Розробка електричної принципової схеми

 

Зміст

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

Інтенсифікація сучасного  виробництва є неможливою без  прискореного розвитку приладобудування, обчислюваної техніки, радіотехніки.  Каталізатором розвитку цих галузей  є розвиток електроніки і мікроелектроніки.

Розвиток електроніки  розпочався з використанням електровакуумних приладів.

Першими електровакуумними  приладами, які знайшли широке використання, були освітлювальні лампи розжарення. Заслуга у винайдені і створенні  дослідних взірців такий електровакуумних ламп належить російському електротехніку Я.М. Лодигіну.

Послідуюче вдосконалення  виробництва освітлювальних ламп  призвело до створення матеріальної бази, яка відіграла велику роль в розвитку електровакуумної техніки  і в випуску нових  видів  електровакуумних приладів.

Появі електровакуумних приладів, дія яких побудована на використанні явищ, зв’язаних з проходженням струму через вакуумний проміжок, передували ряд важливих відкриттів.

Так в 1893 р. відомий американський  вчений і винахідник Т.Едісон відкрив  явище випускання електронів розігрітим в вакуумі катодом, яке пізніше було названо явищем термоелектронної емісії.

В 1888 р. російським фізиком, професором Московського університету А.Г.Столєтовим вперше було виявлено явище  випускання електролітів металом під  впливом падаючого на нього сонячного світла. Це явище було названо явищем фотоелектронної емісії.

В послідуючі роки вчені  багатьох країн приділяли велику увагу глибоким і всестороннім дослідженням електронних явищ в вакуумі. 
зародження електронної техніки ознаменувало початок створення радіотехніки. Знаменитою подією в історії розвитку радіотехніки було обгрунтування можливості  передачі електричних сигналів на відстань нашим співвітчизником Г.Пулюєм і створення в 1885 р. першого в світі радіопередавача і  радіоприймача. Подальше радіотехніка і електротехніка розвивалась сумісно і в наш час перетворились в комплексну науку, яка називається радіоелектронікою.

Перша електронна лампа  – діод була виготовлена англійцем  Д.П.Флемінг–ом в 1904р. Пізніше американець  Лі-де-Форест ввів в електричну лампу Едісона нерухому сітку і створив електронну лампу-тріод, яка мала здатність не тільки підсилювати а й генерувати електричні сигнали.

В 1909 р. був виготовлений і введений в експлуатацію ртутний  вентиль,в в1910 р. П.Я.Лошанський створив  електронно-променеву трубку.

Перша електронна лампа  в Росії була виготовлена Н.Д.Папалексі  в 1913 р.

З цього періоду і  починається виробництво електронних  ламп в нашій країні. В 1918 р. Була створена Нижньо-Новгородська радіолабораторія, в якій радянські вчені і інженери М.А.Бонч-Бруєвич, В.П.Вологді, А.А.Пістолькорс і інші в важких умовах того часу розробили перші взірці приймально-підсилювальних ламп і організували їх серійне виробництво, створили потужні генераторні лампи з водяним охолодженням.

В 1922 р. в Москві було побудована найпотужніша в світі радіотелефонна передавальна станція. В тому ж році О.В.Лосєв вперше використав кристалічний детектор з “падаючою” характеристикою для генерування і  підсилення електричних коливань.

В 1924 р. була розроблена 4-х електродна електронна лампа, а в 1930 р. був виготовлений і перший пентод.

Після цього було створено цілий ряд електронних ламп, які  дозволили зменшити габарити і підвищити  економність і надійність електронних  ламп, а отже і електронної апаратури.

Починаючи з 30-х років завдяки освоєнню діапазону ультракоротких хвиль, проводились роботи по вдосконаленню звичайних радіоламп і по створенню спеціальних ламп, придатних для роботи  в усьому діапазоні частот.

В цей період появились  електронні лампи типу “жолудь”: керамічні, металокерамічні і маячкові лампи.Розробляються електровакуумні прилади зовсім нового типу – магнетрони, клістрони і ряд інших.

В зв’язку з вдосконаленням електронної апаратури і з  намаганням різко зменшити її габарити  і збільшити надійність її роботи заново відродилась проблема використання напівпровідникових приладів.

В 50-ті роки на базі нової  техніки були  створені напівпровідникові  тріоди, які, як виявилось, мають ряд  переваг перед електронними лампами. В цей період  почався бурхливий  розвиток електронної напівпровідникової техніки.

До 1952 р. були розроблені всі основні  типи підсилювальних напівпровідникових приладів транзисторів.  В теперішній час ми все частіше  зустрічаємося з електронною  апаратурою, в якій зустрічаються  тільки напівпровідникові прилади і розроблені на їх основі  інтегральні мікросхеми.

В наш час радіоелектроніка проникла в усі галузі народного  господарства. Вона стала основою  комплексної механізації і автоматизації  виробничих процесів. Розвиток  кібернетики, електронних обчислювальних машин, персональних комп’ютерів виявилось можливим тільки завдяки високому рівню сучасної електронної техніки ,і зокрема напівпровідникових приладів.

Електроніка успішно  допомогає лікарям лікувати хворих, стимулювати ріст рослин  в сільському господарстві, сприяє продовженню зберігання кормових продуктів, дозволяє з великою точністю контролювати  складні технологічні процеси, знаходить широке використання в установках для розщеплення атомних ядер, служить при вимірюванні яскравості  зірок і для тонкої автоматичної обробки механічних деталей. Електронні прилади посилають вченим  інформацію із космосу, здійснюють контроль за траєкторією польоту ракети і дають  можливість здійснювати ї посадку в любій ланці нашої планети і навіть інших планет.

В кожну сім’ю прийшли такі вірні і надійні помічники, як радіо, телефон, телевізор, комп’ютер і інші електронні пристрої. Вони до невпізнанності змінили побут людей, надали їм багато таких необхідних зручностей.

Особлива роль в розвитку радіоелектроніки належить джерелам живлення – пристроям, які забезпечують електронні пристрої електричною енергією для їх живлення. Їм належить особлива роль, так я к жоден електронний пристрій не може нормально функціонувати без блоку живлення.

В зв’язку з надзвичайно  широкою областю використання блоків живлення існує надзвичайно велика різноманітність їх типів. По принципу роботи блоки живлення можуть бути гальванічними, електричними, термоелектричними, механічними, п’єзоелектричними, комбінованими.

Особливу роль  в  цій гамі блоків живлення відіграють блоки живлення з перетворенням напруги. Це дає можливість споживачу значно зменшити габаритні розміри блоку живлення, знизити рівень пульсації вихідної напруги із-за підвищення частоти, яка поступає на вхід випрямляча.

Виходячи з вищесказаного і враховуючи те, що тема імпульсних блоків живлення з перетворенням ще недостатньо вивчена, а також популярність їх  використання, я обрав саме цю тему своєї дипломної роботи.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

І ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

1. Характеристика існуючих джерел живлення

1.1.1 Гальванічні елементи  і батареї характеризуються тим,  що в них електрична енергія  утворюється за рахунок хімічної  реакції, яка безперервно проходить  всередині елементу. Електрорушійна  сила елементів і батарей визначається  хімічними властивостями активних матеріалів (електроліту і електродів) і не залежить від їх розмірів. Температура елементів майже не впливає на величину електрорушійної сили. Тільки при температурах, близьких до температури замерзання електроліту, електрорушійна сила елементу різко зменшується. Замерзлі елементи відновлюються після відігрівання. Вихідна напруга вимірюється при номінальному навантаженні батареї. Вона залежить від електрорушійної сили Е, внутрішнього опору елементу R вн. І струму в навантаженні.

U вих. = Е – І н R вн.

 

При розрядженні елементу на батареї  кінцеве значення вихідної напруги  залежить від властивостей елементів  і умов його експлуатації. Питомі характеристики елементів представляють собою  відношення ємності, потужності і енергії  елементів чи батарей до їх об’єму чи ваги. Ці характеристики дають можливість оцінити джерело струму по його вазі і об’єму. Діапазон ємностей гальванічних елементів досить широкий – від десятих долей ампер-годин до сотень ампер-годин. Так наприклад, ємність елементу 1,3 ФМЦ- 0,25 рівна 25 а/г, а акумуляторної батареї 1,5 НЦ-60 рівна 60 а/г.

Електричні джерела живлення діляться на однопівперіодні, двохпівперіодні, з помноженням вхідної напруги, однофазні, 3-х фазні, з стабілізацією  вихідної напруги, з стабілізацією  вихідного струму і т.д.

 

 

 

 

 

 

1.1.2 Однопівперіодна схема випрямлення  характеризується найвищими в  порівнянні з іншими схемами  пульсаціями на частоті основної  гармоніки, яка рівна частоті  струму в мережі, всокою зворотною  напругою на випрямленому діоді,  вимушеним  підмагнічуванням сердечника трансформатора і неповним використанням трансформатора по потужності.

(К тр.»0,48)

Двохпівперіодна схема  містить в собі трансформатор  вторинна обложка якого має відвід від середини і два випрямлені діоди. Частота пульсацій цієї схеми  в два рази більша від частоти пульсацій в мережі і рівна 2х50 Гц=100 Гц. Коефіцієнт пульсацій цієї схеми на частоті 100 Гц рівний 0,68 при активному навантаженні. Ця схема найчастіше використовується при відносно великих потужностях в навантаженні (Рн 50Вт). Коефіцієнт використання трансформатора  для ємнісного навантаження Ктр 0,55, для активного навантаження К тр  0,642 ,а для індуктивного Ктр 0,75. Схема згладжуючого фільтра простіша, ніж в однопівперіодній схемі, так як частота пульсацій вища, ніж в однопівперіодному випрямлячі, а їх амплітуда майже в 2,5 рази менша. Цю схему випрямляча використовують при індуктивному і                                              ємнісному навантаженнях.

Мостова схема містить в собі однофазний трансформатор і діодний міст.

Коефіцієнт використання трансформатора при інструктивному навантаженні рівний 0,9 а при ємнісному  навантаженні К_тр=0,66, при активному К_тр=0,7. Зворотня напруга на діоді при активному і індуктивному навантаженнях рівна 1,57 від випрямленої напруги, тобто U _зв=1,57 U_вих, а при ємнісному навантаженні U _зв=1,41 U_вих. Частота і напруга пульсацій такі самі, як і в двохпівперіодній схемі.

Мостова схема подвоєння  напруги дозволяє отримати на виході випрямляча подвоєну вхідну напругу. Ця схема може працювати і без силового трансформатора. Навантаження цієї схеми може бути як активним, так і пасивним. Частота пульсацій рівна подвоєному значенню частоти в мережі живлення. Зворотна напруга на діодах в 1,5 р. Більша від випрямленої напруги, або в 2 рази менша, ніж в мостовій схемі. Коефіцієнт використання трансформатора К_тр=0,64.

1.1.3 Фотоелектричні джерела  живлення перетворюють енергію  світла в електричну енергію.  Джерелом енергії в цьому випадку  є енергія сонячного світла. В  цих  джерелах в основному  використовуються кремнієві перетворювачі-напівпровідникові елементи, в яких світлове випромінювання приводить до появи різнополярних полюсів на межі р-n переходу. Коефіцієнт корисної дії сонячних елементів доходить до 30%. Сучасні сонячні елементи можуть забезпечити в навантаженні електричний струм, рівний в кілька сотень ампер і напругу на навантаженні, рівну в кілька сотень вольт.

Термоелектричні перетворювачі  мають ще досить невеликий коефіцієнт корисної дії. Їх потужності ще дуже малі і їх використовують в тих випадках, коли навантаження споживає невелику потужність. Причини дії термоелектричних перетворювачів полягає в виникненні термоелектричної електрорушійної сили на кінцях двох провідників з малою  провідністю, які спаяні між собою при нагріванні місця спайки.

1.1.4  Принцип роботи блоків живлення з перетворенням напруги полягає в тому, що вхідна напруга перетворюється в змінну напругу з частотою 30-60 кГц. Подальше її перетворення здійснюється по класичних методах. Але так як частота напруги висока, то індуктивність перетворюючого трансформатора, а отже і його розміри можуть бути значно меншими, ніж в звичайних випрямлячах. Крім того ємність згладжуючих конденсаторів фільтра блоку живлення також може бути значно меншою, так як частота пульсацій набагато вища.

Отже в порівнянні з звичайними джерелами живлення, блоки живлення з перетворенням  напруги мають суттєву перевагу – малі габаритні розміри і  меншу величину пульсацій, хоча електрична принципова схема блоку живлення з перетворювачем напруги дещо складніша.

 

1.2 Попередня оцінка  параметрів блоку живлення

1.2.1 Для попередньої  оцінки параметрів імпульсного  блоку живлення потрібно чітко  знати, які функції він повинен  виконувати.

Основною задачею розробляємого  мною блоку живлення є зарядження акумуляторних батарей. А отже можна сказати, що вихідна напруга блоку живлення повинна становити 14 В з струмом в навантаженні до 3ВА.

Враховуючи те, що коефіцієнти  корисної дії любих перетворювачів напруги не перевищує 60%, то підрахуємо потужність, яку буде споживати блок живлення від мережі.

 

Підрахуємо струм, який буде споживати блок живлення від  мережі.

 

1.3 Обґрунтування вибору  структурної схеми

Більшість імпульсних блоків живлення мають подібні структурні схеми. Обов’язковими елементами, що входять до складу структурної схеми, повинні бути вхідний фільтр, випрямляч змінної напруги в постійну, автогенератор, трансформатор і вихідний випрямляч. Дуже часто на виході може працювати кілька випрямлячів разом з стабілізаторами напруги та струму. Іноді в структурні схеми входять додаткові пристрої для покращення запуску автогенератора, а також схеми для захисту блоку живлення від пере навантаження. В даній схемі потрібно передбачити пристрій для захисту блоку живлення від перенавантаження, так як при його наявності можуть вийти з ладу транзистори автогенератора, які є найбільш разючими в даній схемі. Крім того в схему бажано ввести пристій для запуску автогенератора, що полегшить його запуск.