Расчет силового трансформатора

Введение. Актуальность и значимость темы

В современной промышленности широкое применение находят аналоговые и импульсные устройства электронной техники. Они предназначены для организации оперативно-технической связи, для построения систем контроля и управления электроснабжением. Питание таких устройств осуществляется от сети переменного тока - однофазной 220 В и трехфазной 380 В через источники питания, служащие для преобразования величины, выпрямления и стабилизации напряжения. Источники питания строятся по различным схемам, от которых в первую очередь, требуется обеспечение стабильного выходного напряжения с низким уровнем пульсаций. Кроме этого, они должны быть надежными и обеспечивать приемлемый коэффициент полезного действия.

В настоящее время схемотехника источников питания постоянно усложняется. Разработаны импульсные источники с выпрямителем на входе и преобразовательным трансформатором, работающим на ультразвуковой частоте. Однако классические схемы источников питания с трансформатором на частоту 50 Гц все еще успешно применяются для нужд автоматики и телемеханики в электроснабжении промышленных установок.

Обзор элементов

1. Стабилитрон измерительного моста

В качестве стабилитрона я выбрал стабилитрон 2С127А1, параметры которого:

- Минимальное напряжение стабилизации 2,43 В

- Номинальное напряжение стабилизации - 2,7 В

- Максимальное напряжение стабилизации - 2,97 В

- Ток стабилизации стабилитрона - 3 мА

- Дифференциальное сопротивление стабилитрона 180 Ом

- Минимально допустимый ток стабилизации стабилитрона 1,0 мА

- Максимально допустимый ток стабилизации стабилитрона 6 мА

- Максимально-допустимая температура корпуса стабилитрона 85 °С

2. Резисторы

- Резистор R1. Параметры R1 = 10,73 кОм.

- Резистор R2. Параметры R2= 21,55 кОм (переменный).

- Резистор R3. Параметры R3 = 5,6 кОм.

- Резистор Rб. Параметры Rб = 3260 Ом, Р=0,063 Вт.

- Резистор Rсм. Параметры РRсм = 0,4 Вт, Rсм = 20 Ом.

- Резистор Rк. Параметры РRк = 1 Вт, Rк = 169 Ом.

- Резистор Rэ. Параметры Rэ= 16 Ом.

3. В качестве второго источника опорного напряжения и смещения выбираем стабилитрон Д816А

- Минимальное напряжение стабилизации 19,6 В

- Максимальное напряжение стабилизации - 24,2 В

- Ток стабилизации стабилитрона - 150 мА

- Минимально допустимый ток стабилизации стабилитрона 10 мА

- Максимально допустимый ток стабилизации стабилитрона 230 мА

- Рабочий диапазон температуры -60...+ 130 гр.

4. Транзистор VT1. Марка транзистора КТ315Б

- структура n-p-n

- Максимальное допустимое напряжение коллектор – эмиттер: 20 В

- Коэффициент передачи h21Э: 50 … 350

- Максимальная рассеиваемая мощность: 0.15 Вт

5. Транзистор VT2. Марка транзистора КТ815Б

- структура n-p-n

- Максимальное допустимое напряжение коллектор – эмиттер: 45 В

- Коэффициент передачи h21Э: 40 … 275

- Максимальная рассеиваемая мощность: 10 Вт

6. Транзистор VT3. Марка транзистора КТ819Б

- структура n-p-n

- Максимальное допустимое напряжение коллектор – эмиттер: 50 В

- Коэффициент передачи h21Э: 20 … 225

- Максимальная рассеиваемая мощность: 60 Вт

7. Плавкий предохранитель ПР-2, выдерживающий ток до2.5А, при максимальном токе нагрузки 2.4А

8. Плавкий предохранитель ПР-2, выдерживающий ток до 0.5А, при максимальном токе нагрузки 0.31А

9. Конденсатор 1500мкФ 30В

10. Конденсатор 100мкФ 25В

11. Конденсатор 470мкФ 25В

12. Диод Д214А. Характеристики:

• Максимальное постоянное обратное напряжение 100 В

• Максимальный постоянный прямой ток 10 А

• Максимальная рабочая частота 1,1 кГц

• Постоянное прямое напряжение (при прямом токе 10 А) 1 В

• Постоянный обратный ток (при обратном напряжении 100 В)

Расчет

Проектирование стабилизированного лабораторного блока питания с диапазоном выходных напряжений +20 - +5В 2А

Исходные данные на расчет:
- среднее выходное напряжение стабилизатора – (20+5)/2 =12.5В;
- максимальный ток нагрузки стабилизатора – 2 ампера;
- используется трансформатор с выходным напряжением 25 вольт.

1. Выберем стабилитрон измерительного моста, в качестве стабилитрона VD1 подходит 2С127А1, у которого Uст = 2,7 вольт, Iст = 3 мА.

2. Найдём резистор Rб:
На резисторе падает напряжение:

U_Rб = U_вых – U_ст = 12,5В – 2,7В = 9,8В

Зная падение напряжения и ток стабилизации, по закону Ома определяем сопротивление резистора:

R_б = U_Rб / I_CT = 9,8В/0,003А = 3266 Ом

Ближайшее значение сопротивления резистора по номинальному ряду - 3260 Ом.
Мощность резистора находим из условия Р_Rб = U_Rб * I_ст * 2 = 9,8В * 0,003А * 2 = 0,0588 Вт
(В формуле цифра 2, это коэффициент запаса по мощности (чтобы резистор не грелся). Ближайшее наибольшее значение мощности резистора по номинальному ряду – 0,063 Вт.)

Таким образом, параметры R_б – 3260 Ом на 0,063 Вт.

3. Определим возможные значения выходного напряжения стабилизатора, при которых стабилизация происходит.
Они ограничены предельными токами стабилитрона, стоящего в мостовой измерительной цепи.

а) Определим минимальное (регулируемое) напряжение стабилизации: По справочнику минимальный ток стабилизации 2С127А1 = 1 мА, при этом токе значение выходного напряжения стабилизатора составит:

U_вых.min= U_ст + (I_ст.min* Rб) = 2,7 В + (0,001 * 3260) = 4,96 вольт

б) Определим максимальное (регулируемое) напряжение стабилизации:
По справочнику максимальный предельный ток стабилизации 2С127А1 = 6 мА, при этом токе значение выходного напряжения стабилизатора составит:

U_вых.max= U_ст + (I_ст.max* R_б) = 2,7 В + (0,006 * 3260) = 22,26 вольт

4. Рассчитаем делитель R1,R2,R3:
Нам известно, что на стабилитроне 2С127А1 падает – 2,7 вольта. Известно, что в режиме стабилизации, транзистор VT1 находится в "рабочей точке", это означает, что на его переходе база-эмиттер "падает" напряжение 0,65 вольта. А это в свою очередь означает, что на базе должно быть всегда 2,7 + 0,65 = 3,35 вольта относительно корпуса стабилизатора. База соединена с "ползунком" среднего регулировочного резистора, значит, это напряжение 3,35 вольта всегда присутствует на его "ползунке".

При максимальном напряжении стабилизации U_вых.max= 22,26 вольт, ползунок находится в нижнем по схеме положении, ток стабилизации I_ст.max= 0,006 A, а ток делителя R1,R2,R3 в 10 раз меньше: I_цепи = 0,0006 А , следовательно:

R3 = 6,25 / I_цепи = 3,35 / 0,0006 = 5,6 кОм;
R1 + R2 = (U_вых.max- UR3) / I_цепи = 16,01 / 0,0006 = 26,68 кОм.

Суммарное сопротивление R1 + R2 + R3 = 26 680 + 5600 = 32,28 кОм

При минимальном напряжении стабилизации U_вых.min= 4,96 вольта, ток делителя будет:

I_цепи = U_вых.min/ (R1 + R2 + R3) = 4,96 / 32280 = 0,00015 А
найдем значение R1 = (U_вых.min– 3,35) / I_цепи = (4,96 – 3,35) / 0,00015 = 10,73 кОм,
отсюда значение R2 = 32,28 – 10,73 = 21,55 кОм,
округлим значения резисторов до значений номинального ряда: R1 = 10,73 кОм, R2 = 21,55 кОм (переменный), R3 = 5,6 кОм

5. Рассчитаем второй источник опорного напряжения и смещения VT2.
В качестве стабилитрона выбираем Д816А, у которого U_ст = 22 В, I_ст = 150 мА.
Найдём Rсм.

Выходное напряжение трансформатора после выпрямления и сглаживания фильтром = 25 вольт, тогда Rсм = (Uтр. - Uст) / Iст = 25 – 22 / 0,15А = 20 Ом.

Мощность резистора Р_Rсм = U_Rсм * I_ст = 20 * 0,15 = 0,3 Вт, ближайшая из номинального ряда - 0,4 Вт

Для стабильной работы цепи опорного напряжения Rсм VD2, необходимо, чтобы Rк не оказывал на эту цепь шунтирующего действия. Поэтому ток Rк должен быть не менее, чем в 2 раза меньше тока стабилитрона. Кроме того, на нём падает разность между входным и выходным напряжением:

U_Rк = U_тр. - U_вых. = 25 – 12,5 = 12,5 В,

отсюда: Rк = U_Rк / (I_ст/2) = 12,5 / 0,075 = 167 Ом. Ближайший на 169 Ом

Мощность Р_Rк = U_Rк * I_ст / 2 = 12,5 * 0,075 = 0,9375 Вт, ближайший 1 Вт.

6. Выбор транзисторов.

В качестве транзисторов выберем n-p-n транзисторы

В качестве VT1 подойдёт транзистор КТ315Б

-Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-база 20 В.

-Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-эмиттер 20 В.

-Максимально допустимый постоянный(импульсный) ток коллектора 100 мА.

-Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода (с теплоотводом) 0.15 Вт.

-Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером 50-350.

-Обратный ток коллектора <=0.5 мкА.

-Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером =>250 МГц.

 

В качестве VT2 подойдёт транзистор КТ815Б

-Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-база 50 В.

-Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-эмиттер 45 В.

-Максимально допустимый постоянный (импульсный) ток коллектора 1500(3000) мА.

-Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода (с теплоотводом) 1(10) Вт.

-Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером 40-275.

-Обратный ток коллектора <=50 мкА.

-Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером =>3 МГц.

 

В качестве VT3 подойдет КТ819Б

-Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-база 50 В.

-Максимально допустимое (импульсное) напряжение коллектор-эмиттер 50 В.

-Максимально допустимый постоянный(импульсный) ток коллектора 10000(15000) мА.

-Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода (с теплоотводом) 1.5(60) Вт.

-Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером 20-225.

-Обратный ток коллектора <=1000 мкА.

-Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером =>3 МГц.

7. Остался один резистор Rэ. Rэ = 0,65 / 2 * 50= 16 Ом, где 0,65 – падение на переходе база-эмиттер, 2 – номинальный ток нагрузки = 2 ампер), 50 - усреднённое значение коэффициента передачи транзистора.

8.В последнем этапе ставим плавкие предохранители на первичной обмотке трансформатора и выходе стабилизатора.

Сделаем запас по току равный 20%:

FU1=0.26А*1.2=0.31АИз номинального ряда выбираем с номиналом 0.5А

FU2=2А*1.2=2.4А Из номинального ряда выбираем с номиналом 2.5А

Расчет силового трансформатора

Расчет трансформатора произведем с помощью онлайн калькулятора для расчета трансформатора. http://rcl-radio.ru/?p=20670

- Напряжение первичной обмотки 220В

- Напряжение вторичной обмотки 25В

- Ток вторичной обмотки 2А

- Габаритные размеры: А=4см, В=3см, С=2см, Н=2.5см

Площадь поперечного сечения сердечника: 12 см²
Площадь поперечного сечения окна: 5 см²
КПД трансформатора: 0.88
Магнитная индукция Вмах : 1.3 Тл
Плотность тока J, (А/мм²) : 2.4 А/мм²
Коэффициент заполнения окна Кm: 0.3
Коэффициент заполнения Кс: 0.9

Габаритная мощность сердечника: 52.52 Вт
Выходная мощность вторичной обмотки: 50 Вт
Мощность потребляемая трансф. с учетом потерь: 56.82 Вт
Ток в первичной обмотке: 0.258 A
Ток во вторичной обмотке: 2 A
Диаметр провода первичной обмотки: 0.32 мм
Диаметр провода вторичной обмотки: 0.89 мм
Кол-во витков первичной обмотки: 705
Кол-во витков вторичной обмотки: 80

Спецификация

Обозначение	Наименование	Количество
FU1	Плавкий предохранитель 0.5А
FU2	Плавкий предохранитель 2.5А
VT1	Транзистор КТ315Б
VT2	Транзистор КТ815Б
VT3	Транзистор КТ809А
VD1-4	Выпрямительный диод
VD5	Диод Д816А
VD6	Диод 2С127А1
R1	ОМЛТ-0.125-20Ом ±5%
R2	ОМЛТ-0.125-169Ом ±5%
R3	ОМЛТ-0.125-4кОм ±5%
R4	ОМЛТ-0.125-16Ом ±5%
R5	ОМЛТ-0.125-11кОм ±5%
R6	ОМЛТ-0.125-22кОм ±5%
R7	ОМЛТ-0.125-6кОм ±5%
C1	Конденсатор 1500мкФ*40В
C2	Конденсатор 100мкФ*35В
C3	Конденсатор 470мкФ*25В
T1	Трансформатор двухобмоточный220/25-сухой-57Вт

 

 

Выводы

В данной курсовой работе был разработан блок питания для автоматических устройств. После сделанной работы были найдены достоинства: простота конструкции, надежность, доступность элементной базы и недостатки: большой вес и габариты, относительно мощности, металлоёмкость. Спроектированный в этой работе блок питания универсален, может выдавать выходное напряжение от 5в до 20в. В курсовом проекте я рассчитал и подобрал все необходимые приборы, для обеспечения наилучшей стабилизации, безотказной работы, а так же предусмотрел защиту оборудования и подключаемой к стабилизатору нагрузки.

Я так же понял необходимость установления стабилизаторов не только в промышленности, но и в обыденной жизни.