Исходные данные для расчетов
Введение
Источники вторичного электропитания (ИВЭП) - электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания в электрическую энергию с иными параметрами: частотой, уровнем и стабильностью, которые согласованы с требованиями, предъявляемыми к этим ИВЭП конкретными электронными устройствами (ЭУ) и системами.
В качестве первичных источников электропитания для ЭУ и систем обычно используют либо промышленную сеть переменного тока, либо автономные источники переменного (генераторы) или постоянного (аккумуляторы, химические батареи и т.д.) тока.
Известно, что возможности непосредственного использования этих источников для питания различных ЭУ и систем весьма ограничены. Причина этого в том, что современные ЭУ выполняются с использованием интегральных схем, требующих для своего питания постоянного напряжения низкого уровня (± 5...± 15 В). При этом отклонения этого напряжения от заданного значения не должны превышать ±(5...10)%. В ряде случаев, например при питании прецизионных аналоговых устройств или аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, стабильность напряжения питания должна быть существенно выше (0.1...0.01)%.
Реальные параметры применяемых на практике первичных источников, как правило, этим требованиям не отвечают. Это обусловлено:
· несовпадением частот напряжения промышленной сети и потребителя, ибо промышленная сеть формирует переменное напряжение с частотой 50 Гц, в то время как ЭУ в основном использует для питания напряжение постоянного тока, т.е. напряжение с частотой, равной нулю;
· несовпадением уровней напряжения, так как, например, действующее значение напряжения промышленной сети равно 220 или 380 В, напряжение стандартной аккумуляторной батареи 12 В ( или 6 В, или 9 В), что не соответствует диапазону напряжения питания, необходимому для надежного функционирования интегральных схем (ИС);
· нестабильностью напряжения, ибо промышленная сеть допускает статические (долговременные) отклонения напряжения в диапазоне +15%...-20%, а напряжение 12 В аккумуляторной батареи может изменятся от 7.5 до 15В, что также не соответствует требованиям, предъявляемым к напряжению питания для устройств, выполненных на основе ИС;
Дополнительно следует отметить, что, в общем случае, колебания напряжения питания должны рассматриваться в качестве внешнего возмущения, воздействующего на работу ЭУ и системы в целом. Так, например, изменение этого напряжения сильно влияет на технические характеристики усилительных устройств. В усилителях постоянного тока (УПТ) следствием изменения напряжения питания является дрейф нуля выходного напряжения, а в усилителях переменного тока значение напряжения питания определяет уровень вносимых искажений. Во всех случаях от напряжения питания зависит суммарная мощность, рассеиваемая в ЭУ, а следовательно, его масса и объем. Помимо этого максимальное значение напряжения питания ограничено предельно допустимыми параметрами используемой элементной базы.
Все это обуславливает необходимость применения специального ЭУ, согласующего частоты, уровни и стабильности напряжения, необходимых для питания отдельных узлов электронных схем (ЭС). Роль этого ЭУ и выполняют ИВЭП, преобразующие электрическую энергию, т.е. выполняющие вторичное преобразование электрической энергии.
Цель и постановка задачи
2.1. Целью проектирования вторичных источников электропитания является:
· получение необходимой технической, конструкторской и технологической документации для создания изделия, которое удовлетворяет определенным требованиям.
· Совершенство спроектированного источника определяется по помощи показателей эффективность, стоимость, надежность, удельная мощность (отношение исходной мощности к объему или массе), коэффициент полезного действия.
· К исходным параметрам источников питания относят: исходная мощность 
, исходное напряжение 
, уровень исходных пульсаций 
, параметры переходного процесса при резких изменениях нагрузки, стабильность исходного напряжения 
, или абсолютное значение допустимых отклонений 
. Обязательно следует учитывать параметры внешней среды, при которых будет происходить эксплуатация устройства. Кроме того должны выполняться требования по обеспечению исходных параметров при изменении в определенных границах напряжения питание, частоты, входного напряжения, уровня пульсаций и прочее.
· Совокупность показателей эффективности внешних и исходных параметров составляет техническое задание на проектирование вторичного источника питания.
· Разработка проекта устройства осуществляется в несколько этапов. На первом этапе нужно разработать трудоспособный вариант устройства, которое удовлетворяет всем требованиям технического задания, физическим и конструктивно-технологическим ограничением. Иногда этот вариант устройства называют начальным допустимым техническим решением. После этого необходимо определить совокупность независимых параметров устройства, которые способные обеспечить экстремальное значение целевой функции при учете всех ограничений.
· Улучшение конструкции начального допустимого технического решения выполняется итерационными методами и чаще всего с помощью целенаправленного перебора трудоспособных вариантов.
· Среди большого разнообразия вторичных источников электропитания в дальнейшем рассмотрим лишь стабилизированные источники питания двух типов: компенсационные стабилизаторы напряжения беспрерывного действия и импульсные стабилизаторы напряжения.
Исходные данные для расчетов
Рассчитать вторичный источник питания по следующим параметрам:
Uн=15 В; Iн=1,4 А;
Кст=200;Кп=0,9 %; Примечание: Рег. 30%
Коэффициенты нестабильности сетевого напряжения aмин. и амакс. следует взять в размере 0,1, т.е. 10%. Значения bмин. и bмакс , необходимые для расчетов, следует вычислить по формуле:
KСТ.=( aМИН.+ aМАКС.) ⁄ ( bМИН.+ bМАКС.)
Сокращения: ОУ - операционный усилитель, ИС - интегральный стабилизатор, Рег. 10% - регулировка выходного напряжения в указанных пределах.
Выбор и описание электрической схемы:
Схема компенсационного стабилизатора напряжения (приложение 1).
Он содержит мощный регулирующий элемент на составном транзисторе VT2,VT3, усилитель сигнала ошибки на транзисторе VT1, источник опорного напряжения в виде параметрического стабилизатора VD1,R3 и регулируемый делитель выходного напряжения R4,R5. Резисторы R1 и R2 обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, а конденсаторы С1,С2 фильтруют переменные составляющие выходного напряжения с частотой пульсаций. Опорное напряжение стабилитрона VD1 определяет минимальный уровень выходного напряжения. Для эффективной работы стабилизатора на коллекторе транзистора VT1 устанавливается напряжение среднее между опорным и выходным. Коэффициент стабилизации зависит от усилительных свойств транзистора VT1 и сопротивления резистора R1. Максимальный ток в нагрузке ограничен мощностью, рассеиваемой регулирующим транзистором VT3. При больших токах нагрузки коэффициент стабилизации уменьшается за счет падения напряжения на составном транзисторе VT2,VT3, в этом случае необходимо иметь запас KСТ. не менее 20-30%.