Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии»




Скачать 141,57 Kb.
НазваниеКонкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии»
Дата публикации21.06.2013
Размер141,57 Kb.
ТипКонкурс
pochit.ru > Физика > Конкурс


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ МОРДОВИЯ РЕГИОНАЛЬНЫЙ УЧЕБНЫЙ ОКРУГ
Конкурс исследовательских работ учащихся

«ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЕ БУДУЩЕЕ МОРДОВИИ»

Импульсный преобразователь напряжения

Авторы работы: Мамонов Алексей, Голяткин Алексей - студенты специальности «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования»

ГБОУ РМ СПО (ССУЗ) «Саранский электромеханический колледж»
Саранск 2013
Аннотация. В данной работе предлагается и обсуждается принципиальная схема и конструкторское исполнение импульсного повышающего DC-DC преобразователя 12/220В. Разработанный малогабаритный источник постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В предназначен для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения. Схема преобразователя отличается простотой, надежностью и набором недорогих и доступных элементов.

Оглавление
Введение……………………………………………………………………………..…………...4

1. Теоретическая часть…………………………………………………..………………………5

1.1 Основные типы преобразователей электрической энергии………………….………5

1.2 Импульсные преобразователи напряжения …………...………………….…….……..6

2.Экспериментальная часть………………………………………..……………………...…….9

2.1. Разработка принципиальной электрической схемы повышающего DC-DC преобразователя напряжения 12/220В.……………………………………………..…...….9

2.2 Конструкция, технология изготовления и испытание преобразователя………........10

2.3. Расчет себестоимости преобразователя..……………………………...…………..….11

Заключение………………………………………………………………………..……….……12

Список использованных источников и литературы…………………………..…...…………12

Введение
В настоящее время на рынке электронной аппаратуры предложен большой выбор преобразователей. Они нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и в быту. Преобразователи напряжения различаются своими функциональными возможностями, формой выходного напряжения, мощностью на выходе и соответственно ценой.

В данной работе предлагается и обсуждается принципиальная схема и конструкторское исполнение повышающего DC-DC преобразователя 12/220В. Основными критериями при разработке преобразователя являлись малые габариты при высокой удельной мощности, простота технического решения, надежность и низкая цена.

^ Целью исследования является разработка и изготовление малогабаритного источника постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В. Задачами исследования являются:

-Изучить и проанализировать существующие типы преобразователей электрической энергии.

-Разработать оптимальную электрическую схему и конструкцию преобразователя напряжения на 12-220В.

-Изготовить преобразователь по разработанной схеме.

-Провести испытание преобразователя, измерить входные и выходные характеристики и сделать выводы о его работоспособности.

^ Методы исследования: изучение литературы и интернет - ресурсов, наблюдение, обобщение, анализ, классификация, моделирование, прогнозирование, эксперимент, расчет, сравнение, описание.

^ Практическая значимость работы. Разработанный преобразователь напряжения является простым и недорогим источником автономного питания для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения.

^ Актуальность тематики. Устройство актуально для владельцев неэлектрофицированных садовых домиков, гаражей, где единственным источником электроэнергии может быть аккумуляторная батарея автомобиля.

1. Теоретическая часть

^

1.1 Основные типы преобразователей электрической энергии.



Преобразователь электрической энергии — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии (напряжения, частоты, числа фаз, формы сигнала). Для реализации преобразователей широко используются полупроводниковые приборы, так как они обеспечивают высокий КПД — важный параметр электротехнических устройств.

Основными видами преобразования электрической энергии являются:

  • выпрямление переменного тока - преобразование переменного тока в постоянный (рис.1). Этот вид преобразования наиболее распространенный, так как некоторые потребители электрической энергии могут работать только на постоянном токе (сварочные устройства, электролизные установки и т. д.) или имеют на постоянном токе более высокие технико-экономические показатели, чем на переменном (электропривод системы электрической тяги, линии передачи электрической энергии очень высокого напряжения);



 




Рис. 1. Принцип действия выпрямителя.

  • инвертирование тока - преобразование постоянного тока в переменный ток(рис.2). Применяется в тех случаях, когда источник энергии генерирует постоянный ток (аккумуляторные батареи, магнитогидродинамические генераторы);



 




Рис. 2. Принцип действия инвертора.

  • преобразование частоты - обычно переменный ток промышленной частоты 50 Гц преобразуется в переменный ток непромышленной частоты (питание регулируемых электроприводов переменного тока, установки индукционного нагрева и плавки металлов, ультразвуковые устройства и т. д.) (рис. 3);






Рис. 3. Принцип действия преобразователя частоты.

  • преобразование числа фаз. Иногда необходимо преобразование трехфазного тока в однофазный (для питания мощных дуговых электропечей) или наоборот, однофазного в трехфазный (электрифицированный транспорт). В промышленности используются трехфазно-однофазные преобразователи частоты с непосредственной частью, в которых наряду с преобразованием промышленной частоты в более низкую происходит и преобразование трехфазного напряжения в однофазное;

  • преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (трансформирование постоянного тока) (рис. 4). Подобное преобразование необходимо на ряде подвижных объектов, где источником питания является аккумуляторная батарея или другой источник постоянного тока низкого напряжения, а потребителям требуется постоянный ток более высокого напряжения (например, для питания радиотехнической аппаратуры).






Рис. 4. Принцип действия преобразователя постоянного напряжения.
Существуют и некоторые другие виды преобразования электрической энергии (например, формирование определенной кривой переменного напряжения), в частности, формирование мощных импульсов тока, которые находят применение в специальных установках, регулируемое преобразование переменного напряжения. Все виды преобразований осуществляются с использованием силовых ключевых элементов.

Основные типы полупроводниковых ключей - диоды, силовые биполярные транзисторы, тиристоры, запираемые тиристоры, транзисторы с полевым управлением.
^

1.2 Импульсные преобразователи напряжения



Для преобразования напряжения одного уровня в напря­жение другого уровня часто применяют импульсные преобразо­ватели напряжения с использованием индуктивных накопителей энергии. Такие преобразователи отличаются высоким КПД, ино­гда достигающим 95%, и обладают возможностью получения повышенного, пониженного или инвертированного выходного напряжения.

В соответствии с этим известно три типа схем преобразова­телей: понижающие, повышающие и инверти­рующие. Общими для всех этих видов преобразователей являются пять элементов: источник питания, ключевой коммутирующий элемент, индуктивный накопитель энергии (катушка индуктивно­сти, дроссель), блокировочный диод и конденсатор фильтра, включенный параллельно сопротивлению нагрузки. Включение этих пяти элементов в различных сочетаниях по­зволяет реализовать любой из трех типов импульсных преобразо­вателей.

Регулирование уровня выходного напряжения преобра­зователя осуществляется изменением ширины импульсов, уп­равляющих работой ключевого коммутирующего элемента и, соответственно, запасаемой в индуктивном накопителе энергии. Стабилизация выходного напряжения реализуется путем использования обратной связи: при изменении выходного напряжения происходит автоматическое изменение ширины импульсов.

Понижающий преобразователь (рис. 5) содержит после­довательно включенную цепочку из коммутирующего элемента S1, индуктивного накопителя энергии L1, сопротивления нагрузки Rн и включенного параллельно ему конденсатора фильтра С1. Блокировочный диод VD1 подключен между точкой соедине­ния ключа S1 с накопителем энергии L1 и общим проводом.



Рис. 5. Принцип действия понижающего преобразователя напряжения.

При открытом ключе диод закрыт, энергия от источника пи­тания накапливается в индуктивном накопителе энергии. После того, как ключ S1 будет закрыт (разомкнут), запасенная индуктив­ным накопителем L1 энергия через диод VD1 передастся в сопро­тивление нагрузки Rн. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения.

Повышающий импульсный преобразователь напряжения (рис. 6) выполнен на тех же основных элементах, но имеет иное их сочетание: к источнику питания подключена последовательная цепочка из индуктивного накопителя энергии L1, диода VD1 и сопротивления нагрузки с параллельно подключенным конден­сатором фильтра С1. Коммутирующий элемент S1 включен между точкой соединения накопителя энергии L1 с диодом VD1 и общей шиной.


Рис. 6. Принцип действия повышающего преобразователя напряжения.

При открытом ключе ток от источника питания протекает через катушку индуктивности, в которой запасается энергия. Диод VD1 при этом закрыт, цепь нагрузки отключена от источни­ка питания, ключа и накопителя энергии. Напряжение на сопро­тивлении нагрузки поддерживается благодаря запасенной на конденсаторе фильтра энергии. При размыкании ключа ЭДС са­моиндукции суммируется с напряжением питания, запасенная энергия передается в нагрузку через открытый диод VD1. Полу­ченное таким способом выходное напряжение превышает напря­жение питания.

Инвертирующий преобразователь импульсного типа содер­жит то же сочетание основных элементов, но в другом их соединении (рис. 7): к источнику питания подключена последо­вательная цепочка из коммутирующего элемента S1, диода VD1 и сопротивления нагрузки Rн с конденсатором фильтра С1. Ин­дуктивный накопитель энергии L1 включен между точкой соедине­ния коммутирующего элемента S1 с диодом VD1 и общей шиной.



Рис. 7. Импульсное преобразование напряжения с инвертированием.
Работает преобразователь следующим образом: при замыкании ключа энер­гия запасается в индуктивном накопителе. Диод VD1 закрыт и не пропускает ток от источника питания в нагрузку. При отключении ключа ЭДС самоиндукции накопителя энергии оказывается при­ложенной к выпрямителю, содержащему диод VD1, сопротивле­ние нагрузки Rн и конденсатор фильтра С1. Поскольку диод выпрямителя пропускает в нагрузку только импульсы отрицатель­ного напряжения, на выходе устройства формируется напряжение отрицательного знака.

Существуют другие разновидности импульсных преобразователей напряжения. Обратноходовой преобразователь — разновидность статических импульсных преобразователей напряжения с гальванической развязкой первичных и вторичных цепей. Основным элементом обратноходового преобразователя является многообмоточный накопительный дроссель, который часто называют трансформатором. Различают два основных этапа работы схемы: этап накопления энергии дросселем от первичного источника электроэнергии и этап вывода энергии дросселя во вторичную цепь (вторичные цепи).

Двухтактный преобразователь — преобразователь напряжения, использующий трансформатор для изменения напряжения источника питания. Преимуществом двухтактных преобразователей является их простота. Двухтактный преобразователь похож на обратноходовой преобразователь, однако основан на другом принципе работы (энергия в сердечнике трансформатора не запасается).

^ 2.Экспериментальная часть
2.1. Разработка принципиальной электрической схемы повышающего DC-DC преобразователя напряжения 12/220В
Принцип действия предлагаемого преобразователя заключается в следующем: постоянный ток от аккумуляторной батареи напряжением 12В преобразуется инвертором в переменный ток того же напряжения, которое повышается трансформатором до 220В и далее выпрямляется выпрямителем. Общий вид структуры реализованного преобразователя показан на рис. 8.



Рис. 8. Структурная схема преобразователя напряжения 12/220В.
Принципиальная схема преобразователя показана на рис. 9. Преобразователь построен по двухтактной схеме. Основой преобразователя является широко известная микросхема ШИМ контроллера TL494. Данная микросхема имеет встроенный задающий генератор, частота которого устанавливается внешней R3C1 цепочкой. Рабочая частота задается следующим образом: уменьшаем сопротивление R3 – увеличиваем частоту. Увеличиваем емкость C1 – уменьшаем частоту и наоборот. В данной схеме частота получается порядка 100КГц. Такая высокая частота преобразования обусловлена необходимостью минимизации габаритов преобразовательного трансформатора.

В схеме используются мощные полевые транзисторы IRFZ46N, которые характеризуются меньшим временем срабатывания и более простыми схемами управления. Вместо них можно использовать IRFZ44N или IRFZ48N.

Повышающий трансформатор в данном преобразователе используется из блока питания компьютера с измененным количеством витков. Соотношение витков в трансформаторе 1:1:20 , где 1:1 – две половинки первичной обмотки (10+10 витков), а 20 – соответственно, вторичная обмотка (200 витков). Для первичной обмотки используется провод диаметром 0,5мм, для вторичной обмотки – 0,3мм.

Выходное напряжение преобразователя снимается с вторичной обмотки трансформатора и выпрямляется по мостовой схеме, выполненной из быстродействующих диодов КД213.


Рис. 9. Принципиальная схема преобразователя напряжения 12/220В.

Защиту схемы от перегрузки и от неправильного подключения питания (полярности «+» и «—» ) можно реализовать через предохранитель и диод на входе.
^ 2.2. Конструкция, технология изготовления и испытание преобразователя

Внешний вид готового преобразователя напряжения представлен на рис. 10, где 1 – корпус преобразователя, 2 – входные контакты, 3 – выходные контакты, 4 – вентилятор.

Рис. 10. Внешний вид преобразователя напряжения 12/220В.

Монтаж электрической схемы преобразователя выполнен на печатной плате. Топология проводников печатной платы (рис. 11) разработана в программе Sprint-Layout 4.0.


Рис. 11. Рисунок проводников печатной платы.

Печатная плата для преобразователя изготовлена с помощью лазерно-утюжной технологии в электромонтажной мастерской колледжа. Суть данной технологии заключается в следующем: рисунок печатных проводников наносится на бумагу лазерным принтером. Перенос рисунка на фольгированный текстолит производится с помощью утюга при температуре 180°…220°С. При этом расплавленный под действием температуры тонер от лазерного принтера, нанесенный на фольгироанную поверхность в виде рисунка, выполняет роль защитного покрытия, устойчивого к действию травящего раствора. Не защищенные открытые места металлизации удаляются методом химического травления в растворе хлорного железа. После травления и тщательной промывки платы тонер удаляется ацетоном.

Для предупреждения перегрева транзисторов при длительных режимах работы установлены радиатор и вентилятор.

Готовый преобразователь был испытан для питания энергосберегающих ламп дневного света цокольного типа и ламп накаливания мощностью до 40 Вт (рис. 12).

Рис. 12. Испытание преобразователя.

В результате испытаний получены следующие данные:

Входное напряжение – 12В, выходное напряжение – 220+/-5В, максимальная выходная мощность – 40Вт.

Преобразователь испытывался как в кратковременных, так и в длительных режимах работы (4часа) с энергосберегающими и лампами накаливания разной мощности до 40Вт. Во всех случаях было отмечено нормальное яркое свечение без мерцания.

Сравнительный эксперимент на двух лампах одного номинала, подключенных к преобразователю и к розетке с напряжением 220В – 50Гц, показал визуально одинаковый результат.
^ 2.3. Расчет себестоимости преобразователя
Себестоимость преобразователя по стоимости материалов составляет 356 рублей. Расчет приведен в таблице №1. Для расчета взяты средние розничные цены в специализированных магазинах электроники.

Таблица №1. Расчет себестоимости преобразователя.

Материалы и

запасные части

Количество, шт.

Цена за единицу, руб.

Стоимость, руб.

1. Микросхема TL494

1

35,00

35,00

2. Транзисторы IRFZ46N

2

130,00

260,00

3. Резистор 2,6 кОм

1

1,00

1,00

4. Резистор 1 кОм

3

2,00

6,00

5. Резистор 10 кОм

1

1,00

1,00

6. Конденсатор 500мкФ

1

6,00

6,00

7. Конденсатор 200мкФ

2

12,00

24,00

8. Конденсатор 1нФ

1

3,00

3,00

9. Трансформатор

1

20,0

20,00

ИТОГО







356,00

Заключение
Разработанный малогабаритный источник постоянного напряжения 220В с питанием от аккумуляторной батареи 12В предназначен для автономного, яркого и экономичного освещения дома, гаража, дачи при недоступности централизованного электроснабжения. Схема преобразователя отличается простотой, надежностью и набором недорогих и доступных элементов.

Список использованных источников и литературы
1. ГОСТ 18311-80   Изделия электротехнические. Термины и определения основных понятий.

2. Семенов Б.Ю., Силовая электроника для любителей и профессионалов – М.: СОЛО-Р, 2001. – 327с.

3. http://www.electromonter.info/theory/convert.html

4. http://radioshemi.ucoz.ru


Похожие:

Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии» iconКонкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное (инновационное) будущее Мордовии»
Осадочные горные породы
Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии» iconКонкурс исследовательских и проектных работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии»
Символика цвета в романе Ф. М. Достоевского «Преступление и наказание»
Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии» iconКонкурс исследовательских и проектных работ учащихся: ««Интеллектуальное будущее Мордовии»
Государственное бюджетное нетиповое образовательное учреждение Республики Мордовия
Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии» iconКонкурс исследовательских и проектных работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии»
Современные представления о рекреационных ресурсах географической системы и их использование
Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии» iconКонкурс исследовательских и проектных работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии»
Научный Советникова Т. В., учитель информатики мбоу «Инсарская сош №1»
Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии» iconКонкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное (иновационное) будущее мордовии»
Почтовый адрес школы: 431430, Республика Мордовия, г. Инсар, ул. Советская, д. 55
Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии» iconКонкурс исследовательских и проектных работ учащихся «интеллектуальное...
Республика Мордовия, г. Саранск, Лямбирский район, с. Хутор-Лопатино, ул. Луговая. 9, кв. 30
Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии» iconКонкурс исследовательских и проектных работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии»
История возникновения мирового туризма и его развитие на разных этапах истории
Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии» iconКонкурс исследовательских и проектных работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии»
Багдалова Юлия Шамилевна, моу «Кривозерьевская сош», учитель математики и информатики
Конкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное будущее мордовии» iconКонкурс исследовательских работ учащихся «интеллектуальное (инновационное) будущее мордовии»
Работа выполнена обучающимся 9а класса моу «Большеелховская сош» Сапожниковым Кириллом
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2019
контакты
pochit.ru
Главная страница