Содержание
Введение
1. Разработка блока питания для электронного устройства
1.1 Расчёт выпрямителей переменного тока и сглаживающих фильтров
1.2 Расчёт силового трансформатора
2. Структурное проектирование логической схемы в интегральном исполнении по заданной логической функции
Заключение
Литература
Введение
Одним из важнейших направлений развития научно-технического прогресса в настоящее время является развитие электроники. Достижения электроники влияют на развитие общества.
Современная электроника характеризуется сложностью и многообразием решаемых задач, высоким быстродействием и надёжностью.
Электронные устройства применяются во многих отраслях промышленности, транспорта, связи, а также в быту. Наиболее часто применяемыми электронными устройствами являются такие, как автоматическое технологическое оборудование, радио- и TV аппаратура, персональный компьютер, микропрцессоры, усилители сигналов, счётчики, интегральные микросхемы и т.д.
Для питания большинства радиотехнических и электронных устройств требуется выпрямленное напряжение с заданными параметрами. Для того, чтобы получить необходимое напряжение на нагрузке, его сначала надо преобразовать с помощью трансформатора. Далее преобразованное напряжение необходимо выпрямить при помощи выпрямителя собранного на вентилях. Для выпрямителей, предназначенных для питания различных радиотехнических и электронных устройств, допустимый коэффициент пульсации напряжения на нагрузке не должен превышать определённую величину. Наличие пульсаций выпрямленного напряжения ухудшает работу потребителей, питаемых выпрямленным напряжением, поэтому в большинстве случаев выпрямители содержат сглаживающие фильтры.
1.
Разработка блока питания для электронного устройства
1.1 Расчёт выпрямителя переменного тока
a
) Для схемы однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом
Действующее значение напряжения каждой полуобмотки W2
трансформатора:
U2
1
= U2
11
= 1.11· Ud
= 1.11 · 12 = 13.32 В
Действующее значение тока, протекающего по обмотке W2
трансформатора:
I2
1
= I2
11
= 0.7· Id
= 0.7 · 0.5 = 0.3535 А
Амплитудное значение напряжения на вентиле, находящемся в непроводящем состояний:
Uam
=3.14 · Ud
= 3.14 · 12 = 37.68 В
Среднее значение тока вентиля:
Ia
= 0.5 · Id
= 0.5 · 0.5 = 0.25 А
Амплитудное значение тока проводящего вентиля:
Iam
=1 · Id
= 1 · 0.5 = 0.5 А
По полученным данным в качестве вентилей для цепи 1 выбираем два диода Д226Е с параметрами Uam
= 100 В; Ia
= 300 мА; Iam
= 2.5 А
Сделаем проверку выбранных вентилей на соответствие параметрам выпрямителя:
Uam
= 100 В > 37.68 В; Ia
= 300 мА > 250 мА; Iam
= 2.5 А > 0.5 А
Вентили соответствуют параметрам выпрямителя.
Для выбора схемы и количества звеньев сглаживающего фильтра определяем его коэффициент сглаживания:
q1
0.667
S= – = – = 133.4 > 100, следовательно нужен многозвенный
q2
0.005 фильтр
1.3.8 Коэффициент сглаживания каждого звена фильтра:
S1
= S2
= √S = √133.4 = 11.55 < 100
Ёмкость конденсатора C1
, входящего в состав первого звена фильтра, рассчитывается по методике для выпрямителя, работающего на активно – ёмкостную нагрузку:
H
C1
= –
q1
0.667 q22
· rц
где: q22
= – = – = 0.0577
S1
11.55
Uн 12
rц
= 0.1· Rн = 0.1 · – = 0.1 · – = 2.4 Ом – сопротивление фазы выпрямителя
Iн 0.5
– для нахождения коэффициента Н определяем расчётный коэффициент А:
р · rц
3.14 · 2.4
A = – = – = 0.157
m · Rн 2 · 24
m = 2 – число пульсаций тока за период сетевого напряжения в нагрузке
По графику Н = f (А): H = 260
H260
C1
= – = – = 1877.53 мкФ
q22
· rц
0.577 · 2.4
По ёмкости С1
и напряжению Uн выбираем конденсатор: К50 – 3
Сном = 2000 мкФ; Uном = 12 В
Определяем параметры второго звена сглаживающего фильтра:
10 · (S2
+ 1) 10 · (11.55 + 1)
LC = – = – = 31.375 Гп · мкФ
m2
4
Принимаем конденсаторы типа К50 – 3: Сном = 2000 мкФ; Uном = 12 В
LC2
31.375
Тогда, L = – = – = 0.314 Гн
C2
10
б) Для схемы однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя
Для выбора схемы и количества звеньев сглаживающего фильтра определяем его коэффициент сглаживания:
q1
0.667
S= – = – = 0.89 < 100
q2
0.75
Для данной схемы применим С – фильтр
Определяем коэффициент А:
р · rц
3.14 · 4.8
A = – = – = 0.157
m · Rн 2 · 48
Для нахождения сопротивления нагрузки используем выражение:
Uн 24
Rн = – = – = 48 Ом
Iн 0.5
Сопротивление фазы выпрямителя:
rц
= 0.1· Rн = 0.1 · 48 = 4.8 Ом – сопротивление фазы выпрямителя
m = 2 – число пульсаций тока за период сетевого напряжения в нагрузке
Из графиков зависимостей В = f(A); D = f(A); F = f(A); H = f(A) находим вспомогательные коэффициенты В = 0.45; D = 2.35; F = 7.2; H = 260
ЭДС обмотки трансформатора Е3
= B · Ud
= B · Uн
= 0.95 · 24 = 22.8 В
Максимальное обратное напряжение на вентиле, находящемся в непроводящем состоянии:
Uобр
m
= 2√2 · Е3
= 2√2 · 22.8 = 64.488 В
Среднее значение тока вентиля:
Id
Iн 0.5
Ia = – = – = – = 0.25 А
2 2 2
Максимальный (амплитудный) ток вентиля:
Iam = F · Ia = 7.2 · 0.25 = 1.8 А
Действующее значение тока вторичной трансформатора:
I3
= D · Ia = 2.35 · 0.25 = 0.588 А
1.3.20 По полученным данным в качестве вентилей выбираем диоды Д226Е с параметрами:
Uam
= 100 В > 64.488 В; Ia
= 300 мА > 250 мА; Iперегр
= 2.5 А > 1.8 А Вентили соответствуют параметрам выпрямителя.
Ёмкость конденсатора фильтра находим из выражения:
H260
C = – = – = 72.22 мкФ
Q2
· rц
0.75 · 4.8
Принимаем стандартный оксидный (электролитический) конденсатор К50 – 3
Сном = 100 мкФ; Uном = 100 В
1.2 Расчёт силового трансформатора
Согласно исходных требований и расчёта выпрямителя расчёт трансформатора производим по следующим данным:
U2
= 13.32 В; I2
= 0.5 А; U3
= 22.8 В; I3
= 0.5 А; U4
= 220 В; I4
= 0.45 А
U5
= 10 В; I5
= 1 А
Напряжение сети: U1
= 220 В; fс = 50 Гц
Определяем габаритную мощность вторичных обмоток Sг2
и суммарную габаритную мощность Sг трансформатора с учётом выбранной схемы выпрямителя и использования остальных обмоток:
Sг2
= 1.7 · U2
I2
· U3
I3
· U4
I4
· U5
I5
=
1.7 · 13.32·0.5 · 22.8·0.5 · 220·0.45 · 10·1 = 131.722 В·А
Суммарная габаритная мощность трансформатора с учётом его КПД (з = 0.88):
Sг2
131.722
Sг = – = – = 149.684 В·А
З 0.88
По нонограмме мощности Sг = 149.684 В·А соответствует сердечник с площадью поперечного сечения Qс = 15.5 см2
Так как трансформатор малой мощности, то выберем обмоточный провод марки ПЭВ – провод с изоляцией лаком винифлекс
Пользуясь нонограммой, для сечения проводника Qс = 15.5 см2
и наклонной линией, построенной для использования обмоточного провода ПЭВ, определяем необходимую площадь окна магнитопровода, которая составит Qо = 12 см2
В результате расчётов принимаем стандартный магнитопров
Qс = 19.0 см2
; Qо = 25.6 см2
Для выбора диаметра провода первичной (сетевой) обмотки, определяем ток в этой обмотке: Sг2
Sг 149.684
I1
= – = – = – = 0.68
U1
· з U1
220
Учитывая габаритную мощность трансформатора Sг = 149.684 В·А и принимая сердечник выполненным из штампованных пластин получаем магнитную индукцию в сердечнике (в стали) трансформатора Bс = 1.1 Тл
По нонограмме для магнитной индукции Bс = 1.1 Тл и сечения сердечника Qс = 25.6 см2
определяем число витков на 1 В напряжения для всех обмоток (W/1B), равное 2.8 Вит/1В, и определяем число витков в каждой обмотке из соотношения:
W
Wi = Ui · – · K
1B
Ui – напряжение соответствующей обмотки
K – коэффициент, учитывающий падение напряжения на активном сопротивлении вторичных обмоток (К = 1.05…1.1)
С учётом компенсации падения напряжения на активном сопротивлении обмотки число витков вторичных обмоток увеличивают на 5%. Тогда:
W1
= 220 · 2.8 · 1.05 = 647 Вит
W2
= 13.32 · 2 · 2.8 · 1.05 =78.3 Вит
W3
= 22.8 · 2.8 · 1.05 = 67 Вит
W4
= 220 · 2.8 · 1.05 = 647 Вит
W5
= 10 · 2.8 ·1.05 = 29.4 Вит
Определяем диаметр обмоточных проводов в обмотках трансформатора. Для мощности трансформатора Sг = 149.684 В·А рекомендуемая плотность тока составляет д = 2 А/мм2
.
Тогда по таблице определяем:
1) для первичной обмотки: для I1
= 0.68 А d1
= 0.748 А/мм2
2) для вторичных обмоток: для I1
= 0.5 А d1
= 0.405 А/мм2
для I1
= 0.5 А d1
= 0.405 А/мм2
для I1
= 0.45 А d1
= 0.348 А/мм2
для I1
= 1 А d1
= 1.57 А/мм2
1.4.8 Проверяем возможность размещения обмоток в окне сердечника. Определяем площадь g, занимаемую каждой обмоткой в окне сердечника.
Для первичной обмотки:
W1
= 647 витков, d1
= 0.748 А/мм2
в 1 мм2
уместится 1.72 витка
647
Общая площадь: g1
= – = 3.762 см2
1.72 · 100
Для обмотки W2
:
W2
= 78.3 витков, d1
= 0.405 А/мм2
в 1 мм2
уместится 6.1 витка
78.3
Общая площадь: g2
= – = 0.128 см2
6.1· 100
Для обмотки W3
:
W3
= 67 витков, d1
= 0.405 А/мм2
в 1 мм2
уместится 6.1 витка
67
Общая площадь: g3
= – = 0.11 см2
6.1· 100
Для обмотки W4
:
W4
= 647 витков, d1
= 0.348 А/мм2
в 1 мм2
уместится 8 витков
647
Общая площадь: g4
= – = 0.81 см2
8· 100
Для обмотки W5
:
W5
= 29.4 витка, d1
= 1.57 А/мм2
в 1 мм2
уместится 0.455 витка
29.4
Общая площадь: g5
= – = 0.06 см2
0.455· 100
Таким образом, общая площадь окна, занимаемая всеми обмотками:
Qоз = g1
+g2
+g3
+g4
+g5
= 3.762 + 0.128 + 0.11 + 0.81 + 0.06 = 4.87 см2
Возможность размещения всех обмоток в окне сердечника можно проводить с использованием коэффициента заполнения окна Ко:
Qоз 4.87
Ко = – = – = 0.19
Qо 25.6
Как показали расчёты, все обмотки в окне сердечника размещаются. Остальная оставшаяся площадь Qост = Qо – Qоз = 25.6 – 4.87 = 20.73 см2
используется для размещения каркаса и изоляционных прокладок между обмотками.
2.
Структурное проектирование логической схемы в интегральном исполнении по заданной логической функции
Процесс структурного проектирования разбиваем на два последовательно выполняемых этапа:
Минимизация заданной логической функции
Синтез логической структуры
Минимизация заданной логической функции
Пользуясь аксиомами и законами алгебры логики (булевой алгебры) упрощаем заданную логическую функцию до образования конъюнкций, где присутствуют все независимые переменные исходного выражения:
-- – -- – -- – -- – -- – -- – -- – -- – -- – -- – -- – -- – -- – -- – -- – ---
F = X·Y· (Z + X) + X·Y·Z + Z· (X·Y·Z + Z·Y) = X·Y·Z + X·Y·Z + X·Y·Z
Опишем логическую структуру в виде таблицы состояний (истинности) согласно упрощенного выражения логической функции F:
| X | Y | Z | F |
| 0 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 |
Дальнейшее упрощение (минимизацию) заданной логической функции проводим графическим методом с использованием карты Карно, где количество независимых переменных К = 3.
Результат склейки клеток 1,2 и 1,7 даёт описание логической структуры в виде минимизированной дизъюнктивной нормальной формы (МДНФ), представляющей собой алгебраическое выражение: – – – –
F = Y·Z + X·Y
Синтез логической структуры
Проведём синтез полученной логической структуры с использованием логических элементов в интегральном исполнении.
Синтезируем логическую структуру в виде структурно – функциональных схем. Для сравнительного анализа различных схемных решений рассмотрим варианты реализации логической структуры с использованием базовых логических элементов, а также с использованием элементов И-НЕ и с использованием элемента ИЛИ – НЕ. Результаты проделанной работы представлены в графической части.
Синтезируем логическую структуру в виде принципиальных электрических схем на микросхемах ТТЛ серии 155. Результаты проделанной работы представлены в графической части.
В результате анализа предложенных вариантов реализации логической структуры отдаем предпочтение варианту выполнения принципиальной электрической схемы на микросхеме К155ЛЕ1, так как этот вариант имеет лучшие технико – экономические показатели, а именно: меньшее количество внутрисхемных соединений, количество электронных компонентов минимальное (всего одна ИС), выше надежность устройства, повышенное быстродействие, минимальная потребляемая мощность.
Заключение
В данной курсовой работе был разработан блок питания для системы автоматического управления процессом транспортировки и хранения комбикормов в животноводческом комплексе и произведено структурное проектирование логической схемы в интегральном исполнении по заданной логической функции.
Для блока питания представлены принципиальная и структкрно-функциональная схемы. Он рассчитан на питание от бытовой сети с параметрами U=220 B, f=50 Гц и выдаёт два выпрямленных напряжения (U=12 В, I=0.5 А и U=24 В, I=0.05 А), и два переменных (U=220В, I=0.45 А и U=10В, I=1 А).
В выпрямителе этого блока питания могут использоваться диоды следующих марок: для схемы выпрямителя с нулевым выводом – Д226Е, для мостовой схемы – Д226Е. В схеме выпрямителя с нулевым выводом используется многозвенный фильтр с двумя звеньями. В первом звене используется конденсатор К50 – 3 с Сном = 2000 мкФ; Uном = 12 В. Во втором звене используется конденсатор К50 – 3 с Сном = 2000 мкФ; Uном = 12 В и катушка индуктивности с индуктивностью L = 0.314 Гн. В мостовой схеме выпрямления используется С – фильтр с маркой конденсатора: К50 – 3, Uном = 25 В, Сном = 100 мкФ.
Литература
1.Макаров А.А. Электроника. Учебно-методическое пособие. – Кострома: изд. КГСХА, 2003.-67 с.
2. Арестов К.А. Основы электроники и микропроцессорной техники. – М.: Колос, 2001