ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Коломенский институт(филиал)
Государственного образовательного учреждения высшего
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
_____________________________________________
Кафедра автоматики и электроники в машиностроении
СИЛОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Учебное пособие по курсовому проектированию
Направление подготовки дипломированных специалистов
220000 – «Автоматика и управление»,
специальность
220201 - «Управление и информатика в технических системах»
Коломна
2007
|
ББК 32.85
К-89
Силовые электронные устройства: Учебное пособие по курсовому проекту для студентов очной и очно-заочной формы обучения по специальности 220201 - Управление и информатика в технических системах: – Коломна: КИ(Ф) МГОУ, 2007.– 26с.
Учебное пособие составлено в соответствии с Государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования по подготовке дипломированного специалиста по направлению 220000 – «Автоматика и управление».
Учебное пособие одобрено на заседании кафедры «Автоматика и электроника в машиностроении» Коломенского института (филиала) МГОУ (протокол от 26.12.06) и утверждено учебно-методическим советом.
УДК 621.38
ББК 32.85
©
© КИ(Ф) МГОУ, 2007
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.. 4
1. Комплект конструкторской документации.. 4
1.1. Структура и оформление пояснительной записки.. 4
1.2.Требования к оформлению конструкторской документации курсового проекта.. 5
2.Выбор и расчет функциональной схемы.. 6
2.1. Электрическая функциональная схема блока питания управляющего устройства 6
2.2.Оценка КПД компенсационных стабилизаторов и габаритной мощности силового трансформатора... 8
2.2.1. КПД компенсационных стабилизаторов.. 8
2.2.2. Габаритная мощность.. 8
2.3. Расчет мощности, рассеиваемой регулирующими транзисторами.. 9
2.4. Расчет абсолютного коэффициента стабилизации схем.. 9
2.5. Расчет необходимого коэффициента усиления схем усилителей.. 9
3.Выбор и расчет элементов электрической принципиальной схемы.. 10
3.1. Регулирующий элемент.. 10
3.2. Усилитель постоянного тока.. 11
3.2.1.Резистивный делитель R5,R6,R7... 13
3.3. Расчет выходного сопротивления.. 13
3.4. Расчет и выбор элементов схемы защиты от перегрузок по току.. 14
4.Расчет и выбор конденсаторов сглаживающего фильтра.. 16
5. Выбор силового трансформатора.. 16
6.Расчет и оптимизация конструкции охладителей для силовых транзисторов.. 17
6.1.Назначение программы, списки входных и выходных величин... 17
Литература.. 21
Контрольные вопросы.. 22
Приложение 1... 23
Приложение 2... 24
Приложение 3... 25
Введение
Курсовой проект выполняется студентами, обучающимися по специальности 220201 (УИТС), после изучения дисциплины "Силовые электронные устройства". Выполнение курсового проекта преследует цель закрепления и углубления полученных знаний по вопросам разработки электронных блоков и узлов автоматики, включающих силовые каскады.
Расчетная часть настоящего учебного пособия составлена применительно к проекту на тему: Система управления топливоподачей транспортного дизель-генератора: Блок питания управляющего устройства. Эта тема имеет более 30 вариантов исходных данных. Каждый студент должен выполнить задание, номер которого определен порядковым номером фамилии студента в групповом журнале.
По инициативе студента возможно выполнение курсовых проектов по индивидуальным заданиям, связанным с другими блоками системы управления и согласованным с руководителем проекта или преподавателем учебной дисциплины.
Методическое пособие может оказаться полезным и при работе над дипломным проектом.
1. Комплект конструкторской документации
Комплект конструкторской документации курсового проекта должен содержать следующие документы:
- пояснительную записку;
- электрическую функциональную схему устройства;
- электрическую принципиальную схему (схемы);
- перечень элементов к электрической принципиальной схеме;
- чертеж конструкции устройства.
-
1.1. Структура и оформление пояснительной записки
Пояснительная записка должна иметь объем 15-20 листов писчей бумаги формата А4 (210х297мм).
Пояснительная записка должна быть отпечатана через полтора интервала одинаковым шрифтом на одной стороне листа. Рекомендуемый шрифт – Courier, размер 12 пт. С левой стороны листа необходимо оставлять поле для подшивки. Не рекомендуется использовать для подшивки пояснительной записки скоросшиватель.
Пояснительная записка должна содержать следующие разделы:
- титульный лист (см. Приложение2);
- оглавление, содержащее название всех разделов записки с указанием соответствующих им страниц;
- задание на курсовой проект;
- введение, в котором должно быть всесторонне проанализировано задание и определены возможные пути для его выполнения известными способами и техническими средствами;
- разработка и расчет электрической структурной и (или) функциональной схемы устройства;
- разработка и расчет элементов электрической принципиальной схемы, включая перечень элементов;
- разработка конструкции устройства или его узла;
- заключение;
- список использованной литературы.
На каждом листе пояснительной записки (кроме титульного) должна быть выполнена рамка формата. Она наносится на расстоянии 20 мм от левого края листа и на расстоянии 5 мм от всех остальных краев.
В нижней части листа «Оглавление» должна быть выполнена основная надпись по установленной форме (см. Приложение 3).
1.2.Требования к оформлению конструкторской документации курсового проекта
Чертежи конструкторских документов выполняются на форматах А3, А4 с применением компьютерных средств или чертятся на ватмане в полном соответствии с требованиями ЕСКД.
Допускается брошюровать чертежи с пояснительной запиской курсового проекта.
2.Выбор и расчет функциональной схемы
|
2.1. Электрическая функциональная схема блока питания управляющего устройства
В соответствии с исходными данными Задания на разработку двухканального электронного блока питания управляющего устройства определяем состав его электрической функциональной схемы.
Схема должна включать:
-силовой трансформатор;
-два выпрямителя на полупроводниковых диодах;
-два сглаживающих фильтра, построенные на конденсаторах большой емкости;
-два компенсационных стабилизатора напряжения.
Каждая схема компенсационного стабилизатора содержит регулирующий транзистор, усилитель постоянного тока и резистивный датчик, выполняющий одновременно функции задатчика выходного напряжения.
Один из возможных вариантов электрической функциональной схемы блока питания представлен на рис.2.1. Схема включает следующие блоки:
А1-силовой трансформатор;
А2,А6-выпрямители с фильтрами;
А3,А7-регулирующие транзисторы;
А4,А8-усилители постоянного тока;
А5,А9-датчики обратной связи, совмещающие функции задатчиков выходного напряжения.
2.2.Оценка КПД компенсационных стабилизаторов и габаритной мощности силового трансформатора.
2.2.1. КПД компенсационных стабилизаторов
Расчет КПД проводим с учетом потерь на диодах выпрямителя:
h1= Uвых1/Uвх1 nom; (1.1)
h2 = Uвых2/ Uвх2 nom, (1.2)
где Uвх1 nom=Uвх1 min(1+ U*вх1/2); (2.1)
Uвх2 nom = Uвх2 min(1+ U*вх2/2); (2.2)
Uвх1 min = Uвых1+Uрэ min+2Uд; (3.1)
Uвх2 min = Uвых2+Uрэ min+2Uд. (3.2)
В формулах (2) U*вх - относительная нестабильность входного напряжения (см. Задание); в формулах (3): Uрэmin - минимальная разность потенциалов между коллектором и эмиттером регулирующего транзистора, обеспечивающая его работу в нормальном активном режиме, Uд - падение напряжения на диоде выпрямителя.
Для кремниевых транзисторов величина Uрэmin не превышает 4В, а в кремниевых выпрямительных диодах малой и средней мощности прямое падение напряжения не превышает 1В.
2.2.2. Габаритная мощность
Задаемся КПД трансформатора величиной порядка 84… 86%:
h =0,
Рассчитываем габаритную мощность силового трансформатора:
Pтр= 1,23(Pвх1 nom+Pвх2 nom)/hтр, (5)
где Pвх1nom = Uвх1nom Iн1, (6.1)
Pвх2 nom = Uвх2 nomIн2. (6.2)
В формулах (6) Iн берется в соответствии с Заданием.
2.3. Расчет мощности, рассеиваемой регулирующими транзисторами
Pрэ1max=Uрэ1max·Iн1, (7.1)
Pрэ2max=Uрэ2max ·Iн2, (7.2)
где Uрэ1max=Uвх1max--Uвых1-2Uд; (8.1)
Uрэ2max=Uвх2max-Uвых2-2Uд; (8.2)
Uвх1max=Uвх1min(1+U*вх1); (9.1)
Uвх2 max=Uвх2min(1+ U*вх
2.4. Расчет абсолютного коэффициента стабилизации схем
kст1=KстUвх1/Uвых1, (10.1) kст2=KстUвх2/Uвых2; (10.2)
 |
где ; (11)
Uвх1=Uвх1nom-2Uд; (12.1)
Uвх2=Uвх2nom-2Uд. (12.2)
2.5. Расчет необходимого коэффициента усиления схем усилителей
Расчет проводим по формуле для определения коэффициента стабилизации:
kст= (1+KуKдKур)/Kп вх, (13)
где Kу - искомый коэффициент усиления УПТ;
Kд - коэффициент передачи датчика выходного напряжения, совмещающего функции корректора Uвых;
Kур - коэффициент усиления по напряжению регулирующего элемента;
Kп вх - коэффициент передачи входного напряжения напрямую через регулирующий элемент.
Поскольку датчики А5, А9 используются для коррекции выходного напряжения стабилизаторов, то их коэффициенты передачи могут изменяться в пределах:
Kд =0,7...0.9.
Целесообразно задаться минимальным значением этого коэффициента:
Kд =0,7.
Простейшие схемы компенсационных стабилизаторов имеют Kпвх, незначительно отличающийся от единицы. Принимаем:
Kп вх=1.
Коэффициент усиления регулирующего элемента, который в большинстве случаев включается по схеме ОК, также близок к единице. Принимаем:
Kур=1.
Таким образом:
Kу1=(kст1-1)/Kд; (14.1)
Kу2=(kст2-1)/Kд. (14.2)
Итак, получены все данные для выбора и расчета остальных элементов электрической принципиальной схемы блока питания. Целесообразно начать расчет схемы с большим значением Kу.
3.Выбор и расчет элементов электрической принципиальной схемы
3.1. Регулирующий элемент
Рассчитываем необходимый коэффициент передачи тока регулирующего транзистора. Для этого предварительно выбираем в качестве УПТ интегральный стабилизатор напряжения, который обладает коэффициентом стабилизации не меньше, чем полученным при расчете Kу1, Kу2. Задаемся величиной базового тока этого транзистора Iбрэ, не превышающей номинального выходного тока интегрального стабилизатора (50...150 мА). Тогда:
bрэ>=Iн/Iб рэ. (15)
Если bрэ>100, то регулирующий элемент целесообразно выполнить по схеме составного эмиттерного повторителя. При этом:
bрэ=bс=bv1bv2. (16)
В составном эмиттерном повторителе первоначально выбираем транзистор VT2. Максимально - допустимый ток коллектора выбранного транзистора должен превышать ток нагруки в 1,5...2 раза. Предельно-допустимое напряжение на коллекторе также должно быть выше максимального входного напряжения регулирующего элемента как минимум в 1,5 раза. Кроме того, желательно иметь коэффициент передачи тока базы более 10.
Рассчитываем ток базы VT2:
Iб2=Iн/bv2. (17)
Полученное значение тока используется при выборе транзистора VT1, поскольку Iб2=Iэ1. Требования к предельно- допустимому напряжению на его коллекторе такие же, как и для транзистора VT2. Коэффициент передачи базового тока транзистора VT1 должен быть не меньше:
bv1>=bс/bv2. (18)
3.2. Усилитель постоянного тока
Основные требования к УПТ - обеспечение заданного коэффициента усиления по напряжению, а также высокой температурной стабильности этого коэффициента и положения исходной рабочей точки.
Предварительно в качестве УПТ было намечено использовать схему интегрального стабилизатора напряжения (ИСН). Рассмотрим, например, схему ИСН серии КРЕН1(2) и оценим возможность ее применения в качестве дифференциального УПТ.
ИСН КРЕН1 имеет встроенный термостабилизированный источник опорного напряжения, который обеспечивает за счет внешнего резистора регулирование выходного напряжения стабилизатора от 5 до 12В. Коэффициент стабилизации схемы не менее 50; номинальный выходной ток 50мА.
 |
 |
 |
3.2.1.Резистивный делитель R5,R6,R7.
Ток, протекающий через резистивный делитель датчика должен быть значительно больше входного тока ИСН (вход 3). Поэтому задаемся внутренним сопротивлением датчика по крайней мере на порядок меньшим, чем Rвх3:
Rдвн =(0,1…0,2)Rвх3, (19)
где Rвх3 =120кОм.
Номинальные значения резисторов делителя находим из следующей системы уравнений:
(20)
После выбора стандартных номиналов резисторов находим ток, протекающий через делитель:
. (21)
Найденный ток используется для расчета рассеиваемой мощности каждым резистором делителя:
.
3.3. Расчет выходного сопротивления
Выходное сопротивление схемы компенсационного стабилизатора напряжения примерно в Kу≈Kст раз меньше, чем выходное сопротивление регулирующего элемента (Rвыхv2,рис.3.2.1):
Rвых = Rвых v2/(1+KстKд min), (22)
где Rвых v2 = (Rвых хх+R4)||R‘н ;
Kст=40…200 (паспортные данные);
R‘н =R5+R6+R7;
Rвых хх = rэ2+(Rвых ст + rбv2)/(1+bv1·bv2);
rбv2≈ΔUбэ/ΔIб(находится по входной ВАХ VT2);
Rвых ст = (0,1…0,2)Ом(паспортные данные);
Rэ2 = jт /Iэ2.
3.4. Расчет и выбор элементов схемы защиты от перегрузок по току
расчет элементов схемы на рис.3.2.1, 3.2.2 производится по току срабатывания защиты. Ток срабатывания защиты должен превышать ток нагрузки в 1.5..2 раза.
Назначение элементов схемы защиты на рис.3.2.1 заключается в следующем.
Резистор R4 выполняет функции датчика тока нагрузки. Транзистор VT9(см. электрическую принципиальную схему ИСН К142ЕН в Приложении 1) усиливает сигнал датчика тока и управляет работой составного регулирующего транзистора ИСН (VT6,VT8, Приложение 1), закрывая его при перегрузке канала блока питания. При этом закрываются и транзисторы VT1,VT2 (рис.3.2.1).
Резистор R3 должен быть много больше R2, а их сумма должна несущественно уменьшать входное сопротивление регулирующего элемента, т. е. должно выполняться следующее условие:
R3 = (5...10)β VT2·Rнi,
где Rнi - сопротивление нагрузки i-го канала.
(23)
Резистор R3 должен надежно запирать транзистор VT9 в схеме ИСН (см. Приложение 1) при отсутствии перегрузки по току. Поэтому проверку корректности выбора этого резистора по (23) целесообразно еще провести и по максимальному тепловому току VT9 (Ik0max V9).
Рассчитываем сопротивление резистора R4. Для этого при номинальном токе нагрузки необходимо определить падение напряжения между базой и эмиттером транзистора VT9 и приравнять его величине Uбэ0-4φт:
;
;
. (24)
В расчетах следует принять:
.
. (25)
Срабатывание защиты произойдет при напряжении между базой и эмиттером транзистора VT9 (Приложение1):
UбэV9=0,6В.
Для расчета тока срабатывания защиты Iнmax продифференцируем (24) по току нагрузки:
. (26)
Тогда: 
;
Iнmax=Iн+ΔIн.
Мощность, рассеиваемая резисторами R1-R7:
;
;
;
;
;
;
.
4.Расчет и выбор конденсаторов сглаживающего фильтра
Исходными данными для расчета величины емкости сглаживающих фильтров являются ток нагрузки Iн и допустимый уровень (размах) пульсаций напряжения на нагрузке Uп:
, (28)
где fс - частота сетевого напряжения.
Рабочее напряжение выбранных конденсаторов должно превышать Uвхном как минимум в 1,4 раза.
5. Выбор силового трансформатора
В качестве силового трансформатора наиболее целесообразно применить одну из разновидностей стандартных силовых трансформаторов, специально разработанных для применения в сетевых источниках питания полупроводниковой аппаратуры (например, серии ТПП).
Трансформатор выбирается по справочнику в зависимости от установочной (габаритной) мощности, рассчитанной по формуле 5 в разделе 2.2. учебного пособия.
Поскольку конструкция трансформатора допускает, как правило, последовательное соединение обмоток для получения необходимого выходного напряжения, а в большинстве вариантов и параллельное соединение одинаковых по напряжению вторичных обмоток для увеличения выходного тока, то практически всегда можно выбрать ближайший по мощности экземпляр, удовлетворяющий требованиям технического задания.
Допускается незначительное превышение габаритной мощности выбранного трансформатора по отношению к расчетной (на%).
На чертеже электрической принципиальной схемы необходимо показать требуемое соединение обмоток, с обязательным указанием номеров их выводов. Первичную (сетевую) обмотку целесообразно подключить к контактам сетевого разъема через выключатель и плавкий предохранитель.
6.Расчет и оптимизация конструкции охладителей для силовых транзисторов
6.1.Назначение программы, списки входных и выходных величин.
Программа предназначена для расчета геометрических размеров и параметров радиатора с естественным воздушным охлаждением, а также для оптимизации его по минимуму массы.
Материал охладителя - алюминий и его сплавы.
Имена программных файлов:
OXL01.EXE
(peзультаты pасчета выдаются на экpан монитоpа);
OXL01pr. EXE
(pезультаты pасчета pаспечатываются пpинтеpом).
Программа находится на гибком диске (А).
Расчет производится в три этапа:
1.Расчет геометрических размеров и параметров охладителя.
2.Оптимизация охладителя по массе.
3.Расчет чертежа общего вида охладителя с помощью программы "ГРАФОР" и выдача результатов на экран дисплея или принтер.
После запуска программы OXL0.EXE появляется сообщение:
"Ведите исходные данные:
Tpn, C; Tср, C; Rпк, C/Вт; Rко, C/Вт; Pvt, Вт; H, мм; L1,мм; n, шт"
Это список входных величин:
Tpn - максимально-допустимая температура p-n перехода, C;
Tср -максимальная температура окружающей среды, C;
Rпк -тепловое сопротивление переход-корпус силового транзистора, C/Вт;
Rко - тепловое сопротивление корпус транзистора-охладитель, C\Вт;
Pvt -мощность, рассеиваемая транзистором по исходным данным, Вт;
H -высота ребер, мм;
L1 - ширина радиатора, мм;
n -число ребер.
Вводить входные параметры (без единиц измерений) нужно в полномсоответствии с обозначенным порядком и разделяя их запятой. После ввода последнего значения нажать <Enter>.
При появлении сообщения:
Rпк < Rпк
нужно повторить ввод, предварительно выбрав транзистор с меньшим значением Rпк.
Сообщение: H>H, L1>L1, n>n
говорит о том, что площадь радиатора при первоначально заданных размерах недoстаточна. Следует повторить ввод, увеличив эти параметры по отдельности, или все вместе.
Сообщение: H<H, L1<L1, n<n
наоборот требует уменьшения размеров.
 |
 | |
|
Результаты расчета по первому этапу выдаются в соответствии со списком выходных величин (см. рис.6.1):
Ho - высота ребра охладителя, мм;
L -протяженность ребра, мм;
L1 -ширина радиатора, мм;
d -толщина ребра, мм;
n -число ребер;
b -расстояние между ребрами, мм;
d1 - толщина основания, мм;
Pmax - мощность, которую способен рассеять охладитель, Вт;
Rосд - тепловое сопротивление охладителя по исходным данным, °C/Вт;Roс -расчетное тепловое сопротивление, °C/Вт;Pоhl - мощность, рассеиваемая охладителем с данным транзистором, Вт;
Tohl - температура охладителя, °C;
S -площадь поверхности радиатора, мм2 ;
V - объем радиатора, мм3;
G - масса радиатора, г.
Далее появляется сообщение:
"Введите данные: L1min, L1max, Homin, Homax"
Это список входных параметров для второго этапа расчета:
L1min -минимальная ширина радиатора, мм;
L1max -максимальная ширина радиатора, мм;
Homin -минимальная высота ребра, мм;
Homax - максимальная высота ребра, мм.
Здесь L1 и Ho -варьируемые параметры. Остальные параметры приняты как константы.
При минимизации массы сделано допущение, что рассеиваемая охладителем мощность прямо пропорциональна площади его поверхности. Оптимизация проводится методом перебора возможных вариантов и проверкой ограничений для каждого варианта:
S(L1, H)>=S.
Список выходных параметров оптимизированного радиатора:
Vоpt -объём, мм3;
L1opt - ширина, мм;
Hopt - высота ребра, мм;
bopt -расстояние между ребрами, мм;
nopt - число ребер;
Gopt - масса, г.
Исходные данные и результаты вычислений записываются в файл:
OXL0.REZ,
который можно просмотреть на экране или распечатать на принтере.
Литература
1.Полупроводниковые приборы. Транзисторы малой мощности: Справочник-2-е изд.,стереотип.-/, , и др.:Под ред. -дова. - М.:Радио и связь, КУбК-а 19с.:ил.
2.Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник -2-е изд.,стереотип.- , , и др. :Под ред. . - М.:Радио и связь, КУбК-а 19с.:ил.
3.Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры. -Справочник.-/, , .-Мн.:Беларусь, 1994.-347с.
4.Резисторы:(справочник)/, , и др.;Под ред. .-М.:Энергоиздат, 1981.-352с.,ил.
5.Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник /, , и др.; Под ред. .-М. :Энергоатомиздат, 1987.-656с.:ил.
Контрольные вопросы
1. Какие требования предъявляются к сетевым блокам питания?
2. Чем принципиально отличаются блоки питания импульсного и непрерывного действия?
3. Почему чаще всего применяют двухполупериодные выпрямители, а не однополупериодные?
4. От чего зависит уровень пульсаций выпрямленного напряжения? Как при заданной нагрузке его уменьшить?
5. Какие функции выполняет стабилизатор напряжения?
6. Чем принципиально отличаются параметрические и компенсационные стабилизаторы напряжения?
7. Перечислить основные параметры стабилизаторов напряжения.
8. Почему стабилизаторы последовательного типа необходимо защищать от перегрузок по току, а параллельные стабилизаторы такой защиты не требуют?
9. С какой целью регулирующий транзистор выполняют по схеме Дарлингтона?
10. От чего зависит мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором стабилизатора?
11. На каком из транзисторов составного регулирующего элемента рассеивается меньшая мощность?
12. Объяснить работу схемы защиты от перегрузок по току.
13. С какой целью схему ИСН шунтируют диодом?
14. От чего зависит Rвых каналов блока питания?
15. Зачем в схеме датчика ОС к потенциометру R6 подключают еще два дополнительных резистора (R5,R7)?
16. Влияет ли положение движка датчика ОС на Кст?
Приложение 1.
Приложение 2.
Приложение 3.
3.1.Форма основной надписи для первого листа пояснительной записки курсового проекта
Заполнение основной надписи
В графе 1 указывается наименование изделия (тема курсового проекта) и наименование документа (например: Устройство регулирования частоты вращения электродвигателя. Пояснительная записка.)
В графе 2 указывается сокращенное название факультета, специальности, по которой обучается студент и шифр студента (например, ФТр. УИТС.127000).
В графе Лист указывается порядковый номер данного листа.
В графе Листов указывается общее число листов записки.
3.2.Форма основной надписи для второго и всех последующих листов пояснительной записки курсового проекта
 |
В графе 1 указывается порядковый номер данного листа.
Остальные графы при выполнении курсового проекта не заполняются.
