Разработка схемы электрической структурной источника питания

Введение

Трансформаторный (сетевой) источник питания

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут быть установлены фильтры высокочастотных помех, всплесков (варисторы), защиты от КЗ, стабилизаторы напряжения и тока.

К простейшим ИВЭП относятся нерегулируемые выпрямители, выполненные по структурной схеме, представленной на рисунке 1а. Силовой трансформатор преобразует напряжение сети переменного тока до требуемого значения; схемы выпрямления преобразуют переменное напряжение в пульсирующее; фильтр сглаживает пульсации напряжения до допустимого уровня.

В тех случаях, когда в целях нормальной работы радиоаппаратуры необходимо обеспечить более высокую стабильность питающих напряжений по сравнению со стабильностью сети первичного тока, схемы выпрямителей дополняются стабилизирующими устройствами, включёнными на входе или на выходе выпрямителя. В последнем случае (рисунок 1б) в качестве стабилизатора (СН) используются непрерывные (линейные) и импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСН).

В регулируемых выпрямителях совмещаются функции выпрямления с регулированием или со стабилизацией выходного напряжения. Регулирование выходного напряжения (рисунок 2а) осуществляется путём изменения угла открытия силовых тиристоров. В режиме стабилизации выходного напряжения выпрямителя (рисунок 2б) управляющий сигнал формируется контуром автоматического регулирования.

В практических схемах ИВЭП кроме основных функциональных узлов включается также устройства контроля, защиты, блокировки, сигнализации неисправностей, кнопки, выключатели, переключатели и т.п.

Почти все устройства бытовой электроники состоят в основном из электронных схем, нормально функционирующих только при питании постоянным током. Здесь сеть переменного тока завершается первичным источником электропитания, энергия которого преобразуется в постоянный ток.

В заключение необходимо отметить следующее: суммарная мощность, потребляемая в настоящее время всеми ИВЭП научно-технической и бытовой радиоаппаратуры, очень велика, поэтому создание экономичных дешевых и надежных ИВЭП является исключительно важной задачей.

Перспективами развития РЭС являются:

–миниатюризация;

–усложнение функций;

–внедрение новых материалов.

Общая часть

1.1 Анализ технического задания

Габаритные размеры разрабатываемого источника составляет 18х10х6 см, что делает его удобным в установке, переноски и эксплуатации. Масса источника питания 250 г.

Вид климатического исполнения – умеренный климат (У) по ГОСТ 15150-69.

Категория условия эксплуатации – в закрытых помещениях с естественной вентиляцией (3) или в помещениях (объёмах) с искусственно регулированием климатическими условиями. При температуре окружающей среды от -10…+ 50

Корпус источника питания и его клеммы выполнены из изоляционного материала предотвращающего поражением электрическим током, наличие защитного заземления не обязательно. Данное устройство необслуживаемое, устойчиво к ударным нагрузкам и вибрациям, имеет по току и напряжению.

Разработка схемы электрической принципиальной источника питания

Принципиальная структурная схема разработана на основе анализа исходных данных принятой структурной схемы. Исходя из структурной схемы, разрабатываемый источник питания состоит из 4 функциональных устройств.

Понижающий трансформатор.

Этот прибор широко применяется в системах питания радиоустройств, причём в качестве трансформаторов питания электронной аппаратуры используются трансформаторы малой мощности, которые предназначены для преобразования напряжения электрических цепей в напряжение, необходимое для питания электронной аппаратуры. Рассматриваемые трансформаторы питания можно классифицировать по следующим признакам:

1) В зависимости от числа фаз преобразуемого напряжения – на одно

фазные и трёхфазные;

2) В зависимости от числа обмоток – на двух обмоточные и многообмоточные;

3) В зависимости от конфигурации магнитопровода – на стержневые, броневые и тороидальные.

Исходя из экономичности, КПД, массогабаритных характеристик для разрабатываемого блока питания выбираем маломощный, броневой трансформатор питания, имеющий первичную обмотку и одну вторичную.

Выбор выпрямителя

В ИП РЭА чаще всего используется однофазная мостовая схема выпрямителя. Данная схема позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых соединены анодами, образуя общий плюс, а два других соединены катодами, образуя общий минус выпрямителя.

Схемы выпрямления бывают:

1) Однофазная однополупериодная схема выпрямления;

2) Двухполупериодная (двухфазная) схема выпрямления с нулевым выводом;

3) Однофазная мостовая схема выпрямления;

4) Трёхфазная однополупериодная схема выпрямления;

5) Трёхфазная мостовая схема выпрямления.

Дя разрабатываемого источника питания выбираем однофазную мостовую схему выпрямления, которая имеет ряд преимуществ над остальными: меньшие значения габаритной мощности, меньшие значения обратного напряжения на диоде и напряжения вторичной обмотки. Однако необходимость использования четырёх диодов является её недостатком.

Исходя из анализа технического задания и достоинств мостовой схемы, выбираем для разрабатываемого блока питания мостовую схему в качестве выпрямителя.

Выбор сглаживающего фильтра.

В разрабатываемом ИВЭП в качестве фильтра используется преимущественно электролитические конденсаторы, хотя иногда их заменяют масляными. Электролитические конденсаторы обладают большой ёмкостью при относительно небольших размерах. Масляные конденсаторы имеют одно явное преимущество перед электролитическими: их рабочее напряжение выше.

Виды фильтров:

1) Ёмкостной фильтр;

2) Индуктивный фильтр;

3) Индуктивно-ёмкостные фильтры;

4) Резистивно-ёмкостные фильтры;

5) Фильтры с резонансными контурами;

6) Многозвенные фильтры;

7) Активные фильтры.

Кроме основного требования – сглаживания пульсации выпрямленного напряжения – к фильтру предъявляются следующие требования:

Потери мощности и падение постоянной составляющей напряжения в фильтре должно быть минимальным; фильтр не должен влиять на работу потребителя; внешние электромагнитные поля, создаваемые фильтром, не должны нарушать функционирование устройства; во время переходных процессов фильтр не должен создавать перенапряжений и сверхтоков; собственная частота фильтра должна быть существенно меньше основной частоты пульсаций во избежание появления резонансных явлений в отдельных звеньях фильтра; фильтр должен обладать высокой надёжностью в пределах заданного диапазона температур.

Конденсатор, включённый параллельно нагрузке, представляет собой простейший емкостной фильтр. При повышении напряжения источника питания конденсатор периодически заряжается и разряжается на нагрузку, когда питающее напряжение становится меньше напряжения на его зажимах.

При этом конденсатор отдаёт нагрузке заранее запасенную энергию и напряжение на нагрузке изменяется в относительно меньших пределах, чем при отсутствии конденсатора, в чём и заключается сглаживающее действие емкостного фильтра.

К достоинствам емкостного фильтра можно отнести простоту его выполнения.

Основной недостаток – необходимость применения диодов, рассчитанных на большую амплитуду прямого тока.

Критерии выбора ЭРЭ

Трансформаторы:

Трансформатор выбирается с любой конструкцией магнитопровода и количеством вторичных обмоток, с максимально высоким КПД.

Основные параметры:

1) Коэффициент трансформации – отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков во вторичной обмотке;

2) КПД (коэффициент полезного действия) представляет собой отношение активной мощности на входе.

В трансформаторах малой мощности КПД составляет 60-90%

Исходя из этого, выбираем броневой трансформатор с выходным напряжением 6,5 В и током 0,06 А.

Транзисторы:

1) По коэффициенту усиления на рабочей частоте;

2) По максимальной рассеиваемой мощности;

3) По максимально допустимому напряжению между коллектором и эмиттером (между коллектором и базой);

4) По максимальной рабочей частоте;

5) По величине входного сопротивления.

Резисторы:

1) По максимальной рассеиваемой мощности;

2) По типу проводящего слоя;

3) По максимальному рабочему напряжению;

4) По классу прочности;

5) По ТКR.

Конденсаторы:

1) По типу конденсатора;

2) По номинальному напряжению U_Н(1,3-1,5)U_РАБ;

3) По классу точности;

4) По ТКС.

Диоды:

1) По максимально выпрямляемому току;

2) По прямой рассеиваемой мощности;

3) По максимально допустимому обр. напряжению;

Исходя из выше перечисленных критерий, выбираем ЭРЭ для проектируемого блока питания:

1) Транзистор: КТ814А – h₂₁=40; P_max=10Вт; U_max=40B; f_max=3МГц; R_б=10Ом.

2) Резистор: R1– Р_ном=0,125Вт; МЛТ; резистор общего назначения;

U_max=350В±5%.

3) Конденсаторы: С1 – U_Н(1,3-1,5)U_РАБ=400В; ±0,4; ТКЕ=10^-8 1/Сº.

С2 – U_Н(1,3-1,5)U_РАБ=16В; ±0,4; ТКЕ=10^-6 1/Сº.

С3 – U_Н(1,3-1,5)U_РАБ=10В; ±0,2; ТКЕ=10^-5 1/Сº.

4) Диоды: КД208А – I_max=0,5A; P_max=60Вт; U_{обр max}=35B.

Расчетная часть

Экспериментальная часть

Проверка на работоспособность

Диагностику блока питания начинают с контроля выходного напряжения. Если его нет, проверяют последовательно фильтр, выпрямительное устройство и трансформатор на отсутствие замыканий и разрывов.

Диагностику стабилизатора напряжения начинают с проверки выходного напряжения, При его отсутствии определяют напряжение на входе стабилизатора. Его наличие говорит о дефекте в стабилитроне. В противном случае поиск неисправностей необходимо перенести на выпрямитель и трансформатор. Проверка на работоспособность проводится на номинальных напряжениях и токах.

Структурная схема проверки:

Заключение

В ходе проведенных работ был разработан и собран источник вторичного электропитания, а также рассчитан его режим теоретически. Был осуществлен разбор понятия источников питания и их разновидностей. Также был принят во внимание вопрос о применении блока питания. Так как у него на выходе 9 В он применяется для питания плеера, телевизионной антенны и много другого.

С помощью расчетов были получены различные параметры разработанного устройства: потребляема мощность, выходное напряжение и другие, а также различные характеристики. Также получены навыки в разработке структурной и принципиальной схем, выборе элементной базы. Электрорадиоэлементы были выбраны для обеспечения надежной работы каждого узла. При этом были использованы элементы: имеющие широкое применение, простоту сборки, минимальную стоимость и т.д. Все элементы были выбраны на основании расчетов, изложенных в разделе 2.

При помощи расчетов также были рассчитаны все рабочие узлы, из которых состоит блок питания: трансформатор, выпрямитель, стабилизатор. Параметры рассчитанных элементов были сравнены со справочными.

В заключении необходимо отметить, что в наше время создание экономичных, дешевых и надежных источников вторичного электропитания является исключительно важной задачей.

Введение

Трансформаторный (сетевой) источник питания

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут быть установлены фильтры высокочастотных помех, всплесков (варисторы), защиты от КЗ, стабилизаторы напряжения и тока.

К простейшим ИВЭП относятся нерегулируемые выпрямители, выполненные по структурной схеме, представленной на рисунке 1а. Силовой трансформатор преобразует напряжение сети переменного тока до требуемого значения; схемы выпрямления преобразуют переменное напряжение в пульсирующее; фильтр сглаживает пульсации напряжения до допустимого уровня.

В тех случаях, когда в целях нормальной работы радиоаппаратуры необходимо обеспечить более высокую стабильность питающих напряжений по сравнению со стабильностью сети первичного тока, схемы выпрямителей дополняются стабилизирующими устройствами, включёнными на входе или на выходе выпрямителя. В последнем случае (рисунок 1б) в качестве стабилизатора (СН) используются непрерывные (линейные) и импульсные стабилизаторы постоянного напряжения (ИСН).

В регулируемых выпрямителях совмещаются функции выпрямления с регулированием или со стабилизацией выходного напряжения. Регулирование выходного напряжения (рисунок 2а) осуществляется путём изменения угла открытия силовых тиристоров. В режиме стабилизации выходного напряжения выпрямителя (рисунок 2б) управляющий сигнал формируется контуром автоматического регулирования.

В практических схемах ИВЭП кроме основных функциональных узлов включается также устройства контроля, защиты, блокировки, сигнализации неисправностей, кнопки, выключатели, переключатели и т.п.

Почти все устройства бытовой электроники состоят в основном из электронных схем, нормально функционирующих только при питании постоянным током. Здесь сеть переменного тока завершается первичным источником электропитания, энергия которого преобразуется в постоянный ток.

В заключение необходимо отметить следующее: суммарная мощность, потребляемая в настоящее время всеми ИВЭП научно-технической и бытовой радиоаппаратуры, очень велика, поэтому создание экономичных дешевых и надежных ИВЭП является исключительно важной задачей.

Перспективами развития РЭС являются:

–миниатюризация;

–усложнение функций;

–внедрение новых материалов.

Общая часть

1.1 Анализ технического задания

Габаритные размеры разрабатываемого источника составляет 18х10х6 см, что делает его удобным в установке, переноски и эксплуатации. Масса источника питания 250 г.

Вид климатического исполнения – умеренный климат (У) по ГОСТ 15150-69.

Категория условия эксплуатации – в закрытых помещениях с естественной вентиляцией (3) или в помещениях (объёмах) с искусственно регулированием климатическими условиями. При температуре окружающей среды от -10…+ 50

Корпус источника питания и его клеммы выполнены из изоляционного материала предотвращающего поражением электрическим током, наличие защитного заземления не обязательно. Данное устройство необслуживаемое, устойчиво к ударным нагрузкам и вибрациям, имеет по току и напряжению.

Разработка схемы электрической структурной источника питания

При разработке структурных схем используются следующие методы:

Эвристический метод – основан на накопленном опыте, анализе технической литературы и интуитивных соображений. На основе их анализа создаётся несколько моделей структурных схем, из них выбирается самая надёжная, самая простая, самая дешёвая.

Математический метод – на основе исходных данных создаётся модель – математическое описание внешних воздействий. Проводится анализ модели, в которую входит математический расчёт, моделирование на ЭВМ, испытание макетов. Выбирается модель, имеющая оптимальные показатели качества.

Функциональное наращивание. На основе технического задания составляется перечень функций, которые должно реализовывать разрабатываемое

устройство. В соответствии с функциями приводится перечень устройств реализующих эти функции и строится структурная схема.

Функции, которые должно реализовывать устройство:

1) понижение напряжения;

2) выпрямление напряжения;

3) фильтрация;

4) стабилизация.

На основании функций выше названных, ниже перечислены устройства которые их реализовывают:

1) трансформатор;

2) выпрямитель;

3) фильтр;

4) стабилизатор.

При разработке структурной схемы ИВЭП использовался метод функционального наращивания, и схема представлена на рисунке: