

 

 

«ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ»

Программа, методические указания и контрольные задания

для  студентов  специальности 050719 –

Радиотехника, электроника и телекоммуникации заочной формы обучения

 

 

 

 

АЛМАТЫ 2006


 

СОСТАВИТЕЛЬ: Ж. Ж.. Шотан. Электропитание радиоэлектронных устройств. Программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации заочной формы обучения. – Алматы: АИЭС, 2006. – 34 с.

 

Методическая разработка содержит программу дисциплины, контрольные задания и методические указания для их выполнения, а также список литературы.

В задании, состоящей из трех задач, производится расчет и выбор элементов источников вторичного электропитания радиоэлектронных устройств, расчет и выбор источника бесперебойного питания офисных компьютерных систем, разрабатывается структурная схема системы электропитания.

Методическая разработка предназначена для студентов, обучающихся по направлениям подготовки специалистов «Радиотехника и электроника».

Ил.2, табл. 5, библиогр. – 19 назв.

 

 

 

Рецензент: канд. техн. наук, профессор АИЭС М. А. Мустафин.

 

 

 

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2006 г.

 

 

Ó Алматинский институт энергетики и связи, 2006 г.


         Введение

Дисциплина «Электропитание радиоэлектронных устройств» изучается студентами специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации, обучающимися по направлениям подготовки специалистов «Радиотехника и электроника».

Важнейшей составной частью, обеспечивающей функционирование радиотехнических и электронных, инфокоммуникационных систем и их отдельных узлов, является система электроснабжения (электропитания), которая должна обеспечить бесперебойность работы аппаратуры даже при аварийных ситуациях – пропадания напряжения в питающей электросети. Поэтому от специалистов радиотехнических, телекоммуникационных и информационных систем различного назначения требуются глубокие знания в области таких преобразователей электрической энергии, какими являются источники вторичного электропитания (ИВЭП), а также умение использовать свои знания в практической деятельности.

Цели и задачи изучения дисциплины:

 - подготовить студентов к восприятию и пониманию идей и методов анализа при изучении основ теории, расчета и эксплуатации электропреобразовательных устройств и систем для электропитания радиоэлектронных устройств (РЭУ);

- научить студентов самостоятельно добывать новые идеи, умению анализировать, обобщать, делать выводы, строить модели, прогнозировать результаты, обеспечить достаточный уровень указанных знаний и умений для понимания электротехнических описаний функциональной связи между типовыми элементами преобразовательной техники и электропитающего оборудования РЭУ;

- научить студентов ориентироваться в арсенале типового преобразовательного и электропитающего оборудования; обеспечить понимание каждым студентом значимости, возможностей, преимуществ и недостатков преобразовательных устройств, схем, методов с целью участия в составлении технических заданий на проектирование, расчет и изготовление преобразовательных устройств.

На изучение дисциплины по учебному плану, отводится 2 кредита (всего - 90 часов, из которых 12 часов лекций, 12 часов лабораторных занятий, 10 часов на дистанционное обучение и 56 часов самостоятельной работы). По данному курсу предусмотрено выполнение одной контрольной работы. К сдаче экзамена по курсу студенты допускаются после прослушивания лекций, выполнения и защиты шести лабораторных работ и контрольной работы.


1 Программа дисциплины

 

1.1 Содержание дисциплины

 

                   1.1.1 Принцип организации электроснабжения радиоэлектронных и инфокоммуникационных систем

Введение. Принцип организации электроснабжения компьютерных и ин-фокоммуникационных систем. Понятие интеллектуального здания, преобра-зовательной техники и электроустановки интеллектуального здания. Основные тенденции и направления развития и совершенствования преобразовательной техники и источников электропитания устройств и систем радиоэлектроники.

Способы электропитания переменным током устройств и систем интеллектуального здания. Трансформаторные подстанции и токораспре-делительные сети. Условия электроснабжения интеллектуального здания пере-менным током, резервирование и автоматическое включение резерва. Резерв-ные источники электрической энергии для предприятий радиоэлектронного и инфокоммуникационного направления. Автоматизированные дизельные электростанции (АДЭС), состав и характеристики. Устройства общего, гарантированного и бесперебойного электропитания интеллектуального здания.

Электропитание напряжением постоянного тока интеллектуального здания. Назначение и классификация системы электропитания. Напряжение питания предприятий. Нормы и требования к напряжениям питания. Системы электропитания интеллектуального здания постоянным током [1, раздел 1; 2,  раздел 1; 3, раздел 1, 4; 4, разделы 8.1 – 8.3; 6, разделы 1 – 5; 18, разделы 1, 2].

 

1.1.2 Электромагнитные элементы электропитающих устройств

Трансформаторы. Принцип работы, конструкции, основные параметры силового трансформатора. Режимы работ: холостой ход, короткое замыкание и рабочий режим. Схемы замещения. Опыт холостого хода и короткого замыка-ния. Характеристики силовых и радиотрансформаторов. Особенности работы силовых трансформаторов в выпрямительных схемах и статических преобразо-вателях. Трехфазные трансформаторы и автотрансформаторы. Линейные, фаз-ные напряжения и токи, схемы и группы соединения обмоток трансформаторов. Дроссели переменного тока и сглаживающих фильтров. Основные свойства, конструкции и применение дросселей переменного тока и сглаживающих фильтров в ЭПУ. Дроссели насыщения и магнитные усилители. Способы регулирования и стабилизации напряжения и тока с помощью дросселя насыщения и магнитного усилителя [1, раздел 2; 2, раздел 2; 3, разделы 2, 3; 4, раздел 1; 6, раздел 5.6; 7, раздел 1.2; 8, раздел 1; 18, разделы 8, 9, 12].


1.1.3 Преобразователи рода тока

Выпрямление переменного тока. Классификация, характеристики, параметры и режимы работы выпрямителей. Схемы выпрямления при питании от однофазной сети переменного тока: однополупериодная, двухполупериод-ные и мостовые схемы, схемы удвоения и умножения. Принцип работы, кривые напряжения и тока, основные расчетные соотношения и сравнительная оценка схем выпрямления. Работа выпрямителей на нагрузку различного характера. Схемы выпрямления при питании от трехфазной сети переменного тока: одно-тактные трехфазная, трехфазная мостовая, шестифазная с уравнительным реак-тором. Принцип действия, основные расчетные соотношения [1, раздел 3; 2,  раздел 3; 3, раздел 5; 4, разделы 3.1 – 3.6; 6, раздел 2; 7, раздел 2; 8, разделы 6, 7].

Сглаживающие фильтры. Пульсация питающего напряжения и нормы на нее. Сглаживающие фильтры из индуктивности и емкости. Свойства аккумуля-торных батарей как элемента фильтра [1, раздел 4; 2,  раздел 4; 3, раздел 6; 4, раздел 4; 7, раздел 2.6; 8, раздел 6].

Стабилизаторы. Основные понятия теории стабилизации. Параметры и ха-рактеристики стабилизаторов. Способы регулирования напряжения. Тиристорные управляемые выпрямители. Стабилизация напряжения с помощью тиристорных выпрямителей. Параметрические стабилизаторы тока и напряжения. Феррорезо-нансные стабилизаторы переменного напряжения и тока. Компенсационные ста-билизаторы постоянного напряжения с непрерывным регулированием. Схемы стабилизаторов с параллельным и поcледовательным включением регулирующего элемента [1, раздел 6 2, раздел 6; 3, раздел 8; 4, разделы 5.1 – 5.7; 6, раздел 2.1; 7, раздел 4; 8, разделы 8 – 10; 18, раздел 5].

Импульсные регуляторы и стабилизаторы напряжения. Импульсные релейные и с широтно-импульсной модуляцией стабилизаторы напряжения. Конверторы. Транзисторные инверторы. Схемы однотактных и двухтактных инверторов с самовозбуждением. Транзисторные инверторы с независимым возбуждением. Устройства управления стабилизирующими преобразователями. Тиристорные инверторы. Мостовые схемы тиристорных инверторов и схемы со средней точкой. Реактивные элементы для запирания тиристоров. Схемы управления тиристорными инверторами [1, раздел 7; 2,  раздел 7; 3, раздел 8.4, 8.6; 4, разделы 5.8 – 5.10; 6, раздел 3; 7, разделы 4, 5; 8, раздел 11;18, раздел 10].

Преобразовательная техника (преобразователи типов: AC/DC, DC/DC, DС/AC) и принципы построения систем бесперебойного питания [1, раздел 8; 2, раздел 8; 4, раздел 7; 6, раздел 3; 8, раздел 11; 18, разделы 1, 2, 4].

 

1.1.4 Оборудование электропитающей установки предприятия

Химические источники тока. Первичные и вторичные химические источники тока. Химические источники тока марганцово-цинковой системы. Аккумуляторы. Назначение, классификация и электрические параметры малообслуживаемых, герметичных необслуживаемых свинцовых и щелочных аккумуляторов. Эксплуатационные свойства и применение свинцовых и щелочных аккумуляторных батарей на предприятиях радиотехнического и инфокоммуникационного направления. Аккумуляторы систем: NiCd; NiMH; Lead Acid; Li-Ion; Li-Ion Reusable; Alkaline Polymer. Аккумуляторы для мобильной связи [1, раздел 9; 2,  раздел 9; 3, раздел 1.3; 4, раздел 2; 5, раздел 3.3; 18, раздел 3; 20].

Типовые преобразовательные устройства предприятий. Типы выпрямительных устройств. Автоматизированные и неавтоматизированные выпрямительные устройства. Промышленные выпрямительные устройства стран СНГ, выпрямители с бестрансформаторным входом ВБВ. Выпрямительные устройства зарубежных фирм. Стабилизаторы напряжения постоянного тока. Преобразовательная техника (преобразователи типов: AC/DC, DC/DC, DС/AC) и принципы построения систем бесперебойного питания. Агрегаты и источники бесперебойного питания (ИБП, UPS) зарубежных фирм [1, раздел 10; 2, раздел 10; 3, разделы 9, 10; 4, раздел 6; 6, раздел 1.2; 18; 19].

Электропитающие установки предприятий телекоммуникаций и интеллектуальных зданий. Электропитающие установки (ЭПУ - ИБП). Принципы построения ЭПУ (ИБП).

Схемы управления, блокировки и сигнализации систем электропитания [3, разделы 9, 10; 4, разделы 8 – 12; 5, разделы 3, 4, 7; 18].

 

1.2 Методические указания к изучению теоретического материала

 

1.2.1 К разделу 1.1.1. При изучении данного раздела необходимо обратить внимание на классификацию электроустановок интеллектуального здания (компьютерных и инфокоммуникационных систем). Рассмотреть особенности построения, принцип работы, основные параметры и характеристики источников электрической энергии постоянного и переменного тока.

1.2.2 К разделу 1.1.2. Рассматривая физические процессы, происходящие в трансформаторе, необходимо обратить особое внимание на то положение, что при изменении нагрузки трансформатора в широком диапазоне (от холостого хода (ХХ) до номинального режима) магнитный поток может считаться практически постоянным и равным магнитному потоку в режиме ХХ. Это в свою очередь определяет постоянство потерь в стали, которые легко определяются из режима ХХ. При рассмотрении режима «нормального» короткого замыкания (КЗ) получается, что магнитный поток в сердечнике трансформатора настолько мал, что им можно пренебречь, а следовательно, при этом режиме потери в стали практически равны нулю, а потери в меди (в обмотках трансформатора) равны потерям при номинальной нагрузке трансформатора. Величины токов, напряжений и мощностей, полученные из режимов ХХ и «нормального» КЗ, позволяют определить основные параметры трансформатора. При изучении дросселей переменного тока и сглаживающих фильтров обратите внимание на то, что они одновременно находятся под действием постоянного и переменного магнитных полей, в основе действия лежит нелинейный характер магнитной характеристики ферромагнитного сердечника. Для ослабления нелинейности этой характеристики при необходимости магнитопроводы дросселей сглаживающих фильтров имеют немагнитный зазор.

1.2.3 К разделу 1.1.3. В данном разделе следует изучить принцип работы основных схем выпрямления. Нужно уметь изобразить любую выпрямительную схему и пояснить ее работу с помощью построения временных диаграмм напряжения и тока. Следует знать сравнительную характеристику различных схем выпрямления с точки зрения использования вентилей по току и напряжению, а также по величине типовой мощности трансформатора, величине и частоте пульсации напряжения на нагрузке. В схемах, где нет полной компенсации намагничивающих сил на стержнях трансформатора, возникает поток вынужденного намагничивания трансформатора. Следует знать отрицательные свойства этого явления и меры борьбы с ним.

Следует знать ход регулировочных характеристик. Нужно уметь строить внешние характеристики управляемого выпрямителя, знать, чем определяется момент перехода выпрямителя от режима непрерывного тока к прерывистому. При изучении систем управления выпрямителями следует выяснить основные требования, предъявляемые к форме импульсов управления, а также к быстродействию, диапазону регулирования, симметрии импульсов управления и надежности систем управления.

При изучении сглаживающих фильтров следует обратить внимание на то, что включение фильтра меняет режим работы выпрямителя. Поэтому выбор фильтра следует производить до расчета выпрямителя и его влияние надо учесть при расчете выпрямителя. В частности, если на выходе стоит емкостной фильтр, то расчет выпрямителя ведется для случая активно-емкостной нагрузки, то же и для П-образных фильтров, начинающихся с конденсатора. В случае LC-фильтра и индуктивных фильтров расчет выпрямителя ведется с учетом индуктивно-активной нагрузки. При изучении транзисторных фильтров можно не запоминать математические выкладки. Следует знать принцип работы схемы и как влияют элементы схемы и параметры транзистора на коэффициент сглаживания фильтра.

При изучении стабилизаторов напряжения и тока следует основное внимание обратить на параметры стабилизаторов, а также на принципы работы конкретных схем стабилизаторов. Следует знать сравнительную характеристику различных схем регуляторов и стабилизаторов с точки зрения возможностей регулирования выходного напряжения, величину пульсаций напряжения на нагрузке. Стабилизаторы напряжения компенсационного типа с импульсным способом регулирования в настоящее время широко применяются для питания аппаратуры связи. Следует знать основные схемы таких стабилизаторов напряжения и методики их расчета. В настоящее время в преобразовательной технике широко применяются стабилизаторы и регуляторы напряжения интегрального исполнения, следует знать их работу на уровне структурно-функциональных схем.

Следует знать принцип работы основных схем инверторов. Нужно уметь изобразить схемы инверторов и пояснить ее работу с помощью временных диаграмм напряжения и тока. Следует знать особенности работы инверторов и конверторов при различных способах регулирования выходного напряжения, обратив внимание на широтно-импульсный способ регулирования. Знать состав, принцип действия ШИМ-контроллеров на уровне структурно-функциональных схем.

1.2.4 К разделу 1.1.4. При изучении этого раздела следует обратить внимание на принципы построения электропитающих установок предприятий радиотехнического и инфокоммуникационного направлений. Следует знать, как обеспечивается надежность и бесперебойность электропитания. Обратить внимание на специфические требования к источникам электропитания различных видов потребителей электроэнергии. Современные системы электропитания строятся на базе источников бесперебойного питания (ИБП), созданных по модульному принципу и с микропроцессорной системой управления, контроля. Надежность и бесперебойность электропитания потребителей обеспечивается за счет работы преобразователей в буферном режиме с аккумуляторной батареей и применения дизель-генераторных установок. Необходимо знать принципы построения источников вторичного электропитания (преобразователей типов AC/DC, DC/DC, AC/DC/AC/DC). Современные источники и системы вторичного электропитания базируются на системном подходе и ориентируются на широкое использование новых разработок в этой области, для которых характерны уменьшение массогабаритных показателей с одновременным улучшением энергетических параметров.

 

1.3 Перечень лабораторных занятий

 

1.3.1 Исследование однофазных нерегулируемых выпрямителей.

1.3.2 Исследование однофазного тиристорного регулируемого выпрямителя.

1.3.3 Исследование интегральных линейных стабилизаторов напряжения.

1.3.4 Исследование импульсных регуляторов и стабилизаторов напряжения.

1.3.5 Исследование импульсного источника электропитания.

1.3.6 Исследование инверторов.

1.3.7 Отыскание неисправностей в схемах стабилизаторов и источников питания.

1.3.8 Исследование источников бесперебойного электропитания (ИБП).


2 Контрольное задание

 

Общие положения. В задании, состоящего из трех задач, производится расчет и выбор элементов линейного и импульсного источников вторичного электропитания (ИВЭП) радиоэлектронных устройств, расчет и выбор источника бесперебойного электропитания (ИБП) офисных инфокоммуникационных и компьютерных систем, разрабатываются электрические схемы ИВЭП и структурная схема ИБП.

Исходные данные для выполнения контрольного задания строго индивидуальны. Каждый студент определяет свой вариант исходных данных по трем признакам – по начальной букве фамилии, последним двум цифрам номера зачетной книжки. По начальной букве фамилии выбирается первая группа исходных данных, а по последним двум цифрам номера зачетной книжки – вторая группа исходных данных. Если две последние цифры этого номера имеют значение от 00 до 51, то номер задания выбирают соответственно этим цифрам. Если две последние цифры этого номера имеют значения от 52 до 99, то из этих значений нужно вычесть 50, разность и будет номером варианта исходных данных второй группы задания.

 

2.1 Задание контрольной работы

 

Задача 1. Расчет сетевого линейного источника вторичного электропитания.

Исходные данные (таблица 2.1):

- входные параметры для расчета (общий для всех вариантов задач 1 и 2): номинальное напряжение сети UС.НОМ = 220 B; частота питающей сети fС = 50 Гц; количество фаз в сети m1 = 1;

-     выходное номинальное напряжение источника UН;

-     допустимое относительное отклонение напряжения сети a(+) %, a(-) %;

-     максимальный ток нагрузки IН.МАХ;

-     минимальный ток нагрузки IН.МИН;

-     коэффициент пульсации напряжения на нагрузке КПН%, %;

-     нестабильность выходного напряжения KUН% = DUН/UН, %;

- максимальная температура окружающей среды ТСР, 0С;

-     наибольшая допустимая температура обмоток трансформатора ТОБ, 0С.

Следует выполнить:

а) выбор микросхемы линейного стабилизатора напряжения (интегрального стабилизатора напряжения – ИСН), расчет и выбор ее внешних компонентов;

б) расчет и выбор сглаживающего фильтра выпрямителя;

в) расчет и выбор сетевого трансформатора и выпрямителя: найти напряжения и токи во всех элементах схемы, определить параметры трансформатора (токи и напряжения обмоток, коэффициент трансформации, тип, материал, типоразмер магнитопровода, число витков обмоток, диаметры и марки обмоточных проводов, коэффициент заполнения окна магнитопровода, КПД источника питания и массогабаритные показатели трансформатора);

г) начертить полную принципиальную электрическую схему ИВЭП со спецификацией и функциональную схему ИСН.

Задача 2. Расчет импульсного источника вторичного электропитания (ИИВЭП) с бестрансформаторным входом обратного хода.

Исходные данные как у задачи 1, дополнительно задана частота преобразования fР.

Выполнить следующее:

а) выбор схемы управления ИИВЭП (микросхемы ШИМ-контроллера);

б) упрощенный расчет высокочастотного импульсного трансформатора;

в) расчет и выбор входного выпрямителя и фильтра;

г) расчет и выбор элементов выходного фильтра;

д) выбор помехоподавляющего фильтра;

е) начертить полную принципиальную электрическую схему ИИВЭП и функциональную схему ШИМ-контроллера.

 

Задача 3. Расчет и выбор ИБП офисного инфокоммуникационного оборудования (серверов, компьютерных сетей и т.п.).

Исходные данные:

- номинальное выходное напряжение 220 В;

- нагрузка ИБП РМАКС;

- время автономной работы ИБП tАВТ;

- температура окружающей среды АБ ТСР;

- номинальное напряжение АБ – 12 В;

- коэффициент мощности нагрузки cosj.

Выполнить следующее:

а) определить необходимую емкость и выбрать тип АБ с учетом температуры и времени автономной работы ИБП;

б) выбрать ИБП одного из семейств UPS (например, Smart-UPS и др.);

в) начертить функциональную схему ИБП с указанием технических параметров системы бесперебойного электропитания.

         Дайте сравнение массогабаритных и технико-экономических показателей источников вторичного электропитания по результатам принятых решений в задачах 1 и 2, сделайте соответствующие выводы.

Схемы линейного и импульсного ИВЭП, ИСН, ШИМ-контроллера (со спецификацией) оформляются в соответствии с фирменным стандартом ФС РК 10352-1910-У-001-2002.


Таблица 2.1-Первая группа исходных данных задач 1 и 2

Первая буква фамилии студента

А

Б

В

Г

Д

Е

Ж

З

И

К

Л

М

Н

UН, B

2,5

30,0

2,9

3,0

5

12,0

3,6

3,7

27,0

15,0

4,5

8

5

IН.МИН, А

0,1

1,2

0,4

0,2

1,5

0,45

0,5

0,1

1,3

1,2

0,1

2,4

0,35

IН.МАХ, А

1,2

5,0

1,1

0,8

6,5

1,0

1,2

0,4

6,0

5,0

0,5

7

0,8

fР, кГц

100

65

132

44

65

100

130

44

132

65

44

100

130

Первая буква фамилии студента

О

П

Р

С

Т

У

Ф

Х

Ц

Ш

Э, Ч

Ю, Ц

Я, Щ

UН, B

2,85

6,0

24,0

8,5

9,2

5

9

15

9,0

12

3,3

6

18

IН.МИН, А

0,15

1,25

1,35

0,5

0,13

0,35

0,25

1,8

2,3

3,9

0,4

0,3

2,15

IН.МАХ, А.

1,0

8

7,0

2,7

0,35

0,65

0,8

5,0

10

8,0

1,0

0,5

7,5

fР, кГц

130

100

132

65

130

44

132

100

65

132

130

44

132

 

Таблица 2.2-Вторая группа исходных данных задач 1 и 2

Последние две цифры номера зачетной книжки

00

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

a(+), %

10

10

15

10

20

20

10

20

20

10

10

15

15

a(-) , %

20

15

20

20

20

10

15

15

15

15

20

20

15 

КПН%, %

0,05

0,05

0,02

0,01

0,03

0,01

0,02

0,05

0,04

0,02

0,01

0,02

0,03

KUН%, %

0,5

1,0

1,0

0,5

0,4

0,4

1,0

0,5

0,5

1,0

0,4

1,0

2,0

ТСР,  0С

25

45

35

25

45

35

30

25

50

40

27

40

25

ТОБ, 0С

100

125

110

100

100

105

115

110

110

115

105

115

105

Последние две цифры номера зачетной книжки

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

a(+), %

20

10

15

10

15

15

10

20

15

15

20

20

20

a(-) , %

10

10

15 

10

10

15 

20

20

10

20

20

15

20

КПН%, %

0,04

0,04

0,03

0,04

0,05

0,03

0,01

0,03

0,05

0,02

0,03

0,04

0,03

KUН%, %

0,4

0,3

2,0

0,3

0,2

2,0

0,5

0,4

0,2

1,0

0,4

0,5

2,0

ТСР,  0С

30

50

45

50

60

35

35

45

60

40

25

30

45

ТОБ, 0С

105

115

105

115

120

105

100

100

120

110

100

110

105

 

 

Таблица 2.3-Первая группа исходных данных задачи 3

Первая буква фамилии студента

А

Б

В

Г

Д

Е

Ж

З

И

К

Л

М

Н

 

РМАКС, кВт

4,0

1,5

1,25

1,7

1,8

2,5

3,0

3,5

5,0

6,0

7,0

3,0

0,6

 

cosj

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,8

0,8

0,8

0,7

0,7

 

Первая буква фамилии студента

О

П

Р

С

Т

У

Ф

Х

Ц

Ш

Э, Ч

Ю, Ц

Я, Щ

РМАКС, кВт

0,5

1,0

1,2

1,6

1,85

2,6

3,2

4,0

5,2

6,5

7,5

4,5

6,2

 

cosj

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,7

0,8

0,8

0,8

0,7

0,7

 

 

 

Таблица 2.4-Вторая группа исходных данных задачи 3

Последние две цифры номера зачетной книжки

00

01

02

03

04

05

06

07

08

09

10

11

12

 

26

27

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

 

ТАВТ, мин

15

25

18

7

9

12

22

30

35

17

5

8

15

 

tCР, °С

30

35

40

45

30

35

40

45

30

35

40

45

30

 

Последние две цифры номера зачетной книжки

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

ТАВТ, мин

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

 

tCР, °С

30

35

40

45

30

35

40

45

30

35

40

45

30

 

 


2.2 Методические указания к выполнению контрольной работы

        

2.2.1 Методические указания к решению задачи 1

 

Расчет линейного ИВЭП. Схема линейного ИВЭП представляет собой одноканальный источник питания (рисунок 2.1), состоящий из понижающего трансформатора (UZ1), выпрямителя (UZ2) со сглаживающим фильтром (Z1), после которого включен стабилизатор в интегральном исполнении (Z2), обеспечивающий выходное напряжение UН, ток нагрузки IН.МАХ, допустимые отклонения выходного напряжения DUН.


            Рисунок 2.1-Структурная схема стабилизированного линейного ИВЭП

 


Для выпрямления переменного напряжения однофазной сети используются три основные виды схем: однофазная однополупериодная, двухполупериодная с средней точкой от вторичной обмотки трансформатора и мостовая схемы выпрямления. Из однофазных схем выпрямления наиболее приемлемой является мостовая схема выпрямления, так как она не требует вывода от средней точки вторичной обмотки трансформатора, отсутствует ток вынужденного подмагничивания трансформатора. Мостовая схема обладает низким выходным сопротивлением. При сравнительно небольших токах (до 3 А) в нагрузке применяют емкостной фильтр. При низких значениях выходного напряжения (до 5 - 7 В) рекомендуется использовать схему выпрямления со средней точкой.

 

2.2.1.1 Параметры нагрузки и питающей сети:

- сопротивление нагрузки RН = UН/IН.MAX;

- максимальная мощность потребления нагрузки РН. MAX = UНIН.MAX;

- пределы изменения напряжения питающей сети:

действующие значения UС.МАХ = UС.НОМ(1 + a (+)); UС.МИН = UС.НОМ(1 - a (-)) и их амплитуды UС.m.MAX = UС.МАХ; UС.m.MIN = UС.МИН.

2.2.1.2 Выбор типа и параметров интегрального стабилизатора ИСН.    Расчет линейного ИВЭП начинают с выбора стабилизатора напряжения на интегральных микросхемах - интегрального стабилизатора напряжения – ИСН.

Предпочтительнее использовать стабилизаторы на основе серийно выпускаемых интегральных микросхем (ИМС) серии К142 и др. Необходимо по [6, 9] или [18, раздел 5] выбрать ИСН, обеспечивающий получение напряжения заданной величины и стабильности.

Существуют много разновидностей интегральных стабилизаторов напряжения (ИСН). Они используются в стабилизаторах фиксированного (положительного, отрицательного, положительного и отрицательного одновременно) или регулируемого напряжения [6, 9]. В качестве ИСН в работе используются стабилизаторы с фиксированным (когда имеются ИСН с UСТ.ВЫХ = UН.ВЫХ) и с регулируемым выходным напряжением.

Выбор ИСН производится по заданным UН.ВЫХ, IВЫХ.MAX, КСТ. Следует отдавать предпочтение тем ИСН, которые работают с меньшим количеством внешних элементов (например, трех или четырех выводные ИСН). При этом должны быть выполнены условия: UВЫХ.ИСН = UН.ВЫХ; IВЫХ. MAX.ИСН ≥ IН.MAX; КСТ.ИСН > КСТ. При отсутствии ИСН с фиксированным напряжением стабилизации на заданное напряжение нагрузки, необходимо выбрать стабилизатор с регулируемым выходным напряжением. При применении ИСН с регулируемым выходным напряжением следует выбрать сопротивления делителя напряжения, устанавливающий выходное номинальное напряжение стабилизатора. Схемы включения трех, четырехвыводных ИСН приведены в[6, 9; 18, раздел 5]. Когда выходной максимальный ток стабилизатора не достаточен (менее максимального тока нагрузки) необходимо умощнить стабилизатор, включением мощного внешнего регулирующего транзистора.

Независимо от типа выбранной микросхемы определяют минимальное, номинальное и максимальное напряжения на входе стабилизатора

 

UВХ.MIN.ИСН  = UН.MIN  + UПД;

UВХ.НОМ.ИСН  = UВХ.MIN.ИСН (1 + a (-) );

(2.1)

UВХ. MAX.ИСН  = UВХ.НОМ.ИСН (1 + a (+) );

UН.MAX  = UН  + KUН%UН /100,

 

 

где UПД – минимальное падение напряжения вход-выход стабилизатора (параметр ИСН);

UН.MIN = UН - DUН = UН(1 - KUН%/100) – нижний допустимый уровень напряжения на нагрузке.

         Определенные по (2.1) значения должны находится в допустимом диапазоне UВХ.ИСН, B (minmax).

         Возможные пределы изменения КПД ИСН (предполагается, что ток, потребляемый стабилизатором, мал, т. е. IВЫХ.ИСН  ≈ IВХ.ИСН)

 

hMAX.ИСН  = UН. MAX./UВХ.MIN.ИСН;  hMIN,ИСН  = UН.MIN /UВХ. MAX.ИСН.                    (2.2)

 

Фиксированное выходное напряжение можно получить в стабилизаторах на ИМС стран СНГ К142ЕН5, К142ЕН8, КР142ЕН8, К142ЕН9, КР142ЕН17, КР1157, КР1162 и на их аналогах [18, раздел 5].

         Эти же ИСН, а также КР142ЕН12, КР142ЕН18 могут использоваться в схемах стабилизаторов с регулированием выходного напряжения. Для этих ИСН стран СНГ выходное напряжение (для зарубежных аналогов - по указаниям по их применению, которые приведены в [9,  http://www.fairchildsemi.com; 18, раздел 5])

 

UН.ВЫХ  = UВЫХ.НОМ.ИСН  + (IП + IД)R2 ,                                                              (2.3)

 

где UВЫХ.НОМ .ИСН  – выходное номинальное (фиксированное) напряжение ИСН;

IП– ток, потребляемый стабилизатором;

IД – ток делителя R1, R2.

         Ток делителя R1, R2 должен выбираться из условия IД > 3IП

 

R1 = UВЫХ.НОМ,ИСН/IД;                                          (2.4)

 

R2  = (UН.ВЫХ - UВЫХ.НОМ.ИСН) /( IД  + IП ) =

= (UН.ВЫХ - UВЫХ.НОМ.ИСН)R1 /( UВЫХ.НОМ.ИСН  + IП R1).                       (2.5)

        

         Если в параметрах ИСН не указан IП, IД принимают равным 5 мА. Рассчитывая делитель в стабилизаторе на ИМС КР142ЕН12, КР142ЕН18, UВЫХ.НОМ,ИМС нужно заменить на UВЫХ.MIN,ИСН. Кроме того, для снижения уровня фона при выходном напряжении, близком к минимальному, рекомендуется в измерительный элемент стабилизатора на ИМС КР142ЕН12, КР142ЕН18 включать сглаживающий конденсатор С3 = (2…10) мкФ. При UВЫХ.ИСН > 25 В, если возможно замыкание входной цепи стабилизатора, следует при наличии конденсатора С3 включить диод VD2 (КД521А), защищающий вход управления микросхемы.

                 (2.6)

где UREF - опорное напряжение;

IADJ - ток управляющего вывода ИСН.

Ток потребления стабилизатора

.                                 (2.7)

         Входной максимальный ток стабилизатора (равный выходному току выпрямителя): IВХ.МАХ.ИСН = IП + IН.МАХ.

         Мощность рассеивания на стабилизаторе РРАСС.ИСН = (UВХ.MAX.ИСН - UН)IН.МАХ не должна превышать допустимого значения для выбранного типа ИСН (с учетом условий охлаждения).

         По результатам расчета и выбора ИСН в работе приводятся электрические (и другие основные) параметры и типовая схема включения с указанием типов, номиналов элементов.

2.2.1.3 Расчет и выбор сглаживающего фильтра. Стабилизатор сглаживает пульсации, поэтому расчёт фильтра выпрямителя следует вести на

 

КП ВХ СТ £ КП×q,                                               (2.8)

 

где q- коэффициент сглаживания (подавления) пульсации стабилизатора напряжения, относительные единицы, если в справочных данных стабилизатора  приведен KCT, дБ, то q=.

Емкость конденсатора фильтра можно определить из следующего соотношения, задавшись половиной допустимого размаха пульсаций напряжения на конденсаторе равной UC~= (0,1…0,2)UВХ.МАХ.ИСН (или допустимого напряжения пульсации на выбранный тип конденсатора, или указанного в документации ИСН величины допустимой пульсации на его входе)

 

СФ = (5,3×10-3 IВХ.МАХ.ИСН)/ (2hMIN.ИСНUC~).                   (2.9)

 

Выбор емкости конденсатора производится по условиям: номинальное напряжение электролитического конденсатора фильтра должно быть выше максимального амплитудного напряжения на выходе выпрямителя UНОМ ³ UВХ.MAX.ИСН; СНОМ ³ СФ (выбирается из ряда номинальных параметров радиокомпонентов [11; 18, раздел 6]);  допустимый ток пульсаций IR с учетом температуры и частоты пульсации должен быть не менее максимального входного тока ИСН: I =  IR ×Kt×Kf  ³ IC~.МАХ ([18, раздел 6].

         Далее производится оценка значения пульсации напряжения на нагрузке с учетом сглаживания ИСН по выражению (2.8).

         2.2.1.4 Расчет и выбор выпрямителя и сетевого трансформатора.   Большое значение при работе с высокоточной нагрузкой имеют характеристики трансформатора, поскольку требуется найти оптимальный вариант, удовлетворяющий противоречивым требованиям обеспечения эффективности (КПД) и допуска для обеспечения работы ИВЭП с низким напряжением. Трансформатор с высоким вторичным напряжением (U2) порождает необоснованные потери мощности, что, в конечном счете, приводит к дополнительному тепловыделению в стабилизаторе. Заниженное вторичное напряжение повышает вероятность срыва стабилизации. Необходимое действующее значение U2:

-         для схемы со средней точкой

         U2  = (1/)×(UН.НОМ  + UПД + UVD + 0,5UC~)×(1,1UНОМ.С /UMIN.C) =

= (1/)×(UН.НОМ  + UПД + UVD + 0,5UC~)×[(1,1/ (1 - a (-))];                        (2.10)

- для мостовой схемы выпрямления

         U2  = (1/)×(UН.НОМ  + UПД + 2UVD + 0,5UC~)×(1,1UНОМ.С /UMIN.C) =

= (1/)×(UН.НОМ  + UПД + 2UVD + 0,5UC~)×[(1,1/ (1 - a (-))],                       (2.11)

 

где UVD - падение напряжения на выпрямителе в режиме прямого тока (его среднее значение для современных выпрямительных диодов можно принять равным 0,7…1 В); здесь коэффициент 1,1 учитывает нелинейность трансформатора по току нагрузки.

Необходимое действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора I2 и средний ток одного вентиля IVD: в схеме двухполупериодного выпрямителя со средней точкой IVD = I2 = 0,785IН.MAX; I = 1,57IН.MAX; для мостовой схемы IVD = 0,5 IН.MAX; I2 =1,11IН.MAX.

Расчет выпрямителя заключается в выборе схемы выпрямителя и выборе выпрямительного диода (вентиля). Выбор схемы выпрямления производится согласно рекомендациям, указанным в начале методических указаний к задаче 1.

Учтите, что выходным напряжением выпрямителя является входное напряжение стабилизатора UВХ.ИСН, найденное при расчёте последнего. Диоды входного выпрямителя выбираются по условиям

UVD.ОБР > 2U2MAX  = 2U2(1 + a (+))(1 + a (-) ) – для схемы со средней точкой;

UVD.ОБР  > U2MAX  = U2(1 + a (+))(1 + a (-) ) – для мостовой схемы выпрямления,

где UVD.ОБР— обратное напряжение диода, приводимое в технических условиях;

IПP.СР ³ 3IVD,

где IПР.СР - максимально допустимый прямой средний ток диода.

Потери мощности в диодах выпрямителя (в зависимости от схемы выпрямления)

РРАСС.VD = IVDUПР или РРАСС.VD = 2IVDUПР.

Данные диоды работают в условиях низкочастотных токов, поэтому здесь можно выбрать элементы класса standard или диоды Шоттки, диодные сборки КЦ419, собранных по однофазной мостовой схеме ([18, раздел 7].

Диоды двухполупериодной схемы выпрямления с конденсаторами на выходе, должны быть рассчитаны на большие значения постоянного тока, чем их средний ток.

Расчет трансформатора можно проводить по упрощенной методике, предварительно выбрав тип магнитопровода трансформатора (как правило, типа ШЛ), его материал (электротехническая сталь, например марки 3422, 3423, 3424, 3425 (Э360А), амплитуду магнитной индукции Вm, Тл, плотность тока в обмотках J, А/мм2, коэффициент заполнения окна медью s и магнитопровода сталью kС, РУД, Вт/кг и т.д. [18, раздел 8.2]

 

,                           (2.12)

 

где kф = 1,11 – коэффициент формы кривой напряжения, для гармонического напряжения;

VA – габаритная мощность трансформатора, В×А.

         Габаритная мощность трансформатора:

- для трансформатора со средней точкой VA = 1,48РН.МАХ/(hTcosj);

-  для трансформатора мостовой схемы  VA = 1,23РН.МАХ/(hTcosj),

где hТ - КПД трансформатора; cosj - коэффициент мощности трансформатора [18, раздел 8.2].

         Далее выбирается типоразмер магнитопровода у которого SCSОК не менее расчетного значения [12; 18, раздел 8.3].

         Коэффициент трансформации трансформатора КТР = UС.МИН/U2.

         Ток первичной обмотки I1 = I2/ КТР (для мостовой схемы) и I1 = I2/ТРÖ2) (для схемы со средней точкой).

         Площади сечения проводов обмоток

 

.                      (2.13)

 

По [6; 18, раздел 8.4]] для всех обмоток выбираются провода (марка, сечение).

         Диаметр проводов в каждой обмотке без учета толщины изоляции

 

d1 =  » 1,13;  d2 =  » 1,13.       (2.14)

 

         Число витков в обмотках трансформатора

 

; .                  (2.15)

 

По эскизному чертежу обмотки определяются длины средних витков обмоток lМ.СР.1, lМ.СР.2 (lМ.СР.3) (вторичная обмотка намотана поверх первичной) [6; 18, раздел 8.5].

Сопротивление провода первичной обмотки

.

Сопротивление проводов II и III обмоток

r3 =,

где r = 0,0175 Ом×мм2/м - удельное сопротивление медного провода при температуре 20 °С.

         Расчет конструкций трансформатора производить не обязательно, lМ.СР можно принять одинаковыми для всех обмоток по данным [18, раздел 8.3].

Затем необходимо проверить, уместятся ли все обмотки с изолирующими слоями в окне магнитопровода. Методы такого расчета достаточно известны и здесь не приводятся (степень заполнения окна магнитопровода проводящим материалом: sРСАЧ = S(sПРiwi) £ s). Если обмотки не умещаются, то надо выбрать магнитопровод, у которого площадь окна больше, а сечение сердечника SЭФФ не меньше предыдущего. С новым значением SЭФФ надо снова провести расчеты числа витков.

         Потери мощности в обмотках трансформатора

         ,                                         (2.16)

где kq = 1 +0,004(ТОБ – 20) – температурный коэффициент сопротивления при перегреве обмоток относительно температуры окружающей среды 20 °С.

КПД линейного вторичного источника электропитания

,                     (2.17)

где РСТ = РУДGCТ – потери мощности в стали магнитопровода трансформатора;

GCТ – масса магнитопровода (РУД принимается по [18, раздел 8.2]).

Масса обмоток трансформатора

 

МОБ  = М1 + (2)М2 = glСР1w1sПР1 + (2)glСР2w2sПР2,           (2.18)

 

где g = 8,9 г/см3 – удельная масса медного провода.

Масса трансформатора МТ = GCТ + МОБ.

В приложении контрольной работы приводятся схемы, оформленные по ГОСТу: электрическая схема ИВЭП со спецификацией и структурная или принципиальная схема ИСН.


2.2.2 Методические указания к решению задачи 2

 

                   Расчет импульсного ИВЭП. В рассчитываемой схеме импульсного обратноходового ИВЭП напряжение первичной сети преобразуется в постоянное напряжение с помощью выпрямителя UZ1 (рисунок 2.2), пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются с помощью фильтра Z1, полученное постоянное напряжение преобразуется в высокочастотное переменное напряжение с помощью инвертора UZ2, оно трансформируется в нужное напряжение высокочастотным трансформатором UZ3, полученное высокочастотное переменное напряжение выпрямляется выпрямителем UZ4 и пульсации сглаживаются фильтром Z2, а стабилизация напряжения осуществляется с помощью управления работой инвертора UZ2 методом широтно-импульсной модуляции через цепи обратной связи - гальванической развязки (ГР), схемы сравнения (СС) и ШИМ-контроллера DA1 [13].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 – Стуктурно-функциональная схема импульсного обратноходового ИВЭП

 
 

 

 

 


2.2.2.1 Параметры нагрузки и питающей сети (п. 2.2.1.1).

2.2.2.2 Выбор контроллера (микросхемы) для управления сетевым импульсным обратноходовым источником питания. Поиск путей упрощения схемотехники блоков питания аппаратуры привели фирму Power Integration к созданию серии сетевых обратноходовых микросхем (импульсных стабилизаторов - ШИМ-контроллеров семейства TinySwitch и TOPSwitch), имеющих всего три вывода: стока, истока и управляющего электрода [13…15; 18, раздел 10]].

Расчет преобразователя на микросхемах фирмы Power Integration относительно несложен. Его начинают с выбора необходимой микросхемы. Все расчеты преобразователя ведутся для наиболее тяжелого случая, а он (с одним исключением) имеет место при минимальном входном напряжении. Номинальные мощности приведены для напряжения сети 230 В–15 %, т. е. для 195 В переменного тока. В отечественной сети 220 В с допуском – 20 % минимальное напряжение составляет 176 В и расчет надо вести именно для него. При таком напряжении на конкретной микросхеме можно построить преобразователь с несколько меньшей выходной мощностью, чем при 195 В. Поправочный коэффициент kР, определяющий уменьшение допустимой мощности для напряжения сети 176 В составляет около 0,94. Это означает, что необходимо выбрать микросхему, обеспечивающую выходную мощность более требуемой в 1/0,94 = 1,06 раза [15].

Выбор ШИМ-контроллера производится по диапазону изменения напряжения сети (UC.MINUC.MAX), частоте преобразования fР и номинальной выходной мощности [14; 15; 18, раздел 10]. Номинальная выходная мощность микросхемы должна быть выбрана с некоторым запасом, при необходимости можно предусмотреть вентиляцию ИВЭП, при этом указанную в технических условиях номинальную мощность (с учетом kР) увеличивают на kn = (1 + 0,5), где n - скорость воздушного потока, м/с.

В работе приводятся параметры выбранного ШИМ-контроллера, его структурная схема с описанием работы и назначения функциональных узлов.

2.2.2.3 Расчет и выбор магнитопровода импульсного трансформатора. В качестве магнитопровода трансформатора желательно использовать Ш-образные сердечники из феррита марки НМС (например, 2500НМС1. [12; http://ferrite.ru; 18, раздел 9]), который изготовляется для работы в сильных полях, а также импортные сердечники, предназначенные для этих целей (наиболее популярные марки силовых ферритов, такие как 3С85 (Philips), N27 (Siemens), PC30 (TDK) и прочие, имеют небольшие потери на частотах до 50…100 кГц. Для больших частот желательно использовать высокочастотные силовые ферриты, такие как 3F3 (Philips), N67 (Siemens) [www.ferrite.com.ua], и т. д.).

Сначала определяется суммарная потребляемая от источника максимальная мощность РН.МАХ. Она равна сумме мощностей, потребляемых всеми вторичными обмотками трансформатора (мощность обмотки управления, если она имеется, определяется типом ШИМ-контроллера и параметрами цепи обратной связи). Далее выбирается сечение сердечника трансформатора SC, м2, которое может обеспечить передачу такой мощности

 

,   (2.19)

 

где ВМАХ - амплитудное значение магнитной индукции, Тл;

fP – рабочая частота преобразователя, Гц;

(0,05…0,1) - коэффициент учитывает немагнитный зазор в магнитопроводе (Ш2,5´2,5…Ш20´28), зазор выбирается в диапазоне d = (0,05…0,1), если d менее 0,1 мм его округляют до 0,1 мм (величина зазора должна находится в пределах от 0,1 мм до 1мм).

ВМАХ выбирается в диапазоне 0,25…0,3 Тл (для материала магнитопровода 2500НМС1, предполагается, что имеются быстродействующие цепи ограничения тока через ключевой элемент).

         Эффективное сечение SЭФФ выбираемого магнитопровода должно быть не менее расчетного значения SC. Далее приводятся основные параметры выбранного магнитопровода: эквивалентная длина магнитной линии; эквивалентное сечение магнитопровода; эквивалентный объем сердечника; эффективная относительная магнитная проницаемость сердечника без зазора; эффективная индуктивность, нГн/вит2; сечение окна магнитопровода; масса магнитопровода [12; 18, раздел 9.1].

         Альтернативой этим вычислениям является использование программы Magnetic Design Tool, с      широкими возможностями, в которой учитывается и краевое искажение потока. Программу можно загрузить с корпоративного Webсайта компании EPCOS (www.epcos.com/tools).

2.2.2.4 Требуемая емкость конденсатора входного фильтра. Необходимую емкость конденсатора входного фильтра можно определить и по следующей формуле

 

СФ1 = РН.МАХ(p - arccosk1)/((phU2С.m.MINfС(1 – k21),                (2.20)

 

где k1 = (UС.m.MIN - UП.MAX)/UС.m.MIN;– коэффициент, характеризующий максимально допустимый размах пульсаций выпрямленного напряжения UП.MAX, которое можно принять равным (0,03…0,05)UС.m.MIN;

UС.m.MIN – минимальное амплитудное напряжение сети;

q = arccosk1 угол отсечки выпрямителя;

h - предполагаемый КПД схемы преобразователя, который можно принять равным 0,8 (суммарный КПД следующих за сетевым выпрямителем устройств преобразования);

fС - частота напряжения сети.

Рекомендуемые значения СФ1 = (2…3)РН.МАХ, в микрофарадах при РН.МАХ в ваттах.

2.2.2.5 Минимальное входное напряжение источника. В дальнейших расчетах используются минимальное входное напряжение источника с учетом пульсаций (на конденсаторе) UMIN.C, при котором обеспечивается нормальная работа ИИВЭП. Для определения UMIN следует воспользоваться формулой

 

UMIN.C = .                             (2.21)

 

2.2.2.6 Максимально допустимое напряжение на стоке (коллекторе) ключевого транзистора. В обратноходовых сетевых блоках питания, важным ограничивающим фактором является максимально допустимое напряжение на стоке (коллекторе) ключевого транзистора UDSmax. Напряжение на стоке разомкнутого ключевого транзистора (на первичной обмотке трансформатора) складывается из максимального входного выпрямленного напряжения UС.m.MAX и повышения напряжения UOR, обусловленного трансформацией напряжения из вторичной обмотки в первичную во время обратного хода (у ШИМ-контроллеров семейств TinySwitch и TOPSwitch допустимое напряжение ключевого транзистора UDSmax = 700 В). При изменении входного напряжения в допустимых пределах величина UOR остается постоянной. Максимально допустимое напряжение на стоке (коллекторе) ключевого транзистора должно быть больше U1m.MAX с хорошим запасом (20…25 В). Из-за индуктивности рассеивания первичной обмотки трансформатора, а также паразитной индуктивности проводов и т. д. на стоке (коллекторе) ключевого транзистора появится дополнительный выброс [18, (рисунок 10.7)]. Сумму двух последних составляющих обозначают UCLM, это напряжение ограничивает цепь VD4-VD5 [18, рисунки 10.3, 10.5, 10.6] или C2- R1-VD4) [18, рисунок 10.4], C2- R1 [18, рисунок 10.1].

Повышение напряжения, обусловленное трансформацией напряжения из вторичной обмотки в первичную во время обратного хода UOR определяется как

 

UOR ≤ (UDSmax – 25 – UС.m.MAX)/2,5.                      (2.22)

 

         2.2.2.7 Коэффициент заполнения работы источника при напряжении UMIN.C

DMAX  = UOR/(UMIN.C – UDS + UOR),                      (2.23)

где UDS = 10 В – падение напряжения на ключевом транзисторе ИМС управления для серии TOPSwitch [13…15].

DMAX не должен превышать 0,67 и должен находится в диапазоне 0,3…0,5 (при допустимом отклонении сетевого напряжения до ±20%, чему соответствует

 

U1m.MAX = UC.m.MAX + UMIN DMAX/(1- DMAX).

 

         2.2.2.8  Максимальный ток в первичной обмотке трансформатора

 

I1MAX = (fРSЭФФB2MAX d)/(UMIN.CDMAXm0).                     (2.24)

 

         2.2.2.9 Среднее значение тока первичной обмотки трансформатора при минимальном напряжении на входе схемы

 

I1СР = РН.МАХ/(hUMIN.C) .                                      (2.25)

 

         2.2.2.10 Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора:

I1RMS = I1MAX .                                      (2.26)

2.2.2.11 Выбор емкости конденсатора входного фильтра производится по условиям:

- номинальное напряжение электролитического конденсатора фильтра должно быть выше максимального амплитудного напряжения на выходе выпрямителя

UНОМ.С ³ 1,25= 1,25UС.MAX; СФ1.НОМ ³ СФ1                           (2.27)

(выбирается из ряда номинальных параметров радиокомпонентов [11; 18, раздел 6];

- допустимый ток пульсаций I с учетом температуры и частоты пульсации должен быть не менее максимального входного тока [18, раздел 6]

IRО = IR ×Kt×Kf  ³ IR1 =,                          (2.28)

где IR1 - ток пульсации на конденсаторе.

2.2.2.12  Диоды входного выпрямителя выбираются из условий

 

UVD.ОБР  ³ 1,25 UVD.МАХ  = 1,25×UС.MAX,                    (2.29)

 

где UVD.ОБР— обратное напряжение диода, приводимое в технических условиях;

UVD.МАХ  - максимальное обратное напряжение на диоде; 1,25 – коэффициент запаса;

IПP.MAX  ³ 3IVD,                                             (2.30)

 

где IПP.MAX - максимально допустимый постоянный прямой ток диода;

IVD = 0,5I1MAXDMAX.- среднее значение нагрузочного тока диода;

3 - коэффициент запаса.

Потери мощности в диодах выпрямителя

РVD = 2IVDUПР.

Данные диоды работают в условиях низкочастотных токов, поэтому здесь можно выбрать элементы класса standard, диодные сборки КЦ419, собранные по однофазной мостовой схеме [10; 18, раздел 7.2].

         Диоды двухполупериодной схемы выпрямления с конденсаторами на выходе, должны быть рассчитаны на большие значения постоянного тока, чем их средний ток (коэффициент запаса, равный не менее 3).

         2.2.2.13 Число витков первичной обмотки рассчитывается по формуле

 

N1= (UMIN.C UDS)DMAX/(fPSЭФФBMAX).                         (2.31)

 

         2.2.2.14 Число витков вторичной обмотки рассчитывается по формуле с учетом прямого падения напряжения на диоде UVD выходного выпрямителя (для диода Шоттки типичное падение напряжения 0,4…1В)

 

N2 = N1(UН + UVD2)(1 – DMAX)/[(UMIN.C UDS)DMAX].             (2.32)

 

         2.2.2.15  Коэффициент трансформации

 

n = N1/ N2 = (UMIN.C - UDS)DMAX/[(UН + UVD)(1 – DMAX)].                (2.33)

 

         2.2.2.16 Число витков обмотки управления (если она имеется) рассчитывается, с учетом требуемого выходного напряжения этой обмотки U3 (10…15 В) и падения напряжения на диоде UVD3 по формуле

 

N3 = N2(U3 + UVD3)/(UН + UVD2).                          (2.34)

 

         При малом выходном напряжении число N2 может оказаться очень небольшим и не целым. Тогда надо взять N2 равным ближайшему большему целому числу и выбрать новое значение коэффициента заполнения DMAX.НОВ исходя из соотношения

 

DMAX.НОВ = 1 - (fPSЭФФBMAX N2)/(UН + UVD).                          (2.35)

 

         Затем с полученным значением DMAX.НОВ вновь произвести расчет N1НОВ по формуле

 

N1НОВ = (UMIN.C UDS)DMAX.НОВ/(fPSЭФФBMAX).                       (2.36)

 

         N1НОВ также округляется до целого числа, однако это не представляет существенных затруднений, т. к. здесь число витков достаточно велико. Уточняется число витков N3 по выражению (2.32).

         2.2.2.17 Далее рассчитывают индуктивности первичной и вторичной обмоток трансформатора по формулам

L1 = ;  L2 = .                          (2.37)

 

         2.2.2.18  Эффективная проницаемость магнитопровода

mЭф » lЭФ/d.

 

         2.2.2.19 Максимальное, среднее и действующее значения тока вторичной обмотки трансформатора при минимальном напряжении на входе схемы: I2MAX = I1MAX(N1/N2); I2СР = IН.МАХ, I2RMS = I2MAX .

         2.2.2.20 Далее производится расчет и выбор проводников обмоток трансформатора (см. методические указания к решению задачи 1). Затем необходимо проверить, уместятся ли все обмотки с изолирующими слоями в окне магнитопровода. Методы такого расчета достаточно известны и здесь не приводятся. Если обмотки не умещаются, то надо выбрать магнитопровод, у которого площадь окна больше, а сечение сердечника SЭФФ не меньше предыдущего. С новым значением SЭФФ надо снова провести расчеты числа витков.

2.2.2.21 Расчет и выбор выходного выпрямителя и фильтра. В качестве выпрямительного диода используется диод Шоттки, выбор которого производится по условиям (2.29, 2.30), при этом

UVD.МАХ = UН + UС.МАХ (N2/ N1); IVD = IН.MAX.

         По аналогичным условиям можно выбрать диод импульсного выпрямителя управления: UVD6.МАХ = UIII + UС.МАХ (N3/ N1); IVD6 < 100…200 мА (диоды 1N4148).

         При малых значениях тока нагрузки (менее 1 А) рекомендуется использовать дроссель с индуктивностью от 2,2 до 4,7 мкГн [14…17; 18, раздел 12].       

Исходя из допустимого коэффициента пульсаций напряжения на нагрузке КПН и допустимого выброса выходного напряжения ΔUВЫБР при скачке тока нагрузки от IH.MAX до IH.MIN определяют значение емкостей выходного конденсатора

 

С¢Ф2 ³ (1 - DMIN)/(16 КПНL2f2P);                           (2.38)

 

          С¢¢Ф2 = 0,5(IН.МАХ - IН.МIN)2 L2/(ΔUВЫБР UН),                           (2.39)

 

где ΔUВЫБ Р = (0,1…0,2) UН.

Значение емкости конденсатора принимают равным большему из полученных значений.

         Выбор конденсатора производится по условиям: UНОМ.С ³ UН.MAX = UН + KUН%UН/100; СНОМ2 ³ СФ2 (выбирается из ряда номинальных параметров радиокомпонентов [11; 18, раздел 6].

            Допустимый ток пульсации выбираемого конденсатора должен быть равным или  большим тока пульсации на конденсаторе IR ³.

         2.2.2.22  КПД источника питания определяется по формуле

hИИВЭП = РН.MAX/SРПОТ,

где SРПОТ @ РVD1 + РОБ + РФ + РVD2 + РИМС – суммарные потери мощности в элементах источника (РVD1 - потери мощности в сетевом выпрямителе, РОБ - потери мощности в обмотках высокочастотного трансформатора, РФ - потери в феррите магнитопровода трансформатора, РVD2 - потери мощности в выходном выпрямителе, РИМС – потери мощности в ИМС (ШИМ-контроллере).

Потери мощности в обмотках высокочастотного трансформатора

РОБ = kqI21R~1 + kqI22R~2 + kqI23R~3,

где kq = 1 +0,004(ТОБ – 20) – температурный коэффициент сопротивления при перегреве обмоток относительно температуры окружающей среды 20 °С;

ТОБ – допустимая температура нагрева обмоток;

R~1 = kgR1, R~2 = kgR2, R~3 = kgR3 – сопротивления обмоток трансформатора переменному току;

R1, R2, R3 - сопротивление проводов обмоток постоянному току;

kg - коэффициент увеличения активного сопротивления от частоты в зависимости от диаметра обмоточного провода [18, раздел 9.3].

Сопротивление проводов обмоток постоянному току

, R2 =, R3 =,

где r = 0,0175 Ом×мм2/м - удельное сопротивление медного провода при температуре 20 °С;

lМ.СР.1, lМ.СР.2, lМ.СР.) - длины средних витков обмоток, определяются по эскизному чертежу обмотки (вторичная обмотка намотана поверх первичной) [6; 18, раздел 8.5].

Потери в феррите магнитопровода трансформатора

РФ = РУДМФ,

где РУД – удельные магнитные потери в магнитопроводе, определяемые по формуле

РУД = ,                                                (2.40)

где f* = 1 кГц; В*m = 1 Тл – базовые значения частоты и индукции;

r0, n, x - коэффициенты, полученные из экспериментальных данных [12; 18, раздел 9.2].

         Потери мощности в ИМС (ШИМ-контроллере)

РИМС = РМАХ.ИМС(1 - hИМС),

где hИМС = 0,9 – КПД ШИМ-контроллера.

         Перегрев обмоток трансформатора

Dq = РТРxq = (РОБ + РФ) xq,

         где xq.- температурный коэффициент мощности трансформатора [18, раздел 9.1].

2.2.2.23 Выбор номиналов элементов цепи защиты ключевого транзистора. Выбор номиналов фиксирующей цепочки C2-R1-VD4 [18, рисунок 10.4]). Мощность, рассеиваемая на сопротивлении R1 может находиться в пределах 2% от мощности, выделяющейся на нагрузке: R1 = U2С.НОМ/(0,02РН.MAX).

Емкость конденсатора С2 рекомендуется выбрать так, чтобы постоянная разряда цепочки была на пару порядков больше периода коммутации. Отсюда

С2 = 100/(R1fP).

Допустимое напряжение для этого конденсатора должно быть не менее UC.mMAX.

Выбор номиналов фиксирующей цепочки VD4-VD5 [18, рисунки 10.3, 10.5, 10.6].

Хорошим способом защиты силового транзистора является использование диодов TRANSIL [14…17; 18, VD5 на рисунках 10.3, 10.5, 10.6, 10.9].

Напряжение пробоя диода TRANSIL (стабилитрона) должно быть не меньше чем напряжение питания стабилизатора. Но также должны быть учтены максимальные колебания питающего напряжения.

При недостаточности напряжения пробоя единичного стабилитрона их можно соединить последовательно с выравнивающими сопротивлениями не менее 1 МОм.

В типовых схемах используются стабилитроны (защитные диоды) фирмы Motorola P6KE200 и серии 1,5КЕ250А [18, 10.10]). Блокирующий диод VD4 выбирается как можно более быстродействующий (с минимально возможным временем обратного восстановления) и с обратным напряжением не менее 1,5 UC.mMAX, например, UF4005.

         2.2.2.24 Компоненты цепи обратной связи и других цепей выбираются согласно прилагаемым в [14…18] типовым решениям.

2.2.2.25 Выбор помехоподавляющего фильтра. На вход выпрямителя необходимо включить помехоподавляющий фильтр, схема которого приведена в [15; 16; 18, рисунок.14.1]. Выбор производится по номинальному току дросселя фильтра, а типы и номиналы конденсаторов выбираются из [18, раздел 14].

         Рассчитанные значения элементов принципиальной схемы источника питания должны иметь стандартные значения, выбранные по [10…12, 18].

         Текстовая и графическая части задания (принципиальные электрические схемы ИВЭП и ШИМ-контроллера) оформляются в соответствии с фирменным стандартом АИЭС ФС РК 10352-1910-У-001-2002.

 


2.2.3 Методические указания к решению задачи 3

 

Расчет и выбор системы бесперебойного электропитания (ИБП) офисного инфокоммуникационного оборудования (серверов, компьютерных сетей и т.п.).

            Определение необходимой емкости и выбор типа АБ. Аккумуляторы можно выбирать по номинальной емкости за 10 часов разряда по условию QНОМ.АБ ³ QРАСЧ. Необходимая емкость АБ (на 12 В) QРАСЧ  определяется с учетом фактора коррекции емкости в зависимости от температуры Кt (справочная температура 20 ºС)

 

QРАСЧ  = IАВ.P tАВТ Кt,                                  (2.41)

 

где Кt – определяется из таблицы 2.5.

 

Таблица 2.5 - Фактор коррекции емкости герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов Кt

Температура электролита (окружающей среды), ºС

Длительность разряда

10 – 59 мин

Длительность разряда 1 – 24 ч

0

0,58

0,81

5

0,68

0,86

15

0,91

0,96

20

1,0

1,0

25

1,05

1,03

30

1,09

1,05

35

1,120

1,065

40

1,145

1,075

 

Более подробную информацию о решениях АРС можно получить на сайтах: www.exidetechnologies.ru, www.exide.de, www.eps.kz, www.oldham.ru, www.expoweb.ru, www.ict.nsc.ru, www.t-service.ru, www.ssprom.ru и др.

При этом выбираются герметичные, не требующие обслуживания свинцово-кислотные аккумуляторы, например, комплекты батарей семейства RBC (RBC 2, RBC 4, RBC 5, RBC 6, RBC 8, RBC 11, RBC 12 RBC 31, RBC 44 и др.). Более подробную информацию о решениях АРС можно получить на сайте www.apc.com/www.apc.ru. В работе необходимо привести технические характеристики аккумулятора [18, раздел 3.4, 3.5].

Выбор ИБП производится по мощности нагрузки и по времени работы в автономном режиме [18, раздел 3.6] (адреса производителей ИБП в Интернет: American Power Conversion www.apc.com, Best Power www.bestpower.com и др.).

В конце решения задачи приводятся функциональная схема ИБП, технические характеристики выбранного ИБП и описание его работы.


Список литературы

 

1. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование / В.Г. Костиков, Е.М. Парфенов, В. А. Шахнов: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1998. - 364 с.

2. Электропитание  устройств связи: Учебник  для вузов / А. А. Бокуняев, В. М. Бушуев, А. А. Жерненко и др. Под ред. Ю. Д. Козляева. - М.: Радио и связь, 1998. - 328 с.

3. Бокуняев А. А., Горбачев Б. В., Китаев В. Е., и др. Электропитание устройств связи. - М.: Радио и связь, 1988. - 280 с.

4. Хиленко В. И., Хиленко А. В. Электропитание устройств связи. – М.: Радио и связь, 1995. - 224 с.

5. Воробьёв А. Ю. Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем. – М.: Эко-Трендз, 2002. – 280 с.

6. Березин О. К., Костиков В.Г., Шахнов В. А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: «Три Л», 2000. - 400 с.

7. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 296 с.

8. Иванов-Цыганов А. И. Электропреобразовательные устройства РЭС: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 1991. – 272 с.

9. Интегральные микросхемы: Микросхемы для линейных источников питания и их применение. – М.ДОДЭКА, 1996, 2001. - 288, 360 с.

10. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные. Стабилитроны. Тиристоры/Под ред. А.В. Гломедова. – М.: КубК-а, 1996. – 528 с.

11. Аксёнов А.И., Нефёдов А.В. Элементы схемы бытовой радиоаппаратуры. Конденсаторы. Резисторы: Справочник. -  М.: Радио и связь, 1999. – 272 с.

12. Сидоров И. Н., Христинин А. А., Скорняков С. В. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники. - М.: Радио и связь, 1989. – 384 с.

13. Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. – М.ДОДЭКА, 1997, 2002. - 224, 340 с.

14. TOP221-227. TOPSwitch-II Family. Three-terminal Off-line PWM Switch. www.powerint.com.

15. TOPSwitch-II Flyback. Quick Selection Curves. Application Note AN-21. www.powerint.com.

16. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. – М.: СОЛОН-Р, 2001. – 327 с.

17. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 416 с.

18. Шотан Ж. Ж., Бакирова Н. С. Электропитание устройств телекоммуникаций и радиоэлектронных устройств: Справочно-информационные материалы самостоятельных работ. – Алматы: АИЭС, 2007. – 62 с.

19. Лопухин А. А. Источники бесперебойного питания без секретов. http://at-systems.ru.

 

Содержание

 

Введение. 3

1 Программа дисциплины.. 6

1.1 Содержание дисциплины.. 6

1.2 Методические указания к изучению теоретического материала. 7

1.3 Перечень лабораторных занятий.. 9

2 Контрольное задание. 10

2.1 Задание контрольной работы.. 10

2.2 Методические указания к выполнению контрольной работы.. 13

2.2.1 Методические указания к решению задачи 1. 13

2.2.2 Методические указания к решению задачи 2. 21

2.2.3 Методические указания к решению задачи 3. 33

Список литературы.. 35



 

Сводный план 2006 г., поз. 200

 

 

 

 

Жұмабек Жуанышұлы Шотан

 

 

 

ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ

Программа, методические указания и контрольные задания

для студентов специальности 050719 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации заочной формы обучения

 

 

 

 

 

Редактор Т. С. Курманбаева

Специалист по стандартизации Н. М. Голева

 

 

 

 

 

Подписано в печать_____

Формат 60х84 1/16

Тираж 250 экз.

Бумага типографская №1

Объем 2,13 уч.-изд. л.

Заказ____Цена 213 тг.

 

 

 

 

Копировально-множительное бюро

Алматинского института энергетики и связи

050013 Алматы, Байтурсынулы, 126