Регульоване джерело вторинного живлення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

Метою проекту є навчитися складати пояснювальну записку, будувати та розраховувати принципові схеми, а також друковані плати. Джерела живлення є дуже важливою частиною будь-якого електричного приладу, якщо проводити паралелі з тілом людини, то джерело живлення можна порівняти лише з серцем. Так від роботи джерела живлення залежить робота і параметри цієї роботи всіх електричних схем та приладів. Джерело живлення має бути стабільним в своїх показниках, мало залежить від умов навколишнього середовища, не змінювати з часом своїх характеристик і надійно працювати на протязі великого часу. Будь-які відхилення джерела живлення від необхідних параметрів веде до змін в роботі всієї електричної систему починаючи від лампочки і закінчуючи інтегральними схемами.

1. Теоретичні відомості

Джерело живлення - елемент електричного кола, в якому зосереджена електрорушійна сила. Джерела живлення характеризуються значенням електрорушійної сили і внутрішнього опору. До джерел живлення належать гальванічні елементи, електрохімічні батареї, акумулятори, термопари, сонячні батареї, електричні генератори, тощо. В залежності від електрорушійної сили джерела живлення поділяють на джерела живлення постійного струму і джерела живлення змінного струму. Розрізняють первинні джерела живлення, які безпосередньо перетворюють інші види енергії в електричну і вторинні джерела живлення, які виконують роль проміжних перетворювачів електричної енергії, такі як блоки живлення електронних приладів, трансформатори, тощо.

Блок живлення - пристрій, призначений для формування напруги, що необхідна системі, з напруги електричної мережі. У побуті найчастіше блок живлення перетворює напругу 220 В частотою 50 Гц (в Україні та багатьох інших країнах саме таку напругу та частоту має побутова електромережа) в заданий постійний струм.

Стабілізоване джерело живлення - це елемент електричного кола який стабілізує електричну енергію.

На наш час електроніка дуже швидко розвивається. В своєму розвитку вона має два напрями:

1 Інформаційний - до нього належать електронні засоби та системи вимірювання, контролю і керування різними технологічними процесами на виробництві, науці, медицині… Основними видами є індикаторні пристрої, лічильники, логічні схеми, генератори напруг тощо.

2 Силовий (енергетичний) напрям пов'язаний із перетвореннями змінного і постійного струмів для потреб електроенергетики, металургії, хімії… Основними видами є випрямлячі, інвертори, керовані перетворювачі.

Електронні системи за способом формування і передавання сигналів керування поділяють на два класи - аналогові та дискретні, які, у свою чергу поділяють на імпульсні, релейні та цифрові.

Аналогові електронні пристрої і системи призначені для приймання, перетворення та передавання електричного сигналу, що змінюється за законом безперервної функції. В електронній системі аналогового типу кожному певному значенню реальної фізичної величини на вході давача відповідає однозначне, цілком визначене значення обраного електричного параметра постійного або змінного струму.

Дискретні електронні пристрої призначені для приймання, перетворення та передавання електронних сигналів, отриманих у наслідок квантування за часом або (та) за рівнем заданої аналогової функції.

В данному курсовому проекті ми використовували структуру джерела живлення зображену на мал. 3.1

2. Мережевий фільтр

Мережевий фільтр - прилад, який складається з варісторного фільтру для придушення імпульсних перешкод та LC-фільтр (індуктивно-ємністний) для придушення високочастотних перешкод.

Мережевий фільтр послаблює (практично пригнічує) перешкоди по мережі. Ці перешкоди можуть бути як високочастотні (порівняно низька напруга в діапазоні 50кГц - 5 МГц), так і високовольтні (за ГОСТом нечасті імпульси до 3кВ, це регулярно, а до 25кВ - це зрідка). З іншого боку, короткі імпульси перенапруги мають широкий спектр, так що цілком можна говорити про те, що перешкоди і високовольтні, і високочастотні одночасно. Для «вбивання» високовольтних перешкод найкращий засіб на сьогоднішній день - це варистор.

Варистор - напівпровідниковий прилад, який при низькій напрузі струм не пропускає - практично ізолятор. Якщо ж напруга на ньому перевищить певну величину, то опір варистора різко падає до сотень і навіть десятків Ом. І струм через нього, природно, тече. Варистор вибирають таким чином, щоб він відкривався при напрузі вище 300 вольт (для надійності від помилкових спрацьовувань на 220В). Якщо з'явиться будь-якої високовольтний імпульс, він пройде крізь варистор, а на самій схемі напруга зросте до 350-400 вольт на дуже короткий час. Це для схеми абсолютно безпечно (без варистора було б не 400, а 4000 вольт, і то зазвичай без наслідків). Природно, що варистор повинен бути найпершим елементом, підключеним до мережі (після запобіжника і вимикача).

Пропускаючи через себе імпульс струму, варистор нагрівається, і, якщо перевантаження занадто велика, може згоріти (захистивши собою решту схему). Тому варистори випускаються на різну потужність (точніше, енергію).

При цьому більш «потужні» варистори мають більші розміри.

Однак низьковольтну високочастотну перешкоду варистор придушити практично не в змозі. Зазвичай така перешкода на блоки живлення впливає слабо, але в наш час, коли всяких електромагнітних випромінювань і перешкод стає все більше, від них теж краще позбутися. Для цього використовується або LC, або RC фільтр. Перший ефективніше, другий дешевше і доступніше. Для малопотужних систем простіше використовувати RC фільтр, для потужних він вже не підійде - на ньому будуть великі втрати потужності.

В нашому джерелі живлення ми будемо використовувати готове рішення зображене на рис 2.2.1 яке включає в себе ємність K73-17, варистор TVR 05471 та два резистори потужністю по 0,5Вт номіналом 10Ом.

3. Фільтр

Являє собою конденсатор великої ємності. Він заряджається, коли напруга, що надходить від випрямляча (чорна лінія на рис. 3) максимально, а потім повільно розряджається, підживлюючи навантаження (напруга конденсатора - синя лінія):

Однополуперіодний випрямляч

Двухполуперіодний випрямляч

Зміна напруги називається пульсацією. У однополуперіодної випрямлячі пульсації більше - довше час розряду. Чим більше ємність фільтра - тим пульсації менше, так як за цей же час конденсатор розряджається на меншу величину.

Цікаво, що струм через діоди протікає тільки в момент заряду конденсаторів фільтру. При цьому струм досить великий - він йде і на живлення навантаження, і повинен забезпечити потрібний заряд (рис.).

Ток діода випрямляча

Добре видно, що струм через діоди протікає лише короткий час. Твір струму заряду конденсаторів (це струм діода мінус струм навантаження, що також протікає через діод) на час заряду приблизно дорівнює добутку струму розряду (тобто навантаження) на час розряду (це весь інший час). Ось і виходить, що діоди випрямляча, що працює на ємнісне навантаження повинні витримувати струм набагато більший, ніж струм навантаження.

На форму струму діода, моменти його початку і закінчення впливають ряд факторів: ємність фільтра, напруга живлення, струм навантаження, опір (точніше вольт-амперна характеристика) діода, індуктивність та активний опір обмотки трансформатора. Тому сам графік струму виходить з рішення нелінійного диференціального рівняння, в яке входять всі ці параметри.

На щастя, для основних випадків життя це рівняння вирішено, і для розрахунків використовуються результати цього рішення - формули й графіки, наведені у спеціальній літературі.

В даному проекті ми будемо використовувати наступний фільтр два конденсатори необхідні для роботи двополуперіодного випрямляча.

До речі, і зворотна напруга на діоді (коли він закритий і не пропускає струм) досить велике - там підсумовується з одного боку вхідна напруга, а з іншого - вихідна (не віднімаються, а саме сумуються). Тому не дивуйтеся, коли для випрямляча на 15 вольт і 0,1 ампер використовується діод, розрахований на 50 вольт і 1 ампер.

4. Випрямляч

Призначений для перетворення змінної напруги в постійну. Точніше, не в постійне, а в «однонаправлений» - у змінного струму напрям (і величина) змінюється, а тут отримуємо пульсуюче напруга - величина змінюється, а напрямок немає. За кількістю використовуваних для роботи напівперіодів струму (напівперіод - це половина періоду змінного струму - плюсик або мінусік на рис. 2), випрямлячі поділяються на однополуперіодні і двухполуперіодні.

Однонапівперіодне і двухполуперіодної випрямлення

Зрозуміло, що двухполуперіодний випрямляч краще, але для нього буде потрібно трансформатор в двома вторинними обмотками. Якщо такого немає, то в нашому випадку цілком можна обійтися однополуперіодним - потужності маленькі, конденсатори великої ємності для згладжування пульсацій доступні. Переваги двухполупериодного випрямляча на такій маленькій потужності практично непомітно.

Якщо трансформатор однообмоточний, можна ще запропонувати двухполуперіодний випрямляч з віртуальною середньою точкою. Але все ж краще зробити однополуперіодний випрямляч, але з реальної середньої точкою, а не з віртуальною.

Напруга на вторинній обмотці залежить від того, чи буде використовуватися стабілізатор, чи ні.

Те напруження, яке показує вольтметр змінного струму, називається діючим значенням і в 1,4142… (Це корінь з двох) рази менше, ніж максимальна (на малюнку зліва чинне показано червоною лінією). Тому на виході випрямляча напруга буде більше, ніж на вторинній обмотці трансформатора. Максимум в 1,4 рази. А може і більше - під навантаженням напруга на трансі зменшується, значить на холостому ходу воно може бути більше номінального. І тоді на холостому ходу напруга на випрямлячі може бути більше діє в 1,5 і навіть 2 рази.

При підключенні навантаження напруга на випрямлячі знижується, причому тут впливають відразу кілька причин:

Знижується напруга на вторинній обмотці (для малопотужних трансформаторів це зниження може бути значним).

Падає напруга на випрямних діодах (від 0,5 до 2 вольт).

Конденсатор фільтра розряджається струмом навантаження, і середня напруга на ньому зменшується (див. рис. 3).

Тому, якщо використовується нестабілізований блок живлення, потрібно бути готовим до того, що напруга точь-в-точь таке, яке потрібно (+-15В) отримати не вдасться. Воно буде десь від 12 до 15 вольт. Лише б не більше - більшість мікросхем витримують максимум 16,5 В.

5. Трансформатор

Перетворює напругу змінного струму 220 вольт в низьковольтне - 9-16 вольт в залежності від обраної схеми. Трансформатор може мати одну або дві однакові вторинні обмотки (первинної називається та, на яку напруга подається, тобто 220В, а вторинної - та з якою напруга знімається). Дві вторинні обмотки в даному випадку краще, але вистачить і однієї, якщо немає відповідного двохобмотувальні трансу. Трансформатор має певну номінальну потужність. Чим вона вища, тим більше розміри і ціна трансформатора. По конструкції (в залежності від форми заліза) він може бути або броньовим, або тороїдальним (є ще стрижневі, але малої потужності їх зазвичай не роблять). Тороїдальний менше, але дорожче.

На принципових схемах трансформатори зображують, як показано на зображенні вище.

Існують три основні конструктивні рішення для трансйорматорів: стержневі, броневі та тороідальні.

, ,

В даному проекті ми розробляли торідальний трансформатор. Для отримання двополярного живлення, вторинні обмотки зєднуються послідовно за схемою (1 і 2-1 і 2).

6. Стабілізатор

- Спеціальна схема, що пропускає напругу з входу на вихід хитрим чином. Вона працює так, що напруга на виході завжди однакове. Ця напруга виходить з вхідного, і тому вхідна напруга має бути більше - надлишок погасить стабілізатор. Цей надлишок має бути більше 3 вольт - інакше стабілізатор працювати не буде. В данному курсовому проекті ми використовували регулюючий стабілізатор від 0 до 10В і зі струмом навантаження 3 А зібраний на мікросхемах LM123 та LM101A взята з книжки Шрайбера Германа «300 схем источников питания»

Регульований стабілізатор

В даній схемі відсутня необхідність стабілізувати додатково від'ємну напругу. При діленні її величини на 12 мА отримаємо опір резистора R6. Конденсатор C1 ємністю 2 мкФ знижує остаточні пульсації.

7. Індикатор напруги

Для виготовлення цифрового індикатора напруги використовувалась мікросхема типу 572ПВ2. Також можливе використання мікросхеми 572ПВ6 але тоді її ніжка номер 21 від'єднується від спільного провіда і з'єднується з моделюючим електродом рідкокристалічного індикатора.

Як джерело опорної напруги використаний зовнішній прецизійний К142ен19 (TL431, LM431). Це дозволило довести діапазон зміни напруги живлення \ -3.5 \-5.5В без втрати точності вимірювань. Т.я. схема використовується для вимірювання напруг, симетричних відносно загального проводу, обрано Двуполярность живлення. Номінали деталей, зазначені на схемі, оптимальні, і міняти їх не бажано. Наприклад, збільшення тактової частоти призводить до зміщення величини виміряного напруги на 2 одиниці; а зміна параметрів інтегруючого ланцюга-до помітної нелінійності між фактичним і діагностуємих напругою. Типи конденсаторів вказані на схемі; при зниженні вимог до точності вимірів можна використовувати конденсатори та інших типів і менших геометричних розмірів, навіть типу КМ5 або КМ6.

Для індикації можна використовувати восьмирозрядовий рідкокристалічний індикатор CA56-11. Схему його комутації зображено нижче.

Висновки

Підчас виконання даного курсового проекту нам було поставлено задачу розробити регульоване джерело живлення з вхідною напругою 220В і частотою 50Гц і вихідною регулюванню напругою в діапазоні від 0 до 10 В та максимальним струмом навантаження 3А. Для цього взяли регульований стабілізатор на основі мікросхеми LM123 та операційного підсилювача LM101A. Розрахували тороідальний трансформатор з двома вторинними обмотками на 10В і 3.7В та розрахували до нього випрямляч і фільтр. Також в схему джерела живлення було включено цифровий індикатор напруги на основі мікросхеми 572ПВ2 або її аналога 572ПВ6. Ми вирішили не розміщувати трансформатор і мережевий фільтр на схемі через їх значні розміри, а виконати їх методом навісного монтажу.

Під час виконання даного проекту ми ознайомилися з програмами OrCad, Altium Designer, Splan, навчилися розраховувати необхідні параметри всіх компонентів джерел живлення.

Список використаної літератури

1. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Аналогова схемотехніка;

2. М. Браун «Источники питания. Расчет и конструирование»;

3. Шрайбер Г. «300 схем источников питания»;

4. Веб сайт виробника інтегральних схем National semiconductor http://www.national.com;

5. Веб сайт http://www.electroclub.info;

6. Веб сайт http://radiokot.ru/circuit/digital/measure/01/

7. Веб сайт http://cxem.net

8. Веб сайт uk.wikipedia.org

9. Веб сайт http://radiomaster.com.ua

10. Веб сайт http://www.go-radio.ru/transform.html

11. Веб сайт http://www.diagram.com.ua/info/sprav_info/11.shtml

Размещено на Allbest.ru