Лабораторный регулируемый источник питания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство просвещения ПМР

ГОУ «Тираспольский Техникум Информатики и Права»

Отделение Информационных технологий и экономических дисциплин

Дипломная работа

Тема: Лабораторный регулируемый источник питания на диапазоны выходных напряжений 1.5В - 12В и ток до 2А

Исполнитель:

Гонтарюк Дмитрий Александрович, гр. 414

Специальность: ТОСВТ

Руководитель:

преподаватель отделения ИТ

Петрова Юлия Владимировна

г. Тирасполь - 2011

Оглавление

Введение

Глава 1. Лабораторный регулируемый источник питания на диапазоны выходных напряжений 1.5В - 12В и ток до 2А

1.1 Основные теоретические сведения о источниках питания

1.2 Линейные источники питания

1.3 Стабилизаторы линейных источников питания

1.4 Обзор схем источников питания

1.5 Расчёт и выбор принципиальной схемы

1.6 Описание элементов схемы

1.7 Технология изготовления печатных плат

1.8 Правила пайки радиоэлектронных изделий

1.9 Принцип работы лабораторного стенда источника питания

Глава 2. Экономическая часть. Материально-техническое обеспечение на производстве

2.1 Материально-техническое обеспечение предприятия

2.2 Снабжение производственных цехов и участков

2.3 Управление производственными запасами. Логистический подход к управлению материальными потоками

2.4 Материально-техническое обеспечение ЗАО «Тиротекс»

Глава 3. Охрана труда

3.1 Анализ условий труда

3.2 Общие санитарно - гигиенические требования к воздуху рабочей зоны

3.3 Мероприятия по защите от шума и вибраций

3.4 Требования к освещению в производственных помещениях с электронной аппаратурой

3.5 Меры подавления статической электризации

3.6 Обеспечение электробезопасности

3.7 Требования безопасности при работе с компьютерной техникой

3.8 Требования безопасности при наладке и ремонте

3.9 Требования пожарной безопасности

Заключение

Список литературы

Введение

Неотъемлемой частью любого радиотехнического устройства является источник электропитания.

Для питания постоянным током электронных управляющих, измерительных и вычислительных устройств применяют источники питания малой мощности, которые обычно получают энергию от однофазной цепи переменного тока. Такие источники питания в настоящее время строятся как по традиционной схеме с выпрямителем, подключенным к сети через трансформатор, так и по схеме с бестрансформаторным входом, работа которой основана на многократном преобразовании электрической энергии.

Целью дипломной работы является регулируемый источник питания на диапазоне выходных напряжений от 1,5 до 12В.

Регулируемые блоки питания хороши для тех, у кого есть некоторое количество техники, которую можно подключить к сети блоками питания. Чтобы не покупать отдельный блок для каждого прибора достаточно приобрести один регулируемый блок питания. Это довольно таки мощные блоки питания позволяющие получать широкий диапазон напряжений. Обычно этот диапазон варьируется от 1.5 до 12 вольт, такие блоки питания также оснащаются регуляторами полярности.

Материально-техническое обеспечение производства как компонент логистики и обеспечивающей подсистемы, системы производственного менеджмента во многом определяет качество процесса переработки входа системы в ее выход - готовый продукт. При низком качестве входа системы невозможно получить высокое качество ее выхода. Процесс материально-технического обеспечения производства направлен на своевременную поставку на склады предприятия или сразу на рабочие места требуемых в соответствии с бизнес-планом материально-технических ресурсов.

В состав материально-технических ресурсов входят: сырье, материалы, комплектующие изделия, покупное технологическое оборудование и технологическая оснастка (приспособления, режущий и мерительный инструменты), новые транспортные средства, погрузочно-разгрузочное оборудование, вычислительная техника и другое оборудование, а также покупное топливо, энергия, вода. Другими словами, все, что поступает на предприятие в вещественной форме и в виде энергии, относится к элементам материально-технического обеспечения производства.

В современной жизни компьютер широко применяется в жизни человека: и дома, и в офисе, и в магазине, и в производстве, и даже в бытовой технике -- другими словами компьютеры прочно вошли в повседневную жизнь людей и их использование постоянно увеличивается.

Не секрет, что в офисах компьютеры в основном используются как вспомогательные средства обработки информации, и такое введение компьютерных технологий принципиально изменило характер труда офисных работников и требования к организации и охране труда.

Несоблюдение требований безопасности приводит к тому, что через некоторое время работы за компьютером сотрудник начинает ощущать определенный дискомфорт: у него возникают головные боли и резь в глазах, появляются усталость и раздражительность. У некоторых людей нарушается сон, ухудшается зрение, начинают болеть руки, шея, поясница и тому подобное. Что бы избежать этих неприятностей существуют различные мероприятия и инструкции по защите здоровья техника на рабочем месте, о чем и написано в третьей главе дипломной работы.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить литературу по технической, экономической и охране труда.

2. Создать лабораторный источник питания, построенный на схеме типа: КР142ЕН12 (LM317T)

Глава 1. Лабораторный регулируемый источник питания на диапазоны выходных напряжений 1.5В - 12В и ток до 2А

1.1 Основные теоретические сведения о источниках питания

Первая проблема, с которой сталкиваются при конструировании любых устройств -- это проблема электропитания.

При выборе и разработке источника питания (далее ИП) необходимо учитывать ряд факторов, определяемых условиями эксплуатации, свойствами нагрузки, требованиями к безопасности и т.д.

В первую очередь, конечно, следует обратить внимание на соответствие электрических параметров ИП требованиям питаемого устройства, а именно:

- * напряжение питания;

- * потребляемый ток;

- * требуемый уровень стабилизации напряжения питания;

- * допустимый уровень пульсации напряжения питания. Немаловажны и характеристики ИП, влияющие на его эксплуатационные качества:

- * наличие систем защиты;

- * массогабаритные размеры.

Являясь неотъемлемой частью радиоэлектронной аппаратуры, средства вторичного электропитания должны жестко соответствовать определенным требованиям, которые определяются как требованиями к самой аппаратуре в целом, так и условиями предъявляемыми к источникам питания и их работе в составе данной аппаратуры. Любой из параметров ИП, выходящий за границы допустимых требований, вносит диссонанс в работу устройства. Поэтому, прежде чем начинать сборку ИП к предполагаемой конструкции, внимательно проанализируйте все имеющиеся варианты и выберите такой ИП, который будет максимально соответствовать всем требованиям и вашим возможностям.

Существует четыре основных типа сетевых источников питания:

* бестрансформаторные, с гасящим резистором или конденсатором.

* линейные, выполненные по классической схеме:

понижающий трансформатор - выпрямитель - фильтр - стабилизатор.

* вторичные импульсные: понижающий трансформатор -фильтр - высокочастотный преобразователь 20-400 кГц.

* импульсный высоковольтный высокочастотный:

фильтр - выпрямитель ~220 В - импульсный высокочастотный преобразователь 20-400кГц.

1.2 Линейные источники питания

Отличаются предельной простотой и надежностью, отсутствием высокочастотных помех. Высокая степень доступности комплектующих и простота изготовления делает их наиболее привлекательными для повторения начинающими радио-конструкторами. Кроме того, в некоторых случаях немаловажен и чисто экономический расчет -- применение линейных ИП однозначно оправдано в устройствах, потребляющих до 500 мА, которые требуют достаточно малогабаритных ИП. К таким устройствам можно отнести:

* зарядные устройства для аккумуляторов;

* блоки питания радиоприемников, АОНов, систем сигнализации и т.д.

Некоторые конструкции, не требующие гальванической развязки с промышленной сетью, можно питать через гасящий конденсатор или резистор, при этом потребляемый ток может достигать сотен мА.

Эффективность и рациональность применения линейных ИП значительно снижается при токах потребления более 1 А. Причинами этого являются следующие явления:

* колебания сетевого напряжения сказываются на коэффициенте стабилизации;

* на входе стабилизатора приходится устанавливать напряжение, которое будет заведомо выше минимально допустимого при любых колебаниях напряжения в сети, а это значит, что когда эти колебания высоки. Необходимо устанавливать завышенное напряжение, что в свою очередь влияет на проходной транзистор (неоправданно большое падение напряжения на переходе, и как следствие -- высокое тепловыделение);

* большой потребляемый ток требует применения габаритных радиаторов на выпрямляющих диодах и регулирующем транзисторе, ухудшает тепловой режим и габаритные размеры устройства в целом.

В настоящее время традиционные линейные источники питания все больше вытесняются импульсными. Однако, несмотря на это, они продолжают оставаться весьма удобным и практичным решением в большинстве случаев радиолюбительского конструирования (иногда и в промышленных устройствах). Причин тому несколько: во-первых, линейные источники питания конструктивно достаточно просты и легко настраиваются, во-вторых, они не требуют применения дорогостоящих высоковольтных компонентов и, наконец, они значительно надежнее импульсных ИП.

Типичный линейный ИП содержит в своем составе:

· сетевой понижающий трансформатор

· диодный мост с фильтром

· стабилизатор, который преобразует нестабилизированное напряжение, получаемое со вторичной обмотки трансформатора через диодный мост и фильтр, в выходное стабилизированное напряжение, причем, это выходное напряжение всегда ниже нестабилизированного входного напряжения стабилизатора.

Основным недостатком такой схемы является низкий КПД и необходимость резервирования мощности практически во всех элементах устройства (т.е. требуется установка компонентов допускающих большие нагрузки, чем предполагаемые для ИП в целом, например, для ИП мощностью 10 Вт требуется трансформатор мощностью не менее 15 Вт и т.п.). Причиной этого является принцип по которому функционируют стабилизаторы линейных ИП. Он заключается в рассеивании на регулирующем элементе некоторой мощности.

Ppac = Iнагр * (Uвх - Uвых)

Из формулы (1) следует, что чем больше разница между входным и выходным напряжением стабилизатора, тем большую мощность необходимо рассеивать на регулирующем элементе. С другой стороны, чем более нестабильно входное напряжение стабилизатора, и чем больше оно зависит от изменения тока нагрузки, тем более высоким оно должно быть по отношению к выходному напряжению. Таким образом видно, что стабилизаторы линейных ИП функционируют в достаточно узких рамках допустимых входных напряжений, причем эти рамки еще сужаются при предъявлении жестких требований к КПД устройства. Зато достигаемые в линейных ИП степень стабилизации и подавление импульсных помех намного превосходят другие схемы.

1.3 Стабилизаторы линейных источников питания

Параметрические стабилизаторы

Основаны на использовании особенностей вольт - амперных характеристик некоторых полупроводниковых приборов -- в основном, стабилитронов. Их отличает высокое выходное сопротивление. невысокий уровень стабилизации и низкий КПД. Такие стабилизаторы применяются только при малых нагрузках, обычно -- как элементы схем (например, в качестве источников опорного напряжения).

Основа простейшего параметрического стабилизатора (рис.1) - цепочка из резистора R1 и стабилитрона VD1.

Рис. 1 Простейший параметрический стабилизатор

Стабилитрон - это специальный диод, включенный в обратной полярности и работающий в режиме лавинного обратимого пробоя. Если повышать обратное напряжение на стабилитроне, то сначала ток будет небольшим, а по достижении напряжения стабилизации (об этом указывается в справочных данных) резко возрастет. Чтобы ограничить возрастание тока через стабилитрон, его включают через резистор R1 (это так называемый балластный резистор). Рассчитывают ток через стабилитрон по формуле (2)

I = (Uвх - Uст)/R.

Где: I - ток

Uвх - входное напряжение, Uст - выходное напряжение, R - сопротивление.

Таким образом, входное напряжение должно быть всегда больше выходного, стабилизированного.

При питании маломощных устройств часто обходятся таким простейшим стабилизатором, снимая выходное напряжение со стабилитрона. При расчете по данной формуле ток I должен включать в себя как ток стабилитрона (обычно 5...20 мА), так и ток нагрузки (такого же порядка).

При большем токе нагрузки используют дополнительный транзистор VT1, включенный как эмиттерный повторитель (рис. 2).



Рис. 2 Эмиттерный повторитель

Он "повторяет" на нагрузке стабилизированное напряжение базы. Выходное напряжение Uст примерно на 0,7 В (падение напряжения на переходе база-эмиттер) меньше паспортного напряжения стабилизации стабилитрона. При больших токах нагрузки используют составной транзистор.

Главные недостатки данного стабилизатора - низкий коэффициент стабилизации 20-50 и низкий КПД 20-30%

Компенсационные стабилизаторы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Компенсационный стабилизатор

Стабилизаторы компенсационного типа характеризуются тем, что напряжение на выходе остается практически неизменным при изменении входного напряжения или тока нагрузки в результате воздействия цепи

отрицательной обратной связи на регулирующий элемент схемы. Таким образом, принципиальным отличием компенсационного стабилизатора от параметрического является наличие в схеме отрицательной обратной связи (рис. 3).

На рисунке приведена блок-схема компенсационного стабилизатора, состоящего из трех элементов:

· регулирующего 1,

· измерительного 2

· усилительного 3.

Элемент 1 представляет собой регулируемое активное (для стабилизаторов постоянного тока) и реактивное нелинейное (для стабилизаторов переменного тока) сопротивление, включенное последовательно с нагрузкой. Элемент 2 фиксирует отклонение напряжения на выходе стабилизатора от некоторого эталонного напряжения. Элемент 3 усиливает изменение выходного напряжения и воздействует на регулирующий элемент, изменяя его сопротивление и поддерживая этим постоянство выходного напряжения с высокой степенью точности.

Импульсные источники питания.

В отличие от традиционных линейных ИП, предполагающих гашение излишнего нестабилизированного напряжения на проходном линейном элементе, импульсные ИП используют иные методы и физические явления для генерации стабилизированного напряжения, а именно: эффект накопления энергии в катушках индуктивности, а также возможность высокочастотной трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное напряжение. Существует три типовых схемы построения импульсных ИП:

· повышающая (выходное напряжение выше входного),

· понижающая (выходное напряжение ниже входного),

· инвертирующая (выходное напряжение имеет противоположную по отношению к входному полярность).

Отличаются они лишь способом подключения индуктивности, в остальном, принцип работы остается неизменным, а именно.

Ключевой элемент (обычно применяют биполярные или МДП транзисторы), работающий с частотой порядка 20-100 кГц, периодически на короткое время (не более 50% времени) прикладывает к катушке индуктивности полное входное нестабилизированное напряжение. Импульсный ток. протекающий при этом через катушку, обеспечивает накопление запаса энергии в её магнитном поле 1/2LI^2 на каждом импульсе. Запасенная таким образом энергия из катушки передастся в нагрузку (либо напрямую, с использованием выпрямляющего диода, либо через вторичную обмотку с последующим выпрямлением), конденсатор выходного сглаживающего фильтра обеспечивает постоянство выходного напряжения и тока. Стабилизация выходного напряжения обеспечивается автоматической регулировкой ширины или частоты следования импульсов на ключевом элементе (для слежения за выходным напряжением предназначена цепь обратной связи).

Такая, хотя и достаточно сложная, схема позволяет существенно повысить КПД всего устройства. Дело в том, что, в данном случае, кроме самой нагрузки в схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие значительную мощность. Ключевые транзисторы работают в режиме насыщенного ключа (т.е. падение напряжения на них мало) и рассеивают мощность только в достаточно короткие временные интервалы (время подачи импульса). Помимо этого, за счет повышения частоты преобразования можно существенно увеличить мощность и улучшить массогабаритные характеристики.

Важным технологическим преимуществом импульсных ИП является возможность построения на их основе малогабаритных сетевых ИП с гальванической развязкой от сети для питания самой разнообразной аппаратуры. Такие ИП строятся без применения громоздкого низкочастотного силового трансформатора по схеме высокочастотного преобразователя. Это, собственно, типовая схема импульсного ИП с понижением напряжения, где в качестве входного напряжения используется выпрямленное сетевое напряжение, а в качестве накопительного элемента -- высокочастотный трансформатор (малогабаритный и с высоким КПД), со вторичной обмотки которого и снимается выходное стабилизированное напряжение (этот трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку с сетью).

К недостаткам импульсных ИП можно отнести: наличие высокого уровня импульсных шумов на выходе, высокую, сложность и низкую надежность (особенно при кустарном изготовлении), необходимость применения дорогостоящих высоковольтных высокочастотных компонентов, которые в случае малейшей неисправности легко выходят из строя "всем скопом" (при этом. как правило, можно наблюдать впечатляющие пиротехнические эффекты). Любителям покопаться во внутренностях устройств с отверткой и паяльником при конструировании сетевых импульсных ИП придется быть крайне осторожными, так как многие элементы таких схем находятся под высоким напряжением.

1.4 Обзор схем источников питания

Первая проблема, с которой при конструировании любых устройств сталкиваются и начинающие и опытные радиолюбители -- это проблема электропитания. В настоящей параграфе будут рассмотрены разнообразныесетевые источники питания (микромощные, средней мощности, мощные). При выборе и разработке источника питания (далее ИП) необходимо учитывать ряд факторов, определяемых условиями эксплуатации, свойствами нагрузки, требованиями к безопасности и т.д. В первую очередь, конечно, следует обратить внимание на соответствие электрических параметров ИП требованиям питаемого устройства, а именно:

* напряжение питания;

* потребляемый ток;

* требуемый уровень стабилизации напряжения питания;

* допустимый уровень пульсации напряжения питания. Немаловажны и характеристики ИП. влияющие на его эксплуатационные качества:

* наличие систем защиты;

* массогабаритные размеры.

Являясь неотъемлемой частью радиоэлектронной аппаратуры, средства вторичного электропитания должны жестко соответствовать определенным требованиям, которые определяются как требованиями к самой аппаратуре в целом, так и условиями предъявляемыми к источникам питания и их работе в составе данной аппаратуры. Любой из параметров ИП, выходящий за границы допустимых требований, вносит диссонанс в работу устройства. Поэтому, прежде чем начинать сборку ИП к предполагаемой конструкции, внимательно проанализируйте все имеющиеся варианты и выберите такой ИП, который будет максимально соответствовать всем требованиям и вашим возможностям.

Существует четыре основных типа сетевых источников питания:

* бестрансформаторные, с гасящим резистором или конденсатором.

* линейные, выполненные по классической схеме:

* понижающий трансформатор - выпрямитель - фильтр

* стабилизатор.

* вторичные импульсные: понижающий трансформатор -фильтр - высокочастотный преобразователь 20-400 кГц.

* импульсный высоковольтный высокочастотный: фильтр

* выпрямитель ~220 В - импульсный высокочастотный

преобразователь 20-400кГц. Линейные источники питания отличаются предельной простотой и надежностью, отсутствием высокочастотных помех. Высокая степень доступности комплектующих и простота изготовления делает их наиболее привлекательными для повторения начинающими радиоконструкторами. Кроме того, в некоторых случаях немаловажен и чисто экономический расчет -- применение линейных ИП однозначно оправдано в устройствах, потребляющих до 500 мА, которые требуют достаточно малогабаритных ИП. К таким устройствам можно отнести:

* зарядные устройства для аккумуляторов;

* блоки питания радиоприемников, АОНов, систем сигнализации и т.д.

Необходимо отметить, что некоторые конструкции, не требующие гальванической развязки с промышленной сетью, можно питать через гасящий конденсатор или резистор, при этом потребляемый ток может достигать сотен мА.

Эффективность и рациональность применения линейных ИП значительно снижается при токах потребления более 1 А. Причинами этого являются следующие явления:

* колебания сетевого напряжения сказываются на коэффициенте стабилизации;

* на входе стабилизатора приходится устанавливать напряжение, которое будет заведомо выше минимально допустимого при любых колебаниях напряжения в сети, а это значит, что когда эти колебания высоки. необходимо устанавливать завышенное напряжение, что в свою очередь влияет на проходной транзистор (неоправданно большое падение напряжения на переходе, и как следствие -- высокое тепловыделение);

* большой потребляемый ток требует применения габаритных радиаторов на выпрямляющих диодах и регулирующем транзисторе, ухудшает тепловой режим и габаритные размеры устройства в целом.

Достаточно просты в изготовлении и эксплуатации вторичные импульсные преобразователи напряжения, их отличает простота изготовления и дешевизна комплектующих. Экономически и технологически оправдано конструировать ИП по схеме вторичного импульсного преобразователя для устройств с током потребления 1-5 А, для бесперебойных ИП к системам видеонаблюдения и охраны, для усилителей низкой частоты, радиостанций, зарядных устройств.

Лучшая отличительная черта вторичных преобразователей перед линейными -- массогабаритные характеристики выпрямителя, фильтра, преобразователя, стабилизатора. Однако их отличает большой уровень помех, поэтому при конструировании необходимо уделить внимание экранированию и подавлению высокочастотных составляющих в шине питания.

В последнее время получили достаточно широкое распространение импульсные ИП, построенные на основе высокочастотного преобразователя с бестрансформаторным входом. Эти устройства, питаясь от промышленной сети ~110В/220В, не содержат в своем составе громоздких низкочастотных силовых трансформаторов, а преобразование напряжения осуществляется высокочастотным преобразователем на частотах 20-400 кГц. Такие источники питания обладают на порядок лучшими массогаба-ритными показателями по сравнению с линейными, а их КПД может достигать 90% и более. ИП с импульсным высокочастотным преобразователем существенно улучшают многие характеристики устройств, питаемых от этих источников, и могут применяться практически в любых радиолюбительских конструкциях. Однако их отличает достаточно высокий уровень сложности, высокий уровень помех в шине питания, низкая надежность, высокая себестоимость, недоступность некоторых компонентов. Таким образом, необходимо иметь очень веские основания для применения импульсных ИП на основе высокочастотного преобразователя в любительской аппаратуре (в промышленных устройствах это в большинстве случаев оправдано). Такими основаниями могут служить: вероятность колебаний входного напряжения в пределах ~100-300 В. возможность создавать ИП с мощностью от десятков ватт до сотен киловатт на любые выходные напряжения, появление доступных высокотехнологичных решений на основе ИМС и других современных компонентов.

Источники питания с разделительными конденсаторами

В микро-мощных источниках питания с гальванической связью с промышленной сетью обычно применяются т.н. разделительные конденсаторы, которые представляют собой не что иное, как шунтирующие сопротивления, включаемые последовательно в цепь питания. Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает сопротивлением, которое зависит от частоты и называется реактивным. Емкость разделительного конденсатора (при условии применения в промышленной- сети ~220 В, 50 Гц) можно рассчитать по следующей формуле (3).

Для примера: зарядное устройство для никель-кадмиевых аккумуляторов 12В емкостью 1 А/ч может быть запитано от сети через разделительный конденсатор. Для никель-кадмиевых аккумуляторов зарядный ток составляет 10% от номинала, т.е. 100 мА в нашем случае. Далее, учитывая падение напряжения на стабилизаторе порядка 3-5 В, получаем, что на входе зарядного устройства необходимо обеспечить напряжение ~18 В при рабочем токе 100 мА. Подставляя эти данные, получаем:

По четвертой формуле:

По пятой формуле:

Таким образом, выбираем С = 1,5 мкФ с удвоенным рабочим напряжением 500 В (могут применяться конденсаторы типов: МБМ, МГБП, МБТ). Полная схема зарядного устройства с разделительным конденсатором приведена на (рис. 4) Устройство пригодно для зарядки аккумуляторов током не более 100 мА при напряжении заряда не более 15В. Подстроечным резистором R2 устанавливают необходимое значение напряжения заряда. R1 выполняет роль ограничителя тока в начале заряда, а выделяемое на нем напряжение подается на светодиод. По интенсивности свечения светодиода можно судить -- насколько разряжена АКБ.

Рис. 4 Зарядное устройство с разделительным конденсатором

При эксплуатации этого источника питания (и любых других ИП без гальванической развязки с сетью) необходимо помнить о мерах безопасности. Устройство и заряжаемая батарея все время находятся под потенциалом промышленной сети. В некоторых случаях такие ограничения делают невозможной нормальную эксплуатацию устройств, поэтому приходится обеспечивать гальваническую развязку ИП от сети.

Маломощный источник питания с разделительным конденсатором , но с гальванической развязкой от промышленной сети можно изготовить на основе переходного трансформатора или реле магнитного пускателя, причем их рабочее напряжение может быть и ниже 220 В. На (рис. 5) показана принципиальная схема такого источника питания.

Емкость разделительного конденсатора рассчитывается с учетом параметров трансформатора (т.е., зная коэффициент трансформации. сначала рассчитывают напряжение, которое необходимо обеспечить на входе трансформатора, а затем, убедившись в допустимости такого напряжения для применяемого трансформатора, рассчитывают параметры конденсатора).

Мощность, отдаваемая таким источником питания, вполне может питать квартирный звонок, приемник, аудиоплеер.

Рис. 5 Маломощный источник питания с разделительным конденсатором

Источники питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя

Достаточно часто при конструировании устройств возникают жесткие требования к размерам источника питания. В этом случае единственным выходом является применение ИП на основе высоковольтных высокочастотных импульсных преобразователей. которые подключаются к сети ~220 В без применения габаритного низкочастотного понижающего трансформатора и могут обеспечить большую мощность при малых размерах и теплоотдаче.

Структурная схема типового импульсного преобразователя с питанием от промышленной сети представлена на (рис 6).

Входной фильтр предназначен для предотвращения проникновения импульсных помех в сеть. Силовые ключи обеспечивают подачу импульсов высокого напряжения на первичную обмотку высокочастотного трансформатора (могут применяться одно- и двухтактные схемы).



Рис. 6. Структурная схема типового импульсного преобразователя

Частота и длительность импульсов задаются управляемым генератором (обычно применяется управление шириной импульсов, реже -- частотой). В отличие от трансформаторов синусоидального сигнала низкой частоты, в импульсных ИП применяются широкополосные устройства, обеспечивающие эффективную передачу мощности на сигналах с быстрыми фронтами. Это накладывает существенные требования на тип применяемого магнитопровода и конструкцию трансформатора. С другой стороны, с увеличением частоты требуемые размеры трансформатора (с сохранением передаваемой мощности) уменьшаются (современные материалы позволяют строить мощные трансформаторы с приемлемым КПД на частоты до 100-400 кГц). Особенностью выходного выпрямителя является применение в нем не обычных силовых диодов, а быстродействующих диодов Шоттки, что обусловлено высокой частотой выпрямляемого напряжения. Выходной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Напряжение обратной связи сравнивается с опорным напряжением и затем управляет генератором. Обратите внимание на наличие гальванической развязки в цепи обратной связи, что необходимо, если мы хотим обеспечить развязку выходного напряжения с сетью.

При изготовлении таких ИП возникают серьезные требования к применяемым компонентам (что повышает их стоимость по сравнению с традиционными). Во-первых, это касается рабочего напряжения диодов выпрямителя, конденсаторов фильтра и ключевых транзисторов, которое не должно быть менее 350 В во избежание пробоев. Во-вторых, должны применяться высокочастотные ключевые транзисторы (рабочая частота 20-100 кГц) и специальные керамические конденсаторы (обычные оксидные электролиты на высоких частотах будут перегреваться ввиду их высокой индуктивности).

И в-третьих, частота насыщения высокочастотного трансформатора, определяемая типом применяемого магнитопровода (как правило, используются тороидальные сердечники) должна быть значительно выше рабочей частоты преобразователя.

Защита от превышения сетевого напряжения

В промышленной и бытовой сети довольно часто можно зафиксировать непредвиденные броски напряжения, при этом напряжение в сети может превышать номинальное на 20-40%. Такие броски условно можно разделить на два класса:

1. Кратковременные -- увеличение амплитуды в течение нескольких периодов.

2. Длительные -- увеличение напряжения в течение нескольких секунд или минут.

Первые можно отнести скорее к импульсным помехам, что связано с коммутацией на линии каких-то мощных нагрузок (сварочные аппараты, двигатели, нагревательные элементы). Они, несомненно, оказывают влияние на бытовую технику и, особенно, на чувствительные элементы источников питания телевизоров, аудиоцентров. которые часто находятся в дежурном режиме круглые сутки.

Устройство защиты от импульсных помех в сети

Схема состоит из следующих узлов:

* источник питания -- VD1-VD4, R6, R7, VD5, VD7,Cl, C2;

* датчик-компаратор -- Rl, R2, R3, R4, R5, HL1, VD8, DA1, R8, R9;

* формирователь сброса с задержкой по выключению -- VD9, R10, DD1.1,DD1.2, VD10, R11, СЗ;

* генератор импульсов высокой частоты 25 кГц для управления симмистором--DD 1.3, DD1.4, R 12, R 13, С4, С5, R14, ТР1, VS1.

* звуковой сигнализатор (выполняется по желанию) --

R14, R15, C6,C7,HA1,DD2.

Источник питания вырабатывает два напряжения: +24 В -- для питания импульсного трансформатора, +5 В -- для питания ИС устройства.

Узел контроля напряжения собран на Rl, R2, R3. С делителя напряжение поступает на вход компаратора. Уровень срабатывания по превышению напряжения устанавливается резистором R2 (положение движка подбирается таким образом, чтобы компаратор был на грани срабатывания при 245 В на входе). При превышении на входе компаратора заданного амплитудного значения он переключается и на выходе появляются прямоугольные импульсы с частотой 25 Гц.

В исходном состоянии на выходе D1.2 поддерживается высокий логический уровень, разрешающий работу генератора управления симмистором (для поддержания его в открытом состоянии). Транзистор VT1 управляет импульсным трансформатором. формирующим мощные импульсы напряжения открывают. Частота генератора выбрана равной 25 кГц для скорейшего отпирания силового ключа в моменты перехода через "нуль" (если частота управления будет недостаточной, может случиться так, что когда во время включения появятся высоковольтные выбросы и будет искажена форма синусоидального сигнала, система не успеет среагировать и искаженный сигнал поступит на нагрузку).

Дифференцирующая цепочка на элементах D1.1 и D1.2 осуществляет запрет работы генератора при поступлении низкого уровня с выхода компаратора (при повышении порогового напряжения в сети) и с задержкой в 9с разрешает запуск генератора, когда напряжение снизится до порогового значения 240 В. Импульсный трансформатор ТР1 намотан на матнитопро воде типоразмера К20х10х7,5 из феррита марки 2000НН и содержит: обмотка I -- 100 витков, обмотка II -- 40 витков провода ПЭЛШО-0,22. Обмотки изолируют от кольца слоем лакоткани и размещают на противоположных сторонах кольца. При мощности нагрузки более 300 Вт симмистор необходимо установить на радиатор.

1.5 Расчёт и выбор принципиальной схемы

Расчет понижающего трансформатора проводят в следующем порядке

1. Предполагают известными напряжение U2 и ток Ia вторичной обмотки.

Рис. 7 Понижающий и повышающий автотрансформаторы

2. Определяют полную мощность вторичной обмотки, по формуле (6),(7)

Р2 = U2 * I2 - для однофазного трансформатора

Р2=3U2ф*I2ф - для трехфазного

Где:

U2ф, I2ф - соответственно фазные напряжение и ток. Если вторичных обмоток несколько, вычисляют мощность каждой и суммируют все.

3. Рассчитывают мощность первичной обмотки по формуле (8)

p1 = р2/n

где: n - коэффициент полезного действия (далее КПД) трансформатора; его определяют из таблицы 6.

Таблица 1. Расчет мощности первичной обмотки.

S1, B*A	Вм,Тл	n,%	b, А/мм2
<=10	1.1	82	4,8
20	1,25	85	3.9
40	1,36	87	3,2
70	1.4	89	2,8
100	1,36	91	2.6
200	1.26	93	2
400	1.16	96	1,6
700	1,1	96	1,3
1000	1,06	96	1.2

4. Вычисляют площадь поперечного сечения магнитопровода Q в см2: стержневого по девятой формуле:

Q=k(P1/2f)1/2

броневого (центрального керна) по десятой формуле:

Q=k(P1/f)1/2

трехфазного трансформатора по одиннадцатой формуле:

Q = k(P1/3f)1/2

Где:

k = 4...6 - для маслозаполненных трансформаторов, k = 6...8 - для воздушных трансформаторов, f - частота сети.

Для понижающего автотрансформатора и понижающего по 12 и 13 формулам.

P1=(U1-U2)I1/n1

P1=(U2-U1)I2/n

Будем считать, что охлаждение - наиболее распространенное в радиолюбительских условиях - воздушное. Если монтаж аппаратуры, включая и блок питания, очень плотный и объем внутреннего пространства мал, то принимают k = 8. При свободном размещении элементов и узлов аппаратуры k = 6. Когда рассчитывают автотрансформатор, значение k увеличивают на 20 %.

5. Выбирают магнитопровод с поперечным сечением (произведение ширины стержня или центрального керна для броневого магнитопровода на толщину пакета пластин) не менее расчетного. В крайнем случае допустимо использовать магнитопровод с меньшей площадью по сравнению с рассчитанной, но не более чем на 10 %. Следует учитывать, что применение такого магнитопровода скорее всего приведет к повышенной температуре нагрева трансформатора под нагрузкой, а также катушка (или катушки) может не поместиться в отведенном для нее окне.

6. Рассчитывают число витков обмоток. Для первичной обмотки одно- и трехфазных трансформаторов по формулам 14 и 15.

w1=100U1/(2,22ВмQ)

a w2=w1U2/U1

Можно рассчитать число витков на 1 В рабочего напряжения по формуле (16).

wo=45/Q

Где: 45 - постоянная для трансформаторной стали. Правда, точность расчета при этом будет хуже, чем для вышеприведенных формул. Чтобы компенсировать потери, увеличивают число витков вторичных обмоток примерно на 10 % для проводов диаметром до 0,2 мм и на 5 % для остальных.

7. Отдельно рассмотрим понижающий (рис. 7а) и повышающий (рис. 7б) автотрансформаторы. Число витков w1+w2 = 100U1/(2,22ВмQ), w2=100U2/(2,22ВмQ) - для понижающего автотрансформатора; w1 = 100U1/(2,22ВмQ), w2=100(U2-U1)/(2,22BмQ) - для повышающего автотрансформатора. Число витков вторичных частей обмоток также корректируют, как в п. 6.

8. Рассчитывают ток обмоток однофазных трансформаторов I1 = P1/U1 и трехфазных по формулам 17 и 18.

Ток вторичной обмотки либо известен, либо рассчитывают исходя из мощности вторичных обмоток трансформатора Р2 по формулам 19, 20 Однофазного:

I2 = P2/U2

Трехфазного:



Рис. 8 Обмотка трансформатора

9. Рассчитывают диаметры проводов обмоток по формуле 21.

d=1,13 (Inp/b)1/2

где: Inp - максимальный ток провода в А. Следует помнить, что по обмотке w2 автотрансформатора протекает ток, равный разности входного и выходного I1 - I2. Если необходимо вычислить, какой ток можно пропустить по проводу определенного диаметра, применяют формулу 22.

Inp = d2b/1,277

Рассчитав d для всех обмоток, выбирают ближайшие значения из ряда стандартных проводов, выпускаемых промышленностью.

10. Проверяют заполнение окна магнитопровода. Суть этого заключается в уточнении - поместятся ли все обмотки на каркасе катушки. Вначале рассчитывают число витков одного слоя на ширину заполнения каркаса по формуле 23.

wc=(0,9...0,95)с/dпр

Где: dnp - диаметр провода в изоляции (мм).

Далее определяют число слоев для каждой обмотки отдельно по формуле 24.

х=woбм/wc

Вычисляют толщину заполнения каркаса катушки каждой из обмоток по формуле 25.

у=х*dnp.из+dt

Где: dt - суммарная толщина межслойной и межобмоточной изоляции (мм). Проверяют высоту заполнения каркаса проводом это условие не выполняется, нужно выбрать магнитопровод трансформатора с большим окном.

И последние рекомендации по сборке трансформатора. Катушки не должны соприкасаться с магнитопроводом. Магнитопровод собирают как можно плотнее. Чтобы не было "выпячивания" пластин после стягивания их винтами, накладывают стягивающий каркас. Если магнитопровод собран не плотно, он греется на холостом ходу и прослушивается низкочастотный шум. Перед сборкой надо не полениться проверить каждую пластину, очистить их от ржавчины и покрыть с одной стороны тонким слоем быстросохнущего лака.

Наматывая катушку, следят, чтобы не было перехлестав проводов. Каждые несколько слоев сетевой обмотки (соответствующие 50...60 В) изолируют одним слоем изоляции. Если к блоку питания предъявляют жесткие требования по прохождению помех из сети, первичную обмотку экранируют от вторичных незамкнутым слоем фольги, не забывая об изоляции между обмотками. Экранирующую обмотку соединяют с общим проводом источника питания.

Расчёт выпрямителя

Для выпрямления переменного напряжения чаще всего применяются мостовая (рис. 9) схема выпрямления.

Рис. 9 - Схемы выпрямления - мостовая

Расчет выпрямителя сводится к определению параметров для выбора вентилей: максимального значения среднего тока вентилей 1а и максимально возможного обратного напряжения вентилей Uo6p.

Определяем среднее значение анодного тока вентилей выпрямителя по формуле 26.

где:

К1 - коэффициент использования вентилей по току, для соответствующей схемы выпрямления.

Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к вентилям, можно определить по формуле 27.

где:

Кв - коэффициент, связывающий действующее значение выпрямленного напряжения и амплитудное значение напряжения на диодах;

Ud - максимальное значение выпрямленного напряжения.

Максимальное значение выпрямленного напряжения необходимо определять с учетом возможного 10% повышения напряжения сети по формуле 28.

Мостовая схема выпрямителя.

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на (рис. 10)

Рис. 10 Принципиальная схема и осциллограммы напряжения

U2 - Напряжение вторичной обмотки трансформатора

Uн - Напряжение на нагрузке.

Uн0 - Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.

Основная особенность данной схемы - использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения. При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки - вентиль V2 - верхний вывод нагрузки - нагрузка - нижний вывод нагрузки - вентиль V3 - нижний вывод вторичной обмотки - обмотка. При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки - вентиль V4 - верхний вывод нагрузки - нагрузка - нижний вывод нагрузки - вентиль V1 - верхний вывод вторичной обмотки - обмотка. Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку (выделено курсивом) одинаково.

Преимущества: По сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.

Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах. На основе этой схемы, при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора можно получить еще два варианта схем выпрямления, см. (рис.11)

Рис. 11 Схема выпрямителя

На левой схеме отвод от средины вторичной обмотки позволяет получить еще одно напряжение, меньше основного в 2 раза. Таким образом основное напряжение получается с мостовой схемы выпрямления, дополнительное - с двухполупериодной.

На правой схеме получается двуполярное напряжение амплитудой в 2 раза меньше чем получаемое в основной схеме. Оба напряжения получаются с помощью двуполупериодных схем выпрямления.

Расчет сглаживающего фильтра

При малых мощностях нагрузки и высоких напряжениях нагрузки более предпочтительным является применение емкостного фильтра.



Рис. 12 - Схема емкостного фильтра

Определим коэффициент пульсации на входе и выходе фильтра для расчета необходимого коэффициента сглаживания. Коэффициент пульсации на входе фильтра определяется схемой выпрямления и рассчитывается по формуле 29.

Где:

Количество пульсаций за период:

Номер гармонической составляющей:

Предварительно можно принять равным:

Где: Ud min - минимальное значение выпрямленного напряжения.

Коэффициент пульсаций на выходе фильтра по формуле 32.

Коэффициент сглаживания по формуле 33.

Расчёт параметров для выбора элементов емкостного фильтра по 34 формуле.

Максимальное напряжение на конденсаторе Ucmax определяется по формуле 35.

Выбранный из справочника конденсатор должен удовлетворять условиям с>сФ и uс>uстах. Выбираем два конденсатора К50-18

1.6 Описание элементов схемы

1. КР142ЕН18А - Регулируемый стабилизатор отрицательного напряжения рис. 13

Рис. 13 Регулируемый стабилизатор

Расположение выводов

1 Регулирование

2 Вход

3 Выход

КР142ЕН18А - регулируемый 3-х выводной стабилизатор отрицательного напряжения, позволяющий питать устройства током до 2А в диапазоне напряжений от 1.5В до -12В. Для установки выходного напряжения требуется всего два внешних навесных резистора. Он включает в себя встроенный токовый ограничитель, термозащиту, защиту выходных транзисторов. КР142ЕН18А может быть полезен в широком спектре применений включающих, например, стабилизаторы, расположенные в непосредственной близости от потребителей. На базе данного прибора может быть построен стабилизатор с программируемым выходным напряжением, или, подключением постоянного резистора между входом регулирования и выходом, можно перевести его в режим прецизионного токового стабилизатора.

Типовая схема включения Рис. 14

R1, R2 - резисторы установки выходного напряжения Рис. 14

Чертёж корпуса

Рис. 15 Чертёж корпуса

Микросхемы КР142ЕН18А и КР142ЕН18Б представляют собой регулируемые стабилизаторы напряжения с выходным напряжением 1.5...12 В и выходным током 1 А и 2 А соответственно. Регулирующий элемент стабилизатора включен в минусовой провод источников питания. Корпус и цоколевка стабилизаторов этого типа аналогичны микросхеме КР142ЕН5А.

Микросхемы оснащены системой защиты от перегрузки выходным током и от перегрева. Входное напряжение должно находиться в диапазоне 1.5...12 В. Мощность, рассеиваемая микросхемой с теплоотводом, не должна превышать 8 Вт. При всех условиях эксплуатации емкость входного конденсатора С 1 не должна быть менее 2 мкФ. При наличии сглаживающего фильтра выходного напряжения, если длина проводников, соединяющих его со стабилизатором, не превышает 1 м, входным конденсатором стабилизатора может служить выходной конденсатор фильтра. Выходное напряжение устанавливают выбором номиналов резисторов R1 и R2. Они связаны соотношением: Uвых=Uвых мин(1+R2/R1), при этом ток, протекающий через эти резисторы, должен быть не менее 5 мА. Емкость конденсатора С2 выбирают обычно большей 2 мкФ.

В тех случаях, когда суммарная емкость на выходе стабилизатора превышает 20 мкФ, случайное замыкание входной цепи стабилизатора может привести к выходу из строя микросхемы, поскольку к ее элементам будет приложено напряжение конденсатора в обратной полярности. Для защиты микросхемы от подобных перегрузок необходимо включать защитный диод VD1, шунтирующий ее при аварийном замыкании входной цепи. Аналогично диод VD2 защищает микросхему по выводу 17 в тех случаях, когда по условиям эксплуатации емкость конденсатора С2 должна быть более 10 мкФ при выходном напряжении более 25 В

На базе интегрального стабилизатора напряжения можно выполнить и стабилизатор тока. Выходной ток стабилизации ориентировочно равен 1вых=1,5 B/R1, где R1 выбирают в пределах 1...120 Ом. С помощью переменного резистора R3 можно регулировать выходной ток.

Если обратиться к справочным характеристикам интегральных стабилизаторов напряжения КР142ЕН12А (Б), то можно заметить у них много общего с КР142ЕН18А (Б). Типовая схема включения микросхемы КР142ЕН12А аналогична схеме включения.

Изготовление источника питания

1.7 Технология изготовления печатных плат

Собственно, весь процесс изготовления печатной платы можно условно разделить на пять основных этапов:

· предварительная подготовка заготовки (очистка поверхности, обезжиривание);

· нанесение тем или иным способом защитного покрытия;

· удаление лишней меди с поверхности платы (травление);

· очистка заготовки от защитного покрытия;

· сверловка отверстий, покрытие платы флюсом, лужение.

Мы рассматриваем только наиболее распространенную «классическую» технологию, при которой лишние участки меди с поверхности платы удаляются путем химического травления. Помимо этого, возможно, например, удаление меди путем фрезерования или с использованием электроискровой установки. Однако эти способы не получили широкого распространения ни в радиолюбительской среде, ни в промышленности (хотя изготовление плат фрезерованием иногда применяется в тех случаях, когда необходимо очень быстро изготовить несложные печатные платы в единичных количествах).

Особенно хотелось бы отметить, что при изготовлении печатных плат в домашних условиях следует стремиться при разработке схемы использовать как можно больше компонентов для поверхностного монтажа, что в некоторых случаях позволяет развести практически всю схему на одной стороне платы. Связано это с тем, что до сих пор не изобретено никакой реально осуществимой в домашних условиях технологии металлизации переходных отверстий. Поэтому в случае, если разводку платы не удается выполнить на одной стороне, следует выполнять разводку на второй стороне с использованием в качестве межслойных переходов выводов различных компонентов, установленных на плате, которые в этом случае придется пропаивать с двух сторон платы. Конечно, существуют различные способы замены металлизации отверстий (использование тонкого проводника, вставленного в отверстие и припаянного к дорожкам с обеих сторон платы; использование специальных пистонов), однако все они имеют существенные недостатки и неудобны в использовании. В идеальном случае плата должна разводиться только на одной стороне с использованием минимального количества перемычек. Остановимся теперь подробнее на каждом из этапов изготовления печатной платы.

Предварительная подготовка заготовки

Данный этап является начальным и заключается в подготовке поверхности будущей печатной платы к нанесению на нее защитного покрытия. В целом за продолжительный промежуток времени технология очистки поверхности не претерпела сколько-нибудь значительных изменений. Весь процесс сводится к удалению окислов и загрязнений с поверхности платы с использованием различных абразивных средств и последующему обезжириванию.

Для удаления сильных загрязнений можно использовать мелкозернистую наждачную бумагу («нулевку»), мелкодисперсный абразивный порошок или любое другое средство, не оставляющее на поверхности платы глубоких царапин. Иногда можно просто вымыть поверхность печатной платы жесткой мочалкой для мытья посуды с моющим средством или порошком (для этих целей удобно использовать абразивную мочалку для мытья посуды, которая похожа на войлок с мелкими вкраплениями какого-то вещества; часто такая мочалка бывает наклеена на кусок поролона). Кроме того, при достаточно чистой поверхности печатной платы можно вообще пропустить этап абразивной обработки и сразу перейти к обезжириванию.

В случае наличия на печатной плате только толстой оксидной пленки ее можно легко удалить путем обработки печатной платы в течение 3-5 секунд раствором хлорного железа с последующим промыванием в холодной проточной воде. Следует, однако, отметить, что желательно либо производить данную операцию непосредственно перед нанесением защитного покрытия, либо после ее проведения хранить заготовку в темном месте, поскольку на свету медь быстро окисляется.

Заключительный этап подготовки поверхности заключается в обезжиривании. Для этого можно использовать кусочек мягкой ткани, не оставляющей волокон, смоченный спиртом, бензином или ацетоном. Здесь следует обратить внимание на чистоту поверхности платы после обезжиривания, поскольку в последнее время стали попадаться ацетон и спирт со значительным количеством примесей, которые оставляют на плате после высыхания беловатые разводы. Если это так, то стоит поискать другой обезжиривающий состав. После обезжиривания плату следует промыть в проточной холодной воде. Качество очистки можно контролировать, наблюдая за степенью смачивания водой поверхности меди. Полностью смоченная водой поверхность, без образования на ней капель и разрывов пленки воды, является показателем нормального уровня очистки. Нарушения в этой пленке воды указывают, что поверхность очищена недостаточно.

...