1.2 Анализ технического задания
Назначение источников питания с выходом на постоянном токе состоит в преобразовании переменного напряжения сети в постоянное. Разрабатываемый источник является ИВЭП. Как и любой другой источник с выходом на постоянном токе используется в различных областях электроники. Данный ИВЭП применяется как автономное устройство.
Разрабатываемый ИВЭП работает от сети переменного напряжения с действующим напряжением 220В и f=50Гц. Так как разрабатываемое устройство состоит из элементов с активными и реактивными сопротивлениями, то полная мощность, потребляемая источником электропитания, составляет примерно РС =1.1Вт. Выпрямленное выходное постоянное напряжение 11 В при токе нагрузки 0,1А, КСТ≥500.
Габаритные размеры разрабатываемого источника составляют 14х5х5 см, что делает его удобным в использовании в плане установки, переноски и др. Вес 250г.
Условия эксплуатации определяются по ГОСТ15150-69. Блок питания будет работать с небольшим перепадом температур 250±100С. Эти условия соответствуют умеренному климатическому исполнению и четвертой категории условий эксплуатации (в помещениях с искусственным регулированием климата). Для безопасной работы присутствует предохранитель и ключ.
1.3 Разработка структурной схемы блока питания
При разработке структурных схем используются следующие методы:
Эвристический метод – основан на накопленном опыте, анализе технической литературы и интуитивных соображений. На основе их анализа создаётся несколько моделей структурных схем, из них выбирается самая надёжная, самая простая, самая дешёвая.
Математический метод – на основе исходных данных создаётся модель – математическое описание внешних воздействий. Проводится анализ модели, в которую входит математический расчёт, моделирование на ЭВМ, испытание макетов. Выбирается модель, имеющая оптимальные показатели качества.
Функциональное наращивание. На основе технического задания составляется перечень функций, которые должно реализовывать разрабатываемое устройство. В соответствии с функциями приводится перечень устройств реализующих эти функции и строится структурная схема.
Функции, которые должно реализовывать устройство:
понижение напряжения;
выпрямление напряжения;
фильтрация;
стабилизация.
На основании функций выше названных, ниже перечислены устройства которые их реализовывают:
трансформатор;
выпрямитель;
фильтр;
стабилизатор.
При разработке структурной схемы ИВЭП использовался метод функционального наращивания, и схема представлена на рисунке:
1.4 Разработка схемы электрической принципиальной блока питания
Принципиальная структурная схема разработана на основе анализа исходных данных принятой структурной схемы. Исходя из структурной схемы, разрабатываемый источник питания состоит из 4 функциональных устройств.
Понижающий трансформатор.
Этот прибор широко применяется в системах питания радиоустройств, причём в качестве трансформаторов питания электронной аппаратуры используются трансформаторы малой мощности, которые предназначены для преобразования напряжения электрических цепей в напряжение, необходимое для питания электронной аппаратуры. Рассматриваемые трансформаторы питания можно классифицировать по следующим признакам:
В зависимости от числа фаз преобразуемого напряжения – на одно
фазные и трёхфазные;
В зависимости от числа обмоток – на двух обмоточные и многообмоточные;
В зависимости от конфигурации магнитопровода – на стержневые, броневые и тороидальные.
Исходя из экономичности, КПД, массогабаритных характеристик для разрабатываемого блока питания выбираем маломощный, броневой трансформатор питания, имеющий первичную обмотку и одну вторичную, имеющую на выходе 12 В.
Выбор выпрямителя
В ИП РЭА чаще всего используется однофазная мостовая схема выпрямителя. Данная схема позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых соединены анодами, образуя общий плюс, а два других соединены катодами, образуя общий минус выпрямителя.
Схемы выпрямления бывают:
Однофазная однополупериодная схема выпрямления;
Двухполупериодная (двухфазная) схема выпрямления с нулевым выводом;
Однофазная мостовая схема выпрямления;
Трёхфазная однополупериодная схема выпрямления;
Трёхфазная мостовая схема выпрямления.
Для разрабатываемого источника питания выбираем однофазную мостовую схему выпрямления, которая имеет ряд преимуществ над остальными: меньшие значения габаритной мощности, меньшие значения обратного напряжения на диоде и напряжения вторичной обмотки. Однако необходимость использования четырёх диодов является её недостатком.
Исходя из анализа технического задания и достоинств мостовой схемы, выбираем для разрабатываемого блока питания мостовую схему в качестве выпрямителя.
Выбор сглаживающего фильтра.
В разрабатываемом ИВЭП в качестве фильтра используется преимущественно электролитические конденсаторы, хотя иногда их заменяют масляными. Электролитические конденсаторы обладают большой ёмкостью при относительно небольших размерах. Масляные конденсаторы имеют одно явное преимущество перед электролитическими: их рабочее напряжение выше.
Виды фильтров:
Ёмкостной фильтр;
Индуктивный фильтр;
Индуктивно-ёмкостные фильтры;
Резистивно-ёмкостные фильтры;
Фильтры с резонансными контурами;
Многозвенные фильтры;
Активные фильтры.
Кроме основного требования – сглаживания пульсации выпрямленного напряжения – к фильтру предъявляются следующие требования:
Потери мощности и падение постоянной составляющей напряжения в фильтре должно быть минимальным; фильтр не должен влиять на работу потребителя; внешние электромагнитные поля, создаваемые фильтром, не должны нарушать функционирование устройства; во время переходных процессов фильтр не должен создавать перенапряжений и сверхтоков; собственная частота фильтра должна быть существенно меньше основной частоты пульсаций во избежание появления резонансных явлений в отдельных звеньях фильтра; фильтр должен обладать высокой надёжностью в пределах заданного диапазона температур.
Конденсатор, включённый параллельно нагрузке, представляет собой простейший емкостной фильтр. При повышении напряжения источника питания конденсатор периодически заряжается и разряжается на нагрузку, когда питающее напряжение становится меньше напряжения на его зажимах. При этом конденсатор отдаёт нагрузке заранее запасенную энергию и напряжение на нагрузке изменяется в относительно меньших пределах, чем при отсутствии конденсатора, в чём и заключается сглаживающее действие емкостного фильтра.
К достоинствам емкостного фильтра можно отнести простоту его выполнения.
Основной недостаток – необходимость применения диодов, рассчитанных на большую амплитуду прямого тока.
Выбор стабилизатора:
Стабилизаторы бывают:
Параметрические стабилизаторы;
Компенсационные стабилизаторы постоянного напряжения;
Импульсные ( ключевые ) стабилизаторы напряжения;
Стабилизаторы напряжения на тиристорах.
Важнейшим условием нормальной работы радиоустройств является стабильность питающего напряжения. Причиной нестабильности питающего напряжения являются в основном колебания напряжения питающей сети и изменение нагрузки на выходе выпрямительного устройства. Дестабилизирующими факторами могут быть также температура окружающей среды, частота напряжения сети и др.
В зависимости от рода стабилизируемого напряжения или тока стабилизаторы подразделяются на стабилизаторы переменного напряжения (тока) и стабилизатора постоянного напряжения (тока).
В параметрических стабилизаторах постоянного напряжения в качестве линейных элементов используются резисторы, а в качестве нелинейных – полупроводниковые (кремниевые) стабилитроны, а также полупроводниковые стабисторы.
Для разрабатываемого источника питания выбираем параметрический стабилизатор
На основании выбора узлов принципиальной схемы устройства, рисую принципиальную электрическую схему блока питания плюс измерительный мост:
