Курсовая работа по электротехнике — полный разбор примера разработки источника питания

Введение

Вторичные источники питания являются неотъемлемым компонентом практически любого современного электронного устройства. С ростом требований к энергоэффективности и миниатюризации аппаратуры на передний план вышли импульсные источники питания (ИИП). В отличие от своих линейных аналогов, они демонстрируют значительно более высокий КПД, а также меньшие габариты и вес, что достигается за счет работы на высоких частотах. Актуальность их изучения и проектирования для будущих инженеров-электротехников не вызывает сомнений.

Целью данной курсовой работы является разработка импульсного источника питания с заданными выходными параметрами. Для достижения этой цели будут последовательно решены следующие ключевые задачи:

• Проведение анализа существующих схемотехнических решений и обоснование выбора структурной схемы.
• Выполнение инженерных расчетов всех ключевых функциональных узлов: силового трансформатора, входных и выходных цепей.
• Подбор необходимой элементной базы.
• Проведение моделирования для проверки работоспособности схемы.
• Оформление проектной документации в соответствии с установленными стандартами.

Глава 1. Теоретический анализ и обоснование выбора структурной схемы

Проектирование любого ИИП начинается с анализа и выбора топологии преобразователя. Существует несколько базовых схем, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки:

• Обратноходовой преобразователь (Flyback): отличается простотой, малым количеством компонентов и гальванической развязкой, идеально подходит для маломощных устройств (до 150 Вт).
• Прямоходовой преобразователь (Forward): более эффективен, чем обратноходовой, и применяется в диапазоне мощностей от 100 до 500 Вт. Требует дополнительной обмотки для размагничивания сердечника.
• Мостовой и полумостовой преобразователи (Bridge/Half-Bridge): наиболее сложные и мощные схемы, используемые для устройств мощностью от 500 Вт и выше, обеспечивают наилучшее использование сердечника трансформатора.

Для данной курсовой работы, исходя из типичных требований по мощности, надежности и стоимости, в качестве базовой была выбрана обратноходовая топология. Она обеспечивает оптимальный баланс между сложностью реализации и функциональностью. Структурная схема проектируемого источника питания включает в себя следующие функциональные узлы:

1. Входной фильтр и выпрямитель: преобразует переменное сетевое напряжение в постоянное и подавляет электромагнитные помехи.
2. Силовой ключ и ШИМ-контроллер: «сердце» схемы. Транзисторный ключ (чаще всего MOSFET) с высокой частотой прерывает постоянное напряжение, подавая его на первичную обмотку трансформатора. Управляет этим процессом микросхема ШИМ-контроллера.
3. Импульсный трансформатор: обеспечивает гальваническую развязку между сетевой и выходной частью, а также понижает или повышает напряжение.
4. Выходной выпрямитель и фильтр: преобразует высокочастотное импульсное напряжение со вторичной обмотки в стабильное постоянное напряжение.
5. Цепь обратной связи: контролирует выходное напряжение и передает сигнал на ШИМ-контроллер для его коррекции, обеспечивая высокую стабильность.

Глава 2. Расчет и проектирование импульсного трансформатора

Импульсный трансформатор — ключевой элемент, от правильного расчета которого зависит эффективность и надежность всего устройства. Расчет производится в несколько последовательных этапов.

Расчет трансформатора для обратноходового преобразователя имеет особенность: он работает в режиме накопления энергии в сердечнике с последующей ее передачей в нагрузку, когда силовой ключ закрыт.

Алгоритм проектирования включает:

1. Определение габаритной мощности. Этот параметр является исходным для выбора типоразмера сердечника и рассчитывается на основе выходной мощности и КПД устройства.
2. Выбор материала и типоразмера сердечника. Для высокочастотных ИИП используются ферритовые сердечники (например, марки N87) необходимого типоразмера (например, E-образные), который выбирается по каталогу производителя на основе рассчитанной габаритной мощности.
3. Расчет количества витков обмоток. Сначала рассчитывается количество витков первичной обмотки, исходя из индуктивности, необходимой для накопления заданной энергии за один цикл. Затем, зная коэффициент трансформации, определяется количество витков вторичной обмотки.
4. Определение диаметров проводов. Диаметр провода для каждой обмотки выбирается на основе максимального действующего тока и допустимой плотности тока (обычно 3-5 А/мм²).
5. Проверка заполнения окна сердечника. Финальный этап — проверка того, что все обмотки с учетом изоляции физически умещаются в окне выбранного магнитопровода. Если нет, необходимо выбрать сердечник большего типоразмера и повторить расчет.

Глава 3. Разработка схемы входного выпрямителя и сетевого фильтра

Задача входных цепей — преобразовать переменное напряжение сети ~230В в постоянное напряжение, пригодное для работы импульсного преобразователя. В качестве выпрямителя традиционно используется диодный мост. Выбор диодов для моста производится по двум ключевым параметрам:

• Максимальный прямой ток (I_F(AV)): должен быть с запасом больше тока, потребляемого схемой от сети.
• Пиковое обратное напряжение (V_RRM): должно быть больше амплитудного значения сетевого напряжения (для сети 230В это 230 * √2 ≈ 325В, но на практике выбирают диоды с напряжением не менее 600В для надежности).

После выпрямления напряжение имеет сильные пульсации. Для их сглаживания используется электролитический конденсатор большой емкости. Его емкость рассчитывается таким образом, чтобы падение напряжения на нем за время, пока диоды закрыты, не превышало допустимой величины (обычно 10-20% от амплитудного значения). Также необходимо учитывать, что данный конденсатор должен выдерживать постоянное напряжение около 325-350В. Перед выпрямителем обычно устанавливается входной LC-фильтр, который необходим для подавления электромагнитных помех, генерируемых ИИП обратно в сеть, и для соответствия стандартам электромагнитной совместимости (ЭМС).

Глава 4. Расчет силового ключа и выбор ШИМ-контроллера

Силовой каскад и система управления являются ядром преобразователя, отвечающим за преобразование энергии. В качестве силового ключа в современных ИИП чаще всего применяются N-канальные MOSFET-транзисторы. Их выбор и расчет производятся по нескольким критическим параметрам:

• Максимальное напряжение сток-исток (V_DSS): Должно быть значительно выше, чем сумма выпрямленного сетевого напряжения и напряжения самоиндукции на первичной обмотке. Обычно выбирается с запасом в 1.5-2 раза.
• Максимальный ток стока (I_D): Выбирается с запасом относительно пикового значения тока в первичной обмотке.
• Сопротивление открытого канала (R_DS(on)): Чем ниже этот параметр, тем меньше будут потери мощности на транзисторе и тем меньше он будет нагреваться.
• Мощность рассеяния (P_D): Определяет, какую тепловую мощность транзистор может отвести в окружающую среду (с радиатором или без). Необходимо рассчитать потери и убедиться, что они не превышают допустимую величину.

Управление силовым ключом осуществляет ШИМ-контроллер. Это специализированная микросхема, которая выполняет все основные функции управления и защиты. При выборе контроллера (например, популярной серии UC384x) обращают внимание на его функции: встроенный генератор пилообразного напряжения, драйвер для управления затвором MOSFET, токовый датчик для защиты от перегрузки, компаратор для цепи обратной связи и цепи плавного пуска. Расчет его «обвязки» включает определение номиналов резистора и конденсатора (RC-цепи), которые задают рабочую частоту преобразования (обычно в диапазоне 50-200 кГц).

Глава 5. Проектирование выходного выпрямителя и сглаживающего LC-фильтра

На вторичной стороне трансформатора мы получаем импульсное напряжение высокой частоты. Его необходимо выпрямить и сгладить до требуемых значений. Из-за высокой частоты работы обычные выпрямительные диоды здесь не подходят из-за своей инерционности. Поэтому для выходных выпрямителей применяют ультрабыстрые диоды или диоды Шоттки, которые имеют очень малое время восстановления.

После выпрямителя напряжение все еще имеет значительный уровень пульсаций. Для их эффективного подавления используется LC-фильтр, состоящий из дросселя и конденсатора. Расчет этого фильтра — критически важная задача для обеспечения качественного выходного напряжения.

• Индуктивность дросселя (L): Рассчитывается таким образом, чтобы обеспечить неразрывный режим тока через него во всем диапазоне нагрузок. Это гарантирует лучшую стабильность и меньшие пульсации.
• Емкость конденсатора (C): Выбирается для подавления оставшейся высокочастотной составляющей пульсаций до уровня, указанного в техническом задании. Важно использовать конденсаторы с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (Low ESR), так как они эффективнее справляются с импульсными токами.

Правильно рассчитанный LC-фильтр позволяет получить на выходе стабильное постоянное напряжение с уровнем пульсаций, не превышающим десятков милливольт, что является стандартом для качественных источников питания.

Глава 6. Разработка цепей обратной связи и защиты

Для поддержания выходного напряжения на строго заданном уровне независимо от изменений тока нагрузки или колебаний входного напряжения используется цепь отрицательной обратной связи (ОС). Она непрерывно «следит» за выходом и корректирует работу ШИМ-контроллера.

Типовая схема ОС состоит из трех основных частей:

1. Делитель напряжения: Снимает часть выходного напряжения для анализа.
2. Источник опорного напряжения и усилитель ошибки: Часто реализуется на базе микросхемы типа TL431. Он сравнивает напряжение с делителя с эталонным и формирует сигнал рассогласования.
3. Оптопара: Передает управляющий сигнал от усилителя ошибки на ШИМ-контроллер, обеспечивая при этом гальваническую развязку между высоковольтной входной и низковольтной выходной частями схемы, что является ключевым требованием безопасности.

Помимо стабилизации, в источнике питания должны быть реализованы системы защиты, обеспечивающие его безопасную работу и предотвращающие выход из строя как самого ИИП, так и питаемого им устройства.

Надежность — не менее важный параметр, чем КПД. Комплексная защита является обязательной частью любого качественного проекта.

• Защита от короткого замыкания (КЗ) и перегрузки по току: Обычно реализуется с помощью низкоомного резистора в цепи истока силового транзистора. Падение напряжения на нем пропорционально току, и при превышении порога ШИМ-контроллер немедленно прекращает генерацию импульсов.
• Защита от перенапряжения на выходе (OVP): Дополнительная схема, которая отключает ИИП, если напряжение на выходе по какой-либо причине (например, сбой в цепи ОС) превысит допустимое значение.

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы был проделан полный цикл разработки современного импульсного источника питания. Были решены все поставленные во введении задачи: проведен теоретический анализ и обоснован выбор обратноходовой топологии, выполнены детальные инженерные расчеты всех ключевых узлов, включая импульсный трансформатор, входной и выходной выпрямители, сглаживающие фильтры и силовой каскад. Также были спроектированы цепи обратной связи для стабилизации напряжения и системы защиты.

В результате был спроектирован источник питания со следующими итоговыми характеристиками:

• Выходная мощность: [Указать значение, Вт]
• Выходное напряжение: [Указать значение, В]
• Номинальный ток нагрузки: [Указать значение, А]
• Расчетный КПД: [Указать значение, %]

Таким образом, главная цель работы — разработка ИИП с заданными параметрами — полностью достигнута. Спроектированное устройство соответствует современным требованиям по эффективности и стабильности. В качестве возможных путей дальнейшего усовершенствования можно рассмотреть внедрение цифрового управления на базе микроконтроллера для повышения гибкости и добавления интерфейсов мониторинга.

Список использованных источников и Приложения

Данный раздел содержит всю справочную и итоговую документацию, оформленную в соответствии с требованиями ГОСТ. Он является неотъемлемой частью курсовой работы и подтверждает выполненные расчеты и проектные решения.

• Список использованных источников: Приводится перечень научной, технической литературы и нормативных документов, которые использовались при написании работы. Оформление выполняется по ГОСТ 7.1-2003.
• Приложение А. Перечень элементов: Содержит спецификацию всех радиоэлектронных компонентов, использованных в схеме, с указанием их позиционных обозначений, номиналов и типов корпусов.
• Приложение Б. Схема электрическая принципиальная: Итоговая схема устройства, выполненная в среде САПР (например, Altium Designer, KiCad, DipTrace) и оформленная по ГОСТ 2.702-2011.
• Приложение В. Результаты моделирования: Приводятся осциллограммы ключевых сигналов (напряжение на затворе ключа, ток через первичную обмотку, пульсации выходного напряжения), полученные в среде симуляции, например, NI Multisim или LTspice, и подтверждающие корректность расчетов.