Разработка блока управления стабилизатора переменного напряжения

стабилизатор переменный напряжение В наше время существует огромного количество видов стабилизаторов переменного напряжения. Вот несколько примеров:

· Электромеханический стабилизатор переменного напряжения Solby SVC 1000 W Предназначены для электропитания различной бытовой техники, компьютеров, сетевого оборудования, факсов, кассовых аппаратов, насосов, а также других устройств, мощностью не превышающих, заявленную мощность стабилизатора. Отличительные особенности Solby SVC 1000 W: — широкий диапазон входного напряжения; — повышенная точность стабилизации; — надежность — доступная цена Функционально Solby SVC 1000 W представляет собой стабилизатор напряжения вольтодобавочного типа, состоящий из автотрансформатора, электродвигателя сервопривода щетки автотрансформатора, электронного блока управления и автоматического токового выключателя нагрузки. В процессе работы электронный блок отслеживает изменения входного напряжения и, в соответствии с результатами измерений, управляет работой электродвигателя, приводящего в движение щетку автотрансформатора, поддерживая тем самым стабильное напряжение на выходе. В случае аварийного превышения входного напряжения блок управления отключает нагрузку не более чем за 0,5 секунды. При снижении входного напряжения до рабочего уровня стабилизатора подключение нагрузки происходит автоматически. Конструктивно стабилизатор выполнен в металлическом корпусе прямоугольной формы, который позволяет эксплуатировать его в напольном (настольном) варианте. Все функциональные узлы стабилизатора расположены на шасси, которое закрыто двумя боковыми и П-образной верхней частью корпуса, в которой имеются вентиляционные жалюзи. На переднюю панель прибора выведены: стрелочный или цифровой (в зависимости от модели) вольтметр (показывает уровень напряжения на выходе стабилизатора) розетки (110 В и 220В) предохранитель (обеспечивает защиту потребителей от перегрузки и короткого замыкания). На заднюю панель прибора выведены: сетевой шнур розетка 220 В Феррорезонансные стабилизаторы напряжения были разработаны в середине 60-х годов прошлого века. Действие их основано на использовании явления магнитного насыщения ферримагнитных сердечников трансформаторов или дросселей. Применялись такие устройства для стабилизации напряжения питания бытовой техники (телевизор, радиоприемник, холодильник и т. п.).

· Феррорезонансный трансформатор представляет собой совокупность двух магнитных цепей со слабой связью между ними. Выходная цепь содержит параллельный колебательный контур, состоящий из индуктивной обмотки и конденсатора, подпитываемый от первичной цепи для компенсации мощности, поступающей в нагрузку. Сам процесс ферромагнитного резонанса вполне аналогичен резонансу в линейных цепях, состоящих из индуктивностей и емкостей. В нелинейной цепи, такой как феррорезонансный трансформатор, резонанс используется для уменьшения колебаний напряжения во вторичной цепи.

Любое магнитное устройство представляет собой прибор с нелинейной характеристикой. Если магнитный поток меньше некоторой граничной величины, то магнитное сопротивление прибора пропорционально этому потоку. Если же последний превышает предельное значение, то магнитное сопротивление прибора скачкообразно возрастает (говорят, что наступает насыщение). В феррорезонансном трансформаторе одна из магнитных цепей (выходная) находится в режиме насыщения, а другая (входная) не достигает насыщения. Большие изменения входного напряжения не могут привести к значительным изменениям напряжения на выходе из-за насыщения выходной магнитной цепи.

Цель дипломного проекта является разработка блока управления стабилизатора переменного напряжения.

К задачам дипломного проекта относится:

— Разработать схему эклектическую принципиальную блока управления стабилизатора переменного напряжения.

— рассчитать основные параметры схемы блока управления стабилизатора переменного напряжения.

— Провести расчет себестоимости проектируемого изделия

— раскрыть технологию изготовления печатных плат;

— обосновать разработку трассировки и компоновки печатной платы

— изучить вопрос обеспечения техники безопасности и охраны труда при производстве (эксплуатации) разрабатываемого изделия;

— исследовать изучить вопрос организации рабочего места.

Цель и задачи предопределили структуру дипломной работы. Она состоит из ведения, восьми частей и заключения.

Введение

раскрывает актуальность, цель и задачи раскрывает теоретическую и практическую значимость работы. Общая часть посвящена разработке и описанию принципа работы схемы электрической принципиальной блока управления стабилизатора переменного напряжения. Исследовательская часть включает исследование и выбор элементов схемы. Расчетная часть посвящена расчету основных параметров схемы. В конструкторской части необходимо провести обоснование разработки трассировки и компоновки печатной платы.

В организационной части рассматриваются вопросы организации рабочего места. Экономическая часть посвящена расчету себестоимости блока управления стабилизатора переменного напряжения.

В части охраны труда рассматриваются вопросы техники безопасности и жизнедеятельности. В заключении подводятся итоги исследования, формируются окончательные выводы по рассматриваемой теме.

1 Общая часть

1.1 Анализ технического задания

Напряжение на входе (В)… 135…270

Напряжение на выходе (В)… 3,8

Частота (кГц)…30

Задержка включения нагрузки©…5

Ток (мА)… …20

Размеры печатной платы (мм)…65×50

Максимальная температура окружающей среды ⁰С…40

1.2 Описание схемы электрической принципиальной блока управления стабилизатора переменного напряжения

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная блока управления стабилизатора переменного напряжения.

Схема усовершенствованного блока управления показана на рис. 1.

Сильноточный модуль, содержащий мощные симисторы и автотрансформатор Т2 с отводами, не был изменен, его схема соответствует рис. 1. Узел измерения напряжения сети на ОУ DA1 остался прежним, но напряжение изменяется от 1,9 до 3,8 В ступенями приблизительно по 0,27 В с частотой около 30 кГц. Для повышения стабильности этого напряжения микросхема DD1 получает питание от отдельного стабилизатора DA2. Выходное напряжение этого стабилизатора 3,6 В задают резисторы R8 и R10. Такое напряжение выбрано, чтобы обеспечить корректную работу компаратора на ОУ DA1.2, питающегося от напряжения 5 В. Несмотря на то что выходное напряжение ОУ LM358N приблизительно на 1,5 В меньше напряжения питания, оно вполне достаточно для нормальной работы регистров счетчика DD2. В каждом цикле измерения напряжения сети компаратор на ОУ DA1.2 сравнивает напряжение с движка подстроечного резистора R7 с нарастающим ступенчатым напряжением. Компаратор DA1.2 срабатывает, сигнал низкого уровня на его выходе открывает диод VD4 и останавливает счетчик DD1. Код напряжения сети записывается в регистры микросхемы DD2 импульсом, который формирует дифференцирующая цепь R16C7. Момент записи кода, как и в предыдущем варианте устройства [1], синхронизирован с переходом напряжения сети через ноль, что предотвращает выход из строя мощных симисторов и обеспечивает низкий уровень коммутационных помех. Через 1 …2 мс отрицательный перепад напряжения на выходе ОУ DA1.1 через дифференцирующую цепь R11C5 кратковременно откроет транзистор VT1 и обнулит счетчик DD1, чтобы подготовить его к следующему циклу измерения напряжения. Если напряжение сети находится в допустимых пределах 135…270 В, его двоичный код—от 001 до 111. На одном из выходов дешифратора DD3 появляется сигнал низкого уровня, вызывающий протекание тока через один из индикаторных светодиодов (HL2—HL8), соединенный с ним соответствующий излучающий диод оптрона и резистор R18. В результате нагрузка подключается к соответствующему отводу мощного автотрансформатора.

2. Исследовательская часть

2.1 Обоснование выбора элементов

2.1.1 Обоснование выбора конденсаторов

Конденсатор — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. В простейшем варианте конструкции состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок (см. рис.). Практически применяемые конденсаторы имеют много слоёв диэлектрика и многослойные электроды, или ленты чередующихся диэлектрика и электродов, свёрнутые в цилиндр или параллелепипед со скруглёнными четырьмя рёбрами (из-за намотки).Чтобы защитить конденсатор от перенапряжения, рабочее напряжение на нём не должно превышать номинальное. Это условие формулируется в стандартах как сумма постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей рабочего напряжения не должна быть больше стандартного напряжения. 2]

Полярные оксидные конденсаторы, помимо перегрева и перенапряжения, должны быть защищены от прохождения разрушающих обратных токов. Чтобы оксидная плёнка была непроводящей, потенциал оксидированного метала (анода) должен всегда превышать потенциал второго электрода (катода). С этой целью в стандартах оговаривается, что амплитуда переменной составляющей напряжения не должна превышать постоянную составляющую.

Конденсаторы поверхностного монтажа марки К10−17В т.к. при одинаковой емкости (22 мкФ) они имеют меньший размер и немного больший диапазон рабочих температур по сравнению с импортными аналогами типоразмера 0805. Именно от этих параметров я отталкивался, выбирая конденсаторы для своего устройства, и поэтому именно конденсаторы марки К10−17 В установлены на плате.

Таблица 1

Электролитические конденсаторы установлены для монтажа в отверстия (типа К50−35). Эти алюминиевые конденсаторы при идентичных параметрах имеют меньший размер, чем аналогичные импортные конденсаторы. Для схемы нам подходят конденсаторы типа К10−17 и К50−35

2.1.2 Обоснование выбора резисторов

Резистор — пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, то есть для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома для участка цепи: мгновенное значение напряжения на резисторе пропорционально току проходящему через него. На практике же резисторы в той или иной степени обладают также паразитной ёмкостью, паразитной индуктивностью и нелинейностью вольтамперной характеристики. На плате необходимо установить подстроечный резистор и термодатчик. Подстроечный резистор используется для наладки чувствительности прибора. Для данной схемы подходят резисторы МЛТ-0,125 по своему номинальному значению.

Выпускаемые промышленностью резисторы одного и того же номинала имеют разброс сопротивлений. Значение возможного разброса определяется точностью резистора. Выпускают резисторы с точностью 20%, 10%, 5%, и т. д. вплоть до 0,01%. Номиналы резисторов не произвольны: их значения выбираются из специальных номинальных рядов, наиболее часто из номинальных рядов E6 (20%), E12 (10%) или E24 (для резисторов с точностью до 5%), для более точных резисторов используются более точные ряды (например E48).

Резисторы, выпускаемые промышленностью характеризуются также определённым значением максимальной рассеиваемой мощности (выпускаются резисторы мощностью 0,125Вт 0,25Вт 0,5Вт 1Вт 2Вт 5Вт) (Согласно ГОСТ 24 013–80 и ГОСТ 10 318–80 советской радиотехнической промышленностью выпускались резисторы следующих номиналов мощностей, в Ваттах, Вт.: 0.01, 0.025, 0.05, 0.062, 0.125, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 8, 10, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 500)

Таблица 2.

2.1.3 Обоснование выбора транзисторов

Транзистор — электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. 1].

Транзистор полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрического тока и управления им. Транзисторы выпускаются в виде дискретных компонентов в индивидуальных корпусах или в виде активных элементов т.н. интегральных схем, где их размеры не превышают 0,025 мм. В связи с тем, что транзисторы очень легко приспосабливать к различным условиям применения, они почти полностью заменили электронные лампы. На основе транзисторов и их применений выросла широкая отрасль промышленности — полупроводниковая электроника. Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. В настоящее время на одном современном кристалле площадью 1—2 смІ могут разместиться несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ. На протяжении 60 лет происходит уменьшение размеров (миниатюризация) МОПТ и увеличение их количества на одном чипе (степень интеграции), в ближайшие годы ожидается дальнейшее увеличение степени интеграции транзисторов на чипе. Нам подходят транзисторы, которые могут использоваться для работы в схемах усилителей высокой, промежуточной и низкой частоты. По этому выбираем транзисторы КТ361Г.

Таблица 3.

2.1.4 Обоснование выбора диодов

На плате необходимо применить несколько типов диодов:

В качестве выпрямительных диодов я выбрал импортные чип диоды КД522б, они обладают высоким показателем максимального обратного напряжения (20В) и достаточно большим параметром максимального прямого импульсного тока (1А).

Выпрямительные диоды так же импортные КД521А, имеют максимальное постоянное обратное напряжение 10 В, максимальный прямой импульсный ток 1А, можно так же применять аналогичные чип диоды из серии КД521А, КД243А и КЦ407А Таблица 4.

2.1.5 Обоснование выбора светодиодов

Светодиод или светоизлучающий диод — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом или контактом металл-полупроводник, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят, в том числе от химического состава использованных в нём полупроводников.

Вольтамперная характеристика светодиодов в прямом направлении нелинейна. Диод начинает проводить ток, начиная с некоторого порогового напряжения. Это напряжение позволяет достаточно точно определить материал полупроводника. КПД светодиодов в основном колеблется 30 до 50%. Потребление энергии в 8 раз меньше, чем у ламп накаливания.

германия или карбида кремния), свет практически не излучают. Впрочем, в связи с развитием кремниевой технологии, активно ведутся работы по созданию светодиодов на основе кремния. В последнее время большие надежды связываются с технологией квантовых точек и фотонных кристаллов. Для схемы необходим зеленый и красный цвет, по этому выбираем светодиоды АЛ307КМ по соответствующему цвету свечения.

Таблица 5.

2.1.6 Обоснование выбора микросхем

Микросхема — это электронная схема на полупроводниковом кристалле или пленке, заключенная в корпус. Микросхемы составляют основную часть любого компьютера или ноутбука. Кроме того комплектующие компьютеров и ноутбуков: процессор, оперативная память, ПЗУ, чипсет и остальные, — тоже являются микросхемами.

Микросхемы бывают цифровыми, аналоговыми и аналогово-цифровыми. Предназначение аналоговых микросхем — преобразование и обработка непрерывных сигналов. Цифровые микросхемы преобразовывают и обрабатывают сигналы, выраженные в цифровом коде. Цифровые микросхемы имеют преимущество перед аналоговыми из-за меньшего энергопотребления и большей помехоустойчивости.

Аналого-цифровые микросхемы представляют собой гибрид двух видов микросхем, они получили большое распространение и в настоящее время являются наиболее используемыми микросхемами при создании электронной техники.

Цифровые и аналоговые микросхемы выпускаются и разрабатываются изготовителями сериями. Серия — это совокупность видов микросхем, выполняющих разные функции, но предназначенных для совместного использования. Каждая серия имеет свою комплектность и содержит определенное количество микросхем. Наиболее перспективные и востребованные серии микросхем производители впоследствии расширяют и дополняют новыми разработками.

По технологии изготовления микросхемы разделяют на пленочные, полупроводниковые и гибридные. У пленочных микросхем все элементы и соединения между ними сделаны в виде пленок, у полупроводниковых микросхем — все элементы и соединения выполнены на полупроводниковом кристалле. Гибридные микросхемы помимо кристалла включают в себя различные электронные компоненты, заключенные в один корпус.

Производят микросхемы в двух вариантах: без корпуса и в корпусе. Микросхемы без корпуса используются при монтаже в различных микросборках. Корпус микросхемы защищает ее от различных внешних воздействий. Соединяются микросхемы в корпусе с нужными узлами с помощью встроенных выводов.

Для платы выбираем микросхему из серии КР140УД1208, а также можно выбрать микросхему с любым буквенным индексом.

В исходном состоянии на входы В1, В2. В4. В8 (выводы 11.9,1,14) микросхемы DD2 с сенсорных ячеек E1C7R13R14, Е2С11R18R19, ЕЭС 14R23R24, E4C17R25R26, защищающих входы от статического электричества при касании контактов Е1—Е4 пальцами, поступают низкие уровни.

Для введения кода используют все пальцы правой руки, кроме мизинца: на безымянный палец «назначен» разряд с весом 1, на средний — с весом 2, на указательный и большой — соответственно с весами 4 и 8. Рабочее положение руки на пульте при введении кода предполагает постоянное (как минимум на момент нажатия на кнопку SB1) касание нижней частью ладони (запястьем) металлической пластины — контакта Е5, соединённого с проводом питания +5 В. При касании какого-либо сенсорного контакта напряжение питания через сопротивление кожи руки поступает на соответствующую цепь (C7R13R14, CI 1R18R19 и т. д.), а с неё — на соответствующий вход (В1, В2, В4 или В8) микросхемы DD2. Касаться контактов следует не горцами пальцев, а их подушечками, на которых кожа тоньше, а значит, и сопротивление кожи постоянному току меньше.

Если введённый код совпадает с контрольным, установленным на входах А1, А2, А4, А8 (выводы 10, 7. 2, 15) DD2 (в нашем случае он равен десятичному числу 13), то на выходе «А=В» (вывод 3) DD2 появляется высокий уровень. Через замкнутые в режиме воспроизведения контакты переключателя SA1 он поступает на адресный вход А5 (вывод 6) микросхемы DA1, и она воспроизводит фрагмент «Свои, откройте дверь!», а затем 11 -секундный музыкальный фрагмент. Если же введённый код не совпадает с контрольным, то на выходе «А=В» (вывод 3) DD2 присутствует лог. О и микросхема DA1 воспроизводит фрагмент «К вам пришли гости!» .

Микросхема ISD1416 включена по типовой схеме. Она имеет встроенный УЗЧ. к выходу которого (выводы 14 и 15) можно подключить динамическую головку сопротивлением 16…50 Ом. Однако выходная мощность этого усилителя невелика (около 12 мВт), поэтому звонок дополнен УМЗЧ. собранным на микросхеме TDA2030 (DA3). Она имеет встроенную защиту выхода от короткого замыкания нагрузки и термозащиту, срабатывающую при температуре +150 С.

Схема включения микросхемы TDA2030 — также типовая. Сиг нал на ее вход поступает с движка подстрочного резистора R12, который через разделительный конденсатор С5 подключен к выходу «SP-» (вывод 15) микросхемы DA1 Питается УМЗЧ нестабилизированным напряжением 12 В.

Поскольку питание однополярное. на неинвертирующий вход (вывод 1) с делителя напряжения R17R22 подано напряжение, равное половине напряжения питания. Коэффициент усиления задан резисторами R21 и R20 цепи отрицательной обратной связи и при указанных на схеме номиналах равен 75. Максимальный размах неискажённого сигнала синусоидальной формы на нагрузке сопротивлением 4 Ом — около 6 В. Ток покоя — примерно 22 мА. Для охлаждения микросхемы рекомендуется установить ее на дюралюминиевый теплоотвод с охлаждающей поверхностью 50…100 см².

Оперативного регулирования громкости воспроизведения в описываемом устройстве, по мнению автора, не требуется. При необходимости его нетрудно ввести, заменив резистор R12 переменным такого же номинала.

3. Расчетная часть

3.1 Расчет надежности

Расчет надежности производят на этапе разработки объекта для определения времени наработки на отказ устройства. В результате расчета должны быть определены количественные характеристики надежности объектов. Расчет производится по известным данным об интенсивности отказов элементов, составляющих рассматриваемый объект; в частности, надежность какой-либо сборочной единицы ЭВМ определяется значениями интенсивности отказов ЭРЭ и элементов конструкции, составляющих сборочную единицу.

В настоящее время имеются обширные справочные данные по интенсивности отказов ЭРЭ. Эти данные приводятся для нормальных температурных условий и для определенного электрического режима ЭРЭ.

Для определения среднего времени наработки на отказ произведём расчет надёжности на этапе проектирования. Для расчета задаются ориентировочные данные. В качестве температуры окружающей среды может быть принято среднее значение температуры внутри блока.

Для различных элементов при расчетах надёжности служат различные параметры. Для резисторов и транзисторов это допустимая мощность рассеяния, для конденсаторов допустимое напряжение, для диодов прямой ток.

Коэффициенты нагрузок для элементов каждого типа по напряжению могут быть определены по величине напряжения источника питания. Так для конденсаторов номинальное напряжение рекомендуется брать в 1,5−2 раза выше напряжения источника питания. Допустимую мощность рассеяния резисторов следует брать в качестве номинального параметра. Фактическое значение параметра надо брать на половину меньше.

Для конденсаторов номинальным параметром в расчете надежности считается допустимые значения напряжения на обкладках конденсатора. В большинстве схем этот параметр не указывается. Его следует выбирать исходя напряжения источника питания.

Для транзисторов номинальный параметр Р_к берется и справочников.

Для диодов контролируемый параметр — величина прямого тока (из справочников). При увеличении коэффициента нагрузки интенсивность возрастает. Она также возрастает, если элемент эксплуатируется в более жестких условиях: при повышенной температуре, влажности, при ударах и вибрациях. В стационарной аппаратуре, работающей в отапливаемых помещениях, наибольшее влияние на надежность аппаратуры имеет температура.

В таблицу 6 заносим данные из принципиальной схемы.

В 1-ую колонку заносится наименование элемента, его тип определяется по схеме. Часто в схемах не указывается тип конденсатора, а даётся только его ёмкость. В этом случае следует по емкости, и выбрать подходящий тип конденсатора в справочнике. Тип элемента заносится во вторую колонку.

В колонку 4 заносится температура окружающей среды.

Далее следует заполнить колонку 6, пользуясь теми рекомендациями, которые были приведены выше.

Студенту, как правило, не известны фактические параметры элемента. Фактические параметры элемента надо выбирать, руководствуясь рекомендациями таблицы 6.

Таблица 6

Зная _н определяем фактическое значение параметра и заполняем колонки 5 и 8.

Если _н в таблицу для элемента не указано, то следует ставить прочерк или брать _н=0,5.

Колонка 7 заполняется по справочнику.

Далее определяется коэффициент влияния (), которое показывает как влияние на интенсивность отказов окружающая элемент температура в связи с коэффициентом нагрузки. Находят () по таблице 7

Таблица 7

Таблица 8

3.1.1 Определим произведение коэффициентов влияний

_i = • _о, (3.1.1)

где:

_i — произведение коэффициентов влияний;

— коэффициент влияния температуры;

_о — интенсивность отказов.

3.1.2 В двенадцатой колонке определяем:

_с = _i • n, (3.1.2)

где:

_i — произведение коэффициентов влияний;

n — количество элементов.

3.1.3 Определим среднее время наработки на отказ:

(3.1.3)[9]

Т_ср — среднее время наработки на отказ

_с — суммарное значение двенадцатой колонки

_с = 8,76 • 10^-6

Тср.=10⁶/8,76=114,155 •10³ час При поставленной задаче выяснить среднее время работы устройства, при подсчете было выяснено, что в среднем это время будет равно 114 155 часов.

3.2 Расчет силового трансформатора

Данные расчета:

Ш U₁=220В;

Ш f=50 ГЦ;

Ш U₂= U₃₌10А; I₂= I₃=0,8 В.

Ш Температура окружающей среды -60^оС +60^оС Ш Масса трансформатора минимальна.

3.3 Определяем суммарную мощность вторичных обмоток:

P₂=U₂ x I₂ (3.2.1)

P₂=10×0,8=16 В, А По таблице 9.2 выбираем магнитопровод типа ШЛМ 20×25. Для негo Gc=454 г; Lc=12,7 см; Sc= 4,65 см²

По таблице 9.7 выбираем индукцию в магнитопроводе Bm=1,55 Тл.

По формуле (9.16) из (л. 12) рассчитываем ЭДС наводимую в одном витке:

e=4,44BmfSc х 10-⁴ (3.2.2)

e=4,44×1,55×50×4,65×10-⁴=0,160 В

По рис. 9.16 из (л. 12) находим ожидаемое падение напряжения в обмотках трансформатора:

Для первичной обмотки ₀₁=6,2%

Для вторичной обмотки ₀₂=7,8%.

По формулам (9.62) и (9.63) из (л. 12) находим предварительное число витков для обмоток трансформатора:

Для первичной обмотки число витков

(3.2.3)

=1289 витков;

Для вторичных обмоток

; (3.2.4)

=67,3 витков Принимаем .

По формуле (9.17) из (л. 12) вычисляем индукцию в сердечнике при работе трансформатора на холостом ходу:

(3.2.5)

=1,55(1+6,2/100)=1,6Тл.

По графику рис. 9.7 из (л. 12) определяем удельные потери в стали магнитопровода:

=24,2 Вт/кг при В_m=1,55 Тл.

=27,6 Вт/кг при В_0m=1,6 Тл.

По (9.37) из (л. 12) вычисляем составляющую тока первичной обмотки, зависящую от токов вторичных обмоток:

I'_1а= I₂U₂/U₁+ I₃U₃/U₁ (3.2.6)

I'_1а= 0,8×10/220+0,8×10/220=0,07 А По табл. 9.8 из (л. 12) определяем значение коэффициента к и по формуле 9.64 вычисляем ориентировочное значение тока первичной обмотки:

К=1,75;

I₁=KI'_1а (3.2.7)

I₁=1,75×0,07 =0,12 А По формуле 9.27 из (л. 12) вычисляем потери стали:

P_c=G_c (3.2.8)

P_c=24,2×0,454=10,98 Вт По (9.34) из (л. 12) определяем предварительное значение потерь меди всех обмоток :

P_m = (3.2.9)

P_m = 0,12×0,062×220+0,8×0,078×10+0, 8×0,078×10=2,87 ВТ.

По (9.38) из (л. 12) составляем тока первичной обмотки, зависящую от потерь в трансформаторе:

I''_1a= (3.2.10)

I''_1a==0,06 A

По (9.36) из (л. 12) вычисляем полную активную составляющую тока первичной обмотки:

I_1a= I'_1a+ I''_1a (3.2.11)

I_1a =0,07 +0,06 =0,13 А.

По графику 9.2 из (л. 12) определяем напряженность магнитного поля, необходимую для создания в сердечнике индукции 1,55 и 1,6 Тл:

H=6,1 при В_m 1,55 Тл.

H=8,7 при B_0m 1,6 Тл.

По (9.26) из (л. 12) вычисляем реактивную составляющую тока первичной обмотке при работе под нагрузкой и холостом ходу:

I_p= (3.2.12)

I_p== 0,06А .

I_0p==0,09 А.

По (9.35) вычисляем полный ток первичной обмотки:

I₁= (3.2.13)

I₁== 0,2 А.

Так как полученное по п. 16 значение I₁= 0,2 отличается от ориентировочного значения, найденного по п. 10, задаемся I₁= 0,2 и повторяем вычисления по п.11−13 и 16. В результате расчета получаем: P_m=2,85 ВТ; I''_1a=0,06 А; I_1a=0,13 А; I₁= 0,2 А По (9.28) из (л. 12) вычисляем активную составляющую тока холостого хода

I_0a=P_c/U₁ (3.2.14)

I_0a=10,98 /220 = 0,05 А.

По (9.15) из (л. 12) вычисляем ток холостого хода:

I₀= (3.2.15)

I₀=0,01 А.

По графику 9.15 из (л. 12) выбираем значение плотности тока:

j₁=4,5 А/м для первичной обмотки;

j₂=5,6 А/м для вторичных обмоток;

21) По (9.67) вычисляем диаметр провода каждой обмотки:

d₁=1,130,25 мм; (3.2.16)

d₂= d₃= 1,13=0,45 мм.

Выбираем по табл. 8.1 из (л. 12) провод марки ПЭТВ диаметром 0,45 для всех обмоток (d_из=0,51)

По таблице (9.2) из (л. 12) из (л. 12) выбираем длину слоя первой обмотки l=33 мм.

По (9.3) из (л. 12) находим число витков в слое для каждой обмотки. Значение коэффициента укладки k_y=0,93, берем из таблицы 9.4 из (л. 12) :

_сл=33×0,93/0,51=60,17; (3.2.17)

принимаем _сл=61 витков.

По (9.4) из (л. 12) вычисляем число слоев каждой обмотки:

n_сл1=_1/сл1 (3.2.18)

n_сл1=1289/61= 14,13; принимаем n_сл1=14.

n_сл2=68/61=1,14; принимаем n_сл2=2

По (9.5) из (л. 12) проверяем возможность уложить требуемое число витков в полученное число витков с учетом уменьшения числа витков в слоях; значение берём из табл. 9.3.

Для 1-ой обмотки 61×14−91=13 001 289.

Для 2-ой обмотки 61×2−1=12 168.

Витки в указанном числе слоев уложить можно.

Выбираем толщину изоляционных материалов в катушки трансформатора.

Толщина гильзы _г=1,0 см (см. табл.9.2) из (л. 12) .

Межслоевая изоляция для всех обмоток — бумага электроизоляционная обмоточная ЭН-50 толщиной 0,05.

Наружная и межобмоточная изоляция по два слоя кабельной бумаги К-120 общей толщиной 0,24 мм.

По (9.5) из (л. 12) находим толщину каждой обмотки:

а₁= n_сл1d_из+(n_сл1-1)_г1 (3.2.19)

а₁=14×0,51+(14−1)х0,05=7,79 мм.

а₂=а₃=2×0,51+(2−1)х0,05=1,07 мм. (3.2.20)

По (9.6) находим толщину катушки:

S_к= (+)1,1+_г+_н (3.2.21)

S_к=(7,79 +2×0,51)1,1+1+0,24=10,93 мм По (9.11) из (л. 12) проверяем зазор между катушкой и магнитопроводом:

=с-S_k (3.2.22)

= 12−10,93 =1,07 мм 0.

По (9.9) и (9.10) из (л. 12) определяем расстояние от гильзы до середины каждой обмотки:

₁=7,79 /2=3,89 мм. (3.2.23)

₂=7,79 +0,24+0,51/2=8,28 мм. (3.2.24)

₃=7,79+1,07+1×0,24+1,07/2=9,63 мм. (3.2.25)

По (9.11) находим среднею длину витка каждой обмотки:

l_ср1=M+2₁ (3.2.26)

l_ср1=98+6,28×3,89 =112,42 мм; М взято из табл. 9.2 из (л. 12) ;

l_ср2=98+6,28×8,28 =154,3 мм. (3.2.27)

l_ср3=98+6,28×9,63=158,47 мм. (3.2.28)

По (9.13) из (л. 12) находим длину провода каждой обмотки:

l₁= l_ср1 (3.2.29)

l₁=112,42×1289=144 909,38 мм. =145 м;

l₂=154,3×68=10 492,4 мм = 10,5 м. (3.2.30)

l₃=158,47×68=10 775,96 мм = 10,8 м (3.2.31)

По (9.13) из (л. 12) вычисляем сопротивление обмоток при температуре +20^оС:

r₁=p (3.2.32)

r₁=0,0175=15,96 Ом;

r₂=0,0175=1,15 Ом; (3.2.33)

r₃=0,0175=1,18 Ом; (3.2.34)

Задаемся максимальной температурой обмотки 125^о; превышение температуры над нормальной t=125−20=105^о С.

Вычисляем сопротивление обмоток при температуре 125^оС:

r_t=r (1+0,004t) =r (1+0,004×105)=1,42r (3.2.35)

r₁=1,42×15,96 =22,66 Ом; (3.2.36)

r₂=1,42×1,15 =1,63 Ом. (3.2.37)

r₃=1,42×1,18 =1,67 Ом. (3.2.38)

Вычисляем падение напряжения на обмотках и рассеиваемую на них мощность:

U₁=I₁r₁ (3.2.39)

U₁=0,2×22,66 =4,53 В;

U₂=I₂r₂ (3.2.40)

U₂=0,8×1,63 =1,3 В;

U₃=I₃r₃ (3.2.41)

U₃=0,8×1,67 =1,4 В;

% (3.2.42)

%==2%

% (3.2.43)

%==13%

% (3.2.44)

%==14%

Полученные значения падения напряжения мало отличаются от тех величин, которыми мы задавались.

3.2.36 P_m1=I₁U₁ (3.2.45)

P_m1= 0,2 x =0,9 ВТ;

P_m2= I₂U₂ (3.2.46)

P_m2=10х=13 Вт.

P_m3= I₃U₃ (3.2.47)

P_m3=10х =14 Вт.

P_m= P_m1+ P_m2+ P_m3=0,9+13+14=27,9 (3.2.48)

По (9.72) и (9.69) из (л. 12) определяем температуру нагрева трансформатора:

?= (3.2.49)

?==10,14

берем из табл. 9.2 из (л. 12)

Температура катушки при максимальной температуре окружающей среды +60^оС

t_ср=t_окр+? (3.2.50)

t_ср=60+11=71^оС.

Трансформатор имеет следующие электрические параметры:

— 1289 витков на первичной обмотке;

— 65 витка на вторичной обмотке;

— температура катушки при максимальной температуре 71^оС;

3.3 Расчет коэффициента заполнения печатной платы

Расчет коэффициента заполнения печатной платы можно сделать по сборочному чертежу платы. Для этого надо измерить площадь, занимаемую элементом вместе с выступающими за корпус выводами.(Посадочное место). В плане (плоскости) все посадочные места можно рассматривать как прямоугольники и окружности. Как известно, площадь прямоугольника равна произведению длины на ширину прямоугольника, а площадь круга

S = рDІ/4,

где

D — диаметр круга, а р — физическая константа, равная 3,14

Расчет следует вести с использованием таблицы 10

Таблица 10.

Таблица заполняется, после чего надо сложить все цифры последнего столбца. Таким образом, будет найдена площадь, занимаемая всеми элементами схемы S элемент.

Площадь печатной платы — S платы равна произведению ее длины на ширину. Коэффициент заполнения печатной платы:

К зап = S элемент / S платы х 100% (3.3.1)[9]

S элемент =1737,5

S платы = 65×50=3250

К зап = 2165/ 3250×100% = 66%

Коэффициент заполнения печатной платы показал, что радиоэлементы расположены не плотно и радиоэлементы схемы перегреваться не будут.

4. Конструкторская часть

4.1 Обоснование разработки трассировки печатной платы

На рис. 2. контакты Е1—Е4 обозначены цифрами 8. 4. 2. 1. символизирующими двоичные разряды с соответствующими весами (слева направо — от старшего разряда к младшему).

Рис. 2. Сборочный чертеж блока управления стабилизатора переменного напряжения.

Для подачи на любой сенсорный контакт лог. 1 необходимо коснуться его пальцем, держа ладонь на контакте Е5 (в виде металлической полоски). Касаться контакта, с которого должен быть подан лог. О, не следует.

Печатные платы в зависимости от минимальной ширины печатных проводников и минимального зазор между ними делят на три класса. К классу 1 относятся платы с пониженной плотностью монтажа, у которых ширина проводников и зазор между ними должны быть не более 0,5 мм. Класс 2 образуют платы с повышенной плотностью монтажа, имеющие ширину проводников и зазорами до 0,15 мм (класс 3) имеют высокую плотность монтажа. Платы этого класса следует применять только в отдельных, технически обоснованных случаях.

Плотность монтажа по классу следует применять только на платах с размерами 240×240 мм, по классу 3 с размерами 170×170.

Чертежи печатных плат выполняют на бумаге, имеющей координатную сетку, нанесенную с определенным шагом:

Наличие сетки позволяет не ставить на чертеже размеры на все элементы печатного проводника. При этом по сетке можно воспроизвести рисунок печатной платы при изготовлении фотооригиналов, с которых будут изготовляться шаблоны (например, фотонегативы) для нанесен рисунка платы на заготовку.

Координатную сетку наносят на чертеж с шагом 2,5 или 1,25 мм. Шаг 1,25 мм. применяют в том случае, если на плату устанавливают мгновенные элементы с шагом расположения выводов 1,25 мм. Центры монтажных и переходных отверстий должны быть расположены в узлах координатной сетки. Если устанавливаемый на печатную плату элемент имеет два вывода или более, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то отверстие под все такие выводы должны быть расположены в узлах сетки. Если устанавливаемый элемент не имеет выводов, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то один вывод следует располагать в узле координатной сетки, а центр отверстия под другой вывод — на вертикальной или горизонтальных линиях координатной сетки.

Диаметр отверстия в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечивает возможность свободной установки радиоэлемента. При диаметре вывода дл 0.8 мм диаметр не металлизированного отверстия делают на 0.2 мм больше диаметра вывода; при диаметре вывода более 0.8 мм на 0.3 мм больше.

Диаметр не металлизированного отверстия зависит от диаметра вставляемого в него вывода и от толщины платы. Связанно это с тем, что при гальваническом осаждении металла на стенках отверстия малого диаметра, сделанного в толстой плате, толщина слоя металла получается не равномерной, а при большем отношении длинны к диаметру некоторые места могут остаться не покрытыми. Диаметр металлизированного отверстия должен составлять не менее половины толщины платы.

Чтобы обеспечить надежное соединение металлизированного отверстия с печатным проводником, вокруг отверстия делают контактную площадку. Контактные площадки отверстий рекомендуются делать в виде кольца.

Печатные проводники рекомендуются выполнять прямоугольной конфигурации, располагая их параллельно линиям координатной сетки.

Проводники на всем их протяжении должны иметь одинаковую ширину. Если один или несколько проводников проходит через узкое место, ширина проводников может быть уменьшена. При этом длинна участка, на котором уменьшена ширина, должна быть минимальной.

Если проводник проходит в узком месте между двумя отверстиями, то нужно прокладывать его так, чтобы он был перпендикулярен линии, соединяющий центры отверстий. При этом можно обеспечить максимальную ширину проводников и максимальное расстояние между ними.

Проводники шириной 2,5 мм можно изображать двумя линиями, при этом, если они совпадают с линиями координатной сетки, числовое значение ширины на чертеже не указывают.

Отдельные элементы рисунка печатной платы (широкие проводники, контактные площадки, экраны, изоляционные участки и т. п.) можно выделять штриховкой, черчением.

Круглые отверстия, имеющие зерновку, и круглые контактные площадки с круглыми отверстиями изображают одной окружностью.

Размер диаметров круглых контактных площадок указывают в технических требованиях.

Параметры отверстий (диаметр, допуск на диаметр, зенковку и допуск на нее, наличие и отсутствие металлизации) непосредственно около каждого отверстия не проставляют. Отверстия, имеющие одинаковые параметры, обозначают одним и тем же условным значком, а параметры, характеризующие этот значок, объединяют в таблицу, которую включают в технические требования чертежа.

Таблица 11 — Пример оформления таблицы отверстий на чертеже:

Участки платы, по которым не должны проходить печатные проводники, обводят штрихпунктирной линией и соответствующее указание делают в технических требованиях. Зенковку на отверстиях графически не отображают.

4.2 Обоснование разработки сборочного чертежа печатной платы

Печатную плату, с установленными на ней электрорадиоэлементами (ЭРЭ), называют печатным узлом.

Если электрорадиоэлементы имеют штыревые выводы, то их устанавливают в отверстия печатной платы и запаивают. Если корпус ЭРЭ имеет планарные выводы, то их припаивают к соответствующим контактным площадкам внахлёст.

ЭРЭ со штыревыми выводами нужно устанавливать на плату с одной стороны (для плат с односторонней фольгой на стороне, где нет фольги). Это обеспечивает возможность использования высокопроизводительных процессов пайки, например «волной». Для ЭРЭ с планарными выводами пайку «волной» применять нельзя. Поэтому их можно располагать с двух сторон печатной платы. При этом обеспечивается большая плотность монтажа, так кА на одной и той же плате можно расположить большее количество элементов.

При размещении ЭРЭ на печатной плате необходимо учитывать следующее:

1. Полупроводниковые приборы и микросхемы не следует располагать близко к элементам, выделяющим большое количество теплоты, а так же к источникам сильных магнитных полей (постоянным магнитам, трансформаторам и др.).

2. Должна быть предусмотрена возможность конвекции воздуха в зоне расположения элементов, выделяющих большое количество теплоты.

3. Должна быть предусмотрена возможность лёгкого доступа к элементам, которые подбирают при регулировке схемы.

Если элемент имеет электропроводный корпус и под корпусом проходит проводник, то необходимо предусмотреть изоляцию корпуса или проводника. Изоляцию можно осуществлять надеванием на корпус элемента трубок из изоляционного материала, нанесение тонкого слоя эпоксидной смолы на плату в зоне расположения корпуса (эпоксидная маска), наклеиванием на плату тонких изоляционных прокладок.

На рис. 4 показаны часто применяемые способы установки элементов, имеющих 2 вывода, расположенных аксиально (сопротивления, конденсаторы, диоды и др.)

При выборе межцентрового расстояния L, высоты H и других размеров следует учитывать, что для всех типов ЭРЭ ограниченно минимальное расстояние от корпуса элемента, на котором можно производить гибку вывода, и минимальное расстояние от корпуса до места приложения паяльника при пайке. Эти ограничения существуют не только для ЭРЭ с аксиальными выводами, но и для всех типов ЭРЭ, подключаемых пайкой.

Соответствующие данные приводятся в ГОСТах и ТУ на ЭРЭ и в справочниках.

Если элемент имеет электропроводный корпус, установленный, как показано на рис. 8, а, и под корпусом проходит проводник, то необходимо предусмотреть изоляцию корпуса или проводника. Изоляцию можно осуществлять надеванием на корпус элемента трубок из изоляционного материала, нанесением тонкого слоя эпоксидной смолы на плату в зоне расположения корпуса (эпоксидная маска), наклеиванием на плату тонких изоляционных прокладок.

Элементы, установленные, как показано на рис 4, а, могут работать при более жестких механических воздействиях, чем установленные так, как показано на рис. 4, б, в.

В зависимости от конструкции конкретного типа элемента и характера механических воздействий, действующих при эксплуатации (частота и амплитуда вибрации, значение и длительность ударных перегрузок и др.), ряд элементов нельзя закрепить только пайкой за выводы — их нужно крепить дополнительно за корпус.

Крепление за корпус в зависимости от конструкции и массы элементов можно производить приклейкой к плате специальными мастиками или клеями, прилакировкой в процессе влагозащиты печатного узла, заливкой компаундом, привязкой нитками или проволокой, с помощью скоб, держателей и другими методами.

Чтобы обеспечить возможность применения групповой пайки (например пайка «волной») элементов, устанавливаемых с зазором между платой и корпусом, необходимо предусматривать специальный изгиб выводов, как показано на рис. 3, б. Этот изгиб удерживает элемент и не дает ему опуститься на плату в процессе установки других элементов до операции пайки. На рис 3, г показана установка элементов с аксиальными выводами в двухпалатной конструкции.

На рис. 3 показаны возможные варианты установки транзисторов.

При установке транзисторов, как показано на рис 3, а, 3 в аппаратуре работающей в условиях вибрации и ударов, корпус должен быть приклеен к плате или к переходной втулке.

На рис. 4 показаны варианты установки микросхем в корпусах с планарными выводами в круглых корпусах и в плоских прямоугольных корпусах со штырьковыми выводами. Все указанные способы крепления микросхем обеспечивают их надежное крепление в условиях вибрации и ударов, действующих на аппаратуру, которая устанавливается на подвижных объектах (автомашинах, самолетах, судах и т. п.). При этом обеспечивает дополнительное крепление выводов микросхемы к плате.

Рисунок — 4 Установка микросхем (а — з): 1 — теплоотводящая шина; 2 -изоляционная прокладка; 3 — печатная плата, изготовленная методом высылающих выводов; 4 — подставка; 5 — прокладка Если микросхема выделяет большое количество теплоты и находится при повышенной температуре, то существует опасность нагрева корпуса микросхемы выше допустимой температуры. В этом случае под корпусами микросхем устанавливают теплоотводящую медную шину 1 (рис. 10, в), концы которой должны плотно прилегать к корпусу изделия или другому элементу конструкции, способному отводить выделяемую микросхемой теплоту в окружающее пространство. Медная шина должна быть изолирована изоляционной прокладкой от печатных проводников, проходящих под микросхемой. По тем же причинам изоляционные прокладки нужно применять при установке, изображенной на рис. 10, а. Вместо прокладок можно покрывать нижнюю поверхность корпуса микросхемы эпоксидной смолой.

ЭРЭ должны располагаться на печатной плате так, чтобы осевые линии их корпусов были параллельными или перпендикулярны друг другу. Это обеспечит при необходимости возможность применения специальных машин для автоматической установки и пайки ЭРЭ на печатной плате. На платах с большим количеством микросхем в однотипных корпусах их следует располагать правильными рядами.

Зазор между корпусами должен быть менее 1.5 мм (в одном из направлений). Указанный зазор необходим для возможности захвата микросхемы специальными устройствами при автоматической установке. Планарные корпуса нужно располагать длиной сторон вдоль направления конвекционного потока воздуха. При этом улучшается охлаждение микросхемы.

Элементы, имеющие большую массу, следует размещать вблизи мест крепления платы или выносить их за пределы платы и закреплять их на шасси аппарата.

Так печатные платы имеют малые расстояния между проводниками, то воздействие влаги может привести к таким ухудшениям сопротивления изоляции, при которых будет нарушаться нормальная работа схемы. Поэтому печатные узлы, которые будут работать в сложных климатических условиях, необходимо покрывать слоем лака.

Используемые для этого лаки должны иметь следующие свойства:

а) Хорошую адгезию к материалу платы и печатным проводникам;