close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

курсовой

код для вставкиСкачать
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: Черникова Галина Борисовна
Работа защищена с оценкой _________________________
г. Краснодар, 2012
1
НЕКОММЕРЧЕСКОЕ ЧАСТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
КУБАНСКИЙ ИНСТИТУТ ИНФОРМЗАЩИТЫ
Кафедра комплексной защиты информации
ЗАДАНИЕ
на курсовую работу
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 Моисеенко Виктор Владимирович
Руководитель работы Черникова Галина Борисовна
2
Содержание
ВВЕДЕНИЕ ............................................................ Error! Bookmark not defined.
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
3
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
4
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. Конструкторскотехнологические 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
5
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
6
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:
Рис.1. Функциональная схема.
+
~Uпит
Силовой
трансформатор
Сглаживающий
фильтр
Выпрямитель
Стабилизатор
напряжения
Uн
−
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.
7
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.
Рис.2. Однополупериодная схема выпрямления.
Двухполупериодная однотактная схема:
«−» − усложненная конструкция трансформатора, высокое обратное
напряжение;
«+» − повышенная частота пульсации Кп=0,67, минимальное число
диодов.
8
Рис.3. Двухполупериодная однотактная схема.
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.
9
Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент
сглаживания.
Коэффициентом сглаживания называют отношение коэффициента
пульсации на входе фильтра к коэффициенту пульсации на выходе фильтра.
S
К пвх
К пвых
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.).
10
а)
Рис.5. Сглаживающие фильтры.
б)
в)
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.
11
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 ±0,0001 - 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
изменение
дестабилизирующими
напряжения
потребителя,
факторами,
являются
вызывающими
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
параметрические
и
стабилизаторов
используют
стабилизации
компенсационные.
В
стабилизаторы
качестве
нелинейные
элементы.
делятся
на
параметрических
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
называемого регулирующим.
12
управляемого
элемента,
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:
Кст 
Uвх
Uвх
Uвых
Uвых
- 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.
13
Стабилизатор
последовательного
типа
(рис.6.а)
состоит
из
регулирующего элемента Р, включенного последовательно с нагрузкой,
схемы сравнения СС и усилитель постоянного тока У.
Рис.6. Структурные схемы стабилизаторов
а)
б)
Rг
P
У
СС
P
Rн
Rн
СС
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
14
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.
15
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
стабилизатора. Прибор оформлен в пластмассовом корпусе TO-220.
Типовое включение:
16
токового
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 0,00110 мкф.
17
Uвх
-35В
С1
VT1
С2
R2
КР142ЕН18А
DA1
VD1
С3
Uвых
-
+
2.Эскизный проект
18
19
3. Печатная плата (фотошаблон)
20
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.
21
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. Г.Д. Фрумкин «Расчет и конструирование радиоэлектронной
аппаратуры», изд. «Высшая школа», Москва, 1977г.
6. Хныков А.В. «Теория и расчет трансформаторов источников
вторичного электропитания», 2004г.
7. Справочное пособие по электротехнике и основам электроники под
редакцией проф. А. В. Нетушила.
8. Гусев В.Г. «Электроника и микропроцессорная техника. учебник
для вузов», 2004г.
22
Документ
Категория
Радиоэлектроника
Просмотров
11
Размер файла
494 Кб
Теги
курсовой
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа