Электротехника и электроника

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)»
(РУТ (МИИТ)

Одобрено кафедрой
«ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ»

Протокол № от 201 г.

Автор:

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ С МЕТОДИЧЕСКИМИ
УКАЗАНИЯМИ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Уровень ВО: Бакалавриат

Форма обучения: Заочная

Курс:

3

Специальность/Направление: 27.03.04 Управление в технических системах
(УТб)

Специализация/Профиль/Магистерская программа: (УТ) Системы и
технические средства автоматизации и управления

Москва

Тематика курсового проекта: «ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЛОКА ПИТАНИЯ»

СОДЕРЖАНИЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Курсовой проект завершает изучение курса «Электроника».

Курсовой проект посвящен вопросам разработки и проектирования блоков питания.

Оформленный курсовой проект должен содержать пояснительно-расчетную записку с
приложением необходимых схем и рисунков. В пояснительно-расчетной записке необходимо
привести данные задания, обзорную и расчетную части, описание работы блока питания,
перечень использованной литературы.

В процессе расчета параметров элементов и режимов необходимо сначала привести
расчетную формулу, затем привести численные значения и полученный результат в принятых
единицах измерения (СИ) округлить до практически необходимого номинального значения.

При возникновении затруднений в процессе выполнения задания можно лично или
письменно - через факультет или кафедру - обратиться к преподавателю за консультацией.

Курсовой проект выполняется в печатном виде на листах формата А3 с одной стороны.
Титульный лист должен содержать:

• - наименование кафедры;
• - наименование дисциплины;
• - название курсового проекта;
• - ФИО исполнителя и шифр.

Курсовой проект должен быть подписана исполнителем. Работа, выполненная по
варианту, не соответствующему шифру студента, не проверяется и зачету не подлежит.

По исходным данным, приведенным в табл. 1-2, требуется:

• 1. Нарисовать структурная схема блока питания.
• 2. Рассчитать стабилизатор напряжения.
• 3. Рассчитать сглаживающий фильтр.
• 4. Рассчитать силовой трансформатор.
• 5. Нарисовать полную электрическую схему блока питания по ГОСТ, описать его
  работу.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Таблица 1 - Напряжение питания на выходе блока питания

Таблица 2 - Сопротивление нагрузки

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Проектирование блока питания рекомендуется вести в такой последовательности.

• 1. Ознакомится с принципами построения и расчета выпрямителей и стабилизаторов
  напряжения.
• 2. Составить структурную схему блока питания.
• 3. Выбрать тип, обосновать выбор и рассчитать стабилизатор напряжения.
• 4. Выбрать тип, обосновать выбор и рассчитать фильтр.
• 5. Выбрать тип, обосновать выбор и рассчитать выпрямитель.
• 6. Рассчитать трансформатор и выбрать из готовых.
• 7. Рассчитать коэффициент гармоник на выходе блока питания.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОГО ПРОЕКТА

Типовая структурная схема блока питания приведена на рис.1.

Т1

О

~220 В

О

Rн

Рисунок 1 –Структурная схема блока питания

• 1. Расчет и выбор элементов стабилизатора напряжения.
  • 1.1. Найти в литературе и рассмотреть несколько типов стабилизаторов характеристики,
    нарисовать их схемы, сравнить характеристики.
  • 1.2. Рассчитать стабилизатор напряжения, схема которого представленный на рисунке 2.

Исходными данными для расчёта стабилизатора напряжения являются ток Iн в нагрузке
Rн и напряжение Uн на ней.

Рисунок 2 - Схема стабилизатора напряжения

• 1.2.1. Определить выходное напряжение выпрямителя Uв:
  U_в = U_н + U_{кэ мин} ,

где U_{кэ мин} ≈ 3 В.

• 1.2.2. Рассчитать максимальную мощность рассеяния регулирующего транзистора VT:
  Pк макс = 1,3 · (Uв – Uн) · Iн .
• 1.2.3. Выбрать регулирующий транзистор VT из условий (Приложение 1):
  Pк доп > Pк макс,

Uкэ доп > Uв,

Iк доп > Iн ,

где Pк max – максимально допустимая мощность рассеяния на коллекторе;

Uкэ max – максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер;

Iк max – максимально допустимый ток коллектора.

• 1.2.4. Рассчитать максимально допустимый ток базы Iб регулирующего транзистора VT:

• I. = —
  a .max 7

• h 21min

,
где h21min – минимальный коэффициент передачи тока выбранного из таблицы

транзистора.

• 1.2.5. Выбрать стабилитрон VD. Его напряжение стабилизации Uст должно быть равно
  выходному напряжению стабилизатора Uн, а значение максимального тока стабилизации Iст макс
  должно превышать максимальный ток базы Iб мах:

Uст = Uн,

Iст мах > Iб мах .

По справочнику выбрать стабилитрон и найти значение rст для выбранного стабилитрона
(Приложение 2).

• 1.2.6. Рассчитать величину сопротивления R параметрического стабилизатора
  напряжения, состоящего из резистора R и стабилитрона VD:

r _ a no

I +I-

a max no min

где Iст min , обычно, составляет 3…5 мА.

• 1.2.7. Рассчитать мощность рассеяния резистора R:

²

V a no '

Pr =

R

.

• 1.2.8. Выбрать по справочнику тип резистора R (Приложение 3).

Номинал резистора получается умножением значения из таблицы на коэффициент 10ⁿ,
где n=0, 1, 2, . . ., 7.

• 1.2.9. Рассчитать коэффициент стабилизации Кст стабилизатора напряжения:

к - R • ^и<

^no r- • U ’

no a

где rст – дифференциальное сопротивление стабилитрона (Приложение 2):

r~

no

AU-

no

где ΔUст – изменение напряжения стабилизации Uст при изменении тока через

стабилитрон на величину ΔIст .

• 1.2.10. Рассчитать выходное сопротивление стабилизатора напряжения:

^v auo

r- + U,,
no 21 у

21 у

• 2. Выбор и расчёт элементов сглаживающих фильтров

Рассмотреть по литературе типы сглаживающих фильтров. Нарисовать их и привести

основные характеристикию

Схема сглаживающего фильтра для расчета приведена на рисунке 3.

U вх ф

Lф

Cф U вых ф

о

о

Рисунок 3 – Схема сглаживающего фильтра

• 2.1. Выбрать конденсатор Сф. Конденсатор в схемах фильтров выбирается из условия:

C₆ >

1

• ² •^п • / • q • ^R_i

[О],

где f = 50 Гц – частота питающего напряжения 220 В;

q = 0,05-0,5 – коэффициент пульсаций сглаживающего фильтра;

R>

U

^ - сопротивление нагрузки в Ом.

В качестве конденсаторов фильтра Cф выбираются электролитические полярные
конденсаторы, например, К50-6…К50-35 и др. (Приложение 4).

• 2.2. Выбрать индуктивность Lф. Индуктивность фильтра Lф выбирается из условия:

А, ^

R

² ■ П • f ■ q

[ Л].

ВЫБОР ДИОДОВ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Рассмотреть различные схемы выпрямителей, описать их достоинства и недостатки.

Для расчетов использовать мостовую схему выпрямителя.

Нарисовать мостовую схему выпрямителя.

Диоды выпрямителей выбираются по двум параметрам:

• - иобр. _мах. — максимально допустимое обратное напряжение;
• - 1пр. _мах. — максимально допустимый прямой ток.
• - Uo6p. мах. Определяется:
• - для мостовой схемы:

^Uo6p. мах U2 m,

где U2_m - амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора

По прямому току диоды выбираются из условия:

• I # ^ ■ I * 1,5 Л.

^J

Из справочника выбрать подходящий диод [1,2].

РАСЧЕТ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ.

Исходными данными для расчёта трансформатора являются напряжение U_H на нагрузке
R_H, ток 1_н через нее, напряжение питания U_n и частота сети f.

• 1. Рассчитать минимальное переменное напряжение Umin на входе диодного

выпрямителя:

Umin ^Uвых диодного выпрямителя / ^2.

вых — mmi.

• 2. Найти габаритную мощности трансформатора Рг.

Она равна в общем случае сумме мощностей всех вторичных обмоток трансформатора:

Рг = U2 ' I2 + U3 ’ 1з + ■■■ + Un ’ In.

При наличии только одной вторичной обмотки габаритная мощность Рг вычисляется по
формуле

Рг = U • 1н

• 3. Мощность первичной обмотки при КПД трансформатора 90%, что характерно для
  трансформаторов небольших мощностей, вычисляется по формуле:

P =

р.

а

0,9

= 1,111 Ра.

• 4. Определение площади поперечного сечения магнитопровода трансформатора S.

Мощность из первичной обмотки во вторичную передается через магнитный поток в
магнитопроводе. Площадь поперечного сечения магнитопровода сердечника трансформатора

зависит от мощности и возрастает при её увеличении. Для сердечника из нормальной
трансформаторной стали площадь поперечного сечения S рассчитывается по эмпирической
формуле:

S = TP,

aaa S-ni ²,P_a - Ad.

• 5. Определение числа витков w1, приходящихся на 1 В первичной обмотки:

w, = K = ⁴⁸[Ad].

¹ SS

• 6. Определение числа витков w2, приходящихся на 1 В вторичной обмотки:

K

W2 = —[Ad],

S

где K находится по таблице:

• 7. Определение общего числа витков вторичной обмотки трансформатора
  W2 = w2 · Uн.
• 8. Определение общего числа витков первичной обмотки трансформатора
  W1 = w1 · U1.
• 9. Определение диаметров проводов первичной d1 и вторичной d2 обмоток
  трансформатора.

Диаметры проводов обмоток определяются по токам, исходя из допустимой плотности
тока

d =

4 • I

.

\ⁿ • J

Плотность тока j для трансформаторов принимается в среднем j=2 А/мм². При такой

плотности диаметр провода (по меди) любой обмотки d в миллиметрах вычисляется по формуле

d = 0,7 JT.

где d измеряется в мм, I – в А.

Диаметр провода вторичной обмотки d2 вычисляется

d2

= 0,7

Диаметр провода первичной обмотки d1 вычисляется

d

= 0,7

Величину тока I1 определяем по формуле

^I1 ⁼

P1

Un

• 10. Результаты расчетов свести в таблицу:

Результат расчета трансформатора

Исходя из расчетов выбрать трансформатор (Приложение 5).

Нарисовать полную схему блока питания по ГОСТ с выбранным трансформатором

и описать его работу.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

• 1. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры:
  Справочник// А.Б. Гицкевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др. Под ред А.В. Голомедова. –
  М.:Радио и связь, 1988. – 528 с.
• 2. Хрулев А.К., Черепанов В.П. Диоды и их зарубежные аналоги: Справочник. Т.1// М.:
  ИП РадиоСофт, 1999. - 640 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Характеристики транзисторов

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Параметры стабилитронов

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Ряд Е24 номиналов сопротивлений

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Конденсаторы с оксидным диэлектриком

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

Приведенные ниже трансформаторы используются для питания полупроводниковой
аппаратуры от сети переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 127 и 220 В. Основные
параметры трансформаторов серии ТПП приведены в табл.П.1 и табл.П.2, серии ТПП2 — в
табл.П.3.

В таблицах П.1, П.2 и П.3 даны номинальные значения напряжений и токов вторичных
обмоток. В первых двух таблицах трансформаторы собраны в группы одинаковой мощности. В
заголовке группы даны тип сердечника, на котором собраны трансформаторы группы,
мощность (N) и ток (I, в амперах) первичной обмотки: в числителе — при питании от сети
127 В, в знаменателе — 220 В. В некоторых случаях трансформаторы одинаковой мощности
размещены в разных группах, т.к. они изготовлены с использованием разных сердечников. Все
трансформаторы типа ТПП2 (табл.П.3) изготовлены с использованием сердечника
ПЛМ 27x40-58, ток первичной обмотки при питании от сети 127 В — 2,03 А, при питании от
сети 220 В -1,15 А.

В табл.П.3 приведены параметры только первой половины вторичных обмоток
трансформаторов ТПП2. Вторая половина имеет аналогичные параметры. Например, ток и
напряжение обмотки 23-24 аналогичны соответствующим параметрам обмотки 11-12
трансформатора ТПП2-1, 25-26 — 13-14 и т.д., а для трансформатора ТПП2-5 обмотка 15-16
аналогична обмотке 11-12, а 17-18 — 13-14.

Электрические схемы трансформаторов ТПП и ТПП2 приведены на рис.1...9
Приложения. Вариант рис.1 — схема трансформаторов ТПП48, ТПП67 и ТПП88, допускающих
включение в сеть с напряжением как 127 В, так и 220 В. В первом случае необходимо соединить
выводы 1 и 6, 4 и 9, при этом первичные обмотки 1-4 и 6-9 соединяются параллельно, подать
напряжение 127 В на выводы 1 и 4. Во втором случае — соединить выводы 2 и 6, а напряжение
220 В подать на выводы 1 и 8.

Вариант рис.2 — схема трансформаторов броневой конструкции ТПП201.. ТПП289
(выполнены на сердечниках ШЛ и ШЛМ), допускающих включение в сеть с напряжением как
127 В, так и 220 В. В первом случае необходимо соединить выводы 1 и 6, 4 и 9, при этом
первичные обмотки 1-4 и 6-9 соединяются параллельно, подать напряжение 127 В на выводы 1
и 4. Во втором случае — соединить выводы 3 и 7, а напряжение 220 В подать на выводы 2 и 9.

Вариант рис.3 — схема броневых трансформаторов, рассчитанных на подключение к
сети напряжением только 220 В. Это напряжение подается на выводы 2 и 9.

На рис.4 приведена схема трансформаторов стержневой конструкции ТПП290...ТПП323
(выполненых на сердечниках ПЛ), допускающих включение в сеть с напряжением как 127 В, так
и 220 В. В первом случае необходимо соединить выводы 1 и 9, 4 и 6, при этом магнитные
потоки первичных обмоток обоих стержней суммируются, подать напряжение 127 В на выводы
1 и 4. Во втором случае — соединить выводы 3 и 9, а напряжение 220 В подать на выводы 2 и 7.

Вариант рис.5 — схема трансформаторов стержневой конструкции, рассчитанных на
подключение к сети напряжением только 220 В. При этом необходимо соединить выводы 3 и 9,
а напряжение 220 В подать на выводы 2 и 7.

Трансформаторы ТПП2 имеют стержневую конструкцию. Схема ТПП2-1 приведена на
рис.6, ТПП2-2 — на рис.7, ТПП2-3 и ТПП2-4 — на рис.8, ТПП2-5 — на рис.9. Первичные
обмотки этих трансформаторов одинаковы. При включении трансформаторов ТПП2 в сеть с
напряжением 127 В необходимо соединить выводы 1 и 10, 5 и 6, при этом магнитные потоки
первичных обмоток обоих стержней суммируются, напряжение 127 В подать на выводы 1 и 5.

При включении этих трансформаторов в сеть с напряжением 220 В необходимо соединить
выводы 4 и 9, а напряжение 220 В подать на выводы 2 и 7.

Напряжения на отводах первичных обмоток трансформаторов ТПП201...ТПП323 на
127/220 В составляют:

• - между выводами 1 и 2,6 и 7 — 7В;
• - между выводами 2 и 3, 7 и 8 — 100В;
• - между выводами 3 и 4,8 и 9 — 20 В;
• - между выводами 4 и 5, 9 и 10 — 11 В.

Для трансформаторов ТПП48, ТПП67 и ТПП88:

• - между выводами 1 и 2, 6 и 7 —100В;

• - между выводами 1 и 3, 6 и 8 —120В;

• - между выводами 1 и 4, 6 и 9 —127В;
• - между выводами 1 и 5, 6 и 10 — 134В.

Для трансформаторов ТПП2 всех модификаций:

• - между выводами 1 и 2,6 и 7 — 7В;
• - между выводами 2 и 3, 7 и 8 — 100В;
• - между выводами 3 и 4,8 и 9 — 10В;
• - между выводами 4 и 5, 9 и 10 — 10В.

Рис. 4

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9

Таблица П5.1 - Параметры трансформаторов

Таблица П5.2

Таблица П5.3