MATURITNÍ PRÁCE. Regulovatelný zdroj napětí

Transkript

1 MATURITNÍ PRÁCE Regulovatelný zdroj napětí František Vašut Obor: Zpracováni informací Třída:ZI4B Školní rok:2015/2016

2 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 2

3 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 3 ABSTRAKT Cílem práce je popis regulovatelného zdroje, který má rozmezí napětí od 0 do 30V, které se dá regulovat. Dále má tato práce za úkol otestování vlastních znalostí elektroniky a pomocí nich vyrobit funkční výrobek. Dokumentace obsahuje postup výroby, následné úpravy, návrh plošného spoje, rozpoložení součástek, které jsou nezbytné pro bezchybný chod zdroje, a také návod k obsluze. Jsou zde obecně popsány použité součástky a jejich využití jinde, než pouze ve zdrojích, schémata, obrázky a další důležité podrobnosti ohledně zdroje. Na konci je napsáno zhodnocení práce. Klíčová slova: Napájecí zdroj, spínaný zdroj, zdroj

4 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 4 Chtěl bych poděkovat vedoucímu maturitní práce panu Petru Minolovi za poskytnutí cenných rad a pomoci při realizaci maturitní práce.

5 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 5 Prohlašuji, že odevzdaná verze dokumentace maturitní práce a verze elektronická, nahraná do systému MATPRAC, jsou totožné. Při zpracování jsem vycházel z informačních zdrojů uvedených v seznamu na konci dokumentace a také prohlašuji, že je tato práce původní. V Rožnově pod Radhoštěm podpis žáka

6 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 6 OBSAH ÚVOD... 7 I TEORETICKÁ ČÁST LABORATORNÍ ZDROJE ZDROJE TRANSFORMÁTORY POLOVODIČOVÉ DIODY Druhy polovodičových diod KONDENZÁTORY Druhy kondenzátorů REZISTORY INTEGROVANÝ OBVOD II PRAKTICKÁ ČÁST POPIS ZDROJE TECHNICKÉ PARAMETRY POPIS ZDROJE OBECNĚ O ZDROJI PRIMÁRNÍ OKRUH USMĚRŇOVACÍ ČÁST MECHANICKÉ ŘEŠENÍ ZDROJE POUŽITÉ NÁSTROJE Krabička Výběr transformátoru Přední panel Zadní panel Rozmístění součástek na DPS SCHÉMA ZAPOJENÍ ROZPIS SOUČÁSTEK SESTAVENÍ ZDROJE OŽIVENÍ NÁVOD K OBSLUZE ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM PŘÍLOH... 34

7 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 7 ÚVOD Autor práce si vybral tento výrobek jako svou maturitní práci, protože si chtěl vyzkoušet zhotovit své vlastní elektronické zařízení. Zhotovené zařízení poukazuje na to, že se autor v této problematice má již nějaké znalosti, zajímá se o ni a snaží se o získání nových zkušeností z tohoto oboru. Zdroj slouží k transformování napětí, které teče přímo ze sítě. Toto napětí se poté dá využít na napájení různých zařízení, které odpovídají svými požadavky tomuto výstupnímu napětí zdroje. Zdroj se skládá s jedné desky plošného spoje, který je osazený potřebnými součástkami Pro tuto práci byl vybrán spínány napěťový zdroj z větší účinnosti, než u zdroje lineárního. Podle této dokumentace by mělo být možné sestavit stejný zdroj, který je zde popsán. Autor si vybral tento výrobek z důvodu pozdějšího využití v dílně Tento napájecí zdroj, může napájet zařízení pro napětí 0-30 V. Při realizaci a samotné výrobě bylo dbáno na bezpečnost zapojení a ochranu před úrazem elektrickým proudem, stejně tak byl brán zřetel na jednoduchost a přehlednost předního panelu. Panel byl navržen tak, aby se zde zorientoval každý. V této dokumentaci se postupně seznámíme s řešením dané problematiky. Podle této dokumentace by mělo být možno sestavit stejný zdroj.

8 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 8 I. TEORETICKÁ ČÁST

9 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 9 1 LABORATORNÍ ZDROJE Mezi základní požadavky kladené na laboratorní zdroj, vycházející z plánovaného použití. Patří sem např.: rozsah výstupního napětí, proudu, nízká hodnota výstupního odporu, nízký šum a v neposlední řadě také nízké výstupní zvlnění a dobrá stabilita. Tyto parametry přímo ovlivňuje zapojení a je nutné je vzít v úvahu již při návrhu. Zdroje mohou být řešeny dvěma způsoby, tyto způsoby se liší provedením regulace laboratorního zdroje: a. Spínané zdroje b. Lineární zdroje Oba tyto způsoby mají své výhody i nevýhody, a proto je třeba si rozmyslet, jaký způsob zvolíme a) Spínané zdroje Spínané zdroje jsou účinnější než zdroje lineární. Jejich účinnost se pohybuje v rozmezí od 70-95%. Použití spínaných zdrojů je velice rozšířené, zejména ve spotřební elektronice (televize, DVD-přehrávače atd.), ale také se používají jako nabíječky k notebookům, mobilům apod. Mají malé rozměry a relativně velkou účinnost. Jako nevýhoda může být pokládána velká odezva při změně zátěže. Také musíme brát ohled na to, že zdroj má rušení, které vzniká při spínání výkonových prvků. V tomto ohledu nikdy nedosáhneme kvality lineárního zdroje. b) Lineární zdroje Lineární zdroje jsou jednoduché, co se týká návrhu. Také mají výborné parametry, co se týká šumu a výstupního zvlnění. Lineární zdroje ovšem mají i svou nevýhodu. Výstupní napětí je několikrát nižší než vstupní a tento rozdíl napětí má za následek vyzařování tepla na výkonových prvcích. Lineární zdroje mají také nízkou účinnost, která se pohybuje v rozmezí 35-50%.

10 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 10 2 ZDROJE Zdroje se využívají ve velkém množství zařízení. Slouží k přeměně a usměrnění napětí. Zdroj obvykle transformuje 230V střídavých na menší napětí. Výstupní napětí může být buď, pevné nebo nastavitelné. a) Pevné- slouží k napájení různých zařízení. Zdroj může mít pevné napětí například 5V a tedy dokáže napájet zařízení na 5 V, tímto jeho využití končí. b) Nastavitelné - u tohoto zdroje si přesně nastavíme požadované napětí, je tedy využitelné pro napájení více zařízení. Většina regulovatelných zdrojů umí regulovat i výstupní proud, tím zabráníme případným nehodám a zkratům při nesprávném zapojení zařízení. 2.1 Transformátory V dnešní době existuje mnoho druhů transformátorů. Buď transformátor typu toroid, jádrový nebo plášťový transformátor. Transformátor je zařízení, které mění amplitudu střídavého napětí. Transformátor se skládá ze dvou cívek na společném jádře. Obr Schéma transformátoru

11 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 11 Jedna cívka je primární, druhá sekundární Na primární vinutí připojujeme napětí, které chceme transformovat a na sekundární cívce odebíráme napětí, které má změněnou hodnotu. Primární cívkou protéká střídavý proud, který vytváří proměnný magnetický indukční tok v jádře. 2.2 Polovodičové diody Polovodičová dioda je součástka, která má za úkol propouštět proud jen jedním směrem. Dioda má dva vývody ANODU a KATODU. Anoda je spojená s polovodičem P a katoda je spojena s polovodičem N. Oblast, kde se tyto polovodiče setkávají, se nazývá PN přechod. Obr Přechod PN Základem diody bývá germaniová nebo křemíková destička. Tato destička bývá obohacena z jedné strany například o fosfor, nebo arsen. Z druhé strany pak například o bor, hliník, gallium, nebo indium Druhy polovodičových diod Zenerová dioda Zenerová dioda je polovodičová dioda s přechodem PN, která se užívá především v zapojení ke stabilizaci napětí. Konstrukčně je určena k zapojení v závěrném směru, k čemuž je přizpůsobena. V propustném směru se chová jako klasická usměrňovací dioda

12 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 12 Tyto diody se dělí na dva základní typy: Napěťově referenční diody Napěťově regulační diod Obr Značka zenerové diody [1] Germaniová hrotová dioda Patří k nejstaršímu typu polovodičových diod. Germaniový krystal s nevlastní vodivostí typu N čtvercového tvaru o rozměrech asi 1 x 1 (mm) tloušťky 0,1 mm je připájen ke kovové destičce a přivařen k přívodnímu drátu. Na povrch germaniové destičky, která tvoří katodu diody, je pružně přitlačován hrot tenkého wolframového drátku spojeného s druhým přívodním drátem diody. Wolframový drátek tvořící vývod anody má pouze mechanický kontakt s povrchem polovodičové destičky. Celý systém diody je zataven do skleněného pouzdra. Vývod katody je barevně označen. Dobrého usměrňovacího účinku se dosáhne tzv. formováním, které se provádí na konci výrobního postupu impulsem proudu asi 1 A, který projde diodou v přímém směru. V místě dotyku hrotu a polovodiče dojde ke značnému zahřátí, při kterém některé atomy wolframu přejdou do povrchové vrstvy polovodiče. Vznikne tak miniaturní oblast s vodivostí typu P těsně pod místem dotyku hrotu Obr Germaniová dioda

13 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm Kondenzátory Kondenzátor je elektrotechnická součástka. Slouží k dočasnému uchovávání elektrického náboje. Základní vlastností kondenzátoru je jeho kapacita. Kondenzátor se skládá ze dvou vodivých desek (elektrod), na každou z těchto desek se přivádí elektrické náboje opačné polarity, které se pomocí elektrické síly vzájemně přitahují. Dielektrikum mezi deskami však nedovolí, aby se částice s nábojem dostaly do kontaktu a tím by došlo k vybití kondenzátoru Druhy kondenzátorů Papírový (svitkový) Slídový Plastový Dielektrikum zde tvoří kondenzátorový papír, elektrody jsou tvořeny hliníkovou folii s vývody. Kondenzátorový papír je i s elektrodami svinuty do válečku. Elektrolytický Dielektrikum je v tomto případě tenká oxidační vrstva na jedné z elektrod. Druhou stranu elektrody tvoří samotný elektrolyt. Elektrolyt může být tekutý, polosuchý, nebo pevný. Tyto kondenzátory mají většinou omezené vstupní napětí. Keramický Jedná se o speciální keramiku s velkou permitivitou a malým zkratovým činitelem. Většinou se vyrábí sintrováním keramického prachu při vysokých teplotách. Vyrábí se pro vývodovou montáž, ale i pro SMD montáž.

14 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm Rezistory Rezistory jsou pasívní elektronické součástky, jejichž charakteristickou vlastností je odpor [Ω]. Jsou vyráběny z materiálů, které mají velmi malý teplotní součinitel odporu, u nichž se změnou teploty mění hodnota odporu jen minimálně. Průchodem proudu rezistorem vzniká teplo, které se musí povrchem součástky chladit. Výrobce udává jmenovité zatížení [W], které udává maximální výkon, kterým je rezistor možno trvale zatížit. Dalším parametrem rezistoru je jmenovité napětí [V], které udává maximální napětí, na které je rezistor možno připojit bez nebezpečí zničení rezistoru. Elektrický odpor R je charakteristickou vlastností jakéhokoliv vodiče. Velikost odporu vodiče se měří v Ohmech Ω a závisí na materiálu, ze kterého je vodič vyroben a na jeho geometrických rozměrech. [2] 2.5 Integrovaný obvod První integrovaný obvod zkonstruoval Jack St. Clair Kilby z firmy Texas Instruments již v roce 1958 a ve stejném roce Robert Noyce z Fairchild Semiconductor (nezávisle na něm). Kilbyho integrovaný obvod byl na destičce z germania o velikosti 11 1,6 mm a obsahoval jediný tranzistor s pouze několika pasivními součástkami. Svůj vynález si nechal v roce 1964 patentovat pod číslem V roce 1966 sestrojil také první kapesní kalkulačku založenou na integrovaném obvodu umějícím sčítat, odčítat, násobit a dělit. V roce 2000 získal Nobelovu cenu za fyziku. Integrovaný obvod (zkratka IO) je moderní elektronická součástka. Jedná se o spojení (integraci) mnoha jednoduchých elektrických součástek, které společně tvoří elektrický obvod vykonávající nějakou složitější funkci. Integrované obvody dělíme na monolitické a hybridní. V Československu se mezi profesionály i amatéry vžil zajímavý termín pro integrovaný obvod a to slovo je šváb. Monolitické IO dnes jasně převažují. Jejich jednotlivé součástky jsou vytvořeny a vzájemně spojeny (s pomocí difuze a epitaxe) na jediné polovodičové, nejčastěji křemíkové, destičce.

15 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 15 Matice paměťových buněk jsou dvě obdélníkové pravidelně mřížované části v horní polovině destičky. [3] Obr Integrovaný obvod

16 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 16 II. PRAKTICKÁ ČÁST

17 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 17 3 POPIS ZDROJE 3.1 Technické parametry 1) Výstupní napětí 0 30V 2) Výstupní proud max. 2A 3.2 Popis zdroje Tento zdroj patří do kategorie spínaných zdrojů. Tyto zdroje mají na rozdíl od zdrojů lineárních větší účinnost. U tohoto zdroje je možno regulovat napětí. 3.3 Obecně o zdroji Regulovatelné stabilizované spínané zdroje musí být napájeny střídavým vstupním napětím z vhodného síťového transformátoru. Výstupní napětí lze regulovat v rozmezí 0 až 30V při odběru až 2A. Pro správnou funkci vyžadují tento zdroj, aby stejnosměrné napětí za usměrňovacím můstkem bylo minimálně o 4V vyšší než je požadované výstupní napětí, nesmí však přesáhnout mezní napětí vyhlazovacích kondenzátorů. 3.4 Primární okruh Modul zdroje se napájí ze síťového transformátoru. Pro tento účel jsem vybral transformátor typu toroid. Celé zařízení je napájeno ze sítě 230V. Primární okruh až ke vstupu transformátoru. Na čelním panelu je umístěn síťový vypínač, který spíná přivedené síťové napětí a přes vodič je přiveden na primární vinutí transformátoru.

18 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 18 Transformátor typu toroid jsem vybral z důvodu jeho menší velikosti. Také jsem musel dbát na jeho dostatečný výkon a tvrdost. Vlastnosti jsou následující Vstupní napětí 230 V střídavých (AC)kmitočtu 50 Hz Výstupní napětí 24V (AC) Výstupní výkon 100 VA 3.5 Usměrňovací část Napětí je přes sítový transformátor transformováno směrem dolů až na hodnotu, kterou modul vyžaduje, což je 24 V střídavých. Toto napětí je následně usměrněno můstkem, který tvoří čtveřice usměrňovacích diod typu 1N5402. Součástí usměrňovače jsou také dva vyhlazovací kondenzátory o hodnotách 1000M/50V.

19 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 19 4 MECHANICKÉ ŘEŠENÍ ZDROJE 4.1 Použité nástroje Pájka: Byla použita při osazovaní DPS součástkami. Odsávačka cínu: Obr Pájka Obr Odsávačka cínu

20 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 20 Vrtačka: Obr Vrtačka Byla použitá při upravování krabičky a upevňování DPS. Multimetr: Byl použit při oživování výrobku. Obr Multimetr

21 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm Krabička Jako krabička pro tento zdroj byla zvolena hliníková skříň o rozměrech 104x70x172 mm (výška, hloubka, šířka). Hliníková skříň má nevýhodu v opracovávání oproti skříni plastové, avšak má větší tepelnou výdrž a také lepší odolnost proti nárazům. Obr Krabička [4]

22 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm Výběr transformátoru Pro tento zdroj byl vybrán transformátor typu toroid, lépe se s ním pracuje, má větší účinnost. Byl vybrán transformátor od firmy EZK TST50/009, jedná se o transformátor s jedním sekundárním vinutím. 4.4 Přední panel Obr Transformátor Přední panel byl navržen tak, aby i přes malé rozměry krabičky byl co nejpřehlednější a dalo se na něm dobře orientovat. Na levé straně nalezneme analogový voltmetr pro přehled výstupního napětí. Vedle něj se nachází červená indikační LED dioda. Na pravé straně nahoře se nachází potenciometr, kterým se reguluje výstupní napětí. Dole se nachází dvě svorky pro připojení zařízení ke zdroji.

23 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm Zadní panel Obr Přední panel Zde nalezneme přívod síťového kabelu a taky hlavní vypínač, který byl zde umístěn z důvodu mála místa na předním panelu. To je zaviněno celkovými rozměry krabičky, která byla vybrána z důvodu úspory místa. Obr Zadní panel

24 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm Rozmístění součástek na DPS Obr Rozmístění součástek na DPS 4.7 Schéma zapojení Obr Schéma zapojení

25 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm Rozpis součástek Název Typ Pozice Hodnota Tolerance Kusů Rezitor R0205 R1 3k3 5% 1 Rezitor R0205 R2 2k7 1% 1 Rezitor R0205 R3 15k 5% 1 Rezitor R0205 R4 4k7 1% 1 Rezitor R0205 R5 3k6 1% 1 Rezitor R0205 R8 680R/2W 5% 1 Rezitor R0205 R9 0R10/1W 1% 1 Rezitor R0205 R10a 390R 1% 1 Rezitor R0205 R11 120R 1% 1 Potenciometr Lineární R7 25k - 1 Kondenzátor Polyesterový C1 100n - 1 Kondenzátor Elektrolytický C2, C3 1000M/50V - 2 Kondenzátor Keramický C4,C9,C10,C15,C16 100n - 5 Kondenzátor Keramický C5 470p - 1 Kondenzátor Polyesterový C6 33n - 1 Kondenzátor Keramický C7 2n2-1 Kondenzátor Elektrolytický C8 2M2/100V - 1

26 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 26 Kondenzátor Elektrolytický C11, C12 47M /35V - 2 Kondenzátor Elektrolytický C13 47M/50V - 1 Kondenzátor Elektrolytický C14 100M/50V - 1 Kondenzátor Elektrolytický C17 220M/10V - 1 Dioda IN5402 D1, D2, D3, D Dioda LED5R D Dioda SB560 D Dioda 1N4007 D7, D Integrovaný obvod Integrovaný obvod L4960 IC LM337 IC Tabulka 1. Rozpis součástek

27 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm Sestavení zdroje Při sestavení je nutno pracovat systematicky. Nejprve jsem do zadní části připevnil chladič, který byl již vyfrézován, aby se na něj dala připevnit DPS. Poté jsem před chladič přišrouboval transformátor. Jako poslední věc byla umístěna a připevněna DPS na chladič. Poté byly vyvrtány na přední panel díry a následně vyfrézovány do potřebné velikosti. Na konec byl na zadní stranu připevněn hlavní vypínač a síťový kabel Oživení Obr Pohled dovnitř zdroje Oživení zdroje bylo velmi rychle, protože ihned vše fungovalo správně. Regulace napětí fungovala taky správně. Při zkontrolovaní všech funkci zdroje a zjištění správného fungováni byl zdroj proměřen a hodnoty zapsány. Naměřené hodnoty Vstupní napětí Napětí za transformátorem Napětí na svorkách (regulovatelné) Výstupní proud 230V (AC) 24V (AC) 0 29,7V (DC) max. 2A Tabulka 2. Naměřené hodnoty

28 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm Návod k obsluze Zdroj připojíme k síťovému napětí. Na předních potenciometrech nastavíme nulu a vypínač přepneme do polohy I (ON). Po přepnutí vypínače se nám rozsvítí indikační červená LED dioda, která se nachází vedle voltmetru. Poté si nastavíme potenciometrem požadované napětí. Spotřebič připojíme ke svorkám nacházejících se vpravo. Obr Kompletní výrobek (přední strana) Obr Kompletní výrobek (zadní strana)

29 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 29 ZÁVĚR Oživení zdroje proběhlo docela rychle a bez větších komplikací. Nejprve byly vizuálně překontrolovány všechny pájené spoje, také byly zkontrolovány hodnoty součástek. Po připojení střídavého napětí na desku se rozsvítila indikační LED dioda červené barvy, což signalizovalo, že diodový můstek funguje v pořádku. Oživování probíhalo bez osazeného integrovaného obvodu a to z důvodu, že kdyby bylo v obvodu něco špatně, integrovaný obvod by mohl vyhořet. Proto byly proměřeny všechny napětí. Po osazení integrovaného obvodu byly připojeny ke zdroji další komponenty. Po připojení těchto komponent zdroj fungoval podle představ. Regulace napětí měla plynulý průběh od 0-29,7V. Poté byl změřen proud, který dosahoval hodnoty maximálně 2A. Tuto práci bych hodnotil jako úspěšnou. Zdroj se jeví stabilně, při testování se neprojevily žádné závady, nebo chyby. Chladič na zadní straně je dostatečně velký, aby vše uchladil. Práce zabrala autorovi pár desítek hodin a to jen kvůli tomu, že některé práce musel dělat u kamaráda v dílně. Do budoucna bude zdroj využit v dílně jako všeobecný napájecí zdroj. Také by bylo vhodné přidat na zdroj i regulací proudu.

30 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 30 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] Zenerová dioda. Wikipedia [online] [cit ]. Dostupné z: [2] Rezistor. Spsemoh [online]. [cit ]. Dostupné z: [3] Integrovaný obvod. Wikipedia [online] [cit ]. Dostupné z: [4] Krabička. Gme [online]. [cit ]. Dostupné z:

31 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 31 SEZNAM POUŽITÝCH SYMBOLŮ A ZKRATEK DPS AC DC Deska plošných spojů Střídavý proud Stejnosměrný proud

32 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 32 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr Schéma transformátoru Obr Přechod PN Obr Značka zenerové diody [1] Obr Germaniová dioda Obr Integrovaný obvod Obr Pájka Obr Odsávačka cínu Obr Vrtačka Obr Multimetr Obr Krabička [4] Obr Transformátor Obr Přední panel Obr Zadní panel Obr Rozmístění součástek na DPS Obr Schéma zapojení Tabulka 1. Rozpis součástek Obr Pohled dovnitř zdroje Tabulka 2. Naměřené hodnoty Obr Kompletní výrobek (přední strana) Obr Kompletní výrobek (zadní strana)... 28

33 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 33 SEZNAM TABULEK Tabulka 1. Rozpis součástek Tabulka 2. Naměřené hodnoty... 27

34 SŠIEŘ Rožnov pod Radhoštěm 34 SEZNAM PŘÍLOH Příloha P1 Konzultace Příloha P2 CD s dokumentací

35

36 PŘÍLOHA P 2: CD S DOKUMENTACÍ