Расчет вторичного источника электропитания

Московский государственный технический университет
им. Н. Э. Баумана

РАСЧЕТ ВТОРИЧНОГО
ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Методические указания к курсовой работе по курсу
«Электротехника»

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2007

УДК 621.3(076)
ББК 31.2
Р24
Рецензент В.Н. Енин

Расчет вторичного источника электропитания: Метод. указания к курсовой работе по курсу «Электротехника» / С.А. Васюков, А.Б. Красовский,
О.И. Мисеюк, А.В. Смирнов. – М.: Издво МГTУ им. Н.Э. Баумана, 2007. –
60  с: ил.

Приведены основные теоретические сведения, необходимые для обоснованного выбора схемы и элементов вторичного источника электропитания,
а также задание и порядок выполнения курсовой работы.
Для студентов факультета «Специальное машиностроение» (кафедры
«Специальная робототехника и мехатроника», «Подводные роботы и аппараты»).
Ил. 11. Табл. 13. Библиогр. 4 назв.

УДК 621.3(076)
ББК 31.2

Методическое издание

Сергей Александрович Васюков
Александр Борисович Красовский
Ольга Ивановна Мисеюк
Анатолий Васильевич Смирнов

Расчет вторичного источника электропитания

Редактор А.В. Сахарова
Корректор Л.И. Малютина
Компьютерная верстка И.А. Марковой

Подписано в печать 22.03.2007. Формат 60× 84/16. Бумага офсетная.
Печ. л. 3,75. Усл. печ. л. 3,49. Уч.изд. л. 3,25. Изд. № 82. Тираж 1000 экз.
Заказ

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
105005, Москва, 2я Бауманская, 5

© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007

Р24

ВВЕДЕНИЕ

Большинство современных приборов и устройств предъявляют
весьма жесткие требования к качеству потребляемой электрической
энергии. Поэтому неотъемлемой их частью являются вторичные источники питания – специальные функциональные узлы, выполняющие необходимые преобразования электрической энергии первичного источника (промышленной сети либо автономного источника питания). В общем случае они обеспечивают требуемые значения, частоту изменения,
число фаз и стабильность питающих напряжений. Принципы их построения, уровни сложности и элементные базы бывают разными и зависят от конкретных требований, а также от особенностей первичного
источника питания, мощности и характера нагрузки и т. п.
Одними из наиболее распространенных источников вторичного
питания являются источники с выходом на постоянном токе. Как правило, они получают питание от однофазной или трехфазной промышленной сети и кроме функции выпрямления должны обеспечивать
гальваническую развязку первичных и вторичных цепей, а также эффективное подавление пульсаций и стабилизацию выпрямленного напряжения на нагрузке. При использовании неуправляемых вентильных элементов – диодов – гальваническую развязку и согласование
уровня выходного напряжения и напряжения питания обеспечивают с
помощью трансформаторов, а для снижения пульсаций выходного напряжения широко используют различные фильтры на реактивных элементах (конденсаторах и катушках индуктивности). В результате при
относительно простой схемной реализации часто удается создать вторичный источник питания с требуемыми выходными параметрами.
Поэтому детальное знакомство с методикой его проектирования, безусловно, способствует расширению и углублению электротехнической
подготовки специалистов различного профиля.
Цель курсовой работы по вторичным источникам питания – практическое ознакомление с основными этапами проектирования вторич

ного источника питания на неуправляемых вентилях – диодах, с методикой выбора схемы выпрямителя и фильтра, с расчетом параметров
диодов, трансформатора, фильтра и выпрямителя в целом, а также с
паспортными данными распространенных в настоящее время полупроводниковых диодов.

1. ЗАДАНИЕ

Рассчитать вторичный источник электропитания. Режим работы –
продолжительный, нагрузка – активная. Данные для расчета получить
у преподавателя.
В процессе расчета студент должен:
1) обосновать выбор схемы выпрямителя и фильтра;
2) для выбранных схем выпрямителя и фильтра рассчитать основные параметры полупроводникового диода;
3) обосновать выбор (по справочнику) полупроводникового диода;
4) рассчитать параметры фильтра, обеспечивающие заданный коэффициент пульсаций напряжения;
5) обосновать выбор по справочникам конденсатора и дросселя необходимых номиналов;
6) построить внешнюю характеристику выпрямителя и определить
его внутреннее сопротивление;
7) для выбранных схем выпрямителя и фильтра рассчитать напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора;
8) обосновать выбор материала и типа сердечника трансформатора
(если эти параметры заданы, обосновать их применение для данной
схемы);
9) рассчитать геометрические размеры сердечника трансформатора;
10) рассчитать параметры обмоток трансформатора (число витков,
диаметры проводов и т. д.);
11) рассчитать электрические и эксплуатационные параметры
трансформатора (КПД, ток холостого хода, температуру перегрева обмоток);
12) изобразить схему выпрямителя и эскиз магнитопровода и катушек трансформатора;
13) составить электрическую схему замещения выпрямителя для
моделирования с использованием программ Electronics Workbench,

4

Multisim или Microcap. В результате моделирования должна быть построена внешняя характеристика выпрямителя и определены:
– токи обмоток трансформатора;
– напряжение вторичной обмотки;
– ток и напряжение нагрузки;
– коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения;
14) по результатам моделирования провести корректировку основных электрических и геометрических параметров выпрямителя.
Пояснительная записка к курсовой работе должна содержать необходимые расчеты, схемы, графики, чертежи и состоять из 20 – 25 листов.

2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОСТРОЕНИЯ
НЕУПРАВЛЯЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

2.1. Общие сведения

Выпрямительные устройства предназначены для преобразования
переменного напряжения в постоянное. В общем случае они состоят из
трех основных узлов: силового трансформатора, вентильного узла (выпрямителя) и сглаживающего фильтра. В качестве вентилей могут использоваться диоды, тиристоры и мощные транзисторы. Выпрямительные устройства характеризуются выходными параметрами, параметрами работы вентилей и параметрами трансформатора. Наиболее
распространенный вентиль в маломощных устройствах – полупроводниковый диод. Если в качестве вентилей используют тиристоры или
транзисторы, то возможна реализация управляемого режима выпрямления (на диодах строятся только неуправляемые выпрямители).
К выходным параметрам выпрямителя относятся: номинальное
среднее выпрямленное напряжение Uн; номинальный средний выпрямленный ток Iн; коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Kп; частота пульсаций выпрямленного напряжения fп; внутреннее
сопротивление выпрямителя Rвн .
Коэффициентом пульсаций Kп называют отношение амплитуды
первой гармоники колебаний выпрямленного напряжения к среднему
значению выпрямленного напряжения. Внешняя характеристика выпрямителя – это зависимость среднего значения выходного напряжения от среднего значения выходного тока (тока нагрузки). Обычно для
выпрямителей характерно плавное понижение выходного напряжения
при повышении тока нагрузки.

5

Выпрямители классифицируют по разным признакам: количеству
выпрямленных полуволн (полупериодов) напряжения, числу фаз силовой сети, типу сглаживающего фильтра, наличию или отсутствию
трансформатора и т. п. По количеству выпрямленных полуволн различают однополупериодные и двухполупериодные выпрямители.
По числу фаз питающего напряжения различают однофазные,
двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители, при этом под
числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжений с отличными друг от друга начальными фазами. Так, если
для работы выпрямителя требуется два питающих напряжения, сдвинутых друг относительно друга на какойлибо угол (чаще всего на
180), то такой выпрямитель называют двухфазным. Аналогично, если
для работы выпрямителя требуется три питающих напряжения, сдвинутых друг относительно друга на угол, равный 120, то такой выпрямитель называют трехфазным.

2.2. Выбор принципиальной схемы и расчет выпрямителя

Процесс проектирования выпрямительных устройств в общем случае можно разделить на несколько шагов:
• анализ исходных данных, выбор принципиальной схемы выпрямителя и типов применяемых компонентов;
• расчет параметров сглаживающего фильтра;
• расчет параметров вентильного узла и трансформатора, проверка
соответствия применяемых компонентов режиму их работы в выпрямителе.
Исходными данными при расчете выпрямителя, как правило, являются: номинальное выпрямленное напряжение на нагрузке Uн; ток нагрузки Iн и его возможное отклонение в сторону понижения ΔImax Iн
– Imin; сопротивление нагрузки Rн Uн /Iн или выходная мощность
Pвых Uн Iн; номинальное напряжение, подаваемое на первичную обмотку трансформатора U1, его возможное отклонение в сторону повышения ΔUmax U1max – U1 и понижения ΔUmin U1 – U1min, а также его
частота f и количество фаз; допустимый коэффициент пульсаций выходного напряжения Kп.
Выбор схемы выпрямителя проводят, опираясь на значения требуемой выходной мощности, выходного напряжения и коэффициента
пульсаций.

6

Обобщим все приведенные в описаниях конкретных видов выпрямителей достоинства и недостатки.
1. Однополупериодные выпрямители применяют в основном с емкостным фильтром при токах нагрузки до десятков миллиампер. Преимуществами таких выпрямителей являются простота и возможность
работы без трансформатора. К их недостаткам относятся: низкая частота пульсаций, относительно высокое обратное напряжение на вентильных диодах, плохое использование трансформатора, подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током.
2. Двухполупериодные выпрямители со средней точкой применяются, как правило, при напряжениях нагрузки до нескольких сот
вольт и выходной мощности до 150 Вт. На выходе выпрямителя обычно устанавливаются Гили Побразные LCи RCфильтры. Основное
преимущество этих выпрямителей по сравнению с однополупериодными выпрямителями – повышенная частота пульсаций. Преимущества по сравнению с мостовыми выпрямителями – малое число вентилей, возможность применения общего радиатора без изоляции вентилей,
малое
падение
напряжения
на
вентилях.
Недостатки
по
сравнению с мостовыми выпрямителями – относительно большая требуемая габаритная мощность трансформатора и повышенное обратное
напряжение на диодах.
3. Выпрямители, выполненные по мостовой схеме, обладают наилучшими показателями и применяются наиболее часто. Их можно использовать при любом характере нагрузки (емкостная, индуктивная)
при выходной мощности до 1000 Вт. Такие выпрямители применяются
в основном с емкостным, Гили Побразными LCи RCфильтрами.
Достоинствами мостовых выпрямителей являются: повышенная частота пульсаций, эффективность использования трансформатора, возможность питания симметричных нагрузок при наличии вывода средней точки во вторичной обмотке трансформатора. К недостаткам относят невозможность установки однотипных диодных вентилей на
одном радиаторе без изолирующих прокладок.

2.3. Основные виды сглаживающих фильтров
и особенности их применения

Режим работы выпрямителя в значительной степени определяется
типом фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяются

7

простейшие емкостные фильтры, в выпрямителях средней и большой
мощности – Гобразные LC, RCфильтры и Побразные CLCи CRCфильтры.
Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания выпрямленного напряжения q, который определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе (на нагрузке).
Емкостный фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Он состоит из конденсатора, включаемого параллельно нагрузке. Коэффициент пульсации на выходе выпрямителя
с емкостным фильтром обратно пропорционален произведению емкости применяемого конденсатора и сопротивления нагрузки, поэтому
применение такого фильтра рационально только при достаточно больших значениях этих величин. По мере совершенствования технологии
изготовления конденсаторов большой емкости рассматриваемый тип
фильтра вследствие своей простоты и эффективности находит все
большее применение.
Индуктивноемкостные фильтры (Гобразные LC и Побразные
CLC) широко применяют при повышенных токах нагрузки. КПД таких
фильтров достаточно высок. К недостаткам индуктивноемкостных
фильтров относят: большие габаритные размеры и массу; повышенный
уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра; сравнительно высокую стоимость и трудоемкость изготовления.
Резистивноемкостные фильтры целесообразно применять при малых токах нагрузки (менее 10...15 мА) и небольших требуемых коэффициентах сглаживания. Достоинства этих фильтров – малые габариты и масса, низкая стоимость, недостаток – сравнительно большое
падение напряжения на фильтре (что снижает КПД устройства выпрямления в целом).
Комбинированные фильтры применяют при необходимости получения больших коэффициентов сглаживания на выходе выпрямителя.
Они состоят из нескольких последовательно включенных фильтров.
Высокий коэффициент сглаживания и хороший КПД могут также
обеспечить разнообразные фильтры на транзисторах.

2.4. Особенности выбора выпрямительных диодов

При выборе диодов выпрямителя необходимо учитывать устройство принципиальной схемы выпрямителя, частоту и величину входного

8

переменного напряжения, напряжение и ток нагрузки, условия эксплуатации (температура, влажность, устойчивость входного напряжения и т. п.), характер нагрузки (емкостная, индуктивная), наличие
коммутационных перегрузок в цепи нагрузки, параметры применяемого трансформатора и т. д.
В первую очередь необходимо рассчитать значение максимального
обратного напряжения, прикладываемого к силовым диодам при работе выпрямителя выбранного типа, а также оценить среднее значение
протекающего через них прямого тока. Полученные таким образом
значения необходимо откорректировать в зависимости от характера
нагрузки.
При наличии активноемкостной нагрузки амплитудное и действующее значения тока силовых диодов могут существенно превышать
его расчетное среднее значение Iд.ср. Так, при допустимом уровне пульсаций на выходе порядка 0,1 % в однофазном мостовом выпрямителе с
емкостным фильтром амплитудное значение тока выпрямительных
диодов может достигать 15 Iд.ср.
Значение максимально допустимого повторяющегося обратного
напряжения Uобр max используемых диодов также подвержено влиянию
нагрузки.
Опираясь на найденные значения величин Iд.ср и Uобр max (не забывая также о предполагаемой частоте входного переменного напряжения), по таблицам справочных данных проводят предварительный выбор силовых диодов.
Немаловажное значение для характеристик выпрямителя имеет
тип выбранных выпрямительных диодов. Напомним, что в качестве
выпрямительных могут использоваться кремниевые, германиевые или
арсенидгаллиевые диоды с p–nпереходом (в том числе лавинные
диоды), а также кремниевые или арсенидгаллиевые диоды с переходом Шоттки.
Германиевые выпрямительные диоды довольно широко использовались 10–20 лет назад. В настоящее время они практически полностью вытеснены более совершенными кремниевыми и арсенидгалиевыми приборами.
Кремниевые выпрямительные диоды с p–nпереходом – это наиболее распространенный в настоящее время тип диодов, применяемых во
всех классах выпрямителей (однако они постепенно вытесняются более эффективными диодами с переходом Шоттки). Перечислим их основные свойства:

9

• максимальные прямые допустимые токи кремниевых диодов различных типов составляют 0,1...1600 А, падение напряжения на диодах
при этих токах не превышает обычно 1,5 В;
• с увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается;
• обратная ветвь вольтамперной характеристики (ВАХ) кремниевых диодов не имеет ярко выраженного участка насыщения;
• пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому
напряжение пробоя для некоторых типов кремниевых диодов при комнатной температуре может составлять 1500...2000 В;
• диапазон рабочих температур для кремниевых выпрямительных
диодов ограничен значениями –60...+125 С.
Выпрямительные диоды, изготовленные из материала с большой
шириной запрещенной зоны, обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах. С этой точки зрения относительно недавно появившиеся выпрямительные диоды с p–nпереходом из арсенида галлия являются очень перспективными приборами. К основным
свойствам арсенидгаллиевых приборов следует отнести:
• значительный диапазон рабочих температур (до 250 С);
• лучшие частотные свойства (арсенидгаллиевые диоды могут работать в качестве выпрямителей малой мощности до частоты 1 МГц и
выше);
• повышенное (более 3 В) падение напряжения при прямом смещении.
Выпрямительные диоды с барьером Шоттки – наиболее перспективный вид полупроводниковых выпрямительных диодов. Основными свойствами диодов Шоттки являются:
• малое падение напряжения при прямом смещении (около 0,6 В);
• большая максимально допустимая плотность тока, что связано
как с меньшим падением напряжения на диоде, так и с особенностями
его конструкции, обеспечивающими хороший отвод тепла от выпрямляющего перехода;
• способность выдерживать значительные перегрузки по току по
сравнению с аналогичными диодами с p–nпереходом;
• кремниевым и особенно арсенидгаллиевым диодам Шоттки
свойственны пока относительно маленькие значения пробивных напряжений (20...70 В), но по мере совершенствования технологии их изготовления этот недостаток постепенно устраняется.

10