UNIVERSITATEA ”POLITEHNICA” BUCUREŞTIUNIVERSITATEA ”POLITEHNICA” BUCUREŞTIFACULTATEA: TRANSPORTURIFACULTATEA: TRANSPORTURISECTIA: TELECOMENZI SI ELECTRONICA IN TRANSPORTURISECTIA: TELECOMENZI SI ELECTRONICA IN TRANSPORTURI

PROIECT PROIECT

LA LA

ELECTROALIMENTAREELECTROALIMENTARE

Profesor indrumator: Profesor indrumator: Student: Student: Iordache Valentin Iordache Valentin

2009 – 2010

Tema proiectului:

Să se proiecteze două surse stabilizate de tensiune continuă:

- cu componente discrete alimentare monofazată, cu frecvenţa de 50 Hz, cu tensiune sinusoidală cu

valoare nominală de 220V, având variaţii admise de -25%…+10% din valoarea nominală;

puterea maximă de ieşire P0 (W); tensiunea maximă de ieşire U0 (V), tensiunea de ieşire poate fi reglată între

(0,5…1)U0; sursa poate lucra în regim de generator de curent constant, la o valoare a

curentului de ieşire limitată în plaja (0,1…1)I0; sursa este protejată la supratensiuni care pot apare dinspre intrare sau ieşire,

sau intern. Se prevăd protecţii la supracurenţi prin intrare sau ieşire; gama temperaturilor de lucru este 0…70C. cu componente discrete, unde I0 =luna naşterii/5 şi U0 =10+ziua naşterii/2

- cu circuite integrate

Proiectul va conţine: memoriu de calcul, cuprinzând toate etajele proiectate; schema electrică, cu valorile componentelor rezultate în urma calculelor; nomenclatoarele de componente: denumirea componentei, codul acesteia,

valoare, dimensiuni; programul în Pspice pentru schema sursei cu circuit integrat; desenul cablajului imprimat; bibliografie.

Sursa stabilizată de tensiune realizată cu componente discrete

Cap.1. Schema bloc

Sursa stabilizată este formată din următoarele blocuri funcţionale:

transformator de reţea; redresor; filtru de netezire; element regulator serie (ERS):

menţine tensiunea de ieşire la nivelul specificat, sub controlul amplificatorului de eroare;

furnizează curentul de ieşire; reduce sau blochează curentul la ieşire la acţionarea circuitelor de

protecţie; micşorează rezistenţa serie a stabilizatorului.

sursă de tensiune de referinţă (REF): furnizează o tensiune de referinţă caracterizată printr-o mare stabilitate în timp, faţă de variaţia tensiunii de intrare sau a temperaturii;

amplificator de eroare tensiune (AEU): compară tensiunea de referinţă cu o parte sau cu întreaga tensiune de ieşire, pentru a acţiona asupra elementului regulator;

convertorul tensiune-tensiune (U/U): furnizează o tensiune proporţională cu tensiunea de ieşire;

amplificator de eroare curent (AEI): compară tensiunea de referinţă cu o tensiune proporţională cu curentul de ieşire, pentru a acţiona asupra elementului regulator;

convertorul curent-tensiune (I/U): furnizează o tensiune proporţională cu curentul de ieşire;

elemente de protecţie (la supratensiuni şi supracurenţi);

Parametri de pornire:

Luna nasterii: 7Ziua nasterii: 25

Ismax = I0 =luna naşterii/5 = 7/5 = 1.4Vsmax = U0 =10+ziua naşterii/2 = 10 + 25/2 = 22.5Vs min=1,5V

Variaţiile procentuale ale tensiunii reţelei

Temperatura mediului: +15…+30

Cap.2. Etajul de redresare şi filtrul de netezire

Se va folosi un etaj de redresare dublă alternanţă în punte cu filtru capacitiv. Filtrul de netezire capacitiv este suficient deoarece dupa acesta urmează un stabilizator de tensiune.

Filtrarea capacitivă constă în conectarea unui condensator C1 în paralel, pe ieşirea redresorului, cu respectarea polarităţii în cazul condensatoarelor polarizate. particularitate importantă a filtrării capacitive constă în faptul că, în absenţa consumatorului (cu ieşirea în gol), tensiunea de ieşire este egală cu valoarea de vârf a pulsurilor, depăşind astfel de ori valoarea eficace a tensiunii alternative care se redresează.Tensiunea minimă de la ieşirea redresorului cu filtru de netezire se alege astfel încât sa fie mai mare decât suma tensiunii de ieşire U0 şi a căderilor de tensiune pe celelalte blocuri înseriate (ERS şi I/U, sumă pe care o aproximăm la valoarea de 3V).

Deci: UC ≥ U0 + UStab => Uc ≥ 22.5 + 3 => Uc ≥ 25.5VSe consideră valoarea riplului: ΔU = U0/6 = 22.5/6 = 3.75V

Uh

Ul

U

t1 t2 TT/2 t

Rezultă că valoarea de vârf a tensiunii redresate va fi:

Ured = UC1 + ΔU = 25.5 + 3.75 = 29.25V

Tensiunea în secundar va trebui însă să fie mai mare, datorită pierderii pe cele două diode prin care circulă curentul. Tensiunea de deschidere a unei diode cu siliciu se apropie de 1V la curenţi mari. Deci tensiunea efectivă în secundar va avea valoarea de vârf:

=> Us = (25.5 + 3.75 + 2 )/ √2 = 22.05VPuntea redresoare conţine diode identice. Acestea sunt alese îm funcţie de curentul care trece prin ele, adică pentru jumătate din valoarea maximă a curentului de sarcină dorit.Pentru ca în timp de o semiperioadă (Δt = 10ms) condensatorul să se descarce cu ΔU sub un curent I0, capacitatea trebuie să aibă valoarea:

=> C =( 1.4 *10)/ 3.75 = 373 uF => aproximam la 470 uF

Cap.3. Transformatorul

Datele de pornire cunoscute pentru calculul transformatorului de reţea sunt: UP, Us, I0.Puterea totală în secundar va fi:

=> Ps = 22.05 * 1.4 * 1.1 * 1.2 = 40.74 Wunde 1,1 şi 1,2 sunt coeficienţi de siguranţă ai tensiunii de ieşire şi ai redresării.Puterea totală în primar va fi:

= 40.74 (1 + 0.035 + 0.045) = 44 Wunde PFe = 0,035 reprezintă pierderile în miezul magnetic, iar PCu = 0,045 reprezintă pierderile în conductoarele de cupru.Calculul ariei sectiunii miezului se face pentru frecvenţa υ = 50Hz după formula:

=> Sfe = 1.9 *√Pp = 12.6 cm

2

Numărul de spire pe volt (necesar pentru a se obţine cu o tensiune de 1V o anumită inducţie maximă B) pentru înfăşurarea primară se calculează după formula:

=> ωp = 10000 / 4.44*50*1.2*12.6 = 6.06 sp/v

unde inducţia magnetică B = 0,8...1,2T (recomandându-se valoarea superioară pentru puteri mai mici).

Numărul de spire pe volt pentru înfăşurarea secundară se calculează după formula:

=> ωs = 6.06 * ( 1 + 0.035) = 6.27 sp/v

Numărul de spire în înfăşurarea primară va fi: = 654Numărul de spire în înfăşurarea primară va fi: = 68Diametrul conductoarelor de bobinaj se calculează după formula:

dp ≥ 0.415 => dp = 0.5 mm ds ≥ 1.09 => ds = 1.1 mm

unde J = 2 este densitatea de curent admisibilă a conductoarelor.

Se alege un transformator cu tole de tip E+I.

Se determină dimensiunea tolelor după formula:

=> a = 4 *√Sfe = 14.19 mm

Se determină grosimea pachetului de tole:

=> b = 44.38 mm

Se verifică dacă bobinajele încap în fereastra transformatorului, prin verificarea factorului de umplere:

=> Fu = 0.40

Se alege grosimea tolei g = 0,35mm şi rezultă numărul de tole:

=> nr tole = 127

Cap.4. Elementul regulator serie

Elementul regulator serie este elementul de execuţie al schemei. El este format dintr-un tranzistor sau grup de tranzistoare bipolare. Elementul regulator serie este comandat pe rând de unul din cele două amplificatoare de eroare (amplificatorul de eroare tensiune şi amplificatorul de eroare curent).

Cele două amplificatoare de eroare lucrează succesiv; în orice moment e activ doar unul dintre ele.

Amplificatorul eroare tensiune compară o tensiune proporţională cu tensiunea de ieşire obţinută din blocul convertor tensiune-tensiune (U/U) cu o tensiune de referinţă furnizată de blocul tensiunilor de referinţă. Când tensiunea de ieşire tinde să crească peste valoarea prescrisă amplificatorul eroare tensiune comandă regulatorul serie către blocare cea ce are ca efect scăderea tensiunii de ieşire.

Stabilizarea fiind pozitivă (minusul la masă) se va folosi un tranzistor de putere de tip NPN, T1. Alegerea acestuia se face impunând valorile minime:

Vceo ≥ 28.05 V ICM ≥ 1.41 A Pd ≥ 61.71 W

Se alege tranzistorul BD 245 cu proprietatile:- Vceo = 45 V- ICM = 15 A- Pd = 80 W- h21 = 40- Tjmax = 150 oC- Rj-c = 1.56 oC/W

=> Ibmax = 1.4 / 40 = 35 mA

Cap.5. Sursa de tensiune de referinţă

Este realizată cu ajutorul unei diode Zener (cel mai simplu stabilizator de tensiune paralel). Acest tip de stabilizator se numeşte şi stabilizator parametric, deoarece utilizează caracteristica tensiune-curent a diodei Zener fără să mai recurgă la circuite suplimentare de comandă. Rezistenţa de balast este astfel aleasă, încât curentul prin ea (IR) să fie mai mare decât curentul necesar în sarcină (IS), diferenţa fiind curentul necesar impus de funcţionarea diodei în zona Zener (IZ).

Se alege o diodă zenner dioda în plaja de tensiuni 5...6V.Dioda aleasa e 1N751A cu caracteristicile:

- Vz = 5.1 V- IZM = 70 mA

Rezistenţa trebuie să îndeplinească condiţiile:

Cap.6. Amplificatorul de eroare tensiune

Amplificatorul eroare tensiune compară o tensiune proporţională cu tensiunea de ieşire obţinută din blocul convertor tensiune-tensiune (U/U) cu o tensiune de referinţă furnizată de blocul tensiunilor de referinţă (REF).Proprietatea de a genera la ieşire un semnal proporţional cu diferenţa între cele două semnale care le sunt aplicate la intrări o au amplificatoarele diferenţiale. În cazul în care tranzistoarele amplificatorului diferenţial sunt realizate tehnologic identic şi sunt cuplate termic, se poate obţine o deosebit de bună stabilitate termică.Etajul amplificator diferenţial este compus din două etaje de amplificare în configuraţie emitor comun, cuplate în emitor printr-o rezistenţă (RE).Rezistorul R3 asigură curentul de bază al elementului regulator serie, fiind în acelaşi timp şi sarcină în colectorul tranzistorului T4, iar rezistorul R2 ajută la disiparea puterii pe T3 (are rolul de a simetriza montajul).

=> R2 = R3 ≤ (25.5 – 2.5 – 1.6 - 1.5) / 0.003=

33Ω

Vf pentru dioda = 1 V = Vref

Alegerea tranzistoarelor:

Vceo ≥ 25.5 V ICM ≥ 0.74 A PD ≥ 37.74 W

Se alege tranzistorul BD 245 cu proprietatile:- Vceo = 45 V- ICM = 15 A- Pd = 80 W- h21 = 40- Tjmax = 150 oC

- Rj-c = 1.56 oC/W

Rezistenţa R

4

se calculează astfel:

=> R4 = (1 – 0.6) /2*((25.5 - 1)/33) = 27Ω

Standardizam R4 la 33 Ω

Curentul de sarcină IS pentru sursa de tensiune de referinţă este egal cu curentul de bază al tranzistorului T2, adică:

=> Ic = (25.5 – 1) / (33 * 40) = 18 mA

R1 = (25.5 – 5.1) / (0.07 + 0.018) = 231Ω

Standardizam R1 la 220Ω

PR1

= (29.25 - 5.1) * 0.088 = 2.12 W

Cap.7. Convertorul Tensiune-Tensiune

Este un divizor rezistiv alcătuit din două rezistenţe şi un potenţiometru. Divizorul polarizează baza tranzistorului T4 din amplificatorul de eroare cu o tensiune direct proporţională cu valoarea tensiunii de ieşire.Prin el trebuie să circule un curent mult mai mic decât curentul de la ieşirea stabilizatorului, şi mult mai mare decât cel de la intrarea amplificatorului de eroare pentru ca tensiunea obţinută să nu depindă de variaţiile de curent din ieşirea redresorului sau din intrarea în amplificatorul de eroare tensiune.

Id = 20 * 18 = 360 mA

Atunci când stabilizatorul este în echilibru iar tensiunea de la ieşirea lui este menţinută constantă, tensiunea KU0 este egală cu valoarea tensiunii de referinţă Vref.Se consideră cele două situaţii extreme: când cursorul potenţiometrului se află la capătul dinspre rezistenţa R1 (caz în care tensiunea de la ieşirea stabilizatorului este minimă, adică 0,5U0) şi când cursorul potenţiometrului se află la capătul dinspre rezistenţa R6 (caz în care tensiunea de la ieşirea stabilizatorului este maximă, adică U0)

P1 = 1.41Ω, standardizam la 2.2 Ω R5 = 28.46 Ω, standardizam la 33 Ω R6 = 1.38 Ω, standardizam la 2.2 Ω

Cap.8. Convertorul Curent-Tensiune şi Amplificatorul Eroare Curent

R7 şi D6 formează un convertor curent tensiune. Tensiunea este preluată prin divizorul de tensiune şi aplicată în baza tranzistorului, care are rolul de a comanda elementul regulator serie.

Dioda D6 se alege astfel încât ID0 > I0.Vom alege dioda D6 1N4001 cu Ido=1A.

Io=0,8A 0,1*Io=0,08A

Din grafic rezultă: VFM=0,9V şi VFm=0,75V

Căderea maximă de tensiune pe convertorul I/U se va alege de 1,5V. Putem calcula valoarea rezistenţei R astfel:

R7=(1,5-0,9)/0,8=0,75Ω

PR7=0,75*0,8²=0,48W. Se alege un rezistor R7=1Ω cu puterea de 1W.

Condiţiile impuse tranzistorului T5 sunt

Se alege tranzistorul BD 245 cu proprietatile:- Vceo = 45 V- ICM = 15 A- Pd = 80 W- h21 = 40

ICM ≥ 3 mA Vceo ≥ 3 V

Valorile rezistoarelor R8, R9 şi a potenţiomentrului P2 se află rezolvând sistemul:

P2 = 383.83, se alege de 400 Ω R8 = 287.5, se alege de 287 Ω R9 = 366.17, se alege de 365 Ω

Cap.9. Elemente de protecţie

Protecţia la supracurent este realizată prin intermediul siguranţelor fuzibile F1, F2, F3 şi F4. Dacă aparatul lucrează cu conductor de împământare se vor amplasa siguranţe pe ambele fire de alimentare. F1 şi F2 sunt conectate în primarul transformatorului şi au valoarea de (1,5…2) Ip, unde Ip este curentul nominal din primarul transformatorului.

F1 = F2 = 2*Ip = 2 * 0.2 = 0.4 AAlegem F1=F2=1A

F3 protejează la supracurent toate elementele conectate în secundarul transformatorului. Valoarea ei va fi de (1,5…2)I0. Siguranţele vor fi de tip lent.

F4 este o siguranţă ultrarapidă inserată pentru a decupla alimentarea stabilizatorului în cazul în care este acţionată protecţia cu tiristor. Valoarea ei va fi de (1,5…2)I0.

F3 = 2*Is = 2* 1.4 = 2.8AAlegem F3=F4 = 3A

Protecţia la supratensiune se face pentru intrare şi pentru ieşire, iar supratensiunile ce pot apare pot fi de durată, sau scurte (impuls).Protecţia la impulsuri scurte pe intrare se face cu filtrul R10C2.

Filtrul R10C2 va avea valorile:R10 = 47 []C2 = 100 [nF]

Dioda D8 protejează la tensiuni inverse ce pot apare la înserierea mai multor surse, sau datorită unor sarcini inductive.

Alegem D8 de tipul 1N4001.

Condensatoarele C4 şi C5 absorb supratensiunea în impuls şi micşorează impedanţa de ieşire a sursei. Pentru frecvenţe joase şi medii protecţia este asigurată de condensatorul electrolitic, iar la frecvenţe înalte, protecţia este asigurată de cel ceramic.

Condensatorul C4 este de 470 [μF].Condensatorul C5 este de 0,1 [μF].

La apariţia unei supratensiuni pe ieşire, dioda D7 din ieşirea stabilizatorului se deschide şi amorsează tiristorul, scurtcircuitând punctul de intrare în stabilizator şi distrugând fuzibilul F4 datorită supracurentului.

Alegem dioda DZ 91Z cu tensiuni cuprinse intre 85 si 96 [V]

Protecţia la supratensiuni în regim permanent se face prin scurtcircuitare şi este asigurată de tiristorul Th. Amorsarea la impulsuri foarte scurte de tensiune a tiristorului este împiedicată de filtrul R11C3.

Filtrul R11C3 va avea valorile:

R11 = 220 []C3 = 100 [μF]

Condiţiile pentru tiristor sunt:

Alegem tiristorul: T6F – 1P cu caracteristicile:

Nomenclatorul de componente:

Tip componenta Valoare Numar de catalogR1 231Ω

R2, R3, R4, R5 33 ΩR6 2.2 ΩR7 0.75 ΩR8 287 ΩR9 365 ΩR10 47 ΩR11 220 ΩP1 2.2 ΩP2 400 ΩC1 470uFC2 100nFC3 100uFC4 470uFC5 0.1uF

D1,D2,D3,D4,D6 1N4001D5 1N751A

T1, T2, T3, T4, T5 BD 245Th T6F – 1P

F1, F2 1AF3, F4 3A

Sursa stabilizată de tensiune realizată cu circuite integrate

Date de pornire:

Vs min = 1.5 VVsmax = 2 + luna nasterii + (ziua nasterii/10) = 2 + 7 + 2.5 = 11.5 VIs max = 0.5 AVariatiile procentuale ale tensiunii retelei : ± 10%Temperatura mediului: 15...30 oC

Schema electrică:

1ohm

D 1

P 1

3

1

2

VsVref

C 3

V'ref=1,7...1,8V

R 6

P 23

1

2

-

+

TD A 2030

1

3

42

5

C 2

100uF

R 3

R 5

LED D 2

+

C 1

R 2

0,22uF

100nF

V r

Drept sursă de tensiune de referinţă vom folosi un LED care va furniza o tensiune de referinţă de V’ref=1,7…1,8V.

Alegem LED-ul cu numărul de catalog: LED55BF cu tensiunea Vforward=1,7V ,deci V’ref=1,7V.

Se determină tensiunea minimă pentru alimentare:

Vrmin=Vsmax+VCEs+Vorm+(0,5…1) (V)Pt Ismax=0,5A rezultă VCEs=1,1VVorm=0,1*Ismax(Vsmax+5)/(1+0,05*Vsmax)=0,52VVrmin=11.5 + 1.1 + 0.52 + 0.5 = 13.62 VVrmin=13.62 ≥ 6 + Vorm = 6,52 V, deci se îndeplineşte condiţia.

Se determină valorile nominală şi maximă ale tensiunii redresate la curent maxim şi în gol:

λ=0,15

Vr=Vrmin/(1-∆Vro-/Vro(1+λ))=13.62 / (1 – 0.1*(1 + 0.15)) = 15.38 VVrmax=Vr(1+ ∆Vro+/Vro(1+λ))=15.38 (1 + 0.1 * (1 + 0.15)) = 17.14 VVro=Vr(1+1,5λ )= 18.84 VVromax=Vro(1+∆Vro+/Vro) = 20.72 V Se verifică Vromax = 20.72 < V+MAX = 36V

La diferenţa de tensiune ∆Viemax = Vrmax – Vrmin = 17.14 - 1,5 = 15.64 V şi din figura 2.2 pt curba marcată PdMAX=15W rezultă posibilitatea realizării unui current maxim de sarcină de 1,5A.

Iomax=30+0,55Vrmax=30+0,55*17.14 = 39.42 mA

Pdmax=(Vrmax-Vsmin)*Ismax+Vrmax*Iomax = = (17.14 – 1.5) * 0.5 +17.14 * 0.039 = 8.48 W

Cum Pdmax = 8.48W, e nevoie de radiator.

Rezistenţa termică radiatorului trebuie să fie:Rthra ≤( 140-tamax)/Pdmax-3-2,5 = 7.47oC/W Aria suprafeţei de contact dintre capsulă şi radiator:A=650m/(Rthra-3,3⁴√m/λ*d) (cm²)

Alegem m=1 rezultă poziţie orizontală şi culoare naturală, λ-conductivitate termică

λ=210 /W pentru aluminiu, d=5mm grosimea tablei

A = 95.44 cm²

Rthjc şi Rthcr sunt date în catalog pentru TDA2030.Se estimează curentul de scurtcircuit al stabilizatorului

Pdscmax = (tjMAX - tamin) / (Rthjc + Rthcr + Rthra)=10.4 WVrmin = 13.62 V => ICsc=0,8A

Calculăm R5. Pentru Iled=10mA şi 1mA prin divizorul P2-R6

R5 = (Vr - V’ref) / 11 = (15.38 - 1,7) / 11= 1.5 kΩ;

P2 = (V’ref – 1 ) / 1 = 0,5 kΩ

R6 = P2 / (V’ref - 1) = 857 Ω, se standardizeaza la 866 Ω

Se adoptă Vref = 1,5V = Vsmin

P1=(Vsmax - Vref) / Id = (11.5 – 1.5) / 2=5 kΩ.

R2 = P1 * Vref/ (Vsmax - Vref) = 750 kΩ, se normalizează la 866 Ω

Irmaxsc = Icsc + Io = 0,83A

Schema electrică cu valorile calculate:

Nomenclatorul de componente:

Tip componenta Valoare Numar de catalogP1 5K ΩP2 0.5K ΩR2 866 ΩR3 1 ΩR5 1.5k ΩR6 866 ΩC1 100uFC2 100nFC3 0.22uFD1 1N4001D2 1N4001

LED LED55BF

AO TDA 2030

Cablajul:

Bibliografie:

- www.datasheet.com - http://www.e-piese.ro/ - http://www.datasheetcatalog.com - http://www.datasheetarchive.com/ - Notiţe sedinte de proiect electroalimentare