СОДЕРЖАНИЕ Введение ____________________________________________________ 4 1. Описание устройства ________________________________________ 6 1.1 Принцип работы регулируемого блока питания _________________ 8 2. Механический расчёт конструкции ____________________________ 9 3. Расчёт запаса прочности при вибрациях ________________________ 12 3.1 Запас прочности печатной платы при вибрациях ________________ 13 4. Расчёт надёжности __________________________________________ 15 5. Построение схемы в программе Multisim _______________________ 16 Заключение __________________________________________________ 19 Список используемых источников _______________________________ 20 Введение Основным источником электрической энергии для промышленных предприятий являются энергосистемы или местные электрические станции, вырабатывающие переменный ток с частотой 50 Гц. Однако для непосредственного питания электронной аппаратуры промышленного и бытового назначения требуется, в основном, постоянный ток. Все современные электропитающие устройства подразделяются на первичные и вторичные источники электрической энергии. К первичным относятся все непосредственные преобразователи различных видов энергии в электрическую: гальванические и топливные элементы, солнечные батареи, атомные элементы и батареи, электромашинные и термоэлектрические генераторы, термоэлектронные источники тока и магнитогидродинамические (МГД) генераторы. Вторичными считаются все виды преобразователей тока, в том числе, выпрямители со сглаживающими фильтрами, стабилизаторы напряжения и тока, преобразователи постоянного тока, различные электронные генераторы тока высокой и повышенной частот. Сюда же относятся также аккумуляторы, поскольку их можно использовать как источники питания после предварительной зарядки. В повседневной жизни используются блоки питания. Они применяются для преобразования параметров электроэнергии основного источника электроснабжения (например промышленной сети) в электроэнергию с параметрами, необходимыми для функционирования устройств например зарядка для телефона или любого устройства работающего от постоянного тока подключаемого в промышленную сеть таких как компьютеры. Блок питания представленный в курсовой работе предназначен для применения в лабораториях или людьми у которых электрика является увлечением, хобби или работой. Такие люди просто обязаны иметь у себя в наличии блок питания с плавной регулировкой напряжения. Ведь работая с различной электрической и электронной техникой постоянно приходится сталкиваться с её питанием, а оно, как известно, не всегда одинаково. Постоянно искать источники питания с подходящим напряжением, тоже не выход. Схема регулятора достаточно 4 проста в сборке даже для начинающего радиолюбителя и, главное, не содержит дорогих и дефицитных деталей. Основные достоинства линейных блоков питания – простая конструкция и низкий уровень помех. Недостаток таких блоков питания – габариты и невысокий коэффициент полезного действия. Собрать блок питания мощностью 400 и более ватт по такой схеме возможно, но он будет иметь устрашающие размеры, вес и стоимость. В ходе курсовой работы необходимо выполнить следующие задачи: - спроектировать схему электронного устройства, разобрать принцип работы схемы, дать характеристику отрицательных и положительных сторон; - провести механический расчёт конструкции, включающий расчёт частоты собственного колебания конструкции, расчёт запаса прочности при вибрациях и расчёт запаса прочности при вибрациях печатного узла; - рассчитать запас прочности при вибрациях; - произвести расчёт надёжности конструкции; - собрать подобную схему в программе Multisim; - расставить элементы будущей печатной платы в программе Ultiboard - визуализировать готовую схему в 3d. 5 1. Описание устройства. Блок питания – встроенный источник электропитания, предназначенный для преобразования напряжения переменного тока от сети в напряжение постоянного тока. На рисунке 1 приведена схема регулируемого блока питания на транзисторах, позволяющая получить на выходе регулируемое напряжение от 0 до 12 V, при силе тока до 1,5 А. Основными её элементами будут являться трансформатор – любой, со вторичной обмоткой рассчитанной на выходное напряжение 1518 вольт и силу тока 2 – 3 ампера (т.е. мощность трансформатора должна быть около 40 ватт). Рисунок 1 – Схема регулируемого блока питания на транзисторах На рисунке 1 приведена схема регулируемого блока питания на транзисторах, которая позволяет получить на выходе регулируемое напряжение от 0 до 12 V, при силе тока до 1,5 А. Основными её элементами будут являться трансформатор – любой, со вторичной обмоткой рассчитанной на выходное напряжение 15-18 вольт и силу тока 2 – 3 ампера (т.е. мощность трансформатора должна быть около 40 ватт). На входе схемы находится трансформатор ТВК-110-Л и диодный мост КД202, состоящий из кремниевых однофазных диодов, предназначенных для работы в выпрямительных схемах с максимально допустимым средним прямым 6 током 3 А, масса такого моста составляет ≈ 8 грамм, максимальное постоянное обратное напряжение составляет 100 В, максимальный прямой ток 5 А, максимальное прямое напряжение 0,9 В. Как и любому диоду, из-за невысокого прямого напряжения в схеме необходимо использовать делители напряжений. В данном случае эту роль играет резистор. Можно заметить, что в данной схеме используются сразу четыре резистора. Резистор R1 имеет сопротивление 390 Ом и рассеивает мощность 2 Вт. Рассеиваемая на резисторе мощность – один из важнейших его параметров. Она целиком и полностью влияет на надёжность его работы. Это обусловлено тем, что если будет пущен ток выше определённого значения, резистор будет нагреваться больше, мощность будет рассеиваться больше, и он просто выйдет из строя, перестав выполнять свои функции. Резисторы R3 и R4 не имеют оговариваемого значения рассеиваемой мощности, а их сопротивления 1 кОм и 10 кОм соответственно. Помимо вышеуказанных, в схеме присутствует регулируемый резистор R3 сопротивлением 10 кОм. Его наличие позволяет изменять значение сопротивления на нём. Но делать это можно при проведении каких-либо профилактических работ, связанных с устранением неполадок устройства. На плате присутствуют и другие элементы. К примеру, транзисторы КТ315. Транзистор КТ315 изготовлен из кремния, имеет n-p-n структуру, применяется в переключателях высокой частоты, выпускается в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами, масса не более 0,5 грамма, постоянная рассеиваемая мощность коллектора 150 мВт, максимальное напряжение между коллектором и эмиттером 25 В, максимально допустимый ток коллектора 0.5 мкА. Такой транзистор предназначен в основном для работы только на высокой частоте, что ограничивает диапазон использования этого электрорадиоэлемента (ЭРЭ). И транзистор К815 так же изготовленный из кремния и имеющий n-p-n структуру массой 1 грамм с постоянной рассеиваемой мощностью коллектора 10 Вт. Также в схеме присутствует стабилитрон Д814Г. Стабилитрон вообще, как это понятно из его названия, стабилизирует напряжение цепи, работая в режиме 7 пробоя. То есть, до наступления пробоя через стабилитрон протекает очень малый ток. Но как только наступает пробой, ток мгновенно возрастает, что позволяет поддерживать напряжение в определённом диапазоне. Конкретно же стабилитрон Д814Г изготовлен из кремния, выпускается в металлостеклянном корпусе с гибкими выводами, предназначен для стабилизации напряжений в диапазоне от 9 до 10,5 В для токов стабилизации от 3 до 32 мА, прямое напряжение составляет 1 В, обратное напряжение может превышать прямое в десятки раз. Если говорить проще, то при прямом включении стабилитрон работает как диод, поэтому используется обратное включение и, соответственно, обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Последним элементом данной схемы будет являться конденсатор C1. Его ёмкость будет составлять 2200 мкФ, а номинальное напряжение равно 25 В. Конкретная модель конденсатора не указана, но можно предположить, что он будет изготовлен из кремния, как и большинство элементов. Из-за достаточно большой ёмкости, данный конденсатор будет выполнять функции фильтра. Масса не будет превышать 3,5 грамма. Так как были рассмотрены все элементы цепи, пора переходить к принципу её работы. 1.1 Принцип работы регулируемого блока питания. Трансформатор Tr1 понижает сетевое напряжение 220V до напряжения 1518V которое поступает на выпрямитель VD1 собранный по мостовой схеме из четырех диодов. Конденсатор С1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Далее напряжение поступает на стабилизатор напряжения выполненный на стабилитроне VD2 и составном эмиттерном повторители на транзисторах VT1 и VT2.С помощью переменного резистора R2 регулируется напряжение на выходе блока питания. 8 2. Механический расчёт конструкции Была выбрана схема с параметрами, указанными в таблице 1. Таблица 1 – Исходные параметры Наименование Значение Материал платы Стеклотекстолит Длина платы 0,07 м Ширина 0,04 м Толщина 0,004 м Коэффициент Пуассона(µ) 0,214 Коэффициент, зависящий от способа крепления платы (Кα) 9,87∙(1+Y2) Модуль упругости (Е) 3.5∙1010 Н/м2 Масса элементов на плате (МЭРЭ) 0,109 кг Масса платы (МПП) 0,150 кг Плотность материала (ρ) 1980 кг/м3 Ускорение свободного падения 9,8 м/с2 Для всех возможных способов закрепления пластины собственная частота вибрации определяется по формуле: f0 K 2 a 2 Dg , h где a – длина пластины, м; K – коэффициент, зависящий от способа крепления печатной платы; g – ускорение свободного падения, м/c2; – коэффициент Пуассона для материала платы; E – модуль упругости материала платы, Н/м2; 9 (1) h –толщина платы, м; D – цилиндрическая жесткость пластины, Нм. D E h3 . 12(1 ) (2) Для расчета частоты свободных колебаний печатных плат используют метод Рэлея-Ритца. Этот метод позволяет учесть массу радиоэлементов, размещенных на плате и получить соотношение для расчета частоты свободных колебаний платы при любых краевых условиях. f0 K 2 a 2 D , m0 (3) где a – длина пластины, м; K – коэффициент, зависящий от способа крепления печатной платы; – цилиндрическая жесткость пластины, Нм; D D E h3 , 12(1 ) (4) – коэффициент Пуассона для материала платы; E –модуль упругости материала платы, Н/м2; h –толщина платы, м; m0 – приведенные к площади пластины массы радиоэлементов и печат- ной платы. m0 М эрэ М ПП S ПП 10 , (5) где М эрэ – масса элементов, равномерно размещенных на печатной плате; М ПП масса печатной платы. М ПП S ПП h. (6) Если пластина изготовлена не из стали, а из другого материала, то вводится поправочный коэффициент на материал платы: KМ E СТ , EСТ (7) где E – модуль упругости для материала платы, Н/м2; EСТ – модуль упругости для стали, Н/м2; – плотность материала платы, кг/ м3; СТ – плотность стали, кг/ м3. Если печатная плата нагружена радиоэлементами, то вводится поправочный коэффициент на массу радиоэлементов: K ЭРЭ 1 . М ЭРЭ 1 М ПП (8) Окончательно формула для приближенного определения собственной частоты вибрации равномерно нагруженных пластин принимает вид: f0 K D K ЭРЭ K М . 2 2 a m0 11 (9) Подставив и рассчитав необходимые данные, получим конечный результат: 𝑓0 = 22.332 ∙ 103 Гц (10) 3. Расчёт запаса прочности при вибрациях Изгибающий момент в центре платы в режиме вибрационных колебаний: M ИЗГ М ЭРЭ g K П a , 2 2 (11) где М ЭРЭ – масса установленных на плате ЭРЭ, кг; g – ускорение свободного падения –9.8 м/с2 ; K П – коэффициент вибрационной перегрузки; – коэффициент динамичности 1 f f 4 2 1 f 0 f 0 2 2 2 , (12) здесь – логарифмический декремент затухания. Численное значение можно найти через частоту свободных колебаний f0 или коэффициент затухания 0 (для механических систем величина 0.02–0.025): f0 2 0 . (13) Коэффициент вибрационной перегрузки K П равен отношению вибрационного ускорения ( W , м/c2) к ускорению земного притяжения: 12 KП W . g (14) В наших расчётах выбираем W из интервала от 2g до 5g , где g 9.8 м/с2. Коэффициент вибрационной перегрузки есть величина безразмерная. Момент сопротивление изгибу WИЗГ b h2 . 6 (15) Напряжение изгиба 𝜎и , кГс⁄см2 : M ИЗГ . WИЗГ И (16) Запас прочности 𝑛 при изгибе по следующей формуле n И , И (17) где И – допустимое напряжение изгиба (берётся из справочных материалов) Подставив все необходимые данные, имеем результат: 𝑛 = 228,021 (18) 3.1 Запас прочности печатной платы при вибрациях Рассчитаем напряжение в печатной плате. Для этого необходимо найти массу печатных узлов (ПУ) 𝐺: 13 G a b h М ЭРЭ , (19) где a – длина печатной платы (ПП); b - ширина ПП; h - толщина ПП; М ЭРЭ - масса всех ЭРЭ на ПП; – плотность материала ПП Нагрузка на плату: PP G K П g PП , a b (20) где K П - коэффициент вибрационной перегрузки; PП - дополнительное усиление стягивания винтами равное 120 Н. 0.75 PP a 2 . 3 b 2 h 1 1.61 a (21) Запас прочности: n MAX , (22) где MAX - предел прочности материала печатной платы, Н/м2 . Подставив все необходимые значения, получим: 𝑛 = 564.076 14 (23) 4. Расчёт надёжности Средняя наработка на отказ: 𝑀𝜏 = 1 𝜆𝛴 (24) Вероятность безотказной работы: 𝑃(𝑝) = 𝑒 −𝜆𝑡 (25) Полученный график: Рисунок 2 – Вероятность безотказной работы По данному графику можно сделать вывод, в какое время отказ устройства будет максимальным. 15 5. Построение схемы в программе Multisim. В программе Multisim была разработана схема, показанная на рисунке 3 и основанная на схеме, приведенной на рисунке 1. Рисунок 3 – Линейный блок питания выполненный в Multisim Диодный мост выпрямляет напряжение трансформатора, которое после переходит на транзисторы, усиливающие выходной ток. Линейный блок питания выполнен на двух транзисторах, его входная мощность 15 Вт, входной ток – 5 А Выходной ток зависит от мощности трансформатора и при указанных на схеме элементах может достигать 15 А. Для регулировки выходного напряжения используется переменный резистор с сопротивлением 10 КОм. Также для защиты от короткого замыкания в схему включены диод и дополнительный транзистор. Диод D2 служит для термостабилизации, его желательно установить на радиатор выходных транзисторов. На рисунке 4 визуализировано расположение элементов на печатной плате, а также на рисунке 5 – в 3d исполнении. 16 Рисунок 3 – Расположение элементов на микросхеме в Ultiboard 17 Рисунок 3 – Визуализация в 3d исполнении 18 Заключение В ходе данной курсовой работы был спроектирован регулируемый блок питания предназначенный для лабораторных целей. Эта схема достаточно проста и не содержит дорогие и дефицитные элементы. Данные преимущества позволяют собрать такое устройство любому начинающему радиолюбителю. Были произведены расчёты механических возможностей конструкции, запаса прочности печатной платы при вибрациях, запаса прочности печатного узла при вибрациях, надёжность данного устройства. Также было визуализировано расположение элементов на печатной плате, и в 3d исполнении. 19 Список используемых источников 1. «Методические указания по выполнению курсовой работы для сту- дентов направления «управления в технических системах», (профиль «управление в технических системах») очной формы обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Ю.Н. Каревская, А.В. Романов, Воронеж, 2015 2. «Электрические аппараты и средства автоматизации». О.М. Михай- лов, В.Е. Стоколов - М.: Машиностроение, 1982 3. «Крановый электропривод». Е.М. Певзнер, А.Г. Яурс, Справочник. - М. Энергоатомиздат, 1988 4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиоприёмник 5. https://www.chipdip.ru 20
