1. Тема Стабилизатор напряжения
2. Срок сдачи студентом работы к защите ______ ___________2009 г.
3. Исходные данные на выполнение курсовой работы: схема электрическая принципиальная. Классификационная группа изделия ЭС - стационарное. Тип производства – мелкосерийный.
4. Содержание пояснительной записки: Введение; назначение и область применения изделия ЭС; анализ технического задания и постановка задач проектирования; конструкторский анализ электрической принципиальной схемы (Э3); разработка и расчёт варианта компоновки печатной платы заданной Э3; расчёт теплового режима и надёжности; заключение; приложение А; приложение Б.
5. Перечень графического материала: Лист 1 (А1) - схема электрическая принципиальная, Лист 2 (А1) - сборочный чертеж.
Руководитель работы ____________
Задание принял к исполнению _____ _____________ 2009 г.
Подпись студента ____________
Производство ЭС в настоящее время находит все более широкое применение во многих областях народного хозяйства и в значительной мере определяет уровень научно-технического прогресса.
В связи с этим возникает потребность в расширении функциональных возможностей ЭС 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 ЭС реализуются системо- и схемотехнические идеи, создаются изделия, отвечающие современным требованиям.
Проектирование современных ЭС сложный процесс, в котором взаимно увязаны принципы действия электронно-вычислительных систем, схемы, конструкции аппаратуры и технология её изготовления.
Основное требование при проектировании ЭС 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, микроминиатюризации межэлементных соединений и элементов несущих конструкций; магнитную совместимость и интенсификацию теплоотвода; высокую технологичность; однородность структуры; максимальное использование стандартизации.
Все возрастающие требования к проектированию ЭС приводят к усложнению конструкций, повышению трудоемкости их проектирования и изготовления, увеличению себестоимости.
Сокращение сроков проектирования до определенных пределов при использовании традиционных ручных методов возможно за счет увеличения численности конструкторов и разработчиков. Однако при этом снижается удельная производительность труда из-за трудностей, возникающих при управлении, и ошибок, неизбежных при ручном проектировании (эти ошибки часто обнаруживаются уже в процессе производства, а даже небольшие коррекции в документации требуют разработки новых чертежей, объем которых сравним с основным объемом документации). Кроме того, число людей, занятых в сфере конструкторской деятельности, ограничено. Ускорить и удешевить проектно-конструкторские работы можно как за счет обоснованного применения типовых базовых конструкций, так и путем разработки и внедрения прогрессивных методов конструирования на основе достижений вычислительной техники.
Цель курсовой работы заключается в приобретении навыков конструирования и микроминиатюризации изделий ЭС, способствующих формированию конструкторского мышления, которое развивается на базе накопленных в процессе обучения технологических решений.
1. Наименование изделия: стабилизатор напряжения.
2. Назначение: устройство предназначено для работы в лаборатории.
3. Комплектность: один блок.
4. Технические параметры:
- напряжение питания 18...25 В;
- потребляемый ток – не более 10 мА.
5. Требования к конструкции:
- стабилизатор напряжения относится к группе стационарных устройств;
- внешний вид устройства должен отвечать современным требованиям к аппаратуре;
- масса не более 0, 2 кг;
- габаритные размеры не более 70х45х30;
6. Характеристики внешних воздействий:
- окружающая темепратура +10...+40 °С;
- относительная влажность 80% при температуре 25 °С.
7. Среднее время наработки на отказ должно быть не менее 100000ч.
8. Тип производства - мелкосерийный.
Стабилизатор напряжения — электрическое устройство, получающее питание от внешнего источника питания и выдающее на своём выходе напряжение, не зависящее от напряжения питания. Данный стабилизатор предназначен для питания устройств в процессе их налаживания.
Он защищает устройства от повышения или понижения напряжения питающей сети. Работа стабилизатора происходит без разрыва цепи нагрузки, без искажения формы выходного напряжения, что имеет большое значение. Использование стабилизатора напряжения позволяет увеличить ресурс и срок службы оборудования, а так же к экономии электроэнергии.
Согласно техническому заданию разрабатываемое устройство относится к группе стационарных устройств, которые работают в отапливаемых помещениях. Конструктивно блок устройства выполнен на плате из стеклотекстолита прямоугольной формы с четырьмя отверстиями для его крепления к корпусу. Для аппаратуры этой группы наиболее важными требованиями являются надежность, интенсивность отказов, потребляемая мощность и стоимость. Необходимым является применение недорогой и надежной элементной базы, соответствие элементов заданным характеристикам внешних воздействий, использование типовых конструкторских решений, повышение помехоустойчивости схемы, совместимость ЭРЭ и ИС.
В соответствии с этим из возможных вариантов конструкторских решений был произведен выбор наиболее оптимального, который может быть реализован в соответствии с техническим заданием.
Элементная база состоит из стандартных ИС и элементов. При разработке устройства необходимо учитывать требования к диапазону температур и влажности. Предусматривать особые меры защиты от механических и радиационных воздействий нет необходимости. Для обеспечения требований, предъявленных в техническом задании, проведем поиск аналогов для определения целесообразности разработки устройства. Также необходимо произвести расчеты компоновки, теплового режима, надежности и технологичности.
4. Конструкторский анализ электрической принципиальной схемы ЭС
Стабилизатор вырабатывает напряжение от 0 до 15 В, которое можно изменять с шагом 1 В. Максимальный ток нагрузки – 0,5 А, при его превышении узел защиты отключает нагрузку. В случае необходимости порог срабатывания узла токовой защиты может быть увеличен до 7 А. Напряжение питания стабилизатора может быть не стабилизированным, его значение с учетом пульсаций должно оставаться в пределах 18...25 В при изменении тока нагрузки от нуля до максимального значения.
Устройство содержит следующие узлы: стабилизатор напряжения питания цифровых микросхем DA1; цифровой формирователь кода выходного напряжения DD1, DD2, VD1, C3, R1 – R4; цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) на прецизионных резисторах R7 – R10; выходной усилитель DA2.1, VT2, R11, R12 и узел токовой защиты R5, R6, VD2, VT1, R13, R14.
Микросхема DA1 вырабатывает стабильное напряжение 6 В, используемое для питания цифровых микросхем DD1 и DD2. Цифровой код выходного напряжения формирует двоичный реверсивный счетчик импульсов DD2. Импульсы поступают на счетчик с генератора на элементе DD1.4. Направление счета определяет состояние RS-триггера на элементах DD1.2 и DD1.3. Когда на входе U микросхемы DD2 высокий уровень, счетчик работает в режиме сложения, в противном случае – в режиме вычитания.
Элемент DD1.1 управляет генератором импульсов. Если ни одна из кнопок SB1 и SB2 не нажата, низкий уровень на выходе этого элемента через резистор R3 и диод VD1 препятствует зарядке конденсатора С3 до порога переключения триггера Шмитта, в результате чего генерация импульсов невозможна. Состояние счетчика DD2 (число N) не изменяется.
Отношение значений сопротивлений резисторов ЦАП R7:R8:R9:R10 – 8:4:2:1. Поэтому напряжение в точке их соединения и, соответственно, на неинвертирующем входе ОУ DA2.1 равно N*U1/15, где U1 – напряжение питания микросхемы DD2. Отношение R12/R11 в цепи ООС выбрано так, чтобы коэффициент усиления ОУ DA2.1 и транзистора VD2 был равен 2,5. Поэтому выходное напряжение равно N вольт при условии, что U1 = 6 В.
При нажатии на кнопку SB1 "+" (режим увеличения напряжения) низкий уровень на нижнем по схеме входе элемента DD1.3 устанавливает RS-триггер в единичное состояние (на выходе этого элемента и, соответственно, на входе U микросхемы DD2 – высокий уровень), переключая счетчик в режим сложения. Одновременно низкий уровень на верхнем по схеме входе элемента DD1.1 приводит к установлению на его выходе высокого уровня, закрыванию диода VD1 и возникновению генерации. Каждый импульс увеличивает состояние счетчика на 1 и выходное напряжение на 1 В.
Если нажать кнопку SB2 "-" (режим уменьшения напряжения), низкий уровень на верхнем по схеме входе элемента DD1.2 устанавливает RS-триггер в нулевое состояние (на выходе элемента DD1.3 и, соответственно, на входе U микросхемы DD2 – низкий уровень), переключая счетчик в режим вычитания. Одновременно низкий уровень на нижнем по схеме входе элемента DD1.1 аналогично приводит к установлению на его выходе высокого уровня, закрыванию диода VD1 и возникновению генерации. Каждый импульс уменьшает состояние счетчика на 1 и выходное напряжение на 1 В. Когда состояние N счетчика достигнет нуля, на выходе Р микросхемы DD2 появится низкий уровень. Поскольку этот выход соединен с нижним по схеме входом элемента DD1.4, то работа генератора будет приостановлена. Поэтому опасный для нагрузки переход от нулевого напряжения к максимальному запрещен. Возобновить работу генратора можно лишь нажатием на кнопку SB1.