21

4.РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

4.1.Порядок расчета принципиальной схемы

Разработка принципиальных электрических схем всегда содержит элементы творчества и требует умелого применения элементарных электрических цепей и типовых функциональных узлов, оптимальной компоновки их в единую схему с учетом удовлетворения предъявляемых к схемам требований, а также возможного упрощения и минимизации схем.

Расчет принципиальной схемы сводится к последовательному расчету функциональных элементов, из которых синтезировано устройство со стороны выхода, т.е. с конца. Но такая последовательность расчета не является обязательной. Разработчик может определить свою последовательность расчета функциональных блоков. Основным критерием являться наличие исходных данных необходимых для проведения синтеза и расчета схемы. Большинство параметров функциональных блоков должны быть определены на этапе эскизного проектирования функциональной схемы. Блок питания разрабатывается в самую последованию очередь, после расчета всех остальных функциональных узлов.

Необходимые для расчета дополнительные данные - значения входных и внешних для данного элемента параметров - разработчик устанавливает сам, исходя из соображений оптимального режима работы устройства. Простота и экономичность проектируемых схем обеспечивается применением стандартных типовых узлов, сокращением до минимума числа элементов в схеме и ограничением их номенклатуры.

4.2. Выбор элементной базы и расчет электрической принципиальной схемы

После разработки функциональной схемы устройства производится выбор элементной базы. Сначала решается, какие функциональные части разрабатываемой схемы могут быть построены на интегральных микросхемах, а какие на дискретных. Данный этап завершается выбором используемых серий ИМС и типа дискретных элементов. Основанием к выбору элементной базы служат технические требования по точности, быстродействию, надежности и помехоустойчивости устройства, сформулированные на этапе выбора и расчете функциональной схемы и требований ТЗ. Элементную базу для большинства устройств рекомендуется выбирать или одной серии ИМС, или же несколько серий, но требующих наименьшего числа схем согласования между собой по уровням напряжений, токов и т.п.

Выбранная элементная база дает основание для разработки и составления полной электрической принципиальной схемы устройства. Выбор конкретных ИМС и дискретных элементов производится при полном расчете параметров принципиальной схемы.

4.2.1. Рекомендации по выбору конденсаторов

Эксплуатационная надежность конденсаторов во многом определяется правильным выбором типов конденсаторов при проектировании схемы и использовании их в режимах, не превышающих допустимые.

Для правильного выбора конденсаторов необходимо на основе анализа требований к аппаратуре определить:

1.значения номинальных параметров и допустимые их изменения в процессе эксплуатации (емкость, напряжение, сопротивление изоляции и др.);

2.допустимые режимы и рабочие электрические нагрузки (диапазон рабочих частот, амплитуда и частота переменной составляющей напряжения, реактивная мощность, параметры импульсного режима и др.);

3.эксплуатационные факторы (интервал рабочих температур, величины механических нагрузок и относительной влажности окружающей среды и др.);

22

4.показатели надежности, долговечности и сохраняемости конденсаторов;

5.конструкцию конденсаторов, способы монтажа, габариты и массу.

Вцелях повышения надежности и долговечности конденсаторов во всех возможных случаях следует использовать их при менее жестких нагрузках и облегченных режимах по сравнению с допустимыми.

Большинство конденсаторов по назначению можно разделить на следующие четыре основные категории:

1.для связи по переменному току, включая шунтирование (передача переменного сигнала с фильтрацией постоянной составляющей);

2.блокировочные (фильтрация переменного сигнала, наложенного на постоянный, или фильтрация высоких частот, наложенных на сигнал низкой частоты в сигнальных схемах, контурах опорного напряжения или питания);

3.активные/пассивные RC фильтры и частотно - избирательные схемы;

4.аналоговые интеграторы и схемы выборки - хранения (накопление и хранение заряда). Полярные конденсаторы с оксидным диэлектриком или электролитические могут работать

только в цепях постоянного или пульсирующего тока, при этом амплитуда напряжения переменной составляющей должна быть меньше напряжения постоянного тока. Недопустимо подавать на полярные конденсаторы постоянное напряжение обратной полярности. Для этих типов конденсаторов выбор режима работы является определяющим фактором надежности. Неверный выбор конденсатора и неправильный расчет режимов его работы может заметно снизить надежность аппаратуры и явиться причиной отказов. Особенностям применения и методике выбора и расчета номиналов электролитических конденсаторов будет посвящен раздел далее, а здесь приведем некоторые причины, способные привести к преждевременному отказу полярного конденсатора:

1.переохлаждение (обычно ниже – 30 оС). приводит к резкому росту ESR (эквивалентного последовательное сопротивление) и падению емкости;

2.перегрев (повышенная температура окружающей среды или превышение допустимого тока пульсаций); приводит к росту ESR и тока утечки, падению емкости;

3.превышение рабочего напряжения приводит к росту ESR и падению емкости;

4.переходные перенапряжения могут привести к повышению тока утечки и внутреннему короткому замыканию в конденсаторе;

5.воздействие высоких частот; может привести к изменению емкости и ESR;

6.обратное напряжение может привести к повышению тока утечки, потере емкости, увеличению ESR, сокращению срока службы;

7.механические вибрации приводят к внутреннему короткому замыканию, увеличению

тока утечки, потере емкости.

Допускается встречное включение оксидных конденсаторов — соединение одноименными полюсами (плюс с плюсом или минус с минусом) двух однотипных с одинаковыми номинальными емкостью и напряжением полярных конденсаторов. При этом общая емкость уменьшается в 2 раза. Встречно включенные конденсаторы применяются как неполярные. Оксидно-электролитические танталовые конденсаторы типа ЭТО, К52-2 и К52-5 на номинальное напряжение 15 В и выше при встречном включении допускают работу в цепях переменного тока частотой до 20 Гц при амплитуде напряжения не более 3 В.

Особенностью эксплуатации оксидно-электролитических конденсаторов является наличие бросков тока утечки в момент подачи на конденсатор поляризующего напряжения. При этом в первые секунды ток утечки быстро убывает и с течением времени снижается до установившегося значения. Начальное значение тока утечки зависит (при прочих равных условиях) от времени, в течение которого конденсатор бездействовал (либо находился на хранении). С увеличением времени хранения и температуры ток утечки возрастает, одновременно увеличивается время его восстановления (особенно у алюминиевых конденсаторов). Наиболее интенсивно увеличение тока утечки происходит при длительном воздействии повышенных температур без электрической нагрузки.

23

При эксплуатации некоторых типов однослойных металлобумажных, металлопленочных и лакопленочных конденсаторов при низких напряжениях (менее 10 В) наблюдается нестабильность сопротивления изоляции, которое может снижаться до очень малых значений (единиц мегаом).

Унекоторых типов бумажных и пленочных конденсаторов (БМ-1, БМТ-1, ПМ-1, ФТ и др.) с вкладными контактами при малых напряжениях (особенно менее 1 В) появляется неустойчивый внутренний контакт между обкладками и выводами, а также возрастание тангенса угла потерь изза образования окисной пленки. При включении указанных конденсаторов под напряжение более 30 В их параметры практически восстанавливаются.

Укерамических и слюдяных конденсаторов с электродами, нанесенными методом вжигания или испарением в вакууме, может иметь место самопроизвольное скачкообразное изменение емкости, взрастающее с увеличением напряжения и называемое «мерцанием». Мерцание связано с отсутствием четко выраженного края электрода и наличием большого числа мелких островков металла, включающихся к обкладке при включении конденсаторов под напряжение. Однако изменение емкости при этом невелико и не превышает тысячных долей номинального значения. Явление «мерцания» может сказываться на стабильности работы особо точной аппаратуры (например, за счет скачкообразного изменения частоты контура), а также при применении конденсаторов в качестве образцовых мер. В большинстве случаев явление «мерцания» не сказывается на работоспособности аппаратуры.

При работе с высоковольтными конденсаторами необходимо учитывать явление абсорбции электрических зарядов в диэлектрике, обусловливающей неполную отдачу энергии при быстром разряде конденсатора на нагрузку. У различных, типов конденсаторов отношение остаточного напряжения на конденсаторе к величине зарядного напряжения колеблется от 3 до 15%, вследствие чего остаточное напряжение может быть опасным для жизни обслуживающего персонала.

Параметры и характеристики, входящие в полное условное обозначение, указываются в следующей последовательности:

- обозначение конструктивного исполнения, - номинальное напряжение, - номинальная емкость,

- допускаемое отклонение емкости (допуск), - группа и класс по температурной стабильности емкости, - номинальная реактивная мощность,

- другие, необходимые дополнительные характеристики. Рассмотрим примеры условных обозначений конденсаторов.

1. Керамический конденсатор постоянной емкости на номинальное напряжение до 1600 В с регистрационным номером 17 сокращенно обозначается:

К10-17.

2. Подстроечный керамический конденсатор с регистрационным номером 25 сокращенно обозначается:

КТ4-25.

3. Конденсатор керамический К10-7В, всеклиматического исполнения «В», группы ТКЕ М47, номинальной емкостью 27 пФ, с допуском ±10%, поставляемый по ГОСТ 5.621-70, имеет полное условное обозначение:

К10-7В-М47-27пФ ±10% ГОСТ 5.621-70.

4. Конденсатор полиэтилентерефталатный К74-5 номинальной емкостью 0,22 мкФ, с допуском ±20%, поставляемый по ГОСТ 5,623-70, имеет полное условное обозначение:

К74-5-0,22 мкФ ±20% ГОСТ 5.623-70.

5. Конденсатор оксидно-электролитический алюминиевый К50-7, конструктивного варианта «а», на номинальное напряжение 250 В, номинальной емкостью 100 мкФ, всеклиматического исполнения «В», поставляемый по ГОСТ 5.636.-70, имеет полное условное обозначение:

К50-7а-250 В-100 мкФ-В ГОСТ 5.635-70.

24

6. Конденсатор подстроечный с твердым керамическим диэлектриком, малогабаритный КП- К-М, с пределами номинальной емкости от 2 до 7 пФ, поставляемый по ГОСТ 5.500-76, имеет полное условное обозначение:

КПК-М-2/7 ГОСТ 5 500-76.

Маркировка на конденсаторах (так же как и условное обозначение) буквенно-цифровая. Она содержит: сокращенное обозначение конденсатора, номинальное напряжение, номинальное значение емкости, допуск, обозначение климатического исполнения (буква «В» для конденсаторов все климатического исполнения) и дату изготовления.

4.2.2. Особенности применения электролитических конденсаторов

Основная причина деградации и выхода из строя электролитических конденсаторов - это диффузия электролита через изолятор. Процесс ускоряется с ростом температуры и, в основном, определяет срок службы конденсатора. В предыдущем разделе приведены некоторые причины, способные привести к преждевременному отказу конденсатора.

При выборе номинала конденсатора необходимо учитывать не только требования, предъявляемые к схеме, в которой он установлен, но и требования, предъявляемые к режимам работы самого конденсатора. Причем последние, как правило, оказываются строже. Необходимо также учитывать разброс номиналов, временные изменения параметров, и помнить о том, что электролитический конденсатор должен оставаться в пределах заданных допусков в течение всего срока службы.

Как правило, расчет номинала включает в себя следующие действия:

1.выбирается номинал конденсатора, обеспечивающий необходимую мощность нагрузки или заданное минимальное выпрямленное напряжение;

2.найденное значение корректируется с учетом разброса номинала, временного и температурного изменения номинала;

3.из каталога выбирается ближайшее минимальное значение номинала конденсатора;

4.рассчитывается среднеквадратичное значение тока пульсаций для нового конденсатора, определяется температура нагрева и срок его службы.

Рассмотрим в качестве примера методику выбора электролитического конденсатора для простейшей схемы двухполупериодного выпрямителя. Для упрощения расчета предположим, что диоды и сглаживающая емкость идеальные, и схема не содержит паразитных сопротивлений.

Конденсатор заряжается до амплитудного значения питающего напряжения, примем для рассматриваемого примера равным 310 В, сопротивление нагрузки задаем 100 Ом.

Упрощенная методика расчета основана на том, что падение напряжения на конденсаторе начинается на максимуме и происходит линейно, т.к. используется начальный участок экспоненты разряда.

Зададимся минимальным значением выпрямленного напряжения . Минимальное напряжение присутствует на ЭК в момент времени:

.

Максимум напряжения имеет место при:

,

26

Ток заряда конденсатора имеет треугольную форму, в силу чего его среднеквадратичное значение можно найти по известной формуле:

,

. Среднеквадратичное значение тока разряда:

,

А. Общее среднеквадратичное значение тока:

,

А.

Токи перезаряда конденсатора вызывают потери на его омическом сопротивлении. Потери также создаются за счет тока утечки и изменения напряжения на диэлектрике. Эти потери проявляются в повышении температуры конденсатора - , пропорциональном мощности потерь . Рассмотрим тепловую модель конденсатора (рисунок 4.2).

Рисунок 4.2. Тепловые модели оксидного конденсатора. Здесь - температура окружающей среды, - температура в геометрическом центре конденсатора, - температура теплоотвода, - температура выводов конденсатора, - температура корпуса конденсатора.

Наиболее нагретая точка, расположена в геометрическом центре конденсатора, имеет температуру . Тепло распространяется во все стороны через электролит, фольгу, выводы, корпус и т.д. Обозначим - тепловое сопротивление «точка перегрева - корпус», а - тепловое сопротивление «корпус - окружающая среда». Если конденсатор установлен на теплоотвод, то в модель вводится тепловое сопротивление «корпус - теплоотвод» - зависящее от размера, формы теплоотвода и конвекции воздуха.

На тепловые режимы при импульсном характере работы влияние оказывает также тепловая емкость конденсатора которая зависит от массы и материала конденсатора. В модели такую емкость можно было бы установить параллельно каждому сопротивлению. Однако емкостью, параллельной можно пренебречь благодаря низкой теплоемкости воздуха.

На рисунке 4.2 приведены эквивалентные тепловые схемы для случая естественного охлаждения (слева) и установки на радиатор (справа). Температура корпуса измеряется в точке, противоположной выводам.