67707

Расчет и оптимизация конструкции охладителей для силовых транзисторов

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Напряжение на выходе второго канала электронного блока питания ЭБП: 63В Номинальный ток нагрузки первого канала ЭБП: 07А Номинальный ток нагрузки второго канала ЭБП: 3А Нестабильность входного напряжения первого канала ЭБП: 25 Нестабильность...

Русский

2014-09-14

375.78 KB

5 чел.

Оглавление

Техническое задание……………………………………………………………………………………

1. Введение…………………………………………………………………………………………………………

      1.1 Электрическая функциональная схема блока питания

2. Оценка КПД компенсационных стабилизаторов и габаритной

 мощности силового трансформатора …………………………………………

 2.1 КПД компенсационных стабилизаторов …………………………

 2.2 Габаритная мощность …………………………………………………………………

 2.3 Расчет мощности, рассеиваемой регулирующими

 транзисторами ……………………………………………………………………………………………

 2.4 Расчет абсолютного коэффициента стабилизации схем

 2.5 Расчет необходимого коэффициента усиления схем

 усилителей ……………………………………………………………………………………………………

    3.Выбор и расчет элементов электрической принципиальной

 схемы …………………………………………………………………………………………………………………

 3.1 Регулирующий элемент ………………………………………………………………

 3.2 Усилитель постоянного тока ………………………………………………

 3.3 Расчёт выходного сопротивления ……………………………………

 3.4 Расчет и выбор элементов схемы защиты от перегрузок  

 по току………………………………………………………………………………………………………………

   4.Расчет и выбор конденсаторов сглаживающего фильтра

   5. Выбор силового трансформатора ………………………………………………

    

      5.1 Трансформатор……………………………………………………………………………………

6. Расчет и оптимизация конструкции охладителей для

силовых транзисторов …………………………………………………………………………………………………

7. Выводы и заключения …………………………………………………………………………

 Литература ……………………………………………………………………………………………………

 Приложение 1 ………………………………………………………………………………………………

 Приложение 2 ………………………………………………………………………………………………


Техническое задание

Напряжение на выходе первого канала электронного блока питания (ЭБП): +15В

Напряжение на выходе второго канала электронного блока питания (ЭБП): -6,3В

Номинальный ток нагрузки первого канала ЭБП: 0,7А

Номинальный ток нагрузки второго канала ЭБП: 3А

Нестабильность входного напряжения первого канала ЭБП: 25%

Нестабильность входного напряжения второго канала ЭБП: 25%

Нестабильность выходного напряжения первого канала ЭБП:2%

Нестабильность выходного напряжения второго канала ЭБП:2%

Уровень пульсации на выходе первого канала ЭБП: 2мВ

Уровень пульсации на выходе второго канала ЭБП: 2мВ

Максимальная температура окружающей среды: +60oC

Минимальная температура окружающей среды: -40oC


1.Введение

Блок питания (БП) — устройство, предназначенное для формирования напряжения, необходимого системе, из напряжения электрической сети. Чаще всего блоки питания преобразуют переменное напряжение сети 220 В частотой 50 Гц (для России, в других странах используют иные уровни и частоты) в заданное постоянное напряжение.

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное. В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания. Обычно он представляет собой конденсатор большой ёмкости.

Основными элементами, на которых построен блок питания в данном курсовом проекте, являются:

    -трансформатор;

    -диодный мост;

    -интегральный стабилизатор напряжения;

    -усилительный каскад.


1.1 Электрическая функциональная схема блока питания.

 Схема включает следующие блоки:

   А1-силовой трансформатор;

   А2,А6-выпрямители с фильтрами;

   А3,А7-регулирующие транзисторы;

А4,А8-усилители постоянного тока (См. приложение 1);

   А5,А9-датчики обратной связи, совмещающие функции

   датчиков выходного  напряжения.

2.Оценка КПД компенсационных стабилизаторов и габаритной мощности силового трансформатора.

2.1. КПД компенсационных стабилизаторов.

Рассчитывается минимальное значение входного напряжения схемы:

где Uрэ min -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 Uрэ min не превышает 4В, а в кремниевых выпрямительных диодах малой и средней мощности прямое падение напряжения не превышает 1В.

Рассчитывается номинальное значение входного напряжения схемы:

Первоначально оценивается КПД схем компенсационных стабилизаторов последовательного типа. Расчет КПД проводим с учетом потерь на диодах выпрямителя:

2.2. Габаритная мощность.

Рассчитывается габаритная мощность  силового трансформатора.

Задаемся КПД трансформатора порядка 85%:

2.3. Рассчитывается мощность, рассеиваемая регулирующими транзисторами.

Рассчитывается максимальное входное напряжение подаваемое на вход стабилизатора:

Рассчитывается максимальное падение напряжения на регулирующих элементах:

Рассчитывается максимальная мощность рассеиваемая на регулирующих элементах:

2.4.Расчет абсолютного коэффициента стабилизации схем.

Определяется величина входного напряжения:

Определяется относительный коэффициент стабилизации каналов:

Абсолютный коэффициент стабилизации:


2.5.Расчет необходимого коэффициента усиления схем усилителей.

Поскольку датчики А5, А9 используются для коррекции выходного

напряжения стабилизаторов, то их коэффициенты передачи могут изменяться

в пределах 0,7-0,9.

Задаётся минимальное значение этого коэффициента 0,7.

Простейшие схемы компенсационных стабилизаторов имеют Kпвх,

незначительно отличающийся от единицы. Принимается 1.

Коэффициент усиления регулирующего элемента, который в большинстве случаев включается по схеме ОК, также близок к единице. Принимается 1.

При расчете зададимся:

Расчет необходимого коэффициента усиления схем усилителей  проводится по формуле для определения коэффициента стабилизации:  

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.

Получены все данные для выбора и расчета элементов электрической принципиальной схемы стабилизаторов. Целесообразно начать расчет схемы с большим

значением Kу.

3.Выбор и расчет элементов электрической принципиальной схемы.

3.1.Регулирующий элемент.

Рассчитывается необходимый коэффициент передачи тока регулирующих транзисторов. Для этого задаемся базовым током  транзистора в диапазоне 50...150 мА.

Так как рэ <100 то регулирующий элемент целесообразно выполнить по схеме эмитерного повторителя.

Максимально - допустимый ток коллектора выбранных транзисторов должен превышать ток нагрузки 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.

Расчёт максимально - допустимого тока коллектора регулирующих транзисторов.

Расчёт предельно - допустимого напряжения на коллекторах регулирующих транзисторов.

Применим транзисторы :

VT1:                     VT2:

КТ815B                 КТ840Б

N-P-N                  N-P-N  

Ikmax=1,5 А            Ikmax=6 А

β=                     β=10-100

Ukmax=60 В             Ukmax=350 В

Uкэ.нас=1В             Uкэ.нас=0,6В

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. Расчет резисторов R2,R3,R4.Рассчёт резистора R3.

Расчёт резистора R2.

Резистор R2 рассчитывается из следующего условия :

R3/(R2+R3)=0.95

Расчёт резистора R4.

Расчёт резисторов R5,R6,R7.


Найдем ток, протекающий через делитель первого и второго каналов:

Рассчитаем мощность, рассеиваемую каждым резистором делителя (для обоих каналов):


3.3.Расчёт выходного сопротивления.


3.4.Расчет и выбор элементов схемы защиты от перегрузок по току.

В соответствии с полученными данными выбираем следующие сопротивления:

R21: С2-33-1Вт 150 Ом  (5%)

R22: С1-4-0,5Вт  68Ом (5%)

R31: С2-23-0,125Вт 3,3 кОм (5%)

R32:  С2-33Н-0,125Вт  1,27кОм (5%)

R41: С2-14-0,5Вт  1Ом(1%)

R42: С5-16МВ 1Вт 0,1 Ом (2%)|| С5-16МВ 1Вт 0,62 Ом (1%)  

Для двух каналов выбираем R51=R52, R61=R62, R71=R72.

R5: С2-29В-0,125Вт  15кОм(0,1%)

R6: С2-23В-0,125Вт  30,1кОм(0,5%)

R7: С2-29В-0,125Вт  118кОм(0,25%)

4. Расчет и выбор конденсаторов сглаживающего фильтра.

Расчёт предельно-допустимого напряжения для конденсатора сглаживающего фильтра:

Для обеспечения рассчитанной ёмкости установим следующие конденсаторы:

1 канал: К50-18  С11= 9 X 22000 мкФ 50 В.

2 канал: К50-18  С12= 6 X 100000 мкФ 25 В, 1 X 33000 мкФ 25 В,  1 X 15000мкф 25В.

5. Выбор силового трансформатора и выпрямительных диодов диодного моста.

5.1 Трансформатор.

В качестве силового трансформатора берётся специально разработанный для применения в сетевых источниках питания полупроводниковой аппаратуры ТПП.

Выбран стержневой трансформатор ТПП297-127/220-50,с током первичной обмотки 0.62 А и током вторичной обмотки 1.53 А.

Напряжения на обмотках равны:

U11-12=9.93 В

U13-14=20 В

U15-16=5.05 В

U17-18=9.93 В

U19-20=20 В

U21-22=5.05 В

Для получения необходимого напряжения соединяем следующие обмотки:

1 канал: последовательно U11-12 , U15-16 , U17-18 , U21-22.

2 канал: параллельно U13-14 , U19-20 .    

5.1 Выбор выпрямительных диодов.

Диодный мост:

1 канал-VD1 КД280А Uобр=50 В;

 Uпр=1.2В;   Iпр.max=3 А.

2 канал-VD2 КД202В Uобр=70 В;

 Uпр=1В;     Iпр.max=5 А.

Диод защищающий силовой транзистор:

VD Д219С Uобр=100 В. Uпр=1В;   Iпр.max=0.3 А.

6.Расчет и оптимизация конструкции охладителей для силовых транзисторов.

    Исходные данные для первого канала (15В)

  Tpn,C= 125.000

  Tcp,C=  60.000

  Rpk,C/‚в=   5.000

  Rko,C/‚в=   1.100

  Pvt,‚в=   6.000

  Результаты расчёта

  Ho,мм=  40.000

  L,мм=  57.499

  L1,мм=  63.000

  d,мм=   2.500

  n,шт=   8.000

  b,мм=   6.143

  d1,мм=   5.000

  Pmax,Вт=  10.656

  Rocd,C/Вт=   4.260

  Roc,C/Вт=   3.920

  Pohl,Вт=   6.520

  Tohl,C=  83.521

  S,мм2= 46849.360

  V,мм3= 64111.570

  G,г= 176.307

  L1min,мм=  60.000

  L1max,мм=  65.000

  Homin,мм=  35.000

  Homax,мм=  45.000

  Оптимальные параметры охладителя

  Vopt,мм3=   57739.150

  L1opt,мм=    61.000

  Hopt,мм=    36.000

  bopt,мм=     5.857

  nopt,шт=   8.

  Gopt,г= 158.783 

  Исходные данные для второго канала (-6,3В)

  Tpn,C= 150.000

  Tcp,C=  60.000

  Rpk,C/Вт=   3.000

  Rko,C/Вт=    .500

  Pvt,Вт=  22.000

  Результаты расчёта

  Ho,мм=  37.523

  L,мм= 320.516

  L1,мм= 200.000

  d,мм=   2.500

  n,шт=  22.000

  b,мм=   6.905

  d1,мм=   5.000

  Pmax,Вт=  25.714

  Rocd,C/Вт=    .532

  Roc,C/Вт=    .516

  Pohl,Вт=  22.660

  Tohl,C=  71.359

  S,мм2=666718.600

  V,мм3=981990.100

  G,г=2700.473

  L1min,мм= 150.000

  L1max,мм= 180.000

  Homin,мм=  37.000

  Homax,мм=  60.000

  Оптимальные параметры охладителя

    Vopt,мм3=  914666.200

  L1opt,мм=   151.000

  Hopt,мм=    50.000

  bopt,мм=     6.781

  nopt,шт=  17.

  Gopt,г=2515.332

Рис.2. Расчетная схема охладителя:

S1=(2S1.1+S1.2)(n-1); S2=2S2.1+n S4.1; S3= 2nS3.1;

S4= nS4.1; S5= 2S5.1

 n

 d

  L1

 1

 2

n-1

 b

 d1

H

 L

S4.1

S1.1

S5.1

S2.1

S3.1

S3.1

S1.2


7. Выводы и заключения.

В результате выполнения курсового проекта было решено несколько задач:

- во-первых, был выбран по требуемой мощности понижающий трансформатор. Он был выбран по методическим указаниям: выбран трансформатор ТПП297-127/220-50, мощностью 110 Вт и током первичичной обмотки 0,62 А.

- во-вторых, были выбраны диоды, на которых строятся диодные мосты. Для канала с положительным напряжением выбираем выпрямительный диод КД280А, а для канала с отрицательным напряжением - КД202В.

- в-третьих, были выбраны схемы интегральных стабилизаторов напряжения, которые обеспечивают необходимую стабилизацию входного напряжения. Для канала с положительным и отрицательным напряжением выбираем КР142ЕН1В.

- в-четвёртых, были выбраны силовые регулирующие элементы (силовые транзисторы) обеспечивающие рассчитанный коэффициент усиления. Для канала с положительным напряжением выбираем КТ815В, а для другого канала выбираем КТ840Б. Также был произведен расчёт и оптимизация конструкции охладителей силовых транзисторов.

Все элементы были выбраны из справочников с запасом, чтобы предотвратить повреждения блока при случайном увеличении тока или напряжения.

Расчет охладителей регулирующих элементов производился программой. Получены охладители массой G1=158.783 г. и G2=2515.332г.

Итогом этого курсового проекта можно считать рассчитанную и полученную схему двух канального блока питания управляющего устройства, вырабатывающего следующие напряжения: +15 В и -6,3 В.

Литература.

  1.  Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник -2-е изд., стереотип.- А.А. Зайцев, А.И. Миркин, В.В. Мокряков и др.: Под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, КУбК-а 1994. -640 с.: ил.
  2.  Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры. - Справочник.-/ В.И. Галкин, А.Л. Булычев, П.М. Лямин.- Мн.: Беларусь, 1994.-347 с.
  3.  Резисторы: (справочник) / Ю.Н. Андреев, А.И. Антонян, Д.М. Иванов и др.; Под ред. И.И. Четверткова.- М.: Энергоиздат, 1981.-352 с., ил.
  4.  Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник / В.П. Берзан, Б.Ю. Геликман, М.Н. Гураевский и др.; Под ред. Г.С. Кучинского.- М. :Энергоатомиздат, 1987.-656с.: ил.
  5.  Ресурсы сети ИНТЕРНЕТ / radiolibrary.ru, tec.org.ru, chipfind.ru, skilldiagram.com/gl6-4.html.

Работа оформлена в среде Microsoft Office Word 2007, все необходимые расчёты выполнены в среде Mathcad version 13.0,чертёж принципиальной схемы разработан в среде проектирования  P-CAD 2001 Schematic.


Приложение1.

Зона

Поз обозн

Наименование

Кол-во

Примечание

Конденсаторы

C1

К50-18 22000 мкФ 50В

9

C2,C7

К10-17Б H90 0.1 мкФ

2

C3,C8

К50-15 20 мкФ 25В

2

С4

К50-18 100000 мкФ 25В

6

С5

К50-18 33000 мкФ 25В

1

С4.2

К50-35 15000 мкф 25В

1

Резисторы

R1

С2-33-1Вт 175 Ом

1

R2

С2-33-0,125Вт 3,3к 5%

1

R3

С2-14-0.5Вт 1 Ом 1%

1

R4,R11

С2-33-0,125Вт 13,3 кОм

2

R5,R12

С2-33-0,125Вт 26,6 кОм

2

R6,R13

С2-33-0,125Вт 93,3 кОм

2

R7

С2-33-0,5Вт 62 Ом

1

R8

С2-23-0,125Вт 1,37 ком 1%

1

R9

С5-16МБ-1Вт 0,1 Ом 2%

1

R10

С5-16МБ-1Вт 0,62 Ом 1%

1

Трансформатор

TV1

ТПП297-127/220-50

1

Диоды

VD1,VD2

VD3,VD4

КД280А

4

VD5,VD6

VD7,VD8

КД202В

4

VD9,VD10

2Д237В

2

Транзисторы

VT1

КT81

1

VT2

КT840Б

1

Интегральный стабилизатор

напряжения

DA1,DA2

КР142ЕН1В

2

Предохранители

FU1,FU2

FU3

ПМ1-1-2А

3

FU4

ПМ1-1-5А

1

Зона

Поз обозн

Наименование

Кол-во

Примечание

Тумблер

SA1

Т3А

1


Приложение 2.

Рис1. Принципиальная схема микросхем К142ЕН1, КР142ЕН1, К142ЕН2, КР142ЕН2.

Блок питания управляющего

устройства. Пояснительная записка


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19552. Преобразования Адамара и Хаараара 445.63 KB
  2 Лекция 21. Преобразования Адамара и Хаара Подсчет числа перемен знаков в матрице Адамара Аналогом частоты в базисе Фурье для матриц Адамара является число перемен знаков в строке. Предложение. Для того чтобы найти число перемен знаков в строке с номером...
19553. Фильтрация и преобразование Адамара 260.31 KB
  2 Лекция 22. Фильтрация и преобразование Адамара Результат любого из рассмотренных выше преобразований рассматривается как спектр исходного сигнала. В этой связи имеется возможность изменить спектр произвольным образом а затем применить обратное преобраз
19554. Метод главных компонентов в задаче сжатия 341.43 KB
  1 Лекция 23. Метод главных компонентов в задаче сжатия Идея сжатия сигнала на основе разложения по ортогональному базису была изложена выше. Рассмотренные базисы являются универсальными и не учитывают особенность сигнала. Когда имеется набор сигналов одной п...
19555. Линейное предсказание 442.3 KB
  1 Лекция 24. Линейное предсказание Пусть имеется вещественный случайный процесс с дискретным временем обладающий свойствами: зависит только от . Задача заключается в предсказании следующего значения на основе предыдущих. Требуется выбрать коэффициенты ...
19556. Вивчення приладів магнітоелектричної системи 26.17 KB
  В ході лабораторної роботи досліджувався прилад магнітоелектричної системи М906 для вимірювання струму та напруги. Для розширення меж вимірювання струму використовуються шунти. Шунтами є опори, які підключаються паралельно до приладу.
19557. Технічне конструювання. Основні правила оформлення креслень (типи ліній, нанесення розмірів, застосування масштабу, умовні позначення). Креслярський інструмент 38 KB
  Тема 1.3: Технічне конструювання. Основні правила оформлення креслень типи ліній нанесення розмірів застосування масштабу умовні позначення. Креслярський інструмент. Мета: Навчальна: сформувати знання вміння та навички креслення рамки і оформляти креслення. Вих...
19558. Прийоми поділу відрізків і кутів на рівні значення 31.5 KB
  Тема 12: Прийоми поділу відрізків і кутів на рівні значення. Мета: Навчальна: сформувати знання вміння та навички поділу відрізків та кутів. Виховна: виховувати в учнів культуру праці та бережливе ставлення до інструментів охайне виконання роботи. Розвиваюч...
19559. Охрана недр в Российской Федерации 89 KB
  Охрана недр рассматривается как система мероприятий, обеспечивающая сохранение существующего разнообразия и рациональное использование геологической среды, образование особо охраняемых геологических объектов, имеющих особую научную, историческую, культурную, эстетическую и рекреационную ценность.