Разработка блока питания
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· Ud = 1.11 · 12 = 13.32 В
Действующее значение тока, протекающего по обмотке W2 трансформатора:
I21 = I211 = 0.7· Id = 0.7 · 0.5 = 0.3535 А
Амплитудное значение напряжения на вентиле, находящемся в непроводящем состояний:
Uam=3.14 · Ud = 3.14 · 12 = 37.68 В
Среднее значение тока вентиля:
Ia = 0.5 · Id = 0.5 · 0.5 = 0.25 А
Амплитудное значение тока проводящего вентиля:
Iam=1 · Id = 1 · 0.5 = 0.5 А
По полученным данным в качестве вентилей для цепи 1 выбираем два диода Д226Е с параметрами Uam = 100 В; Ia = 300 мА; Iam = 2.5 А
Сделаем проверку выбранных вентилей на соответствие параметрам выпрямителя:
Uam = 100 В > 37.68 В; Ia = 300 мА > 250 мА; Iam = 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 = √S = √133.4 = 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 · rц
где: q22 = – = – = 0.0577
S1 11.55
Uн 12
rц = 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 · rц 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 · rц 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 · rц 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:
rц = 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 · Ud = B · Uн = 0.95 · 24 = 22.8 В
Максимальное обратное напряжение на вентиле, находящемся в непроводящем состоянии:
Uобрm= 2√2 · Е3 = 2√2 · 22.8 = 64.488 В
Среднее значение тока вентиля:
Id 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:
Uam = 100 В > 64.488 В; Ia = 300 мА > 250 мА; Iперегр = 2.5 А > 1.8 А Вентили соответствуют параметрам выпрямителя.
Ёмкость конденсатора фильтра находим из выражения:
H 260
C = – = – = 72.22 мкФ
Q2 · rц 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 · U5I5 = 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
