Усилитель мощности на однопереходном транзисторе

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение Образования МГВРК

Разработка импульсного источника питания на однопереходном транзисторе

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ ПО ПРЕДМЕТУ

«Конструирование РЭС»

КП 01.111015.401 П3

Руководитель                                                                    /С.В. Грушецкий/

Выполнил                                                                         /А.А. Мельник/

Минск 2012

Содержание

Введение……………………………………………………………………………........................2

1  Анализ технического задания…………………………………………………..........................3

      1.1 Назначение и общая характеристика устройства ………………………..…………………..3

      1.2 Требования по устойчивости к внешним воздействиям ………………….………………...3

2 Анализ схемы электрической принципиальной ………………………………........................3

3 Выбор и описание конструкции изделия……………………………………………………….5

      3.1 Выбор элементной базы …………………………………………….........................................5

     3.2 Обоснование выбора материала и покрытий …………………………………………….…11

4 Разработка компоновки блока и выбор способа монтажа …..……………………………….13

5 Конструкторские расчеты……………………………………………………………………....14

5.1 Компоновочный расчет …………………………………………………………....................14             5.2 Расчет размеров элементов печатного монтажа …………………………………................16

5.3 Расчет паразитных емкостей и индуктивностей …………………………………………...17          5.4 Расчет теплового режима ………………………………………………………….................18

      5.5 Расчет частоты собственных колебаний конструкции ………………………….................20     

6 Технологический раздел……………………………………………………………………......21

      6.1 Технология изготовления печатной платы ………………………………………………....22                             

      6.2 Технология изготовления деталей корпуса ………………………………………………...27

      6.3 Технология сборки печатного узла ……………………………………………………….....28

7 Защита устройства от дестабилизирующих факторов …....……………………………...…..28

8 Расчет надежности ……………………..……………………………………….........................30

     Заключение ………………………………………………………………………………………..33

     Литература ……………………………………………………………………………………......34

      Приложение ……………………………………………………………………………………..35

                                                                         Введение

Производство РЭС в настоящее время развивается высокими темпа­ми, находит все более широкое применение во многих областях народного хозяйства и в значительной мере определяет уровень научно-технического прогресса. Современная РЭС используется в радиолокации, радионавига­ции, системах связи, вычислительной технике, машиностроении, на транс­порте, в физических, химических, медицинских и биологических исследо­ваниях и т. д. В связи с этим возникает потребность в расширении функ­циональных возможностей РЭС и серьезном улучшении таких технико-экономических показателей как надежность, стоимость, габариты, масса. Эти задачи могут быть решены только на основе рассмотрения целого комплекса вопросов системо- и схемотехники, конструирования и техноло­гии, производства и эксплуатации. Именно на стадиях конструирования и производства РЭС реализуются системе- и схемотехнические идеи, созда­ются изделия, отвечающие современным требованиям. Проектирование современной РЭС — сложный процесс, в котором взаимно увязаны принци­пы действия радиотехнических систем, - схемы и конструкции аппаратуры и технология её изготовления. Требования, предъявляемые к РЭС, посто­янно ожесточаются, а усложнение аппаратуры приводит к необходимости внедрения последних достижений науки и техники в разработку, конструи­рование и технологию РЭС. Радиоэлектроника немыслима сегодня без но­вой технической базы, в первую очередь, функциональной электроники и микроэлектроники. Создание интегральных микросхем, сверхбольших ин­тегральных схем (СБИС), изделий функциональной микроэлектроники и многослойного монтажа позволило резко повысить надежность РЭС, уменьшить ее габариты, массу. Основное требование при проектировании РЭС состоит в том, чтобы создаваемое устройство было эффективнее сво­его аналога, т. е. превосходило его по качеству функционирования, степени миниатюризации и технико-экономической целесообразности. Современ­ные методы конструирования должны обеспечивать: снижение стоимости, в том числе и энергоемкости; уменьшение объема и массы; расширение об­ласти использования микроэлектронной базы; увеличение степени инте­грации, микро миниатюризацию межэлементных соединений и элементов несущих конструкций; магнитную совместимость и интенсификацию теплоотвода; взаимосвязь оператора и аппаратуры; широкое внедрение мето­дов оптимального конструирования; высокую технологичность, однород­ность структуры; максимальное использование стандартизации.

1 .Анализ технического задания

1.1 Назначение и общая характеристика устройства

Низкочастотные источники питания на силовых трансформаторах, ввиду больших габаритов и массы, а также низкого КПД повсеместно вытесняются импульсными. Разработка мощных высокочастотных транзисторов и импульсных трансформаторов на ферритовых сердечниках позволяет передавать энергию в нагрузку на частотах, соизмеримых с длиной радиоволн, и довести массогабаритные показатели таких источников до минимальных величин.

       Предлагаемый источник предназначен для питания мощной аппаратуры и зарядки автомобильных аккумуляторов. Источник построен на базе однотактного преобразователя, в состав которого входят задающий генератор на однопереходном транзисторе и блокинг-генератор на мощном биполярном транзисторе. Принцип работы источника основан на 3-кратном преобразовании напряжения. Переменное напряжение электросети выпрямляется (преобразуется в постоянное высоковольтное) и подается на ключевой преобразователь. Высокочастотный ключ с трансформатором преобразует постоянное напряжение в импульсное низковольтное. Последнее выпрямляется и подается на нагрузку.

       В обратноходовых преобразователях (инверторах) [1] в период замкнутого состояния транзисторного ключа идет накопление энергии в трансформаторе, а передача ее в нагрузку происходит при разомкнутом ключе. В таких инверторах однополярное намагничивание трансформатора приводит к остаточной намагниченности ферритового сердечника, и для ее уменьшения обязательно необходим немагнитный зазор в магнитопроводе.

       Энергия, запасенная в трансформаторе за время коммутирующего импульса, не всегда успевает рассеяться за время паузы, что может привести к насыщению трансформатора и потере сердечником магнитных свойств. Для устранения этого эффекта первичная цепь трансформатора шунтируется быстродействующим диодом с резистивной нагрузкой.     

1.2 Требования по устойчивости к внешним воздействиям

Климатические воздействия на изделие примерно в диапазоне рабочих температур t =  -60C    +80C; влажность 50  75 %; атмосферное давление 750  30 мм.рт.ст. Условия эксплуатации устройства, частота  вибраций от 10 до 300 Гц, перегрузка 3 g.

2Анализ схемы электрической принципиальной

Коммутационные помехи в импульсных источниках питания возникают из-за переключающего режима работы мощных регулирующих элементов. Для защиты сети и преобразователя от импульсных помех установлен сетевой фильтр на двухобмоточном дросселе Т2 с конденсаторами С7, С8, С10 для подавления нессиметричных помех.

       Ограничение зарядного тока конденсатора фильтра С4 выполнено на позисторе Rt1, сопротивление которого падает с повышением его температуры. Импульсные помехи преобразователя, возникающие в моменты переключения ключевого транзистора VT2 и трансформатора Т1, устраняются параллельными RC-цепями VD2-C5-R11 и C6-R13, помехи в цепи нагрузки подавляются дросселем L1. Длительность пауз между импульсами выходного тока при этом незначительно увеличивается, но не ухудшает преобразование. Формирователь импульсов запуска инвертора выполнен на однопереходном транзисторе VT1. Напряжение питания VT1 стабилизировано диодом VD1. Зарядное напряжение на конденсаторе С1 периодически открывает VT1 и создает на резисторе R4 последовательность импульсов с частотой, определяемой номиналами R1, R2 и С1. Конденсатор С2 ускоряет переходный процесс переключения транзистора VT1.

       При подаче питания постоянное напряжение (выпрямленное диодным мостом VD4) с конденсатора фильтра С4 через обмотку 1 трансформатора Т1 поступает на коллектор транзистора VT2, на котором собран блокинг-генератор. Протекание коллекторного тока через обмотку 1 Т1 сопровождается накоплением энергии в магнитном поле сердечника. Импульсное напряжение с резистора R4 открывает транзистор VT2 на несколько микросекунд, ток коллектора VT2 в это время возрастает до 3...4 А. После окончания положительного импульса ток коллектора прекращается.

       Прекращение тока вызывает появление в катушках трансформатора ЭДС самоиндукции, которая создает в обмотке 3 импульсное напряжение. Диод VD5 с конденсатором С9 выпрямляют и фильтруют это напряжение, которое через дроссель L1 подается на нагрузку.

       Импульсное напряжение с обмотки 2 Т1 через резисторы R5, R9, R14 поступает на базу транзистора VT2, и схема переходит в режим автоколебаний. Конденсатор СЗ поддерживает устойчивость работы блокинг-генератора.

       Стабилизация выходного напряжения выполняется оптопарой VU1, обеспечивающей гальваническую развязку высоковольтных и выходных низковольтных цепей. Повышение напряжения нагрузки, например, за счет увеличения ее сопротивления, приводит к включению светодиода оптопары VU1, фотодиод которой открывается и шунтирует сигнал с обмотки 2 Т2. Импульсное напряжение на базе VT2 снижается, соответственно, уменьшается время его открытого состояния. Длительность положительных импульсов на обмотке 3 Т1 также уменьшается, что вызывает снижение выходного напряжения (и зарядного тока аккумулятора GB1). При уменьшении напряжения нагрузки описанный процесс происходит наоборот.

       В случае токовой перегрузки транзистора VT2 увеличивается импульсное напряжение на резисторе R12 в цепи его эммитера. Тогда открывается параллельный стабилизатор напряжения DA1 и шунтирует базовое напряжение VT2. Тем самым также уменьшается длительность его открытого состояния (вплоть до срыва автоколебаний). Величина тока отсечки транзистора VT2 корректируется резистором R10. После устранения перегрузки происходит повторный запуск блокинг-генератора от формирователя импульсов на VT1.

       Выбор высокочастотного трансформатора зависит от мощности нагрузки. Мощность трансформатора напрямую зависит от частоты автогенератора и марки феррита. При увеличении частоты в 10 раз мощность трансформатора увеличивается почти в 4 раза. Ввиду сложности самостоятельного изготовления импульсного трансформатора в устройстве использован трансформатор от устаревшего монитора. Подойдут трансформаторы и от телевизоров. Для ориентировки приводим примерные данные трансформатора Т1. Сердечник — Б26М1000 с зазором в центральном стержне. Обмотка 1 содержит 56 витков провода ПЭВ-2 ∅0,51 мм, обмотка 2—4 витка ∅0,18 мм, обмотка 3 —14 витков жгутом из 3-х проводов ∅0,31 мм.

Перемычки расположены со стороны радиокомпонентов. Радиатор ключевого транзистора VT2 использован от процессора компьютера. Для лучшего охлаждения можно применить вентилятор от компьютерного блока питания, подключив его к выходу источника через резистор сопротивлением 33...56 Ом- Типы используемых элементов приведены в табл.1, возможная замена транзисторов преобразователя.

       Наладку собранной схемы начинают с тщательной проверки платы. В разрыв сетевого провода включают лампочку 220 В любой мощности, вместо нагрузки — автомобильную лампочку (12 В, 20 свечей). При неисправных деталях и ошибках в монтаже сетевая лампочка горит ярким светом, а автомобильная не горит. Если схема исправна, сетевая лампочка не горит или горит слабым накалом, а автомобильная — ярко. Яркость лампочки в нагрузке (выходное напряжение) можно регулировать резистором R1. Порог срабатывания защиты от перегрузки по току устанавливается резистором R10, стабилизация напряжения (при максимальной нагрузке) регулируется резистором R5. Подбором R15 (при необходимости) корректируется ток светодиода оптопары VU1 в пределах 5...6 мА.

       При наличии осциллографа удобно сначала проверить работу генератора на транзисторе VT1, подав на инвертор напряжение питания 30.. .50 В от лабораторного источника. Частоту генератора можно изменить резистором R1 или конденсатором С1.

       При слабой обратной связи (велико сопротивление R5) или неверном подключении обмотки 2 Т1 блокинг-генератор на VT2 может отключаться от кратковременной перегрузки и повторно не запускаться.