Самостоятельная расчетная работа. Тема: Источники питания для блоков питания автоматизированных систем. Схемы блоков питания автоматического управления.
методическая разработка на тему

Департамент образования города Москвы

Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального  учреждения

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ     КОЛЛЕДЖ   №28

Евдокимов П.Е.

Тема:

Дисциплина: « Электротехника и электроника»

Специальность:

150414  «Монтаж и техническая эксплуатация     холодильно–компрессорных  машин и установок»

Москва

2011

Самостоятельная расчетная работа.

Тема: Источники питания для блоков питания автоматизированных систем. Схемы блоков питания автоматического управления.

Евдокимов П.Е.

Классная самостоятельная работа, выполняется под руководством преподавателя в аудитории. После освоения материала преподаватель проводит контрольный опрос и выставляет оценку за работу студента. В процессе изучения материала преподаватель даёт необходимые пояснения и отвечает на вопросы студентов, однако основная часть работы выполняется студентом самостоятельно, на основе знаний полученных ранее.

Автор: Евдокимов Павел Евгеньевич, преподаватель физики,

Рецензент: Плотникова Ирина Анатольевна, преподаватель физики,

Редактор: Малькова Людмила Алексеевна, зам. директора по учебно-методической работе

Рукопись рассмотрена на заседании цикловой методической комиссии естественнонаучных дисциплин, протокол № 3 от 19 января 2011г.

Главное преимущество дополнительного вентилятора - независимое от компьютера питание и автоматическое управление, что позволяет ему некоторое время работать и после выключения системного блока. Это дает возможность не только заметно снизить температуру внутри блока, но и избежать неудачных перезапусков компьютера после "зависания" в результате перегрева. Продолжающий работать после выключения компьютера дополнительный вентилятор быстро снижает температуру его перегретых элементов, давая возможность с минимальной задержкой вновь включить компьютер и продолжить работу. Схема узла управления дополнительным вентилятором показана на рисунке ниже.

Уменьшение сопротивления терморезистора RK1 при нагреве приводит к увеличению тока, текущего через излучающий диод оптрона U1. В результате уменьшается сопротивление его фототранзистора, а с ним и длительность пауз между импульсами, генерируемыми мультивибратором на интегральном таймере DA1 с времязадающим конденсатором С1. Так как во время импульса транзистор VT1 открыт, а во время паузы закрыт, среднее напряжение на двигателе вентилятора М1 и частота его вращения тем больше, чем выше температура терморезистора RK1. Конденсатор С4 устраняет выброс напряжения при разрыве транзистором VT1 цепи питания вентилятора. Яркость свечения светодиода HL1 изменяется вместе с частотой вращения, что позволяет визуально оценить режим работы вентилятора. Блок питания прибора состоит из трансформатора Т1, выпрямительного моста из диодов VD2-VD5, интегрального стабилизатора DA2, сглаживающего и фильтрующего конденсаторов С2 и СЗ. В цепь питания вентилятора подано нестабилизированное напряжение с выхода выпрямителя, а на таймер и другие элементы - стабилизированное 9 В. Вентилятор начинает работать, когда среднее напряжение на нем превысит 4 В. Температуру, при которой это происходит, можно регулировать подстроечным резистором R5. А температуру, при которой (и выше) интенсивность работы вентилятора достигает максимума (обычно 50 °С), устанавливают подстроечным резистором R1. Эти регулировки взаимозависимы, для получения удовлетворительного результата может потребоваться повторить их несколько раз. Односторонняя печатная плата, на которой смонтированы почти все детали узла управления вентилятором, изображена на рис.2.

Транзистор КТ829А (его можно заменить импортным 333) установлен без теплоотвода, так как рассеиваемая на нем мощность невелика. Аналоги интегрального таймера КР1006ВИ1 - микросхемы 555 или 7555 различных производителей. Подстроечные резисторы R1 и R5 - СП5-3 или СП2-3, оксидные конденсаторы - К50-35 или импортные. Плата вместе с трансформатором Т1 (ALG12V500MA или ТПП-114 2x6), плавкой вставкой FU1 и выключателем SA1 помещена в пластмассовый корпус от блока питания БП1. Терморезистор RK1 введен через отверстие в корпусе в верхнюю часть системного блока компьютера и закреплен на расстоянии 10...15 мм от теплоотвода процессора. Испытания проводились с дополнительным вентилятором Corolful DC 12V 0,25 А. Они подтвердили, что среднее быстродействие компьютера возросло, исчезли сбои и зависания от перегрева элементов, снизился общий уровень шума вентиляторов.

Защита от перегрузок

Устройство предназначено для предотвращения перегрузки и неисправностей в радиоаппаратуре из-за отклонения сетевого напряжения питания за допуск. Оно будет особенно полезно на даче или в деревне, где нередки значительные колебания напряжения в сети. Часто используемые при нестабильной сети ферромагнитные стабилизаторы имеют узкий диапазон стабилизации и при значительных колебаниях напряжения (в сторону увеличения) просто выходят из строя. Для некоторой радиоаппаратуры опасно не только повышенное, но и пониженное напряжение сети.

Контролировать сеть измерительным прибором, каждый раз перед включением радиоприборов, неудобно да и неэффективно, так как отклонение может произойти в процессе работы. Но эту задачу может взять на себя автоматическое контрольное устройство, через которое и питается аппаратура.

При первоначальном включении устройства (кнопкой SB1) оно в течение одной секунды проверяет уровень сетевого напряжения на нахождение его в допуске 170...260 В, а также на наличие помех. В случае отклонения напряжения за допуск схема не позволит включить радиоаппаратуру.

В процессе работы защитного устройства схема производит непрерывный контроль за состоянием сети, и при выходе напряжения за допуск 190...245 В начинает работать звуковая сигнализация, предупреждая, что лучше выключить радиоаппаратуру. При этом по свечению светодиодного индикатора можно определить вид отклонения напряжения в "+" (увеличение) или "—" (снижение). В случае опасного несоответствия сетевого напряжения (при выходе за допуск 170...260 В) радиоаппаратура, подключенная к гнездам Х1, Х2, отключится автоматически.

Рис.1.

Рис.2.

     Электрическая схема устройства состоит из четырехуровневого компаратора на элементах микросхемы D2, звукового генератора на элементах D3.1...D3.3, узла коммутации на транзисторе и реле К1, а также блока питания со стабилизатором напряжения на микросхеме D1.

    Порог срабатывания компараторов устанавливается при настройке резисторами, отмеченными на схеме звездочкой "*". Их значения указаны на схеме ориентировочно. Настройка устройства производится при помощи ЛАТРА, изменяя напряжение питания на штекере ХР1. При этом резистором R15 устанавливаем превышение порога 245 В (на выходе D2/8 появится лог. "1"), а резистором R14 — снижение напряжения ниже 170 В (на выходе D2/8 лог. "0"). Для настройки удобно использовать многогабаритные регулировочные резисторы.

Настройку схемы лучше начинать с проверки работоспособности узла, показанного на рис. 1. При нажатии на кнопку ВКЛ (SB1), реле К1 срабатывает с задержкой примерно в 1 секунду и контактами К1.2 блокирует кнопку. Время задержки включения реле зависит от номинала емкости С2 и резистора R7. Выключение реле К1 может производиться кнопкой ОТКЛ (SB2) или же от схемы автоматики, когда на выходе микросхемы D3/11 появится импульс или лог. "1" (при выходе напряжения за допуск).

Топологию печатной платы для участка схемы (А1), выделенного пунктиром можно посмотреть здесь (gif). Остальная часть схемы выполнена на универсальной макетной плате объемным монтажом.
     В схеме применены конденсаторы С1...С4 типа К52-16 на 63 В; С5, С6 — К10-17. Резисторы и диоды подойдут любые аналогичные. Трансформатор Т1 лучше использовать из унифицированной серии ТПП. Он должен обеспечивать во вторичной обмотке напряжение 22...24 В и ток не менее 60 мА.

Реле К1 применено типа РЭС48 (паспорт 4.590.201), но подойдут и многие другие, с рабочим напряжением 24 В.

Устройство автоматической защиты можно упростить, если отказаться от звуковой и световой сигнализации отклонения напряжения. В этом случае схему контроля уровня напряжения на рис. 2 заменяем приведенной на рисунке ниже.

    Она состоит из транзисторов, работающих в режиме микротоков. В нормальном состоянии подстроечными резисторами R12 и R15 устанавливаем на коллекторах VT2 и VT3 лог. "О" и лог. "1" соответственно. В этом случае транзисторы VT4 и VT5 заперты и на резисторе R19 нет напряжения (при его появлении сработает VS1).

    Меняя сетевое напряжение с помощью ЛАТРА, резистором R12 устанавливаем порог срабатывания схемы при напряжении ниже 170 В, а резистором R15 — при превышении 260 В.

При использовании второго варианта схемы упрощается и блок А1. В этом случае стабилизатор D1 не нужен, а если у трансформатора Т1 имеется свободная обмотка на напряжение 6...12 В, то она может быть подключена к цепям 5 и 6 (вместо резисторов R1...R3 установить перемычки, R4 и R10 исключить из схемы).

Источник стабилизированного питания 12/14 в.

Источник стабилизированного питания 12/14 вольт на ток до 14 ампер для питания связной аппаратуры от сети переменного тока. Блок питания собран по классической компенсационной схеме, содержит два контура защиты от перегрузки по току, высокоэффективную защиту от короткого замыкания на выходе и тиристорную защиту от превышения выходного напряжения.

Собственно стабилизатор собран на операционном усилителе DA2 и транзисторах VT2 - VT5, собранных по схеме составного транзистора. Выходное напряжение определяется напряжением стабилизации стабилитрона VD13 и соотношением номиналов резисторов RV1 (RV2) и R16. На транзисторе VT2 собрана дублирующая схема защиты от перегрузок по току, ограничивающая выходной ток на уровне примерно 16 ампер. Основная схема ограничения по току собрана на операционном усилителе DA1, которая ограничивает ток на переключаемых уровнях 1.5 ампера, 5, 11 и 14 ампер. Значения R3, R4, R5 и падение напряжения на открытом диоде VD14 (около 0.6 вольт) определяют величину ограничения тока в режиме защиты от К.З. (при указанных на схеме номиналах ток ограничивается примерно на уровне 1.5 ампера). Величины R14 и R15 определяют величину предельного тока на пределах 4 и 10A (соответственно ограничение порядка 5 и 11 ампер).

Система защиты от К.З. и от перегрузки собрана на компараторе DA3, срабатывающем при понижении выходного напряжения ниже уровня примерно 11.5 вольт (определяется номиналом резистора R20), вызванного токоограничительной схемой. При срабатывании компаратора зажигается индикатор перегрузки (светодиод HL2) и, после небольшой задержки (определяемой номиналами компонентов интегрирующей цепочки R25C9) открывается транзистор VT7 и диод VD14, что приводит к ограничению тока перегрузки до уровня в полтора ампера.

Схема защиты от превышения выходного напряжения (в случае выхода из строя регулирующих транзисторов) собрана на тиристоре VD10 и стабилитроне VD9, срабатывающая при напряжении около 17 вольт и закорачивающая выход блока питания на время, требующееся для перегорания предохранителя F1. Диод VD17 защищает конденсатор C10 от переполюсовки при выключении, транзистор VT6 блокирует схему защиты при выключении. Резистор R25 ускоряет разрядку конденсатора C10.

Конструкция и детали.

В качестве силового трансформатора применен стандартный накальный трансформатор ТН-61, обеспечивающий на трех обмотках ток до 8 ампер при напряжении 6.3 вольта на каждой обмотке, и 6 ампер на обмотке 7-8. Таким образом, с трансформатора можно брать ток до 10А, не превышая при этом номинальную мощность, и до 14 ампер с перерывами. В качестве выпрями- тельных диодов используются КД213А, включенные попарно, и установленные на теплоотводе через слюдяные прокладки. При желании можно использовать более современные силовые диоды с переходом Шоттки, значительно сократив потери (и тепловыделение). Конденсаторы фильтра - 22.000 мкф на напряжение 28 вольт (болгарского производства), можно заменить на любые другие, с учетом рабочего напряжения и общей емкости. Регулирующие транзисторы (КТ803А, отобранные по равенству коэффициента усиления), можно заменить на любые аналогичные, в том числе и составные КТ827, в последнем случае имеет смысл отказаться от выравнивающих резисторов R11-R13 (в моем случае представляющих из себя отрезки толстой нихромовой проволоки), заменив их резисторами в базовых цепях (и подобрав их по равенству токов в цепи эмиттеров). Транзисторы установлены без прокладок на теплоотвод, площадь которого определяет в конечном итоге, предельно допустимую долговременную мощность рассеивания (мной применен ребристый радиатор общей площадью около 900 кв.см, но температура транзисторов при длительной работе достигает 100 градусов, это слишком много). Резисторы R9 и R10, типа С5-15, на мощность 5 ватт, проволочные, смонтированы в непосредственной близости от силовых транзисторов. Резистор R28 - МЛТ-0.25, смонтирован на плате управления, и предназначен для защиты измерительных цепей от ВЧ-наводок по питанию (например, при плохом согласовании передающей антенны). Для измерения потребляемого аппаратурой тока применена измерительная головка с током полного отклонения 30 mA и сопротивлением рамки 2.5 ом. Можно применить любую подходящую головку, подобрав другие номиналы добавочных сопротивлений. Для упрощения конструкции подстроечные резисторы RV1 и RV2 можно исключить, установив между выводами 7 и 3 операционного усилителя DA2 резистор номиналом 3 килоома (задающим выходное напряжение 12 вольт), и подключать параллельно ему резистор 5.1 килоом - для установки выходного напряжения 13.8 вольт. Все диоды, тип которых на схеме не указан - любые кремниевые, например, КД521-КД522. Операционные усилители К140УД6А можно заменить любыми аналогичными, допускающими использования питающего напряжения до +/- 18 вольт.

Крайне желательно в первичной цепи трансформатора установить сетевой фильтр, в первую очередь для устранения мощных импульсных помех при включении (да и при работе) источника питания. При соответствующем изменении типономиналов силовых компонентов можно изготовить источник и с большим рабочим током (до 20-30 ампер), но в этом случае крайне желательно использовать "мягкий" пуск - относительно медленный заряд конденсаторов фильтра через резистор небольшого номинала (при блокированном выходе), а затем закорачивать этот резистор контактами мощного реле.

Самостоятельна расчетная работа.

Тема: Источники питания для блоков питания автоматизированных систем. Схемы блоков питания автоматического управления.

Евдокимов П.Е. – преподаватель физики ГОУ ТК № 28

Сдано в печать 18.01.2011.

Формат бумаги 60х90/16

Тираж 16 экз.

Государственное образовательное учреждение

среднего профессионального образования

«Технологический колледж № 28»

Адрес: Москва, ул. Кабельная, 2

Тел. 8 (495) 673-54-22

E-mail: 78@prof.educom.ru