Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

Глава 1. Теоретическое введение

1.1 Блок схема стенда для тестирования

1.2 Схема тестирования по напряжению

1.3 Схема тестирования по току

1.4 Схема сброса схемы переключения рабочих режимов

1.5 Схема защита стенда от незакрытой крышки

Глава 2. Моделирование

2.1 Моделирование схемы тестирование

2.2 Моделирование схемы управления и индикации

Глава 3. Разработка печатной платы

Глава 4. Тестирование устройства

Заключение

Список литературы

Приложение



Введение

Электронным устройствам требуются питание постоянным током, для этих целей используются различные устройства, такие как батареи и аккумуляторы, линейные и импульсные блоки питания. Самым используемым типом устройств является импульсный блок питания, так как они характеризуются высоким КПД, который для импульсных блоков питания может быть до 98 %, тогда как для линейных блоков питания это значение максимум 50%. Также импульсные блоки питания имеют меньшие размеры по сравнению с линейными, в связи с типом трансформатором используемых в импульсных блоках питания. В отличие от линейных трансформаторов, используемых в линейных блоках питания, в импульсных блоках питания используются высокочастотные трансформаторы. Диапазон рабочих напряжений импульсных блоков питания больше чем у линейных блоков питания. Именно из-за этого импульсные блоки питания используются чаще линейных блоков.

Расчет характеристик импульсных блоков питания сопряжен с расчетом большого числа параметров, таких как:

· Частота входного сетевого напряжения;

· Общая максимальная выходная мощность;

· Стабилизация при изменениях сетевого напряжения;

· Пульсации;

· Температурный дрейф уровня выходных напряжений;

· Общий КПД БП;

· Время удержания выходных напряжений после выключения;

· Диапазон рабочих температур.

В связи со сложностью разработки импульсных блоков питания их часто делают встраиваемыми, то есть отдельной платой, с выводами под входные и выходные напряжения.

Так как данные блоки питания паяются не только на автоматическом станке, но и имеются компоненты, которые паяются вручную, то это вносит вероятность допущения ошибки, в связи с этим требуется тестирование блоков питания. В связи с этим и встал вопрос разработки стенда для тестирования блоков питания.

Современные стенды для тестирования блоков питания имеют возможность тестирования большого числа параметров блоков питания, но для их использования требуется использование специального программного обеспечивания и большое количество аппаратуры, такой как: Производительный источник питания переменного тока, Контроллер сети, базовый блок электронной нагрузки постоянного тока, Устройство для монтирования и подключения исследуемого блока питания. Использование такой аппаратуры требует знаний и умения обращения с ней, что требует дополнительных ресурсов в виде высококлассных специалистов. Также эта техника не позволяет тестировать несколько блоков питания одновременно и занимает достаточно продолжительное время теста, что также не выгодно экономически. У данного метода есть преимущества в виде возможности отследить большое количество параметров, такие как:

· Отслеживание шин с различным напряжением

· Работа при различных мощностях

· Отследить переходные процессы

· Пульсации входного/выходного напряжения

Основной задачей разработки стенда было сделать его простым в использование и независимость (автономность) от других устройств. В связи с тем, что было известно конечное устройство, куда устанавливается блок питания, то отпала необходимость тестирования больших из выше перечисленных параметров. Необходимо только проверить диапазон выходного напряжения и выдаваемую блоком питания мощность. Также важно время, которое необходимо для тестирования.

Основная часть

Разработка стенда состоит из нескольких этапов:

· Разработка блок схемы;

· Разработка принципиальной схемы;

· Математическое моделирование принципиальной схемы;

· Разработка печатной платы;

· Тестирование устройства.



Глава 1. Теоретическое введение

1.1 Блок схема стенда для тестирования

Для определения необходимых узлов устройства составлена блок схема (Рис.1), на которой обозначены основные узлы схемы и сигналы, идущие между данными узлами.

Рисунок 1. Блок схема устройства.

«Блок питания» формирует напряжение 12 В для питания основных схем управления и тестирования. «Схема управления» задает тактовый сигнал и сигнал режима работы. «Схема тестирования» проверяет основные характеристики, такие как ток и напряжение тестируемых блоков питания и выводит результат, показывая исправно ли устройство.

После составления блок схемы устройства, стало понятно какие компоненты понадобятся. В связи с тем, что имеются узлы, напряжение в которых может многократно превышать предположительные значения, элементная база этих узлов выбиралась с запасом по напряжению.

Так как основное питание стенда задавалось 12 В блоком питания, то было решено использовать компоненты, уровень логики соответствует этому значению. Основные логические элементы принадлежат 4000-ой серии, в связи с тем, что микросхемы этой серии могут работать при напряжении до 20 В. Список используемых микросхем 4000-ой серии:

· CD4013 - микросхема включающая 4 D-триггера

· CD4070 - микросхема включающая 4 2-ИСКЛ.ИЛИ

· CD4081 - микросхема включающая 4 2-И

Данные микросхемы основаны на КМОП структуре и имеют 3 возможных уровня логической 1 (5 В, 10 В, 15 В), в зависимости от напряжения питания.

В качестве тактозадающей микросхемы была выбрана NA555 - прецизионный таймер, основанная на ТТЛ логике. Максимальное напряжение питание составляет 15 В. Также микросхема предоставляет возможность регулировки частоты тактового сигнала и минимальность необходимой обвязки.

Основной микросхемой для сравнения напряжения была взята микросхема TL431 - программируемый стабилитрон, работающая в диапазоне до 30 В.

Схема тестирования.

Состоит из трех узлов:

· Схема тестирования по напряжению

· Схема тестирования по току

· Схема индикация исправности тестируемого блока питания

1.2 Схема тестирования по напряжению

Допустимые значения напряжения тестируемого блока питания составляют от +11.5 В до +12.5 В. Для измерения диапазона подходит оконный компаратор, реализован он следующим образом (Рис. 2):



Рисунок 2. Схема тестирования по напряжению.

Основной элемент в данной схеме - программируемый стабилитрон TL431 (Подробнее изучен во 2 Главе).

Использование данного компонента объясняется тем, что требуется определять значение, которое больше значения напряжения питания самого стенда.

Компаратор разделен на 2 части, первая определяет значение в +11.5В, вторая определяет значение в +12.5В.

Резисторы R1 и R2 задают делитель напряжения, на выходе которого получается значение равное или больше +2.5В при наличии на входе напряжения больше или равного +11.5В. При выполнении данного условия, элемент DA1 открывается, образуя делитель из резисторов R3 и R4, который открывается транзистор VT1 и подтягивает +12В к выходу “OUT.LOW”, тем самым образуя на данном выходе логическую “1”. Резистор R5 выполняет функцию подтягивающего резистора, в случае, когда транзистор VT1 закрыт.

Резисторы R6 и R7 задают делитель напряжения, на выходе которого получается значение равное или больше +2.5В при наличии на входе напряжения больше или равного +12.5В. При выполнении данного условия. Элемент DA2 открывается, образуя делитель из резисторов R8 и R9, который открывает транзистор VT2 и подтягивает +12В к выходу “OUT.HIGH”, тем самым образуя на данном выходе логическую “1”. Резистор R10 выполняет функцию подтягивающего резистора, в случае, когда транзистор VT2 закрыт.

При нормальном функционировании на выходе “OUT.LOW” получается Лог.1, а на выходе OUT.HIGH получается Лог.0. Подача напряжения на входы делителей из R1, R2 и R6, R7 и эмиттеры транзисторов VT1 и VT2 от питания стенда объясняется тем, что при выходном напряжении тестируемого блока питания, когда оно больше +12.5В или имеет переменную амплитудную характеристику, это напряжение через транзисторы VT1 и VT2 попадает на выходы микросхем и далее через защитный диод на шину питания стенда, что может привести от появления неисправностей в работе системы до полного выхода из стоя всего стенда тестирования. При данном включении, в случае превышения значения напряжения на выходе тестируемого блока питания под угрозой находятся только резисторы R1, R2, R6, R7 (которые рассчитаны на 0,125Вт рассеиваемой мощности) и элементы DA1, DA2 (максимальное напряжение которых составляет 36В).

1.3 Схема тестирования по току

Тестируемый блок питания должен выдавать ток до 0.55А, с целью тестирования данного параметра используется следующая схема (Рис.3):

Рисунок 3. Схема тестирования по току.



Резистор R8 включен всегда и при напряжении от +11.5 до +12.5 Вольт через него течет ток равный 20мА. При наличии Лог.0 на входе “POWER.SELECT” транзистор VT3 закрыт и резистор R6 устанавливает напряжение источника на базу транзистора VT2, тем самым поддерживая его в закрытом состоянии.

Для потребления 0.55А от источника, на вход “POWER.SELECT” подается Лог.1 (+12В). Тем самым открывается транзистор VT3, через транзисторы VT1 и VT2 начинает течь ток. Транзистор VT1 задает падение напряжения база-эмиттер 0.6В, суммарное сопротивление резисторов R1-R5 равно 1.12Ом, тем самым через резисторы R1-R5 течет ток 0.53А.

,

,

Резистор R7 рассчитывается из условия, что ток базы транзистора VT2 должен быть 5мА при напряжении +11.4 В, т.е. тут подойдут резисторы с номиналом меньше чем 2кОм, если поставить сопротивление с большим номиналом, то транзистор VT2 не откроется. В данном случае поставлен резистор 910 Ом для оптимизации используемых номиналов в схеме.

Транзистор VT1 исполняет функцию ограничителя для транзистора VT2, в случае если через транзистор VT2 начнет течь больший ток, то транзистор VT1 зарывается, образуется делитель на резисторах R6 и R7, который закрывает транзистор VT2, т.е. на транзисторе VT1 реализована отрицательная обратная связь транзистора VT2.

Схема индикация исправности тестируемого блока питания

Индикация того, исправен или нет блоки питания используется двухцветный светодиод, в случае исправности светодиод загорается зеленым, а неисправности красным. Для определения этого используется следующая схема (Рис. 4):

Рисунок 4. Схема индикации исправности блока питания.

Сигналы “OUT.LOW” и “OUT.HIGH” приходят на элемент DD1 (ИСКЛ.ИЛИ), и в случае, когда “OUT.LOW” Лог.1, а “OUT.HIGH” Лог.0, то на выходе элемента получается Лог.1 (Обратная ситуация не возможна, т.к. если откроется второй компаратор, то первый тоже будет открыт), этот сигнал поступает на D-триггер DD3A и при смене такта на выходе триггера получается Лог.1. Сигналы с триггера и ИСКЛ.ИЛИ идут на элемент DD2 (И), на выходе элемента получается Лог.1. Сигнал с DD2 идет на триггер DD3B, у которого с новым тактом на выходе QA получается Лог.1, этот сигнал открывает транзистор VT1 и когда на “#TESTEND” приходит Лог.1 (0В), то загорается зеленый светодиод. Если сигналы “OUT.LOW” и “OUT.HIGH” оба равны Лог.1 или Лог.0, то на выходе DD1 получается Лог.0, этот сигнал закрывает элемент DD2, на выходе которого также получается Лог.0, и с приходом нового такта на элемент DD3B на выходе QA получается Лог.0, а QABAR Лог.1, это открывает транзистор VT2 и красный светодиод начинает светится, когда на “#TESTEND” приходит Лог.1. (Таблица 1)

Таблица 1. Таблица состояний схемы индикации исправности блока питания.

OUT.LOW	OUT.HIGH	DA / DD3A	QA / DD3A	DA / DD3B	QA / DD3B	QABAR / DD3B
0	0	0	0	0	0	1
0	1	1	1	1	1	0
1	1	0	0	0	0	1

Сигнал “RESET” сбрасывает триггеры DD3 в исходное состояние.

Резисторы R1 и R2 рассчитаны на ток светодиодов 10мА.

Схема управления.

Состоит из узлов:

· Схема задания тактового сигнала

· Схема переключения рабочих режимов и световой индикации стенда.

· Схема сброса схемы переключения рабочих режимов

· Схема защиты стенда от незакрытой крышки

Схема задания тактового сигнала

Для задачи тактового сигнала используется микросхема NA555 -Прецизионный таймер, тактовый сигнал нужен для переключения схемы тестирования блоков питания в различные режимы работы:

1. Низкое потребление

2. Большое потребление

3. Окончание проверки

Получение тактового сигнала реализовано следующей схемой (Рис. 5):

Рисунок 5. Схема формирования тактового сигнала



Конденсатор C2 является сглаживающим по питанию. Конденсатор C3 нужен для увеличения стабильности работы тактового генератора.

Задание тактовой частоты (Рис.6) происходит с помощью заряда и разряда конденсатора C1. Ток, которым происходит зарядка конденсатора С1, задается резисторам R1 и R2, разряжается конденсатор через резистор R2. Расчет времени заряда и разряда задается следующими формулами:

, время заряда конденсатора (3)

, время разрядки конденсатора (4)

, период сигнала (5)

- тактовый сигнал на выходе

- форма сигнала заряда и разряда конденсатора

Исходя из этих формул можно получить, что для данных значений время периода сигнала равно 1,26с, т.е. частота тактового сигнала равна 0,79Гц. В данном случае нам не важна длительность периодов, только частота сигнала, так как смена такта в триггерах происходит при переходе тактового сигнала из низкого уровня в высокий уровень.

Рисунок 6. Сигналы микросхемы NA555

Переключение рабочих режимов и световая индикация стенда.

Переключение рабочих режимов построено на D-триггерах. Переключение происходит с тактовой частотой 0.79 Гц. Реализовано это следующим образом (Рис.7):

Рисунок 7. Схема выбора режима и световой индикации

В начальный момент времени на выходе “POWER.SELECT” Лог.0(0В), т.е. устройство работает в режиме низкого потребления. С приходом первого тактового импульса на выходе “POWER.SELECT” появляется Лог.1 и устройство переходит в режим высокого потребления (см. пункт «Источник тока»). С Лог.1 на входе и тактовым импульсом, на выходе QA DD2 получается Лог.1, которая открывает транзистор VT1 и загорается светодиод Led1, сигнализирующий об окончании цикла проверки, также загораются светодиоды, показывающие исправность блока питания (см. пункт «Индикация исправности»). С Лог.1 на входе DA триггера DD3 и следующим тактовым импульсом, на выходе QA образуется Лог.1, которая сбрасывает все триггеры, и цикл проверки начинается сначала. Диод VD1 нужен для избежания короткого замыкания в случае, когда происходит принудительный сброс кнопкой, т.е. на шину “RESET” подтягивается +12В питания стенда, а на выход QA подтянута земля. Светодиод Led2 показывает наличие напряжения питания. Светодиод Led3 показывает, что не закрыта крышка стенда. Светодиод Led4 мигает с тактовой частотой, показывая, что происходит тестирование.



1.4 Схема сброса схемы переключения рабочих режимов

Сброс нужен, если в цепи произошли какие-то неполадки и сбились циклы проверки, а также для сброса после включения стенда, чтобы убрать неопределенность на выходах логических элементов. Имеются два вида сброса, по питанию, т.е. схема не запустится при недостаточном питании и перезапустится после возвращения питания, и по кнопке, то есть принудительно оператором стенда. Реализовано это следующим образом (Рис. 8):

Рисунок 8. Принципиальная схема сброса рабочих режимов

Наличие двух видов сигналов сброса объясняется тем, что у разных микросхем различные уровни сброса, так для сброса микросхемы NA555 нужно подтянуть землю к выходу сигнала Reset, а у микросхемы CD4013 нужно подтянуть питание к сигналу Reset. Диод VD1 нужен для защиты, после отключения питания, на шине остается напряжение от заряженного конденсатора C1, и чтобы это напряжение не вызвало проблем в работе микросхем, шина “#RESET” соединена с шиной питания через диод, т.е. все напряжение уйдет через этот диод на шину питания. Значения резистора R1 и конденсатора C1 рассчитываются из того, какая задержка по включению нужна после подачи питания, время задержки рассчитывается следующим образом:

б

Т.е. исходя из это формулы, можно сказать, что задержка по включению микросхемы составит 55мс.

Кнопка сброса нужна для принудительно подтяжки земли к шине “#RESET”.

Транзистор VT1 выполняет роль инвертора, т.е. при низком уровне напряжения на затворе транзистора (шина “#RESET”) транзистор открыт, и на шину “RESET” подтягивается +12В питания, в случае, когда на затворе транзистора высокий уровень напряжения, то транзистор закрыт и через резистор R2 на шину “RESET” подтягивается земля.

1.5 Схема защита стенда от незакрытой крышки

В стенде реализована защита от незакрытой крышки, т.е. на тестовые блоки питания не будет подано напряжение ~220В, пока оператор не закроет крышку стенда. Создано это в целях защиты оператора, в случаях механической деформации тестируемого стенда блока питания. Реализовано это следующим образом (Рис. 9):

Рисунок 9. Схема защиты

С боку крышки, имеется переключатель на 2 положения, в случае, когда крышка открыта, напряжение питания идет на выход “ERROR” и загорается светодиод (см. пункт «Переключение рабочих режимов и световая индикация»). Когда крышка закрыта, то напряжение идет через реле, замыкая цепь переменного тока.

Наличие резистора R1 объясняется тем, что используется 3В реле, с сопротивлением 64Ом и рабочим током 50 мА.



Глава 2. Моделирование

Целью данного раздела является проверка правильности расчетов компонентов и сравнение полученных результатов с фактическими измерениями. Моделирование схемы проводилось с помощью программы автоматизированного схемотехнического моделирования MicroCap9.

2.1 Моделирование схемы тестирование

В данной схеме (Рис. 10) необходимо проверить, правильно ли рассчитаны оконный компаратор, и какой ток будет потреблять схема тестирования тока.

Проверка оконного компаратора заключается в том, что на выходе логического элемента “ИСК.ИЛИ” (CD4070) должна быть “ЛОГ.1” только в том случае, когда на выходе блока питания будет напряжение в диапазоне от +11.5 до +12.5 В, при отличных напряжениях на выходе логического элемента “ИСК.ИЛИ” должен быть “ЛОГ.0”.

Рисунок 10. Схема тестирования. С левой стороны схема тестирования тока; С правой стороны схема тестирования напряжения.



Рисунок 11. Результаты моделирования схемы тестирования.

Рисунок 12. Результат тестирования по напряжению.

Как видно из результатов моделирования (Рис. 11, 12) значение потребляемого тока получились больше на 30 мА, а значения напряжения соответствуют расчетам. Данные значения удовлетворяют предъявляемым требованиям.



2.2 Моделирование схемы управления и индикации

В данной схеме (Рис.13) важно проверить расчет для микросхемы NA555, то есть будет ли правильная тактовая частота. Также необходимо проверить правильность светодиодной индикации, показывающей исправность тестируемого блока питания и индикации, отображающей наличие питания и тактовую частоту.

Рисунок 13. Схема управления и индикации стенда

Рисунок 14. Результат моделирования схемы получения тактового сигнала

Как видно из результата моделирования (Рис. 14), период полученного тактового сигнала составляет 1.3 секунды, что соответствует расчетам и удовлетворяет требованиям, предъявляемым для тестирования.

Рисунок 15. Результат моделирования схемы управления.

Как видно из результатов моделирования (Рис.15), весь цикл тестирования происходит за 3 такта, т.е. время цикла тестирования составляет 3.9 секунды.

На 2 графике изображен сигнал выбора режима работы, в начальный момент времени и после сброса он находится в нулевом логическом уровне, т.е. происходит тестирование только на низком токе. После первого такта, уровень сигнала устанавливается в логическую 1 и тестирование происходит на большом токе потребления.

На 3 графике видно формирование сигнала окончания тестирования, он формируется на 2 такте, и удерживается до сброса. В результате на панели устройства загорается светодиод, информирующий о том, что тестирование окончено и также напротив из каждого тестируемых блоков питания загорается светодиод, индицирующий об исправности или неисправности блока питания.

На 4 графике виден сигнал сброса, он формируется на 3 такте и сбрасывает все триггеры, начиная цикл тестирования заново.

Рисунок 16. Результат моделирования схемы индикации при высоком уровне входного напряжения

Рисунок 17. Результат моделирования схемы индикации при низком уровне входного напряжения

По результатам моделирования (Рис.16) схемы индикации видно, что при высоком уровне напряжения на входе “OUT” (График C, Рис.16), во время такта работы “окончание тестирования” (График B, Рис.16видно, что на прямом выходе триггера X7 (График D, Рис.16) формируется высокий уровень, а на инверсном выходе (График E, Рис.16) формируется низкий уровень, т.е. триггер откроет транзистор Q1 и закроет транзистор Q2, в таком случаем загорается зеленый светодиод, показывающий, что тестируемый блок питания исправен. тактовый сигнал индикация напряжение

Если же на вход “OUT” (График C, Рис.17) подать низкий уровень напряжения, то на прямом выходе триггера X7 формируется низкий уровень (График D, Рис.17), а на инверсном (График E, Рис.17) формируется высокий уровень, т.е. триггер открывает транзистор Q2 и закрывает транзистор Q1, таким образом загорается красный светодиод, который показывает оператору, что тестируемый блок питания не исправен.

Моделирование микросхемы TL431

Микросхема TL431 является программируемым источником опорного напряжения. Имеет 3 выхода:

· Катод

· Анод

· Опорное напряжение.

Структурная схема микросхемы (Рис.18):

Рисунок 18. Структурная схема микросхемы TL431.

В микросхему встроен высокоточный источник опорного напряжения на 2,495 В. Принцип работы микросхемы заключается в том, что напряжение, подаваемое на вход “опорное напряжение” сравнивается со встроенным опорным напряжением и в случае если оно его превышает, то микросхема открывается, т.е. на выводе катода устанавливается напряжение анода.

Моделирование микросхемы TL431 производилось на основе схемы предоставленной в DataSheet (Рис. 19):

Рисунок 19. Принципиальная схема микросхемы TL431.

Номиналы резисторов и конденсаторов использовались те же что и в схеме, а модели транзисторов были заменены, для p-n-p транзисторов использовалась модель транзистора BC556B, а для n-p-n транзисторов использовалась модель BC847C. Моделирование производилось в программе MicroCap9. Данная программа уже имеет модель данной микросхемы, так что полученные результаты моделирования так же сравнивались и с результатами встроенной модели.

В программе была собрана схема микросхемы (Рис. 20):

Изменения, внесенные в схему, к транзистору Q12 параллельно включен Q20, связаны с тем, что неизвестны параметры транзисторов, используемых в микросхеме и для получения значения опорного напряжения 2,495 В требуется добавить еще один транзистор, если его не добавлять, то значение опорного напряжения опустится до 1.9 В.



Рисунок 20. Модель микросхемы TL431 в программе MicroCap9.

Далее для проверки полученных параметров, была собрана схема, эквивалент этой схемы, со встроенной моделью микросхемы TL431 представлен на Рис.21, данная схема представляет собой простой стабилизатор напряжения (Рис.22).

Рисунок 21. Эквивалентная схема со вcтроенной микросхемой TL431.



Рисунок 22. Схема стабилизации, построенная на модели микросхемы TL431

Данная схема была промоделирована в режиме “DC…”, с изменением значения напряжения на источнике V1 от 0 В до 10 В с шагом в 0.1 В. Такое же моделирование было сделано и со схемой со встроенной моделью микросхемы TL431.

Как видно из результатов тестирования (Рис. 23, 24), значения стабилизированного напряжения составляет 2.448 В, что отличается на 40 мВ от значений, заявляемых в DataSheet устройства.

Рисунок 23. Результат моделирования схемы микросхемы TL431.



Рисунок 24. Моделирование встроенной микросхемы TL431.

Значения напряжения, полученные при моделировании (Рис.24) схемы со встроенной микросхемой TL431 равны 2,52 В, что отличается на 10 мВ от значения в DataSheet.

В результате моделирования видно, что, значения, полученные при моделировании схемы близки к заявленным значениям и значениям, полученным при моделирование встроенной микросхемы.

В результате тестирования стенда, с помощью высокоточного мультиметра было измерено значение, при котором открывается микросхема TL431, оно равняется 2.498 В. Это значение соответствует значениям из Datasheet и значениям при моделировании.



Глава 3. Разработка печатной платы

После разработки схемы и проверки данной схемы с помощью моделирования, следующим этапом работы стала разработка печатной платы устройства. Разработка платы велась в программе: Altium Designer 16. Плата разрабатывалась с условием 2х токопроводящих слоев.

Основными трудностями при разработке печатной платы стали:

· Большая площадь платы (284x250 мм), что обусловлено размерами выбранного корпуса и необходимостью расположить на плате 8 гнезд для тестирования блоков питания, с учетом их удобного расположения для оператора стенда, чтобы он мог их устанавливать и вытаскивать без особых сложностей.

· Наличие шин высоковольтного переменного питания, проходящих в близости к низковольтным шинам. Это связано с тем, что тестируемые блоки питания расположены по всей площади платы и к ним требовалось подвести переменное питание.

· Наличие шин с большим током. Необходимость тестирования блоки питания на 0.55А создала шины, через которые этот ток протекал. Таким образом получалось возможным, что эти шины могли оказывать влияние на другие процессы, происходящие в стенде.

· Установка радиатора и отвод 50 Вт теплоты. Мощность, которая проходила через шины с большим током рассеивалась на транзисторах, создавая проблему их перегрева и выхода из строя. Необходимо было установить их так, чтобы была возможность установить радиатор, отводящий тепло от этих транзисторов.

· Расположение компонентов и дорожек на одной стороне, чтобы уменьшить вероятность того, что оператор может повредить плату, повредив компонент или дорожку.

В связи с этими трудности, перед началом разработки были заданы правила для печатной платы, соблюдение которых отслеживала программа:

· Минимальная ширина линии с высоковольтным переменным напряжением - 0.5 мм

· Расстояние между дорожками с высоким напряжением - минимум 1 мм

· Расстояние между дорожками с высоким и низким напряжением - минимум 2 мм

· Минимальная ширина дорожки с большим током - 0.5 мм

· Расстояние между дорожкой с большим током и низковольтными - минимум 0.5 мм

Также были заданы стандартные правила для изготовления печатных плат:

· Расстояние от меди до края платы - 0.5 мм

· Минимальная толщина дорожки - 0.2 мм

· Минимальная расстояние между дорожками - 0.2 мм

· Минимальное отверстие - 0.3мм

· Расстояние от меди до механической обработки (сверление, фрезерование, скрайбирование) - 0.5 мм

С учетом этих параметров была разработана печатная плата.

В результате разработки печатной платы были получены гербер файлы и файлы для сверления (Рис. 25, 26). Для изготовления плата была заказана на 2 мм текстолите, материал FR-4, толщина меди 18 мкм.

Монтаж печатной платы происходил в 2 этапа, автоматический и ручной. На плату в местах выводов SMD компонентов была нанесена паяльная паста, после чего все SMD компоненты били установлены станком и запаяны (Рис.27). Остальные компоненты и разъемы были запаяны вручную монтажником (Рис.28).



Рисунок 25. Рисунок платы. Вид сверху.

Рисунок 26. Рисунок платы. Вид снизу.



Рисунок 27. Смонтированная плата. Нижняя сторона.

Рисунок 28. Смонтированная плата. Верхняя сторона.

После монтажа, плата была установлена в корпус, к ней были подключены кнопки включения, сброса, светодиодная индикация и защитный механизм (Рис. 29).



Рисунок 29. Внешний вид стенда

Рисунок 30. Стенд с установленными для тестирования блоками питания.



Глава 4. Тестирование устройства

Тестирование устройства (Рис. 30) производилось с помощью лабораторного блока питания. На блоке питания устанавливались различные ограничения по току и напряжению. “Минус» блока подключался к земле стенда, а “Плюс” на положительный вывод для тестирования блока питания.

Наблюдения проводились за тем при каком напряжении загорится светодиод, индицирующий исправность блока питания и какой ток на выходе лабораторного блока питания. Данные испытания проводились на каждом разъеме под тестируемый блока питания.

В результате данного исследования были получены значения:

· Диапазон напряжений при котором загорается светодиод о исправности блока питания: +11.45 - +12.55 В, что удовлетворяет требованиям.

· Максимальный потребляемый ток составляет - 0.56 А, что удовлетворяет требованиям.

В случае если напряжение было недостаточным или наоборот превышало показатель, то светодиод индицировал о неисправности блока питания. Если блок питания был ограничен током меньше 0.56 А, а напряжение было установлено в рабочем диапазоне, то происходила просадка напряжения, и светодиод индицировал о неисправности блока питания.

Так же была успешно проверена система безопасности, при которой во время открытой крышке стенда, на тестируемые блоки питания не подавалось переменное напряжение.



Заключение

· В результате данной работы был разработана схема стенда для тестирования блоков питания, получена его компьютерная модель и собран рабочий прототип, позволяющий протестировать необходимые параметры блока питания и удовлетворяющий требованиям безопасности.

· Разработка стенда уменьшила время необходимое для тестирования блоков питания и существенно упростило процесс тестирования, что является экономически выгодным.

· Сравнение математической модели и реальных значений показали, что математическая модель оказалась очень близка к истинным значениям и то, что математический расчет был произведен верно.



Список литературы

1. Данилов С.А. Разработка и исследование автономного стенда для тестирования встраиваемого блока питания / В кн.: МЕЖВУЗОВСКАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ СТУДЕНТОВ, АСПИРАНТОВ И МОЛОДЫХ СПЕЦИАЛИСТОВ ИМ. Е.В. АРМЕНСКОГО //Московский институт электроники и математики НИУ ВШЭ - Москва - 2018 - C. 145 - 146.

2. TL43xx Precision Programmable Reference - Texas Instruments - 2015 - С. 19.

3. Амелина М.А Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap 8. / Амелина М.А // Горячая Линия - Телеком - 2007 - С. 264 - 271.

4. П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл //Бином - Москва - 2016 - С. 245 - 246.



Приложение

Рисунок 31. Диплом 2 степени за работу по теме “Разработка и исследование автономного стенда для тестирования встраиваемого блока питания” на конференции Е.В. Арменского в МИЭМ НИУ ВШЭ

Размещено на Allbest.ru

...