Курсовая работа по учебной дисциплине: «Электротехника и электроника»
НЕКОММЕРЧЕСКОЕ ЧАСТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
Кубанский институт информзащиты
Кафедра комплексной защиты информации
КУРСОВАЯ РАБОТА
по учебной дисциплине: «Электротехника и электроника»
на тему: «Разработка источника вторичного электропитания РЭА»
Работа выполнена: студентом 3 курса, группы 10-К-01 Моисеенко Виктором Владимировичем |
Научный руководитель:
Работа защищена с оценкой _________________________
г. Краснодар, 2012
НЕКОММЕРЧЕСКОЕ ЧАСТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
Кубанский институт информзащиты
Кафедра комплексной защиты информации
ЗАДАНИЕ
по учебной дисциплине: «Электротехника и электроника»
студенту Моисеенко Виктору Владимировичу группы 10-К-01
ТЕМА РАБОТЫ «Разработка источника вторичного электропитания РЭА »
ЗАДАНИЕ
1. Анализ существующих схемотехнических решений построения ИВЭ РЭА.
Выбор структурной схемы реализации ИВЭ РЭА в рамках задания. Определение максимальной и расчет номинальной потребляемой мощности источника.
2. Расчет и выбор электронных компонентов соответствующих максимальной мощности ИВЭ РЭА. Построение принципиальной электрической схемы ИВЭ РЭА
3. Компоновка печатной платы ИВЭ РЭА и создание фотошаблона для производства платы.
Объем пояснительной записки: ~25 листов
Задание выдано: "12" сентября 2012 г.
Дата сдачи работы: "20" декабря 2012 г.
Задание принял студент
Руководитель работы
Содержание
ВВЕДЕНИЕ. 3
Техническое задание. 4
1. Основная часть. 5
1.1 Выбор и обоснование функциональной схемы ИВЭ РЭА 6
1.2 Перечень элементов ИВЭ РЭА.. 6
1.3 Разработка принципиальной схемы ИВЭ РЭА.. 15
1.4 Расчет элементов ИВЭ РЭА.. 16
2. Эскизный проект. 17
3. Печатная плата (фотошаблон) 19
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 20
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 21
ВВЕДЕНИЕ
В современных радиотехнических устройствах значительное место занимают вторичные источники электропитания. Вторичными источником электропитания называют преобразователи электроэнергии одного вида в электрическую энергию другого вида. Вторичные источники электропитания выполняют множество функций: электрическую изоляцию цепей питания друг от друга и от первичного источника; высокую стабильность вторичного питания напряжения в условиях значительного изменения первичного питания напряжения и нагрузок; эффективное подавление пульсаций во вторичных питающих цепях постоянного тока; требуемую форму напряжений переменного тока. В связи с развитием микроэлектроники и компьютерной техники резко выросли требования к стабильности напряжений и токов. Особенно жесткие требования предъявляют к вторичным источникам электропитания в области измерительной техники.
Вторичные источники питания обычно занимают от 20-80% общего объема радиотехнического устройства. Широкое применение интегральной гибридной технологии резко уменьшают вес и габариты радиотехнических устройств, в то время как относительный объем и вес вторичных источников электропитания возросли. Повышение необходимости, а также уменьшение веса, габарита и стоимости изделий в значительной степени зависит от правильного выбора и проектирования вторичных источников электропитания.
Источники вторичного электропитания (ИВЭП) по своей физической сущности являются преобразователями вида и качества электрической энергии. Довольно редко (и только в автономных системах) удается осуществить питание всех устройств непосредственно от первичного источника электропитания, т. е. от преобразователя неэлектрической энергии в электрическую. В большинстве случаев первичный источник или стандартная сеть по частоте, стабильности или напряжению оказываются непригодными для питания электронных устройств. Потому возникает необходимость преобразования электрической энергии.
Вторичные источники могут быть весьма разнообразными, а преобразуемое напряжение - постоянным от нескольких вольт или переменным до сотен вольт.
Электрические преобразования касаются, в основном, необходимых значений и показателей качества выходных напряжений и токов источника. Самое важное из эксплуатационных требований - надежность функционирования при определенных внешних условиях. Конструкторско-технологические требования ориентируют разработчика на выбор элементной базы, определяют допустимую массу, объем и форму источника, а также накладывают ряд ограничений на отдельные показатели конструкции (вибропрочность, влагостойкость и т. д.).
Токи утечки в высоковольтных источниках малой мощности могут составлять заметную часть тока нагрузки, и их устранение облегчает режим работы (вплоть до пробоя) транзисторов и микросхем.
Большое значение имеют методы проектирования оптимизированных по массе и объему ИВЭП. Разработка таких методов сопряжена с рядом трудностей: высокие требования к качеству электропитания, характеристикам переходных процессов и надежности источника; инерционность современных высоковольтных биполярных транзисторов и значительное напряжение насыщения мощных полевых транзисторов, приводящее к снижению КПД преобразователей и регуляторов; несовершенство используемых методов теплоотвода, заставляющих применять элементы конструкции с большими поверхностями и значительной массой; высокий уровень помех при импульсных методах регулирования; большие потери мощности и малая индукция насыщения у магнитных материалов, работающих на высоких частотах.
Техническое задание
Микросхема КР142ЕН18А, ее основные характеристики:
§ Регулируемый выход от -1.2 В до -37В
§ Гарантированный выходной ток 1,5А
§ Внутренняя термозащита
§ Внутренняя термостабильная защита от токов КЗ
§ Защита выходных транзисторов
§ Плавающий режим для высоковольтных применений
§ Стандартный 3-х выводной транзисторный корпус
Uвх(вольт) – -35
Uвых(вольт) – -20
Iстаб(ампер) – 1
Iном(ампер) – 0,005
Pстаб(ватт) – 10
1.Основная часть
1.1 Выбор и обоснование функциональной схемы ИВЭ РЭА
В общем случае постоянное напряжение получают путем трансформирования и последующего выпрямления напряжения сети.
Полученное таким способом напряжение питания, как правило, имеет заметную пульсацию и изменяется в зависимости от нагрузки и колебаний напряжения сети. Поэтому в цепь питания часто вставляют фильтр, сглаживающий пульсации, и стабилизатор напряжения, делающий выходное напряжение ИП независимым от перепадов напряжения сети.
Функциональная схема ИВЭ РЭА имеет следующий вид:
|
а) силовой трансформатор служит для согласования напряжений переменного тока с выпрямленным напряжением;
б) выпрямитель служит для получения знакопостоянного напряжения;
в) сглаживающий фильтр служит для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения;
г) стабилизатор напряжения поддерживает выпрямленное напряжение Uн практически постоянным при изменении тока нагрузки или питающего напряжения Uпит.
1.2 Перечень элементов ИВЭ РЭА
Выпрямитель.
Существует несколько вариантов схем выпрямления, мы рассмотрим три наиболее распространенные и выберем ту, которая больше подойдет для нашего ТЗ.
Рассмотрим однополупериодную схему, ее плюсы и минусы:
«+» − ее простота, имеет минимальное число элементов, невысокая стоимость, возможность работы без трансформатора, надежность;
«−» − имеет низкую частоту пульсации, высокое значение коэффициента пульсации Кп=1,57, плохое использование трансформатора, подмагничивание сердечника постоянным током, низкий КПД.
|
Двухполупериодная однотактная схема:
«−» − усложненная конструкция трансформатора, высокое обратное напряжение;
«+» − повышенная частота пульсации Кп=0,67, минимальное число диодов.
|
Рассмотрим однофазную мостовую схему с ее «плюсами» и «минусами»:
«−» − необходимость в четырех диодах, повышенное падение напряжения в диодном комплексе;
«+» − повышенная частота пульсации Кп=0,67, низкая величина обратного напряжения, хорошее использование трансформатора.
Остановимся на двухполупериодной схеме выпрямителя, так как она обладает сравнительно хорошими технико-экономическими показателями и простотой в использовании.
Сглаживающий фильтр.
Напряжение на выходе любого выпрямителя всегда пульсирующее и содержит постоянную и переменную составляющую напряжения. Пульсация напряжения столь значительна, что непосредственное питание нагрузки от выпрямителя возможно лишь там, где приемник энергии не чувствителен к переменной составляющей в кривой выпрямленного напряжения (зарядка аккумуляторов, питание электродвигателей и т. п.). Для питания многих электронных устройств требуется обеспечение коэффициента пульсации в пределах 10-3 − 10-6. Для уменьшения пульсации между выпрямителем и нагрузкой устанавливается сглаживающий фильтр.
Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания.
Коэффициентом сглаживания называют отношение коэффициента пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на выходе фильтра.
 |
Коэффициент пульсации на входе фильтра задается требованиями приемника энергии к питающему напряжению, а коэффициент пульсации на выходе выпрямителя известен после выбора схемы выпрямления.
Кроме обеспечения необходимого коэффициента сглаживания к фильтрам предъявляется еще ряд требований: минимальные габариты; масса и стоимость; отсутствие заметных искажений, вносимых в работу нагрузки; отсутствие недопустимых перенапряжений и выбросов токов при переходных процессах; высокая надежность.
Аналогично выбору выпрямителя, выбираем из нескольких стандартных фильтров тот, который больше подходит нашему техническому заданию:
- Г - образный LC фильтр (рис.5.а.);
- Г - образный RC фильтр (рис.5.б.);
- П - образный LC фильтр (рис.5.в.);
- П - образный RC фильтр (рис.5.г.).
|
|
|
|
|
П – образные фильтры мы отбросим сразу, так как они применяются для маломощных выпрямителей с большим коэффициентом сглаживания. Из двух оставшихся выберем Г – образный RC фильтр, так как данный тип фильтра по своим параметрам для нашего технического задания подходит больше, чем все остальные.
Стабилизатор напряжения.
В большинстве силовых электрических сетей напряжение поддерживается с точностью не выше ±5%.
Для питания электронной аппаратуры (особенно для устройств, содержащих микросхемы) требуется
значительно более высокая стабильность питающего напряжения, достигающая ±0,0,5%. Для обеспечения заданной стабильности питающего напряжения применяют стабилизаторы напряжения.
Стабилизатором напряжения называют устройства, которые автоматически поддерживают напряжение на стороне потребителя с заданной степенью точности.
Основными дестабилизирующими факторами, вызывающими изменение напряжения потребителя, являются колебания входного питающего напряжения, изменения тока нагрузки потребителя, колебания частоты тока сети, изменения окружающей температуры и др.
В зависимости от рода напряжения стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы переменного напряжения и стабилизаторы постоянного напряжения. По принципу стабилизации стабилизаторы делятся на параметрические и компенсационные. В качестве параметрических стабилизаторов используют нелинейные элементы. Стабилизация напряжения в таких стабилизаторах осуществляется за счет нелинейности вольтамперной характеристики нелинейного элемента.
В параметрических стабилизаторах постоянного напряжения в качестве нелинейного элемента используют стабилитроны.
Компенсационные стабилизаторы напряжения представляют собой систему автоматического регулирования, в которой эффект стабилизации достигается за счет изменения параметров управляемого элемента, называемого регулирующим.
В зависимости от способа включения регулирующего элемента относительно сопротивления нагрузки стабилизаторы напряжения подразделяются на последовательные и параллельные, а по режиму работы регулирующего элемента – на стабилизаторы с непрерывным регулированием и импульсные.
Основными параметрами стабилизатора являются:
- коэффициент стабилизации:
- коэффициент сглаживания пульсации;
- внутреннее сопротивление стабилизатора Rст.
Недостатками параметрических стабилизаторов напряжения являются: сравнительно малый коэффициент стабилизации, ограниченный диапазон токов в цепи нагрузки, невозможность плавного регулирования выходного напряжения.
Поэтому компенсационные стабилизаторы напряжения в этом плане выглядят более эффективными, так как они не содержат таких недостатков, а из условия технического задания от нас требуется сравнительно высокий коэффициент стабилизации, выходной коэффициент пульсации, что при использовании параметрического стабилизатора мы не сможем добиться, соответственно, в проектировании будем использовать компенсационный стабилизатор напряжения.
Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения представляют собой систему автоматического регулирования, которая обеспечивает постоянство выходного напряжения с высокой степенью точности при изменениях напряжения сети, тока нагрузки и т. д.
В зависимости от способа выполнения регулирующего элемента стабилизаторы подразделяются на последовательные и параллельные. В стабилизаторах первого типа регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой, в стабилизаторах второго типа – параллельно.
Стабилизатор последовательного типа (рис.6.а) состоит из регулирующего элемента Р, включенного последовательно с нагрузкой, схемы сравнения СС и усилитель постоянного тока У.
|
Схема сравнения включает в себя источник опорного напряжения и сравнивающий делитель. В схеме сравниваются выходное и опорное напряжения. Сигнал разности этих двух напряжений подается на вход усилителя постоянного тока. При изменении выходного напряжения на выходе схемы сравнения появляется сигнал рассогласования, который усиливается усилителем постоянного тока и поступает на вход регулирующего элемента. Изменение сигнала на входе регулирующего элемента приводит к изменению падений напряжения на нем, и выходное напряжение изменится до первоначального значения с определенной степенью точности.
Параллельная схема стабилизатора (рис.6.б) состоит из тех же элементов. Отличие заключается в том, что регулирующий элемент включен параллельно нагрузке, а последовательно с ней включен гасящий резистор Rг. При изменении выходного напряжения появляется сигнал на выходе схемы сравнения, усиливается усилителем постоянного тока и воздействует на регулирующий элемент так, что ток последнего изменяется.
Изменение тока регулирующего элемента вызывает изменение тока через гасящий резистор, что приводит к изменению падения напряжения на нем, в результате чего компенсируется изменение выходного напряжения с определенной степенью точности.
Из рассмотренных выше схем видно, что качественные параметры их приблизительно одинаковые, в проектировании нашего источника питания будем использовать схему с последовательным включением регулирующего элемента, имеющую более высокий КПД и применяющуюся в разработках более часто.
1.3 Разработка принципиальной схемы ИВЭ РЭА
КР142ЕН18А - регулируемый 3-х выводной стабилизатор отрицательного напряжения, позволяющий питать устройства током до 1,5А в диапазоне напряжений от -1,2В до -37В. 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. Прибор оформлен в пластмассовом корпусе TO-220.
Типовое включение:
1.4 Расчет элементов ИВЭ РЭА
Расчет стабилизатора
Ток через транзистор VT1
Iк1max=Iн max+Iп=1,5+0,5=2 А
Максимальное напряжение на входе стабилизатора с учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя r0
Величина r0= 0,1*Uвх/Iн max = 0,1∙(-35)/1,5= -2,3 Ом
Uвхmm=Uвхmax+(Iнmax-Iнmin)r0 = -35+(1,5-0,005)∙(-2,3)=-38,4 В
Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистораVT1
Uкэ1max=Uвхmm-Uн=-38,4-1,2 = -39,6 В
Максимальная мощность, рассеиваемая на регулируемом
транзисторе VT1
Pк1=(Uвхmax-Uн)Iк1max = (-35-1,2) ∙2 =-74.2 Вт
По величинам Uкэ1max=39,6В Iк1max=2А Pк1=74.2Вт выбираем из справочника тип регулирующего транзистора КТ896Б.
Максимальный ток базы транзистора VT1
Iб1max=Ik1max/h21max=2/1800=0,001А < Iном , транзистор VT2 вводит не нужно, резистор R1 следует убрать.
Найдем R2
R2=0,55В/Iпор=0,55/-3,3= -0.16 Ом (С5-37)
В качестве диода VD1 используем Д244Б.
Для снижения уровня фона при выходном напряжении, близком к минимальному, включим сглаживающий конденсатор С2. Емкость этого конденсатора должна быть достаточной для эффективного сглаживания (обычно около 10 мкф). Емкость конденсатора С1 - не менее 0,1 мкф, С3 – не менее 1 мкф. Установим конденсатор К73-17 с номинальной емкостью 0,001-10 мкф.
2.Эскизный проект
3. Печатная плата (фотошаблон)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выбор той или иной схемы источника вторичного электропитания обусловлен параметрами питающей сети, требованиями и выходным электрическим параметром, конструктивными особенностями устройства, температурным диапазоном работы, сроком службы, гарантированной надежностью и перечнем разрешенных к применению или имеющихся в распоряжении разработчика элементов.
Выбор схемы, удовлетворяющей поставленным требованиям, является задачей имеющей множество решений. Вместе с тем, оптимальной по заданному критерию может быть только одна схема. Таким образом, повышение надежности, улучшение технологических показателей, снижение стоимости аппаратуры в значительной степени зависит от правильного выбора и проектирования вторичных источников и систем электропитания.
Поэтому наибольшее внимание в данной работе обращено на расчет и проектирование источников вторичного электропитания. Рассмотрен вопрос расчета стабилизатора напряжения..
Таким образом, рассчитанный источник вторичного электропитания полностью соответствует заданию. Была разработана конструкторская документация: схема электрическая принципиальная (выбраны параметры схемы) и печатная плата.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Китаев, Бакуняев. «Расчет источников питания».
2. Полупроводниковые приборы: Транзисторы. Справочник под общей редакцией Горюнова.
3. Затекян. «Источники вторичного электропитания», (справочник).
4. Дж. Ленк «Справочник по проектированию электронных схем», изд. «Техника», Киев 1979г.
5. «Расчет и конструирование радиоэлектронной аппаратуры», изд. «Высшая школа», Москва, 1977г.
6. «Теория и расчет трансформаторов источников вторичного электропитания», 2004г.
7. Справочное пособие по электротехнике и основам электроники под редакцией проф. .
8. «Электроника и микропроцессорная техника. учебник для вузов», 2004г.
