Проектирование схемы регулируемого блока питания на транзисторах

0

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Факультет энергетики и систем управления

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

По дисциплине «Конструирование и технологии систем управления»

 

Пот теме: «Проектирование схемы регулируемого блока питания на транзисторах»

 

 

 

 

 

         Выполнил студент

                                                                                                               Группы УТС-31

                                                                                                           Оборотов А. А.

 

                                                                                                   Проверил

                                                                                                                         Ст.пр Каревская Ю. Н.

                                                                                               Оценка

 

 

 

 

 

Воронеж 2018

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ  ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО  ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ВГТУ)

 

 

Кафедра _______________________________________________________________

 

 

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект

 

 

по дисциплине _________________________________________________________

______________________________________________________________________

Тема работы ___________________________________________________________

______________________________________________________________________

Студент группы ________________________________________________________

Фамилия, имя, отчество

Номер варианта ________________________________________________________

Технические условия ___________________________________________________

____________________________________________________________________

Содержание и объем работы (графические работы, расчеты и прочее)

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________

Сроки выполнения этапов ________________________________________________

Срок защиты курсовой работы ____________________________________________

 

Руководитель                                   _________________________________________

                                                                 Подпись, дата             Инициалы, фамилия

Задание принял студент                  _________________________________________

                                                            Подпись, дата              Инициалы, фамилия

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение

4

1 Описание устройства

5

1.1 Принцип работы регулируемого блока питания

6

2 Механический расчёт конструкции

7

3 Расчёт запаса прочности при вибрациях

10

3.1 Запас прочности печатной платы при вибрациях

12

4 Расчёт надёжности

13

Заключение

14

Список литературы

15

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В повседневной жизни блоки питания 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 проста в сборке даже для начинающего радиолюбителя и, главное, не содержит дорогих и дефицитных деталей.

В ходе данной курсовой работы необходимо выполнить следующие задачи:          - спроектировать схему нашего 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.

 

 

         1 Описание устройства.

 

Схема устройства приведена на рисунке 1.

 

 

Рисунок 1 – Схема регулируемого блока питания на транзисторах

 

Мной была разработана схема, на основе которой и будет произведён регулируемый блок питания который позволяет получить на выходе регулируемое напряжение 0-12V, при силе тока до 1,5 А. Данная схема приведена на рисунке 1. 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). Массой 90 грамм.          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 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 не постоянно, а 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 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.

 

 

  • Принцип работы регулируемого блока питания.

Трансформатор Tr1 понижает сетевое напряжение 220V до напряжения 15-18V 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.

  • Механический расчёт конструкции.

Была выбрана схема со следующими 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:

 

                                                  (1)

 

где – длина пластины, м;

       – коэффициент, зависящий от способа крепления печатной платы;

       – ускорение свободного падения, м/c2;

       – коэффициент Пуассона для материала платы;

       – модуль упругости материала платы, Н/м2;

       –толщина платы, м;

       – цилиндрическая жесткость пластины, Нм.

 

                                                     (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.

 

                                                      (3)

 

где – длина пластины, м;

     – коэффициент, зависящий от способа крепления печатной платы;

     – цилиндрическая жесткость пластины, Нм;

 

                                                     (4)

 

     – коэффициент Пуассона для материала платы;

     –модуль упругости материала платы, Н/м2;

    –толщина платы, м;

     – приведенные к площади пластины массы радиоэлементов и печатной платы.

 

                                                   (5)

где – масса элементов, равномерно размещенных на печатной плате;

      масса печатной платы.

 

                                                      (6)

                                            

Если пластина изготовлена не из стали, а из другого материала, то вводится поправочный коэффициент на материал платы:

 

                                                       (7)

 

где– модуль упругости для материала платы, Н/м2;

     – модуль упругости для стали, Н/м2;

     – плотность материала платы, кг/ м3;

     – плотность стали, кг/ м3.

Если печатная плата нагружена радиоэлементами, то вводится поправочный коэффициент на массу радиоэлементов:

                                                     (8)

                               

Окончательно формула для приближенного определения собственной частоты вибрации равномерно нагруженных пластин принимает вид:

 

                                           (9)

 

Подставив и рассчитав все необходимые данные, получим конечный результат:

 

                                              (10)

 

 

  • Расчёт запаса прочности при вибрациях.

         Изгибающий момент в центре платы в режиме вибрационных колебаний:

 

                                           (11)

 

где – масса установленных на плате ЭРЭ, кг;

       – ускорение свободного падения –9.8 м/с2 ;

       – коэффициент вибрационной перегрузки;

       – коэффициент динамичности

 

                                      (12)

 

здесь  – логарифмический декремент затухания. Численное значение  можно найти через частоту свободных колебаний или коэффициент затухания  (для механических систем величина 0.02–0.025):

 

                                                (13)

 

Коэффициент вибрационной перегрузки  равен отношению вибрационного ускорения (, м/c2) к ускорению земного притяжения:

 

                                                       (14)

 

В наших расчётах выбираем  из интервала от  до , где м/с2.

Коэффициент вибрационной перегрузки есть величина безразмерная.

Момент сопротивление изгибу

 

                                                    (15)

 

Напряжение изгиба :

 

                                                      (16)

 

Запас прочности  при изгибе по следующей формуле

 

                                                      (17)

 

где  – допустимое напряжение изгиба (берётся из справочных материалов)

Подставив все необходимые данные, имеем результат:

 

                                                 (18)

 

 

 

 

  • Запас прочности печатной платы при вибрациях.

          Рассчитаем напряжение в печатной плате. Для этого необходимо найти массу печатных узлов (ПУ) :

 

                                              (19)

 

где – длина печатной платы (ПП);

       - ширина ПП;

       - толщина ПП;

       - масса всех ЭРЭ на ПП;

      – плотность материала ПП

Нагрузка на плату:

 

                                                (20)

 

где  - коэффициент вибрационной перегрузки;

       - дополнительное усиление стягивания винтами равное 120 Н.

 

                                             (21)

 

Запас прочности:

 

                                                    (22)

 

где  - предел прочности материала печатной платы, Н/м2 .

 

Подставив все необходимые значения, получим:

 

                                              (23)

 

 

 

 

  • Расчёт надёжности.

Средняя наработка на отказ:

                                                        (24)

 

Вероятность безотказной работы:

 

                                                    (25)

 

Полученный график:

          

Рисунок 2 – вероятность безотказной работы

 

По данному графику можно сделать вывод, что момент полного отказа устройства наступит в момент времени t=2,25∙106 часов.   

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.          Также были произведены расчёты механических возможностей конструкции, запаса прочности печатной платы при вибрациях, запаса прочности печатного узла при вибрациях, надёжность данного устройства. Анализируя график надёжности, можно сказать, что полный отказ прибора наступит через 2,25∙106 часов.

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Методические указания по выполнению курсовой работы для студентов 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.-39 с.
  2. Михайлов О. М. Электрические аппараты и средства

автоматизации./ О. М. Михайлов, В. Е. Стоколов - М..: Машиностроение, 1982. – 183 с.

  1. Певзнер Е. М. Крановый электропривод./ ,Е. М. Певзнер, А. Г. Яурс Справочник. – М. Энергоатомиздат 1988. – 344 с.

Скачать: kursach-k.rar

Категория: Курсовые / Электроника курсовые

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.