Привет студент

Разработка стенда для изучения и оптимизации переходных процессов и определяющих характеристик обратноходового преобразователя

 
 
 
 
  


 


Аннотация
 
 
Пояснительная записка содержит 87 страниц, в том числе 19 рисунков и 20 таблиц. Графическая часть выполнена на 7 листах формата A1.
В процессе проектирования была разработаны монтажное поле и необходимые блоки лабораторного стенда для конструирования и изучения импульсных источников питания на основе однотактного обратноходового преобразователя.
Диплом содержит расчет экономической части, а также рассмотрены вопросы безопасности труда.
 
 

Annotation
 
 
Explanatory note contains 87 pages, including 19 figures and 20 tables. Graphic portion is 7 sheets of A1.
The design process has been developed and field mounting blocks necessary laboratory bench for the design and study of switching power supplies on the basis of single-ended flyback converter.
Diploma comprises calculating the economic part, and also considered the question of occupational safety.



 
Содержание

Введение. 7
1 Анализ  поставленной технической задачи. 8
1.1 Назначение и структурная схема стенда. 8
1.2 Анализ существующих решений лабораторных стендов для изучения электронных устройств. 10
1.3 Формализация задач проектирования. 16
2 Разработка электрических принципиальных схем. 17
2.1 Электрическая принципиальная схема поля для монтажа обратноходового преобразователя. 17
2.2 Определение типа корпусов съёмных элементов. Расчёт датчиков тока, напряжения и входной схемы управления. 22
2.3 Схема блока согласования. 35
2.4 Электрическая принципиальная схема блока питания. 38
2.5 Электрическая принципиальная схема регулятора. 42
3 Конструкторское проектирование. 46
4 Рекомендации к расчёту. 47
4.1 Принцип работы обратноходового преобразователя. 47
4.2 Расчёт импульсного трансформатора. 50
4.3 Рекомендации по расчёту и выбору основных элементов (режим прерывистый) 51
4.4 Рекомендации к расчёту элементов защитных цепей. 53
4.5 Рекомендации к синтезу цепи обратной связи замкнутой системы.. 58
4.6 Рекомендации по расчету фильтрующих конденсаторов. 58
5 Безопасность труда. 59
5.1 Анализ и обеспечение безопасных условий труда. 59
5.2 Расчет искусственного освещения по методу коэффициента использования. 63
5.3 Возможные чрезвычайные ситуации. 66
6 Экономический расчёт проекта. 68
6.1 Расчет затрат на стадии создания нового устройства. 68
6.2 Расчёт годовых эксплуатационных издержек потребителя. 74
Заключение. 76
Список использованных источников. 77
 
Приложение А.. 78
Приложение Б. 80
Приложение В.. 83
Приложение Г. 85
 

Введение
 
Целью дипломного проектирования является разработка лабораторного стенда для изучения однотактного обратноходового преобразователя.
Однотактные обратноходовые преобразователи являются наиболее распространенными. Это обусловлено тем, что в области малой и средней мощности они обеспечивают оптимальное соотношение цены и качества. Стоимость узла управления однотактного обротноходового преобразователя гораздо ниже других преобразователей аналогичного типа.
Данный стенд позволит студентам ближе познакомиться с элементной базой импульсных преобразователей и способами их регулирования, вариантами схемных решений узлов и блоков преобразователей, увидит преимущество одних схемных решений над другими. Студент приобретёт практические навыки синтеза и отладки импульсных источников питания на основе преобразователя.
Разрабатываемый стенд предназначен для проведения лабораторных работ по дисциплинам: силовая электроника, основы преобразовательной техники, связанным с изучением источников питаний.
 
  

 
1 Анализ  поставленной технической задачи
1.1 Назначение и структурная схема стенда
Цель проектирования – разработка стенда для лабораторной работы, в которой выполняются:
-  предварительный расчет обратноходового преобразователя по заданным входным и выходным параметрам, значения которых входя в диапазоны технических условий в ТЗ;
-  монтаж импульсного обратноходового преобразователя;
-  практическое исследование выходных и внутренних процессов изменения электрических величин с помощью осциллографа и измерительных приборов;
-  анализ регулировочных характеристик;
-  оптимизация переходных процессов, вызванных межвитковой емкостью первичной обмотки и паразитными индуктивностями выводов транзистора.
При выполнении лабораторной работы учащиеся должны будут выполнять операции, перечень которых – ниже:
1)                    уточняется электрическая принципиальная схема рисунка 1.1 – выбираются схемы защитных цепей, фильтра, уточняется способ управления - от внешнего генератора в разомкнутой системе или от ШИМ-контроллера в замкнутой системе (рисунок 1.2);
2)                    по заданным входным и выходным параметрам обратноходового преобразователя (функциональная схема рисунка 1.1) производится:
а) расчет импульсного трансформатора в несимметричном
режиме – определяются числа витков обмоток, размеры проводов, размеры и геометрия сердечников;
б) предварительный расчет предельно допустимых значений напряжений и тока для транзистора и диодов;
в) выбор подходящих марок транзистора и диодов;
г) расчет реактивных элементов фильтра и демпферных цепей.
3)                    разработанная схема преобразователя монтируется  на лабораторном макете, подключаются необходимые блоки рисунка 1.2 - источники питания, источники управляющих импульсов, осциллограф и измерительные приборы;
4)                    выполняется анализ переходных процессов с помощью осциллографа, а так же предварительный анализ регулировочной характеристики. Если параметры переходных процессов удовлетворяют заданным в лабораторной работе техническим требованиям, учащийся переходит к пункту 7);
5)                    по методикам расчёта, приведённым в методических указаниях преподавателя, рассчитываются или корректируются параметры элементов цепей защиты;
6)                    пересчитанные элементы устанавливаются на лабораторный макет. Учащийся возвращается к пункту 4);
7)                    выполняется анализ определяющих характеристик:
а) либо регулировочной и выходной характеристики для разомкнутой системы (рисунок 1.2);
б) либо коэффициента стабилизации и выходной характеристики для замкнутой системы.
8)                    по результатам синтеза и измерений оформляется отчёт, делается заключение о результатах.
 

 
Рисунок 1.1  – Функциональная схема изучаемого обратноходового преобразователя
 
Так как выходное сопротивление генератора импульсов –  – для его подключения к управляемому транзистору обратноходового преобразователя (ОХП) необходимо устройство согласования по сопротивлению – усилитель тока. Кроме того, в целях обеспечения безопасности работы и внешнего генератора, и ШИМ-контроллера, в устройстве согласования целесообразно предусмотреть гальваническую развязку между указанными источниками импульсов и управляющим входом ОХП.

 

 
Рисунок 1.2 – Структурная схема разрабатываемого лабораторного стенда. ДТ – датчик тока; ДН – датчик напряжения
 
1.2 Анализ существующих решений лабораторных стендов для изучения электронных устройств
Лабораторный стенд «ЛАРМ» представляет собой реальную установку, оснащенную макетными и электромонтажными платами для набора исследуемых схем, управляемыми источниками питания и генераторами различных сигналов.
Измерительная среда имитируется виртуально посредством передачи данных с помощью контроллера и включает полный набор необходимых измерительных инструментов и приборов, в том числе осциллографы и анализаторы спектров сигналов. Комплекс работает в режиме дистанционного управления через интерфейсы USB компьютера и платы сбора данных. Внешний вид представлен на рисунке 1.3.
 

 
Рисунок 1.3 - Программно-измерительный комплекс ЛАРМ
 
ЛАРМ является универсальным измерительным комплексом (прибором) широкого применения. Области его возможного использования – учебные лаборатории, автоматизация научных исследований в физике, электротехнике, САУ, диагностика в медицине; настройка электронных схем, различные производственные сферы.
ЛАРМ может использоваться для создания автоматизированных измерительных систем, являющихся основой рабочих мест исследователя, настройщика, метролога, а также студента или учащегося.
В состав комплекса ЛАРМ входят следующие приборы.
Осциллограф цифровой двухканальный предназначен для исследования однократных и периодических электрических сигналов в диапазоне частот от 1 Гц до 500 кГц путем регистрации их в цифровой памяти и отображения на экране компьютера, и цифрового измерения амплитудных и временных характеристик сигналов. Основные характеристики представлены в таблице 1.1.
 
Таблица 1.1






Название параметра
Значение
Число каналов
2
Диапазон измерения
амплитуд
минус 200 мВ..+200 мВ
минус 40 В..+40 В
Полоса пропускания
До 500 кГц
Вход
Открытый
Синхронизация
Внутренняя ждущая и автоматическая
 
 
Генератор сигналов предназначен для генерации сигналов различной формы и характеризуется следующими параметрами в таблице 1.2.
 
Таблица 1.2







Название параметра
Значение
Виды сигналов
Синусоидальной, треугольной и прямоугольной формы
Диапазон регулирования амплитуд
От 0 В до 5 В
Диапазон частот
1 Гц ...500 кГц
Частота дискретизации
12 МГц
Смещение постоянной составляющей
От минус 3 В до +3 В
Выходное сопротивление
0.6 Ом
 
Источник питания с микропроцессорной стабилизацией, предназначенный для питания внешних устройств с параметрами, представленными в таблице 1.3.
 
Таблица 1.3





Название параметра
Значение
Напряжение
Регулируемое от 0 до +12 В и от 0 В до минус 12 В
Нерегулируемое +5 В
Ток
Для регулируемого: 0.5 А
Для нерегулируемого: +5 В; 1 А
Пульсации
До 0.1 В
Мощность
17 Вт
 
Вольтметр предназначен для измерения постоянных и переменных напряжений и обладает следующими характеристиками, представленными в таблице 1.4.

 
Таблица 1.4




Название параметра
Значение
Количество
7
Диапазоны измеряемых напряжений
минус 20 В ...+20 В, с точностью 80 мВ
минус 8 В...+8 В, с точностью 60 мВ
минус 4 В...+4 В, с точностью 15 мВ
минус 2 В...+2 В, с точностью 7 мВ
минус 0,8 В...+0,8 В, с точностью 3,1 мВ
минус 0,4 В...+0,4 В, с точностью 1,5 мВ
минус 0,2 В...+ 0,2 В, с точностью 0,8 мВ
Входное сопротивление
1 МОм
 
Амперметр предназначен для измерения постоянных и переменных токов, построен на базе вольтметра и измерительного сопротивления. Диапазоны токов в таблице 1.5.
 
Таблица 1.5




Название параметра
Значение
Количество
1
Диапазоны измеряемых токов
минус 2 А ...+2 А, с точностью 15мА
минус 800 мА ...+800 мА, с точностью 6,25 мА
минус 400 мА ...+400 мА, с точностью 3 мА
минус 200 мА ...+200 мА, с точностью 1,5мА
Входное
сопротивление
0,5 Ом
 
На приборе ЛАРМ расположена макетная плата которая изображена на рисунке 1.4.
 

 
Рисунок 1.4- Размещение элементов на макетной плате
 
Она состоит из информационной панели, штекеров, электромонтажной платы, индикаторов (светодиоды). Электромонтажная плата предназначена для беспаечного монтажа электрических схем и цепей. Обычно на ней собирается схема лабораторной работы.
 

 
Рисунок 1.5- Устройство электромонтажной платы
 
Элемент А используется обычно для шины питания. Элемент В используется для монтажа комплектующих. Электрические компоненты соединяются между собой проволочными перемычками (джамперами). Контакты: фосфористая бронза, никель, серебро, толщина 0.15мм. Они позволяют монтировать комплектующие с диаметром ножек 0.3-0.8 мм.
Коммутация приборов соответствует обозначениям на информационной плате и приведена в следующей таблице 1.7.
 
Таблица 1.6










Входы/выходы приборов
Контакты
Входы вольтметров
ACH0±..ACH6±
Входы амперметра
ACH7±
Логический генератор
DO_0..DO_15
Логический пробник
DI_0..DI_15
Генератор сигналов
GENA_1
Входы осциллографа
CH_A±, СH_B±
Выход источника питания ±12 В
U1±,U2±
Выход источника питания +5 В
+5 V
Земля
GND
 
ЛАРМ обеспечивает совместное либо раздельное функционирование входящих в него измерительных блоков.
Управление прибором осуществляется дистанционно от сертифицированной ПЭВМ типа IВМ РС с помощью программного обеспечения, входящего в комплект комплекса, через стандартный интерфейс USB   посредством подключения соединительного кабеля, входящего в комплект поставки комплекса, к соответствующим стандартным разъемам компьютера и интерфейса ЛАРМ.
Таким образом, для реализации структуры рисунка 1.2 стенд имеет следующие преимущества:
1) развитая измерительная система - возможность, кроме осциллографа, подключить ещё и вольтметры и амперметр;
2) возможность формирования управляющего импульсного сигнала с регулируемыми периодом и длительностью;
3) возможность конструирования схемы ШИМ - контроллеры и схемы согласования.
Недостатки:
1) встроенный источник напряжения невозможно использовать в качестве мощного источника питания обратноходового преобразователя - обеспечивается выходной ток не более 1 А, меньший, чем требуемый в ТЗ;
2) по ТЗ через цепи обратноходового преобразователя протекают токи от 0.5 до 5 А, для чего требуются транзисторы и диоды, а также резисторы защитных цепей с диаметром ножек более 0.9 мм, что больше максимально возможного диаметра отверстия в ЛАРМ - 0.8 мм. для конструирования самого обратноходового преобразователя, в цепях.
То есть, главным образом, из-за последнего недостатка, ЛАРМ непригоден для конструирования реальных обратноходовых преобразователей.
Лабораторный стенд НТЦ – 01.01 (рисунок – 1.6). Предназначен для изучения электротехники и основ электроники  в высших и средних специальных учебных заведениях. Примеры выполняемых лабораторных работ:
1)                    исследование режимов работы и методов расчета линейных цепей постоянного тока с одним и двумя источниками питания;
2)                    исследование режимов работы и методов расчета нелинейных цепей постоянного тока;
 


Рисунок 1.6 – Лабораторный стенд НТЦ – 01.01
 
3)                    исследование работы широтно-импульсного преобразователя напряжений;
4)                    исследование работы триггера Шмидта и цифровых счетчиков в интегральном исполнении;
5)                    исследование тиристорного выпрямителя.
И так ещё 14 работ. Но среди всех работ изучается только одно устройство, где используется широтно-импульсное управление, но это не обратноходовой преобразователь, а понижающий регулятор постоянного напряжения.
Дальнейший обзор рынка лабораторного оборудования результатов не дал.
 
1.3 Формализация задач проектирования
Результаты анализа существующих стендов показали, что некоторые из них позволяют собрать обратноходовой преобразователь, но с выходной мощностью менее 0,1 Вт - это меньше мощности зарядных устройств для телефонов. То есть, при всей своей оснащённости высокотехнологичным измерительным оборудованием они не позволяют изучить функционирование реальных преобразователей и не позволяют приобрести навыки для разработки и отладки реальных источников питания на их основе.
Задачи реализации структурной схемы рисунка 1.2 остаётся актуальной. В процессе разработки необходимо решить следующие проектные задачи.
1)                    разработать схему и печатную плату лабораторного макета обратноходового преобразователя и согласующего устройства;
2)                    разработать схему и печатную плату ШИМ – контроллера;
3)                    разработать схему и печатную плату внутреннего источника питания ШИМ - контроллера и устройства согласования;
4)                    разработать методики расчета:
а) трансформатора;
б) полупроводниковых элементов;
в) снабберной RC-цепи;
г) демпферной цепи.
 
 
 
 

 
2 Разработка электрических принципиальных схем
2.1 Электрическая принципиальная схема поля для монтажа обратноходового преобразователя
При разработке принципиальной схемы необходимо решить следующие задачи:
1) определиться, какие элементы функциональной схемы рисунка 1.1 следует сделать зафиксированными на плате, какие – съёмными;
2) определиться, для каких корпусов съемных элементов целесообразно зарезервировать установочные места на печатной плате;
3) Предусмотреть соединители для подключения источника питания, генератора импульсов, конструктивы для снятия характеристик.
4) На основание результатов решения задач 1) – 3) и функциональной схемы рисунка 1.2  разработать электрическую принципиальную схему для монтажа DC-DC преобразователя. Съемные элементы  на установочных местах должны быть заменены гнёздами.
 
2.1.1        Определение типа транзисторного ключа VT (рисунок 1.1) и характера его монтажа.
Обратноходовые преобразователи (ОХП) могут быть реализованы как на биполярных (БП), так и на МДП-транзисторах. Однако источники питания на основе ОХП со значениями выходной мощности в диапазоне, указанном в ТЗ, как правило, реализуются на МДП-транзисторах. Объяснить это можно нижеследующим:
1) при указанных в ТЗ диапазонах значений входных  и выходных  напряжений – 5…30 В и диапазоне выходной мощности  – 5…30 Вт  значения среднего тока первичной обмотки  будут принадлежать диапазону
 
 А.
 
2) при сопротивлениях открытого канала  типовых МДП-транзисторов средней мощности в диапазоне 6…100 мОм напряжение потерь  между стоком и истоком примет значения в диапазоне
 
 В.
 
3) анализ справочных параметров БП – транзисторов показывает, что уже при токе коллектора  А напряжение потерь между коллектором и эмиттером –  В.
Поэтому для указанных в ТЗ диапазонах входных и выходных напряжений и выходной мощности при конструировании ОПХ нецелесообразно применять БП-транзисторы. Это не говорит о том, что БП-транзисторы применять в импульсных преобразователях нецелесообразно вообще.  Для значительно меньших токов коллектора  А потери напряжения и рассеиваемая мощность на коллекторе значительно меньше, поэтому в устройствах с указанным соотношением для тока их можно применять, и они там применяются. Например, в зарядных устройствах с ёмкостью менее 2000 мА·ч, в двухтактных преобразователях электронных дросселей для люминесцентных ламп, в полумостовых преобразователях блоках питания PC.
Определим теперь характер монтажа МДП-транзисторов.
Рассмотрим два варианта промежуточных результатов расчётов предельных значений тока  и :
вариант 1  –  А и  В;
вариант 2 –  А и  В;
Если на плату устанавливать фиксированный транзистор, то необходимо установить транзистор с допустимым током стока  А и предельным напряжением  В. Анализ справочной документации показывает, что значения сопротивления открытого канала  в таком случае лежит в диапазоне 14… 100 мОм. Предположим, на плату будет установлен «драгоценный» транзистор, рассчитанный на наихудший случай – со значениями  А и В, и с наименьшим сопротивлением  мОм. Для варианта два на нём будет рассеиваться мощность
 
 мВт.
 
Если же МДП – транзистор – съёмный, то учащийся может подобрать более дешёвые транзисторы:
1)                    для варианта 1 с параметрами  А и  В;
2)                    для варианта 2 с параметрами  А и  В.
При этом для варианта 1 можно найти транзистор с сопротивлением открытого канала , для варианта 2 – с сопротивлением  мОм. При этом рассеиваемая мощность для варианта 1:
 
 мВт.
 
Для варианта 2:
 
 мВт.
 
В таком случае учащийся на практике убедиться:
1)                    в возможности подобрать более экономичный транзистор;
2)                    в возможности уменьшить тепловые потери и увеличить надёжность схемы.
Таким образом, принимаем решение – МДП-транзистор (транзистор VT на функциональной    схеме рисунка 1.1) будет съёмным.
2.1.2        Характер монтажа входной цепи МДП-транзистора (рисунок 2.0).
Резистор  входной цепи предназначен для ограничения тока заряда затворной ёмкости  при отпирании транзистора, резистор  – для разряда этой же ёмкости при запирании.
Анализ справочной документации показал, что для транзисторов для перечисленных выше в предыдущем пункте диапазонов токов, напряжений и мощностей рассеивания значения входной ёмкости  лежат в диапазоне 1500…6500 пФ, что соответствует соотношению . Для такого относительно небольшого соотношения можем рассчитать резисторы входной цепи для наихудшего случая.
Таким образом, резисторы  и   на плате фиксируем.
2.1.3         Характер монтажа импульсного трансформатора Тр (рисунок 1.1).
По условию ТЗ коэффициент передачи по напряжению может варьироваться в пределах
 

 
Оценим некоторые конструктивные параметры импульсного трансформатора для случая фиксированного монтажа. Ниже по тексту пояснительной записке (ПЗ) будет приведено пояснение ограничений сверху и снизу коэффициента заполнения ШИМ-сигнала
 
 и .
 
Для получения наибольшего соотношения
 

 
при максимальном коэффициенте заполнения  потребуется повышающий трансформатор с коэффициентом
 
                                 (2.1)
 
 
 
Однако с таким коэффициентом трансформации невозможно «дотянуться» до минимального коэффициента передачи
 

 
так как при минимальном коэффициенте заполнения обеспечивается отношение
 

 
Кроме того, для фиксированного монтажа трансформатора имеют место ещё следующие неудобства:
1)                    необходимость выбора сечений проводов и первичной, и вторичной обмотки, рассчитанных на максимальные токи  А;
2)                    необходимость выбора сечения сердечника, соответствующего максимальной выходной мощности  Вт.
При конструировании ОПХ со значительно меньшими требуемыми токами обмоток и выходной мощностью в трансформаторе будут иметь место значительные потоки рассеяния, соизмеримые с полезными.
Поэтому характер монтажа импульсного трансформатора Тр функциональной схемы рисунка 1.1 – съёмный, заменяемый. Монтировать к монтажному полю – через клеммы.
2.1.4    Характер монтажа выпрямительного диода Vd1 (рисунок 1.1).
Средний ток выпрямительного диода равен току нагрузки  
 
 А.
 
Обратное напряжение диода
 

 
Используя результат (2.1), определим максимальное обратное напряжение
 
 В,                              (2.2)
 
 В.                               (2.3)
 
Как видим, граничные значения токов отличаются на порядок, также отличаются на порядок граничные значения напряжений. По аналогии с рассуждениями пункта 2.1.1 можем сделать вывод о нецелесообразности установки фиксированного диода, рассчитанного на наибольший прямой средний ток А. и наибольшее обратное напряжение  В.
Таким образом, диод Vd1 будет съёмным.
2.1.5        Характер монтажа фильтрующей ёмкости  (рисунок 1.1).
Для того, чтобы обеспечить достаточно малый коэффициент пульсаций , необходима фильтрующая ёмкость , с номиналом
 
                                   (2.4)
 
Для одного только значения , для всех возможных вариантов значений токов
 
 А,
 
коэффициента заполнения
 

 
напряжений, указанных в ТЗ
 
В,
 
частоты импульсов управления, указанных в ТЗ
 
кГц,
 
значения ёмкости будут лежать в диапазоне
 

 
Граничные значения различаются более чем в 1000 раз. Поэтому конденсатор  – съёмный.
2.1.6        Характер монтажа демпфирующей и снабберной цепей.
Так как типовых вариантов реализации цепей защиты (рисунок 1.1) – по два варианта, и при этом при различных вариантах входных и выходных параметров невозможно получить (подобрать) одинаковые или близкие значения параметров элементов защитных цепей.
Поэтому элементы VDd, Rd,Cd и VDd2, VDd1 демпфирующих цепей «a» и «b» (рисунок 1.1), а также элементы  Rcn, Ccn, VDcn снабберных цепей. При этом пары элементов VDd и VDd, Rd и VDd2 могут занимать на плате одно и то же место, снабберная цепь Rcn-Ccn (схема «d» рисунка 1.1) на монтажном поле может использоваться в составе схемы «c» рисунка 1.1.
 
Результаты решений подраздела  сведены в таблицу 2.1
 
Таблица 2.1        – Типы установки (монтажа) элементов монтажного поля













Позиционное обозначение элемента функциональной схемы ОХП
Тип монтажа
VT
съёмный
VD1
съёмный
Сф1
съёмный
Rн
съёмный
Rd
съёмный
Cd
съёмный
VDd
съёмный
VDd1
съёмный
VDd2
съёмный
Ccn
съёмный
VDcn
съёмный
Rcn
съёмный
 
2.2                Определение типа корпусов съёмных элементов. Расчёт датчиков тока, напряжения и входной схемы управления
2.2.1 Задачи раздела:
1) подобрать варианты конструктивов – типов корпусов съёмных транзисторов таблицы 2.1 и размеры съёмных пассивных элементов;
2) рассчитать параметры входных резисторов обвязки ключа;
3) определить необходимость схемы согласования между источниками ШИМ-импульсов и входной схемой транзистора. В случае положительного решения разработать схему;
4) определить типы датчиков тока и рассчитать их;
5) определить типы соединителей для подключения внешнего источника питания, нагрузки, источников ШИМ-импульсов и измерительных усилителей токов и напряжений.
 
 
 
 
2.2.2 Формализация задачи для определения конструктивов управляемых и неуправляемых вентилей.
Для решения задачи 1) относительно вентиля МДП-транзистора, VT2, VD1 и VD2 необходимо выполнить следующее:
a)                     оценить при заданных в ТЗ внешних условиях диапазон предельно-допустимых параметров:
1)      напряжений управляемых  и неуправляемых  вентилей в закрытом состоянии;
2)      средних токов вентилей  и  в открытом состоянии;
3)               пиковых токов вентилей  и  в открытом состоянии;
4)               среднюю рассеиваемую мощность вентилей  и .
б)        анализируя справочную информацию, выяснить наиболее распространённые типы корпусов со штыревыми выводами, в которых выполнены диоды и транзисторы с параметрами, входящими в рассчитанные диапазоны.
 
2.2.3 Типы корпусов МДП-транзистора. Предельные напряжения вентиля VT определяются выражением:
 
                                        (2.5)
 
Максимальное значение
 
 В.                            (2.6)
 
Минимальное значение
 
 В.                                      (2.6.1)
 
Соответственно, МДП-транзисторы подбираются с увеличенным напряжением стока. Для макета получится диапазон напряжений
 
                                       (2.6.2)
 
 
 
 
 
 
 
Средний ток стока МДП-транзистора VT:
 
,                                         (2.7)
где I2 - ток нагрузки;
А, – максимальный ток источника;
D - коэффициент заполнения, ;
t , T – длительность и период управляющих импульсов;

где  – время разряда магнитной энергии трансформатора.
Определим граничные значения выражения (2.7).
 Максимум:
 
                    (2.8)
 
Минимум:
 
               (2.8.1)
 
Соответственно, диапазон средних справочных предельных токов стока:
 
                                          (2.8.2)
 
ОХП целесообразно использовать либо в прерывистом, либо в пограничном режимах. Поэтому для определения граничных значений импульсного тока  удваиваем результаты (2.8.1) и (2.8.2):
 
 А,                                 (2.9)
 
 А.                                (2.9.1)
 
 
 
 
Потребуются транзистора из следующего диапазона допустимых импульсных токов:
 
                                        (2.9.2)
 
Расчёт мощности, рассеиваемой на канале МДП-транзистора. Тепловая мощность, рассеиваемая на кристалле вентиля, определяется следующими составляющими
 
.                                                (2.10)
 
Составляющая  в (2.10) - средняя мощность, рассеиваемая в открытом состоянии
 
.                                         (2.11)
 
где – сопротивление канала МДП-транзистора в открытом состоянии;
 – ток стока в открытом состоянии.
Согласно результату (2.8) и (2.8.1)
 
 А.                               (2.11.1)
 
Анализ справочной документации показывает, что значения сопротивления открытого канала  в таком случае лежит в диапазоне 14… 100 мОм.
Подставляя указанные результаты в (2.11), получим
 
                          (2.11.2)
 
Составляющая  в выражении (2.10) - мощность, рассеиваемая на кристалле в закрытом состоянии
 
                                       (2.12)
 
 
где  - ток утечки транзисторов в закрытом состоянии,  [2];
– падение напряжения между стоком и истоком в закрытом состоянии. Согласно результатам (2.6) и (2.6.1)
 
 В.                               (2.13)
 
 
Подставляем граничные значения (2.13) и   в (2.12)
 
 мВт.                                      (2.14)
 
,  - мощности, рассеиваемые в процессах открывания и закрывания вентиля соответственно (динамическая мощность)
 
,            (2.15)
 
,           (2.16)
 
где ,  - соответственно длительность заднего и переднего фронтов импульсов напряжения при переключении вентилей;
 для МДП-транзисторов и  - для диодов;
 для транзисторов и  - для диодов.
При грамотном выборе транзисторов
 
нс.                                               (2.17)
 
В итоге, на основании (2.17), для динамических потерь мощности в  принимаем в транзисторах
 
.                                (2.18)
 
Подставляя результаты вычислений (2.11.1) и (2.15) в (2.18) получим:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
На основании полученных результатов с помощью (2.11) определяем полные потери мощности каждого вентиля.
 
  ,
 
.  .
 
 
Результаты вычислений сведены в таблицу 2.2
 
Таблица 2.2


Вентиль
Напряжение в закрытом состоянии, В
Средний ток через открытый канал, A
Импульсный ток через открытый канал, A
Рассеиваемая мощность , Вт
Транзистор VT
15…90
0,48…12
0,96…24
0,0263…7,209
 
МДП-транзистор реализован в корпусе ТО-220, так как данный курпус  предназначен для приборов малой и средней мощности (до 80 Вт выделения тепла). На принципиальной схеме для данной транзистора предусмотреноы гнезда XP7.1-XP7.3.
 
2.2.4 Типы корпусов выпрямительного диода VD1. На основании результатов вычислений (2.2) и (2.3) предельные напряжения диода:
 
 В.                                  (2.19)
 
Средний ток выпрямительного диода равен току нагрузки  
 
 А.                                      (2.20)
 
Так как ОХП используется либо в прерывистом, либо в пограничном режимах, для определения граничных значений импульсного тока  удваиваем граничные значения диапазона (2.20):
 
 А.                                    (2.21)
 
На основание (2.19) – (2.21) определены диапазоны предельных справочных значений тех же величин:
1)    Предельные допустимые диапазон напряжений
 
 В.                              (2.22)
 
2)    Предельные допустимые диапазон средних токов
 
 А.                                  (2.23)
 
3)    Предельные допустимые диапазон граничных импульсных токов
 
 А.                                 (2.24)
 
Тепловая мощность, рассеиваемая VD1, складываются из тех же составляющих выражения (2.12). Составляющая  в открытом состоянии
 
                                 (2.25)
 
где  - остаточное напряжение диода в открытом состоянии, для кремниевых , для диодов Шотки [2].
Подставив граничные значения (2.20) и  в (2.25), получим
 
-       для диодов Шотки
 
 Вт;                                     
 
-       для обычных импульсных диодов
 
 Вт.                                   
 
Пример (2.14) вычисления  для МДП-транзистора показал, что в закрытом состоянии рассеиваемая мощность на несколько порядков меньше остальных составляющих и на нагрев не влияет. Поэтолму учитывать её в полной мощности диода VD1 не будем.
Динамические составляющие ,  определим на основе выражений (2.15) и (2.16), где ,
При грамотном выборе транзисторов
 
                              (2.26)
 
В итоге
 
.                         (2.27)
 
 
Подставляя результаты вычислений (2.19), (2.21) в (2.27) получим:
 
 Вт,
 
 Вт.
 
 
На основании полученных результатов (2.25) и (2.27), с помощью (2.12) определяем диапазон полных потерь мощности выпрямительного диода:
-           для диодов Шотки
 
 Вт,
 
 Вт.
 
-       для обычных импульсных диодов
 
 Вт,
 
 Вт.
 
 
Результаты вычислений сведены в таблицу 2.3.
 
Таблица 2.3


Вентиль
Напряжение в закрытом состоянии, В
Средний прямой ток, A
Импульсный ток, A
Рассеиваемая мощность , Вт
Диод VD1
10…90
0,6…6
1,2…12
0,51…8,4
 
Анализируя справочную информацию по диодам в источниках [1] и [2] пришли к выводу, что указанные в таблице 2.3 диоды можно реализовать в корпусах DO41, DO201 и TO220.
Опытный анализ конструкции и размеров указанных корпусов показал следующее. Диаметры выводов корпусов TO220 и DO41, отличаются незначительно, расстояние между выводами – одинаковое. Выводы корпусов одинаково устойчиво фиксируются в гнёздах с диаметром отверстия 2,2 мм, подобранных для монтажного поля, поэтому для указанных корпусов на схеме монтажного поля предусматривается по 2 гнезда монтажного поля – XP19.1, XP19.2 для ТО220 и ХР12.1 и XP12.2 для DO41 – на принципиальной схеме рисунка 2.1. Диаметры выводов и расстояния между выводами корпусов диодов DO41 и DO201 отличаются значительно, поэтому для установки DO201 на монтажном поле предусматриваем ещё два две пары гнёзд – ХР12.1 и XP12.2 для DO41  – принципиальной схемы рисунка 2.1.
 

 
Рисунок 2.1  – Схема монтажного поля лабораторного стенда
 
 
2.2.5 Для оценки ёмкости фильтрующего конденсатора воспользуемся выражением из источника [1]
 
,                                       (2.28)
 
где  - требуемый коэффициент пульсаций выходного напряжения;
– частота управляющих импульсов.
Учитывая, что наиболее часто требуемые значения коэффициента пульсаций лежат в диапазоне  [1], оценим диапазон значений ёмкости:
-     наименьшее значение определим, подставив в (2.28) ,  кГц, ,   В.
 
  ;                       (2.29)
 
 
-     наибольшее значение определим, подставив в (2.28) , кГц, А,   В.
 
  .                       (2.30)
 
Согласно ТЗ выходное напряжение В, допустимые напряжения электролитических конденсаторов:
 
  .                                    (2.31)
 
Анализ конструкций корпусов выпускаемых электролитических конденсаторов показал, что конденсаторы, удовлетворяющие требованиям (2.30), (2.31) могут размещать в корпусах с параметрами, указанными в таблице  2.4
 
Таблица - 2.4



Расстояние между выводами, мм
Диаметр корпуса
5
13,38
7,5
15
 
На монтажном поле под конденсатор каждого типа-размера предусматривается по два гнезда – ХР20.1 и ХР20.2  принципиальной схемы рисунка 2.1.
 
2.2.6 Оценка размеров установочных мест элементов демпферных и снабберных цепей. Какие бы не были по расчёту ёмкости конденсаторов указанных цепей  и , значения их не превышают , а снизу они ограничены значениями паразитных емкостей МДП-транзисторов
 
 пФ.                                 (2.32)
 
Величины предельных напряжений конденсаторов, согласно результату (2.15), лежат в диапазоне
 
 В.                        (2.33)
 
Таким образом, для их реализации  понадобятся неэлектролитические конденсаторы. Анализ справочной документации показал, что для этого требуются конденсаторы с размерами между выводами 5 мм и 7,5 мм для демпферных и снабберных цепей. На схеме обозначены ХР5 и ХР16 соответственно.
 
 
Размеры резисторов защитных цепей определяются рассеиваемой на них мощностью
 
.                                    (2.34)
 
Для полученного диапазона емкостей
 
                                  (2.35)
 
диапазона напряжений (2.15) и диапазона частот, указанного в ТЗ
 
                               (2.36)
 
получим с помощью (2.34) диапазон мощностей
 
                                      (2.37)
 
Анализ справочной документации показал, что размеры между выводами резистора 22.5 мм. Для каждой защитной цепи предусмотрено по одному варианту. На схеме рисунка 2.1 присвоенно следующие позиционные обозначения XP6 и ХР17.
 
2.2.7 Типы корпусов диодов защитных цепей. Падения напряжения на диодах VDd1, VDcn и супрессоре VDd2 определены по методике расчёта ОХП и приведены в таблице 2.5.
 
Таблица 2.5




Элемент функциональной схемы
Диапазон напряжений, В
VDd1
5…30
VDd2
10…60
VDcn
15…90
 
Импульсные токи указанных вентилей того же порядка, что и ток транзистора VT
 

 
Анализируя справочную информацию по диодам в источниках [1] и [2] пришли к выводу, что указанные в таблице 2.4 диоды целесообразно реализовать в корпусах DO41, DO201. Для их установки  предусматриваем на схеме рисунка 2.1 параллельно соединённые пары гнезд ХР1, XP2, XP12 (укажешь позиционные обозначения).
2.2.8 Датчики тока
Возможные варианты реализации датчиков тока:
1)                    с помощью трансформаторов тока;
2)                    с помощью микросхем преобразователей ток-напряжение с интегрированным датчиком Холла (далее по тексту – датчик Холла);
3)                    с помощью резистивных шунтов.
По ТЗ необходимо передавать внешнему устройству информацию о мгновенных значениях тока, соответственно, должна быть передана основная энергия спектра сигнала тока. Трансформаторы же тока не позволяет передать во вторичную обмотку постоянную составляющую тока.
Рабочий диапазон частот датчиков Холла с приемлемой стоимостью ограничивается сверху значениями  кГц [3], которые не попадают в рабочий диапазон частот преобразователя, оговоренный в ТЗ.
Датчики тока, реализованные на низкоомных резистивных шунтах, хоть и является устаревшим вариантом реализации, недостатков указанных выше устройств не имеют.
Расчет номиналов шунтов выполняем из условий:
1)                    наибольшее падение напряжения на шунте
 
                                       (2.38)
 
что соответствует 1,5 % потерь напряжения относительно входного или выходного напряжения в самом наихудшем случае;
2)                    наименьшее падение напряжения
 
                                      (2.39)
 
чтобы уменьшить погрешность измерения малых напряжений на фоне помех;
3)                    потери тепловой мощности на шунтах
 
                                              (2.40)
 
Шунты для измерения тока МДП-транзистора VT.
При  А импульсный ток в два раз больше –  А. Для обеспечения условия (2.38)
 
  .
 
 
 
Примем  Ом. Условие (2.40) при этом выполняется:
 
 Вт<0,5          Вт.              (2.41)
 
Граничное значение тока, при котором условие (2.39) выполняется
 
  .                            (2.42)
 
Попробуем использовать для измерения токов в диапазоне
 
  .                                       (2.43)
 
шунт с номиналом
 
  .                             (2.44)
 
При токах (2.43) на нём падает напряжение в диапазоне
 
                              (2.45)
 
выделяется мощность
 
 мВт<0,5 Вт.                    (2.46)
 
Таким образом, для измерения тока стока в разных диапазонах – (2.43) и при
 
  .                                (2.47)
 
Принимаем решение переключать шунты перемычкой S1 (рисунок 2.1), используя соответственно  и . На принципиальной схеме им соответствуют R3 и R4.
Перемычкой S1 выбираем следующие режимы измерения:
-                       в положении «1» - без измерения токов;
-                       в положении «2» - измерение токов в диапазоне (2.43);
-                       в положении «3» - измерение токов в диапазоне (2.47).
 
Шунты для измерения тока нагрузки.
 
 
 
Так как диапазон тока нагрузки
 

 
такой же, как и для среднего тока стока, то для его измерения используем аналогичную измерительную схему с теми же параметрами. На принципиальной схеме рисунка 2.1 это резисторы-шунты R6 и R7 и перемычка S2.
 
2.2.9 Соединители для подключения измерительных усилителей, драйверов, питания и нагрузки. В качестве  соединительных элементов использованы прямоугольные PBL и PBD разъемы марки KLS1-205 (шаг 2.54 мм),а также винтовые клеммники 2-контактный, 5 мм, 3-контактный, 5 мм и 2-контактный, 3,81 мм
 
2.3                Схема блока согласования
Все внешние генераторы – настраиваемые, позволяют настраивать частоту и длительность импульсов, а также и амплитуду. Разработку схему усилителя тока будем выполнять из расчёта, что амплитуда импульсов генератора будет соизмерима с амплитудой импульсов на выходе ШИМ-контроллера
 
 В.                                   (2.48)
 
Если в транзисторном ключе рисунка 2.1.1 использовать БП-транзистор с коэффициентом передачи по току
 
                                (2.49)
 
имеет смысл попробовать использовать такую схему в качестве усилителя по току.
Транзистор VT1 нагружается на светодиод оптрона. Рабочий ток светодиода
 
 мА,                                 (2.50)
 
напряжение светодиода при свечении
 
 В.                                      (2.51)
 
 
 
Ограничивающий ток светодиода резистор определим с помощью  выражения
 
.                                          (2.52)
 

 
Рисунок 2.1.1 – Схема устройства согласования
 
Согласно технической документации на оптрон DA1 – HCPL3120, к нему можно подключать либо двуполярное питание
 
 В и  В,                   (2.53)
 
либо однополярное
 
 В и  В.                (2.54)
 
Для управления МДП-транзистором достаточно однополярных импульсов, амплитуда которых
 
                                        (2.55)
 
Поэтому выбираем однополярный вариант питания. Согласно справочной документации [1,2]  для нормального и безопасного открывания МДП-транзистора должно выполняться условие
 
                                         (2.56)
 
 
Поэтому принимаем
 
 В                     .                  (2.57)
 
 
Подставив значения (2.50), (2.51) и (2.57) в (2.52), получим
 
 кОм.                          (2.58)
 
Принимаем  кОм. В таком случае
 
 А.                           (2.59)
 
В качестве транзистора VT1 применим КТ3102В, коэффициент передачи по току которого соответствует диапазону (2.49). Предельное значение тока коллектора на порядок выше значений (2.50) тока . Предельное напряжение коллектора
 
 
Для вывода VT1 в режим насыщения необходимо выполнение условия
 
                                        (2.60)
 
Воспользуемся максимальным вариантом выражения (2.53) и минимальным значением
 
 мкА                                  (2.61)
 
Определим значение резистора R6
 
  .                           (2.62)
 
Принимаем  кОм.
 
 
 
 
 
Для ускорения возврата транзистора VT1 в закрытое состояние между базой и эмиттером необходим резистор . Значение  принято делать равным . Однако частота переключений в ТЗ указана достаточно высокая, поэтому  для ускорения запирания VT1 имеет смысл уменьшить, но так, чтобы при наименьшем импульсе отпирания  В на  в режиме холостого хода получалось напряжение не менее 1 В. То есть должно выполнять условие
 
 
 
Примем кОм.
В качестве оптрона DA1 используем HCPL3120, быстродействие которых позволяет использовать их в частотных и импульсных преобразователях с частотами, указанными в ТЗ. Существуют и другие микросхемы оптронов с аналогичным быстродействием, но остальные их параметры также примерно аналогичны. Поэтому выполнять их обзор не имеет смысла, ставим то, что имеем под рукой.
Схему согласования рисунка 2.1.1 устанавливаем на плате монтажного поля, позиционные обозначения те же (рисунок 2.1).
 
2.4                Электрическая принципиальная схема блока питания
Для стенда необходимы следующие источники напряжений питания малой мощности:
1)                    12 В для охлаждения – номинал указан в ТЗ;
2)                    15 В для устройства согласования – согласно результату (2.57) предыдущего раздела
3)                    15 В для питания микросхемы ШИМ – контроллера – по документации на TL494.
Возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической) развязки между входом и выходом. Для оптронов не существуют каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижение сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости.
Источник питания можно выполнить либо импульсным, либо по классической схеме. В разделе 2.4.1 и 2.4.2 рассмотрены достоинства и недостатки каждого варианта реализации источника питания.
2.4.1 Достоинства и недостатки импульсных блоков питания
2.4.1.1  Достоинства импульсных блоков питания (БП)
Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами соответствующие им импульсные стабилизаторы обладают следующими основными достоинствами:
1)                    меньшим весом за счёт того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных тяжёлых низкочастотных силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме. Кроме того, благодаря повышенной частоте преобразования, значительно уменьшаются габариты фильтра выходного напряжения (можно использовать конденсаторы значительно меньшей ёмкости, чем для выпрямителей, работающих на промышленной частоте). Сам выпрямитель может быть выполнен по простейшей однополупериодной схеме, без риска увеличения пульсаций выходного напряжения;
2)                    значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98 %) за счет того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны спереходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (то есть либо включен, либо выключен) потери энергии минимальны;
3)                    меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;
4)                    сравнимой с линейными стабилизаторами надежностью.
Блоки питания вычислительной техники, оргтехники, бытовой электроники почти исключительно импульсные. Линейные БП малой мощности сохранились в основном только в следующих областях:
а) для питания слаботочных плат управления высококачественной бытовой техники вроде стиральных машин, микроволновых печей и отопительных котлов и колонок;
б) для маломощных управляющих устройств высокой и сверхвысокой надёжности, рассчитанной на многолетнюю непрерывную эксплуатацию при отсутствии обслуживания или затруднённом обслуживании, как, например, цифровые вольтметры в электрощитах, или автоматизация производственных процессов.
5)                    широким диапазоном питающего напряжения и частоты, недостижимым для сравнимого по цене линейного. На практике это означает возможность использования одного и того же импульсного БП для носимой цифровой электроники в разных странах мира — Россия/США/Англия, сильно отличных по напряжению и частоте в стандартных розетках.
6)                    наличием в большинстве современных БП встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания и от отсутствия нагрузки на выходе.
2.4.1.2 Недостатки импульсных БП:
1) работа значительной, высоковольтной части схемы без гальванической развязки от сети, что несколько затрудняет ремонт и отладку таких БП.
2) все без исключения импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех, поскольку это связано с самим принципом их работы. Поэтому требуется предпринимать дополнительные меры помехоподавления, зачастую не позволяющие устранить помехи полностью. В связи с этим часто недопустимо применение импульсных БП для некоторых видов аппаратуры.
3) некоторые виды импульсных БП имеют ограничение на минимальную мощность нагрузки. Если мощность нагрузки ниже минимальной, некоторые БП либо не запускается, либо параметры выходных напряжений (величина, стабильность) могут не укладываться в допустимые отклонения.
2.4.2 Трансформаторный блок питания
Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однополярное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.
2.4.2.1 Преимущества трансформаторных БП.
- простота конструкции;
- надёжность;
- доступность элементной базы;
- значительно меньший уровень излучаемых радиопомех.
2.4.2.2 Недостатки трансформаторных БП.
- больший вес и габариты, пропорциональные мощности;
- для обеспечения стабильного напряжения требуется стабилизатор, вносящий дополнительные потери;
- слабая стойкость оборудования с таким БП к броскам напряжения и пропаданию нейтрали, ведущего к перекосу фаз.
Таким образом, выбираем импульсный вариант реализации источников.
2.4.3 Разработка схем источников питания
Потребляемые токи нагрузок источников невелики. Системой охлаждения потребляется 0.15 А – согласно ТЗ. Анализом технической документации на оптрон HCPL3120 и микросхемы ШИМ-контроллеров  установлено – их потребляемые токи – 0.04 А. Поэтому разработать источники можем на основе микросхемы TOP210 семейства TOP-Switch, в которой совмещены схема управления, усилитель ошибки, генератор управляющих импульсов и выходной транзисторный ключ. Параметры микросхемы – в таблице 2.6
 
 
 
Таблица 2.6 – Параметры микросхемы однотактного импульсного источника питания





Наименование параметра
Значение
Выходная мощность, Вт
8
Рабочие напряжения между стоком и  истоком, В
700
Рабочие напряжение по входу управления, В
5…5.65
Частота внешнего генератора, кГц
100
 
Так как потребляемая мощность системы охлаждения значительно больше потребляемой мощности оптрона и ШИМ-контроллера в сумме, принято решение разработать два отдельных блока питания на указанной выше микросхеме TOP210 – один блок (схема рисунка 2.2) – источник питания только системы охлаждения, другой блок (схема рисунка 2.3) – источник двух оставшихся напряжений питания. Расчёт трансформаторов и остальных элементов выполнялся по методике [5] фирмы производителя микросхем семейства TopSwitch.
 

 
Рисунок 2.2  – Схема источника питания системы охлаждения – 12 В
 

 
Рисунок 2.3  – Схема источника питаний ШИМ-контроллера и устройства согласования
2.5 Электрическая принципиальная схема регулятора
В первую очередь выберем микросхему ШИМ-контроллера. В импульсной преобразовательной технике используется очень широкая номенклатура ШИМ-контроллеров, одноканальных и двухканальных. Сделать обзор абсолютно всех не представляется целесообразным – на это можно недели убить. Встречаются микросхемы различных фирм с разной маркировкой (определяемой фирмой), но с одинаковыми параметрами и внутренней схемой.
Сравним целесообразность применения двух наиболее простых и широко применяемых микросхем – TL494 и UC384x.
UC384x можно считать более предпочтительной – она одноканальная, тогда как TL494 – универсальная. Но для TL494 проще реализуется система обратной связи. Кроме того, в лаборатории, для которой предназначен стенд, будут использоваться и двухтактные инверторы. Имеет смысл разработать схему регулятора, которая легко могла бы переделываться для управления двухтактными инверторами. Для микросхемы TL494 для этого достаточно изменять логический уровень на 13-м выводе – входе выбора режима, и объединять – разъединять выходные выводы. Поэтому останавливаемся на микросхеме TL494.
Микросхема TL494 – ШИМ-контроллер импульсного источника питания, включает в себя все необходимые для этого блоки. Встроенный генератор пилообразных синхроимпульсов требует для задания частоты подключения двух внешних компонентов R и С.
Модуляция ширины выходных импульсов достигается сравнением положительного пилообразного напряжения, получаемого на конденсаторе С, с двумя управляющими сигналами (временная диаграмма рисунка 2.3).
Вход компаратора регулировки мертвого времени имеет смещение 120 мВ, что ограничивает минимальное значение паузы на выходе первыми 4 % длительности цикла пилообразно напряжения. В результате максимальная длительность рабочего цикла составляет 96 % в том случае, если вывод 13 заземлен, и 48 % в том случае, если на вывод 13 подано опорное напряжение.
Увеличить длительность мертвого времени на выходе, можно подавая на вход регулировки мертвого времени (вывод 4) постоянное напряжение в диапазоне 0..3,3 В. ШИМ-компаратор регулирует ширину выходных импульсов от максимального значения, определяемого входом регулировки мертвого времени, до нуля, когда напряжение обратной связи изменяется от 0,5 до 3,5 В. Оба усилителя ошибки имеют входной диапазон синфазного сигнала от минус 0,3 до (Vcc-2,0) В и могут использоваться для считывания значений напряжения или тока с выхода источника питания. Выходы усилителей ошибки имеют активный высокий уровень напряжения и объединены функцией диодного ИЛИ на не инвертирующем входе ШИМ-компаратора. В такой конфигурации усилитель, требующий минимального времени для включения выхода, является доминирующим в петле управления. Во время разряда конденсатора С на выходе компаратора регулировки мертвого времени генерируется положительный импульс, который тактирует триггер и блокирует выходные транзисторы Q1 и Q2. Если на вход выбора режима работы подается опорное напряжение (вывод 13), триггер непосредственно управляет двумя выходными транзисторами в противофазе (двухтактный режим), а выходная частота равна половине частоты генератора. Выходной формирователь может также работать в однотактном режиме, когда оба транзистора открываются и закрываются одновременно, и когда требуется максимальный рабочий цикл не превышающий 50 %. Это желательно, когда трансформатор имеет звенящую обмотку с ограничительным диодом, используемым для подавления переходных процессов. Если в однотактном режиме требуются большие токи, выходные транзисторы могут работать параллельно. Для этого требуется замкнуть на землю вход выбора режима работы ОТС, что блокирует выходной сигнал от триггера. Выходная частота в этом случае будет равна частоте генератора.
Микросхема TL494 имеет встроенный источник опорного напряжения на 5,0 В, способный обеспечить вытекающий ток до 10 мА для смещения внешних компонентов схемы. Опорное напряжение имеет погрешность 5 % в диапазоне рабочих температур от 0 до 70 °С.
 

 
Рисунок 2.3 – Временные диаграммы TL494
 
В схеме ШИМ-регулятора (рисунок 2.4) использовано типовое подключение микросхемы TL494 [6]. Канал обратной связи гальванически развязан с входом усилителя ошибки ШИМ-контроллера и выполнен по типовой схеме [5] с применением источника опорного напряжения  на микросхеме регулируемого стабилитрона TL431 (элемент DA1) и транзисторной оптопаре PC817 (элемент DA2). Резисторы R4 и R2 обвязки  регулируемого стабилитрона – съёмные. Это позволит учащемуся с помощью R4 настраивать выходное напряжение конструируемого на монтажном поле источника согласно выражению
 
                                     (2.63)
 

 
Рисунок 2.4  – Функциональная схема регулятора
 
А с помощью R2 – корректировать анодный ток покоя  стабилитрона DA1 таким образом, чтобы при разных вариантах значений U2 выполнялось условие
 
    .                                     (2.64)
 
Ограничивающий ток светодиода оптопары – также съёмный. Это должно позволить корректировать ток светодиода   таким образом, чтобы при разных вариантах значений U2 выполнялось условие
 
                                    (2.65)
 

 
3 Конструкторское проектирование
 
 
Для получения печатной платы необходимо принципиальную схему преобразовать в плату печатного монтажа. Создание печатной платы, как и принципиальной схемы, осуществляем в программе Altium Designer 14.2. Алгоритм создание аналогичен для всех плат. Рассмотрено создание плат для источника питания, макетной платы лабораторного стенда и регулятора.
Ниже приведём алгоритм разработки:
1)                    на этапе рисования схем создали элементы с их посадочными местами. Если к компоненту не привязано посадочное место, то на вкладке «Model» привязываем к нему соответствующую модель типа «Footprint», выполнив последовательность команд «Add» – «Footprint» – выбор нужной библиотеки – выбрать требуемую модель посадочного места;
2)                    ввели схему в документ типа «Schematic»;
3)                    компилируем схему командой Project – Compile Document;
4)                    создаётся пустой документ типа «PCB» с заготовкой печатной платы;
5)                    команда Design – Update PCB Document позволяет перенести в «PCB» документ информацию компонентах схемы и информацию о соединениях, а также вариант первоначального расположения компонентов;
6)                    на нижней стороне печатного монтажа (слой Bottom Layer) разместить smd – компоненты, а остальные элементы – на нижней стороне (слой Top Layer);
7)                    с помощью инструмента Interactively Route Connections выполняем трассировку. В случае необходимости используем переходные отверстия Place Via. Так как в условиях лабораторий кафедры ПЭИИТ невозможно выполнять металлизацию отверстий, реализовать переходные отверстия можем только пистонами с диаметрами 1,5 мм и 2,5 мм. Соответственно, параметры переходных отверстий – 2 мм и 3 мм, а размеры контактных площадок 3,5 мм каждая).
 

 
4 Рекомендации к расчёту
 
 
Однотактный обратноходовой преобразователь – вторичный источник напряжения питания величины U2, которое в нём генерируется преобразованием энергии постоянного напряжения величиной U1.  Источник рассчитывается на нагрузку, потребляющую максимальный ток I2.
При разработке и отладке ОХП студенту придётся решить  следующие задачи:
1) выбрать частоту управления преобразователем f и длительность импульсов τ;
2) рассчитать в соответствие с указанными величинами U2, U1 и I2 конструкции импульсного трансформатора и собрать его;
3) рассчитать предельные параметры МДП-транзистора VT и выпрямительного диода VD1 и выбор их марок;
4) рассчитать фильтрующую ёмкость Cф1;
5) собрать ОХП на плате монтажного поля;
6) с помощью внешнего генератора, источника питания и осциллографа уменьшить выбросы напряжения между стоком и истоком транзистора, конструируя защитные цепи;
7) снять зависимость выходного напряжения U2 от длительности τ;
8) рассчитав и сконструировав ШИМ-регулятор, проверить отклонение выходного напряжения U2 от заданного, в случае необходимости - отладить ШИМ-регулятор.
 
4.1 Принцип работы обратноходового преобразователя
Прежде чем приступить к разработке методических рекомендаций к лабораторной работе, рассмотрим  основные переходные (рисунок 4.1) процессы, протекающие в обратноходовом преобразователе рисунка 1.1.
 

 
Рисунок 4.1 – Переходные процессы в однотактном обратноходовом преобразователе
 
Интервал t0-t1. К моменту t0 сердечник трансформатора полностью размагничен, и ток в первичной обмотке  трансформатора Тр отсутствует. В момент, когда на затвор транзистора VT схемы рисунка 1.1 подаётся управляющий сигнал высокого уровня, транзистор VT открывается и ток в первичной обмотке  начинает нарастать. Выпрямительный диод VD1 полностью закрыт к этому времени.
Ток первичной обмотки трансформатора будет нарастать до тех пор, пока не поступит сигнал выключения силового транзистора. Если мощность в нагрузке обозначить как POUT, то за время прямого хода – время открытого состояния транзистора – в трансформаторе должно запастись количество энергии
 

 
где  - коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора;
f – частота преобразования.
Напряжение вторичной обмотки  на интервале t0-t1 по отношению к выпрямительному диоду VD1 является обратным. Ток нагрузки I2 поддерживается исключительно выходным конденсатором. К выходному диоду VD1 схемы рисунка 1.1 приложено напряжение вторичной обмотки и выходное напряжение . Если первичная обмотка содержит N1 витков, а вторичная – N2, то коэффициент трансформации
 

 
Обратное напряжение на диоде VD1 определиться выражением:
 

 
где VD – прямое падение напряжения на выходном диоде.
Интервал t1-t2. Силовой транзистор выключается, ток в нем резко спадает ток от значения  до нуля, а напряжение начинает быстро расти и достигает . Если бы трансформатор был бы идеальным, то напряжение между стоком и истоком  определялось бы выражением
 

 
Но наличие паразитных элементов схемы, в основном индуктивности рассеяния трансформатора и паразитной ёмкости  МДП-транзистора VT, приводит к существенному выбросу напряжения  на разомкнувшемся силовом ключе в момент t1
 

 
где  – величина напряжения на индуктивности рассеяния.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Интервал t2 – t3. К моменту t2 ток во вторичной обмотке трансформатора полностью прекратился, и выпрямительный диод VD1 закрылся. Поэтому трансформатор оказывается «подвешенным в воздухе», и на его первичной обмотке возникают относительно низкочастотные колебания, вызванные колебательным контуром из индуктивности намагничивания трансформатора и эквивалентной емкостью, образованной межвитковой, межобмоточной емкостью и выходной емкостью силового ключа:
 

 
4.2 Расчёт импульсного трансформатора
Цель расчёта:
1)                    определение размеров и выбор ферритового сердечника марки 2000 НМ;
2)                    определение числа витков обмоток;
3)                    определение диаметров проводов обмоток.
Исходные данные для расчёта:
1)                    напряжение первичной обмотки
2)                    напряжение  вторичной обмотки
3)                    ток вторичной обмотки I2;
4)                    ток первичной обмотки
5)                    типовая мощность ;
6)                    частота .
Последовательность расчета импульсного трансформатора.
1)                    Для прерывистого режима задаёмся:
1.1)             относительным временем разряда магнитной энергии
1.2)             коэффициентом трансформации ;
2)                    Определяется коэффициент заполнения:
 
;
 
 
 
 
3)                    Вычисляется площадь сечение ферритового сердечника (с учётом КПД – η=0,7)
;
 
4)                    По справочнику сердечников выбирается типовой Ш-образный или тороидальный сердечник с величиной сечения  большим, чем вычисленное значение;
5)                    Вычисляется эффективная величина зазора
 
;
 
6)                    Вычисляется число витков в первичной и во вторичной обмотках:
 
,
 
,
 
где  Тл.;
7)                    Определяется индуктивность первичной и вторичной обмоток
 
,
 
;
 
8)                    Определяется длительность импульса:
 
.
 
4.3 Рекомендации по расчёту и выбору основных элементов (режим прерывистый)
4.3.1 Выбор МДП-транзистора
Предельное напряжение определяется выражением
 
                                       (4.1)
Средний ток МДП-транзистора
 
                                           (4.2)
 
Импульсный ток МДП-транзистора
 
                                           (4.3)
 
По полученным результатам (4.1)…(4.3) подбирается МДП-транзистор, у которого соответствующие величины превышают вычисленные в 1,3…2 раза.
4.3.2 Выбор выпрямительного диода VD1
Предельное обратное напряжение выпрямительного диода VD1 определяется выражением
 
                                     (4.4)
 
Средний ток диода
 
                                            (4.5)
 
Импульсный ток диода
 
                                          (4.6)
 
По полученным результатам (4.4)…(4.6) подбирается МДП-транзистор, у которого соответствующие величины превышают вычисленные в 1,3…2 раза.
4.3.3 Расчёт фильтрующего конденсатора Cф1 выполняется с помощью выражения
 
                                               (4.7)
 
где q – коэффициент пульсаций, который либо задаётся преподавателем, либо задаётся самостоятельно из диапазона значений q=0,01…0,05.
 
 
4.4 Рекомендации к расчёту элементов защитных цепей
Напряжение на закрытом VT определяется выражением
 
                                      (4.8)
 
Напряжение на закрытом транзисторе VT, в схеме с размагничивающей обмоткой, определяется коэффициентом трансформации TV по цепи размагничивающей обмотки
                                               (4.9)
 
Энергия, накопленная в индуктивности рассеивания
 
                                         (4.10)
 
Амплитуда колебаний
 
                                            (4.11)
 
где  - период собственных колебаний резонансного контура (принято );
 - коэффициент затухания колебательного контура;
 - активное последовательное сопротивление колебательного контура.
На рисунке 4.2 представлена простейшая снабберная схема защиты.
 

 
Рисунок 4.2 – Простейшая схема защиты
 
Для расчета параметров этой RC-цепи необходимо предварительно определить частоту колебаний резонансного контура  обусловленных паразитными параметрами цепи
 
.                                            (4.12)
 
Значение емкости конденсатора  - цепи
 
.                                             (4.13)
 
Значение сопротивления резистора
 
.                                      (4.14)
Мощность, рассеиваемая этим резистором
 
                                         (4.15)
 
где  - частота преобразования.
 
 
Следующая демпферная цепь ограничения выброса показана на рисунке 4.3, соответствует варианту (б) рисунка 1.1.
 

 
Рисунок 4.3 – Простейшая схема защиты со стабилитроном
 
Мощность, рассеиваемая стабилитроном
 
                                               (4.16)
 
Стабилитрон может подключаться также параллельно первичной обмотки силового трансформатора ( так называемая ZD – цепь). В этом случае напряжение стабилизации стабилитрона должна удовлетворять условию
 
                                  (4.18)
 
Для варианта (а) демпферной цепи рисунка 1.1 ёмкость конденсатора
 
                                       (4.19)
 
где  - изменение напряжения на конденсаторе.
Среднее напряжение на конденсаторе равно
 
                                        (4.20)
 
 
Сопротивление разрядного резистора
 
.                                             (4.21)
 
Среднее напряжение на конденсаторе в этом случае
 
                                        (4.22)
 
Емкость конденсатора
 
                                               (4.23)
 
где  - ток намагничивания первичной обмотки трансформатора
 
Напряжение на конденсаторе при непрерывном токе намагничивания первичной обмотки
 
                                       (4.24)
 
Сопротивление разрядного резистора
 
.                                   (4.25)
 
где  - максимальное входное напряжение;
 - минимальный коэффициент заполнения.
Емкость конденсатора определяется с достаточной для инженерных расчетов точностью без учета пульсаций напряжения на нем по формуле
 
                                          (4.26)
 
 
 
 
Напряжения на основном ключе при выполнении этих условий составляет
 
                                             (4.27)
 
Анализируя последнее выражение, можно увидеть, что при входном напряжении до 370 В можно применить транзистор с допустимым максимальным напряжением сток-исток 600 В, тогда как при других способах ограничения необходимо применять транзистор с более высоки допустимым напряжением сток-исток.
 

 
4.5 Рекомендации к синтезу цепи обратной связи замкнутой системы
На рисунке 4.4 приведена схема цепи обратной связи замкнутой системы.
 

 
Рисунок 4.4 – Цепь обратной связи замкнутой системы
 
                                            (4.28)
 
 мА                             (4.29)
 
 мА                              (4.30)
 
4.6 Рекомендации по расчету фильтрующих конденсаторов
Выходной высокочастотный фильтр проектируется исходя из максимально допустимой величины пульсаций выходного напряжения U2 и тока нагрузки
 
                                               (4.31)
 
где I2- ток нагрузки;
U2- выходное напряжение источника;
- коэффициент пульсации напряжения на конденсаторе;
D – коэффициент заполнения;
f – частота управляющих импульсов.
5 Безопасность труда
5.1 Анализ и обеспечение безопасных условий труда
5.1.1 Освещение
Каждая аудитория должна иметь искусственное освещение, удовлетворяющих ряду основных требований:
1)                    освещенность рабочих поверхностей в соответствии с установленными требованиями;
2)                    отсутствие на рабочей поверхности резких теней;
3)                    отсутствие в поле зрения прямой и отраженной блескости;
4)                    необходимый спектральный состав света;
5)                    обеспечение аварийного освещении (при необходимости).
Искусственное освещение бывает двух видов: общее и комбинированное.
Комбинированное освещение рекомендуется там, где нужна высокая точность выполняемых работ, где возникают специфические требования к освещению, где оборудование создает глубокие, резкие тени или рабочие поверхности расположены вертикально (штампы, гильотинные ножницы), а также там, где на различных рабочих местах производственного помещения требуется различная (резко отличающаяся) величина освещенности.
Система общего освещения может быть рекомендована в помещениях, где по всей площади выполняются однотипные работы, а также там, где создание местного освещения затруднительно.
Для обеспечения наиболее благоприятного соотношения яркости в поле зрения при комбинированном освещении светильники общего освещения должны создавать на рабочей поверхности не менее  нормируемой освещенности.
Электрическое освещение производственных помещений может быть рассчитано по одному из трех методов: по величине удельной мощности освещения, по методу коэффициента использования и по точечному методу; применение каждого обусловливается видом рассчитываемого освещения и требуемой точностью расчета.
С началом нового учебного года проводиться инструктаж студентов по технике безопасности.
При выполнения лабораторного эксперимента студент должен быть очень внимательным, выполнять требовании преподавателя, соблюдать технику безопасности.
 

 
5.1.2 Эргономика рабочего места.
Оборудование и методы работы повышают эффективность и производительность, уменьшают вероятность несчастных случаев и ошибок, влияют на самочувствие работника и оказывают значительное влияние на результаты труда.
Стены помещения окрашены в голубой цвет, рабочие места оборудованы креслами с регулировками по высоте, применены плоские мониторы с регулируемыми углами наклона и высотой. Между рабочими местами установлен  защитный экран высотой 1,5 м. На окнах установлены жалюзи, в соседнем помещении оборудована комната отдыха и приготовления пищи. Нормирование требований эргономики выполняется по ГОСТ Р ИСО 9241-3-2003 «Эргономические требования при выполнении офисных работ с использованием видеодисплейных терминалов.»
5.1.3 Микроклимат и вентиляция
Параметры микроклимата и вентиляция в помещении отдела обеспечиваются принудительной системой вентиляции и кондиционером фирмы «Наier» с максимальной холодопроизводительностью 35 кВт, он же поддерживает оптимальную влажность в помещении.
Нормирование выполняется в соответствии с документами «Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса» Критерии и классификация условий труда  Р 2.2.2006-05  и "СанПиН 2.2.4.548-96" "Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений".
В помещении круглый год поддерживаются следующие метеорологические параметры:
1)                    температура воздуха 21-25 градусов Цельсия;
2)                    относительную влажность 40-60 %.
При скорости движения воздуха не более 0,1-0,2 м/с, также в вентиляционной системе кондиционера установлен фильтр для очистки воздуха от пыли.
Важным фактором нормального высокопроизводительного труда являются метеорологические условия в производственном помещении.
Метеорологические условия в производственных условиях определяется следующими параметрами: температурой воздуха, барометрическим давлением, относительной влажностью и скоростью движения воздуха на рабочем месте.
При измерениях температуры, относительной влажности воздуха в помещениях, где установлена электронно-измерительная техника, получились такие результаты. Температура в теплый период года колеблется от 21 до 25 °C, в холодный период года от 21 до 23 °C. Относительная влажность колеблется от 41 % до 55 % в холодный период и от 42 % до 62 % в теплый период года. Эти параметры температуры и влажности удовлетворяют нормам СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 и находятся в допустимых пределах. Установленные нормы температуры от 19-23 °С и относительная влажность от 55 % до 62 %.
Поверхность пола в помещении ровная, без выбоин, нескользкая, удобная для очистки и влажной уборки, обладает антистатическими свойствами.
Разница (называемая отношением яркости) между рабочим местом и примыкающей площадью не превышает соотношение 3:1. Коэффициенты отношения поверхностей следующие:
1)                    для потолка 80 – 95 %;
2)                    для стен 50 –60 %;
3)                    для мебели и машин 25 – 45 %;
4)                    для пола 25 –45 %.
В здании предусмотрены технические средства (лестничные клетки, противопожарные стены, наружные пожарные лестницы), которые имеют устойчивость при пожаре и огнестойкость конструкций не менее времени, необходимого для спасения людей при пожаре и расчетного времени тушения пожара. На предприятии регулярно проводится инструктаж по безопасности с сотрудниками. В зданиях организации предусмотрена система сигнализации и оповещения о пожаре персонала, на каждом этаже имеется схема эвакуации, каждый сотрудник обучен правилам эвакуации из здания. В здание предусмотрены эвакуационные выходы и определена безопасная зона. В каждом помещении наглядно представлена информация о необходимых действиях при возникновении пожара. Предусмотрены средства пожаротушения.
5.1.4 Уровень шума
1)В производственных помещениях при выполнении основных или вспомогательных работ с использованием ПЭВМ уровни шума на рабочих местах не должны превышать предельно допустимых значений,  установленных для данных видов работ в соответствии с действующими санитарно-эпидемиологическими нормативами.
В помещениях всех образовательных и культурно-развлекательных учреждений для детей и подростков, где расположены ПЭВМ, уровни шума не должны превышать допустимых значений, установленных  для  жилых  и общественных зданий (таблица 5.1).
При выполнении работ с использованием ПЭВМ в производственных помещениях уровень вибрации не должен превышать допустимых значений вибрации для рабочих мест (категория 3, тип "в") в соответствии с действующими санитарно-эпидемиологическими нормативами.
В помещениях всех типов образовательных и культурно-развлекательных учреждений, в которых эксплуатируются ПЭВМ, уровень вибрации не должен превышать допустимых значений для жилых и общественных зданий в соответствии с действующими санитарно-эпидемиологическими нормативами.
Шумящее оборудование (печатающие устройства, серверы и т.п.), уровни шума которого превышают нормативные, должно размещаться вне помещений с ПЭВМ.
 
 
 
 
Таблица 5.1 - Уровень звукового давления в зависимости от помещений.



 
Наименование
помещений
Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами, Гц
Уровни звука и эквивалентные уровни звука
663
1125
2250
5500
11000
22000
44000
88000
дБА
Классные помещения, учебные кабинеты, учительские комнаты, аудитории школ и других учебных заведений, конференц-залы, читальные залы, залы совещаний, днем
63
52
45
39
35
32
30
28
40
 
 

5.2 Расчет искусственного освещения по методу коэффициента использования
Таблица 5.2 - Исходные данные для расчета







Освещенность Е, лк
300
Размеры помещения a×b , м
16×8
Расчетная высота подвесного светильника hp , м
4
Тип светильника
РСП05/Г03
Тип лампы
Газоразрядные ДРЛ
Коэффициент запаса k
1,5
Коэффициент неравномерности освещения z
1,2
 
Решение
1) определяем максимальное расстояние между светильниками по выбранному типу светильника и рекомендуемым соотношениям расстояний между светильниками и высотой подвеса
 
                                             (5.1)
 
 
 м.
 
где λ = 0,8 для светильников с лампами ДРЛ [приложение Г, таблица. 1].
2) определяем расстояние от стены до первого ряда светильников при отсутствии рабочих мест
 
                                      (5.2)
 
 м.
 
 
3) определяем общее количество рядов по ширине
 
                                    (5.3)
 
 ряда.
 
Принимаем количество рядов по ширине .
 
4) определяем общее количество рядов по длине
 
                                    (5.4)
 

 
Принимаем количество рядов по длине .
5) определяем общее количество светильников, которое необходимо разместить в помещении
 
                                                         (5.5)
 
 шт.
 
5) определяем показатель помещения
 
                                             (5.6)
 
.
 
6) определяем расчетный световой поток одной лампы
 
,                                              (5.7)
 
 лм.
 
где x - число источников света в светильнике;
 - коэффициент использования светопотока [приложение Г, таблица 2].
Данный световой поток может обеспечить лампа ДРЛ-125 с Ф = 5600 лм [приложение Г, табл. 3].
 
 
 
 
7)    определяем отклонение
 
                                     (5.8)
 
   
 
8) Определяем расчетное число светильников
 
                                           (5.9)
 
.
 
Принимают число светильников n = 20.
Располагаем их в соотношении 4Х5.
 
9) Определяем мощность системы
 
                                            (5.10)
 
Вт.
 
Схемы размещения светильников приведены на рисунках 5.1 и 5.2.
 

 
Рисунок 5.1 – Схема расположения светильников

 
Рисунок 2 – Схема расположения светильника над уровнем пола
 
5.3 Возможные чрезвычайные ситуации
Наиболее вероятные чрезвычайные ситуации в учебной аудитории связано с пожаром. Учебный корпус находиться в непосредственной близости от ж/д дороги, бензозаправочным комплексом, которые представляют опасность. В данном разделе дипломного проектирования рассмотрено и произведена оценка химической обстановки при заражении воздуха хлором.
Основные параметры:
1)                    кол-во перевозимого хлора – 10 т;
2)                    скорость ветра – 1 м/с;
3)                    угловой размер зоны поражения – 180°;
4)                    глубина (Г) распространения зараженного воздуха на открытой местности при соответствующей массе АХОВ и скорости ветра при конвекции (ясный день) – 1.4 км;
5)                    время испарения хлора tис – 1.3 часа;
6)                    средняя скорость переноса облака, зараженного веществом (исходя из скорости ветра) – 1.5 м/с.
Ширина (Ш) зоны химического заражения
 
                                        (5.11)
 
 км.
 
 
 
 
 
 
Площадь (S) зоны химического заражения (при скорости ветра 0,6-1 м/с зона заражения имеет форму полуокружности)
 
                                             (5.12)
 
 км2
 
Время подхода облака (t) к корпусам зданий
 
                                                         (5.13)
 
 мин.
 
Обеспеченность людей противогазами – 20 %, отсюда возможные потери людей:
1) на открытой местности – 75 %;
2) в зданиях – 40 %;
3) из них легкой степени поражения – 25 %;
4) средней и тяжелой степени – 40 %;
5) со смертельным исходом – 35 %.
На территории корпусов находится примерно 700 человек, из них 100 могут находиться на открытой местности, отсюда возможные потери
 
 человек.

 
6 Экономический расчёт проекта
В данном разделе производится экономический расчет разработки и изготовление лабораторного стенда, импульсного блока питания и регулятора. Устройство предназначено для использования в лабораторных работах. Производится расчёт себестоимости отладочного устройства и расчёт годовых затрат на эксплуатацию.
 
6.1 Расчет затрат на стадии создания нового устройства
Создание устройства связано с проведением опытно-конструкторских работ, стоимость которых определяется следующим образом
 
                                                                      (6.1)
 
где – стоимость проведения эскизно-технического проектирования и разработки конструкторской документации, руб.;
  – стоимость разработки программного обеспечения, руб.;
– стоимость изготовления опытного образца с учетом отладки, руб.
 
 руб.
 
Стоимость проведения эскизно-технического проектирования и разработки конструкторской документации включает затраты на оплату труда разработчиков, накладные расходы и контрагентские расходы.
Затраты на оплату труда разработчиков включают основную и дополнительную заработную плату, а также отчисления на социальные нужды, которые рассчитываются по формуле
 
                                         (6.2)
 
где t – трудоемкость проведения эскизно-технического проектирования и разработки конструкторской документации, часов;
 – оклад инженера-разработчика за месяц, (25000 руб./мес.);
 – фонд рабочего времени работника за месяц, ч./мес.;
– процент премии, % (30%);
 – районный коэффициент, % (15%).
 
Фонд рабочего времени работника определяется по формуле
 
                                                         (6.3)
 
где – количество рабочих дней в месяце (22 дня)
– продолжительность рабочего дня (5 часов);
 
 ч./мес.


тогда по формуле (2)
 
 руб.
 
Дополнительная заработная плата разработчика определяется по формуле
 
                                                  (6.4)
 
где – норматив дополнительной заработной платы, % (10%);
 
 руб.
 
Отчисления на социальные нужды рассчитываются следующим образом
 
                                          (6.5)
 
где  – норматив отчислений на социальные нужды, % (30,2).
 
 руб.
 
Таким образом затраты на заработную плату составят
 
                                            (6.6)
 
 руб.
 
 
 
В результате стоимость проведения эскизно-технического проектирования и разработки конструкторской документации составит
 
                                        (6.7)
 
 руб.
 
Стоимость изготовления опытного образца включает затраты на материалы, затраты на покупные комплектующие изделия, затраты на основную и дополнительную зарплату рабочих, отчисления на социальные нужды, затраты на электроэнергию на технологические цели, стоимость возмещения износа специального оборудования.
Стоимость материалов вычисляется по формуле
 
                                              (6.8)
 
где n – количество наименований материалов;
–норма расхода i-того материала на единицу продукции;
–цена за единицу i-того материала, руб./кг;
–процент транспортно-заготовительных расходов (7%)
 
Результаты расчета приведены в таблице 1
 
Таблица 6.1 – Стоимость основных материалов








Наименование
материала
Единица
измерения
Количество
Цена,
р.
Общая
стоимость, р.
Фотобумага
листа
2
15
30
Тонер для лазерного принтера
г
3
7
21
Текстолит листовой
см2
400
0,1
40
Активированная канифоль
шт.
1
65
65
Припой
кг
0,01
2500
25
Транспортно-заготовительные расходы
13,56
Итого
193,67
 
Стоимость покупных изделий вычисляется по формуле
 
                             (6.9)
 
где m– количество наименований материалов;
–норма расхода i-того материала на единицу продукции;
–цена за единицу i-того материала, руб./кг;
 
Результаты расчета приведены в таблице 6.2
 
Таблица 6.2 – Покупные комплектующие изделия



Количество, шт.
Цена, р.
Общая
стоимость, р.
Клемник винтовой 2х3,81мм
9
20
180
Клемник винтовой 2х5 мм
3
4
12
Клемник винтовой 3х5 мм
1
12
12
Разъем питания 3 контакта, 3.81 мм
4
12
48
Установочные гнезда
34
2
64
Резистор 0,01 Ом, 5% 1206
2
0,08
0,16
Резистор 0,1 Ом, 5% 1206
2
0,08
0,16
Резистор 6.2 Ом, 5% 0805
2
0,08
0,16
Резистор 43 Ом, 5% 0805
1
0,08
0,08
Резистор 100 Ом, 5% 0805
1
0,08
0,08
Резистор 220 Ом, 5% 0805
1
0,08
0,08
Резистор 470 Ом, 5% 0805
1
0,08
0,08
Резистор 1 кОм, 5% 0805
1
0,08
0,08
Резистор 1,5 кОм, 5% 0805
2
0,08
0,16
Резистор 1,8 кОм, 5% 0805
1
0,08
0,08
Резистор 2,7 кОм, 5% 0805
1
0,08
0,08
Резистор 4,7 кОм, 5% 0805
2
0,08
0,16
Резистор 10 кОм, 5% 0805
1
0,08
0,08
Резистор 12 кОм, 5% 0805
4
0,08
0,32
Резистор 13 кОм, 5% 0805
1
0,08
0,08
Резистор 15 кОм, 5% 0805
1
0,08
0,08
Резистор 33 кОм, 5% 0805
1
0,08
0,08
Резистор 75 кОм, 5% 0805
1
0,08
0,08
Конденсаторы К50-35 33 мкФ, 400V
2
1,9
3,8
Конденсаторы К50-35 47 мкФ, 50V
2
2,2
4,4
Конденсаторы К50-35 100 мкФ, 25V
1
2,2
2,2
Конденсаторы К50-35 220 мкФ, 25 V
1
2,8
2,8
Конденсаторы К50-35 2000 мкФ, 50V
1
15
15
Конденсаторы 0,01 5% 0805
1
0,98
0,98
Конденсаторы 0,1 5% 0805
1
0,98
0,98
Конденсаторы 2,2 мкФ 5% 0805
1
3
3
Конденсаторы 9,1 мкФ 5% 0805
4
3
12
Конденсаторы 1000 мкФ 5% 0805
1
3
3
Конденсаторы 100 нФ 5% 0805
2
3
6
Продолжение таблицы 6.2















Наименование изделия
Количество, шт.
Цена, р.
Общая
стоимость, р.
Конденсаторы 220 нФ 5% 0805
2
3
6
Диод 1N4007
8
3
24
Диод 1N4148
2
3
6
Диод FR107
5
2,40
12
Диод 1.5KE130A
2
9
18
Оптопара PC 817
3
8,30
24,9
Микросхема TL431
3
5
15
Микросхема TL494
1
12
12
Микросхема HCPL-3120
1
54
54
Сердечник К9Х6Х3
1
17
17
Сердечник К50Х25Х9
3
80
240
Предохранитель керам. 2 А, 250В
2
5
10
Транспортно-заготовительные расходы
65,64
Итого
1003,36
 
Основная заработная плата находится по формуле
 
                           (6.10)
 
где – число категорий работников;
– трудоемкость работ для i-той категории работников, 3 ч.;
– часовая тарифная ставка работника i-той категории, 100 руб./ч.;
В данной курсовой работе принимаем, что изготовлением опытного образца занимается монтажник.
 
 руб.
 
Дополнительная заработная плата и отчисления на социальные нужды для рабочих определяются по формулам (4) и (5)
 
 руб.
 
 руб.
 
 
Затраты на электроэнергию на технологические цели определяются по формуле
 
                                          (6.11)
 
где  – номинальная мощность электрооборудования i-того вида, кВт (0,1 кВт);
– действительный фонд времени работы оборудования i-того вида, ч.
(10 % от трудоемкости монтажа);
– коэффициент использования по мощности (0,9);
 
 руб,
 
 руб,
 
 руб,
 
 руб.
 
 
Затраты на возмещение износа специального оборудования определяются по формуле
 
                                             (6.12)
 
В данном дипломном разделе принимаем затраты на возмещение износа специального оборудования равными 22,6 % от основной зарплаты рабочих
 
 руб.
 
В итоге стоимость изготовления опытного образца составит
 
                 (6.13)
 

 
 
 
 
 
Стоимость отладки опытного образца определяется по формуле
 
                                                     (6.14)
 
где  – коэффициент на проведение отладочных работ, % (20 %);
 
 руб.
 
Полная стоимость изготовления опытного образца с учетом отладки составит
 
                                              (6.15)
 
 руб.
 
6.2 Расчёт годовых эксплуатационных издержек потребителя
Расчёт годовых эксплуатационных издержек потребителя выполняется по формуле
 
                                       (6.16)
 
где  - заработная плата обслуживающего персонала, р.;
 – издержки на электроэнергию, р.;
– издержки на ремонт, р.
Зарплата обслуживающего персонала (лаборанта) рассчитывается по формуле
            (6.17)
 
где – часовая тарифная ставка лаборанта, 34 руб./ч.;
 – время, затрачиваемое на обслуживание, 30 минут;
 – процент дополнительной заработной платы, 10 %;
 – норматив отчислений на социальные нужды, 30,2 %;
 – районный коэффициент, 15%.
Затраты на заработную плату лаборанта составят
 
 р/год.
 
Издержки на электроэнергию
 
                                       (6.18)
 
где  – потребляемая мощность устройства – 0,75 кВт;
 – действительный фонд времени работы устройства, равный 160 ч;
 – стоимость 1 кВт/ч электроэнергии, 4,5 р.
 
 р/год.
 
Общие годовые эксплуатационные издержки потребителя составят
 
.
 
В таблице 6.3 представлены экономические показатели проекта.
 
Таблица 6.3 – Экономические показатели проекта









Наименование статьи затрат
Сумма, р.
Материалы
193,67
Покупные комплектующие изделия
1003,36
Заработная плата всего, в том числе:
а) основная
б) дополнительная
11255,63
10232,39
1023,24
Отчисления на социальные нужды
3255,93
Затраты на потребление электроэнергии
67,08
Себестоимость аппаратной части
2397,17
Полная себестоимость устройства
18831,52
Годовые эксплуатационные издержки, в том числе:
а) заработная плата с отчислениями
б) затраты на электроэнергию
2051,97
 
1679,97
372
 
Вывод: В этом разделе произведён расчёт себестоимости лабораторного стенда для исследования однотактного обратноходового преобразователя и расчёт годовых затрат на эксплуатацию. Расчёт экономической эффективности не производится, так как проектируемое устройство не предназначено для реализации и будет использоваться только в исследовательских целях.

Заключение
 
 
В ходе дипломного проектирования была разработана техническая документация на аппаратные средства лабораторного стенда для исследования однотактного обратноходового преобразователя напряжения, а также импульсного источника питания, регулятора. Сам лабораторный стенд, источник питания и регулятор выполнены в виде печатной платы. При этом были реализованы все параметры технического задания на проект
 

 
Список использованных источников
 
 
1. Дьяконов, В.П. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах [Текст] / Дьяконов В.П., Максимчук А.А, Ремнёв А.М., Смердов В.Ю. – М.: СОЛОН-Р. – 2002. 512 с., ил.
2. Аксёнов, А.И. Отечественные полупроводниковые приборы [Текст] / Аксёнов А.И., Нефёдов А.В. / 5-е изд., доп. и испр. - М.: СОЛОН-Пресс. – 2005. 584 с., ил.
3. Микромагнитоэлектроника [Текст] / Бараночников М.Л. / Т.2. – М.: ДМК Пресс, 2001. – 544 с.: ил.
4. Ограничение напряжения на ключевом транзисторе в однотактных преобразователях напряжения [Текст] / Угринов П. / Силовая электроника, №1, 2004 г. – с. 62 – 65.
5. TopSwitch. Разработка источников питания [Текст] / Информационный лист AN-15 компании Top-Switch. 2003 г. – 16 с.
6. Резчиков, Е. А. Безопасность жизнедеятельности: учебное пособие /   Е. А. Резчиков, Ю. Л. Ткаченко. – М.: МГИУ, 2006. – 468 с.
7. Ефремов, И.В.  Расчет естественного и искусственного освещения: методические указания / И.В. Ефремов,  Е.Л. Янчук,  Л.А. Быкова. – Оренбург: ОГУ, 2000.- 27 с.
8. Василенко В.А Горение и взрыв. Расчеты основных параметров [Текст] : метод. указания / В. А. Василенко, Л. Г. Проскурина, И. В. Ефремов. - Оренбург : ГОУ ОГУ, 2008. - 39 с.
9. Акулова А.Ш. Расчет экономического эффекта внедрения разработанного устройства: методические указания для студентов специальности 210106 «Промышленная электроника» » / А.Ш. Акулова. – Оренбург: ООО «Агентство «ПРЕССА», 2008. – 21 с.
 
 
 
 

 
Приложение А
(обязательное)
Поле монтажа
Перечень элементов

 

Приложение Б
(обязательное)
Источник питания
Перечень элементов

 


 
Приложение В
(обязательное)
Регулятор
Перечень элементов

 

 
Приложение Г
(справочное)
Технические данные ламп

 
Таблица 1 - Зависимость коэффициента соотношения от типа светильника


Тип светильника
Коэффициент
Светильники с лампами накаливания
1)    «Универсаль» с затемнением и без него
2)    «Глубокоизлучатель» эмалированный
3)    «Глубокоизлучатель» ГС
4)    НСПО7; У15
5)    УПД
6)    «Колочный шар»
 
Светильники с люминесцентными лампами:
1)    ЛД, ЛДР, ЛДО
2)    ПЗЛ, ВОД, ВЛН
3)    Для остальных (открытых снизу)
4)    С расчётным затемнителем
5)    с вертикально расположенными лампами
 
Для светильников с лампами ДРЛ
 
1,5-1,9
1,4-1,7
0,9-1,1
1,4-1,6
1,9
1,4-1,6
 
 
1,4
1,5
1,4
1,5
2,4
 
0,8
 
 
  Таблица 2 - Определение величины коэффициента использования светопотока при различных типах светильников для ламп ДРЛ




Коэффициент отражения
Индекс помещения
, %
, %
, %
0,8
1,0
1,25
1,5
1,75
2,0
2,25
2,5
3,0
 
50
30
 
30
10
 
10
10
РСП05/КО3 (С35ДРЛ)
0,53
0,51
0,58
0,55
0,62
0,59
0,65
0,62
0,67
0,64
0,69
0,66
0,70
0,67
0,71
0,68
0,72
0,70
 
50
30
 
30
10
 
10
10
РСП05/ГО3 (С34ДРЛ)
0,56
0,53
0,61
0,59
0,64
0,62
0,68
0,65
0,70
0,68
0,72
0,69
0,72
0,70
0,73
0,71
0,74
0,73
 
50
30
 
30
10
 
10
10
РСП08/ГО3
0,50
0,47
0,55
0,53
0,59
0,57
0,65
0,60
0,66
0,63
0,67
0,64
0,68
0,66
0,69
0,68
0,71
0,69
 
50
30
 
30
10
 
10
10
РСП05/ДО3, СД2ДРЛ
0,38
0,35
0,44
0,40
0,48
0,45
0,53
0,49
0,56
0,52
0,58
0,54
0,59
0,56
0,61
0,58
0,62
0,60
 
50
30
 
30
10
 
10
10
УЦЛДРЛ
0,37
0,34
0,41
0,40
0,47
0,44
0,50
0,48
0,53
0,50
0,56
0,53
0,57
0,54
0,59
0,57
0,60
0,58
 
50
30
 
30
10
 
10
10
РСП07, РСП08/ЛСО
0,30
0,25
0,37
0,31
0,42
0,37
0,46
0,41
0,50
0,44
0,54
0,48
0,56
0,50
0,58
0,52
0,60
0,56
 
 
Таблица 3 – Лампы ртутные дуговые ДРЛ, ДРИ. Технические данные


Тип лампы
Напряжение зажигание, В
Мощность, Вт
Световой поток, лм
ДРЛ-125
ДРЛ-250
ДРЛ-400
ДРЛ-700
ДРЛ-1000
ДРЛ-250
ДРЛ-400
ДРЛ-700
ДРЛ-1000
ДРЛ-2000
180
180
180
180
180
180
180
180
180
180
125
250
400
700
1000
250
400
700
1000
2000
5600
11000
19000
35000
50000
18700
32000
59500
90000
19000
 
Примечание. ДРЛ – дуговая ртутная лампа, ДРИ – металлогалогенные лампы, характеризующиеся высокой светоотдачей и хорошим спектральным составом.
 
  Скачать дипломную работу: Diplom_gotov.docx