1. ЗАГАЛЬНИЙ РОЗДІЛ
1.1 Аналіз технічного завдання
Метою дипломного проекту є проектування вторинного джерела живлення.
Вторинне джерело електроживлення - це пристрій, призначений для забезпечення живлення електроприладу електричною енергією, при відповідності вимогам її параметрів: напруги і струму, шляхом перетворення енергії інших джерел живлення. Джерело електроживлення може бути інтегрованим у загальну схему (зазвичай в простих пристроях або коли неприпустимо навіть незначне падіння напруги на підводящих проводах - наприклад материнська плата комп'ютера має вбудовані перетворювачі напруги для живлення процесора), виконані у вигляді модуля (блоку живлення, стійки електроживлення і т.д.), або навіть розташованим в окремому приміщенні (цеху електроживлення).
Завдання вторинного джерела живлення - забезпечувати передачу заданої потужності з найменшими втратами і дотриманням заданих характеристик на виході без шкоди для себе. Зазвичай потужність джерела живлення беруть з деяким запасом.
Форми Перетворення напруги - перетворення змінної напруги в постійну, і навпаки, а також перетворення частоти, формування імпульсів напруги і т.д. Найчастіше необхідно перетворення змінної напруги промислової частоти в постійну.
Перетворення величини напруги - як підвищення, так і зниження. Інколи необхідний набір з декількох напруг різної величини для живлення різних ланцюгів.
Стабілізація - напруга, струм та інші параметри на виході джерела живлення повинні лежати в певних межах, залежно від його призначення при впливі великої кількості дестабілізуючих факторів: зміни напруги на вході, струму навантаження і т.д. Найчастіше необхідна стабілізація напруги на навантаженні, проте іноді (наприклад, для зарядки акумуляторів) необхідна стабілізація струму.
Захист - напруга, або струм навантаження у разі несправності (наприклад, короткого замикання) будь-яких ланцюгів може перевищити допустимі межі і вивести електроприлад, або саме джерело живлення з ладу. Також у багатьох випадках потрібен захист від проходження струму по неправильному шляху: наприклад проходження струму через землю при дотику людини або стороннього предмета до струмоведучих частин.
Гальванічна розв'язка ланцюгів - один із заходів захисту від протікання струму по невірному шляху.
Регулювання - в процесі експлуатації може знадобитися зміна будь-яких параметрів для забезпечення правильної роботи електроприладу.
Управління може включати регулювання, включення / відключення будь-яких ланцюгів, або джерела живлення в цілому. Може бути як безпосереднім (за допомогою органів управління на корпусі пристрою), так і дистанційним, а також програмним (забезпечення включення / вимикання, регулювання в заданий час або з настанням яких-небудь подій).
Контроль - відображення параметрів на вході і на виході джерела живлення, включення / вимикання ланцюгів, спрацьовування захистів. Також може бути безпосереднім або дистанційним. Найчастіше перед вторинними джерелами живлення стоїть завдання перетворення електроенергії з мережі змінного струму промислової частоти (напр., В Росії - 220 В 50 Гц, в США - 120 В 60 Гц).
Дві найбільш типових конструкції - це трансформаторні і імпульсні джерела живлення:
Класичним блоком живлення є трансформаторний блок живлення. У загальному випадку він складається з понижувального трансформатора або автотрансформатора, у якого первинна обмотка розрахована на мережеву напругу. Потім встановлюється випрямляч, що перетворює змінну напругу в постійну (пульсуючу односпрямовану). У більшості випадків випрямляч складається з одного діода (однонапівперіодний випрямляч) або чотирьох діодів, що утворюють діодний міст (двухнапівперіодний випрямляч). Іноді використовуються й інші схеми, наприклад, в випрямлячах з подвоєнням напруги. Після випрямляча встановлюється фільтр, що згладжує коливання (пульсації). Зазвичай він являє собою просто конденсатор великої ємності.
Імпульсні блоки живлення є інверторною системою. В імпульсних блоках живлення змінна вхідна напруга спочатку випрямляється. Отримана постійна напруга перетворюється в прямокутні імпульси підвищеної частоти і певної шпаруватості або подаються на трансформатор (у разі імпульсних блоків живлення з гальванічною розв'язкою від живильної мережі) або безпосередньо на вихідний фільтр нижніх частот (в імпульсних блоках живлення без гальванічної розв'язки). В імпульсних блоках живлення можуть застосовуватися малогабаритні трансформатори - це пояснюється тим, що зі зростанням частоти підвищується ефективність роботи трансформатора і зменшуються вимоги до габаритів (перетину) сердечника, необхідним для передачі еквівалентної потужності. У більшості випадків такий сердечник може бути виконаний з феромагнітних матеріалів, на відміну від сердечників низькочастотних трансформаторів, для яких використовується електротехнічна сталь. В імпульсних блоках живлення стабілізація напруги забезпечується за допомогою негативного зворотного зв'язку. Зворотній зв'язок дозволяє підтримувати вихідну напругу на відносно сталому рівні незалежно від коливань вхідної напруги і величини навантаження. Зворотній зв'язок можна організувати різними способами. У разі імпульсних джерел з гальванічною розв'язкою від живильної мережі найбільш поширеними способами є використання зв'язку за допомогою однієї з вихідних обмоток трансформатора або за допомогою оптрона. Залежно від величини сигналу зворотного зв'язку (залежного від вихідної напруги), змінюється скважність імпульсів на виході ШІМ-контролера. Якщо розв'язка не потрібна, то, як правило, використовується простий резистивний дільник напруги. Таким чином, блок живлення підтримує стабільну вихідну напругу. Вимоги до джерел вторинного живлення, пред'являються дуже високі. Особливо до таких параметрів, як коефіцієнти пульсації і стабілізації. Також обов'язковий захист, як самого джерела так і навантаження. Сучасне джерело живлення крім ручного регулювання струму навантаження і напруги, має можливість управління через персональний комп'ютер. Для проведення автоматизованих досліджень, з подальшою обробкою результатів на електронно обчислювальних машинах. Основними перевагами імпульсних джерел живлення є поліпшені масо-габаритні характеристики і підвищений коефіцієнт корисної дії. Для підвищення надійності такі перетворювачі забезпечуються різними пристроями захисту: тепловим захистом від підвищення температури силового ключа перетворювача, струмовим захистом від перевищення струму в силовому ключі, захистом від підвищення або зниження напруги живильної силової мережі, захистом від короткого замикання в навантаженні. Всі ці захисти ускладнюють перетворювач, але роблять його більш надійним. За технічним завданням необхідно розробити імпульсне джерело вторинного електроживлення, призначене для живлення різних низьковольтних пристроїв. У цьому пристрої повинні бути передбачені регулювання струму і напруги, захист від перевищення напруги, захист по струму і можливість управління джерелом через персональний комп`ютер. Розроблюване джерело живлення повинно повністю задовольняти технічному завданню. Розробляємий імпульсний блок живлення повинен бути реалізований на основі мікросхеми UC3842. Ця мікросхема набула поширення, починаючи з другої половини 90-х років. На ній реалізовано безліч різних джерел живлення для телевізорів, факсів, відеомагнітофонів та іншої техніки. Таку популярність UC3842 отримала завдяки своїй малій вартості, високої надійності, простоті схемотехніки та мінімальної необхідної обв'язки(минимальной требуемой обвязке).
Конструктивно блок живлення буде виконаний у вигляді однієї односторонньої друкованої плати, встановленої в корпус від блоку живлення персонального комп'ютера. Вентилятор і вхідні мережеві роз'єми використовуються за призначенням. Вентилятор підключений до стабілізатора + 12/15 В, хоча можливо зробити додатковий випрямляч або стабілізатор на +12 В без особливої фільтрації. Всі радіатори встановлені вертикально, перпендикулярно виходному, через вентилятор, повітряному потоку. До виходів стабілізаторів підключені по чотири дроти завдовжки 30 ... 45 мм, кожен комплект вихідних проводів обжатий спеціальними пластиковими зажимами-ремінцями в окремий джгут і оснащений роз'ємом того ж типу, який використовується в персональному комп'ютері для підключення різних периферійних пристроїв. На закінчення слід зазначити, що параметри стабілізації визначаються параметрами МС стабілізаторів. Напруги пульсацій визначаються параметрами самого перетворювача і складають приблизно 0.05% для кожного стабілізатора. Також слід зазначити, що при налагодженні мережної частини рекомендується пам'ятати про заходи безпеки, оскільки елементи мережної частини перетворювача гальванично пов'язані з мережею. Не рекомендується включати окремо мережеву частину без навантаження: це може привести до значного зростання напруги на окремих елементах і їх пробою.
Наземна професійна апаратура в залежності від умов експлуатації і категорії розміщення поділяється на наступні групи: 1 – апаратура стаціонарна, що працює в опалювальних наземних і підземних спорудах; 2 – стаціонарна, що працює на відкритому повітрі або в неопалювальних наземних і підземних спорудах; 3 – апаратура транспортуєма, встановлена в транспорті, що працює на ходу; 4 – апаратура транспортуєма, встановлена у внутрішніх приміщеннях річкових суден і працює на ходу; 5 – апаратура транспортуєма, встановлена на пересувних залізничних об`єктах і працює на ходу; 6 – апаратура носима і портативна, призначена для тривалої переноски людиною на відкритому повітрі або в неопалювальних наземних та підземних спорудах, працює і не працює на ходу; 7 – портативна призначена для тривалої переноски людиною на відкритому повітрі при полегшених зовнішніх впливів або в опалювальних наземних та підземних спорудах і працює на ходу. Виконання У – для районів з помірним кліматом і середньорічними екстремумами температури -45°С,+45 °С. Під стійкістю до зовнішніх впливів розуміють можливість ЕА виконувати свої функції в умовах впливу зовнішнього фактору і зберігати при цьому значення параметрів в межах встановлених нормативно-технічною документацією (НТД). Міцність стосовно до зовнішніх впливів властивість ЕА протистояти впливу зовнішнього фактора (вібрації) і зберігати після припинення дії значення параметрів. В якості нормальних кліматичних умов приймають: температуру оточуючого повітря – (15..35)°С, відносну вологість – (45…75)%, атмосферний тиск – (86 -104)кПа. У відповідності зі стандартом наземні професійні апарати повинні витримувати нормативні впливи, приведені у таблиці 1.
Таблиця 1 – Категорії розміщення ЕА на об`єкті експлуатації
Укрупнені категорії розміщення
|
Додаткові категорії розміщення
|
|
|
4. Для експлуатації в приміщеннях (об`ємах) з штучним кліматом. |
4.1 При кондиціюванні (частковому кондиціюванні). 4.2 В опалювальних приміщеннях. |
Загальні норми кліматичних впливів на електронні апарати приведені в таблиці 2, норми кліматичних і механічних впливів наведені в таблиці 3.
Таблиця 2 – Загальні норми кліматичних впливів на електронні апарати
Виконання |
Категорія розміщення |
Вплив температури,°С |
Вплив відносної вологості, % |
|||||
Робочі |
Граничні |
|||||||
Робоче |
||||||||
Верхнє |
Нижнє |
Середнє |
Верхнє |
Нижнє |
Верхнє |
|||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
У |
1.3 |
+40 |
-45 |
+10 |
+45 |
-50 |
98 |
25°С |
Таблиця 3 – Норми кліматичних і механічних впливів
Вид впливу, характеристика |
Норми впливів |
Допуск |
7 група |
||
1 |
2 |
3 |
Вібростійкість: діапазон частот, Гц; амплітуда віброприскорення, g |
10 - 30
0,25 – 1,1 |
±1
±10% |
Віброміцність: частота вібрації, Гц амплітуда віброприскорення, g |
10 – 30
1 , 4 |
±2<50 ±5<50
±20% |
Продовження таблиці 3 |
|
|
1 |
2 |
3 |
Відсутність резонансу в конструкції: діапазон частот, Гц амплітуда вібропереміщення, мм |
10 – 30 0,5 – 0,8 |
±1 ±15% |
Ударна міцність: тривалість ударного імпульсу, мс прискорення пікове, g |
5-10 10 |
±20%
|
число ударів за хвилину |
40-80 |
- |
загальне число ударів, не менше |
6000 |
- |
Міцність при транспортуванні (в упакованому вигляді): тривалість ударного імпульсу, мс прискорення пікове, g число ударів за хвилинну загальне число ударів, не менше |
5-10 25 40-80 13000 |
- - ±20% |
Міцність при падінні: висота скидування ЕА до 5 кг, мм число скидувань |
500 11 |
±20% |
Теплостійкість: робоча температура, °С гранична температура, °С |
40 55 |
±3 ±3 |
Захищеність від дії морського туману з водністю г/мм2 |
2-3 |
- |
Захищеність від дії повітряно-пилевого потоку зі швидкістю, м/с |
10 |
- |
1.2 Опис аналогічного пристрою
У джерелі живлення формату AT (рисунок 1.) Напруга живлення через зовнішній розмикач мережі, розташований в корпусі системного блоку, надходить на мережевий фільтр і низькочастотний випрямляч. Далі випрямлена напруга, величиною порядку 300 В, напівмостовим перетворювачем перетвориться в імпульсне. Розв'язка між первинною мережею та споживачами здійснюється імпульсним трансформатором. Вторинні обмотки імпульсного трансформатора підключені до високочастотним випрямлячів + I2 В і +5 В і відповідним згладжуючим фільтрам. Сигнал Power Good (живлення в нормі), що подається на системну плату через 0,1..0,5 с після появи живлять напруг +5 В, виконує початкову установку процесора. Вихід з ладу силової частини джерела запобігається вузлом захисту і блокування. При відсутності аварійних режимів роботи ці ланцюги формують сигнали, що дозволяють функціонування широтно-імпульсного модулятора (ШІМ) - контролера, який керує напівмостовим перетворювачем за допомогою узгоджувального каскаду. Підтримання вихідних напруг постійного значення в контролері забезпечується системою управління зі зворотним зв'язком, при цьому в якості помилки використовується відхилення вихідної напруги від джерела +5 В.
Джерело живлення формату АТХ (рисунок 2.) Відрізняється:
- Наявністю допоміжного перетворювача;
- випрямляч джерела чергового режиму +5 B_SB;
- Додаткові джерела +3,3 В;
- пристроїв управління дистанційним включенням блоку живлення по сигналу PS_ON, керуючим роботою ШИМ - контролера.
Рисунок 1 - Структурна схема джерела живлення формату AT
Рисунок 2 - Структурна схема джерела живлення формату ATХ
Блок живлення являє собою серйозне джерело перешкод комп'ютера для побутової теле- і радіоапаратури, причини перешкод:
- перемикаючий режим напівпровідникових приладів;
- наявність реактивних елементів, таких як індуктивність виводів елементів і ємність монтажу, які призводять до виникнення паразитних автоколивань. Інтенсивність перешкод істотно залежить від швидкодії транзисторів і діодів силової частини, а також довжини висновків елементів і ємності монтажу. Наявність перешкод справляє негативний вплив і на роботу самого блоку живлення, що виявляється в погіршенні характеристик стабілізації джерела. При аналізі схемотехніки імпульсних джерел живлення прийнято розрізняти синфазну і диференціальну складові перешкоди. Сінфазна напруга перешкоди вимірюється відносно корпусу пристрою з кожним з полюсів шин живлення джерела. Диференціальна складова вимірюється між полюсами шин живлення (первинної, навантажувальної), ще її визначають як різницю синфазних складових перешкоди між шинами відповідної ланцюга. Захист джерел живлення проявляється в критичних режимах роботи, а також у тих випадках, коли дія зворотного зв'язку може призвести до граничних режимам роботи елементів схеми, попереджаючи тим самим вихід з ладу силових і дорогих елементів схеми. До них відносяться транзистори напівмостового перетворювача і вихідні випрямлячі. В результаті дії ланцюгів захисту знімаються вихідні керуючі сигнали з ШІМ - контролера, транзистори перетворювача знаходяться у вимкненому стані, вихідна вторинна напруга відсутня. Виключаючи внутрішні ланцюга захисту ШІМ - контролера розглянемо дію зовнішніх елементів схем зашиті, що зустрічаються в типових схемах перетворювачів.
Слід розрізняти такі ланцюга захисту:
- Від короткого замикання в навантаженні;
- Від надмірного струму в транзисторах напівмостового перетворювача;
- Захист від перевищення напруги.
Перші два типи захисту близькі по дії і пов'язані з необхідністю віддачі перетворювачем великої потужності в навантаження. Діють вони при перевантаженнях джерела живлення або ж несправності в перетворювачі. Захист від перевищення напруги може виникати при перепадах живлячої напруги і в деяких інших випадках. Вимкнення перетворювача в джерелах живлення здійснюється за допомогою додаткового підсилювача помилки, звичайно це підсилювач помилки 1, включений компаратором або по каналу управління паузою.