"Стабилизированный источник питания для фронтальных лабораторных работ"

Управление по образованию Пинского горисполкома

Государственное учреждение образования „Средняя школа № 16 г. Пинска“

СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Секция „Физика“

Работу выполнил:	Михнюк Александр Иванович учащийся Х „А“ класса
Руководитель:	Федорино Сергей Иванович учитель физики и астрономии, отличник образования

2020

Содержание

1 Введение..................................................................................................................................... 2

1.1 Обоснование исследовательской работы....................................................................... 2

1.2 Актуальность исследовательской работы....................................................................... 2

1.3 Объект и предмет исследования..................................................................................... 3

1.4 Цели и задачи исследовательской работы..................................................................... 3

1.5 Практическая значимость исследовательской работы.................................................. 4

2 Теоретические основы исследования...................................................................................... 4

2.1 Двухполупериодный выпрямитель................................................................................. 4

2.2 Источник питания на 5 В................................................................................................... 6

2.3 Источник питания на 12 В................................................................................................. 7

2.4 Регулируемый источник питания..................................................................................... 8

3 Практическая часть..................................................................................................................... 8

3.1 Источник стабилизированного напряжения 5 В............................................................. 8

3.2 Источник стабилизированного напряжения 12 В......................................................... 11

3.3 Источник переменного стабилизированного напряжения от 0,5 до 10 В................. 15

4 Заключение............................................................................................................................... 17

5 Полезные источники................................................................................................................ 17

6 Приложение.............................................................................................................................. 18

1             Введение

1.1            Обоснование исследовательской работы

В современных электронных и радиотехнических устройствах значительное место занимают вторичные источники электропитания. Вторичными источником электропитания называют преобразователи электрической энергии одного вида в электрическую энергию другого вида. Вторичные источники электропитания выполняют множество функций: электрическую изоляцию цепей питания друг от друга и от первичного источника; высокую стабильность вторичного питания напряжения в условиях значительного изменения первичного питания напряжения и нагрузок; эффективное подавление пульсаций во вторичных питающих цепях постоянного тока; требуемую форму напряжений переменного тока. В связи с развитием микроэлектроники и компьютерной техники резко выросли требования к стабильности напряжений и токов. Вторичные источники питания обычно занимают от 20 до 80% общего объёма радиотехнического или электронного устройства. Широкое применение интегральной гибридной технологии резко уменьшают вес и габариты радиотехнических устройств, в то время как относительный объём и вес вторичных источников электропитания возросли. Повышение необходимости, а также уменьшение веса, габарита и стоимости изделий в значительной степени зависит от правильного выбора и проектирования вторичных источников электропитания.

1.2            Актуальность исследовательской работы

Постановка демонстрационных опытов, проведение лабораторных работ, выполнение экспериментальных и исследовательских работ по электричеству, как и по другим разделам курса физики, связана с правильным подбором оборудования, применяемого в этих опытах, и умением обращаться с этим оборудованием. Чтобы правильно провести все необходимые опыты, надо прежде всего, обратить внимание на подбор источников питания электрического тока. В физическом кабинете для проведения фронтальных лабораторных работ в 8 и 10 классах имеются в наличие гальванические элементы в виде батареи из трёх аккумуляторов, соединенных последовательно и помещённые в пластиковый контейнер. Такой первичный источник электропитания даёт 4,5 В постоянного напряжения. Кроме того, источником электропитания для многих опытов может служить универсальный выпрямитель типа ВУ-4, преобразующий переменное напряжение 42 В в постоянное. Такой вторичныйисточник электропитания даёт на выходе 4 В постоянного напряжения. Однако первый и второй вид источников электропитания обладает ряд недостатков, которые ограничивают их применение при выполнении лабораторных работ и подготовке учащихся к экспериментальным исследованиям.

Так, для первичных источников, напряжение гальванического элемента всегда меньше, чем его электродвижущая сила (ЭДС), во-первых, вследствие падения напряжения внутри элемента на его внутреннем омическом сопротивлении, во-вторых, из-за явления поляризации электродов в результате электрохимических реакций, происходящих на поверхности электродов под влиянием проходящего в цепи тока. Кроме того, применяемые резисторы и реостаты, рассчитаны на снятие показаний при силах тока 1 – 2 А. При таких нагрузках первичные источники сильно „проседают по ЭДС“, быстро разряжаются и требуют длительной подзарядки.

Вторичные источники электропитания представляют собой однофазные двухполупериодные выпрямители со средней точкой, которые на выходе дают пульсирующее напряжение. На практике, как оказалось, форма сигнала выходного напряжения даже далека от пульсирующего (см. рис. 2.3) и по определению не может являться „постоянным напряжением“. Следовательно, такие источники электропитания непригодны к выполнению,например, фронтальной лабораторной работы 10 класса „Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока“, а также для проведения исследовательских работ, требующих постоянства электродвижущей силы. Поэтому возникает необходимость создания источника электропитания, который отвечал бы следующим требованиям:

•    должен быть изготовлен из имеющегося в достатке школьного оборудования;

•    должен быть недорогим по себестоимости;

•    должен быть прост в изготовлении;

•    должен обладать стабилизированным напряжением при больших нагрузках;

•    должен быть надёжен в эксплуатации.

1.3            Объект и предмет исследования

Объектом исследования являются выходные характеристики стабилизированного источника вторичного электропитания. В качестве предмета исследования выступает стабильность выходного напряжения источника, изготовленного на основе выпрямителя ВУ-4/40-УХЛ4.

1.4            Цели и задачи исследовательской работы

Целью работы является исследование принципов работы, схемных решений, методов проектирования стабилизированных источников электропитания, построенных на основе монолитного трёхточечного интегрального стабилизатора типа КРЕН или их зарубежных аналогов с высокой стабильностью выходного напряжения и исследование на рабочем макете его выходных характеристик. Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

1)     провести патентные исследования по теме „Стабилизированный источник вторичного питания“;

2)     проанализировать известные схемные решения проектирования стабилизированных источников на основе интегрального стабилизатора типа КРЕН или их зарубежных аналогов;

3)     проанализировать зарубежный и отечественный рынок комплектующих компонентов;

4)     на основе технических требований создать стабилизированный источник питания с заданными характеристиками на базе выпрямителя ВУ-4/40-УХЛ4;

5)     провести исследование на рабочем макете выходных характеристик стабилизированного источника питания.

1.5            Практическая значимость исследовательской работы

В данной исследовательской работе дано описание конструкций, позволяющих вовлечь учащихся в интересный мир электроники и цифровой техники. Позволит любому учителю физики создать совместными усилиями школьников в физических кабинетах простых в изготовлении и надёжных в работе стабилизированных источников постоянного напряжения. Их применение позволит улучшить качество проведения фронтальных лабораторных работ, предусмотренных школьной программой, а также выполнение практических туров физических олимпиад разного уровня.

2             Теоретические основы исследования

2.1            Двухполупериодный выпрямитель

В теории электрических цепей пользуются идеализированными источниками электрической энергии: источником напряжения и источником тока. Им приписываются следующие свойства: «Источник напряжения (или источник ЭДС) представляет собой активный элемент с двумя зажимами, напряжение на которых не зависит от тока, протекающего через источник...». Однако, на практике мы сталкиваемся с тем, что первичными источниками электропитания являются переменные напряжения с очень большим номиналом, которые необходимо понизить до рабочего напряжения и из переменного источника электропитания сделать постоянный. В школьных кабинетах физики широко используются источники электропитания для фронтальных лабораторных работ типа ВУ-4/40-УХЛ4. Он представляет собой трансформатор, понижающий напряжение с 42 В до 4 В, в сочетании с двухполупериодным выпрямителем со средней точкой, собранном на базе полупроводниковых диодов ВСУ-10. Принципиальная схема такого источника электропитания изображена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1

На вход трансформатора Тр подаётся переменное напряжение U_ВХ, а на выходе получается пульсирующее напряжение U_ВЫХ, форма сигнала которого в теории должна иметь вид, показанный на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2

С помощью цифрового осциллографа PCSU200 и программного приложения, были проанализированы выходные сигналы данного источника электропитания. На практике оказалось, что выходной сигнал имеет вид, представленный на рисунке 2.3, форма которого далека даже от пульсирующего напряжения.

Рисунок 2.3

Такая форма сигнала возникает из-за отсутствия точной симметрии при изготовлении средней точки во вторичной обмотке трансформатора. В отсутствие выпрямительных диодов ВСУ-10, на выходе такого источника можно получить переменное напряжение (форма которого представлена на рисунке 2.4) с амплитудой 8 В.

Рисунок 2.4

Это напряжение измерено между средней точкой и любым из выводов вторичной обмотки трансформатора. Кроме того, можно получить переменное напряжение (форма которого представлена на рисунке 2.5) с амплитудой 16 В, измеренное между выводами вторичной обмотки.

Рисунок 2.5

Таким образом, на выходе источника электропитания для фронтальных лабораторных работ типа ВУ-4/40-УХЛ4 можно получить синусоидальное напряжение с амплитудами 8 В и 16 В (см. рис. 2.6).

Рисунок 2.6

Следовательно, используя выпрямитель ВУ-4/40-УХЛ4, можно изготовить, используя интегральный стабилизатор типа КРЕН (или их зарубежные аналоги серии L78xx), источники стабилизированного питания на 5; 6; 8; 8,5; 9; 12; 15 В и током нагрузки от 1 до 2 А. В рамках данной работы, мы ограничимся изготовлением и исследованием двух стабилизированных источников электропитания на 5 В — для фронтальных лабораторных работ и на 12 В — для проведения опытов и экспериментальных исследований, а так же регулируемого источника питания от 0,5 В до 10 В.

2.2            Источник питания на 5 В

Трёхвыводные стабилизаторы напряжения бывают фиксированные или регулируемые. Первые разработаны на конкретное выходное напряжение (в нашем случае на 5 В). Вторые — на регулируемые стабилизированные напряжения, которые позволяют установить необходимое напряжение в заявленных пределах. Если не нужно ограничивать выходные параметры или настраивать сигнал на нестандартные параметры, то можно использовать стабилизатор с фиксированным напряжением КР142ЕН5А (или его зарубежный аналог L78S05CV), который позволит использовать меньше деталей и поэтому станет лучшим выбором. Допустимая величина выходного тока такой микросхемы — 2 А. Принципиальная схема источника стабилизированного напряжения показана на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7

В качестве входного напряжения используется импульсное напряжение, снимаемое после выпрямительных диодов. Электролитический конденсатор С1 выполняет роль ёмкостного фильтра и служит для повышения напряжения до 8,5 В, что на 1 вольт выше чем минимальное значение входного напряжения стабилизатора. Обязательно при выборе стабилизатора пользоваться справочным материалам и выбирать входное напряжение, подаваемое на стабилизатор немного больше минимального входного напряжения стабилизатора. Ёмкость конденсатора должна быть, как можно б´oльшей, а напряжение, на которое он рассчитан — не менее 16 В. Увеличение входного напряжения, подаваемого на стабилизатор, неминуемо приведёт к повышению мощности выделяемой на стабилизаторе и соответственно к нагреву микросхемы. Этот факт приведет к необходимости установки микросхемы КРЕН на охлаждающий радиатор. Керамические конденсаторы С2 и С3 — стандартные в применении и служат для защиты от высокочастотного возбуждения микросхемы.

2.3            Источник питания на 12 В

Для стабилизированного напряжения можно взять микросхему КР142ЕН8Б (или его зарубежный аналог LM78H12K ) на 12 вольт. Силовая часть состоит из понижающего трансформатора с 42 до 16 В. Цепь вторичной обмотки (средняя точка вторичной обмотки спаяна между собой и изолирована) состоит из вторичной обмотки трансформатора к которой подключен выпрямительный полупроводниковый мост. Диодный мост можно применить любой с минимальными габаритными размерами и рассчитанный на ток нагрузки 2 А. Электролитические конденсаторы С1 и С4 сглаживают пульсации, поэтому они должны быть максимальной ёмкости и рассчитаны на напряжение не менее 25 В. Принципиальная схема такого источника стабилизированного напряжения показана на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8

2.4            Регулируемый источник питания

Интегральные стабилизаторы КРЕН серии КР142ЕН5-9 с постоянным положительным напряжением на выходе в диапазоне 5 – 27 В широко применяются в самых различных электронных устройствах. Те напряжения, которые можно получить, применяя данные стабилизаторы КР142ЕН, позволяют использовать их в блоках питания бытовой радиоэлектроники, промышленных устройств, измерительной техники и т. д. Путём добавления в типовые схемы включения дополнительных элементов можно превратить эти источники фиксированного напряжения в источники с регулированием напряжения и тока. Эти интегральные стабилизаторы являются аналогами импортных стабилизаторов серии 78xx. Так, предлагаемая схема, изображенная на рисунке 2.9, регулируемого источника питания собрана на зарубежном аналоге LM317BTG.

Рисунок 2.9

3             Практическая часть

3.1            Источник стабилизированного напряжения 5 В

Стабилизированный источник напряжения на 5 вольт изготавливается на базе блоков питания для фронтальных лабораторных работ типа ВУ-4/40, рассчитанных на входное напряжение 42 В и выходное напряжение — 4 В. Все они внешне могут иметь разный вид, представленный на рисунке 3.1, но принцип работы одинаковый.

Рисунок 3.1

Для изготовления потребуются: электролитический конденсатор 470 мкФ на 16 В; конденсатор керамический 0,33 мкФ; стабилизатор напряжения L78S05CV тип корпуса ТО-220 на 5 В и 2 А (или КР142ЕН5А); конденсатор керамический 0,10 мкФ; соединительные провода, одножильный медный провод и кусок плотного картона. Порядок изготовления следующий:

1)                  Разбираем источник питания, сняв верхнюю крышку и отпаиваем провода с внутренней стороны крышки от клемм „+“ и „–“ (см. рис. 3.2).

                                      Рисунок 3.2                                                            Рисунок 3.3

2)                  Просверливаем в радиаторе, где крепятся выпрямительные диоды, отверстие диаметром 4 мм для крепления микросхемы КРЕН (см. рис 3.3).

3)                  Припаиваем к выводам микросхемы провода разного цвета (см. рис. 3.4), изолируем их и прикручиваем микросхему к радиатору.

1 2 3

1- вход ( In )

2- - общий ( Gnd ) 3 - выход ( Out )

Рисунок 3.4

4)                  Радиатор вместе с микросхемой устанавливается на своё место так, чтобы микросхема КРЕН была со стороны трансформатора, а припаянные провода, выходили со стороны выпрямительных диодов (см. рис. 3.5).

Рисунок 3.5

5)                  Из плотного картона вырезается под отверстие и провода „печатная плата“ на которой крепятся три проводящие шины, изготовленные из отрезков одножильного медного провода (см. рис. 3.6). Проволока должна быть заранее освобождена от изоляции и залужена припоем.

Рисунок 3.6

6)                  Далее, на „печатной плате“ монтируются радиодетали согласно электрической схеме, представленной на рисунке 2.7. И только в конце к установленной в корпус „печатной плате“, припаиваются входящие и выходящие провода (см. рис. 3.7).

Рисунок 3.7

Если всё собрано правильно и адекватно подобраны элементы, то схема сразу заработает и на выходе ваш вольтметр покажет напряжение около 4,8 – 5,2 В — стандартное напряжение, предусмотренное заводом производителем интегральных стабилизаторов типа КРЕН.

3.2            Источник стабилизированного напряжения 12 В

Для изготовления стабилизированного источника напряжением 12 вольт понадобятся: любой диодный мост с минимальными габаритными размерами, рассчитанный на 2 А. Например, DB202; электролитический конденсатор 470 мкФ на 25 В; керамический конденсатор 0,33 мкФ; стабилизатор напряжения L7812АВV тип корпуса ТО-220 на 12 В (или микросхема типа КРЕН); конденсатор керамический 0,10 мкФ; электролитический конденсатор 100 мкФ на 25 В. Алгоритм изготовления источника стабилизированного напряжения на 12 В очень похож на изготовление источника на 5 В, описанного выше, но есть некоторые технологические отступления.

1) В качестве основы для изготовления „печатной платы“ достаточно неплохо зарекомендовали себя компакт-диски: они хорошо режутся, сверлятся, термостойкие (см. рис.

3.8).

Рисунок 3.8

Однако необходимо помнить, что компакт-диск двухслойный — и между слоями находится тонкий проводящий слой алюминия. Поэтому компакт-диск следует расслоить скальпелем и взять ту половину диска, которая лишена проводящего слоя.

2)                  Как пример, на клетчатой бумаге рисуем макет будущей платы — полоску размером 75 × 30 мм. На ней отмечаем положение трёх шин (толстых медных проводов в качестве проводников): две длиной 25 мм для положительного контакта и одну длиной 65 мм — для „ЗЕМЛИ“ (отрицательного контакта). Посередине, снизу возле „ЗЕМЛИ“, размечаем отверстие диаметром 5 мм с центром на расстоянии 9 мм от края — для крепёжного болта. Чуть выше этого отверстия размечаем отверстие диаметром 4 мм для трёх проводов к стабилизатору КРЕН на радиаторе (см. рис. 3.9).

Рисунок 3.9

Кроме этого, отмечаем положение двух массивных контактов на крышке источника (под провода „+“ и „–“ — где не следует размещать радиодетали!). Вырезаем полоску бумаги и наклеиваем клеем на прозрачный компакт-диск. В Приложении данной работы уже разработан макет в натуральную величину с разметкой под медные шины, отверстия для проводов входа переменного напряжения (АС), выхода стабилизированного напряжения (DC) и отверстий под интегральный стабилизатор КРЕН. На заданном макете останется только разметить отверстия под диодный мост и конденсаторы. Один из вариантов размещения радиодеталей и компоновка в корпусе блока питания представлены на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10

3)                  Для подготовки трансформатора, необходимо найти средний вывод вторичной обмотки с двумя проводами. Если разобрать источник питания, то он идёт на положительный вывод (на рисунке 3.11 провод отмечен красной стрелкой).

Рисунок 3.11

Их желательно обрезать как можно короче (см. рис. 3.12), зачистить, скрутить и запаять, изолировать кембриком (трубка ПВХ).

Рисунок 3.12

При этом на крайних проводах при подключении трансформатора к 42 В, вольтметр должен показывать переменное напряжение 11 В. А после диодного моста и входного конденсатора на 470 мкФ и все 14 В постоянного напряжения. При этом переживать нет смысла, так как на стабилизатор можно подавать (INPUT) до 35 В постоянного напряжения, а на выходе (OUТPUТ) получать 12 В стабилизированного напряжения.

4)                  В алюминиевом радиаторе, где впрессованы полупроводниковые диоды ВСУ-10, сверлится отверстие диаметром 4 мм (на рисунке 3.13 оно отмечено красной стрелкой) для крепления интегрального стабилизатора типа КРЕН (сами диоды в работе источника не участвуют, но служат для отвода тепла).

Рисунок 3.13

Кроме того, на том же радиаторе припаивается провод для соединения с „ЗЕМЛЁЙ“

(см. рис. 3.14).

Рисунок 3.14

5)                  Далее подгоняем длину проводов переменного (АС) напряжения и постоянного, стабилизированного напряжения (DC) под оптимальный размер и укладываем согласно рисунку 3.15.

Рисунок 3.15

3.3            Источник переменного стабилизированного напряжения от 0,5 до 10 В

Для изготовления стабилизированного регулируемого источника напряжением от 0,5 до 10 вольт понадобятся: любой диодный мост с минимальными габаритными размерами, рассчитанный на 2 А. Например, КВР204; электролитический конденсатор 2200 мкФ на 50 В; керамический конденсатор К10-17Б 0,1 мкФ; стабилизатор напряжения LM317BTG 1,2 В...37 В, тип корпуса ТО-220 на 12 В (или аналогичная микросхема типа КРЕН); электролитический конденсатор 1 мкФ на 50 В; постоянный резистор 200 Ом и мощностью 2 Вт; переменный резистор типа ППБ-3А 4,7 кОм и мощностью 3 Вт. Алгоритм изготовления источника стабилизированного регулируемого напряжения на 10 В очень похож на изготовление источника на 12 В, описанного выше. Отличие заключается лишь в креплении переменного резистора в корпусе источника питания.

На рисунке 3.16 представлен один из вариантов расположения радиодеталей.

Рисунок 3.16

А на рисунке 3.17 показан внешний вид источника стабилизированного напряжения от 0,5 до 10 В собранного на базе источники электропитания для фронтальных лабораторных работ типа ВУ-4/40-УХЛ4.

Рисунок 3.17

4             Заключение

В результате выполненной работы изучены основные сведения о блоках питания: стабилизированных с фиксированным напряжением 5 В и 12 В. Кроме того, на базе аналогичной микросхемы типа КРЕН изучен источник стабилизированного переменного напряжения до 10 В. Определены функциональные схемы источников стабилизированного напряжения для фронтальных лабораторных работ с выходными характеристиками: напряжение — до 12 В, сила тока — 1 А. Разработка выполнена в корпусе источников питания для фронтальных лабораторных работ типа ВУ-4/40, рассчитанных на входное напряжение 42 В и выходное напряжение — 4 В и заметно модернизирована. Разработанный источник стабилизированного напряжения на 5 В позволяет использовать его для проведения фронтальных лабораторных работ в 8 и 10 классах по теме „Постоянный электрический ток“. Предложена схема источника переменного стабилизированного напряжения от 0,5 до 10 В для выполнения ряда специфических задач.

5             Полезные источники

1)     https://clck.ru/YFw8g // Советы по изготовлению.

2)     https://youtu.be/eys9WpSboIs // Видеопрезентация.

6             Приложение

МАКЕТ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

(в натуральную величину для распечатки^[1])

На рисунке 6.1 показан макет печатной платы, где слева монтируется диодный мост, а справа — выход стабилизированного питания:

Рисунок 6.1

Возможно, рационально вход и выход поменять местами — в этом случае диодный мост монтируется справа и можно укоротить провода от вторичной обмотки трансформатора. Такой вариант макета печатной платы представлен на рисунке 6.2:

Рисунок 6.2

---

[1] При конвертации файла в формат .pgf и при распечатке данной страницы, необходимо учитывать, что могут быть изменения в размерах. Для контроля: размер печатной платы при распечатке должен быть 75 мм длиной и 30 мм шириной, межосевое расстояние между серыми окружностями — 40 мм.

Краткое описание документа:

В статье рассказывается о технологии изготовления руками школьников стабилизированного источника питания для фронтальных лабораторных работ и экспериментальных исследований. Основой источника питания является выпрямитель типа ВУ-4, которыми оснащены школьные кабинеты физики и химии.