IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МНОГОЦЕЛЕВОГО РЕГУЛИРУЕМОГО БЛОКА ПИТАНИЯ
Сесюгин З.Д.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

На сегодняшний день известно большое количество устройств, питающихся от различной величины тока и напряжения. Кроме того, расчет число самодельных электронных устройств. В следствии чего создание многоцелевого блока питания является актуальным.

Цель работы – разработка и реализация функционального лабораторного блока питания (ЛБП) для тестирования, питания, исследования различных устройств. Известны лабораторные блоки питания с возможность изменения выходного тока и выходного напряжения с помощью специального модуля FBcontroller [1], с помощью регулирования через микропроцессер [4] или ПК [5]. Однако, мы предлагаем более простой способ регулирования выходных параметров, способом ограничения тока.

Для этого необходимо решить следующие задачи:

– изучение истории блоков питания, их классификации и современного устройства;

– произвести расчет лабораторного блока питания под заданную цель;

– подбор модулей для блока питания;

– проведение испытаний изготовленного устройства и проверка заданных характеристик.

Методами исследования данной работы являются: анализ литературы, сравнение разных способов проектирования блоков питания, синтез известных модулей для сборки регулируемого блока питания, моделирование блока питания, расчет выходных параметров устройства, сборка и оптимизация корпуса ЛБП, построение принципиальной электрической схемы изготовленного и предполагаемого устройства.

В результате выполненной работы получен лабораторный блок питания с возможность регулировать ток и напряжение. Спроектирована модель ЛБП с возможность управлять через компьютер, и имеющая встроенный осциллограф и тестер.

Глава 1. Основные сведения о блоках питания1.1 Исторический аспект БП

Одним из первых изобретателей в области источников питания был А. Вольта в начале 19 века. В 1876 году изобретен трансформатор, патент на который получил П.Н. Яблочков. Конец 19 века известен открытиями Н. Теслы – генератор переменного тока, и К.Ф. Брауна – выпрямитель на кристалле (диод). Уже в начале 20 века открыта электронная лампа Д.А. Флемингом. Тем самым данные открытия послужили появлению нового направления в физике – электроники, основным объектом которой является создание устройств преобразование электромагнитной энергии для различных целей.

Для работы электронных приборов и устройств необходимы источники питания, которые подразделяются на первичные и вторичные.

К первичным относятся источники, непосредственно вырабатывающие электрическую энергию: аккумуляторы, батареи, солнечные батареи, генераторы постоянного и переменного тока.

Вторичные источники питания преобразуют энергию первичного источника в энергию питания конкретных электронных устройств, радиоэлектронной аппаратуры, измерительных приборов.

Питание широко используемых электронных устройств и бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется в основном вторичными источниками питания, преобразующими энергию переменного тока с номиналами напряжения 5, 9, 12, 15 и 27 В.

1.2 Классификация БП

Одно из устройств, которое всегда требует оптимизации и усовершенствования на базе постоянно развивающихся материалов и технологий – блок питания. На сегодняшний все устройства работают от постоянного тока, преобразуя переменный.

Первый вид БП – трансформаторные. Он преобразует напряжение сети 110-220 В, частотой 50-60 Гц в напряжение постоянного тока. Как правило, состоят из трансформатора, выпрямителя и сглаживающего фильтра, где последний может быть заменен на стабилизатор напряжения.

Рис. 1. Трансформаторный блок питания

Второй вид – импульсные, впервые появились в 1940-х годах. Для блоков питания в 1976 году была разработана интегральная схема и уже на сегодняшний день существуют самые различные по напряжению и току и мощности в целом блоки питания. Данный аспект подводит к тому, что разнообразие устройств и приборов на столько велико, что необходимо иметь сразу большое множество питающих устройств.

Эту проблему решает регулируемый блок питания. Первое упоминание о нем встречается в журнале «Радио» [2]. Предназначен данный лабораторный блок питания (ЛБП) для использования в домашней мастерской. Имеет следующие характеристики, представленные в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики ЛБП для радиолюбителя

Характеристика

Пределы изменения

Выходное напряжение

0-40 В

Максимальный ток нагрузки

1 А

Коэффициент стабилизации

2500

Амплитуда пульсаций выходного напряжения

0,15 мВ

Однако, потребляемая мощность новых устройств со временем меняется в сторону увеличения и появляются импульсные лабораторные блоки питания с актуальными характеристиками, что показано в таблице 2 [2]. Отмечается высокая стабильность, многоцелевое назначение: от зарядки аккумуляторов до питания электролизера.

Таблица 2. Характеристики импульсного ЛБП для радиолюбителя

Характеристика

Пределы изменения

Выходное напряжение

0-30 В

Максимальный ток нагрузки

5 А

Особый интерес среди БП представляют блоки питания стандарта АТХ, для компьютеров [4]. Общая схема приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Компьютерных блок питания

Хотя и данный БП не является регулируемым, он содержит выводы на 12 В, 5 В, 3,3 В и обладает высоким КПД, порядка 70%. Благодаря его распространённости мы предлагаем его использовать в качестве основного питающего элемента в схеме с ЛБП.

В последствии появились БП с управлением через микроконтроллер [5] или компьютер [6], один из которых представлен ни рисунке 3.

Рис. 3. Управляемых блок питания

1.3 Характеристики БП

Таким образом, у современных БП выделают следующие характеристики:

1) Выходная мощность – максимальная суммарная нагрузка, при которой БП может работать неограниченно долго.

2) Максимальный ток нагрузки – допустимый ток нагрузки на каждой шине.

3) Защита – защита по максимальной выходной мощности, защита от замыкания шин между собой, контроль выходного напряжения, защита от перегрева.

4) КПД – отношение отдаваемой на нагрузку мощности к активной мощности, потребляемой блоком от сети питания.

5) Коэффициент мощности – отношение активной мощности к полной

а) мгновенная мощность – произведение тока на напряжение в данный момент времени;

б) активная мощность – мощность, выделяющаяся на чисто резистивной нагрузке, измеряется она в ваттах. Активная мощность целиком идет на полезную работу (нагрев, механическое движение), и обычно именно ее понимают под потребляемой мощностью.

6) Охлаждение:

а) активное охлаждение, принудительный обдув греющихся элементов с помощью вентилятора;

б) регулировка скорости вентилятора. Как правило, скорость зависит от температуры внутри блока питания;

в) эффективное использование решетки вентилятора.

Глава 2. Практическая часть2.1 Проектирование ЛБП

Схема подключения составляющих элементов ЛБП приведена на рисунке 1. Принцип работы заключается в следующем. На вход (1) подается переменное напряжение из сети, через ключ (2), которое попадает на блок питания (3), затем преобразуется в постоянное значение напряжения 24 В. Для регулирования данного значения установлен понижающий стабилизирующий модуль (4) по току (5) и напряжению (6), после чего получается необходимая величина тока (не более 10А) и напряжения на выходе (7), что отображает вольтамперметр (8). Для предотвращения перегрева компонентов в ЛБП встроена система охлаждения, которая запускается с помощью термореле (9) при 30 0С. Система охлаждения состоит из двух вентиляторов и радиаторов, расположенных на блоке питания (3) и преобразователе (4), настроенных на вдув и выдув воздуха соответственно.

Рис. 4. Схема ЛБП: 1 – вход 220 В, 2 – ключ, 3 – блок питания с преобразователем на 24 В, 4 – преобразователь тока и напряжения,

5 – регулятор силы тока, 6 – регулятор напряжения,

7 – выход, 8 – вольтамперметр, 9 – термореле.

2.2 Создание ЛБП

Лабораторный блок питания выполнен в корпусе бесперебойного питания, что помогает компактно и функционально разместить все компоненты. Основу данного ЛБП составляют: блок питания, преобразователь тока и напряжения, понижающий напряжение модуль, вольтамперметр, термореле, реостаты, ключ.

Рис. 5. Изготовленный ЛБП: 1 – вход 220 В, 2 – включение,

5 – регулятор силы тока, 6 – регулятор напряжения, 7 – выход,

8 – вольтамперметр, 9 – индикатор термореле.

Таким образом, разработанный ЛБП (рис. 5) позволяет регулировать напряжение от 1,2 до 24 В, силу тока до 10 А. Себестоимость проекта составляет 2500 руб., что ниже среднестатистической стоимость на подобные устройства. Совмещенная функция ЛБП с удлинителем и USB не имеет аналогов и является функциональным дополнением, необходимым для тестирования сразу нескольких устройств, а наличие режима ограничения по току позволяет использовать его как универсальное зарядное устройство для аккумуляторов.

2.3 Усовершенствование ЛБП

С быстро изменяющимися технологиями растет число мощных и сложных устройств, требующих большую мощность и тестирование. Так, предлагаем вариант ЛБП с дополнительными модулями для тестирования любой современной техники (рисунок 6).

В качестве повышающих модулей используется DC-DC повышающий преобразователь постоянного тока до 10 А, с выходным напряжением до 50 В.

В роли БП выступает DPS5020 на 50 В и 20 A с возможность подключения к ПК и управлением через Bluetooth. Дополнительные модули: цифровой осциллограф DSO138 и многофункциональный тестер GM328, которых необходимы для детального тестирования на высоком уровне любой техники.

Функцию вольт-амперметра выполняет цифровой DC 200, термореле W1209 (12 В, 30 мА). Понижающий модуль - XL4016 (до 8A).

Рис. 6. Регулируемый многоцелевой блок питания:

ПМ – повышающий модуль, БУ – блок управления, О – осциллограф,

ТР – термореле, П – понижающий модуль, ВАМ – вольт-амперметр,

ГЧ – генератор часто, Т – тестер.

Таким образом, подобный ЛБП позволяет выдать 3 кВт в сумме со всех выходов, и может быть использован для зарядки емких аккумуляторов, тестирования мощной аппаратуры. Создание устройства запланировано на начало 2018 г.

Заключение

В результате выполнения работы изучены основные сведения о блоках питания: трансформаторных и импульсных, компьютерных с выделенным напряжением 5 В и 12 В. Отмечены регулируемые блоки питания (ЛБП) через микроконтроллер, компьютер и посредством модулей ограничения тока, которые использовался в данной работе.

Определена функциональная схема ЛБП с выходными характеристиками: напряжение – до 24 В, сила тока – 10 А. Разработка выполнена в корпусе бесперебойного питания APC и заметно модернизирована.

Разработанный ЛБП позволяет запутывать разных электронные устройства. В нашем случае использован для проекта «Ионофон», исследования электролиза воды, тестирование и подключение различных приборов.

Предложена схема многофункционального мощного ЛБП для специфических задач.

Список литературы

1. Демянчук Я.И. Разработка лабораторного блока питания // Международная научно-практическая конференция молодых исследователей им. Д.И. Менделеева: материалы конференции. Изд-во: ТИУ (Тюмень). – 2016. –С. 421–424.

2. Сухов Н. Лабораторный блок питания / Радио. – №11, 1980.– С.46-48.

3. Мороз К. Импульсный блок питания 0..30 В, 0,01…5 А / Радио. – №4, 2008.– С.23-24.

4. Компьютерный блок питания – Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Компьютерный_блок_питания#ATX (дата обращения: 01.11.17).

5. лабораторный блок питания с управлением от микроконтроллера URL: http://avr.ru/ready/contr/power/power (дата обращения: 01.11.17).

6. Сирик И.М. Особенности разработки лабораторного блока питания с компьютерным управлением // ВГУ им. А.Г. и Н.Г. Столетовых тезисы доклада. – 2016.