Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии» Импульсный преобразователь напряжения - umotnas.ru o_O
Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии» Импульсный преобразователь напряжения - umotnas.ru o_O
|
страница 1
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Похожие работы
|
Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии» Импульсный - страница №1/1
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ МОРДОВИЯ РЕГИОНАЛЬНЫЙ УЧЕБНЫЙ ОКРУГ Конкурс исследовательских работ учащихся «ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ БУДУЩЕЕ МОРДОВИИ» Импульсный преобразователь напряжения Авторы работы: Мамонов Алексей, Голяткин Алексей - студенты специальности «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования» ГБОУ РМ СПО (ССУЗ) «Саранский электромеханический колледж» Саранск 2013 Аннотация. В данной работе предлагается и обсуждается принципиальная схема и конструкторское исполнение импульсного повышающего DC-DC преобразователя 12/220В. Разработанный малогабаритный источник постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В предназначен для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения. Схема преобразователя отличается простотой, надежностью и набором недорогих и доступных элементов. Оглавление Введение……………………………………………………………………………..…………...4 1. Теоретическая часть…………………………………………………..………………………5 1.1 Основные типы преобразователей электрической энергии………………….………5 1.2 Импульсные преобразователи напряжения …………...………………….…….……..6 2.Экспериментальная часть………………………………………..……………………...…….9 2.1. Разработка принципиальной электрической схемы повышающего DC-DC преобразователя напряжения 12/220В.……………………………………………..…...….9 2.2 Конструкция, технология изготовления и испытание преобразователя………........10 2.3. Расчет себестоимости преобразователя..……………………………...…………..….11 Заключение………………………………………………………………………..……….……12 Список использованных источников и литературы…………………………..…...…………12 Введение В настоящее время на рынке электронной аппаратуры предложен большой выбор преобразователей. Они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и в быту. Преобразователи напряжения различаются своими функциональными возможностями, формой выходного напряжения, мощностью на выходе и соответственно ценой. В данной работе предлагается и обсуждается принципиальная схема и конструкторское исполнение повышающего DC-DC преобразователя 12/220В. Основными критериями при разработке преобразователя являлись малые габариты при высокой удельной мощности, простота технического решения, надежность и низкая цена. Целью исследования является разработка и изготовление малогабаритного источника постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В. Задачами исследования являются: -Изучить и проанализировать существующие типы преобразователей электрической энергии. -Разработать оптимальную электрическую схему и конструкцию преобразователя напряжения на 12-220В. -Изготовить преобразователь по разработанной схеме. -Провести испытание преобразователя, измерить входные и выходные характеристики и сделать выводы о его работоспособности. 1.1 Основные типы преобразователей электрической энергии.Преобразователь электрической энергии — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, частоты, числа фаз, формы сигнала). Для реализации преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД — важный параметр электротехнических устройств. Основными видами преобразования электрической энергии являются:
Рис. 1. Принцип действия выпрямителя.
Рис. 2. Принцип действия инвертора.
Рис. 3. Принцип действия преобразователя частоты.
Рис. 4. Принцип действия преобразователя постоянного напряжения. Существуют и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формирование определенной кривой переменного напряжения), в частности, формирование мощных импульсов тока, которые находят применение в специальных установках, регулируемое преобразование переменного напряжения. Все виды преобразований осуществляются с использованием силовых ключевых элементов. Основные типы полупроводниковых ключей - диоды, силовые биполярные транзисторы, тиристоры, запираемые тиристоры, транзисторы с полевым управлением. 1.2 Импульсные преобразователи напряженияДля преобразования напряжения одного уровня в напряжение другого уровня часто применяют импульсные преобразователи напряжения с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД, иногда достигающим 95%, и обладают возможностью получения повышенного, пониженного или инвертированного выходного напряжения. В соответствии с этим известно три типа схем преобразователей: понижающие, повышающие и инвертирующие. Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов: источник питания, ключевой коммутирующий элемент, индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивности, дроссель), блокировочный диод и конденсатор фильтра, включенный параллельно сопротивлению нагрузки. Включение этих пяти элементов в различных сочетаниях позволяет реализовать любой из трех типов импульсных преобразователей. Регулирование уровня выходного напряжения преобразователя осуществляется изменением ширины импульсов, управляющих работой ключевого коммутирующего элемента и, соответственно, запасаемой в индуктивном накопителе энергии. Стабилизация выходного напряжения реализуется путем использования обратной связи: при изменении выходного напряжения происходит автоматическое изменение ширины импульсов. Понижающий преобразователь (рис. 5) содержит последовательно включенную цепочку из коммутирующего элемента S1, индуктивного накопителя энергии L1, сопротивления нагрузки Rн и включенного параллельно ему конденсатора фильтра С1. Блокировочный диод VD1 подключен между точкой соединения ключа S1 с накопителем энергии L1 и общим проводом. Рис. 5. Принцип действия понижающего преобразователя напряжения. При открытом ключе диод закрыт, энергия от источника питания накапливается в индуктивном накопителе энергии. После того, как ключ S1 будет закрыт (разомкнут), запасенная индуктивным накопителем L1 энергия через диод VD1 передастся в сопротивление нагрузки Rн. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения. Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 6) выполнен на тех же основных элементах, но имеет иное их сочетание: к источнику питания подключена последовательная цепочка из индуктивного накопителя энергии L1, диода VD1 и сопротивления нагрузки с параллельно подключенным конденсатором фильтра С1. Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной. Рис. 6. Принцип действия повышающего преобразователя напряжения. При открытом ключе ток от источника питания протекает через катушку индуктивности, в которой запасается энергия. Диод VD1 при этом закрыт, цепь нагрузки отключена от источника питания, ключа и накопителя энергии. Напряжение на сопротивлении нагрузки поддерживается благодаря запасенной на конденсаторе фильтра энергии. При размыкании ключа ЭДС самоиндукции суммируется с напряжением питания, запасенная энергия передается в нагрузку через открытый диод VD1. Полученное таким способом выходное напряжение превышает напряжение питания. Инвертирующий преобразователь импульсного типа содержит то же сочетание основных элементов, но в другом их соединении (рис. 7): к источнику питания подключена последовательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки Rн с конденсатором фильтра С1. Индуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соединения коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной. Рис. 7. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием. Работает преобразователь следующим образом: при замыкании ключа энергия запасается в индуктивном накопителе. Диод VD1 закрыт и не пропускает ток от источника питания в нагрузку. При отключении ключа ЭДС самоиндукции накопителя энергии оказывается приложенной к выпрямителю, содержащему диод VD1, сопротивление нагрузки Rн и конденсатор фильтра С1. Поскольку диод выпрямителя пропускает в нагрузку только импульсы отрицательного напряжения, на выходе устройства формируется напряжение отрицательного знака. Существуют другие разновидности импульсных преобразователей напряжения. Обратноходовой преобразователь — разновидность статических импульсных преобразователей напряжения с гальванической развязкой первичных и вторичных цепей. Основным элементом обратноходового преобразователя является многообмоточный накопительный дроссель, который часто называют трансформатором. Различают два основных этапа работы схемы: этап накопления энергии дросселем от первичного источника электроэнергии и этап вывода энергии дросселя во вторичную цепь (вторичные цепи). Двухтактный преобразователь — преобразователь напряжения, использующий трансформатор для изменения напряжения источника питания. Преимуществом двухтактных преобразователей является их простота. Двухтактный преобразователь похож на обратноходовой преобразователь, однако основан на другом принципе работы (энергия в сердечнике трансформатора не запасается). Рис. 8. Структурная схема преобразователя напряжения 12/220В. Принципиальная схема преобразователя показана на рис. 9. Преобразователь построен по двухтактной схеме. Основой преобразователя является широко известная микросхема ШИМ контроллера TL494. Данная микросхема имеет встроенный задающий генератор, частота которого устанавливается внешней R3C1 цепочкой. Рабочая частота задается следующим образом: уменьшаем сопротивление R3 – увеличиваем частоту. Увеличиваем емкость C1 – уменьшаем частоту и наоборот. В данной схеме частота получается порядка 100КГц. Такая высокая частота преобразования обусловлена необходимостью минимизации габаритов преобразовательного трансформатора. В схеме используются мощные полевые транзисторы IRFZ46N, которые характеризуются меньшим временем срабатывания и более простыми схемами управления. Вместо них можно использовать IRFZ44N или IRFZ48N. Повышающий трансформатор в данном преобразователе используется из блока питания компьютера с измененным количеством витков. Соотношение витков в трансформаторе 1:1:20 , где 1:1 – две половинки первичной обмотки (10+10 витков), а 20 – соответственно, вторичная обмотка (200 витков). Для первичной обмотки используется провод диаметром 0,5мм, для вторичной обмотки – 0,3мм. Выходное напряжение преобразователя снимается с вторичной обмотки трансформатора и выпрямляется по мостовой схеме, выполненной из быстродействующих диодов КД213. Рис. 9. Принципиальная схема преобразователя напряжения 12/220В. Защиту схемы от перегрузки и от неправильного подключения питания (полярности «+» и «—» ) можно реализовать через предохранитель и диод на входе. 2.2. Конструкция, технология изготовления и испытание преобразователя Внешний вид готового преобразователя напряжения представлен на рис. 10, где 1 – корпус преобразователя, 2 – входные контакты, 3 – выходные контакты, 4 – вентилятор. Рис. 10. Внешний вид преобразователя напряжения 12/220В. Монтаж электрической схемы преобразователя выполнен на печатной плате. Топология проводников печатной платы (рис. 11) разработана в программе Sprint-Layout 4.0. Рис. 11. Рисунок проводников печатной платы. Печатная плата для преобразователя изготовлена с помощью лазерно-утюжной технологии в электромонтажной мастерской колледжа. Суть данной технологии заключается в следующем: рисунок печатных проводников наносится на бумагу лазерным принтером. Перенос рисунка на фольгированный текстолит производится с помощью утюга при температуре 180°…220°С. При этом расплавленный под действием температуры тонер от лазерного принтера, нанесенный на фольгироанную поверхность в виде рисунка, выполняет роль защитного покрытия, устойчивого к действию травящего раствора. Не защищенные открытые места металлизации удаляются методом химического травления в растворе хлорного железа. После травления и тщательной промывки платы тонер удаляется ацетоном. Для предупреждения перегрева транзисторов при длительных режимах работы установлены радиатор и вентилятор. Готовый преобразователь был испытан для питания энергосберегающих ламп дневного света цокольного типа и ламп накаливания мощностью до 40 Вт (рис. 12). Рис. 12. Испытание преобразователя. В результате испытаний получены следующие данные: Входное напряжение – 12В, выходное напряжение – 220+/-5В, максимальная выходная мощность – 40Вт. Преобразователь испытывался как в кратковременных, так и в длительных режимах работы (4часа) с энергосберегающими и лампами накаливания разной мощности до 40Вт. Во всех случаях было отмечено нормальное яркое свечение без мерцания. Сравнительный эксперимент на двух лампах одного номинала, подключенных к преобразователю и к розетке с напряжением 220В – 50Гц, показал визуально одинаковый результат. Таблица №1. Расчет себестоимости преобразователя.
Заключение Разработанный малогабаритный источник постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В предназначен для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения. Схема преобразователя отличается простотой, надежностью и набором недорогих и доступных элементов. Список использованных источников и литературы 1. ГОСТ 18311-80 Изделия электротехнические. Термины и определения основных понятий. 2. Семенов Б.Ю., Силовая электроника для любителей и профессионалов – М.: СОЛО-Р, 2001. – 327с. 3. http://www.electromonter.info/theory/convert.html 4. http://radioshemi.ucoz.ru |
|
|