Разработка конструкции и технологии универсального модуля питания с защитой от перегрузок

Получающиеся транзисторы показывают исключительно высокий коэффициент усиления и производительность в сочетании с очень низким напряжением насыщения.2.3 Разработка схемы управления выходным напряжением модуляСхема блока питания с регулировкой напряжения и тока 1.2…18В 25АРисунок 2.13.Регулируемый стабилизатор напряжения LM317 позволяет плавно регулировать напряжение в диапазоне от 1.2 до 18В. Регулировка напряжения выполняется переменным резистором Р1. Транзистор Т1 MJE13009 и TIP35Cвыполняет роль ключа пропускающего через себя большой ток.Система ограничения силы тока выполнена на полевом транзисторе Т2 IRFP260, позволяет ограничивать ток от 0 до 25А, управление током осуществляется переменным резистором Р2, что позволяет использовать данный блок питания в качестве зарядного устройства для зарядки автомобильных аккумуляторов. Мощный резистор R7 с сопротивлением 0.1 Ом 20 Вт выполняет роль шунта. В схеме имеется встроенная защита от переполюсовки. При правильном подключении блока питания к аккумулятору загорается зеленый светодиод Led1. В случае не правильного подключения загорается красный светодиод Led2, сигнализирующий о ошибке подключения. Система корректно работает только при выключенном питании блока питания. Автоматический регулятор оборотов вентилятора предназначен для уменьшения уровня шума возникающего в процессе работы блока питания. Стабилизатор напряжения L7812CV поддерживает постоянное напряжение 12В поступающее на делитель состоящий из терморезистора R9 установленного на радиаторе и подстроечного резистора Р3. Напряжение с делителя поступает на базу транзистора Т3. В процессе работы блока питания от большой нагрузки радиатор нагревается, сопротивление терморезистора R9 установленного в радиаторе становится меньше сопротивления подстроечного резистора Р3, напряжение на базе транзистора увеличивается и транзистор приоткрывается, тем самым увеличивая скорость вращения вентилятора. Настройка чувствительности регулятора осуществляется подстроечным резистором Р3.В данной схеме регулируемого блока питания имеется возможность подключения разных моделей вольтметров и амперметров, стрелочных и электронных. СаналоговойклассикойобозначеннойнасхемебуквамиVвольтметриAамперметрвсепонятноподключаемсогласносхеме. Мощный транзистор Т2 TIP35C способный выдерживать ток до 25А и резистор R3 200 Ом. Транзистор IRFP250 выдерживает 30А, а транзистор IRFP260 49А.Стабилизатор напряжения LM317, транзисторы TIP35C, IRFP250, 260 устанавливаем на радиатор через изолирующие термопрокладки и термошайбы. Транзистор MJE13009 и TIP35Cустанавливаем на радиатор без изоляции, иначе от сильного нагрева и плохого отвода тепла через термопрокладку будет перегреваться и выходить из строя. Стабилизатор напряжения L7812CV и транзистор BD139 устанавливаем на разные радиаторы. Терморезистор вставляем в просверленное в радиаторе отверстие и закрепляем с помощью поксипола или эпоксидной смолы. В процессе установки терморезистора проверяйте мультиметром отсутствие электрического контакта, между терморезистором и радиатором. Переменные резисторы, а также светодиоды при необходимости можно соединить проводами и вынести за пределы платы.Готовый блок питания начинает работать сразу после подачи питания на плату. Единственное что надо настроить, так это скорость вращения вентилятора. Для этого надо при холодном радиаторе с помощью подстроечного резистора Р3 выставить напряжение на вентиляторе примерно 1 вольт. Вентилятор начнет вращаться при температуре радиатора примерно 45 градусов, обороты будут подниматься прямо пропорционально температуре радиатора. При охлаждении радиатора обороты вентилятора будут снижаться. Так работает автоматический регулятор оборотов вентилятора.В случае короткого замыкания сработает защита ограничения тока. Согласно закону Ома: чем больше сопротивление цепи, тем меньше сила тока будет в нем. Следовательно при коротком замыкании будет максимально возможный ток. Напряжение упадет, а сила тока будет той, которую вы ограничили резистором Р2.Радиодетали для сборки блока питания с регулировкой напряжения и тока на 25АДиодный мост KBPC2510, KBPC3510, KBPC5010Конденсатор С1 4700mf 50VРегулируемый стабилизатор напряжения LM317Транзисторы Т1 MJE13009, T2TIP 32C,T3 IRFP260, T4 КТ815, BD139Переменные резисторы Р1 5К, Р2 1К, Р3 10КСтабилитрон 12V 5W 1N5349BRLGРезисторы R1, R2R3 200R 0.25W, R4 1K 5W, R5 100R 0.25W, R6 47R 0.25W, R7 0.1R 20W, R8 3K 0.25WТерморезистор R9 B57164-K 103-J сопротивление 10КСветодиоды 5мм красный и зеленый, напряжение питания 3ВРадиатор 100х63х33 мм 1шт, радиатор KG-487-17 (HS 077-30) 2штВентилятор 70х70 мм3. Моделирование основных узлов и выбор элементов3.1 Схема ограничения токаОдин из вариантов решения проблемы защиты от КЗ - включение последовательно с нагрузкой полевого транзистора средней мощности с встроенным каналом. Дело в том, что на вольт-амперной характеристике такого транзистора есть участок, на котором ток стока не зависит от напряжения между стоком и истоком. Поэтому на этом участке транзистор работает как стабилизатор (ограничитель) тока.Рисунок. 3.1.Схема подключения транзистора к блоку питания приведена на рис. 3.1, а вольт-амперные характеристики транзистора для различных сопротивлений резистора R7 - на рис. 3.2. Работает защита так. Если сопротивление резистора равно нулю (т. е. исток соединен с затвором), а нагрузка потребляет ток около 10 А, то падение напряжения на полевом транзисторе не превышает 1,5 В, и практически на нагрузке будет все выпрямленное напряжение. При появлении же в цепи нагрузки КЗ ток через выпрямитель резко возрастает и при отсутствии транзистора может достичь нескольких ампер. Транзистор ограничивает ток короткого замыкания на уровне 20...22 А независимо от падения напряжения на нем. В этом случае выходное напряжение станет равным нулю, а все напряжениеупадет на полевом транзисторе. Таким образом, в случае КЗ мощность, потребляемая от источника питания, увеличится в данном примере не более чем вдвое, что в большинстве случаев вполне допустимо и не отразится на "здоровье" деталей блока питания.Рисунок 3.2.Уменьшить ток короткого замыкания можно увеличением сопротивления резистора R1. Нужно выбирать такой резистор, чтобы ток короткого замыкания был примерно вдвое больше максимального тока нагрузки. Подобный способ защиты особенно удобен для блоков питания со сглаживающим RC-фильтром - тогда полевой транзистор включают вместо резистора фильтра (такой пример показан на рис. 3.2. 3.2 Схема регулирования напряженияДля регулирования напряжения на выходе блока питания будем использовать линейный регулятор напряжения. На мощном транзисторе. Линейный регулятор позволяет избавиться от импульсных колебаний в схеме преобразователей напряжения. Управление транзистором будет осуществляться стандартным регулятором напряжения, что позволяет достаточно просто и точно управлять значением выходного напряжения транзистора. Рисунок 3.3.Смоделируем схему в программе MultisimРисунок 3.4. При выходной нагрузке 0.05 Ом на выходе Рисунок 3.5. При выходной нагрузке 0.05 Ом на выходе и установке регулятора напряжения 2.25 В. Как видно ток не ограничивается 20 А, а возрастает при изменении регулировочного резистора 5 кОм. При этом возрастает напряжение на выходной нагрузке до 2.2 В. Это связано с тем, что выходной транзистор Q1 имеет ВАХ как на рисунке 3.2. Получается, что в области небольших напряжений < 2 В есть нестабильность по выходному напряжению в зависимости от тока. При выходной нагрузке 10 Ом имеемРисунок 3.6. При выходной нагрузке 10 Ом на выходе и установке регулятора напряжения 20 В на выходе. Рисунок 3.7. При выходной нагрузке 10 Ом на выходе и установке регулятора напряжения 10 В на выходе. Рисунок 3.8. При выходной нагрузке 10 Ом на выходе и установке регулятора напряжения 1 В на выходе. С моделируем данную схему с токоограничителем на выходе как на рисунке 3.1.Отрегулируем максимальный ток выходной источника тока около 20 А. Нагрузку возьмем минимальную R8 = 0.05 Ом. Отрегулируем максимальное выходное напряжение на нагрузке 20 Ом на регуляторе напряжения U2 около 20 В.Рисунок 3.9. При выходной нагрузке 0.05 Ом на выходе и установке регулятора тока 20 А на выходе. Рисунок 3.10. При выходной нагрузке 0.1 Ом на выходе и установке регулятора тока 20 А на выходе. Рисунок 3.11. При выходной нагрузке 1 Ом на выходе и установке регулятора тока 20 А на выходе. Рисунок 3.12. При выходной нагрузке 5 Ом на выходе и установке регулятора тока 20 А на выходе. Рисунок 3.13. При выходной нагрузке 12 Ом на выходе и установке регулятора тока 20 А на выходе.Рисунок 3.14. При выходной нагрузке 20 Ом на выходе и установке регулятора тока 20 А на выходе.По заданию выходная мощность на выходе ВИП должна быть 20 Вт в пределах напряжения 1…18 В. На ВАХ такая зависимость тока от напряжения должна выглядить как зеленая линия на графике. Для схемы с источником напряжения и тока мы получили зависимость ввиде красной линии. Рисунок 3.15.Красный график получен в модели при наличии источника тока с постоянным напряжением и бесконечной мощности. На самом деле перед данным резулятором должен находиться преобразрватель AC–DCкоторый имеет свое внутреннее сопротивление и имеют свою зависимоть по выходным значения тока и напряжения. В качестве такого элемента рассмотрим импульный проеобрахователь. Поскольку БП должен управлять выходным напряжением в широком диапазоне от 1 В до 18 В, то для увеличения КПД преобразователя в БП разумным является ввести в блок однотактный преобразователь напряжения с прямым включениемдиода выпрямителя.Однотактный преобразователь напряжения с прямым включениемвыпрямительного диода (рис. 3.4) применяется в диапазоне мощностей от 10 до2000 Вт и может работать в двух режимах: непрерывного (НТ) и прерывистого (ПТ)тока нагрузки. Основные расчетные соотношения параметров и принципиальнаясхема приведены ниже.Выходное напряжение ОПН в режиме:Рис. 3.16. Схема однотактного преобразователя с прямымвключением выпрямительного диода.Амплитуда импульса коллекторного тока в режиме:Емкость конденсатора выходного фильтра в режиме:Индуктивность дросселя плюс индуктивность вторичной обмоткитрансформатора, необходимая для получения режима НТ, должна быть больше, чем:Для управления однотактным преобразователем применим простейший мультивибратор содержит времязадающуюцепочку R1C1 и резисторный делитель напряжения в цепи положительной обратнойсвязи R2R3 (рисунок 3.5.). Изменяя уровень напряжения в цепи делителя напряжения обратнойсвязи через резистор R4, можно изменять и относительную длительность импульсовмультивибратора. При нулевом управляющем напряжении и равенствесопротивлений резисторов R2, R3 длительности t1и t2 и будут равны. Из курса ТОЭизвестно, что напряжение на конденсаторе в любой произвольный момент времениопределяется равенствомгде Uпор1 и Uпор2 - напряжения переключения компаратора в моменты равенстванапряжений на его входах “а” и “б” (U U а в и ), которые можно определить без учетавлияния напряжения управления как:Рис. 3.17. Схема широтно-импульсного модулятора на автоколебательноммультивибраторе с интегральным компаратором (а) и временные диаграммыего работы (б).Решая уравнение (даны выше), определяем длительности и период повторенияимпульсов:Период колебаний при равенстве R1 и R3 равен Т=2,2 R1C1. Поскольку,подавая напряжение управления, мы не изменяем Uвых , то и период колебанийизменяться не будет, но изменения величин Uпор1 и Uпор2 будут приводить кизменению относительной длительности импульсовCмодель автогенератора на частоту около 10 кГц.Рисунок 3.184 Конструкция модуля4.1 Структурная схема ВИПРисунок 4.1. Структурная схема ВИП.Выбираем структуру нашего модуля как показано на рисунке 3.19. Выбор данной структуры обусловлен прежде всего техническими требованиями по напряжению и выходной мощности, а также ограниченными габаритными размерами. Использование прямого преобразования 220В в постоянное напряжение 300 В (максимальное значение) и дальнейшее преобразование 300В в более низкое, импульсным преобразователем, обусловлено выходным током в 20 А на выходе ВИП при 1 В. Импульсные преобразователи при малых габаритных размерах могут выдавать большой ток на любое напряжение в отличии от преобразования переменного напряжения 220В в более низкое и дальнейшим выпрямлением. Прежде всего, это связано c габаритами трансформаторов на частоте 50 Гц и 10 кГц способных выдавать ток в 20 и более ампер для питания нагрузки. Если для трансформатора в 50 Гц нужно применить 100 и более витков толстого провода во вторичной обмотке, то для трансформатора на высокой частоте достаточно использовать пару витков. Использование токоограничителей во вторичной цепи питания позволяет предохранять ВИП от короткого замыкания. В нашей схеме применены два ограничителя. Первый ограничивает ток в выходной цепи трансформатора, следовательно, ограничен ток и во входной цепи. Этот токоограничитель предохраняет входную цепь от больших токов при наличии КЗ на выходе ВИП. Второй токоограничитель на 20 А ограничивает ток нагрузки и предохраняет регулятор напряжения на выходе ВИП от КЗ. Выходной регулятор напряжения служит для ограничения напряжения на выходе ВИП. Вентилятор служит для более эффективного отвода тепла от ВИП при его работе. Активные потери ВИП при большом токе на выходе могут достигать 160 Вт. Для конструкции ВИП малых размеров отвод такого количества тепла только естественным способом является проблемой.Преобразователь 220 В в постоянное 12 В служит для питания задающего генератора 10 кГц, индикатора напряжения и тока. 4.1 Принципиальная схема и работа модуляМодуль ВИП состоит из трех плат A1 – A3.Плата A1 – преобразует 220 вольт переменного напряжения в постоянный. Преобразование проводится на выпрямителе VD1. После этого c помощью однотактного преобразователя производится преобразование постоянного напряжения 220 вольт в источники тока 4 А и 20 А. Применены два источника тока поскольку выходное напряжение ВИП 1…18 В, а выходная мощность 20 Вт, что определяет выходной ток для напряжения в 1 В около 20 А, а для 18 В ток около 1.2 А. Источник тока 4 А выдает максимальное напряжение в 24 В, а источник тока 20 А выдает напряжение 6 В. Поэтому они работают в разных диапазонах по выходному напряжению. Источник тока 4 А выполнен на транзисторе VT2. Для разделения их влияния друг на друга по выходам, введены разделительные диоды VD5 и VD6. Режим работы однотактного преобразователя напряжения задается генератором на плате A2. Генератор питается источника питания 12 В. Для питания генератора применен маломощный трансформатор и выпрямитель на ток 0.1А. Можно применить и стандартный сетевой источник питания на 12 В. Выходная плата А3 выполнена на основе схемы блока питания с регулировкой напряжения и тока 1…18В, которая описана в предыдущем разделе.Рисунок 4.2С моделируем схему прибора упрощено в мультисиме. Полностью схема не вмещается, а на преобразователях просто не работает.Рисунок 4.3. Сопротивление нагрузки 20 Ом.Видим, что на выходе на нагрузке 20 Ом напряжение равно 27 В. На выходе 1 трансформатора около 28 В, а на выходе второго около 10 В. В качестве ограничителя тока в цепи 1 трансформатора используем сопротивление 2 Ом.Уменьшаем сопротивление нагрузки и отмечаем напряжения после трансформаторов и на самой нагрузке. Рисунок 4.4. Сопротивление нагрузки 5 Ом.Рисунок 4.5. Сопротивление нагрузки 1 Ом.С минимальной нагрузкой 0.05 Ом суммарное сопротивление на выходе будет 0.2 Ом.Рисунок 4.6. Сопротивление нагрузки 0.2 Ом.При КЗ: Отсутствии нагрузки 0.05 Ом. Остаточное сопротивление в схеме 0.15 Ом. Рисунок 4.7. Сопротивление нагрузки 0.15 Ом.На нагрузочной ВАХ получаем следующую характеристику синим цветом.Рисунок 4.8. Нагрузочные кривые. Зелена по заданию. Красная по регулятору напряжения и выходному ограничителю тока.Суммарная ВАХ должна примерно выглядеть следующим образом – коричневым цветом.Рисунок 4.9. Нагрузочная кривая ВИП – коричневого цвета.4.2Выходная плата ВИПДля выходной платы ВИП c токоограничителем и регулятором напряжения применим стеклотекстолит ВФТ-С. Это листовой слоистый материал на основе конструкционной стеклоткани и модифицированного термореактивного связующего. Производится согласно ГОСТ 10292-74. Материал трудно горюч, нетоксичен. Изделия из стеклотекстолита ВФТ-С влагостойкие, прочны, могут длительно работать при температурах до 350OС, кратковременно — до 1000'С. Стеклотекстолит ВФТ-С поставляется листами толщиной 0, 8-35 мм размером до 1000х2450 мм.В нашем случае выберем толщину листа 1.5 мм, который обладает достаточной прочностью для крепления радиаторов.Главным достоинством этого материала – удовлетворяет требованиям безопасности. Текстолит ВФТ-С не токсичный, трудно горючий материал. Степень транспортной опасности согласно ГОСТ 19433, п. 9.2. Рисунок 4.10. Плата токоограничителя и регулятора напряжения.4.3. Сборочный чертеж ВИПРисунок 4.11. Вид в сборке.Определим необходимый поток воздуха для охлаждения устройства.Количество отводимого тепла воздухом объемом VДолжно равняться максимальной мощности выделяемой ВИП = 160 Вт.Пусть разница в нагреве подводимого и отводимого воздуха равна 100. Объем необходимого воздуха м3 или 10 литров Таким вентилятором является обычный вентилятор блока питания компа.4.4 Расчет надежности ВИПРасчет надежности ВИП сводится к расчету основного показателя надежности любого устройства [19] – времени средней наработки на отказ То.Расчет времени средней наработки на отказ будем проводить на основании среднестатистических значений отказов элементов эл i, которые входят в состав ВИП 3. Поскольку в нашем устройстве применяется импортная комплектация, то можно использовать данные для отдельных групп элементов. Таблица 3. Среднестатистические значения отказов отдельных элементов и их групп.ЭлементыКоличество NλЭЛ i·10-6 1/чN·λЭЛ i ·10-6 1/чРезисторы170,162,72Конденсаторы керамические10,150,15Конденсаторы элетролитические40.41.6Микросхемы10,010,01Транзисторы мощные50,94,5Регуляторы212Трансформаторы20,51Диоды90,050,45Индикаторы212Клеммы212Среднестатистические значения отказов всех элементов λэл сумм, ·10-6 1/ч16,43Расчет средней наработки на отказ произведем по формуле [3]:То=1/λэл сумм, Произведем расчет:То=1/ 16,43·10-6= 60868 ч.Полученное значение времени наработки на отказ удовлетворяет требованиям технического задания с большим запасом.ЗаключениеВ практике проектирования различных устройств сложилась определенная закономерность принятия решений для разработки изделий c заданными характеристиками при минимальной стоимости. На первом этапе – формировались требования к проектируемому устройству. На втором этапе – проводились исследования существующих конструкций и принципов работы по аналогичным устройствам. На третьем этапе проведен анализ устройств, подобных проектируемому. Рассмотрены построения схем в нескольких вариантах,На четвертом этапе проведен – выбор элементной базы. Для этого ориентировочно оценены режимы работы наиболее нагруженных узлов силовой части изделия. На пятом этапе проведена разработка принципиальной схемы. На этом этапе проведен расчет всех элементов схемы, которые нельзя было реализовать на типовых и унифицированных узлах и блоках. На шестом этапе проведена оценка габаритных и вид конструкторских узлов устройства. Список литературы Donald G. Fink, H. Wayne Beatty, Standard Handbook for Electrical Engineers Eleventh Edition, Mc Graw Hill, 1978,  page 7-30 Texas Instruments LM2825 Integrated Power Supply 1 A DC-DC Converter, retrieved 2010-09-19  Linear Technology μModule Regulators, retrieved 2011-03-08 Alley, Charles; Atwood, Kenneth (1973). Electronic Engineering. New York and London: John Wiley & Sons. p. 534. Harding, Scharon (September 17, 2019). "What Is a MOSFET? A Basic Definition". Tom's Hardware. Retrieved 7 November 2019.^ "Intel's Haswell Takes A Major Step Forward, Integrates Voltage Regulator". hothardware.com. 2013-05-13. Retrieved 2013-11-14.^ Bob Dobkin, John Hamburger. "Analog Circuit Design Volume Three: Design Note Collection". John Seago. Chapter 16: "2-step voltage regulation improves performance and decreases CPU temperature in portable computers." 2014. p. 37.^ Mike Chin (2004-06-15). "Athlon 64 for Quiet Power". silentpcreview.com. p. 3. Retrieved 2013-12-21. Thermal Design Power (TDP) should be used for processor thermal solution design targets. The TDP is not the maximum power that the processor can dissipate. Lee, Thomas H. (2003). The Design of CMOS Radio-Frequency Integrated Circuits (PDF). Cambridge University Press. ISBN 9781139643771. Jun-Ichi Nishizawa (1982). Junction Field-Effect Devices. Semiconductor Devices for Power Conditioning. Springer. pp. 241–272. doi:10.1007/978-1-4684-7263-9_11. ISBN 978-1-4684-7265-3.c Moskowitz, Sanford L. (2016). Advanced Materials Innovation: Managing Global Technology in the 21st century. John Wiley & Sons. p. 168. ISBN 9780470508923. "The Foundation of Today's Digital World: The Triumph of the MOS Transistor". Computer History Museum. 13 July 2010. Retrieved 21 July 2019. Horowitz, Paul; Winfield Hill (1989). The Art of Electronics, 2nd Ed. UK: Cambridge University Press. pp. 182. ISBN 0521370957. The value for VBE varies logarithmically with current level: for more detail see diode modelling. "Power MOSFET Basics" (PDF). Alpha & Omega Semiconductor. Retrieved 29 July 2019. Duncan, Ben (1996). High Performance Audio Power Amplifiers (PDF). Elsevier. pp. 178–81. ISBN 9780080508047. Duncan, Ben (1996). High Performance Audio Power Amplifiers (PDF). Elsevier. pp. 177–8, 406. ISBN 9780080508047.18 Baliga, B. Jayant (2005). Silicon RF Power MOSFETS. World Scientific. ISBN 9789812561213.Проектирование радиопередающих устройств / под ред. В.В. Шахгильдяна. – М.: Радио и связь, 1993. – 512 с.