Разработка технических требований на проектируемое изделие

Введение

Разрабатываемый электронный прибор, о котором пойдет речь, предназначен для питания звукового усилителя мощности 1,5 кВт.

В отличие от традиционных линейных источников питания, предполагающих гашение излишнего нестабилизированного напряжения на проходном линейном элементе, импульсные ИП используют иные методы и физические явления для генерации стабилизированного напряжения, а именно: эффект накопления энергии в катушках индуктивности, а также возможность высокочастотной трансформации и преобразования накопленной энергии в постоянное напряжение. Существует три типовых схемы построения импульсных ИП: повышающая (выходное напряжение выше входного), понижающая (выходное напряжение ниже входного) и инвертирующая (выходное напряжение имеет противоположную по отношению к входному полярность).

Важным технологическим преимуществом импульсных ИП является возможность построения на их основе малогабаритных сетевых ИП с гальванической развязкой от сети для питания самой разнообразной аппаратуры. Такие ИП строятся без применения громоздкого низкочастотного силового трансформатора по схеме высокочастотного преобразователя. Это, собственно, типовая схема импульсного ИП с понижением напряжения, где в качестве входного напряжения используется выпрямленное сетевое напряжение, а в качестве накопительного элемента — высокочастотный трансформатор (малогабаритный и с высоким КПД), со вторичной обмотки которого и снимается выходное стабилизированное напряжение (этот трансформатор обеспечивает также гальваническую развязку с сетью).

1.2 Обзор существующих аналогов

1.2.1 Импульсный источник питания для УМЗЧ.

Для энергообеспечения усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ) широкое распространение получили импульсные источники питания (ИИП). Такие ИИП должны иметь высокий КПД, обеспечивать постоянство выходных напряжений во всем интервале токов нагрузки, содержать эффективную защиту от замыканий и перегрузок на выходе, иметь малые пульсации выходного напряжения и обладать малыми массой и габаритами. Кроме того, такие ИИП обычно должны работать на частоте преобразования не только выше диапазона звуковых частот, чтобы пользователь не слышал посторонние звуки, но и выше полосы частот УМЗЧ для предотвращения интермодуляции в усилителе на ультразвуковой частоте. При включении некоторые виды

нагрузки способны кратковременно потреблять больший ток, превышающий номинальную потребляемую мощность вдвое, поэтому ИИП должен выдерживать это без срабатывания системы защиты от перегрузки по току.

Основные технические характеристики:

Число фаз питающей сети переменного тока………………………………..1

Частота питающего напряжения, Гц…………………………………40-400

Частота преобразования, кГц………………………………………………70

Постоянное стабилизированное выходное напряжение, В……………2x50

Номинальная мощность нагрузки источника питания, Вт………………200

Максимальная кратковременная мощность нагрузки, Вт………………400

Максимальный ток одного выхода, А, не более……………………………4

Минимальный ток одного выхода, А, не менее…………………………0,3

Амплитуда пульсаций выходного напряжения, мВ, не более……………10

Максимальный КПД при номинальной мощности нагрузки, %…………88

Диапазон температуры воздуха при работе источника питания, °С …………………………………………………………………………+10..+40

Напряжение питающей сети переменного тока, В………220 (+15…-20%)

Нагрузка каждого выхода ИИП должна потреблять ток не менее 0,3 А для обеспечения нормального функционирования дросселя групповой стабилизации. Многие современные усилители мощности звуковой частоты потребляют в режиме отсутствия входного сигнала примерно такой ток. Отсутствие нагрузки на одном из выходов ИИП является нештатным режимом. От этого компоненты ИИП не выйдут из строя, однако при подключении нагрузки к одному из выходов напряжение на ней существенно снизится, а напряжение на другом выходе на столько же возрастет. Отчасти причиной этого будет нарушение процесса перераспределения напряжений дросселем групповой стабилизации.

Аналог взят из электронного адреса http://issh.ru/scheme/istochnik-pitanija-dlja-umzch

1.2.2 Импульсный источник питания для УМЗЧ 20 Вт.

Источник питания представляет собой однотактный обратноходовой преобразователь напряжения с самовозбуждением. Отличительная особенность предлагаемого устройства — отсутствие специализированных микросхем, простота и дешевизна в изготовлении.

Основные технические характеристики:

Максимальная выходная мощность, Вт…………………………………….20

Выходное напряжение, В……………………………………………………...5

Максимальный ток нагрузки, А………………………………………………4

Интервал входного напряжения сети, В…………………………..…187...242

Частота входного напряжения, Гц……………………….………………….50

Нестабильность выходного напряжения, %, не более………………………2

Амплитуда пульсаций, %…………………………………………………...…1

Интервал рабочей температуры, °С……………………….…………-40...+70

Габариты, мм…………………………...………………..……………80x65x20

Масса с теплоотводом, г………...………..………………...………………120

Аналог взят с электронного адреса http://www.istochnikpitania.ru/index.files/BP_knigi.files/BP_knigi_002.htm

Разработка технических требований на проектируемое изделие

1.3.1 Назначение изделия и состав выполняемых функций

Разрабатываемое устройство предназначено для питания усилителя мощности звуковой частоты 1,5 кВт. Прибор питается от сети переменного напряжения 230± 10% В, 50Гц.

1.3.2 Комплектность изделия.

Импульсный источник питания……………….……….....………………1шт.

Упаковка…………….……….……….....……………….………........……1шт.

Гарантийный талон………………………………………………………...1шт.

Руководство по эксплуатации……….……….....……………….………..1шт.

1.3.3 Основные технические характеристики ИИП.

Напряжение питающей сети, В…….……….....……………….……...176-253

Номинальное выходное напряжение, В…….……….....………………...2×80

Максимальная мощность нагрузки, кВт…….……….....………………….1.5

Наибольший КПД устройство, ℅……….....…………….....……………….94

Частота преобразование при отсутствии нагрузки, кГц……….....……….30

Масса, кг ……….....…………….....…………….....……………..........……4.7

1.3.4 Требования к питанию изделия.

Питание должно осуществляться от сети 176 – 253 В.

1.3.5 Требования к конструкции изделия.

Корпус должен иметь малые габариты и влагозащитное исполнение,

дизайн корпуса должен быть простым эстетичным и современным.

1.3.6 Требования по безопасности.

Исходя из технического задания разрабатываемого устройства выпускаемого отдельным блоком, поэтому в предполагаемом устройстве должны быть выполнены требования по технике безопасности при эксплуатации. Требования по безопасности по ГОСТ 12.2.006 и

огнестойкости по ГОСТ 12.1.004.

1.4 Выбор и обоснование структурной схемы

Рисунок 1.1

Блок защиты- создан для защиты устройства от перегрузок по напряжению питающей сети.

Фильтр – препятствует проникновению высокочастотных помех ИИП в сеть.

Выпрямитель 1. 2 – служит для выпрямления тока.

Релаксационный генератор – вырабатывает импульсы, необходимые для запуска генератора после включения питания.

Блок согласования – служит для согласования двух блоков.

Сглаживающий фильтр – сглаживает ВЧ и НЧ пульсации выходного напряжения.

Блок предохранителей – служит для защиты устройства от КЗ.

Устройство индикации – показывает работоспособность ИИП.

1.5 Выбор и обоснование элементной базы изделия

1.5.1 При выборе элементной базы необходимо выбрать наиболее распространенные и надежные радиоэлементы. Выбранные элементы наиболее полно должны удовлетворять требования, предъявляемые к проектируемому устройству.

1.5.2 Выбор резисторов

1.5.2.1 Выбор постоянных резисторов

Резисторы общего применения тонкопленочные С2-33, предназначены для эксплуатации при повышенной температуре среды. С2-33 – резисторы постоянные непроволочные все климатического неизолированного исполнения, предназначены для работы в электрических цепях постоянного, переменного токов и в импульсном режиме.

Рисунок 1.2

Основные параметры резисторов приведены в таблице 1.1

Таблица 1.1

Допускаемое отклонение сопротивления, %	ТКС*10^-6 1/°С, не более, в диапазоне температур	Группа по ТКС
20 до 200 °С	от минус 60 до 20 °С
±1;±2	±100	±300	В
+ 1; ±2	1 250	+500	Г
±5; ±10	±500	+500	Д
±5; ±10	±1000	±1500	Ж
±1000

Предельное рабочее напряжение резисторов должно соответствовать значениям, указанным в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Вид резистора	Номинальная мощность рассеяния, Вт	Пределы номинальных значений сопротивлений	Предельное рабочее напряжение постоянного тока Рср=Рном,В
С2-33 - 0,125	0.125	1 Ом - 3,01 МОм
С2-33 - 0,25	0,25	1 Ом - 5,11 МОм
С2-33 - 0,5	0,5	0,1 Ом - 5,11 МОм
С2-33 - 1		1 Ом - 22,0 МОм
С2-33 - 2		1 Ом - 22,0 МОм

Таблица 1.3

Характеристики	Ед. нзм.	Значение
Гарантированная стабильность в течение минимальной наработки 20 000 ч при номинальной нагрузке (не более):	%	±5; ±10
Уровень шумов	мкВ/В	1,5, 10
Допускаемое отклонение от номинального сопротивления	%	±1,0; ±2,0; +5,0; ±10
Диапазон рабочих температур	°С	от минус 60 до + 200 ^СС
Срок сохраняемости	лет

Габаритные размеры приведены в таблице 1.4

Таблица 1.4

Вид резистора	Габаритные размеры и допустимые отклонения	Масса, г, не более
L, mm	I, mm	D, mm	d, mm
С2-33-0,125	6,0	20 ±3	2,2	0,6 ±0,1	0,15
С2-33-0.25	7,0	3,0	0,25
С2-33-0,5	10,2	25 ±3	4,2	0,8 ±0,1	1,0
С2-3 3-1,0	13,0	6,7	2,0
С2-33-2,0	18,5	8,8	3,5

1.5.3 Выбор конденсаторов.

1.5.3.1 Выбор полярных электролитических конденсаторов

В данном изделии используем оксидно-электролитические алюминиевые конденсаторы типа К50-80 (рисунок 1.3), которые предназначены для работы в цепях постоянного, пульсирующего тока вторичных источников питания и преобразовательной техники. Изготовляются в климатическом исполнении «В» и УХЛ. Уплотнённые, изолированные и неизолированные. Данный тип конденсаторов имеет широкий диапазон емкостей.

Рисунок 1.3

1 Букса;

2 Шайба 5.65Г.019 ГОСТ 6402;

3 Винт ВМ5-6дх8.36.019 ГОСТ 17473;

4 Зиг;

5 Корпус;

6 Лакокрасочное покрытие корпуса;

7 Изолирующий чехол корпуса;

8 Клапан, обеспечивающий взрыв устойчивость.

Основные технические характеристики приведены в таблице 1.5

Таблица 1.5

Номинальное напряжение	16-160 В
Номинальная емкость	680 - 22 ООО мкФ
Допустимые отклонения емкости (20°С, f=50 Гц)	+30%...-10%
Интервал рабочих температур	-60°С...+100°С
Срок сохраняемости	25 лет
Минимальная наработка
при 0,511ном и t = +100°С	10 000 ч.
при Uhom и t = +85°С	10 000 ч.
при 0,611ном и t = +40°С	100 000 ч.

1.5.3.2 Конденсатор К50-27 (рисунок 1.4). Оксидно-электролитические алюминиевые. Предназначены для работы в цепях постоянного, пульсирующего тока в импульсном режиме. Изготовляются в климатическом исполнении «В» и исполнении для умеренного и холодного климата.

Рисунок 1.4

Основные технические характеристики приведены в таблице 1.6

Таблице 1.6

Номинальное напряжение	160-450 В
Номинальная емкость	100 - 1000 мкФ
Допустимые отклонения емкости (20°С, f=50 Гц)	-20...+50 %; -10...+30%
Интервал рабочих температур	-40°С...+85°С
Срок сохраняемости	12 лет
Тангенс угла потерь	≤15%
Ток утечки, максимальный	(0,03 CUhom + 20) мкА
Минимальная наработка: при U_ном и t = +85°С при U_ном и t = +70°C при (0,2-0,7)U_номи t = +70°C	5 000 часов 10 000 часов 15 000 часов

D × H = 30 ×77

A = 13mm, а = 6mm

1.5.3.3 Выбор неполярных конденсаторов.

1.5.3.3 Конденсатор К73 – 01(рисунок 1.5). Предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и пульсирующего токов и в импульсных режимах.

Рисунок 1.5

Основные технические характеристики, приведены в таблице 1.7.

Таблица 1.7

Номинальная емкость	0,001... 8,2 мкФ
Номинальное напряжение (в интервале температур -60... +85°С)	100, 250, 400, 630 В
Допускаемое отклонение емкости для Сном ≤0,01 мкФ для Сном >0,01 мкФ	±10; ±20 % ±5; ±10;±20 %
Тангенс угла потерь при f=l кГц	≤0,012
Сопротивление изоляции для Сном ≤0,33 мкФ U_hom =100 В U_hom =250 В	6000Мом 12000Мом
Постоянная времени для Сном >0,33 мкФ U_hom =100 В U_hom ≥250 В	2000Мом.мкФ 4000Мом.мкФ
Интервал рабочих температур	-60…+100°С
Минимальная наработка	15000 ч
Срок сохраняемости	12 лет

H = 18mm, B = 7,5mm,

A = 20mm,

L = 24mm,

1.5.3.4 Выбор неполярных конденсаторов.

В качестве неполярных конденсаторов использованы конденсаторы КМ-5А (рисунок 1.4). Предназначены для работы в цепях постоянного, переменного токов и в импульсных режимах. Конденсаторы изготавливают в соответствии с ОЖО.460.043 ТУ; ОЖО.460.043 ТУ ОЖО.460.183 ТУ. Конденсаторы

выпускают в водородоустойчивом и неводородоустойчивом исполнениях.

Рисунок 1.6

Таблица 1.8

Обозначение	Размеры, мм
в идо размера	L max	В max	Н max	d
I	5,0	3,5	3,0	0,5±0,1
II	6,0	4,5

Основные технические характеристики, приведены в таблице 1.7.

Таблица 1.9

Номинальная емкость, мкФ	Номинальное напряжение, В	Климатическая категория	Тангенс угла потерь	Температурная характеристика емкости, %
1500 пФ…0,068 мкФ;		-60/125/21	не более 0,035	+30/-30

1.5.4 Выбор транзисторов.

При выборе транзисторов необходимо учитывать следующие требования: Uкэ max должно быть больше чем напряжение источника питания, Iк max больше чем протекающий ток в цепи коллектора. А так же по коэффициенту и по граничной частоте транзистор должен отвечать требуемым условиям. Он должен подходить по назначению и иметь минимальные габариты.

Исходя, из перечисленных требований выбираются транзисторы для разрабатываемого изделия.

1.5.4.1 Транзистор КТ812А (рисунок 1.7). Транзистор кремниевый мезапланарный структуры п-р-п импульсный. Предназначены для применения в импульсных и переключающих устройствах. Корпус металлический со стеклянными изоляторами и жесткими выводами.

Масса транзистора не более 20 г.

Рисунок 1.7

Таблица 1.10

Структура	n-p-n
Максимальное напряжение к-э, В
Максимальный допустимый ток, А
Статический коэффициент передачи тока h21э мин.
Граничная частота коэффициента передачи тока, МГц	3.00
Максимальная рассеиваемая мощность, Вт
Тип корпуса	КТ-9

1.5.5 Выбор диодов.

1.5.5.1 KBPC2510 (рисунок 1.8) - диодный мост 25А 1000В в металлическом корпусе с выводами в виде ножевых клемм 6,3мм.

Мост KBPC2510 применяется для выпрямления токов промышленной частоты 50/60Гц.

Рисунок 1.8

Основные технические характеристики, диодного моста, приведены в таблице 1.11.

Таблица 1.11

Iпрям. пост. (mах)	25А (при tкорп. = 55°C)
Uобр. пост. (mах)	1000V
Uобр. пиков. повтор. (max)	1000V
Uвх. перем. (max)	700V (действующее)
Uпрям. пад.	<1,1V
	(на одном диоде)
Диапазон рабочих температур	-55..+150°С
Аналоги	МВ2510, BR2510

1.5.6 Выбор светодиода.

В данном устройстве используется светодиод АЛ307ГМ (рисунок 1.9). Данный светодиод обеспечивает индикацию правильной работы ИИП.

Рисунок 1.9

Основные технические характеристики, приведены в таблице 1.12

Таблица 1.12

Тип	Цвет свечения	Цвет корпуса	Длина волны	Сила свечения	Прямой ток	Прямое напряжения	Угол
АЛ307ГМ	зеленый	Зеленый с диспергатором		1,5		2,4

1.5.7 Выбор термистора.

Применяется для температурной компенсации электронных цепей, ограничение пускового тока.

Внешний вид термистора показан на рисунке 1.10.

Рисунок 1.10

Размеры термистора показаны в таблице 1.12.

Таблица 1.12

Диаметр	D max,	L min,	d,	р,	Т max,
диска, (0 мм)	(мм)	(мм)	(мм)	(мм)	(мм)
	21,5		1,0

Основные технические характеристики, приведены в таблице 1.13.

Таблица 1.13

Наименование	Сопр., (Ом) при 25°С, I=0	Max ток, (А)	Темп. пост., (мВт/ °С)	Темп. пост. время, (сек.)	Рабочая темп., (°С)
SCK -2R515	2,5				-40…+200

1.5.8 Выбор газового разрядника.

Предназначен для защищает устройство от перегрузок питающей сети.

Внешний вид газового разрядника показан на рисунке 1.11.

Рисунок 1.11

Технические характеристики приведены в таблице 1.14.

Таблица 1.14

Тип	FS
Напряжение пробоя,В
Контакты	2х-электродный
Конструктивное исполнение	выводной
Диаметр корпуса, мм
Длина корпуса, мм	7,9
Рабочая температура, С	-40... 125
Производитель	Epcos

1.5.9 Выбор диодов.

1.5.9.1 Диод КН102А.

Внешний вид диода показан на рисунки 1.12.

Рисунок 1.12

Технические характеристики приведены в таблице 1.15.

Таблица 1.15

Напряжение в открытом состоянии(Iоткр 0.2А),В	1.5
Максимально допустимый средний ток в открытом состоянии,А	0.2
Импульсный ток в открытом состоянии(tи<10мс),А
Максимальное напряжение в закрытом состоянии,В
Постоянный ток в закрытом состоянии,мкА
Максимально допустимое постоянное обратное напряжение,В
Максимальное импульсное неотпирающее напряжение(tимп<2мкс),В
Максимальное импульсное отпирающее напряжение,В
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии,В/мкс	0.3
Время выключения,мкс
Диапазон рабочих температур,C	-40…70

1.5.9.2 Диод 30ETH06.

Внешний вид диода показан на рисунке 1.13.

Рисунок 1.13

Технические характеристики диода показаны в таблице 1.16.

Таблица 1.16

Параметры	Max	Единицы
Пик V_RRM Повторное Обратное Напряжение		В
Средний Ректификатор Передовой Поток T_C = 103°C		А
Не Повторный Пиковый Поток Скачка
Действие Температурами Соединения и Хранения	-65 175	°C

1.5.9.3 Диод HER1608G.

Внешний вид диода показан на рисунке 1.14.

Рисунок 1.14

Размеры приведены в таблице 1.17.

Таблица 1.17

К - 220A
Обозначение	Min	Max
A	14.9	15.1
B	-	10.5
C	2.62	2.87
D	3.56	4.06
E	13.46	14.22
F	0.68	0.94
G	3.74	3.91
H	5.84	6.86
I	4.44	4.70
J	2.54	2.79
K	0.35	0.64
L	1.14	1.40
P	4.95	5.20
Все Измерения в мм

Технические характеристики приведены в таблице 1,18.

Таблица 1.18

Особенность	Символ	HER 1608G	Единица
Пиковое Повторное Обратное Напряжение, Работающее Пик, Полностью изменяет Напряжение Запирающее напряжение DC	Vrrm Vrwm Vr		В
СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКОЕ Обратное Напряжение	Vrirms)		В
Средний Исправленный Поток Продукции @TC = 105°C	lo		А
Неповторный Пиковый Передовой Поток Скачка 8.3 миллисекунд Единственная половина волны синуса, нанесенной на номинальный груз (Метод JEDEC)	ifsm		А
Отправьте Напряжение @if = 16A	Vfm	1.7	В
Обратное Время Восстановления	trr		nS
Типичная Емкость Соединения	C]		PF
Действие и Диапазон температуры Хранения	Tj, Tstg	-65 to+150	°C

1.5.10 Выбор предохранителей.

Выбираем предохранитель H630PT-15A.

Внешний вид показан на рисунке 1.15.

Рисунок 1.15

Технические характеристики:

-Диапазон номинальных рабочих токов:................................... 0.2 - 20 А;

-Диапазон рабочих температур:.............................................. -60…+85°С.

L×D=30×6.35mm

1.6 Описание схемы электрической принципиальной

Конструкция ИИП — произвольная, взаимное расположение компонентов некритично.

В связи с тем что УМЗЧ имеет собственную защиту по току, нет необходимости этой функции у ИИП. Частота преобразования непостоянна она тем выше, чем больше мощность на-грузки. Термисторы RK1 и RK2 ограничивают пусковой ток зарядки оксидного конденсатора С21 при включении в сеть.

Для обесточивания устройства в случае аварии предназначен выключатель-автоматSF1. Газовый разрядник F1 защищает устройство от перегрузок по напряжению питающей сети. На конденсаторах СЮ, С17 и двухобмоточном дросселе L2 собран П-образный фильтр, препятствующий проникновению высокочастотных помех из ИИП в сеть.

Диодный мост VD8 выпрямляет переменное напряжение сети, а конденсатор С21 его сглаживает, конденсатор С22 шунтирует выход выпрямителя по высокой частоте.

На резисторах R1, R2, R7, конденсаторе СЗ и динисторе VD7 собран релаксационный генератор, который вырабатывает импульсы, необходимые для запуска генератора после включения питания, а также восстановления условий для возникновения генерации после ее срыва.

Резисторы R8—R15 ограничивают базовый ток переключательных транзисторов VT1—VT8, конденсаторы С6— С9, С11—С14 ускоряют их переключение. Диоды VD5, VD6, VD9, VD10 демпфируют выбросы напряжения переходных процессов. Резисторы R3—R6, R18—R21 в эмиттерных цепях транзисторов выравнивают протекающий через них ток. Конденсатор С20 устраняет подмагничивание магнитопровода не насыщающегося трансформатора Т1 постоянным током.

Через резисторы R16, R17 образована цепь положительной обратной связи с выхода преобразователя (с обмотки III трансформатора Т1) на его вход (об-мотку V трансформатора Т2). От сопротивления этих резисторов, числа витков обмоток, габаритов и магнитных свойств материала магнитопровода насыщающегося трансформатора Т2 зависит частота преобразования.

Диодный мост VD1—VD4 выпрямляет импульсное напряжение обмотки I трансформатора Т1. Конденсаторы С1, С2, С4, С5, С15, С16, С18, С19 и двух-обмоточный дроссель L1 сглаживают высокочастотные и низкочастотные пульсации выходного напряжения.

Предохранители FU1 и FU2 обеспечивают защиту от медленного увеличения тока нагрузки сверх допустимого предела. Светодиод HL1 — индикатор рабочего состояния устройства, резистор R22 — токоограничительный.

Конструкция ИИП — произвольная, взаимное расположение компонентов некритично, хотя желательно, чтобы каждый из диодов VD5, VD6, VD9, VD10 был размещен возможно ближе к своей паре транзисторов VT1VT3, VT2VT4, VT5VT7, VT6VT8. Источник собран навесным монтажом.

Выключатель-автомат А-0701НМ (SF1) производства Sang Мао Enterprise Co., Ltd., на ток размыкания 15 А и номинальное напряжение 250 В, можно заменить на А-0702А, А-0702Х, A-0710W, CBLS2A15, М115-В120.

Термисторы SCK-2R515 (RK1 и RK2) можно заменить на MS32 5R020, MS32 7R015 или аналогичные NTC-термисторы с максимальным допустимым током не менее 15 А и номинальным сопротивлением от 5 до 10 Ом при температуре 25 °С

Клавишный выключатель питания TR26-21C-11D1 (SA1) заменим на SWR74 или на выключатель с подсвет-кой MK-521A/N. Газовый разрядник 2027-35-С (F1) можно заменить на B88069-X2380-S102, B88069-X370-S102, В88069-Х410, FS04X-1JOS или FS04X-1JMG.