Разработка блока питания

16

Содержание

Введение

1. Разработка блока питания для электронного устройства

1.1 Расчёт выпрямителей переменного тока и сглаживающих фильтров

1.2 Расчёт силового трансформатора

2. Структурное проектирование логической схемы в интегральном исполнении по заданной логической функции

Заключение

Литература

Введение

Одним из важнейших направлений развития научно-технического прогресса в настоящее время является развитие электроники. Достижения электроники влияют на развитие общества.

Современная электроника характеризуется сложностью и многообразием решаемых задач, высоким быстродействием и надёжностью.

Электронные устройства применяются во многих отраслях промышленности, транспорта, связи, а также в быту. Наиболее часто применяемыми электронными устройствами являются такие, как автоматическое технологическое оборудование, радио- и TV аппаратура, персональный компьютер, микропрцессоры, усилители сигналов, счётчики, интегральные микросхемы и т.д.

Для питания большинства радиотехнических и электронных устройств требуется выпрямленное напряжение с заданными параметрами. Для того, чтобы получить необходимое напряжение на нагрузке, его сначала надо преобразовать с помощью трансформатора. Далее преобразованное напряжение необходимо выпрямить при помощи выпрямителя собранного на вентилях. Для выпрямителей, предназначенных для питания различных радиотехнических и электронных устройств, допустимый коэффициент пульсации напряжения на нагрузке не должен превышать определённую величину. Наличие пульсаций выпрямленного напряжения ухудшает работу потребителей, питаемых выпрямленным напряжением, поэтому в большинстве случаев выпрямители содержат сглаживающие фильтры.

1. Разработка блока питания для электронного устройства

1.1 Расчёт выпрямителя переменного тока

a) Для схемы однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом

Действующее значение напряжения каждой полуобмотки W₂ трансформатора:

U₂¹ = U₂¹¹ = 1.11· U_d = 1.11 · 12 = 13.32 В

Действующее значение тока, протекающего по обмотке W₂ трансформатора:

I₂¹ = I₂¹¹ = 0.7· I_d = 0.7 · 0.5 = 0.3535 А

Амплитудное значение напряжения на вентиле, находящемся в непроводящем состояний:

U_am=3.14 · U_d = 3.14 · 12 = 37.68 В

Среднее значение тока вентиля:

I_a = 0.5 · I_d = 0.5 · 0.5 = 0.25 А

Амплитудное значение тока проводящего вентиля:

I_am=1 · I_d = 1 · 0.5 = 0.5 А

По полученным данным в качестве вентилей для цепи 1 выбираем два диода Д226Е с параметрами U_am = 100 В; I_a = 300 мА; I_am = 2.5 А

Сделаем проверку выбранных вентилей на соответствие параметрам выпрямителя:

U_am = 100 В > 37.68 В; I_a = 300 мА > 250 мА; I_am = 2.5 А > 0.5 А

Вентили соответствуют параметрам выпрямителя.

Для выбора схемы и количества звеньев сглаживающего фильтра определяем его коэффициент сглаживания:

q₁ 0.667

S = - = - = 133.4 > 100, следовательно нужен многозвенный

q₂ 0.005 фильтр

1.3.8 Коэффициент сглаживания каждого звена фильтра:

S₁ = S₂ = vS = v133.4 = 11.55 < 100

Ёмкость конденсатора C₁, входящего в состав первого звена фильтра, рассчитывается по методике для выпрямителя, работающего на активно - ёмкостную нагрузку:

H

C₁= -

q₁ 0.667 q₂₂ · r_ц

где: q₂₂ = - = - = 0.0577

S₁ 11.55

Uн 12

r_ц = 0.1 · Rн = 0.1 · - = 0.1 · - = 2.4 Ом - сопротивление фазы выпрямителя

Iн 0.5

- для нахождения коэффициента Н определяем расчётный коэффициент А:

р · r_ц 3.14 · 2.4

A = - = - = 0.157

m · Rн 2 · 24

m = 2 - число пульсаций тока за период сетевого напряжения в нагрузке

По графику Н = f (А): H = 260

H 260

C₁= - = - = 1877.53 мкФ

q₂₂ · r_ц 0.577 · 2.4

По ёмкости С₁ и напряжению Uн выбираем конденсатор: К50 - 3

Сном = 2000 мкФ; Uном = 12 В

Определяем параметры второго звена сглаживающего фильтра:

10 · (S₂ + 1) 10 · (11.55 + 1)

LC = - = - = 31.375 Гп · мкФ

m² 4

Принимаем конденсаторы типа К50 - 3: Сном = 2000 мкФ; Uном = 12 В

LC₂ 31.375

Тогда, L = - = - = 0.314 Гн

C₂ 10

б) Для схемы однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя

Для выбора схемы и количества звеньев сглаживающего фильтра определяем его коэффициент сглаживания:

q₁ 0.667

S = - = - = 0.89 < 100

q₂ 0.75

Для данной схемы применим С - фильтр

Определяем коэффициент А:

р · r_ц 3.14 · 4.8

A = - = - = 0.157

m · Rн 2 · 48

Для нахождения сопротивления нагрузки используем выражение:

Uн 24

Rн = - = - = 48 Ом

Iн 0.5

Сопротивление фазы выпрямителя:

r_ц = 0.1 · Rн = 0.1 · 48 = 4.8 Ом - сопротивление фазы выпрямителя

m = 2 - число пульсаций тока за период сетевого напряжения в нагрузке

Из графиков зависимостей В = f(A); D = f(A); F = f(A); H = f(A) находим вспомогательные коэффициенты В = 0.45; D = 2.35; F = 7.2; H = 260

ЭДС обмотки трансформатора Е₃ = B · U_d = B · U_н = 0.95 · 24 = 22.8 В

Максимальное обратное напряжение на вентиле, находящемся в непроводящем состоянии:

U_обрm= 2v2 · Е₃ = 2v2 · 22.8 = 64.488 В

Среднее значение тока вентиля:

I_d Iн 0.5

Ia = - = - = - = 0.25 А

2 2 2

Максимальный (амплитудный) ток вентиля:

Iam = F · Ia = 7.2 · 0.25 = 1.8 А

Действующее значение тока вторичной трансформатора:

I₃ = D · Ia = 2.35 · 0.25 = 0.588 А

1.3.20 По полученным данным в качестве вентилей выбираем диоды Д226Е с параметрами:

U_am = 100 В > 64.488 В; I_a = 300 мА > 250 мА; I_перегр = 2.5 А > 1.8 А Вентили соответствуют параметрам выпрямителя.

Ёмкость конденсатора фильтра находим из выражения:

H 260

C = - = - = 72.22 мкФ

Q₂ · r_ц 0.75 · 4.8

Принимаем стандартный оксидный (электролитический) конденсатор К50 - 3

Сном = 100 мкФ; Uном = 100 В

1.2 Расчёт силового трансформатора

Согласно исходных требований и расчёта выпрямителя расчёт трансформатора производим по следующим данным:

U₂ = 13.32 В; I₂ = 0.5 А; U₃ = 22.8 В; I₃ = 0.5 А; U₄ = 220 В; I₄ = 0.45 А

U₅ = 10 В; I₅ = 1 А

Напряжение сети: U₁ = 220 В; fс = 50 Гц

Определяем габаритную мощность вторичных обмоток Sг₂ и суммарную габаритную мощность Sг трансформатора с учётом выбранной схемы выпрямителя и использования остальных обмоток:

Sг₂ = 1.7 · U₂I₂ · U₃I₃ · U₄I₄ · U₅I_{5 =} 1.7 · 13.32·0.5 · 22.8·0.5 · 220·0.45 · 10·1 = 131.722 В·А

Суммарная габаритная мощность трансформатора с учётом его КПД (з = 0.88):

Sг₂ 131.722

Sг = - = - = 149.684 В·А

З 0.88

По нонограмме мощности Sг = 149.684 В·А соответствует сердечник с площадью поперечного сечения Qс = 15.5 см²

Так как трансформатор малой мощности, то выберем обмоточный провод марки ПЭВ - провод с изоляцией лаком винифлекс

Пользуясь нонограммой, для сечения проводника Qс = 15.5 см² и наклонной линией, построенной для использования обмоточного провода ПЭВ, определяем необходимую площадь окна магнитопровода, которая составит Qо = 12 см²

В результате расчётов принимаем стандартный магнитопровод Ш - 32 с параметрами

Qс = 19.0 см²; Qо = 25.6 см²

Для выбора диаметра провода первичной (сетевой) обмотки, определяем ток в этой обмотке: Sг₂ Sг 149.684

I₁ = - = - = - = 0.68

U₁ · з U₁ 220

Учитывая габаритную мощность трансформатора Sг = 149.684 В·А и принимая сердечник выполненным из штампованных пластин получаем магнитную индукцию в сердечнике (в стали) трансформатора Bс = 1.1 Тл

По нонограмме для магнитной индукции Bс = 1.1 Тл и сечения сердечника Qс = 25.6 см² определяем число витков на 1 В напряжения для всех обмоток (W/1B), равное 2.8 Вит/1В, и определяем число витков в каждой обмотке из соотношения:

W

Wi = Ui · - · K

1B

Ui - напряжение соответствующей обмотки

K - коэффициент, учитывающий падение напряжения на активном сопротивлении вторичных обмоток (К = 1.05…1.1)

С учётом компенсации падения напряжения на активном сопротивлении обмотки число витков вторичных обмоток увеличивают на 5%. Тогда:

W₁ = 220 · 2.8 · 1.05 = 647 Вит

W₂ = 13.32 · 2 · 2.8 · 1.05 =78.3 Вит

W₃ = 22.8 · 2.8 · 1.05 = 67 Вит

W₄ = 220 · 2.8 · 1.05 = 647 Вит

W₅ = 10 · 2.8 ·1.05 = 29.4 Вит

Определяем диаметр обмоточных проводов в обмотках трансформатора. Для мощности трансформатора Sг = 149.684 В·А рекомендуемая плотность тока составляет д = 2 А/мм².

Тогда по таблице определяем:

1) для первичной обмотки: для I₁ = 0.68 А d₁ = 0.748 А/мм²

2) для вторичных обмоток: для I₁ = 0.5 А d₁ = 0.405 А/мм²

для I₁ = 0.5 А d₁ = 0.405 А/мм²

для I₁ = 0.45 А d₁ = 0.348 А/мм²

для I₁ = 1 А d₁ = 1.57 А/мм²

1.4.8 Проверяем возможность размещения обмоток в окне сердечника. Определяем площадь g, занимаемую каждой обмоткой в окне сердечника.

Для первичной обмотки:

W₁ = 647 витков, d₁ = 0.748 А/мм² в 1 мм² уместится 1.72 витка

647

Общая площадь: g₁ = - = 3.762 см²

1.72 · 100

Для обмотки W₂:

W₂ = 78.3 витков, d₁ = 0.405 А/мм² в 1 мм² уместится 6.1 витка

78.3

Общая площадь: g₂ = - = 0.128 см²

6.1· 100

Для обмотки W₃:

W₃ = 67 витков, d₁ = 0.405 А/мм² в 1 мм² уместится 6.1 витка

67

Общая площадь: g₃ = - = 0.11 см²

6.1· 100

Для обмотки W₄:

W₄ = 647 витков, d₁ = 0.348 А/мм² в 1 мм² уместится 8 витков

647

Общая площадь: g₄ = - = 0.81 см²

8· 100

Для обмотки W₅:

W₅ = 29.4 витка, d₁ = 1.57 А/мм² в 1 мм² уместится 0.455 витка

29.4

Общая площадь: g₅ = - = 0.06 см²

0.455· 100

Таким образом, общая площадь окна, занимаемая всеми обмотками:

Qоз = g₁+g₂+g₃+g₄+g₅ = 3.762 + 0.128 + 0.11 + 0.81 + 0.06 = 4.87 см²

Возможность размещения всех обмоток в окне сердечника можно проводить с использованием коэффициента заполнения окна Ко:

Qоз 4.87

Ко = - = - = 0.19

Qо 25.6

Как показали расчёты, все обмотки в окне сердечника размещаются. Остальная оставшаяся площадь Qост = Qо - Qоз = 25.6 - 4.87 = 20.73 см² используется для размещения каркаса и изоляционных прокладок между обмотками.

2. Структурное проектирование логической схемы в интегральном исполнении по заданной логической функции

Процесс структурного проектирования разбиваем на два последовательно выполняемых этапа:

Минимизация заданной логической функции

Синтез логической структуры

Минимизация заданной логической функции

Пользуясь аксиомами и законами алгебры логики (булевой алгебры) упрощаем заданную логическую функцию до образования конъюнкций, где присутствуют все независимые переменные исходного выражения:

_{-- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - -- - ---}

F = X·Y· (Z + X) + X·Y·Z + Z· (X·Y·Z + Z·Y) = X·Y·Z + X·Y·Z + X·Y·Z

Опишем логическую структуру в виде таблицы состояний (истинности) согласно упрощенного выражения логической функции F:

X	Y	Z	F
0	0	0	1
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	1
1	0	1	0
1	1	0	0
1	1	1	0

Дальнейшее упрощение (минимизацию) заданной логической функции проводим графическим методом с использованием карты Карно, где количество независимых переменных К = 3.



Результат склейки клеток 1,2 и 1,7 даёт описание логической структуры в виде минимизированной дизъюнктивной нормальной формы (МДНФ), представляющей собой алгебраическое выражение: - - - -

F = Y·Z + X·Y

Синтез логической структуры

Проведём синтез полученной логической структуры с использованием логических элементов в интегральном исполнении.

Синтезируем логическую структуру в виде структурно - функциональных схем. Для сравнительного анализа различных схемных решений рассмотрим варианты реализации логической структуры с использованием базовых логических элементов, а также с использованием элементов И-НЕ и с использованием элемента ИЛИ - НЕ. Результаты проделанной работы представлены в графической части.

Синтезируем логическую структуру в виде принципиальных электрических схем на микросхемах ТТЛ серии 155. Результаты проделанной работы представлены в графической части.

В результате анализа предложенных вариантов реализации логической структуры отдаем предпочтение варианту выполнения принципиальной электрической схемы на микросхеме К155ЛЕ1, так как этот вариант имеет лучшие технико - экономические показатели, а именно: меньшее количество внутрисхемных соединений, количество электронных компонентов минимальное (всего одна ИС), выше надежность устройства, повышенное быстродействие, минимальная потребляемая мощность.

Заключение

В данной курсовой работе был разработан блок питания для системы автоматического управления процессом транспортировки и хранения комбикормов в животноводческом комплексе и произведено структурное проектирование логической схемы в интегральном исполнении по заданной логической функции.

Для блока питания представлены принципиальная и структкрно-функциональная схемы. Он рассчитан на питание от бытовой сети с параметрами U=220 B, f=50 Гц и выдаёт два выпрямленных напряжения (U=12 В, I=0.5 А и U=24 В, I=0.05 А), и два переменных (U=220В, I=0.45 А и U=10В, I=1 А).

В выпрямителе этого блока питания могут использоваться диоды следующих марок: для схемы выпрямителя с нулевым выводом - Д226Е, для мостовой схемы - Д226Е. В схеме выпрямителя с нулевым выводом используется многозвенный фильтр с двумя звеньями. В первом звене используется конденсатор К50 - 3 с Сном = 2000 мкФ; Uном = 12 В. Во втором звене используется конденсатор К50 - 3 с Сном = 2000 мкФ; Uном = 12 В и катушка индуктивности с индуктивностью L = 0.314 Гн. В мостовой схеме выпрямления используется С - фильтр с маркой конденсатора: К50 - 3, Uном = 25 В, Сном = 100 мкФ.

Литература

1. Макаров А.А. Электроника. Учебно-методическое пособие. - Кострома: изд. КГСХА, 2003.-67 с.

2. Арестов К.А. Основы электроники и микропроцессорной техники. - М.: Колос, 2001