Разработка и расчет электронного устройства

2.1. Исходные данные для расчета

          Для расчета составим таблицу в которой отобразим  все элементы нагрузки. 

      Таблица 3 – Данные для расчета ИП. 

          Из таблицы видно, что для питания усилительного устройства и цифрового вольтметра нам необходимы следующие напряжения:

    Для питания операционных усилителей и входного каскада ±12В, с потребляемым током 30 мА; 

2.2. Выбор стабилизаторов

          Стабилизаторы будем  выбирать для  U₁, U₂.

          Принимаем относительное  отклонение напряжения сети а_мин=0,1.

    Выбираем  стабилизатор [2, таблица 7, стр. 43], для  U₁ и U₂ выбираем КР142ЕН2Б (U_{пад.мин}=4В, I_наг=0,15А, I_п=4мА ), для U₃ К142ЕН1Б (U_{пад.мин}=4В, I_наг=0,15А, I_п=4мА )

    Определяем  минимальное входное напряжение стабилизатора:

                                                 U_вх.мин=U_вых+U_{пад.мин};                                           (36)

    где U_{пад.мин}- минимальное допустимое падение напряжения между входом и выходом стабилизатора, В;

    U_{вх.мин 1}=12+4=16 В; U_{вх.мин 3}=5+4=9 В;

    U_{вх.мин 4}=15+4=19 В;

          С учетом возможного уменьшения напряжения в сети:

                                                  U_вх=U_вх.мин/(1-а_мин);                                            (37)

    U_вх.1=16/(1-0,1)=17,8 В, U_вх.3=9/(1-0,1)=10 В;

    U_вх.1=19/(1-0,1)=21,1 В. 

2.3. Расчет выпрямителей

          Выбираем мостовую схему со средней точкой.

    Определяем  сопротивления трансформатора: 

                      r_тр=K’·(U₀·J/(I₀·f_с·B))·⁴√((f_с·B·J)/(1,6·U₀·I₀));                       (38)

где K’- расчетный коэффициент, принимаем K’=2,3;

J – плотность тока в обмотках трансформатора, принимаем J=3,4А/мм²;

        f_с- частота сети, f_с=50 Гц;

        В- магнитная индукция в сердечнике, принимаем В=1,1Тл;

        I₀- ток нагрузки, А;

    U₀- номинальное выпрямленное напряжение, В; 

r_тр.1=2,3·(17,8·3,4/(0,034·50·1,1))·⁴√((50·1,1·3,4)/(1,6·17,8·0,034))=277,5;

r_тр.2=2,3·(5·3,4/(0,48·50·1,1))·⁴√((50·1,1·3,4)/(1,6·5·0,48))=3,9 Ом;

r_тр.3=2,3·(10·3,4/(0,034·50·1,1))·⁴√((50·1,1·3,4)/(1,6·10·0,0,34))=180,1Ом;

r_тр.4=2,3·(21,1·3,4/(0,034·50·1,1))·⁴√((50·1,1·3,4)/(1,6·21,1·0,034))=408,5 Ом; 

     Производим  выбор выпрямительных диодов, по [4, стр. 51-76]:

1. Выбираем четыре диода типа Д103 собранные по мостовой схеме  (I_вп.мах=30мА, U_{обр.мах}=30 В, U_пр=2 В);
2. Выбираем выпрямительный блок типа КЦ405Е (I_вп.мах=1000мА, U_{обр.мах}=100В, U_пр=1 В);
3. Выбираем четыре диода типа Д103 собранные по мостовой схеме  (I_вп.мах=30мА, U_{обр.мах}=30 В, U_пр=2 В);
4. Выбираем четыре диода типа Д103 собранные по мостовой схеме  (I_вп.мах=30мА, U_{обр.мах}=30 В, U_пр=2 В);

 

Определяем  сопротивление вентиля, для выбранных  схем:  

                                                  r_I=2·U_пр/3·I_о;                                                   (39)

                                                     r_в=r_I+r_тр;                                                       (40) 

r_I1=2·2/3·0,034=39,2 Ом, r_в1=277,5+39,2=316,5 Ом;

r_I2=2·1/3·0,48=1,4 Ом, r_в2=3,9+1,4=5,3 Ом;

r_I3=2·2/3·0,034=39,2 Ом, r_в3=180,1+39,2=219,3 Ом;

r_I4=2·2/3·0,034=39,2 Ом, r_в4=408,5+39,2=447,7 Ом; 

Находим коэффициент А по формуле:

                                     А=(π·I_о·r_в)/(2·м·U₀);                                                    (41)

      где м- число фаз выпрямления, для  выбранных схем м=2;

      по [2, рисунок 18, стр. 27] находим вспомогательные  коэффициенты в зависимости от А;

А₁=(3,14·0,034·316,5)/(2·2·17,8)=0,47; F₀₁=4,8; D₀₁=1,9; B₀₁=1,25;

А₂=(3,14·0,48·5,3)/(2·2·5)=0,4; F₀₂=5; D₀₂=1,95; B₀₂=1,2;

А₃=(3,14·0,034·219,3)/(2·2·10)=0,59; F₀₃=4,5; D₀₃=1,85; B₀₃=1,34;

А₄=(3,14·0,034·447,7)/(2·2·21,1)=0,57; F₀₄=4,6 D₀₄=1,87; B₀₄=1,3;

      Определяем  емкость фильтров:

      С₀=25·10⁴·А/м·r_в·f_с·К_п;    (42)

где К_п- коэффициент пульсации, принимаем К_п=0,1;

С₀₁=25·10⁴·0,47/2·316,5·50·0,1=37,1 мкФ; (С₀₁’=39,0х20В);

С₀₂=25·10⁴·0,4/2·5,3·50·0,1=1886,8 мкФ; (С₀₂’=2000,0х10В);

С₀₃=25·10⁴·0,59/2·219,3·50·0,1=67,3 мкФ; (С₀₃’=68,0х10В);

С₀₄=25·10⁴·0,57/2·447,7·50·0,1=31,8 мкФ; (С₀₄’=33,0х20В);

В скобках  указаны стандартные емкости конденсаторов.

      2.4. Расчет силового трансформатора

    Для расчета силового трансформатора составим таблицу с расчетными величинами.

    Таблица 4 -  Расчетные величины.

       

 

Определяем ток  первичной обмотки трансформатора и его габаритную мощность:

                                         I₁=I₁₍₁₎+I₁₍₂₎+I₁₍₃₎+I₁₍₄₎;                                          (50)

                                Р_тр=(Р_габ(1)+Р_габ(2)+Р_габ(3)+Р_габ(4))/η;                               (51) 

где η-КПД  Трансформатора, принимаем η=0,75;

      I₁=13,1+51,5+7,8+15,9=88,3 мА;

      Р_тр=(1,089+4,32+0,612+1,291)/0,75=10 Вт;

Находим площадь сечения сердечника, см², и ориентировочное значение ширины:

                                                    S_с=√Р_тр;                                                     (52)

                                                  а=√S_с/1,5;                                                   (53)

      S_с=√10=3,16 см²; а=√3,16/1,5=1,45 см.

Находим произведение сечения стержня сердечника на площадь окна:

                                 S_с·S_ок=Р_тр·100/(2,22·f_с·B·J·К_м·К_с·η);                             (54) 

где J – плотность тока в обмотках трансформатора, принимаем J=3,4А/мм²;

        f_с- частота сети, f_с=50 Гц;

        В- магнитная индукция в сердечнике, принимаем В=1,1Тл;

        К_м- коэффициент заполнения медью, принимаем К_м=0,22;

       К_с- коэффициент заполнения сталью, принимаем для ленточного сердечника К_с=0,93;

S_с·S_ок=10·100/(2,22·50·1,1·3,4·0,22·0,93·0,74)=16 см⁴; 

 По произведенным  расчетам выбираем магнитопровод марки ШЛ16х20, с сечением сердечника 3,2 см², сечением окна 6,40 см², его чертеж приведен на рисунке 10 

      Рисунок 10 – Ленточный магнитопровод  типоразмера ШЛ16х20. 

      Определяем  число витков в обмотках;