Розробка електричної принципової схеми

Виходячи з вищесказаного, я зробив таку структурну схему блоку живлення.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1.1 Структурна схема  розробляє мого мною блоку живлення.

В цій схемі прийняті такі умовні позначення:

Ф - фільтр нижніх частот;

В1, В2 – випрямлячі;

П3 – пристрій запуску;

А – автогенератор;

Тр – трансформатор;

Л33 – ланка зворотного зв¢язку

 

1.4 Опис роботи блоку  живлення по його структурній  схемі

Фільтр  низьких частот  Ф призначений для того, щоб  високочастотні коливання з частотою коливань автогенератора не поступали  з блкоу живлення в мережу, а  також для того, щоб високочастотні коливання з мережі не поступали на вхід блоку живлення. Це могло б привести до зброїв в роботі блоку живлення.

Випрямляч В1 призначений  для випрямлення змінної напруги  в постійну, яка використовується для живлення автогенератора.

Автогенератор А призначений  для перетворення енергії джерела  живлення (випрямляча) в енергію  електричних коливань з частотою 30- 50 кГц.

Пристрій запуску ПЗ призначений для запуску автогенератора в початковий момент включення блоку  живлення.

Трансформатор ТР призначений для перетворення змінної напруги величині.

Ланка зворотного зв’язку  призначена для утворення додаткового  зворотного зв’язку по напрузі між  входом і виходом підсилювача  автогенератора.

Працює блок живлення слідуючим чином. При включенні  напруги живлення за рахунок перехідних процесів  на вході підсилювача автогенератора виникає якась напруга. Вона підсилюється в підсилювачі  і через трансформатор Тр потупає на вхід випрямляча В2. Крім того через ланку додаткового зворотного зв’язку напруга з виходу трансформатора Тр поступає на вхід підсилювача автогенератора, підсилюється в ньому і знову поступає на вихід. Таким чином в схемі встановлення автоколивальний режим і на виході утворюють електричні коливання з частотою (20-50) кГц.

Для покращення запуску автогенератора в момент включення напруги живлення пристрій запуску надає імпульс напруги, яка утворюється на виході випрямляча на вхід підсилювача автогенератора. Це приводить до швидшого відкривання одного з трансформаторів підсилювача і прискорення його запуску.

Для виникнення коливань в автогенераторі повинні виконуватись дві умови:

1) баланс амплітуд;

2) баланс фаз.

Баланс амплітуд означає, що в автогенераторі повинен бути пристрій, який би компенсував втрати електричного сигналу в з’єднувальних  провідниках і в ланці зворотного зв’язку.

Такий пристрій може бути підсилювачем напруги з коефіцієнтом затухання сигналу в з’єднувальних  провідниках і ланці зворотного зв’язку. При виконанні цієї умови  коливання в автогенераторі будуть мати нескладний або наростаючий характер.

Баланс фаз означає, що для виникненя коливань в автогенераторі потрібно, щоб напруга, що поступає на вхід підсилювача з виходу ланки  зворотного зв’язку була в фазі з діючою на це момент напругою на вході  підсилювача. Тобто щоб загальний зсув по фазі підсилюючого пристрою і ланки додатного зворотнього зв’язку був рівним:

 

 

При цьому це співвідношення повинно витримуватись тільки на робочій частоті автогенератора.

Такий зсув фаз повинен  забезпечуватись фазоповертаючим  підсилювачем, трансформатором і ланкою зворотнього зв’язку.

Вихідний випрямляч  В2 випрямляє поступово на його вхід напругу. Для зменшення величини пульсації і більш повного  використання вихідної обмотки трансформатора вихідний випрямляч повинен бути зібраний по двохтактній схемі.

 

 

 

 

1.5 Обґрунтування вибору  елементної бази

При обґрунтуванні вибору елементної бази основним питанням, яке  потрібно вирішувати, є питання вибору типу підсилюючих пристроїв. В загальному випадку в їх ролі можна використовувати  електронні лампи, транзистори,  інтегральні мікросхеми.

Розглянемо можливість використання  кожного з цих  типів підсилювальних пристроїв  в даній схемі.

Електронні лампи вже  давно використовувались в подібних пристроях. Проте з розвитком  елементної бази стали очевидні недоліки електронних ламп, до яких в першу чергу можна віднести слідуючі:

1. для живлення електронних ламп потрібно використовувати два джерела живлення – одне для живлення  акордних кіл лампи, а друге для живлення кола нитки розжарення катоду. А це значно ускладнює електричну принципову схему самого блоку живлення, робить його розміри дуже великими із-за потрби додаткового силового трансформатора;
2. великі втрати електричної енергії електронними лампами із-за постійного нагрівання їх корпусу. Це нагрівання вимушене із-за використаня в електронних лампах  принципу термоелектронної емісії;
3. великі габаритні розміри електронних ламп. В даному підсилювачі на кожній з електронних ламп повинна розсіюватися потужність, яка рівна:

 

 

 

А це означає, що електронні лампи будуть по величині більшими за любу іншу деталь блоку живлення;

4. нестабільність параметрів електронної лампи із-за поступової втрати емісії катоду електронної лампи. Це приведе до поступового зменшення анодного струму лампи, а отже і зменшення коефіцієнту підсилення схеми;
5. Невисока міцність і надійність електронних ламп. Так як в більшості електронних ламп корпус скляний, то він легко розбивається, а нитка розжарення швидко провисає чи розривається.

Враховуючи  вищесказане , я прийшов до висновку, що використання електронних ламп в даному блоку живлення є абсолютно недоцільним.

На відміну від електронних  ламп транзистори не мають багато вищевказаних недоліків. Їм не потрібні два джерела живлення, вони мають  малі габаритні розміри, їх корпуси  виготовлені з металу, їх параметри є стабільними хоча і транзистори мають недоліки – вони чутливі до зміни навколишньої  температури. А тому в електричних принципових схемах приходиться приймати спеціальні міри для температурної стабілізації роботи транзисторів.

Враховуючи вищесказане, я прийшов  до висновку, що в даній схемі – можна успішно використовувати транзистори.

В даному блоці живлення в ролі підсилюючих пристроїв  можна було б використовувати  і інтегральні мікросхеми, які  зберігаючи всі переваги транзисторів, мають ще і ряд переваг.

Але використання мікросхем  в даній розробці різко зменшує  наглядність і практичну користь  від розроблення даної конструкції, так як мікросхема з точки зору користувача представляє собою  “чорний ящик”, який потрібно підключити в схему у відповідності з рекомендаціями заводу-виготовлювача. Отже в дній розробці я вирішив відказатись від використання мікросхеми, а використати в ролі підсилюючих пристроїв тільки транзистори. Всі інші радіоелементи – такі, які підходять по електронних параметрах, які не є дефіцитними доступними в ціні і надійними в роботі.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. КОНСТРУКТОРСЬКО-ТЕХНІЧНА ЧАСТИНА

1.   Розробка електричної принципової схеми

Основною задачею фільтра  низьких частот є подавлення вищих  гармонік з частотою вище від 15 кГц. Для його ефективної роботи в послідовне плече можна включити велику індуктивність , а в паралельне плече – ємність. Сам фільтр можна зробити по П-подібній схемі. Одна з можливих схем фільтра може бути такою.

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 Електрична принципова сема фільтра низьких частот

Випрямляч В1 повинен  бути зібраним по мостовій схемі. Це пояснюється  тим, що частота мережі на вході низька – 50 Гц. Це приводить до збільшення пульсацій випрямленої напруги. Двохпіверіодна схема збільшує частоту  пульсацій до 100 Гц, що значно  полегшує можливість її згладження.

В схемі запуску можна  використати один каскад на транзисторі, який би відкривався імпульсами випрямленої  напруги. Цей транзистор відкривав  би в свою  чергу один з транзисторів підсилювача автогенератора.

Автогенератор можна  зібрати по двохтактній трансформаторній схемі з індуктивним навантаженням. При цьому транзистори повинні бут досить потужними.

Вихідний випрямляч  може бути зібраним по двохтактній  схемі, що дає можливість використати  на виході згладжуючи конденсатори невеликої  ємності.

Виходячи з вищесказаного  я розробив електричну принципову схему  імпульсного блоку живлення, яка  зображена в графічній частині  дипломного проекту.

 

 

 

 

 

2.   Опис роботи блоку живлення по електричній принциповій схемі

Електрична принципова схема фільтра складається з елементів С1,С2,С3 і трансформатора ТV 1, який використовується  в ролі дроселя. Фактично фільтр представляє собою два П-подібні фільтри, включені по кожному з входів мережі живлення. Опір обмоток 1 і 2 трансформатора ТV 1 струмам високої частот, вищої від 15 кГц є великим  і вони через ці обмотки не проходять. Але для струму з частотою мереж опір обмоток значно менший і напруга мережі  майже без втрат поступає на вхід  випрямляча.

Конденсатори С1, С2 і С3 мають  малий опір для струмів високої частоти і вони замикаючись через ці конденсатори не поступають в мережу, чи з мережі в блок.

На діодах  VD1-VD4 зібрано двохпівперіодний мостовий випрямляч. Резистор R1 обмежує максимальний струм через ці діоди. Мостова схема випрямлення значно зменшує рівень пульсацій на виході і робить роботу випрямляча більш ефективною.

Ланка запуску побудована на елементах  ТV1, R1-R4 і С4. Транзистор  VТ1   працює в режимі зворотного пробою, що дозволяє  формувати короткі імпульси, які потрібні в момент включення схеми для запуску роботи каскаду ключів на транзисторах VT2 i VT3.

Підсилювач автогенератора зібраний на транзисторах  VТ2 і VТ3, які фактично  працюють як ключі. Вони зібрані по каскадній схемі. Відкриваються ці транзистори  за рахунок напруги, що поступає на їх бази з обмоток 2 і 3 транзистора VT2. Навантаження  цього каскаду є первинна обмотка трансформатора VT3. Конденсатор С5 і обмотка  трансформатора TV2 виконують роль ланки зворотного зв’язку. Виводи обмотки в трансформаторах ТV 1 і обмотки 2 трансформатора  ТV 2 підібрано таким чином, що загальний зсув на фазі системи підсилювач – ланка зворотного зв’язку рівна 360  на робочій частині генерування.

Через конденсатори С6,С7,С8,С9 замикається змінна складова генеруємого струму.

Транформатор ТV 3 виконує роль понижуючого трансформатора.

На діодах  Д5 і  Д6 зібрано  двохпівперіодний вихідний випрямляч. Конденсатори С12 і С13 виконують роль фільтра вихідної напруги.

Частота генерувань залежить від індуктивності  обмотки  трансформатора  ТV 3, загальної ємності конденсаторів С6 і С9  і ємності конденсатора  С5 ланки зворотного зв язку.

Працює схема слідуючим чином.

При включенні напруги живлення на виході випрямляча, зібраного на діодах  VD1 і VD4 появляється додатня  напруга великої величини,  яка  через режим Р2 відкриває транзистор VТ1. Резистор  R3 і конденсатор С4 відіграють роль диференціюючої ланки ,яка подає короткі додатні імпульси на базу транзистора   VT1 що і викриває його.  В коло емітера транзистора VT1 включене  базове коло транзистора VT3. Колекторний струм транзистора Т1,  проходячи через базовий перехід транзистора  Т3 відкриває його. Це приводить до зростання колекторного струму транзисторів  VT1 і  VТ2, що приводить до зміни струму через первинну обмотку трансформатора  ТV3. Ця напруга індукується в  вторинну обмотку трансформатора  ТV 2. Так як зворотній зв’язок на напрузі додатній, що ця напруга ще більше відкриває транзистори   VT2  і VT3. Процес відкривання буде тривати до ти пір, поки транзистори не ввійдуть в насичення. Після цього починається зворотній процес – процес закривання транзисторів. Таким чином в системі виникають коливання з високою частотою, яка значно перевищує частоту напруги в мережі.

Баланс  амплітуд забезпечується підсилювальними здатностями каскаду  на транзисторах  VТ2 і  VТ3 а також коефіцієнтом трансформації трансформатора       TV2 і  ТV 3.

Конденсатори С10 і  С11 призначені для захисту діодів  VD5 і  VD6 від пробою при високих зворотніх напругах на діодах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Розрахунок елементів схеми

Для розрахунку елементів схеми фільтра перемалюємо його схему.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 Електрична принципова схема вхідного фільтра

На вхід фільтра поступає змінна напруга з частотою 50 Гц. Конденсатор  С1 не повинен пропускати  на вхід сигнали шумів, які мають частоту, віщу від цієї частоти. Так наприклад, опір конденсатора на частоті 15 кГц повинен бути як мінімум в 5 разів меншим, ніж його опір на частоті 50 Гц. Як правило, опір конденсатора  на вищих частотах повинен бути не більшим від 1000 м.