Аннотация
В дипломной работе разработана лабораторная работа " Комп-
лексноемоделирование электрических и тепловых характеристик ли-
нейногостабилизатора напряжения". Произведен электрический, теп-
ловой икомплексный расчеты стабилизатора напряжения. Изготовлен
лабораторныймакет и измерены его характеристики. Приведено срав-
нениеэкспериментальных и расчетных характеристик.
.
Оглавление
1. Описание электрическойпринципиальной схемы. 4
2. Описаниеподсистемы АСОНИКА-Э. 12
2.1 Краткоеописание системы АСОНИКА 12
2.2 Задачи,решаемые подсистемой АСОНИКА-Э. 13
2.3 Структурнаясхема подсистемы АСОНИКА-Э. 14
2.4. Алгоритмработы подсистемы АСОНИКА-Э 15
2.5. Исходнаяинформация для подсистемы АСОНИКА-Э 17
2.6. Выходнаяинформация подсистемы АСОНИКА-Э. 17
3. Описаниеподсистемы АСОНИКА-Т. 20
3.1 Структурнаясхема подсистемы АСОНИКА-Т. 20
3.2.Конструктивные элементы 21
3.3 Возможностиподсистемы АСОНИКА-Т. 22
3.4. Исходнаяинформация для анализа. 22
3.5. Выходнаяинформация. 23
4. Методическиеуказания к лабораторной работе«Комплексное
моделирование электрических и тепловыххарактеристик
линейного стабилизатора напряжения 24
4.1. Цельлабораторной работы. 24
4.2 Задание. 24
4.3 Порядоквыполнения работы. 24
4.3.1.Экспериментальная часть. 24
4.3.2.Электрический расчет. 27
4.3.3. Тепловойрасчет. 29
4.3.4.Комплексный расчет 30
4.3.5. Сравнениeрезультатов расчета и эксперимента 31
4.3.6.Выводы. 31
4.4 Требования ктехнике безопасности. 31
4.5 Требования котчету. 31
— 2 -
5. Разработкаконструкции лабораторного макета. 32
5.1. Требования кконструкции. 33
5.2. Конструкцияблока стабилизатора. 33
5.3. Конструкцияблока стабилизатора и нагрузки. 36
6. Программаграфического ввода подсистемы АСОНИКА_Э 37
6.1Обоснование необходимости разработки программы 37
6.2 Описаниепрограммы графического ввода. 38
6.2.1.Назначение. 39
6.2.2. Входнаяинформация. 40
6.2.3. Выходнаяинформация. 41
6.2.4. Принципработы программы графического ввода. 42
6.2.5. Требованияк техническим средствам. 42
6.2.6.Структурная схема программы графического ввода. 44
6.2.7. Описаниеработы с программой графического ввода. 47
7. Расчетхарактеристик лабораторного макета. 49
7.1.Электрическийрасчет схемы стабилизатора 49
7.2. Расчеттеплового режима блока стабилизатора. 50
7.3. Расчеттеплового режима печатного узла стабилизатора. 51
7.4 Комплексныйрасчет режима работы стабилизатора. 53
7.5 Выводы пополученным результатам 53
8. Сравнениерезультатов эксперимента и анализа. 55
9. Экономическаячасть 56
9.1.Технико-экономическое обоснование 56
9.2. Сметнаястоимость НИР и ОКР по теме. 56
8.3.Расчетсебестоимости лабораторного макета 59
8.4. Расчет нормывремени на разработку программы 62
10. Охранатруда. 65
10.1.Исследование вредных и опасных факторов 65
— 3 -
10.2.Нормализациямикроклимата при работе с ПЭВМ. 65
10.3. Требованияк технике безопасности 66
10.4. Расчетпотока рентгеновского излучения экрана ПЭВМ 67
Приложение 1. Результаты электрическогорасчета. 69
Приложение 2. Результаты тепловогорасчета. 75
Приложение 3. Графический материал. 79
Приложение 4. Результаты комплексногорасчета. 87
Приложение 5. Результатыэксперимента. 88
Литература. 89
.
— 4 -
1. Описание электрической принципиальнойсхемы.
Лабораторный макет представляет собой линейный стабилизатор
напряжения и предназначен для питанияустройств на микросхемах
ТТЛ. Лабораторный макет функционально состоитиз трансформатора
(А1), выпрямителя (А2), фильтра (А3), источникапостоянного тока
(А4), регулитующего элемента (А5), устройствасравнения (А7), ис-
точникаобразцового напряжения(А8) (см.Рис1.1)
+12в нестаб.
╔════╗ ╔════╗ │╔════╗ ╔════╗ ╔════╗ +5в
──────╢ ╟───────╢ ╟─┴─╢ ╟───┬─╢ ╟──╢ ╟─┬──────
пер.220в ║А1 ║пер.10в║ А2 ║ ║ А3 ║ │║ А5 ║ ║ А6 ║│
──────╢ ╟───────╢ ╟───╢ ╟┐ │ ║ ║ ║ ║ │ ┌──
╚════╝ ╚════╝ ╚════╝│ │╚═╤══╝ ╚═╤══╝ │ │
─┴─ │ ^ │ │ ─┴─
┌─────────┘ │ │ │
╔═╧══╗ ├─
║ ║ │ │
║ А4║ │ ┌───────┤
║ ║ │ │ │
╚═╤══╝ │╔══╧═╗ ╔══╧═╗
└───
║ А7 ║ ║ А8║
║ ║ ║ ║
╚══╤═╝ ╚═╤══╝
─┴─ ─┴─
Рис1.1 Лабораторный макет.Функциональная схема.
Трансформатор А1 представляет собойтрансформатор типа ТН61
-127/220-50 ипредназначен для преобразования напряжения сети 220
вольт 50 герц внапряжение питания выпрямителя лабораторного ма-
кета.
Выпрямитель А2 представляет собой четыредиода типа КД201Б,
включенных посхеме диодного моста и предназначен для выпрямлени-
япитающегонапряжения.
Фильтр А3 представляет собой конденсатор К50-6 емкостью
— 5 -
32000 микрофаради предназначен для сглаживания пульсаций питаю-
щего напряжения.
Блоки А4-А8 образуют линейный стабилизаторнапряжения.
Источник постоянного тока А4 представляет собой каскад,
включенный посхеме с общим эмиттером, и предназначендля стаби-
лизации токанагрузки устройства сравнения А7.
Регулирующий элемент А5 представляетсобой составной тран-
зистор и предназначен для регулирования выходногонапряжения ла-
бораторногомакета.
Устройство защиты от короткого замыканияА6 представляет со-
бой каскад,включенный по схеме с общим эмиттером, и предназначен
для ограничения тока нагрузки лабораторного макета при коротком
замыкании.
Устройство сравнения А7 представляет собой дифференциальный
каскад натранзисторной сборке К159НТ1А и предназначено для срав-
нения выходногонапряжения лабораторного макета с образцовым нап-
ряжением,поступающим с блока А8.
Источник образцового напряжения А8 представляет собой пара-
метрическийстабилизатор на стабилитроне КС133А и предназначен для
генерацииопорного напряжения для устройства сравнения А7.
Принципиальная схема лабораторного макетаприведена на ри-
сунке 1.2.
Рассмотрим работу лабораторного макета.
Переменное напряжение 12.6 вольттрансформатора Т1 поступает
на мостовойдиодный выпрямитель, собранный на диодах VD1-VD4. От-
рицательнымплечом мостовой выпрямитель подключен к общему прово-
ду устройства.
Между общим проводом и положительным плечом выпрямителя
включена емкостьС1 32000 микрофарад. Такая большаяемкость выб-
— 6 -
.
— 7 -
рана для сниженияпульсаций выходного напряжения при максимальных
токах нагрузки.
Через предохранитель FS3 постоянное напряжение поступает на
входрегулирующего элемента на транзисторах VT2-VT4 и на источник
постоянного токана транзисторе VT1 и диоде VD6.
Цепь R1,VD5, включенная параллельнопредохранителю FS3, пред-
назначена дляиндикации перегорания предохранителя. При перегора-
ниипредохранителя FS3 через резистор R1, светодиод VD5 и нагруз-
ку лабораторного макета начинает течь ток около 10 мА, что
вызывает свечениесветодиода и не может привести к каким-либо
последствиям внагрузке.
Источник постоянного тока на транзистореVT1 работает следу-
ющимобразом. Диод VD6 и резистор R12образуют источник постоян-
ного напряжениявеличиной 0.5-0.7 вольт относительно точки "+"
диода. Этонапряжение поступает на базу транзистора VT1 и перево-
дит его в режимусиления. При притекании тока через VT1происхо-
дит падениенапряжения на резисторе R13. При увеличении тока кол-
лекторанапряжение на R13 относительно точки "+" диода VD6
увеличивается,что ведет к уменьшению напряжения на переходе база
-эмиттер VT1 иего закрыванию. При уменьшении тока коллектора,
напряжение на R13 (относительно точки "+" VD6)уменьшается, что
ведет кувеличению нарпяжения на переходе база-эмиттер VT1 и отк-
рыванию VT1.Таким образом, каскад на транзисторе VT1 и диоде VD6
стабилизирует токколлектора VT1.
Регулирующий элемент, собранный на транзисторах VT2-VT4
представляетсобой составной транзистор по схеме с дополнительной
симметрией. Такаясхема включения дает меньшее напряжение насыще-
ния переходаколлектор-эмиттер составного транзистора в отличие
от традиционнойсхемы при использовании транзисторов с одинаковой
— 8 -
проводимостью.[ ]Регулирующий элемент управялется током. При
увеличении токачерез переход база-эмиттер транзистора VT2, он от-
крывается и темсамым увеличивает ток через переходбаза-эмиттер
транзистора VT3.Это ведет к открыванию VT3 и увеличению тока че-
рез переходбаза-эмиттер транзистора VT4 и его открыванию. При
уменьшении тока через переход база-эмиттер VT2происходит обрат-
ный процесс и, врезультате, VT4 закрывается.
Устройство защиты от короткого замыканиясобрано на транзис-
торе VT5, резисторах R16-R21,R14 и R15. Устройствоработает сле-
дующим образом.Делитель напряжения на резисторах R15 и R14 зада-
ет напряжение смещения транзистора VT5. Ток коллектора VT5
зависит от напряжения на переходе база-эмиттер. Это напряжение
складывается изпадения напряжения на последовательновключенных
R16-R21 при протекании тока нагрузки инапряжения, снимаемого с
движкаподстроечного резистора R15. Приувеличении тока нагрузки
падениенапряжения на R16-R21 увеличивается, что ведет к увеличе-
нию напряжения напереходе база-эмиттер VT5 и увеличению его тока
коллектора. Приоткрывании VT5 происходит уменьшение управляющего
токарегулирующего элемента. Таким образом, происходит ограничение
тока нагрузки.Порог ограничения регулируется подстроечным резис-
тором R7.
Источник образцового напряжения состоит из резистора R26 и
стаблитрона VD7 иобразует параметрический стабилизатор напряже-
ния. Резистор R26 ограничивает ток через стаблитронна уровне 20
миллиампер, чтонеобходимо для того, чтобы при понижении напряже-
ния на выходе стабилизатора ток черезстаблитрон не уменьшился
ниженоминального.
Устройство сравнения состоит из делителя напряжения на ре-
— 9 -
зисторахR22, R23, R24, дифференциального каскадана транзистор-
ной сборке VT6 итокозадающего резистора R25 и работает следующим
образом. Резистор R25 ограничивает токдифференциального каскада
и с некоторым приближениемможет считаться источником постоянного
тока.
Рассмотрим влияние напряжения в точке 1 (см.Рис1.3 ) на ток
через Rн.
Транзистор VT6.1 имеет постоянное напряжениесмещения, а
напряжениесмещения VT6.2 зависит от напряжения в точке 1 ( см.
Рис1.3.). При увеличении напряжения в точке 1напряжение на базе
VT6.2увеличивается, что ведет к егооткрыванию. Так как сумма
токов через VT6.1 и VT6.2 — величина постоянная иравна току ис-
точника J1, то при открывании VT6.2 происходитперераспределение
токов и ток через VT6.2 увеличивается на столько, насколько
уменьшается токчерез VT6.1.
Конденсатор С2 предназначен для устранения высокочастотного
возбужденияустройства.
Работа лабораторного макета в комплексепроисходит следующим
образом. Напряжение, поступающее с выпрямителя ифильтра на кол-
лектор VT4, благодаря начальному напряжению смещения составного
транзистораVT2-VT3-VT4 током через VT1 проходит на выход схемы,
делится делителемR22,R23,R24 и сравнивается с опорным напряжени-
ем вдифференциальном каскаде на VT6, который генерирует ток, уп-
равляющийсоставным транзистором.
Ток через VT1 постоянен и он разбиваетсяна три ветви: в ба-
зу VT2-VT3-VT4, в коллектор VT5 и в коллектор VT6.2. Такимобра-
зом, увеличение тока через VT6.2 ведет куменьщению управляющего
тока VT2-VT3-VT4и его закрыванию, что приводит к снижению напря-
жения на нагрузкеи обратным процессам. Для сохранения стабилиза-
— 10 -
.
— 11 -
тора в равновесии и предотвращениясамовозбуждения в каскад на
VT6 введенконденсатор С2, образующий отрицательную обратную связь
по переменномутоку высокой частоты.
Диод VD8 служит для индикации напряженияна выходе лабора-
торного макета.
Конденсаторы С3 и С4 снижают выходноесопротивление стабили-
затора попеременному току.
Выходное напряжение можно регулироватьподстроечным резисто-
ром R23.
.
— 12 -
2. Описание подсистемы АСОНИКА-Э.
Подсистема АСОНИКА-Э является частьюавтоматизированной сис-
темы обеспечениянадежности и качества радиоэлектронной аппарату-
ры (АСОНИКА).
2.1 Краткое описание системы АСОНИКА
Структурная схема ситемы АСОНИКА поиведенана рисунке 2.1 и
отражает составвходящих в нее подсистем и их связи.
Система АСОНИКА с помощью входящих в нееподсистем позволяет
решать следующиезадачи в процессе проектирования радиозлектроных
средств (РЭС):
— оценка работоспособности данноговарианта принципиальной
электрическойсхемы РЭС и соответствие ее характеристик требова-
ниям техническогозадания;
— выбор наилучшего варианта принципиальной электрической
схемы;
— определение режимов работы все элементови изменене прин-
ципиальной электрической схемы с целью улучшениякоэффициентов
нагрузокэлементов;
— оценка наилучшего варианта конструкииРЭС с точки зрения
тепловых имеханических воздействий;
— определение тепловых и механических характеристик данной
конструкции РЭС;
— анализ и обеспечение стабильности РЭС с учетом различных-
тепловых,механических, климатических и других-воздействий;
— анализ и обеспечение безотказностиработы РЭС по внезапным
и постепеннымотказам.
— 13 -
┌──────────────┐ ┌─────────────┐
│Принципиальная│ │ Эскиз │
│электрическая │ │ конструкции │
│ схема │ │ │
└────┬─┬───────┘ └──┬─┬──┬─────┘
│ │ ││ │
Топология схемы│ │ПереченьЭРЭ ││ └────┐
и параметры ЭРЭ│ │и ихпараметры ││ │
┌──────────┘└───────────────────────────────┼─┼────┐ │
│ ┌────────────────────┘│ │ │
│ │Геометрическиеи │ │ │
│ │теплофизические │ │ │
│ │параметры ┌────────┘ │ │
│ │ │ │ │
│ │ │ │ │
│ │ │ │ │ k
V V V V V
╔═════╧═══╗мощности ╔════╧════╗ ╔════╧════╗ ╔════╧══╧═╗
║АСОНИКА-Э║ в ЭРЭ ║АСОНИКА-Т║ ║АСОНИКА-М║ ║АСОНИКА-К║
║ ╟─────────────>╢ ║ ║ ║ ║ ║
║ ║ ║ ║ ║ ║ ║ ║
║ ║ температуры ║ ║ ║ ║ ║ ║
║ ║ на ЭРЭ ║ ║ ║ ║ ║ ║
║ ╟
╚═════╤═══╝ ╚════╤════╝ ╚══╤══════╝ ╚════╤╤═╤═╝
│ │ │виброускорения ^^ ^
│ │ └───────────────┘││
│ │ температуры │ │
│ └────────────────────────────┘│
│ коэффициенты нагрузки │
└──────────────────────────────────────────────────────┘
Рис. 2.1 Структурная схема системыАСОНИКА.
2.2 Задачи, решаемые подсистемой АСОНИКА-Э.
Подсистема АСОНИКА-Э позволяет решитьследующие задачи:
— расчет режимов работы нелинейныхэлектрических схем в ста-