МБОУ Гимназия №1 г. Агрыз РТ

Тема проекта :«Лабораторный блок питания»

                                             Работу выполнил : ученик  9г класса МБОУ

              Гимназии №1 г. Агрыз РТ

                     Хузяхметов Анир Ильдарович

        Руководитель проекта:

                    Закирова Гульнара Расимовна

г Агрыз , 2023г.

Содержание.

I. Вводная часть. Обоснование проблемы и формулировка темы проекта.

II. Основная часть.

1. Классификация источников питания.

2. Анализ и выбор  возможных идей.

3. Описание проектируемого материального объекта.

4. Описание изготовления изделия.

III.Заключительная часть. Выводы и анализ готового изделия

IV. Использованная литература.

Обоснование проблемы и формулировка темы проекта

Я являюсь радиолюбителем и для меня интересно всё, что связано с электроникой, воплощать задуманное в реальные предметы. Больший интерес для меня представляют приспособления, которые можно использовать для создания самоделок: блок питания, осциллограф, мультиметр и т.п. Создавая что-либо мне приходится изучать книги, журналы и различные пособия по созданию электрических схем и приборов.

Всем давно известно, что без хорошего источника питания, невозможно запустить ни один девайс, сделанный своими руками. Ведь блок питания - это основа радиолюбительской лаборатории. Сделать блок питания, такая цель была мной поставлена, а дальше я перейду к её воплощению в жизнь.

Моей задачей является сделать блок питания, отвечающий различным задачам и потребностям.

Цель проекта: изготовить лабораторный блок питания.

Задачи:

• найти и изучить литературу по данной теме;
• выбрать подходящий тип блока питания;
• определить количество необходимого материала;
• приобрести нужный материал;
• изготовить блок питания.

Объект исследования: Блок питания и возможность его изготовления. 

Предмет исследования: процесс разработки универсального блока питания. 

Проблема: большие финансовые затраты на приобретение высококачественных источников питания разных устройств.

Гипотеза: разработанный универсальный блок питания может использоваться для любых устройств мощностью до 150 Вт, что сократит затраты на приобретение источников питания.

Методы исследования:

1. Сбор и анализ литературных источников, интернет ресурсов и полученных знаний.

2.   Изготовление.

3.   Эксперимент.

4.   Анализ полученных результатов.

Для создания изделия требуются знания разделов:

-Основы проектирования;

-Радиотехника;

-Знания конструкторской и технологической документации;

-Организация рабочего места;

-Соблюдения техники безопасности на каждом этапе работы.

Обдумывая план работы, я составил схему, включающую необходимые факторы:

«Опорная схема размышления»

Сбор информации по теме проекта.

Анализ прототипов.

В первую очередь классификация источников питания осуществляется по принципу действия. Основных вариантов здесь два:

• трансформаторный (линейный);
• импульсный (инверторный).
  

Трансформаторный блок питания

Трансформаторный блок питания состоит из понижающего трансформатора и выпрямителя, преобразующего переменный ток в постоянный. Далее устанавливается фильтр (конденсатор), сглаживающий пульсации и прочие элементы (стабилизатор выходных параметров, защита от коротких замыканий, фильтр высокочастотных (ВЧ) помех).

Преимущества трансформаторного блока питания:

• высокая надежность;
• ремонтопригодность;
• простота конструкции;
• минимальный уровень помех или их отсутствие;
• низкая цена.

Недостатки — большой вес, крупные габариты и небольшой КПД.

Импульсный блок питания

Импульсный блок питания — инверторная система, в которой происходит преобразование переменного напряжения в постоянное, после чего генерируются высокочастотные импульсы, которые проходят ряд дальнейших преобразований. В устройстве с гальванической развязкой импульсы передаются к трансформатору, а при отсутствии таковой — напрямую к НЧ фильтру на выходе устройства.

Благодаря формированию ВЧ сигналов, в импульсных блоках питания применяются малогабаритные трансформаторы, что позволяет уменьшить размеры и вес устройства. Для стабилизации напряжения используется отрицательная обратная связь, благодаря которой на выходе поддерживается постоянный уровень напряжения, не зависящий от величины нагрузки.

Достоинства импульсного блока питания:

• компактность;
• небольшой вес;
• доступная цена и высокий КПД (до 98%).

Кроме того, следует отметить наличие дополнительных защит, обеспечивающих безопасность применения устройства. В таких БП часто предусмотрена защита от короткого замыкания (КЗ) и выхода из строя при отсутствии нагрузки.

Минусы — работа большей составляющей схемы без гальванической развязки, что усложняет ремонт. Кроме того, устройство является источником помех высокой частоты и имеет ограничение на нижний предел нагрузки. Если мощность последней меньше допустимо параметра, агрегат не запустится.

Бесперебойный блок питания

Бесперебойный блок питания — источник, который включается в работу при кратковременном отключении электросети. Некоторые из них имеют дополнительную защиту (например, от помех в сети). Такие блоки питания используются в системах с повышенными требованиями к надежности электроснабжения, например, видеонаблюдения или сигнализации.

Бесперебойные источники бывают резервными и интерактивными. Особенность вторых в наличии на входе стабилизатора напряжения, обеспечивающего ступенчатую регулировку.

Лабораторный блок питания ни что иное как высококачественный универсальный источник питания с нормированными и термостабильными характеристиками. Эти устройства имеются на любом предприятии, которое занимается разработкой, изготовлением или ремонтом и/или ремонтом радиоэлектронной аппаратуры.

Используют их во время проверки и/или калибровки различных приборов. Кроме того, они необходимы в тех случаях, когда нужно с высокой точностью подать питающее напряжение и ток на радиотехническое устройство. Как правило, лабораторные блоки питания оснащаются всевозможными устройствами защиты (перегрузка, защита от короткого замыкания и пр.) и органами регулировки выходных параметров (напряжение и ток).

Лабораторные блоки оснащают также специальными входами для подачи модулирующих сигналов, что позволяет пользователю формировать выходное напряжение и ток произвольной формы.

Серийно выпускаемые лабораторные источники питания могут быть как линейными, так и импульсными.

Линейные.

Линейные лабораторные БП строятся на базе больших низкочастотных трансформаторов, которые понижают сетевое напряжение ~220 В частотой 50 Гц до определенного значения. Частота переменного тока при этом остается без изменений. Затем синусоидальное напряжение выпрямляется, сглаживается емкостными фильтрами и доводится до заданного значения линейным полупроводниковым стабилизатором.

Приборы, работающие по такому принципу, обеспечивают требуемое значение выходного напряжения с высокой точностью. Оно отличается стабильностью и отсутствием пульсаций. Однако они имеют ряд недостатков:

• большие габаритные размеры и вес, который может быть больше 20 кг. Из-за этого мощность на нагрузке у таких БП редко превышает 200 Вт.;
• низкий КПД (не более 60%), что обусловлено принципом работы линейного стабилизатора, где все избыточное напряжение преобразуется в тепло;
• наличие высокочастотных помех, проникающих из сети ~220 в, 50 Гц., для устранения которых необходим сетевой фильтр;
• относительно небольшое время наработки на отказ, вызванное старением электролитических конденсаторов.

Импульсные.

В основу работы импульсных лабораторных блоков питания положен принцип заряда сглаживающих конденсаторов импульсным током. Он образуется в момент подключения/отключения индуктивного элемента. Переключение происходит под действием специально оптимизированных транзисторов, а выходное напряжение регулируется путем изменения глубины широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Основные преимущества импульсных лабораторных источников обеспечиваются за счет:

• плавного изменения глубины ШИМ, что в свою очередь, позволяет закачивать в сглаживающие конденсаторы такое количество энергии, которое соизмеримо с энергопотреблением нагрузки БП. При этом КПД блока питания может достигать 90 и более процентов;
• высокочастотной составляющей, которая дает возможность использования сглаживающих конденсаторов значительно небольшой емкости.

За счет этого габаритные размеры корпуса невелики. Кроме того, за счет более высокого КПД значительно уменьшается выделение тепла и улучшается температурный режим работы источника питания.

Существенным недостатком импульсных лабораторных блоков, несколько ограничивающих их применение являются:

• высокочастотные пульсации на выходе, которые достаточно тяжело отфильтровать;
• радиочастотные наводки и их гармоники, вызванные периодическими токовыми импульсами.

При работе с радиочастотными схемами импульсные блоки питания необходимо располагать на максимальном расстоянии от них или использовать трансформаторные схемотехнические решения.

Основным техническим параметром лабораторных источников электроэнергии является мощность. Здесь существует такое подразделение:

• стандартные, мощностью до 700 Вт. Их максимальный вес не превышает 15 кг.;
• большой мощности.

Стандартные исполнения могут быть как трансформаторными, так и импульсными. Предназначены они для работы с напряжениями в диапазоне от 15 до 150 В. При этом максимальный ток ограничивается величиной порядка 25 А. Как правило, они имеют от одного до трех каналов, из которых два являются регулируемыми.

Анализ возможных идей

Выбор оптимальной идеи

Вариант 2 –

Трансформаторный блок

Вариант 1 –

ЛБП (импульсный)

Варианты

идей

Вариант 3 – Бесперебойный блок питания

Сетка принятия решения

Вариант 2 – выполненный с помощью

Вывод: исходя из критериев оценки «Сетки принятия решения» оптимальным вариантом для блока питания является вариант №1

Описание проектируемого материального объекта

Собрав все комплектующие радиодетали по электрической схеме, замерев размеры радиодеталей, я подобрал параметры и размеры корпуса. Затем, изготовил и обработал детали корпуса. Собрал корпус в единую конструкцию. Прикрутил блок питания и понижающие преобразователи к дну корпуса. Приклеил и вывел на лицевую часть регуляторы, индикатор тока и напряжения, USB выход и клеммы. В задней части корпуса вмонтировал вход и выключатель питания сети 220V. Результатом работы стало создание изделия готового к применению.

Выбор технологии изготовления изделия и инструмента.

Исследуя различные возможности и варианты, я выбрал компьютерный блок питания. Он является импульсным. К тому же не нужно будет делать корпус с нуля. К любому компьютерному блоку питания можно добавить несколько компонентов, и он станет лабораторным. Помимо этого, у него отличная стабилизация, при помощи которой он может работать при средних мощностях.

Оборудование: Материалы:

-Паяльник с припоем - Чёрная краска -Набор отвёрток -- Дрель с свёрлами
- Плоскогубцы-Штангенциркуль

Экономическая и экологическая оценка будущего изделия.

Металлы, из которых состоит блок питания, являются техногенными веществами, нехарактерными для биосферы. Анализ показывает, что наиболее удачным стратегическим решением переработки компьютерного лома является производственный рециклинг

Рециклинг- это переработка полезного мусора и отходов производства для их вторичного использования или возврата в производственный оборот. Рециклинг также является важным условием рационального природопользования, так как уменьшает количество сырья, необходимого для производства – его частично или полностью заменяет переработанный мусор.

Рециклинг и утилизация отходов включают в себя:

• повторное применение отходов;
• изготовление из этого сырья новых предметов;
• расщепление отходов для выделения полезных компонентов и уничтожение прочих остатков мусора;
• получение энергии за счет сжигания мусора.

Описание изготовления изделия

Выводы и анализ готового изделия

Творческий проект позволяет увидеть какую-либо проблему и найти варианты для его решения. Лабораторный блок питания – прекрасное изобретение. Блоков питания множество на современном рынке товаров, и в основном они продаются в магазинах и на сайтах, не отличающиеся особой универсальностью. Функциональность весьма разнообразная, можно даже сказать, что в каждом специализированном магазине имеются различные блоки питания. Но их дизайн оставляет желать лучшего. Особенно удивляет разброс цен на них. Хотя цена и зависит напрямую от деталей и всех функций, она все равно остается завышенной. В наших магазинах продаются блоки питания, сделанные разными фирмами и странами.

Изучив основы радиотехники, я могу самостоятельно сделать полезные изделия, в отделке которых каждый проявит свое творчество, и изделия будут разнообразны. Собрав все комплектующие радиодетали по электрической схеме, замерив размеры радиодеталей, я подобрал параметры и размеры корпуса. Затем, изготовил и обработал детали корпуса. Собрал корпус в единую конструкцию. Прикрутил блок питания и понижающие преобразователи к дну корпуса. Приклеил и вывел на лицевую часть регуляторы, индикатор тока и напряжения, USB выход и клеммы. В задней части корпуса вмонтировал вход и выключатель.. Результатом работы стало создание изделия готового к применению.

Изготовленный мной лабораторный блок питания, соответствует задуманной идеи, конструкция блока отличается несложностью в изготовлении. Напряжение регулируется от 0,7 до 34, максимальная сила тока 4.5 ампер. Изделие полностью проверено и готово к эксплуатации.

Список литературы

1. Найвельт Г.С. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник.  — М.: Радио и связь, 1985. — 576 с.

2. Ромаш Э. М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. .— М. Радио и связь, 1981. 224 с.

3. Халоян А.А. Источники электропитания. Любительские схемы.  «РАДИОСОФТ» 2001. - 208 с