курсач / схемы курсач / КР_Электротехника_ИВТ_методические_указания_ver_5

конденсаторов и прочих пассивных компонентов, если они требуются в схеме. После вычисления точных значений номиналов подобрать ближайшие из ряда E24.

1.3Зарисовать итоговую схему с учётом номиналов, выбранных на этапе 1.2.

1.4Рассчитать ток Iнагр, который будет выдан стабилизатором в нагрузку при

Rнагр = 10 Ом.

1.5Сделать вывод о том, выдержит ли стабилизатор нагрузку, эквивалентную

Rнагр = 10 Ом (если Iнагр < Iмах_стаб то стабилизатор выдержит данную нагрузку). Значение Iмах_стаб приведено в спецификации.

Задание 2. Импульсный стабилизатор с фиксированным выходом

2.1 Выбрать импульсный стабилизатор напряжения с фиксированным выходным напряжением, удовлетворяющий параметрам, приведёнными в табл. 2.2.

Таблица 2.2 – Параметры для подбора импульсного стабилизатора

П р и м е ч а н и е №ИВ – номер индивидуального варианта

Uвх_min – входное минимальное напряжение

11

Uвх_max – входное максимальное напряжение

Uвых – номинальное выходное напряжение

Iвых – выходной ток

2.2Рассчитать схему для стабилизатора в соответствии со спецификацией на выбранный компонент. Расчёт схемы включает в себя расчёт номиналов резисторов, конденсаторов и прочих пассивных компонентов, если они требуются в схеме (подобрать ближайшие значения из стандартного ряда E24). В случае, если в спецификации приведена схема и расчёты не требуются, указать в данном пункте «Схема приведена в спецификации».

2.3Зарисовать итоговую схему.

2.4Сделать вывод о том, выдержит ли стабилизатор нагрузку, эквивалентную Rнагр = 10 Ом (если Iнагр < Iмах_стаб то стабилизатор выдержит данную нагрузку). Значение Iмах_стаб приведено в спецификации.

Требования к отчёту

отчёт должен быть выполнен в электронном виде;

отчёт должен содержать фрагменты фильтров с сайтов дистрибьютеров;

отчёт должен содержать фрагменты схем из спецификации;

отчёт должен содержать фрагменты таблицы из спецификации;

отчёт должен содержать фрагменты формул из спецификации;

рисунки в отчёте должны быть названы и пронумерованы;

в случае, если схемы нарисованы от руки, к отчёту следует приложить фотографию схемы, если оформлены в Altium Designer – приложить скрин.

Загрузка отчёта

Отчёт по части 2 выполняется в том же документе, что и часть 1 – является его продолжением, после чего должен быть прикреплён в системе ОРИОКС в разделе «Домашние задания»:

Дисциплина – Электротехника Контрольное мероприятие – КР. Часть 2

Название задания – «Расчёт импульсных стабилизаторов напряжения» Тип работы – Домашняя работа Вариант – (указать номер варианта из таблицы)

Описание – (указать через запятую названия выбранных стабилизаторов)

12

Часть 3. Схема формирования питания

Задание

Разработать схему формирования питания как составную часть устройства Х (структурная схема представлена на рис.3.1) с заданными характеристиками. Схема должна обеспечивать необходимые уровни напряжения для перечисленных ниже узлов схемы.

Описание структурных блоков устройства Х в части питания, для которого в данной части курсовой работы необходимо разработать схему формирования питания:

1. Микроконтроллер (далее МК)

1.1. VD (питание цифровой части МК, обычно в спецификации называется

VDD)

1.2. VA (питание аналоговой части МК, обычно в спецификации называется

VDDA)

2. Программируемая логическая интегральная схема (далее ПЛИС)

2.1.VCCINT (напряжение питания ядра)

2.2.VCCO (напряжение питания блоков ввода-вывода)

2.3.V CCAUX (вспомогательное напряжение питания)

3.Операционный усилитель (Operational Amplifier, OA) с однополярным питанием («Single-supply», далее ОУ-1)

+V (положительное питание ОУ)

4.Операционный усилитель (Operational Amplifier, OA) с двухполярным питанием («Dual-supply», далее ОУ-2)

4.1.+V (положительное питание ОУ)

4.2.-V (отрицательное питание ОУ)

13

При разработке схемы формирования питания стоит учитывать не только уровень напряжения (таблица 3.1), но и потребляемый ток в конкретной цепи питания (таблица 3.2).

Входное напряжение Uвх в соответствии с вариантами значительно завышено, относительно уровня напряжений питания целевых потребителей схемы - МК и ПЛИС. Использование линейного стабилизатора в качестве входного каскада в данной ситуации не целесообразно, так как линейный стабилизатор обладает довольно низким КПД (около 50%) и «излишки» входного напряжения будет рассеивать в виде тепла. Использование линейного стабилизатора в данной ситуации приведёт к нагреву устройства и к нецелесообразному расходу энергии источника питания. Исходя из чего предлагается с помощью импульсного стабилизатора напряжения сначала понизить уровень входного напряжения до определённого уровня, после чего стабилизировать его с помощью линейного стабилизатора.

Уровень напряжения питания ОУ В РАМКАХ ДАННОГО ЗАДАНИЯ предлагается формировать с помощью импульсных стабилизаторов, без применения линейных.

Примерная схема формирования питания приведена на рисунке 2.

14

15

Требования к содержанию отчёта

1.Фрагменты из таблиц с вариантом задания

2.Оценка уровня выходного напряжения импульсного стабилизатора 1

3.Выбор линейных стабилизаторов (все подпункты требуется выполнить для каждого стабилизатора)

3.1.Вводные данные для выбора стабилизатора (Uвх, Uвых, Iвых)

3.2.Обоснование выбора данного стабилизатора (полное номенклатурное название выбранного стабилизатора, описание параметров (Uвх, Uвых, Iвых_max, корпуса) и вывод о том, что такой стабилизатор подходит)

3.3.Расчёт мощности, выдаваемой в нагрузку Pнагр

3.4.Расчёт рассеивающей на стабилизаторе мощности Pрасс

3.5.Расчёт суммарной мощности, потребляемой стабилизатором и нагрузкой (Pнагр + Pрасс)

4.Оценка выходного тока импульсного стабилизатора 1

5.Выбор импульсного стабилизатора 1

5.1.Вводные данные для выбора стабилизатора (Uвх, Uвых, Iвых)

5.2.Обоснование выбора данного стабилизатора (полное номенклатурное название выбранного стабилизатора, описание параметров (Uвх, Uвых, Iвых_max, корпуса) и вывод о том, что такой стабилизатор подходит)

6. Выбор импульсных стабилизаторов 2 и 3

6.1.Вводные данные для выбора стабилизатора (Uвх, Uвых, Iвых)

6.2.Обоснование выбора данного стабилизатора (полное номенклатурное название выбранного стабилизатора, описание параметров (Uвх, Uвых, Iвых_max, корпуса) и вывод о том, что такой стабилизатор подходит)

7. Итоговая схема формирования питания с учётом выбранных компонентов (образец оформления на Рис.3.3). К схеме необходимо приложить комментарии с расчётами пассивных компонентов. Для расчёта использовать ряд E96

8. Оценка выходного тока ИП (источника питания) для вашего устройства (потреблением пассивных компонентов пренебречь)

Рис.3 – Пример оформления схемы электрической принципиальной

16

Вопросы и ответы

1. Как я могу оценить уровень выходного напряжения на импульсном стабилизаторе 1?

Для ответа на этот вопрос необходимо понять, какие уровни напряжений требуется сформировать для МК и ПЛИС. Например, по какому-то из вариантов требуется сформировать 1.8В, 2.5В, 3.3В, 1В, 5В. Выбираем максимальное и прибавляем 1-2В. 1В-2В это напряжения падения на линейном стабилизаторе (зависит от стабилизаторов, которые захотите использовать в дальнейшем). Соответственно на выходе импульсного стабилизатора 1 необходимо сформировать напряжение

5В+2В=7В.

2.Могу ли я использовать стабилизаторы с фиксированным выходом? Да.

3.Нужно ли дополнительно стабилизировать напряжения после импульсных стабилизаторов 2 и 3?

Нет, в данном задании этого не требуется. Но в реальных схемах стоит учесть,

что уровень импульсных помех питающего напряжения может повлиять на обрабатываемые сигналы. При желании добавить линейный стабилизатор можно.

4. Можно ли не делать два отдельных стабилизатора, если некоторые из уровней напряжения совпадают?

В данном случае делать 2 стабилизатора в большинстве случаев действительно не целесообразно. Но нужно учесть ток потребления от всех микросхем, подключаемых к этой цепи питания.

5. Как определить суммарную мощность?

Pнагр = Pнагр1+Pнагр2+Pнагр3… - сумма всех мощностей

Pнагр1 = UI

Например по варианту Uмк_Vdd = 4В и Iмк_Vdd = 20мА.

Отсюда Pмк_Vdd = Uмк_Vdd * Iмк_Vdd = 80мВт.

Находим мощности потребления для все остальных цепей и складываем их

6.Нужно ли прилагать скрины с Mouser.com или других дистрибьютеров? Нет.

7.Можно ли использовать стабилизаторы одной серии (одна спецификация)? Да.

8.Как оценить выходной ток импульсного стабилизатора?

Для этого нужно оценить мощность потребителей после импульсного стабилизатора. В нашем случае это линейные стабилизаторы. В пункте 3.5 для каждого стабилизатора нужно рассчитать суммарную мощность потребления каждым стабилизатором. Просуммировав мощности всех линейных стабилизаторов, можно

17

оценить Pимп_вых – требуемую выходную мощность импульсного стабилизатора 1. Учитывая выходное напряжение импульсного стабилизатора, определённого в пункте 1 можно вычислить выходной ток по формуле I = P/U

9. Как оценить выходной ток ИП?

Исходя из схемы, приведённой на Рис.1 потребителями относительно источника питания являются импульсные стабилизаторы. Соответственно необходимо уточнить мощности потребления каждым импульсным стабилизатором и просуммировать их. Так как КПД импульсного стабилизатора 90-98%, можно пренебречь потерями на самих стабилизаторах. В спецификации на каждый стабилизатор указывается потребление самого стабилизатора. Но в рамках данного задания эту информацию мы использовать не будем и будем считать что потери на стабилизаторе пренебрежимо малы. Остаётся просуммировать мощности потребления каждого импульсного стабилизатора, а с учётом пренебрежения потерями на данных стабилизаторах, мощность потребления равна мощности, выдаваемой в нагрузку. Например, ток потребления ОУ-1 составляет 30 мА, напряжение питания 5В. P = IU=5*0,03=0,15 Вт. Аналогичным образом необходимо найти мощности потребления для всех остальных импульсных стабилизаторов. Просуммировать их. Исходя из Uвх по варианту рассчитать выходной ток I=P/Uвх.

10. Как сформировать отрицательное напряжение для ОУ-2?

Так как с источника питания не приходит отрицательное напряжение, необходимо получить внутри схемы формирования питания. Для формирования питающих напряжений для ОУ-2 можно использовать специальные импульсные стабилизаторы, которые умеют формировать из положительного напряжения на входе симметричные уровни противоположной полярности на выходе. Например, из входных +30В такой стабилизатор может сформировать +12В и -12В.

Есть ещё один вариант формирования отрицательного напряжения. В данном способе требуется 2 стабилизатора. С помощью первого формируете положительное входное напряжение, а на втором, используя сформированное напряжение инвертируете его. Такие схемы подключения стабилизаторов называют инвертирующими. Некоторые современные стабилизаторы можно подключать разным способом и получать повышенное напряжение, пониженное, инвертированное, симметричные и т.д.

11.А что будет если я нарисую выводы у микросхем не только слева и справа, но и сверху и снизу, а резистор пружинкой, конденсатор лодочкой, катушку индуктивности спиралькой и буду проводить цепи в схеме не под углом 90 градусов?

Ваша огромная схема будет отправлена на доработку.

12.Нужно ли огибать цепи дугой на схеме, если они не пересекаются?

18

Нет, не нужно. В месте пересечения цепей на схеме ставится точка, в противном случае точка не ставится.

19

Таблица 3.1 – Уровни напряжений для схемы формирования питания

20