|
Методичка на файле.
Готовая работа вариант 13 на странице Расчет параметрического стабилизатора напряжения
ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
учебно-методическое пособие для слушателей
факультета заочного обучения
по специальности
210602.65 Специальные радиотехнические системы
(специализация № 3 - радиотехнические системы и комплексы
охранного мониторинга)
Воронеж 2012
Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры радиоэлектронных уст-ройств (протокол № 2 от 27 сентября 2012 г.).
Рассмотрено и одобрено на заседании методического совета (протокол №3 от 26 ноября 2012 г.).
Горбатенко В.В., Кудряш В.И.
Источники электропитания радиотехнических систем: учебно-методическое пособие для слушателей факультета заочного обучения (специальность 210602.65 – Специальные радиотехнические системы). – Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2012. – 72 с.
Пособие содержит тематический план дисциплины «Источники электропи-тания радиотехнических систем», перечень изучаемых тем и вопросов, 30 вариантов контрольных заданий, методические указания по их выполнению и список рекомендуемой литературы.
© Воронежский институт МВД России, 2012
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН 5
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 5
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ 8
3.1. ВЫПРЯМИТЕЛИ 8
3.1.1. Общие сведения 8
3.1.2. Порядок расчета маломощного силового трансформатора 15
3.1.3. Порядок расчета схем выпрямления 35
3.2. СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ 44
3.2.1. Порядок расчета параметрического стабилизатора напряжения 44
3.2.2. Порядок расчета компенсационного стабилизатора напряжения с непрерывным регулированием 47
4. ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ 57
5. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ 59
5.1 СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТРУКТУРНАЯ РАЗРАБАТЫВАЕМОГО УСТРОЙСТВА 59
5.2. ПОРЯДОК РАСЧЕТА 59
5.3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВТОРИЧНОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ 59
5.3.1. Расчет параметрического стабилизатора напряжения 59
5.3.2. Расчет выпрямителя 63
5.3.3.Схема электрическая принципиальная вторичного источника электропитания 71
ЛИТЕРАТУРА 71
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с государственными требованиями, предъявляемыми к уровню подготовки инженеров по специальности 210602.65 – Специальные радиотехнические системы, выпускники Воронежского института России должны знать основные принципы работы и теорию электропитающих устройств специальных радиотехнических систем, принципы их проектирования, а также иметь представление о перспективных направлениях создания этого класса устройств с использованием новых физических явлений и достижений функциональной электроники.
В результате изучения дисциплины слушатели должны:
знать:
устройство и принципы функционирования источников электропитания специальных радиотехнических систем;
уметь:
определять состав радиокомпонентов в зависимости от конструкции и назначения источников электропитания;
экспериментально определять основные параметры и характеристики источников электропитания;
аналитически и экспериментально исследовать источники электропитания и процессы в них;
применять компьютерные системы и пакеты прикладных программ для проектирования и исследования источников электропитания;
владеть:
методами расчета основных параметров источников электропитания;
методами исследования и проектирования источников электропитания;
методами поиска неисправностей и восстановления работоспособности источников электропитания;
методами применения контрольно-измерительной аппаратуры.
Для успешного усвоения материала дисциплины необходимо знание основных вопросов, излагаемых в курсах «Математика», «Физика», «Физические основы электроники», «Электромагнитные поля и волны», «Электроника», «Основы схемотехники», «Основы теории цепей», «Метрология, стандартизация и сертификация».
Ограниченный объем дисциплины предполагает активную самостоя-тельную работу по изучению и углублению знаний отдельных тем курса.
Целью данного пособия является оказание помощи слушателям фа-культета заочного обучения (специальность 210602.65 – Специальные радиотехнические системы) в достижении уровня требований, предписываемого Государственным стандартом.
1. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН
Тематический план дисциплины
«Источники электропитания радиотехнических систем»
для слушателей III курса факультета заочного обучения
№ те-мы Название темы Всего часов Ауди-торные В том числе Само-стоя-тельная работа
Устан.
лекции Итого-вые
лекции Лабора-торные работы Кон-троль-ные работы
1. Общие сведения об источниках питания 7 1 1 6
2. Преобразователи 26 4 1 1 2 22
3. Стабилизаторы 19 5 1 4 14
4. Источники электро-питания РТС 20 4 1 1 2 16
Контрольная ра-бота 36 36
Зачет
Всего по дисциплине 108 14 4 2 8 36 94
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Общий перечень тем дисциплины
Тема 1. Общие сведения об источниках питания
Трансформаторы и дроссели устройств электропитания. Генераторы пере-менного и постоянного тока. Неуправляемые выпрямители. Сглаживающие фильтры.
Тема 2. Преобразователи
Устройства преобразования напряжения. Статические преобразователи напряжения и тока. Структура и особенности схемотехники преобразователей напряжения источников питания радио-технических систем.
Тема 3. Стабилизаторы
Параметрические и компенсационные стабилизаторы. Импульсные стабилизаторы.
Тема 4. Источники электропитания РТС
Основные источники электроснабжения стационарных и подвижных объектов РТС. Вопросы резервирования и надежности систем электроснабжения РТС.
Основные вопросы, подлежащие изучению
Тема 1. Общие сведения об источниках питания
Принципы организации электропитания РТС. Характеристика дис-циплины как целостной системы знаний, охватывающих вопросы использования электрофизических явлений при построении устройств электропитания. Структура и содержание дисциплины, ее связь с другими дисциплинами учебного плана и место курса в системе подготовки специалиста. Трансформаторы и дроссели устройств электропитания. Генераторы переменного и постоянного тока.
Характеристики ферромагнитных материалов дросселей и трансформаторов источников вторичного электропитания.
Дроссели. Трансформаторы. Конструктивное выполнение трансформато-ров. Основы расчета трансформаторов для сетевых и импульсных источников питания. Связь электромагнитной мощности с габаритами трансформатора, формой сердечника, рабочей частотой и параметрами магнитопровода.
Генераторы переменного и постоянного тока. Виды генераторов. Характеристики генераторов постоянного и переменного тока. Генераторы с параллельным, последовательным и смешанным воз-буждением.
Назначение и устройство выпрямителя. Основные параметры. Вентили. Выпрямление однофазного переменного тока. Схемы выпрямления переменного тока. Работа выпрямителя на активную, индуктивную и емкостную нагрузку. Выпрямители с умножением напряжения. Влияние типа выпрямителя на параметры трансформатора. Методы расчета выпрямителя.
Основные типы сглаживающих фильтров. Требования, предъявляемые к сглаживающим фильтрам. Переходные процессы в фильтрах. Влияние типа фильтра на нагрузочные характеристики выпрямителя. Методы расчета сглаживающих фильтров.
Тема 2. Преобразователи
Классификация устройств преобразования напряжения. Одно- и двухтакт-ные преобразователи напряжения. Инверторы и конверторы. Основные характеристики преобразователей и методы расчета. Области применения преобразователей в электропитании РТС. Структура и особенности схемотехники преобразователей напряжения РТС.
Тема 3. Стабилизаторы
Классификация и основные параметры стабилизаторов напряжения и тока. Параметрические стабилизаторы постоянного и переменного тока. Компенсационные стабилизаторы напряжения и тока, схемотехнические решения. Методы расчета параметрических и компенсационных стабилизаторов. Применение стабилизаторов в электропитании устройств РТС. Компенсационные стабилизаторы напряжения и тока в интегральном исполнении. Основные параметры и области применения.
Классификация импульсных (ключевых) стабилизаторов напряжения (ИСН). Схемотехника стабилизаторов с широтно-импульсным и непрерывно-импульсным регулированием. Силовые цепи импульсных стабилизаторов и узлы управления ими. Области применения ИСН и методы расчета. Защита стабилизаторов и нагрузки от превышения напряжения и тока. Интегральные импульсные стабилизаторы напряжения.
Тема 4. Источники электропитания РТС
Структурная схема электроснабжения стационарных и подвижных объек-тов РТС. Оборудование электрических подстанций. Основные источники электроснабжения стационарных и подвижных объектов.
Методы повышения надежности систем электропитания. Автоматическое резервирование электроснабжения средств и объектов телекоммуникационных систем. Устройства гарантированного питания (УГП) с автоматически запускаемыми преобразователями. УГП с реверсивным преобразователем. УГП с двойным преобразованием энергии. Технико-экономические показатели различных УГП.
Тематика лабораторных занятий
Лабораторная работа №1. Исследование инвертора напряжения
Лабораторная работа №2. Исследование параметрического стабилизатора напряжения
Лабораторная работа №3. Исследование компенсационного стабили-затора напряжения
Лабораторная работа №4. Исследование блока питания РЭУ.
Тематика контрольных работ
1. Разработка источника вторичного электропитания
3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ
КОНТРОЛЬНЫХ ЗАДАНИЙ
3.1. Выпрямители
3.1.1. Общие сведения
Подавляющая часть элементов и устройств специальных радиотехнических систем потребляет для своей работы электрическую энергию постоянного тока. Источниками постоянного тока могут служить гальванические элементы, аккумуляторы, термоэлектрогенераторы, солнечные батареи, электромашины постоянного тока и выпрямители.
Структурная схема источника постоянного тока в большинстве случаев состоит из следующих основных элементов (рис.3.1): силового трансформатора (автотрансформатора), служащего для получения переменных напряжений обеспечивающих, после соответствующих преобразований, заданные параметры постоянных напряжений; выпрямителя, состоящего из одного или нескольких вентилей, обладающих односторонней проводимостью тока и выполняющих основную функцию - преобразование переменного тока в постоянный; сглаживающего фильтра, уменьшающего пульсацию выпрямленного тока до значений обеспечивающих нормальную работу питаемых узлов и блоков РТС; стабилизатора напряжения постоянного тока, который используется в тех случаях, когда к параметрам источника питания предъ-являются требования которые не может обеспечить выпрямитель с сглаживающим фильтром.
Рис. 3.1.Схема электрическая источника постоянного тока.
Расчет источника питания следует начинать с анализа требований технического задания к параметрам напряжений и токов для заданных нагрузок. Далее, расчет производится в следующем порядке: стабилизатор, выпрямитель с фильтром, трансформатор. Если требуемые параметры постоянного напряжения могут быть обеспечены без стабилизатора напряжения, расчет следует начинать с выпрямителя. Входные параметры получаемые на соответствующих этапах расчета с служат исходными данными для следующего этапа расчета.
В настоящее время используются разнообразные типы выпрямителей, которые классифицируются по числу фаз выпрямленного переменного тока, типу вентилей, схеме их включения и другим показателям.
Рекомендуемые номинальные значения напряжения и тока на выходе элек-тропитающих устройств даны в табл. 3.1, 3.2.
Таблица 3.1
Номинальные значения напряжения
Диапазон
напряжений, В
Таблица 3.2
Номинальные значения тока
Диапазон
токов, А
Выпрямитель рассчитывается в соответствии с техническим заданием; ос-новными исходными данными для расчета являются величины выпрямлен-ного напряжения U0 и выпрямленного тока I0.
Кроме этих данных, должны быть известны:
- назначение выпрямителя;
- номинальное напряжение и частота сети;
- допустимый коэффициент пульсации напряжения на выходе выпрями-теля;
- пределы регулировки выпрямленного напряжения;
- конструктивные и эксплуатационные требования и т.д.
В процессе расчета необходимо:
- выбрать наиболее рациональную схему выпрямления;
- определить число и тип вентилей;
- подобрать схему сглаживающего фильтра и рассчитать его элементы;
- найти электрические и конструктивные параметры силового трансформатора.
Силовые трансформаторы маломощных выпрямителей, используемых для питания электронной аппаратуры, представляют собой электромагнитные устройства, состоящие из ферромагнитного сердечника (магнитопровода) и обмоток.
Сердечники трансформаторов изготавливают из высоколегированных электротехнических сталей. При частоте сети 50 Гц для сердечников используют стали марок Э41, Э42, Э43, Э310, Э320, Э330, Э3100, Э3200 с толщиной стальных листов или ленты 0,5 и 0,35 мм. При повышенных частотах (400 Гц и выше) используют стали марок Э44, Э45, Э46, Э47, Э48, Э340 и Э70 с толщиной пластин или ленты 0,2; 0,15; 0,1; 0,08 и 0,05 мм. Магнитные свойства некоторых марок электротехнической стали и величины их удельных потерь приведены в табл. 3.3 и 3.4.
Таблица 3.3
Основные свойства некоторых марок стали при частоте 50 Гц
Марка ста-ли
Толщина стали, мм Магнитная индукция (не менее), Тл, при напряженности
магнитного поля, А/см Удельные потери
(не более), Вт/кг
По конструктивному выполнению сердечники трансформаторов подразде-ляются на три основных типа; стержневые, броневые и тороидальные. В зависимости от конструкций сердечника трансформаторы также подразделяются на три указанных выше типа. Конструктивные особенности маломощных силовых трансформаторов иллюстрирует рис. 3.2. Магнитопроводы маломощных стержневых и броневых трансформаторов выполняются соответственно из П-образных и Ш-образных пластин трансформаторной стали (рис.3.2, а и б), а также ленточных сердечников подковообразной формы (рис. 3.2, в и г).
Рис. 3.2. Конструкция трансформаторов:
а, б - пластинчатые стержневой и броневой; в, г - ленточные стержневой и броне-вой; д - тороидальный
Основные достоинства стержневого трансформатора: большая поверх-ность охлаждения обмотки; малая индуктивность рассеяния; малый расход обмоточного провода; малая чувствительность к внешним магнитным по-лям (так как ЭДС помех, наводимые в обеих катушках трансформатора, имеют противоположные знаки и взаимно уничтожаются). Стержневые сердечники применяются для трансформаторов различной мощности.
Броневые сердечники рассчитаны на малые мощности; к их достоинствам следует отнести: наличие только одной катушки с обмотками (вместо двух у стержневого сердечника), более высокий коэффициент заполнения окна сердечника обмоточным проводом, защита сердечником обмотки от механических повреждений.
Тороидальные сердечники (рис. 3.2, д) используют для трансформаторов малой мощности, работающих на повышенных частотах - от 400 Гц и выше. Достоинствами таких трансформаторов являются: относительно малое магнитное сопротивление, почти полное отсутствие внешнего потока рассеяния, нечувствительность к внешним магнитным полям.
Обмотки и другие токоведущие части трансформаторов изолируют с помощью специальных электроизоляционных материалов; основные данные некоторых из них приведены в табл. 3.5.
Таблица 3.5
Электроизоляционные материалы
Рис. 3.3. Расположение обмоток на магнитопроводе:
а - простая концентрическая обмотка; б - двойная концентрическая обмотка; в- дисковые чередующиеся обмотки
Наиболее широкое распространение в маломощных силовых трансформа-торах получили концентрические обмотки. Обмотки маломощных транс-форматоров изготавливаются из медных проводов с эмалевой, волокнистой и комбинированной изоляцией. Номинальные данные медных обмоточных проводов круглого сечения приведены в табл. 3.6.
Таблица 3.6
Номинальные данные обмоточных проводов круглого сечения1
Диа-метр прово-
Расчет-ное Масса
1 м мед-но
Максимальный наружный диаметр, мм
да по меди, мм сечение мм2 го прово-да, г
Диа-метр прово-да
Расчет-ное
Масса 1 м медно
Максимальный наружный диаметр, мм
по меди, мм сечение мм2 го про-вода, г
1 Медные провода с эмалевой изоляцией выпускаются следующих марок: ПЭЛ - провод с эмалевой утол-щенной лакостойкой изоляцией (по нагревостойкости относится к классу А); ПЭТ - провод с эмалевой изоляцией повышенной теплостойкости (нагревостойкость класса В); ПЭВ - 1 и ПЭВ - 2 - провода с оди-нарным и двойным эмалевым винифлексовым покрытием соответственно (нагревостойкость классов А, В для ПЭВ - 1 и классов А,Е для ПЭВ - 2).
Из проводов с волокнистой изоляцией в трансформаторах применяются ПБО и ПБД - провода с изоляцией из хлопчатобумажной пряжи в один и два слоя соответственно (нагревостойкость класса А).
Из проводов с комбинированной изоляцией в трансформаторах применяются: ПЭЛБО - провод с лакостой-кой эмалевой изоляцией и одним слоем хлопчатобумажной пряжи (нагревостойкость класса А); ПЭЛШО - провод с лакостойкой эмалевой изоляцией и одним слоем шелковой пряжи (нагревостойкость класса А).
Провода с комбинированной изоляцией имеют более толстую изоляцию, чем провода с эмалевой изоляци-ей, и их применение целесообразно при сечении провода 0,5 мм2 и более. При таких сечениях применение провода с эмалевой изоляцией нежелательно, так как при намотке на прямоугольные каркасы набольших размеров может произойти растрескивание и отслоение эмали на сгибах.
При выборе сердечника необходимо руководствоваться рядом критериев: при минимальных массе, габаритах и стоимости трансформаторы должны быть простыми по конструкции и технологии изготовления. В табл. 3.73.10 приведены основные данные стандартных сердечников с указанием унифицированных рядов типовых размеров, а в табл. 3.11. — оптимальные соотношения размеров сердечников трансформаторов разных типов при минимальной массе, объеме и стоимости. Для частоты 50 Гц по всем технико-экономическим показателям (масса, объем, стоимость) предпочтительны трансформаторы стержневого типа, выполненные на магнитопроводах оптимальной формы. Однако наиболее простыми по конструкции и наиболее технологичными считаются броневые сердечники. Поэтому для малых мощностей до 100200 ВА и при напряжениях на обмотках менее 1000 В целесообразно использовать броневые трансформаторы с пластинчатым или ленточным магнитопроводом, а при частоте 400 Гц и выше — трансформаторы с тороидальными ленточными сердечниками.
3.1.2. Порядок расчета маломощного силового трансформатора
Для расчета силового трансформатора необходимы следующие исходные данные:
- напряжение сети U1;
- частота тока питающей сети fc;
- напряжение вторичных обмоток U2, U3 и т.д. ;
- мощности S2, S3 и т.д. вторичных обмоток (или токи I2, I3 и т.д.).
В результате расчета требуется определить:
- оптимальные геометрические размеры магнитопровода;
- данные обмоток (число витков, марки и диаметры проводов);
- параметры трансформаторов (ток холостого хода; напряжение короткого замыкания, изменение вторичного напряжения; потери и КПД; температуру перегрева и рабочую температуру обмоток).
На основе расчета необходимо составить электрическую схему трансформатора (или автотрансформатора) с указанием всех обмоток (рис. 3.4).
|
