Разработка универсального блока питания (УБП-1)

VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Разработка универсального блока питания (УБП-1)

Долбилов Г.В. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа № 2 с углубленным изучение физики, математики, русского языка и литературы"
Зайцева Е.И. 1
1Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа № 2 с углубленным изучением физики, математики, русского языка и литературы"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Идея разработки универсального блока питания ко мне пришла в связи с тем, что я часто пользуюсь различными источниками электропитания. Потребность в источниках у меня возникает вместе с ростом количества электронных устройств (телефонные блоки питания, различные электронные платы управления), бытовой аппаратуры (электромоторы, вентелятор), зарядка внешних АКБ типа (Li-ion, AGM, GEL, Ni-MH,Ni-Fe), подключение светодиодной ленты (источника света) для своего рабочего стола.

У каждого технического средства свои требования к источнику питания. И при выходе из строя, приходится покупать новые, для каждого устройства свой источник, что влечет за собой существенные финансовые затраты. Поэтому создание универсального бока питания позволит исключить затраты на приобретение источников питания.

С таким предложением я обратился к дедушке. Он сказал, что можно самим изготовить блок питания, который будет удовлетворять мои потребности по запитыванию устройств. Было принято решение об изготовлении универсального блока питания (УБП-1).

Объект исследования: универсальный блок питания.

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.

Цель: создание универсального блока питания с возможностью использования в устройствах мощностью до 150 Вт.

Для достижения цели я поставил перед собой следующие задачи:

Изучить литературу по данной теме, а именно: что такое электрическая цепь, электронные компоненты цепи, правила сборки электронных схем, техника безопасности при выполнении работ по сборке и включению электрических устройств в монтажную схему.

Разработать блочную схему универсального блока питания.

Смонтировать элементы блока питания.

Провести экспериментальные испытания универсального блока питания.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Основные сведения об электронных приборах

Электроника — это наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями, о методах, охватывающих исследование и разработку электронных приборов, и о принципах их использования. [14]

Электронные приборы — это устройства, работа которых основана на использовании электрических, тепловых, оптических и акустических явлений в твердом теле, жидкости, вакууме, газе или плазме. Электронные приборы используются как элементы радиоэлектронной аппаратуры, не подлежащие сборке, разборке и ремонту.

Основные наиболее общие функции, выполняемые приборами, состоят в преобразовании либо информационных сигналов, либо энергии.

Название "электронные приборы" связано с тем, что все процессы преобразования сигналов и энергии происходят либо только за счет движения электронов, либо при их непосредственном участии.

Основными задачами электронного прибора как преобразователя информационных сигналов являются: усиление, генерирование, передача, накопление и хранение сигналов, выделение их на фоне шумов.

Наиболее часто электронные приборы классифицируются по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, по роду рабочей среды и т. д.

В зависимости от назначения и выполняемых функций электронные приборы разделяются на выпрямительные, усилительные, генераторные, переключательные, преобразовательные, индикаторные и т. д. По диапазону рабочих частот — на низкочастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные; по мощности — на маломощные, средней мощности и мощные.

Основные понятия о режимах и параметрах электронных приборов

Понятие режима электронного прибора включает совокупность условий, определяющих его работу.[7] Если режим работы прибора соответствует требованиям нормативно-технической документации для эксплуатации прибора данного типа, то такой режим называют типовым. Любой режим определяется совокупностью величин, которые называют параметрами. Параметром режима электронного прибора называется любая величина, характеризующая режим прибора; например, электрические параметры режима — это токи, напряжения и т. д. Различают:

электрический режим, который определяет величины напряжений на электродах и токи в их цепях,

механический режим — это совокупность механических воздействий на работающий прибор (удары, тряска и т. п.),

климатический режим, который определяет интервал рабочих температур, относительную влажность окружающей среды, уровень радиации и т. д.

Численные значения функциональных параметров, установленные нормативно-технической документацией, называются номинальными значениями. Оптимальные условия работы прибора при эксплуатации, испытаниях или измерениях его параметров определяются номинальным режимом. Кроме номинальных, для электронных приборов рассматривают предельные параметры, которые характеризуют предельно допустимые режимы работы прибора, например, максимально допустимые значения напряжений на электродах прибора, максимально допустимую мощность, рассеиваемую электродом или прибором в целом, и т. д.

Кроме параметров режима, различают параметры электронного прибора, которыми называются физические величины, характеризующие общие свойства прибора (например, коэффициент усиления, внутреннее сопротивление, междуэлектродные емкости и т. д.).

Классификация блоков питания

По исполнению, лабораторные блоки питания бывают[8]:

Линейные (классические трансформаторные),

Импульсные (инверторные).

По типу, лабораторные блоки питания (ЛБП) бывают:

одноканальные;

двухканальные;

трёхканальные;

В зависимости от мощности, разные модели дают на выходе:

напряжение: 0..15В(18В) ..30В(32В) ..(50В)60В

ток: 0..2А(3А) ..5А ..10А ..20А ..30А

В регулируемых лабораторных блоках питания предусмотрена раздельная регулировка выходных параметров напряжения и тока.

Важнейшие характеристики отражены в названии модели блока питания. Этот международный стандарт именования, с незначительными различиями, поддерживают практически все производители (кроме отечественных):

Максимальная выдаваемая мощность (напряжение и ток) отражена числом (обычно 4-значным, редко 3- или 5-), например: "3005" (напряжение до 30В и максимальный ток до 5А); "1502" (до 15В и до 2А)

Буквы до номера — это код производителя ("PS..", "HY..", "AX..")

Второе число после чёрточки — число каналов (например, два канала "HY3005-2", три канала "HY3005-3").

В своей работе я также рассмотрел «плюсы» и «минусы» различных блоков питания, в частности одноканальных, многоканальных и специализированных.

Аналоговые индикаторы в блоках питания

В большинстве блоках питания часто можно увидеть стрелочные индикаторы. Данные индикаторы при эксплуатации имеют ряд недостатков:

Шкала стрелочного индикатора неточная: например, если блок питания рассчитан до 5А — то и амперметр соответственно проградуирован до 5А — следовательно, трудно разглядеть десятые доли ампера, и вообще невозможно сотые. (Аналогичное справедливо и для напряжения.)

Снять точный номинал потребляемого тока, точно подстроить напряжение — на стрелочных блоках питания это проблема.

Шкала стрелочного индикатора плохо масштабируется. Так что, если вы потом решите переделать свой блок питания, то учтите, что расширить ему диапазоны не удастся!

Справедливости ради, надо отметить, что популярность стрелочных индикаторов ещё обусловлена тем, что люди к ним привыкли с советских времён. А цифровые индикаторы — это новомодные тенденции.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Обоснование характеристик блока питания

Блок питания необходим каждому радиолюбителю. Благодаря этому устройству возможно получать любые напряжения постоянного тока для питания того или иного изделия, а также производить подбор соответствующих параметров питания, тестовую проверку изделия или определенного узла цепи.

Исходя из назначения блока питания и области применения, мною были рассмотрены основные критерии. К основным критериям блока питания стоит отнести функциональность, надежность, эргономику.

Особое внимание, при рассмотрении блоков питания, я обратил:

- на массу и внешние размеры;

- напряжение на выходе и ток;

-количество каналов питания и выходов;

-защиты электрических каналов (от превышения температур электронных компонентов и тока в цепи);

-эргономику и эстетичный внешний вид.

Для анализа я решил рассмотреть блоки питания разных моделей одной фирмы.

В таблице 1 представлена сводная информация.

Таблица 1.

Сравнительные характеристики блоков питания

Наименование характеристики

AXIOMET AX-3005D

AXIOMET AX-3005D-3

Планируемый блок питания

Количество каналов

Одноканальный

Многоканальный

Двухканальный

Выходное напряжение

0...30V

0...30V

0...24V

Выходной ток

0...3А

0...3А

0...10А

Вес, кг

6

13

Менее 13 кг

Габариты, мм

291 x 158 x 136

164 x 265 x 365

Менее

164 x 265 x 365

Внешний вид

     

Индикация

цифровые LCD-индикаторы

цифровые LCD-индикаторы

Цифровые индикаторы

Потребительские характеристики

Корпус содержит в себе большие клеммы, удобные кнопки, имеется ручка сверху на корпусе, для переноски

Корпус содержит в себе большие клеммы, удобные кнопки, имеется ручка сверху на корпусе, для переноски

Корпус с удобными кнопками и ручками для регулировки

Цена, руб.

12000

24300

Около 3000

Состав универсального блока питания

Для начала я ознакомился с вариантами изготовления лабораторных блоков питания, которые являются самодельными вариантами. [5]

В интернете оказалось большое количество схем блоков питания (рисунок 15).

Рис.15. Предлагаемые схемы блоков питания в сети интернет.

Я остановился на схеме источник питания с регулируемым диапазоном напряжений (рисунок 16).

Рис.16. Схема источника питания с регулируемым диапазоном напряжений.

Было принято решение о заказе требуемых радиодеталей на сайте Aliexpress. К моему удивлению на сайте предлагались собранные блоки, и я решил собирать из радиоэлементов и блоков.

Согласно планируемым техническим характеристикам лабораторного блока питания был выбран блок питания АС 85-265V [6] (AC220V-DC24V). Схематичное изображение представлено на рисунке 17.

Рис.17. Схема простейшего блока питания.

К этой схеме добавим еще элементы и получим первый канал питания (рисунок 18).

Рис.18. Схема блока питания, содержащая первый канал.

Первый канал планируется собирать, используя импульсный блок питания АС 85-265V (AC220V-DC24V), преобразователь DC-DC (24V÷1.2-24V), вольтамперметр (100V; 10А), это позволит регулировать (с помощью переменных сопротивлений R1 и R2) величину выходного сигнала (на разъёме XP2) от 1,2V до 24V, с токовой нагрузкой до 10А.

Для предотвращения выхода из строя электронных элементов (вследствие нагрузок выше допустимых) данный канал питания будет иметь защиту в виде программируемого контроллера (W1209), который будет управлять вентилятором (куллером) (В1) системы охлаждения электронных плат.

Уточним схему – добавим второй канал питания (рисунок 19)[14].

Рис.19. Схема блока питания, содержащая первый и второй каналы.

Второй канал будет собран на импульсном блоке питания LED STRIN 15W (AC220V – DC12V) и иметь постоянное напряжение - 12V на разъёмах ХР3 (типа «Джек») и ХР4 (типа «Крона»), подключение данных разъёмов будет осуществляется с помощью выключателей Q3 и Q4.

Кроме того, в данном источнике питания дополнительно предусмотрю вентилятор (В2) (с «ручным» управлением с помощью выключателя Q2) системы охлаждения.

Индикация включённых элементов блока питания будет осуществляется с помощью светодиодов VD1 ÷ VD2.

Общее питание (~220V) будет подаваться с помощью выключателя ХР1 и будет защищено предохранителем FU (2А).

Для повышения надежности блока, при его проектировании, я старался:

обеспечить легкие электрические, тепловые рабочие режимы деталей и материалов конструкции, их правильный выбор;

обеспечить надежную защиту от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов;

обеспечить ремонтопригодность изделия, используя функционально-блочный метод конструирования.

Основные элементы универсального блока питания представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Элементы схемы универсального блока питания[4]

Обозначение на схеме (рис.19)

Элементы схемы блока питания

Параметры

3

Преобразователь DC-DC

Входное напряжение 24 V

Выходное напряжение (­1,2 ÷ ­24 )V

1

Блок питания импульсный АС 85 ­ 265V

Входное напряжение ~220V

Выходное напряжение 24V

2

Блок питания импульсный LEDSTRIN 15W

Входное напряжение ~220V

Выходное напряжение 12V

4

ВольтАмперметр

Max измеряемое напряжение 100V

Max измеряемый ток 10А

5

Термоконтроллер программируемый W1209DC12B

Диапазон регулирования от ­ 50ºС до +110ºС

B1 , B2

Вентилятор B1 ­ BRUSHLESSFAN, B2 ­ BRUSHLESSDW-12V

B1 ­ DC 12V 0,15А

B2 ­ DC 12V 0,1A

Q0

Переключатель сетевой MST

AC 6A 125V

AC 3A 250V

Q1 ÷ Q4

Переключатель MT-3

Рабочее напряжение 250V

Рабочий ток 3А

XP1

Разъём питания АС-11

220 V (П) на блок

XP2

Розетка

~ 220V, 6A

XP3

Разъём типа «Джек»

12V

XP4

Разъём типа «Крона»

12V

R1 , R2

Переменные сопротивления

35908-2-103L

RES 10K ± 5%

FU

Предохранитель плавкий

2А

VD1÷VD4

Светодиод в корпусе

12 V DC

Монтаж элементов блока питания

Спустя пару недель после заказа я получил долгожданные элементы и блоки. Все компоненты электрической цепи я соединил проводами согласно схеме и правилам монтажа электрической цепи.[8]

При монтаже элементов блока питания необходимо было сделать основные шаги:

1. Зачистить концы проводов подключения на 3-5 мм.

2. Присоединить провода к элементам блока питания.

3. Соблюдая полярность, соединить элементы блока питания.

Все работы я проводил согласно правилам безопасной работы с электрооборудованием.[9]

Из-за выведенного на корпус разъема ХР3, один контакт которого находиться на корпусе УБП-1, сделана дополнительная изоляция в зоне контакта разъема (ХР3) и корпуса блока питания.

Сборка блока питания

Процессом сборки называют совокупность операций, в результате которых, детали соединяются в изделие.

Корпусом блока питания явился вышедший из строя прибор.

Продумав различные варианты сборки, я выбрал оптимальную последовательность компоновки.

Я последовательно выполнял операции - подключал блоки и элементы (рисунок 20).

   

Рис.20. Сборка универсального блока питания: пайка элементов, сборка без вентилятора, сборка с вентилятором.

Д алее я придумал условное обозначение универсального блока питания (УБП) - УБП-1. Цифра один обозначает то, что это у меня первый блок питания, который собрал самостоятельно. Внешний вид прибора получившегося блока питания представлен на рисунке 21.

Рис.21. Внешний вид прибора спереди и сзади.

После сборки я приступил к тестированию универсального блока питания: соединяю лампочку, рассчитанную на напряжение 12 V, мощностью 24 Вт с клеммами прибора. Затем начинаю потихоньку вращать переменный резистор. По показаниям ампервольтметра слежу за увеличением напряжения и тока. Как видно регулировка напряжения работает отлично (рисунок 22).

Рис.22. Испытание универсального блока питания

Дополнительно уточнил параметры выходного сигнала с помощью осциллографа (рисунок 23).

Рис.23 Выходной сигнал блока питания на осцилографе

Я получил прибор со следующими характеристиками:

Двухканальный блок питания

Выходное напряжение 1,2...24V

Выходной ток 0...10А при 1,2...15V и 0...6А при 15...24V

Выходное напряжение и ток 12V/1,2A

Защиты выхода от перенапряжения и от перенагрузки:

Интервал регулирования тока срабатывания защиты, 0,2…10А;

Температура включения вентилятора охлаждения, настраиваемая, по умолчанию 60°С;

Температура срабатывания тепловой защиты, настраиваемая, по умолчанию 50°С.

Корпус содержит в себе удобные кнопки и тумблеры

Цифровые LCD-индикаторы

Вес 1,23 кг

Габариты 135 x 90 x 155 мм

Стоимость универсального блока составила 2219 рублей. (таблица 3).

Таблица 3.

Стоимость элементов универсального блока питания

Порядковый номер

Элементы схемы блока питания

Цена, руб

1

Преобразователь DC-DC

250

2

Блок питания импульсный АС 85 ­ 265V

460

3

Блок питания импульсный LEDSTRIN 15W

150

4

ВольтАмперметр

200

5

Термоконтроллер программируемый W1209DC12B

111

6

Вентилятор B1 ­ BRUSHLESSFAN, B2 ­ BRUSHLESSDW-12V

89х2=178

7

Переключатель сетевой MST

70

8

Переключатель MT-3

45х4=180

9

Разъём питания АС-11

90

10

Розетка

50

11

Разъём типа «Джек»

70

12

Разъём типа «Крона»

60

13

Переменные сопротивления

90х2=180

14

Предохранитель плавкий

70

15

Светодиод в корпусе

25х4=100

16

Корпус

0

Итого

2219

Таким образом, я получил прибор с требуемыми мне характеристиками: низкой стоимостью, с меньшими габаритами, массой и необходимыми параметрами.

Эксперимент

Созданный мною универсальный блок питания можно применять для:

1. зарядки планшета и телефонного блока питания (SAMSUNG ab463446tu 750mAh Li-ion,), подключив к разъему ХР2 через «лягушку». Устанавливаем постоянное значение напряжения на ампервольтметре 3.7V и выставляем ограничение тока 0,4А. По окончанию зарядки сработало ограничение тока и соответственно аккумулятор заряжен (рисунок 24.).

а) б)

Рис.24. Зарядка планшета (а) и телефона (б).

2. Питание светодиодной ленты (LED 2835 DC 12v 1метр), подключив к разъему ХР3 (типа «Джек») 12V, получил постоянный световой источник (светодиодную лампу освещения рабочего стола) (рисунок 25).

Рис.25. Подключение светодиодной лампы.

3. питания электромотора (вентилятор бытовой) (NF-A20 PWM, 12V, 3.6W), подключив к разъему ХР2 через шлейф (типа «mini-2pin»), получив плавную регулировку частоты вращения вентилятора (при норме 12V – 600об/мин) (рисунок 26).

Рис.26. Подключение вентилятора.

4. подключения электронной платы управления (конвертор 24-12(V) LM2596S 3А xm1584), подключив к разъему ХР2 через клеммы. Я установил постоянное значение напряжения на ампервольтметре 12V и выставил ограничение тока 3А. Запитал преобразователь и получил на его выходе 12V, что соответствует параметрам технической характеристики конвертора.

Зарядка аккумуляторных батарей (рисунок 27)

а) б)

Рис.27. Зарядка внешнего аккумулятора типа Gerffins (а) и

аккумуляторных батарей типа Ni-Cd AA (б).

6. Питание электронной платы звукового генератора и самодельно изготовленного мощного светодиодного фонаря (рисунок 28).[9]

Рис.28. Подключение платы (а) и фонаря (б).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Моя гипотеза о возможности использовании прибора в любых устройствах мощностью до 150 Вт подтвердилась.

Я считаю, что справился с поставленными задачами, блок питания получился универсальным и удобным в использовании.

Я остался доволен своей работой. Мне не приходится расходовать средства родных на приобретение различных источников питания.

Данная моя работа доказывает то, что многие вещи можно сделать или изготовить собственными руками.

Я хочу поделиться работой в сети интернет, и помочь в создании блоков питания тем, у кого есть такая же затея.

Если у кого-то появятся идеи об улучшении конструкции УПБ-1, буду рад обсудить и внести изменения в конструкцию прибора.

Изготовив данный блок, пришла идея, как можно немного переделать схему и получить этот лабораторный блок питания с нуля вольт.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

Конструирование и технология электронных систем: пособие к курсовому проектированию / А.А. Костюкевич и [др.] – Минск: БГУИР, 2014. – 119 с.: ил.

Сборочно-монтажные процессы: учеб.-метод. пособие / В.Л. Ланин [и др.]. – Минск: БГУИР, 2013. – 67 с.

Конструирование радиоэлектронных средств: Учеб. пособие для студентов специальности « Конструирование и технология радиоэлектронных средств» / Н.С. Образцов, В.Ф. Алексеев, С.Ф. Ковалевич и др.; Под ред. Н.С. Образцов. – Мн. : БГУИР, 2010. – 201с.; ил.

Кундас С.П. Разработка и оформление технологической документации на процессы производства РЭС и ЭВС : метод. указания . В 2 ч. / С.П. Кундас, В.В. Боженков, Г.М.Шахлевич. – Минск. : МРТИ, 2011. – Ч.1 – 76 с. ; Ч.2 –86 с.

ГОСТ 27.003-2016. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.

ГОСТ 24750-81. Средства технические вычислительной техники. Общие требования технической эстетики

ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия.

ГОСТ 2.701-2008. Единая система конструкторской документации. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.

ГОСТ 12.0.002-80. Система стандартов безопасности труда.

В гостях у Самоделкина. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://usamodelkina.ru/jelektronika/blok-pitaniya

Радиолюбитель [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://radio-stv.ru/nachinayushhim-radiolyubitelyam

Сообщество EasyElectronics.ru [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://we.easyelectronics.ru/Tools/vybor-laboratornogo-bloka-pitaniya-chast-2.html

Diodnik [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://diodnik.com/laboratornyj-blok-pitaniya-svoimi-rukami-13-30v-0-5a/

Шишкин Г.Г. Электроника [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://studme.org/83070/tovarovedenie/elektronika

Электронные компоненты [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://fivel.ru/catalog/

Просмотров работы: 86