Разработка импульсного источника питания с цифровой шкалой 15.02.07

Содержание

Введение	5
1 Аналитическая часть	7
1.1 Общие тенденции развития импульсных источников питания	7
1.2 Достоинства и недостатки источников питания	7
1.3 Особенности семисегментных индикаторов	15
1.4 Интегральные стабилизаторы	23
2 Проектная часть	28
2.1 Импульсные источники питания на основе микросхемы UC3842	28
2.2 Импульсные источники питания с оптопарой в обратной связи	32
2.3 Импульсные источники питания с обратной связью от обмотки трансформатора	35
2.4 Выбор метода введения обратной связи	36
2.5 Описание работы электрической схемы ИИП	37
2.6 Назначение и технические характеристики цифрового вольтметра	41
2.7 Описание работы электрической схемы цифрового вольтметра	42
2.8 Выбор элементной базы	44
2.9 Основные конструктивные особенности разработки	53
2.10 Особенности настройки	55
3 Технико-экономическое обоснование разработки	57
3.1 Расчет затрат на проектирование конструкторской документации	57
3.2 Расчет затрат на изготовление опытного образца	64

3.3 Расчёт экономической эффективности устройства	68
4 Охрана труда и эргономика	72
4.1 Эргономика рабочего места, оснащенного компьютером	72
4.2 Техника безопасности на предприятии	73
4.3 Меры безопасности при ремонте импульсных блоков питания	77
Заключение	80
Список использованных источников	81

Введение

Импульсные источники питания в настоящее время уверенно приходят на смену устаревшим линейным. Причина - свойственные данным источникам питания высокая производительность, компактность и улучшенные показатели стабилизации.

При тех стремительных изменениях, которые претерпели принципы питания электронной техники за последнее время, информация о расчете, построении и использовании импульсных источников питания становиться все более актуальной.

В последнее время в среде специалистов в области электроники и радиотехники, а также в промышленном производстве особую популярность завоевали импульсные источники питания. Наметилась тенденция отказа от типовых громоздких трансформаторных и переход на малогабаритные конструкции импульсных блоков питания, преобразователей напряжения, конвертеров, инверторов.

В общем, тема импульсных источников питания достаточно актуальная и интересная, и является одной из важнейших областей силовой электроники. Данное направление электроники перспективное и стремительно развивающееся. И его основной целью является разработка мощных устройств питания, отвечающих современным требованиям надежности, качества, долговечности, минимизации массы, размеров, энерго- и материалоемкости. Необходимо отметить, что практически вся современная электроника, включая всевозможные ЭВМ, аудио-, видеотехнику и другие современные устройства питается от компактных импульсных блоков питания, что еще раз подтверждает актуальность дальнейшего развития указанной области источников питания.

Цифровые вольтметры преобразовывают измеряемое, медленно или постоянно меняющееся напряжение, в электрический код. Такой код отображается в цифровой форме на табло. Устройство состоит из цифрового индикатора, входного устройства и аналого-цифрового преобразователя.

Применение приборов цифрового отсчета вместо стрелочных вольтметров, дает возможность повысить точность измерений, сделать измерения более удобными, практически полностью устранить промахи и глазомерные ошибки, автоматизировать измерительные процессы.

Для цифровых вольтметров характерны:

-высокая точность измерений;

- широкий диапазон измеряемых значений напряжений;

- индикация результатов измерений в цифровой форме;

-возможность автоматического выбора шкал и полярности, подключения цифропечатающего устройства для механической регистрации результата, ввода информации об измеряемых величинах в ПК, применения для телеизмерений, превращения в измеритель сопротивлений или измеритель отношений двух напряжений.

Этим определился выбор темы дипломного проекта.

Целью дипломного проекта является разработка импульсного источника питания с цифровой шкалой. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- рассмотрены особенности импульсных источников питания и цифровых вольтметров;

- разработаны схемы электрические импульсного источника питания с применением микросхемы UC3842 и цифрового вольтметра;

- разработаны основные конструктивные особенности источника питания и цифрового вольтметра;

- осуществлено технико-экономическое обоснование разработки;

- рассмотрены вопросы охраны труда и эргономики.

1 Аналитическая часть

1.1 . Общие тенденции развития импульсных источников питания

Одним из важнейших компонентов любой низковольтной системы являются источники питания. Этот сегмент рынка, как и многие другие в сфере производства систем безопасности, находится в постоянном развитии и совершенствовании: идут процессы уменьшения габаритов, улучшения характеристик, адаптации под условия российских сетей и т.д. Какие же преимущества открывают перед пользователем импульсные источники питания и какие продукты существуют в данном сегменте? Общие проблемы питания любой аппаратуры: глобальные перепады напряжения в сети; потери на проводах отдаленных узлов системы, что особенно характерно для крупных объектов; помехи и наводки одними узлами системы на другие от общего источника (проблемы электромагнитной совместимости). Все эти проблемы с успехом решаются с помощью современных модификаций импульсных источников питания, которые все больше вытесняют с рынка традиционные трансформаторные (линейные) блоки питания. Все больше и больше производителей электротехники отдают им предпочтение, считая надежными, технологичными и удобными в эксплуатации.

1.2 Достоинства и недостатки источников питания

Трансформаторный блок питания (БП) состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора. Импульсные блоки питания являются инверторной системой. В импульсных блоках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется.

1.2.1 Трансформаторные источники питания

Классическим блоком питания является трансформаторный БП (рисунок 1.3). В общем случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель).

Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут быть установлены фильтры высокочастотных помех, всплесков, защиты от короткого замыкания, стабилизаторы напряжения и тока.

Рисунок 1.1 -Схема простейшего трансформаторного БП c двухполупериодным выпрямителем

Самым габаритным устройством в таких источниках питания является трансформатор.

Существует формула, несложно выводимая из базовых законов электротехники :

( 1 / n ) ~ f ×S ×B (1.1)

где n - число витков на 1 вольт (в левой части формулы стоит ЭДС одного витка, которая есть по уравнению Максвелла производная от магнитного потока, поток есть нечто в виде sin ( f × t ), в производной f выносится за скобку), f - частота переменного напряжения, S - площадь сечения магнитопровода, B - индукция магнитного поля в нем. Формула описывает амплитуду индукции магнитного поля, а не мгновенное значение.

Величина индукции В на практике ограничена сверху возникновением гистерезиса в сердечнике, что приводит к потерям на перемагничивание и перегреву трансформатора.

Если принять, что частота f есть частота сети (50 Гц), то единственные два параметра, доступные для выбора при разработке трансформатора, есть площадь сечения магнитопровода S и число витков n. На практике принята эвристика n = ( от 55 до 70 ) / S в см2.

Увеличение площади сечения магнитопровода S означает повышение габаритов и веса трансформатора. Если же идти по пути снижения площади сечения магнитопровода , то это означает повышение числа витков обмоток , что в трансформаторе небольшого размера означает снижение сечения провода (иначе обмотка не поместится на сердечнике).

Увеличение числа витков и снижение сечения означает сильное увеличение активного сопротивления обмотки. В маломощных трансформаторах, где ток через обмотку невелик, этим можно пренебречь, но с повышением мощности ток через обмотку растет и, при высоком сопротивлении обмотки, рассеивает на ней значительную тепловую мощность, что недопустимо.

Перечисленные выше соображения приводят к тому, что на частоте 50 Гц трансформатор большой (от десятков ватт) мощности может быть успешно реализован только как устройство большого габарита и веса (по пути повышения площади сечения магнитопровода и сечения провода со снижением числа витков в обмотках).

Потому в современных БП идут по другому пути, а именно по пути повышения частоты питающей сети f, то есть переходу на импульсные блоки питания. Таковые блоки питания в разы легче (причем основная часть веса приходится на экранирующую клетку) и значительно меньше габаритами, чем классические. Кроме того, они не требовательны к входному напряжению и частоте.

К достоинствма трансформаторных БП можно отнести следующее:

-простота конструкции;

- надёжность;

-доступность элементной базы;

-отсутствие создаваемых радиопомех (в отличие от импульсных, создающих помехи за счет гармонических составляющих).

Недостатки трансформаторных БП следующие:

-большой вес и габариты, особенно при большой мощности;

-металлоёмкость.

Компромисс между снижением КПД и стабильностью выходного напряжения: для обеспечения стабильного напряжения требуется стабилизатор, вносящий дополнительные потери.

1.2.2 Импульсные источники питания

Импульсные блоки питания являются инверторной системой. В импульсных блоках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной ФНЧ (в импульсных БП без гальванической развязки). В импульсных БП могут применяться малогабаритные трансформаторы (рисунок 1.3) — это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.

В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространенными способами являются использование связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.

Рисунок 1.2-Принципиальная схема простейшего однотактного импульсного БП

Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами соответствующие им импульсные стабилизаторы обладают следующими основными достоинствами:

-меньшим весом за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных тяжелых низкочастотных силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме;

-значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98%) за счет того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (то есть либо включен, либо выключен) потери энергии минимальны;

-меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;

-сравнимой с линейными стабилизаторами надежностью. (Блоки питания вычислительной техники, оргтехники, бытовой техники почти исключительно импульсные);

-широким диапазоном питающего напряжения и частоты, недостижимым для сравнимого по цене линейного. На практике это означает возможность использования одного и того же импульсного БП для носимой цифровой электроники в разных странах мира - Россия/США/Англия, сильно отличных по напряжению и частоте в стандартных розетках;

-наличием в большинстве современных БП встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания и от отсутствия нагрузки на выходе

К недостаткам импульсных БП относится следующее:

-работа основной части схемы без гальванической развязки от сети, что, в частности, несколько затрудняет ремонт таких БП;

-все без исключения импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех, поскольку это связано с самим принципом их работы. Поэтому требуется предпринимать дополнительные меры помехоподавления, зачастую не позволяющие устранить помехи полностью. В связи с этим часто недопустимо применение импульсных БП для некоторых видов аппаратуры.

В распределённых системах электропитания: эффект гармоник кратный трём. При наличии эффективно действующих корректоров фактора мощности и фильтров во входных цепях этот недостаток обычно не актуален.

Рисунок 1.3 - Общий вид трансформаторного и импульсного источников питания

1.2.3 Основные параметры и характеристики импульсных источников питания

Классификация импульсных источников питания (ИИП) производится по нескольким основным критериям:

-по виду входного и выходного напряжения;

-по типологии;

-по форме выходного напряжения;

-по типу питающей цепи;

-по напряжению на нагрузке;

-по мощности нагрузки;

-по роду тока нагрузки;

-по числу выходов;

-по стабильности напряжения на нагрузке.

По виду входного и выходного напряжения ИИП классифицируются как:

- преобразователи переменного напряжения в постоянное.

Такие преобразователи применяют в самых разных областях - это промышленная автоматика, телекоммуникационное оборудование, контрольно-измерительное оборудование, оборудование промышленного назначения для обработки данных, средства обеспечения безопасности, а также техника специального назначения;

- преобразователи постоянного напряжения.

В таких преобразователях- конверторах используют импульсные трансформаторы с двумя и более обмотками, причем между входной и выходной цепью связь отсутствует. Импульсные трансформаторы имеют большую разность потенциалов между входом и выходом конвертора. Примером их применения может быть блок питания (БП) для импульсных фотовспышек с напряжением на выходе порядка 400 В;

- преобразователи постоянного напряжения в переменное (инвентор). Основная область применения инверторов - работа в подвижном составе железнодорожных и других транспортных средств, имеющих бортовую электросеть постоянного напряжения. Также они могут быть применены в качестве основных преобразователей в составе источников резервного питания.

Высокая перегрузочная способность позволяет осуществлять питание широкого спектра устройств и оборудования, включая конденсаторные двигатели компрессоров холодильных установок и кондиционеров.

По типологии ИИП классифицируются следующим образом:

-обратноходовые импульсные преобразователи

-прямоходовые импульсные преобразователи);

-преобразователи с двухтактным выходом;

-преобразователи с полумостовым выходом ;

-преобразователи с мостовым выходом .

По форме выходного напряжения ИИП классифицируются :

-с модифицированной синусоидой;

-с синусоидой правильной формы.

1.3 Особенности семисегментных индикаторов

1.3.1 Конструкция и особенности семисегментных индикаторов

Семисегментный индикатор служит для отображения цифр от 0 до 9, а также децимальной точки или запятой. Конструктивно такой индикатор представляет собой сборку светодиодов. Каждый светодиод сборки засвечивает свой знакосегмент индикатора.

В зависимости от модели индикатора сборка может состоять из 1 – 4 семисегментных групп. Например, индикатор АЛС333Б1 состоит из 1 семисегментного индикатора – 1 числа.

А вот светодиодный индикатор KEM-5162AS уже имеет 2 семисегментных группы. Такие индикаторы называют двухразрядными. На рисунке 1.4 показаны разные светодиодные семисегментные индикаторы.

Рисунок 1.4 – Общий вид семисегментных индикаторов

Также существуют индикаторы с 4-мя группами семисегментных индикаторов – четырёхразрядные (рисунок 1.5). Их можно использовать в самодельных электронных часах.

Рисунок 1.5 – Индикатор типа FYQ-5641BSR-11

1.3.2 Обозначение семисегментных индикаторов

Так как семисегментный индикатор - это комбинированный электронный прибор, то изображение его на схемах мало отличается от его внешнего вида (рисунок 1.6).

Рисунок 1.6 – Схематическое обозначение семисегментного индикатора

Здесь , каждому выводу соответствует конкретный сегмент индикатора, к которому он подключен. Также имеется один или несколько выводов общего катода или анода - в зависимости от модели индикатора.

1.3.3 Особенности семисегментных индикаторов

Несмотря на кажущуюся простоту этой детали и у неё есть особенности.

Во-первых, светодиодные семисегментные индикаторы бывают с общим анодом и с общим катодом. Данную особенность следует учитывать при подборе индикатора для конструкции или прибора.

Например, цоколёвка 4-ёх разрядного индикатора FYQ-5641BSR-11 (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 – Габаритные размеры и цоколевка индикатора FYQ-5641BSR-11

Как видно, аноды у светодиодов каждой цифры объединены и выведены на отдельный вывод. Катоды же у светодиодов, которые принадлежат к знакосегменту (например, G), соединены вместе. От того, какую схему соединений имеет индикатор (с общим анодом или катодом) зависит очень многое. Если взглянуть на принципиальные схемы приборов с применением семисегментных индикаторов, то станет ясно, почему это так важно.

Кроме небольших индикаторов есть большие и даже очень большие. Их можно увидеть в общественных местах, обычно в виде настенных часов, термометров, информеров.

Чтобы увеличить размеры цифр на индикаторе и одновременно сохранить достаточную яркость каждого элемента, используется несколько светодиодов, включенных последовательно. Вот пример такого индикатора – он умещается на ладони. Это FYS-23011-BUB-21 (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 – Индикатор типа FYS-23011-BUB-21

Габаритные размеры и цоколевка такого индикатора показаны на рисунке 1.9.

Рисунок 1.9 – Габаритные размеры и цоколевка индикатора FYS-23011-BUB-21

Чтобы засветить один из сегментов (A, B, C, D, E, F или G) такого индикатора (рисунок 1.10 ), нужно подать на него напряжение в 11,2 вольта (2,8V на каждый светодиод). Можно и меньше, например, 10V, но яркость будет меньше. Исключение составляет децимальная точка (DP), её сегмент состоит из 2 светодиодов. Для неё нужно всего 5 - 5,6 вольт

Рисунок 1.10 – Отображение информации на индикаторе

Также в встречаются двухцветные индикаторы. В такие индикаторы встраиваются, например, красные и зелёные светодиоды. Получается, что в индикатор встроено как бы два индикатора, но со светодиодами разного цвета свечения. Если подать напряжение на обе цепи светодиодов, то можно получить жёлтый цвет свечения сегментов индикатора. На рисунке 1.11 приведена схема соединений двухцветного индикатора типа SBA-15-11EGWA.

Если коммутировать выводы 1 (RED) и 5 (GREEN) на "+" питания через ключевые транзисторы, то можно менять цвет свечения отображаемых чисел с красного на зелёный. А если же одновременно подключить выводы 1 и 5, то цвет cвечения будет оранжевым.

Рисунок 1.11 – Цоколевка двухцветного индикатора типа SBA-15-11EGWA.

1.3.4 Управление семисегментными индикаторами

Для управления семисегментными индикаторами в цифровых устройствах используют регистры сдвига и дешифраторы. Например, широко распространённый дешифратор для управления индикаторами серии АЛС333 и АЛС324 – микросхема К514ИД2 или К176ИД2.

А для управления современными импортными индикаторами обычно используются регистры сдвига 74HC595. Управлять элементами индикатора можно и напрямую с выходов микроконтроллеров. Но такую схему используют редко, так как для этого требуется задействовать довольно много выводов микроконтроллера, поэтому и применяются регистры сдвига. Также ток потребления светодиодами индикатора может быть больше, чем может дать выход микроконтроллера.

Для управления большими семисегментными индикаторами, такими как, FYS-23011-BUB-21 применяются специализированные драйверы, например, микросхема MBI5026.

1.3.5 Микросхема АЦП ICL7107, ICL7107R, ICL7107S

Схематическое обозначение микросхем представлено на рисунке 1.12.

Рисунок 1.12 - Схематическое обозначение микросхе АЦП ICL7107, ICL7107R, ICL7107S м

Микросхема ICL7107 представляет собой аналого-цифровой преобразователь, работающий по принципу двойного интегрирования с автоматической коррекцией нуля и автоматическим определением полярности входного сигнала. Выход микросхемы напрямую сопрягается со светодиодным индикатором (LED) на 3,5 десятичных разряда. Микросхема ICL7107 предназначена для применения в измерительных приборах напряжения, тока, сопротивления, температуры, массы и других.

Отличительные особенности этих микросхем:

-улучшенная версия лицензионной ИС;

-гарантированное восстановление параметров при первом считывании после перегрузки;

-встроенный драйвер дисплея ЖКИ -ICL7106 или светодиодный типа ICL7107, которые не труют внешних цепей согласования;

-высокоипедансные, CMOS, дифференциальные входы;

-низкий уровень шумов

-встроенные ИОН и тактовый генератор;

-полно- дифференциальные входы ИОН и входного сигнала;

-индикатор истинной полярности для прецизионных измерительных приложений около- нулевых сигналов;

-монолитная CMOS – архитектура.

Данные АЦП могут быть использованы в широком круге измерительных приборов с цифровой индикацией. Большинство приложений включает измерение и цифровую индикацию следующих параметров:

давление, напряжение, сопротивление, температуру, проводимость, ток, скорость, толщину материала.

ИС производства Maxim ICL7106 и ICL7107 (рисунок 1.13) являются монолитными, аналого- цифровыми преобразователями (АЦП). Они имеют ультра- высокое входное сопротивление и не требуют дополнительных внешних цепей драйвера индикатора. Встроенные активные компоненты включают драйверы индикатора полярности сигнала и цифровых разрядов, дешифраторы сегментов, источник опорного напряжения (ИОН) и тактовый генератор. ИС ICL7106 предназначена для непосредственного управления немультиплексным ЖКИ, а ИС ICL7107 предназначена для прямого управления светодиодным индикатором с общим анодом.

Универсальность и прецизионные характеристики являются характерными чертами данных АЦП. Алгоритм преобразования с двойным интегрированием автоматически устраняет влияние интерференционных сигналов, обычно присутствующих, в технологической инфраструктуре. Полно - дифференциальные входы сигнала и ИОН, особенно полезны при реализации режима относительного измерения (Омы, или мостовые преобразователи). Фирма Maxim добавила в схемотехнику ИС ICL7106/ICL7107 интегратор с нулевой фазой, что исключило возникновение эффектов гистерезиса и зависания после режима перегрузки. В завершение, данные АЦП обеспечивают высокий уровень точности путем снижения суммарной погрешности до величины, менее единицы младшего разряда и дрейфа нулевого уровня, составляющего, менее 1 мкВ/С.

Рисунок 1.13 – Общий вид интегральной микросхемы типа Maxim ICL7107

1.4 Интегральные стабилизаторы

Широкое применение в электронике нашли интегральные стабилизаторы напряжения и особенно один их вид - стабилизаторы с фиксированным выходным напряжением в трехвыводных корпусах. Они хороши тем что не требуют внешних элементов (кроме конденсаторов фильтров), регулировок и имеют широкий диапазон токов в нагрузках. Не буду приводить здесь их технические характеристики, а приведу только основные данные и схемы возможного применения.

Стандартные линейные стабилизаторы выпускаются многими производителями и имеют не одно обозначение, мы рассмотрим их на примере наиболее характерного типа:

серия L78 (для положительных напряжений),

и серия L79 (для отрицательных напряжений).

В свою очередь стандартные регуляторы делятся на:

-слаботочные с выходным током в районе 0,1 А (L78Lхх)-

( рисунок 1.14. а) ,

-со средним значением тока порядка 0,5 А (L78Мхх) –

( рисунок 1.14. б) ,

-сильноточные 1...1,5 А (L78хх) - ( рисунок 1.14. в)

Невысокая стоимость, простота применения и большое разнообразие выходных напряжений и корпусов делают эти компоненты весьма популярными при создании простых схем электропитания. Надо отметить, что эти регуляторы обладают рядом дополнительных функций, обеспечивающих безопасность функционирования. К ним относятся защита от перегрузки по току и температурная защита от перегрева микросхемы.

Интегральные стабилизаторы используют корпуса типов: КТ-26 , КТ-27, КТ-28-2, ТО-220, КТ-28-2, КТ-27-2, ТО-92, ТО-126, ТО-202, которые близки к изображенным на рисунке 1.14.

К микросхемам серии 78xx относится серия ИМС линейных стабилизаторов с фиксированным выходным напряжением - 78xx (также известная как LM78xx).

Их популярность связана, как уже говорилось выше, с их простотой использования и относительной дешевизной

Рисунок 1.14 – Общий вид интегральных стабилизаторов

При указании определённых микросхем серии, "xx" заменяется на двухзначный номер, обозначающий выходное напряжение стабилизатора (к примеру, микросхема 7805 имеет выходное напряжение в 5 вольт, а 7812 — 12В). Стабилизаторы 78-ой серии имеют положительное относительно земли рабочее напряжение, а серия 79xx отрицательное, имеет аналогичную систему обозначений. Их можно использовать для обеспечения и положительного, и отрицательного напряжений питания нагрузок в одной схеме.

Кроме того, их популярность серии продиктована несколькими преимуществами перед другими стабилизаторами напряжения:

Микросхемы серии не нуждаются в дополнительных элементах для обеспечения стабильного питания, что делает их удобными в использовании, экономичными и эффективно использующими место на печатной плате. В отличие от них большинство других стабилизаторов требуют дополнительные компоненты или для установки нужного значения напряжения, или для помощи в стабилизации. Некоторые другие варианты (например, импульсные стабилизаторы) требуют не только большого количества дополнительных компонентов, но могут требовать большой опыт разработки.

Устройства серии обладают защитой от превышения максимального тока, а также от перегрева и коротких замыканий, что обеспечивает высокую надёжность в большинстве случаев. Иногда ограничение тока также используется и для защиты других компонентов схемы,

Линейные стабилизаторы не создают ВЧ помех, в виде магнитных полей рассеяния и ВЧ пульсаций выходного напряжения.

К недостаткам линейных стабилизаторов можно отнести более низкий КПД по сравнению с импульсными, но при оптимальном расчете он может превышать 60%.

Типовая схема включения интегрального стабилизатора напряжения в трехвыводном корпусе с фиксированным выходным напряжением показана на рисунке 1.15.

Рисунок 1.15 – Схема включения ИС типа L7805

Микросхемы подобного типа не требуют дополнительных элементов, кроме конденсаторов фильтрующих напряжение - которые фильтруют питающее напряжение и защищают стабилизатор от помех проникающих с нагрузки и от источника питающего напряжения.

Для обеспечения устойчивой работы микросхем серии 78хх во всем диапазоне допустимых значений входных и выходных напряжений и токов нагрузки рекомендуется применять шунтирующие вход и выход стабилизатора конденсаторы. Это должны быть твердотельные (керамические или танталловые) конденсаторы емкостью до 2 мкф на входе и 1 мкф на выходе. При использовании алюминиевых конденсаторов их емкость должна быть более 10 мкф. Подключать конденсаторы необходимо как можно более короткими проводниками как можно ближе к выводам стабилизатора.

2 Проектная часть

2.1 Импульсные источники питания на основе микросхемы UC3842

Начиная со второй половины 90-х годов выпущено огромное количество телевизоров, видеомониторов, факсов и других устройств, в источниках питания (ИП) которых применяется интегральная микросхема UC3842 (далее - ИС). Это объясняется ее невысокой стоимостью, малым количеством дискретных элементов, нужных для ее «обвеса» и, наконец, достаточно стабильными характеристиками ИС. Варианты этой ИС, выпускаемые разными производителями, могут отличаться префиксами, но обязательно содержат ядро 3842.

ИС UC3842 выпускается в корпусах SOIC-8 и SOIC-14, но в подавляющем большинстве случаев встречается ее модификация в корпусе DIP-8. Нумерация выводов дана для корпусов с восемью выводами, в скобках даны номера выводов для корпуса SOIC-14. Следует заметить, что между двумя вариантами исполнения ИС имеются незначительные различия. Так, вариант в корпусе SOIC-14 имеет отдельные выводы питания и земли для выходного каскада.

Микросхема UC3842 предназначена для построения на ее основе стабилизированных импульсных ИП с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Поскольку мощность выходного каскада ИС сравнительно невелика, а амплитуда выходного сигнала может достигать напряжения питания микросхемы, то в качестве ключа совместно с этой ИС применяется n-канальный МОП транзистор

Ниже приводится подробное назначение выводов ИС для наиболее часто встречающегося восьмивыводного корпуса.

Com- этот вывод подключен к выходу усилителя ошибки компенсации. Для нормальной работы ИС необходимо скомпенсировать АЧХ усилителя ошибки, с этой целью к указанному выводу обычно подключается конденсатор емкостью около 100 пФ, второй вывод которого соединен с выводом 2 ИС.

Vfb- вход обратной связи. Напряжение на этом выводе сравнивается с образцовым, формируемым внутри ИС. Результат сравнения модулирует скважность выходных импульсов, стабилизируя, таким образом, выходное напряжение ИП.

C/S- сигнал ограничения тока. Данный вывод должен быть присоединен к резистору в цепи истока ключевого транзистора (КТ). При повышении тока через КТ (например, в случае перегрузки ИП) напряжение на этом резисторе увеличивается и, после достижения порогового значения, прекращает работу ИС и переводит КТ в закрытое состояние.

Rt/Ct- вывод, предназначенный для подключения времязадающей RC-цепочки. Рабочая частота внутреннего генератора устанавливается подсоединением резистора R к опорному напряжению Vref и конденсатора С (как правило, емкостью около 3 000 пФ) к общему выводу. Эта частота может быть изменена в достаточно широких пределах, сверху она ограничивается быстродействием КТ, а снизу - мощностью импульсного трансформатора, которая падает с уменьшением частоты. Практически частота выбирается в диапазоне 35…85 кГц, но иногда ИП вполне нормально работает и при значительно большей или значительно меньшей частоте. Следует заметить, что в качестве времязадающего должен применяться конденсатор с возможно большим сопротивлением постоянному току. В практике автора встречались экземпляры ИС, которые вообще отказывались запускаться при использовании в качестве времязадающего некоторых типов керамических конденсаторов.

Gnd- общий вывод. Следует заметить, что общий провод ИП ни в коем случае не должен быть соединен с общим проводом устройства, в котором он применяется.

Out- выход ИС, подключается к затвору КТ через резистор или параллельно соединенные резистор и диод (анодом к затвору).

Vcc- вход питания ИС. Рассматриваемая ИС имеет некоторые весьма существенные особенности, связанные с питанием, которые будут объяснены при рассмотрении типовой схемы включения ИС.

Vref- выход внутреннего источника опорного напряжения, его выходной ток до 50 мА, напряжение 5 В.

Источник образцового напряжения используется для подключения к нему одного из плеч резистивного делителя, предназначенного для оперативной регулировки выходного напряжения ИП, а также для подключения времязадающего резистора.

На рисунке 2.1 рассматривается типовая схема включения ИС.

Рисунок 2.1-Типовая схема включения интегральной схемы типа 3842

Микросхема 3842 представляет собой ШИМ (широтно-импульсный) преобразователь, в основном применяется для работы в режиме DC-DC (преобразовывает постоянное напряжение одной величины в постоянное напряжение другой) преобразователя. На рисунке 2.2 приведена функциональная схема микросхемы 3842.

На седьмой вывод микросхемы подаётся напряжение питания в диапазоне от 16 до 34 В. Данная микросхема имеет встроенный триггер Шмидта, который включает микросхему, если напряжение питания превышает 16 В, если-же напряжение по каким-либо причинам станет ниже 10 В, произойдёт её отключение от питающего напряжения. Микросхема также обладает защитой от перенапряжения: если напряжение питания на ней превысит 34В, микросхема отключится.

Вывод восемь. Микросхема имеет внутри свой собственный стабилизатор напряжения, который на вывод 8 подаёт плюс 5 В, это нужно для стабилизации частоты генерации импульсов.

Вывод 5- масса (земля).

На четвёртом выводе задаётся частота импульсов. Достигается это резистором, подключённым относительно 4 вывода к 8 выводу плюс 5 В, и конденсатором, подключённым к массе, относительно этого же вывода.

Шестой вывод – выход ШИМ импульсов.

Первый вывод микросхемы (в данном случае рассматривается микросхема 3842 в корпусе с восьмью выводами,) служит для обратной связи, если на нём напряжение уменьшить ниже 1В, то на выходе 6 микросхемы будет уменьшаться длительность импульсов, тем самым уменьшая мощность данного шим преобразователя.

Второй вывод, как и первый, служит для сокращения длительности импульсов на выходе, если на него подать выше плюс 2,5 В, то импульсы сократятся и микросхема снизит выдаваемую мощность.

Третий вывод служит для отключения импульса на выходе, при подаче на него напряжения выше 1В.

Рисунок 2.2 – Функциональная схема ИС типа 3842

Работает микросхема следующим образом:

если напряжение питания в норме, то на выводе 8 появится напряжение плюс 5В, которое запустит генератор OSC , он в какой-то момент выдаст короткий положительный импульс на вход S, RS триггера, переключив его, после чего на его выходе появится ноль. В момент спада импульса OSC напряжение на всех прямых входах цифрового элемента станет по нулям, в этот момент, на инвертирующем выходе этого элемента образуется логическая единица, которая откроет верхний транзистор, и ток от плюс источника, коллектор, эмиттер потечёт в нагрузку 6 вывода. Таким образом, импульс на выходе будет открытым и длится до тех пор, пока на вывод 3 не подастся закрывающее напряжение выше плюс 1 В. В момент подачи этого напряжения на 3 вывод, и соответственно на прямой вход операционного усилителя, на его выходе появится логическая единица, и переключит RS триггер при подачи её на вход R.После чего на выходе RS триггера появится логическая 1, в момент её подачи на один, из прямых входов логического элемента, на его прямом выходе образуется логическая едтница (на инверсном выводе в этот момент образуется логический ноль, запирающий верхний транзистор), которая откроет нижний транзистор и ток от нагрузки, через коллектор-эмиттер уйдёт на массу.

2.2 ИИП с оптопарой в обратной связи

Основной принцип, положенный в основу работы ИБП заключается в преобразовании сетевого переменного напряжения (50 Гц) в переменное высокочастотное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируется до требуемых значений, выпрямляется и фильтруется.

Преобразование осуществляется с помощью мощного транзистора, работающего в режиме ключа и импульсного трансформатора, вместе образующих схему ВЧ преобразователя. Что касается схемного решения, то здесь возможны два варианта преобразователей: первый –выполняется по схеме импульсного автогенератора (например, такой использовался в ИБП телевизоров 3 – 4 УСЦТ) и второй – с внешним управлением (используется в большинстве современных радиоэлектронных устройств).

Поскольку частота преобразователя обычно выбирается от 18 до 50 кГц, то размеры импульсного трансформатора, а, следовательно, и всего блока питания достаточно компактны, что является немаловажным параметром для современной аппаратуры.

Упрощенная схема импульсного преобразователя с внешним управлением приведена на рисунке 2.3.

Преобразователь выполнен на транзисторе VT1 и трансформаторе Т1. Сетевое напряжение через сетевой фильтр (СФ) подается на сетевой выпрямитель (СВ), где оно выпрямляется, фильтруется конденсатором фильтра Сф и через обмотку W1 трансформатора Т1 подается на коллектор транзистора VT1.

Рисунок 2.3 – Функциональная схема ИИП на оптопаре

При подаче в цепь базы транзистора прямоугольного импульса, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1, а следовательно осуществлять стабилизацию выходных напряжений БП. Единственное что для этого необходимо - схема, которая будет формировать импульсы запуска и управлять их длительность (широтой). В качестве такой схемы используется ШИМ контроллер. ШИМ – широтно – импульсная модуляция. В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов (определяющий частоту работы преобразователя), схемы защиты, контроля и логическая схема, которая и управляет длительностью импульса.

Для стабилизации выходных напряжений ИБП, схема ШИМ контроллера «должна знать» величину выходных напряжений. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи), выполненная на оптопаре U1 и резисторе R2. Увеличение напряжения во вторичной цепи трансформатора Т1 приведет к увеличению интенсивности излучения светодиода, а следовательно уменьшению сопротивления перехода фототранзистора (входящих в состав оптопары U1). Что в свою очередь, приведет к увеличению падения напряжения на резисторе R2, который включен последовательно фототранзистору и уменьшению напряжения на выводе 1 ШИМ контроллера. Уменьшение напряжения заставляет логическую схему, входящую в состав ШИМ контроллера, увеличивать длительность импульса до тех пор, пока напряжение на 1-м выводе не будет соответствовать заданным параметрам. При уменьшении напряжения – процесс обратный.

В ИБП используются два принципа реализации цепей слежения – «непосредственный» и «косвенный». Выше описанный метод называется «непосредственный», так как напряжение обратной связи снимается непосредственно с вторичного выпрямителя.

2.3 ИИП с обратной связью от обмотки трансформатора

При «косвенном» слежении напряжение обратной связи снимается с дополнительной обмотки импульсного трансформатора (рисунок 2.4). Уменьшение или увеличение напряжения на обмотке W2, приведет к изменению напряжения и на обмотке W3, которое через резистор R2 также приложено к выводу 1 ШИМ контроллера.

Рисунок 2.4- Функциональная схема ИИП с обратной связью от обмотки трансформатора

При коротком замыкании в нагрузке вся энергия, отдаваемая во вторичную цепь ИБП, будет теряться и напряжение на выходе будет практически равно нулю. Соответственно схема ШИМ контроллера будет пытаться увеличить длительность импульса для того, что бы поднять уровень этого напряжения до соответствующего значения. В итоге транзистор VT1 будет все дольше и дольше находиться в открытом состоянии, и через него будет увеличиваться протекающий ток. В конце концов, это приведет к выходу из строя этого транзистора. В ИБП предусмотрена защита транзистора преобразователя от перегрузок по току в таких нештатных ситуациях. Основу ее составляет резистор Rзащ, включенный последовательно в цепь, по которой протекает ток коллектора Iк. Увеличение тока Iк протекающего через транзистор VT1, приведет к увеличению падения напряжения на этом резисторе, а, следовательно, напряжение, подаваемое на вывод 2 ШИМ контроллера также будет уменьшаться. Когда это напряжение снизится до определенного уровня, который соответствует максимально допустимому току транзистора, логическая схема ШИМ контроллера прекратит формирование импульсов на выводе 3 и блок питания перейдет в режим защиты или другими словами отключится.

2.4 Выбор метода введения обратной связи

Обратная связь через оптопару, является жёсткой связью, и применяется в том случае, когда на выходе нужно получить точное напряжение. Но точное напряжение, возможно, получить только там, откуда введена обратная связь, а на остальных выводах трансформатора, напряжение как получится, то есть в зависимости от приложенной нагрузки. Схема же с обратной связью, взятой из обмотки трансформатора, является мягкой, и напряжение на всех обмотках трансформатора поддерживается приблизительно равным заданному. Проектируя блок питания, нужно помнить эти два принципиальных отличия схем. В некоторых случая окажется подходящим первый способ, с введением обратной связи через оптопару, в иных случаях, напротив, более удачным может оказаться выбор второго варианта схемы.

На основании вышесказанного выбирается электрическая схема импульсного источника питания с мягкой обратной свяью.

2.5 Описание работы электрической схемы ИИП

Блок питания реализован на основе микросхемы UC3842, которая имеет малую стоимость, высокую надежность, простую схемотехнику и минимальную требуемую обвязку.

На входе блока питания (рисунок 2.5) расположен сетевой выпрямитель напряжения, включающий плавкий предохранитель FU1 на ток 5 А, варистор Р1 на 275 В для защиты блока питания от превышения напряжения в сети, конденсатор С1, терморезистор R1 на 4,7 Ом, диодный мост VD1…VD4 на диодах FR157 и конденсатор фильтра С2. Терморезистор R1 в холодном состоянии имеет сопротивление 4,7 Ом, и при включении питания ток заряда конденсатора С2 ограничивается этим сопротивлением. Далее резистор разогревается за счет проходящего через него тока, и его сопротивление падает до десятых долей ома. При этом он практически не влияет на дальнейшую работу схемы.

Резистор R7 обеспечивает питание ИМС в период запуска блока питания. Обмотка II трансформатора Т1, диод VD6, конденсатор С8, резистор R6и диод VD5 образуют петлю обратной связи, которая обеспечивает питание ИМС в рабочем режиме, и за счет которой осуществляется стабилизация выходных напряжений. Конденсатор С7 является фильтром питания ИМС. Элементы R4,C5 составляют времязадающую цепочку для внутреннего генератора импульсов ИМС.

Резистивный делитель R2,R3 задает напряжение, вырабатываемое петлей обратной связи, на входе усилителя ошибки, то есть определяет напряжение стабилизации. Элементы R5,C6 необходимы для компенсации АЧХ усилителя ошибки. Резистор R9 – токоограничивающий, резистор R13 защищает полевой транзистор VT1 в случае обрыва резистора R9. Резистор R11 является измерительным для определения тока через транзистор VT1. Элементы R10, C10 образуют интегрирующую цепочку, через которую напряжение с резистора R11, являющееся эквивалентом тока через транзистор VT1, поступает на второй компаратор ИМС. Элементы VD7, R8, C9, VD8, C11 и R12 формируют требуемую форму импульсов, устраняют паразитную генерацию фронтов и защищают транзистор от мощных импульсов напряжения.

Выходная часть блока питания представлена на рисунке 2.6. Она гальванически развязана от входной части и включает в себя три функционально идентичных блока, состоящих из выпрямителя, LC-фильтра и линейного стабилизатора. Первый блок – стабилизатор на 5 В – выполнен на ИМС линейного стабилизатора А2 SD1083.

Второй блок – стабилизатор плюс 12 В (1А) – выполнен на ИМС линейного стабилизатора А3 7812 (12 В).

Третий блок – Стабилизатор минус 12 В (1 А) – выполнен на ИМС линейного стабилизатора А4 7912 (12 В).

Резисторы R14, R17, R18 необходимы для гашения излишнего напряжения на холостом ходу. Конденсаторы С12, С20, С25 выбраны с запасом по напряжению ввиду возможного возрастания напряжения на холостом ходу.

Рисунок 2.5 –Схема электрическая принципиальная ИБП

Обратная связь выводится из отдельной обмотки трансформатора, на вывод 2 микросхемы. Чаще всего обратная связь берётся прямо из обмотки питания микросхемы. В данном примере напряжение с конденсатора С7, через делитель напряжения R2 и R3 подаётся на 2 вывод микросхемы, который является инвертирующим входом операционного усилителя.

Рисунок 2.6 –Схемы электрические принципиальные выходных каскадов ИИП

Если напряжение на R2 делителя будет подыматься свыше 2,5 вольта, это вызовет закрытие операционного усилителя, и сокращение длительности импульсов на выходе 6 микросхемы и понижение выходной мощности поданной на трансформатор. То есть, получается стабилизатор напряжения. Следует здесь подробнее описать принцип действия обратной связи. Каждая из обмоток трансформатора намотана каким-то количеством витков, рассчитанных на нужные напряжения, которые определяются из коэффициента трансформации. И вот, если мы нагрузили любую из обмок, то напряжение будет снижено не только на конкретной обмотке, но и обмотке обратной связи, после чего микросхема стремясь повысить напряжение, увеличит длительность импульсов, стараясь держать напряжение на заданном уровне. Больше принципиальных отличий от первой схемы, данная схема не имеет. Имеется небольшое отличие, например, в порядке следования конденсатора C10 и резистора R10фильтра подключённого к выводу выключения 3 микросхемы, отмечу, что именно эта цепочка, что во втором варианте, чаще всего используется во всех схемах применения микросхемы 3842, в том числе и в первой схеме, с оптопарой в обратной связи. Есть ещё отличие этой схемы от первой: в этой схеме добавлена цепочка C11, VD8,R12, которая служит для более точного формирования импульсов и дополнительной защиты транзистора от пробоя. Однако, её применение вовсе не обязательно.

2.6 Назначение и технические характеристики цифрового вольтметра

Цифровой вольтметр позволяет измерять постоянное напряжение от 0 до 1000В с дискретностью 0,1 В. Технические характеристики цифрового вольтметра приведены в таблице 2.1.

Таблица 1.1 – Технические характеристики

Напряжение питания, В	8…15
Ток покоя, не более, мА	120
Измеряемое напряжение, В	0,1…999
Размеры печатной платы основной, мм	68×70
Размеры печатной платы индикаторов, мм	68×26

2.7 Описание работы электрической схемы цифрового вольтметра

Основным элементом цифрового вольтметра (рисунок 2.7) является специализированная микросхема аналого-цифрового преобразователя (АЦП) ICL7107. Выводы 2-25 микросхемы подключены к семисегментным индикаторам, которые и отображают значение измеряемого напряжения.

На транзисторах VT1 и VT2, а также диодах VD1 и VD2 выполнен источник опорного напряжения (примерно минус 12 В), который подается на вывод 26 АЦП. Через токоограничительные резисторы R1, R2, R3 измеряемое напряжение подается на вывод 31 АЦП. Подстроечные резисторы R1 R2 служат для настройки точности вольтметра. Благодаря применению трехвыводного интегрального стабилизатора 7805, обеспечивающему стабильное напряжение плюс 5В, схема может работать в широком диапазоне питающих напряжений: от 8 до 15 В.

Рисунок 2.7 – Схема электрическая принципиальная цифрового вольтметра

2.8 Выбор элементной базы

Выбор элементной базы проводится на основе схемы электрической принципиальной с учетом изложенных в ТЗ условий и требований.

Для правильного выбора типа элементов необходимо на основе требований по установке в частности климатических, механических и др. влияний проанализировать условия работы каждого элемента и определить:

-эксплуатационные факторы (интервал рабочих температур, относительную влажность окружающей среды, атмосферное давление, механические нагрузки и др.);

-значения параметров и их разрешенные изменения в процессе эксплуатации (номинальное значение, допуск, сопротивление изоляции, шумы, вид функциональной характеристики и др.);

-разрешенные режимы и рабочие электрические нагрузки (мощность, напряжение, частота, параметры импульсного режима и др.);

-показатели надежности, долговечности и срока сохранения.

Критерием выбора в устройстве электрорадиоэлементов (ЭРЭ) является соответствие технологических и эксплуатационных характеристик ЭРЭ, заданных условиями работы и эксплуатации.

Основными параметрами при выборе ЭРЭ является:

-технические параметры:

-номинальное значение параметров ЭРЭ согласно принципиальной электрической схемы прибора;

-допустимые отклонения величины ЭРЭ от их номинального значения;

-допустимое рабочее напряжение ЭРЭ;

-допустимая мощность рассеивания ЭРЭ;

-диапазон рабочих частот ЭРЭ;

-коэффициент электрической нагрузки ЭРЭ.

-эксплуатационные параметры:

-диапазон рабочих температур;

-относительная влажность воздуха;

-атмосферное давление;

-вибрационные нагрузки;

-другие показатели.

Дополнительными критериями при выборе ЭРЭ является:

-унификация ЭРЭ;

-масса и габариты ЭРЭ;

-наименьшая стоимость.

Выбор элементной базы по вышеназванным критериям позволяет обеспечить надежную работу изделия. Применение принципов стандартизации и унификации ЭРЭ при конструировании изделия позволяет получить следующие преимущества:

-значительно уменьшить сроки и стоимость проектирования;

-сократить на предприятии номенклатуру примененных деталей и сборочных единиц;

-увеличить масштабы производства;

-исключить разработку специальной оснастки и специального оборудования для каждого нового варианта схемы, то есть упростить подготовку производства;

-создать специализированное производство стандартных и унифицированных сборочных единиц для централизованного обеспечения предприятия;

-улучшить эксплуатационную и производственную технологичность;

-снизить себестоимость выпуска проектируемого изделия.

Учитывая сказанное, сделаем выбор элементной базы для

разрабатываемого ИБП.

В устройстве применены:

- микросхемы КА3842

- резисторы;

- терморезистор NTC;

- конденсаторы;

- транзисторы 2SK1357

- диоды 1N4937, FR207, FR157

- трансформаторы;

- дроссели;

- плавкий предохранитель 5A.

Проведем сравнительный анализ, вышеуказанных элементов с их аналогами, диапазон эксплуатационных характеристик которых отвечает требованиям ТЗ. За цель ставим выбор ЭРЭ наиболее дешевых, распространенных, которые поставляются многими организациями – поставщиками электронных компонентов, при условии соблюдения принципа наименьших габаритов и размеров.

а) Выбор микросхем.

В схеме, в качестве управляющей микросхемы, применена микросхема КА3842 , которую выпускает фирма TEXAS INSTRUMENT (США). Ее полным аналогом, как по электрическим параметрам, так и по эксплуатационным имеются микросхемы:

IR3M02 SHARP (Япония); uA494 FAIRCHILD (США); KA7500 SAMSUNG (Корея); MB3759 FUJITSU (Япония).

Среди представленных микросхем наименьшую стоимость, широкую распространенность имеет KA 3842SAMSUNG (Корея). Поэтому в качестве управляющей микросхемы выбираем KA3842. При ремонте или замене возможно использование любой микросхемы перечисленной выше.

В качестве стабилизатора напряжения на плюс 12В применена микросхема 7815, ее полным аналогом является КР142ЕН12А отечественного производства. Микросхемы имеют приблизительно одинаковую стоимость. Ток стабилизации в КР142ЕН12А больше чем в 7815. По масса-габаритному показателю 7815 меньше чем КР142ЕН12А. Учитывая электрические параметры и габаритные выбираем микросхему 7815.

б) Выбор резисторов

При выборе резисторов руководствуемся такими характеристиками как электрическое сопротивление и стоимость.

Для выбора типа постоянных резисторов воспользуемся сравнительной таблицей, в который вынесены несколько основных параметров.

Исходя из выше указанных требований выбираем металлопленочные резисторы типа С2-22. Они имеют параметры, которые нам наиболее подходят.

в) Выбор конденсаторов

При выборе электролитических конденсаторов главным образом руководствуемся такими характеристиками как габариты и себестоимость.

Учитывая то, что электролитические конденсаторы в электрической схеме есть одними из самых ответственных элементов, при конструировании будут выбраны конденсаторы фирмы PHILIPS – лидера в производстве высоко надежных конденсаторов, которые имеют самые меньшие габариты и низкую стоимость.

Неполярные конденсаторы в схеме не являются критическими элементами и к ним не предъявляются особенные требования. Поэтому при выборе неполярных конденсаторов руководствуемся критерием низкой стоимости, установочного места и габаритами.

г) Выбор транзисторов

Среди представленных транзисторов выбираем транзистор с минимальной мощностью рассеивания и максимальным током коллектора. По стоимости, транзисторы имеют одинаковую цену, поэтому оптимальным является выбор 2SK1357.

д) Выбор диодов

В схеме в сигнальных цепях использованы низковольтные диоды FR157, аналогом которых являются диоды отечественного производства КД521, КД522. За показателем стоимости и распространенности FR157 есть лучшим выбором.

В качестве силовых низкочастотных выпрямляющих диодов использованы диоды типа 1N4937 , аналогами которого является10D6, ERD24-06, FR105/G. Все диоды являются распространенными и имеют приблизительно одинаковую стоимость, последние два среди них имеют преимущество в критерии посадочного места, поэтому выбираем диод 1N4937.

В качестве выходных высокочастотных выпрямляющих диодов вторичной стороны использованы SR360, в канале +12В . Аналогами являются диоды PXPR1002, RS102R, КД208, КД226. По массогабаритным показателям, показателям стоимости и установочными размерами преимущество отдаем SR360.

е) Выбор трансформатора

В качестве импульсного трансформатора выбираем трансформатор марки ETD39, так как он подходит по своим параметрам и стоимости. Данные трансфрматора приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1- Данные обмоток трансформатора ETD39

Обмотка	Кон- такты	Назначение	Провод	Предельный ток, А	Напряжение холостого хода, В
I	1-16	Первичная	4×ПЭВ-2, 0,15	2	-
II	2-15	Обратной связи	3×ПЭВ-2, 0,15	0,1	18
III	3-14	Выход +5 В	4×ПЭВ-2, 0,35	6	16
IV	4-13	Выход +15/12 В	2×ПЭВ-2, 0,35	1,5	20
V	5-12	Выход -15/12 В	2×ПЭВ-2, 0,35	1,5	20

Перечень элементов приведен в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Перечень элементов

Поз. обозн.	Наименование	Кол-во	Примечание
	Резисторы
R1	С2-22 4,0 Ом±5%	1
R2	С2-22 18к ±5%	1
R3, R8	С2-22 4,7к ±5%	2
R4	С2-22 10к ±5%	1
R5	С2-22 120к ±5%	1
R6	С2-22 100 Ом ±5%	1
R7	С2-22 100к ±5%	1
R9	С2-22 22 Ом ±5%	1
R10	С2-22 1к ±5%	1
R11	0,51 Ом ±5%	1	Намотка проводом ПЭЛ-1 Диаметром 0,05мм поверх резистора С2-22 120к
R12	С2-22 2,7к ±5%	1
R17	С2-22 910 Ом ±5%	1
	Конденсаторы
С1	SMD_0805, 0,1 мкФ, ±20%, 250 В	1
С2	220мк-400В	1	PHILIPS
С4,С21	SMD_0805, 0,22 мкФ, ±20%,	1
С5	SMD_0805, 4700 пФ, ±20%,	1
С6	SMD_0805, 100 пФ, ±20%,	1
С7,С8	47 мк-63В	2	PHILIPS
С9	SMD_0805, 3300пФ, ±20%,	1
С10	SMD_0805, 470пФ, ±20%,	1
С11	Capacitor 470 пФ 3.0	1	Фирма Murata, Uраб = 3 кВ
С20	2200 мк-50В	1	PHILIPS
С23	68 мк-15В	1	PHILIPS
С24	4700 мк-16В	1	PHILIPS
	Полупроводниковые диоды
VD1…VD4	FR157	4
VD5, VD6	1N4937	2
VD7,VD8	FR207	2
	Микросхемы
А1	КА3842	1
А2	7812	1
	Трансформатор импульсный
Т1	ETD39	1

Общий вид импульсного трансформатора ETD39 показан на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 – Общий вид ипульсного трансформатора ETD39

Сделаем выбор элементной базы для цифрового вольтметра.

а) Выбор управляющей микросхемы

В схеме, в качестве управляющей микросхемы, применена микросхема ICL7107, которую выпускает фирма Maxim (США). Ее полным аналогом, как по электрическим параметрам, так и по эксплуатационным имеются микросхемы:

IR3M02 SHARP (Япония); uA494 FAIRCHILD (США); KA7500 SAMSUNG (Корея); MB3759 FUJITSU (Япония).

Среди представленных микросхем наименьшую стоимость, широкую распространенность имеет ICL7107. Поэтому в качестве управляющей микросхемы выбираем ICL7107. При ремонте или замене возможно использование любой микросхемы перечисленной выше.

б) Выбор микросхемы стабилизатора напряжения

В качестве стабилизатора напряжения на +5В применена микросхема L7805, ее полным аналогом является КР142ЕН5А отечественного производства. Микросхемы имеют приблизительно одинаковую стоимость. Ток стабилизации в КР142ЕН5А больше чем в L7805. По масса-габаритному показателю L7805 меньше чем КР142ЕН5А. Учитывая электрические параметры и габаритные выбираем L7805.

в) Выбор резисторов

При выборе резисторов руководствуемся такими характеристиками как электрическое сопротивление и стоимость

Для выбора типа постоянных резисторов воспользуемся сравнительной таблицей, в который вынесены несколько основных параметров.

Исходя из выше указанных требований выбираем металлопленочные резисторы типа С2-22. Они имеют параметры, которые наиболее подходят для изготовления вольтметра.

г) Выбор конденсаторов

При выборе электролитических конденсаторов главным образом руководствуемся такими характеристиками как габариты и себестоимость.

Учитывая то, что электролитические конденсаторы в электрической схеме есть одними из самых ответственных элементов, при конструировании будут выбраны конденсаторы фирмы PHILIPS – лидера в производстве высоко надежных конденсаторов, которые имеют самые меньшие габариты и низкую стоимость.

Неполярные конденсаторы в схеме не являются критическими элементами и к ним не предъявляются особенные требования. Поэтому при выборе неполярных конденсаторов руководствуемся критерием низкой стоимости, установочного места и габаритами.

д) Выбор маломощных транзисторов.

Среди рассмотренных маломощных транзисторов выбираются С9012 и С9013, которые наиболее подходят по параметрам и являются дешевле всех.

е) Выбор диодов

В схеме в сигнальных цепях использованы низковольтные диоды 1N4148, аналогом которых являются диоды отечественного производства КД521, КД522. За показателем стоимости и распространенности 1N4148 является лучшим выбором.

ж) Выбор стабилитрона

В схеме применен один стабилитрон типа BZX55C3V3 фирмы VISHAY. Аналогом является стабилитрон типа КС 133Д-1 имеющий большие габаритные размеры. Стабилитроны BZX не содержат свинца, обладают высокой стабильностью, низким собственным шумом и меньшей стоимостью, что и послужило его выбору.

Перечень элементов приведен в таблице 2.3.

Таблица 2.3 – Перечень элементов

Поз. обозн.	Наименование	Кол-во	Примечание
	Резисторы
R1	C2-22 5 Мом ±5%	1	Зеленый, черный, зеленый
R2	C2-22 3 Мом ±5%	1	Оранжевый, черный, черный, желтый
R3, R5	C2-22 1 Мом ±5%	2	Коричневый, черный, черный, желтый
R4	C2-22 1 кОм ±5%	1	Коричневый, черный, черный, коричневый
R6, R7	C2-22 50 кОм ±5%	2	Зеленый, черный, оранжевый
R8	C2-22 330 Ом ±5%	1	Оранжевый, оранжевый, коричневый
R9	C2-22 6,8 кОм ±5%	1	Синий, серый, красный
R10	C2-22 100 кОм ±5%	1	Коричневый, черный, желтый
R11	C2-22 47 кОм ±5%	1	Желтый, фиолетовый, оранжевый
R12	C2-22 10 Ом ±5%	1	Коричневый, черный, черный; 0,5 Вт
R13	C2-22 470 Ом ±5%	1	Желтый, фиолетовый, коричневый
VR1	3323Р-102 1 кОм	1	Подстроечный
VR2	3323Р-102 100 Ом	1	Подстроечный
	Конденсаторы
С1	0,47 мкФ-25В	1	Электролитический
С2, С5	0,1 мкФ	2	104
С3	10 нФ	1	0,01
С4	КММ 100пФ	1
С6	0,47 мкФ-25В	1	PHILIPS
С7	0,22 мкФ	1
С8	10 мкФ-16В	1	PHILIPS
С9, С10	10 мкФ-25В	2	PHILIPS
	Микросхемы
IC1	ICL7107	1
IC2	7805	1
	Транзисторы
VT1	C9012	1	PNP
VT2	C9013	1	NPN
	Диоды
VD1, VD2	1N4148	2
VD3	BZX55C3V3	1
	Индикаторы
HL1	KEM-5162AS	2

2.9 Основные конструктивные особенности разработки

Конструктивно источник питания выполнен на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита (рисунок 2.9) с размерами 94×49 мм.

Технические характеристики источника питания:

-диапазон входных напряжений: AC 85...264 В;

-номинальная выходная мощность: 15 Вт;

- КПД: 77 %;

- напряжение нагрузки: DC 12 В;

- максимально допустимый ток нагрузки: 1,25 А;

- размеры устройства (Д-Ш-В): 94 x 49 x 25 мм.

Рисунок 2.9 – Общий вид платы импульсного источника питания

Конструктивно вольтметр выполнен на двух печатных платах: электронная схема монтируется на основной печатной плате размерами 68×70 мм, а индикаторы монтируются на дополнительной печатной плате размерами 68×26 мм.

Общий вид монтажной схемы показан на рисунке 2.10

При сборке необходимо соблюдать следующий порядок:

-подготовить и проверить элементы согласно таблицы 2.3;

- отформовать выводы радиоэлментов;

- установить все детали основной платы согласно рисунка 2.9. Сначала устанавливаются малогабаритные детали, а потом все остальные;

- установить индикаторы на дополнительную плату;

- соединить пайкой основную и дополнительную платы;

-вставить микросхему ICL в панельку.

При установке активных элементов (транзисторов), а также электролитических конденсаторов необходимо соблюдать их полярность.

- Промыть плату от остатков флюса этиловым или изопропиловым спиртом;

Рисунок 2.10 – Платы основная и дополнительная с расположением элементов

2.10 Особенности настройки

При соблюдении всех требований монтажа импульсного источника питания, настройка не требуется.

Настройку цифрового вольтметра нужно проводить с помощью образцового вольтметра или источника образцового напряжения. Напряжение необходимо подать на два входа : IN1 плюс 0…100 В и IN2 плюс 0…1000 В. Отрицательный вывод источника питания соединить с общим проводом МИНУС вольтметра.

Вращением подстроечных резисторовVR1 (грубо) и VR2 (точно), необходимо достигнуть совпадение показаний образцового источника питания и настраиваемого вольтметра.

После настройки вывод IN1 вольтметра соединить с выходом 2 источника питания, а шину МИНУС с выводом 2 стабилизатора А3. Питание вольтметра осуществляется от вывода 1стабилизатора напряжения А3.

3 Технико-экономическое обоснование разработки

3.1 Расчет затрат на проектирование конструкторской документации

В экономической части определена трудоемкость разработки и рассчитана смета затрат на проектирование конструкторской документации (КД) импульсного источника питания с цифровой шкалой и изготовление опытного образца.

Себестоимость конструкторской документации определяется по формуле (3.1):

, (3.1)

где Р_М – затраты на материалы, руб.;

Р_ТИ – расходы на использование ЭВМ при составлении

конструкторской документации, руб.;

Р_ОЗП – основная заработная плата, руб.;

Р_ДЗП – дополнительная заработная плата, руб.;

Р_ОТЧ – отчисления на страховые взносы, руб.;

Р_НАКЛ – накладные расходы, руб.

1. Производят расчет стоимости материалов и оборудования.

Материальные затраты рассчитывают по нормам расхода материалов методом прямого счета по формуле (3.2):

, (3.2)

где q_Мj – норма расхода j-го материала на разработку ПП, шт.;

Ц_Мj – цена единицы j-го материала, руб.;

Н_ТР – норма транспортных расходов.

Материальные расходы М_в, которые необходимы для разработки конструкторской документации (КД) приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Расчет стоимости материалов для разработки конструкторской документации

Наименование	Цена за ед., руб.	Количество, шт.	Сумма, руб.
1. Диск CD-RW 2. Бумага 3. Ручка 4. Карандаш 5. Картридж для принтера	25,00 230,00 8,00 5,00 400,00	2 1 1 1 1	50,00 230,00 8,00 5,00 400,00
Итого			693,00
Транспортно-заготовительные расходы, 10%			69,30
Всего			762,30

Далее определяют стоимость специального оборудования в таблицу 3.2. Стоимость единицы оборудование взята из прайс-листа магазина компьтерной техники ООО «Бриз» по состоянию на 1 января 2019 года.

Таблица 3.2 – Расчет стоимости специального оборудования

Наименование оборудования	Мощность, кВт	Количество, шт.	Цена за ед., руб.	Сумма, руб.
1. ПЭВМ Intel Pentium 2. Принтер HP DeskJet D4263	0,4 0,3	1 1	27500,00 4700,00	27500,00 4700,00
Итого				32200,00
Транспортно-заготовительные расходы, 15%				4830,00
Всего				37030,00

Теперь определяют затраты, связанные с использованием компьютерного оборудования во время разработки КД.

Расходы, на использование ЭВМ при разработке КД на этапе проектирования, рассчитывают исходя из расходов работы одного часа ЭВМ по формуле (3.3):

, (3.3)

где С_г – стоимость работы одного часа ЭВМ, руб.;

Т_ПР – расходы труда на этапе проектирования , чел./час.

При этом, стоимость работы одного часа ЭВМ определяется по формуле (3.4):

, (3.4)

где Р_т – текущие расходы, руб.;

И_оп – износ, связанный с эксплуатацией оборудования и помещений,

руб.;

Ф_п – полезный фонд времени, час.

Стоимость одного машино-часа представляет собой отношение годовой себестоимости одного машино-часа к полезному фонду времени работы техники.

Календарный фонд рабочего времени на 2019 год (на основе производственного календаря) определяется по формуле (3.5):

Ф_к = (Ф – П – В) · S, (3.5)

где Ф – количество дней в году (365 дней);

П – количество праздничных дней в году (14 дней);

В – количество выходных дней в году (104 дня);

S – продолжительность рабочего дня (8 часов).

Ф_к = (365 -14 -104) · 8 = 1976 часа

Среднемесячный номинальный фонд времени составит:

Таким образом, полезный фонд времени работы оборудования с учетом простоев и других факторов рассчитывают по формуле (3.6):

(3.6)

где Ф_н – номинальный фонд времени, час.;

D – директивный срок выполнения разработки, мес.;

К_р – коэффициент потерь на ремонт, простои (1%).

Текущие расходы включают в себя: затраты на электроэнергию, техобслуживание техники.

Затраты на электроэнергию определяют по формуле (3.7):

, (3.7)

где С_к – стоимость 1 кВт·ч, руб.;

W – потребляемая мощность, кВт;

Ф_п – полезный фонд времени, час.

В настоящее время С_к=4,00 р. Получают затраты на электроэнергию:

– для компьютера ;

– для принтера

Затраты на техобслуживание техники составляют 25% от ее стоимости, таким образом:

– для компьютера

– для принтера

Налог на имущество составляет 2,2% от стоимости техники, следовательно,

– для компьютера

– для принтера

Теперь определяют общую сумму текущих расходов для каждого вида оборудования:

– для компьютера ;

– для принтера

Далее определяют износ оборудования, который связан с эксплуатацией оборудования.

Определяют сумму амортизации для оборудования по формуле (3.8):

А = , (3.8)

где С_п – полная стоимость оборудования, руб.;

Н_а – норма амортизации, %.

Зная норму амортизационных отчислений, рассчитывают амортизацию оборудования:

– для компьютера Н_а=10%, ;

– для принтера Н_а=12%,

Результаты вычислений представляют в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Текущие затраты и износ оборудования

Статьи затрат	ЭВМ	Принтер
1. Затраты на электроэнергию, руб.	238,78	179,08
2. Затраты на техобслуживание, руб.	6875	1175
3. Налог на имущество, руб.	605	103,4
4. Текущие затраты, руб.	7718,78	1457,48
5. Амортизация оборудования за год, руб.	2750	564
Итого	10468,78	2021,48

Теперь определяют стоимость одного машино-часа, подставляя полученные значения текущих затрат и износа в формулу получают:

– для компьютера ;

– для принтера

Расходы, на использование ЭВМ на этапе проектирования, рассчитываются исходя из формулы (3.3):

Рассчитывают оплату труда персоналу, выполняющему работу по разработке конструкторской документации на этапе проектирования.

Заработная плата – вознаграждение за труд в зависимости от квалификации работника, сложности, количества, качества и условий выполняемой работы, а также выплаты компенсационного и стимулирующего характера [10, с.128].

Основная заработная плата (ЗП_осн,) проектировщиков определяется по формуле (3.9):

ЗП_осн = Р_ч · Т_{общ. ,} (3.9)

где Р_ч – часовая тарифная ставка, определяемая в соответствии с разрядом

проектировщика, руб.;

Т_общ. – общая трудоемкость, час.

Расчет зарплаты на разработку конструкторской документации (КД) импульсного источника питания с цифровой шкалой на этапе проектирования сводят в таблицу 3.4.

Таблица 3.4 ‒ Расчет заработной платы проектировщиков

Виды работ	Почасовая тарифная ставка, руб.	Факт. расходы времени чел./час	Зарплата, руб.
1. Разработка ТЗ, его анализ и работа с источниками	66,23	6	397,38
2. Разработка электрической схемы импульсного источника питания с цифровой шкалой	66,23	8	529,84
3. Выбор элементной базы	66,23	6	397,38
4. Разработка печатной платы устройства	66,23	4	264,92
5.Оформление ПЗ	66,23	8	529,84
Всего		32	2119,36

Дополнительная заработная плата (ЗП_доп) определяется по формуле (3.10):

ЗП_доп = ЗП_осн · η_Д, (3.10)

где η_Д - коэффициент дополнительной заработной платы.

ЗП_доп = 2119,36 · 0,2 = 423,87 руб.

Отчисления на страховые взносы (З_С) рассчитывают по формуле (3.11):

, (3.11)

где − норматив страховых взносов, %.

В соответствии с Федеральным законом норматив страховых взносов η_С = 30 % [20]. Подставив все численные значения в формулу 3.11 получают, что отчисления на страховые взносы равны:

Таким образом, отчисления на страховые взносы составляют 762,96 руб.

Определяют накладные расходы по следующей формуле (3.12):

_, (3.12)

где Н_накл – норматив накладных расходов (25%).

Таким образом, себестоимость разработки конструкторской документации импульсного источника питания с цифровой шкалой на этапе проектирования в соответствии с формулой (3.1) составит:

Калькуляция технологических расходов на создание КД импульсного источника питания с цифровой шкалой представлена в таблице 3.5.

Таблица 3.5 – Калькуляция технологических расходов

Наименование статьи затрат	Сумма, руб.
1. Материальные затраты	762,30
2. Основная заработная плата исполнителей	2119,36
3. Дополнительная заработная плата исполнителей	423,87
4. Отчисления на страховые взносы	762,96
5. Расходы на использование ЭВМ	2924,48
6. Накладные расходы	529,84
Итого	7522,81

Таким образом, себестоимость разработки конструкторской документации импульсного источника питания с цифровой шкалой составляет 7522,81 руб.

3.2 Расчет затрат на изготовление опытного образца

В данной части дипломного проекта рассчитывается смета затрат на изготовление импульсного источника питания с цифровой шкалой по следующим статьям затрат: основные и вспомогательные материалы, комплектующие изделия, основная заработная плата производственных рабочих, отчисления на страховые взносы, расходы по содержанию и эксплуатации механического и измерительного оборудования.

3.2.1 Затраты на основные и вспомогательные материалы

В данную статью включаются материалы (основные и вспомогательные).

Все расчеты представлены в таблице 3.6.

Таблица 3.6 – Расчет затрат на основные и вспомогательные материалы

Детали и узлы	Наименование материала, марка	Ед.изм.	Цена за единицу, руб.	Расход на один прибор	Сумма затрат, руб.
Плата	Фольгинированный стеклотекстолит СФ-2-35-1,5 Припой ПОС-61 Краска «Эмаль» Раствор хлорного железа Спирт технический Провод ПВ3-1	кг кг кг уп. кг м	142 220 90 50 45 20	0,18 0,03 0,1 0,1 0,02 2	25,56 6,6 9,0 50,00 0,9 40,00
Итого: Основные материалы Вспомогательные материалы (25% от основных)					132,06 33,01
Итого: основные и вспомогательные материалы					165,07
Транспортно-заготовительные расходы (15% от основных и вспомогательных материалов)					24,76
Всего затрат на основные и вспомогательные материалы					189,83

3.2.2 Затраты на комплектующие изделия

Затраты на комплектующие изделия определяются согласно ведомости спецификации. В затраты на комплектующие изделия включаются транспортно-заготовительные расходы (10% от общей стоимости). Расчет затрат на комплектующие изделия представлен в таблице 3.7.

Таблица 3.7 – Расчет затрат на комплектующие изделия

Наименование комплектующих	Кол-во на одно изделие, шт.	Цена за единицу, руб.	Сумма затрат, руб.
1	2	3	4
Источник питания
1. Резисторы:
С2-22 4,0 Ом±5%	1	2,00	2,00
С2-22 18к ±5%	1	2,00	2,00
С2-22 4,7к ±5%	2	2,00	4,00
С2-22 10к ±5%	1	2,00	2,00
С2-22 120к ±5%	1	2,00	2,00
С2-22 100 Ом ±5%	1	2,00	2,00
С2-22 100к ±5%	1	2,00	2,00
С2-22 22 Ом ±5%	1	2,00	2,00
С2-22 1к ±5%	1	2,00	2,00
0,51 Ом ±5%	1	2,00	2,00
С2-22 2,7к ±5%	1	2,00	2,00
С2-22 910 Ом ±5%	1	2,00	2,00
2. Конденсаторы:
SMD_0805, 0,1 мкФ, ±20%, 250 В	1	1,00	1,00
220мк-400В	1	1,00	1,00
SMD_0805, 0,22 мкФ, ±20%,	1	1,00	1,00
SMD_0805, 4700 пФ, ±20%,	1	1,00	1,00
SMD_0805, 100 пФ, ±20%,	1	1,00	1,00
47 мк-63В	2	1,00	2,00
SMD_0805, 3300пФ, ±20%,	1	1,00	1,00
SMD_0805, 470пФ, ±20%,	1	1,00	1,00
Capacitor 470 пФ 3.0	1	1,00	1,00
2200 мк-50В	1	1,00	1,00
68 мк-15В	1	1,00	1,00
4700 мк-16В	1	1,00	1,00
3.Полупроводниковые диоды:
FR157	4	80,00	320,00
1N4937	2	10,00	20,00
FR207	2	8,00	16,00
4. Микросхемы:
КА3842	1	8,00	8,00
7812	1	26,00	26,00
5. Трансформатор импульсный ETD39	1	75,00	75,00
Цифровой вольтметр
1. Резисторы:
C2-22 5 Мом ±5%	1	2,00	2,00
C2-22 3 Мом ±5%	1	2,00	2,00
C2-22 1 Мом ±5%	2	2,00	4,00
C2-22 1 кОм ±5%	1	2,00	2,00
C2-22 50 кОм ±5%	2	2,00	4,00
C2-22 330 Ом ±5%	1	2,00	2,00
C2-22 6,8 кОм ±5%	1	2,00	2,00
C2-22 100 кОм ±5%	1	2,00	2,00
C2-22 47 кОм ±5%	1	2,00	2,00
C2-22 10 Ом ±5%	1	2,00	2,00
C2-22 470 Ом ±5%	1	2,00	2,00
3323Р-102 1 кОм	1	2,00	2,00
3323Р-102 100 Ом	1	2,00	2,00
2. Конденсаторы:
0,47 мкФ-25В	1	1,00	1,00
0,1 мкФ	2	1,00	2,00
10 нФ	1	1,00	1,00
КММ 100пФ	1	1,00	1,00
0,47 мкФ-25В	1	1,00	1,00
0,22 мкФ	1	1,00	1,00
10 мкФ-16В	1	1,00	1,00
10 мкФ-25В	2	1,00	2,00
3. Микросхемы:
ICL7107	1	70,00	70,00
7805	1	40,00	40,00
4. Транзисторы:
C9012	1	7,00	7,00
C9013	1	10,00	10,00
5. Диоды:
1N4148	2	10,00	20,00
BZX55C3V3	1	6,00	6,00
6. Индикаторы KEM-5162AS	2	30,00	60,00
Прочее (10%)			75,70
Транспортно-заготовительные расходы (10%)			83,27
Всего			915,97

3.2.3 Расчет заработной платы производственных рабочих опытного производства, занятых изготовлением проектируемого образца

Основная заработная плата производственных рабочих входит в себестоимость соответствующих изделий и заказов прямым путем.

Основная заработная плата основных производственных рабочих включает оплату операций и работ в соответствии с разрядными нормами и расценками.

Все расчеты по определению заработной платы производственных рабочих по изготовлению опытного образца представлены в виде таблицы 3.8.

Таблица 3.8 – Расчет заработной платы производственных рабочих

Вид работы	Вид операции	Разряд работ	Трудоемкость, ч	Часовая тарифная ставка, руб./ч	Итого зарплата, руб.
Изготовление печатной платы	Сверловка, нанесение рисунка, травление	4	6	68,46	410,76
Монтаж платы	Пайка	4	3	68,46	205,38
Проверка платы на функционирование	Регулировка	4	0,1	68,46	6,84
Итого тарифная заработная плата					622,98
Доплата (50% от тарифной заработной платы)					311,49
Итого основная заработная плата					934,47
Дополнительная заработная плата (18% от основной зарплаты)					221,81
Основная и дополнительная заработная плата					1155,56
Отчисления на страховые взносы (30% от основной и дополнительной заработной платы)					280,34

3.2.4 Расчет затрат по содержанию и эксплуатации механического и измерительного оборудования

Расходы по содержанию и эксплуатации оборудования определяют исходя из количества часов его использования при изготовлении и проверке опытного образца (см. табл. 3.8) за исключением операций, выполняемых вручную, и условной стоимости одного машино-часа работы оборудования.

Общая трудоемкость изготовления опытного образца – 9 часов, удельный вес ручных операций – 50%, условная стоимость одного машино-часа – 40 руб./ч.

Исходя из этих условий:

З_об = 9 · 0,5 · 40 = 180 руб.

Результаты расчетов отдельных статей затрат, включаемых в себестоимость опытного образца, представлены в виде таблицы 3.9.

Таблица 3.9 - Калькуляция себестоимости изготовляемого устройства

Наименование статей затрат	Сумма, руб.
1. Материальные затраты	1105,8
2. Основная заработная плата основных производственных рабочих	934,47
3. Дополнительная заработная плата	221,81
4. Отчисления на страховые взносы	280,34
5. Содержание и эксплуатация оборудования	180,00
Всего	2722,42

3.3 Расчёт экономической эффективности устройства

Расчет общей сметы затрат на проектирование и изготовление опытного образца ведется по формуле (3.13):

З_общ.= З_пр+ С_{полн.опыт.обр ,} (3.13)

где З_окр – затраты на проектирование (ОКР), руб.;

С_{полн.опыт.обр} – полная себестоимость опытного образца, руб.

Следовательно,

З_общ = 7522,81 + 2722,42 = 10245,23 руб.

Это и есть дополнительные капитальные вложения на проектирование и изготовление опытного образца.

Капитальные затраты и инвестиции – ресурсы длительного пользования от момента начала инвестирования до момента получения прибыли. В этот период инвестор рискует капиталом вследствие инфляции и высокой динамики цен, что требует расчетов за весь жизненный цикл проекта [17,с.134].

Для принятия управленческих решений по осуществлению инвестиций и сравнению различных проектов используются следующие показатели:

1) ЧДД - чистый дисконтированный доход, руб.

2) ИД - индекс доходности;

3) Срок окупаемости, лет.

Чистый дисконтированный доход - сумма текущих доходов за весь расчетный период Т, приведенная к начальному интервалу планирования (шагу).

Расчет годовой прибыли от реализации производится по формуле (3.14):

П_рг = П_р.· Q_год, (3.14)

где Q – годовой объем производства, шт.

Условно годовой объем принимают 30 шт в год.

П_рг = 1536,78 · 30 = 46103,4 руб.

Чистый дисконтированный доход (ЧДД, руб.) определяют по формуле (3.15):

_{ }, (3.15)

где N – расчётный период, год;

_{ } – прибыль от использования проектируемого устройства за k-й год её эксплуатации, руб.;

К – капиталовложения, руб.;

Е - величина (норма дисконта), учитывающая цену денег на рынке капитала, инфляцию и величину риска вложений.

Если:

1) ЧДД больше 0 – проект эффективен;

2) ЧДД меньше 0 – проект неэффективен;

3) ЧДД=0 – проект не прибыльный и не убыточный.

Таким образом, денежный поток выглядит следующим образом:

0 шаг (капиталовложения) – 10245,23 руб.;

1 шаг – 46103,4 руб.; 2 шаг – 46103,4 руб.; 3 шаг – 46103,4 руб.;

4 шаг – 46103,4 руб.; 5 шаг – 46103,4 руб.

Следовательно, (ЧДД, руб) при N = 5, т. е. за пять лет использования проектируемого устройства при норме дисконта Е = 20% в соответствие с формулой (3.16) составит:

ЧДД

Можно сделать вывод, что ЧДД положителен (128037,72 руб. 0), т. е. проект эффективен.

Индекс доходности определяется по формуле (3.16):

ИД = (3.16)

где N – расчётный период, год;

_{ } – прибыль от использования проектируемого устройства за k-й год

её эксплуатации, руб.;

К – капиталовложения, руб.;

Е - величина (норма дисконта), учитывающая цену денег на рынке

капитала, инфляцию и величину риска вложений.

Если ИД больше 1 - проект эффективен;

ИД меньше 1 – проект неэффективен.

ИД = 1 – проект эффективен.

Рассчитывают срок окупаемости проекта.

Расчет дисконтированного срока окупаемости сводят в таблицу 3.10.

Таблица 3.10 – Расчет дисконтированного срока окупаемости

Годы	Сумма с учетом дисконтирования, руб.	Сумма инвестиций (K) с учетом дисконтирования, руб.
2019	38419,50	10245,23 · (1 + 0,2)2019-2019 = 10245,23
2020	32016,25	-
2021	26680,20	-
2022	22272,17	-
2023	18894,83	-

Из расчетов видно, что за первый год дисконтированные дохо­ды составляют 38419,50 руб., то есть вся сумма инвестиций в 10245,23 руб. покрывается в первый год осуществления проекта. Срок окупаемости рассчитывают по формуле (3.17):

(3.17)

где К_t - капитальные вложения с учетом дисконтирования, тыс. руб.;

Р_t, - результат, достигаемый на t-м шаге;

3_t - затраты, осуществляемые на t-м шаге.

года

Так как нормативный срок (Т_ок.нор) 5 лет, а Т_ОК = 0,26 года, то проект эффективен (Т_ОК ок.нор).

В итоге можно сделать вывод, что разработка и изготовление импульсного источника питания с цифровой шкалой целесообразна.

Все основные технико-экономические показатели проекта сведены в таблицу 3.11.

Таблица 3.11 − Основные экономические показатели проекта

Основные показатели	Единицы измерения	Проект
Себестоимость ИПБ	руб.	2722,42
Чистый дисконтированный доход	руб.	128037,72
Индекс доходности		13,49
Срок окупаемости проекта	год	0,26

Разработка и изготовление импульсного источника питания с цифровой шкалой является экономически обоснованной и эффективной.

4 Охрана труда и эргономика

4.1 Эргономика рабочего места, оснащенного компьютером

Рабочее место должно быть в первую очередь удобным. При проектировании рабочего пространства необходимо учитывать определенные эргономические требования. Данная статья содержит схемы, которые помогут вам создать функциональное и эргономичное рабочее место.

Функциональные размеры рабочей плоскости для умственного труда определяются требованиями эргономики и габаритами техники, используемой на рабочей плоскости. Так параметры рабочей плоскости обычно кратны размерам писчей бумаги формата А4.

Все виды работ с документами обеспечиваются рабочей плоскостьюс размерами 750 мм по фронту и 600 мм в глубину. При наличии оргтехники минимальную площадь рабочей поверхности увеличивают на величину пространства, обеспечивающего удобство пользования этой техникой.

Рабочее место пользователя (рисунок 4.1) считается спроектированным правильно, если соблюдены следующие условия:

Монитор расположен таким образом, что бы на нем не было бликов, и что бы пользователь мог охватить взглядом всю его рабочую поверхность, не двигая головой.

Плечи пользователя расслаблены, запястье и рука на одной линии.

Спинка стула поддерживает поясницу, бедра расположены горизонтально.

Ступни пользователя касаются пола, в противном случае нужна подставка под ноги.

Клавиатура должна иметь возможность свободного перемещения и распологаться на расстоянии 10-30 см от края столешницы.

Расстояние для свободной посадки за стол должно быть не менее 70-80 см от переднего края столешницы.

Стул для компьютерного рабочего места лучше подобрать с регулятором высоты сиденья и спинки, подлокотники желательны. Рабочее место должно иметь местную подсветку.

Рисунок 4.1 - Эргономика рабочего места, оснащенного компьютером

4.2 Техника безопасности на предприятии

Техника безопасности на предприятии – это совокупность мероприятий организационного и технического характера, которые направлены на предотвращение на производстве несчастных случаев и на формирование безопасных условий труда.

С целью обеспечения охраны труда на всевозможных предприятиях, прикладываются все усилия для того, чтобы сделать труд работающих людей безопасным, а как итог, большие средства выделяются именно для осуществления этих целей.

На заводах, под подчинением у главного инженера завода, функционирует специальная служба безопасности, которая разрабатывает различные мероприятия, которые в будущем обязаны обеспечить каждому рабочему безопасные условия труда.

Кроме того, специальная служба безопасности контролирует уровень безопасности технике на производстве, ее состояние, а также следит за тем, чтобы абсолютно все принимаемые на предприятие рабочие, обучались безопасным приемам работы.

С целью абсолютного обеспечения охраны труда на заводах и на предприятиях систематически проводятся мероприятия, которые в последующем обеспечивают снижение получения травм на рабочем месте, а также значительно уменьшают возможность возникновения несчастного случая.

В основном, эти мероприятия основываются на следующем:

с целью предохранения работников мероприятия от ранений, улучшать конструкции действующего оборудования;

улучшение действующих конструкций, а также установка новых защитных приспособлений от машин, станков и нагревательных установок, которые устраняют возможности случаев травматизма.

Улучшение рабочих условий:

обеспечение хорошей вентиляции помещения, хорошей освещенности, избавление от пыли в местах отработки, избавление от отходов производства в свое время, поддержание и регулировка температуры в цехах и на рабочих местах;

во время работы оборудования, устранение возможности аварий, разрыва кругов шлифования, поломки дисковых пил, которые быстро вращаются, взрыва сосудов, разбрызгивания кислот, выброса расплавленных металлов, солей и пламени из нагревательных устройств, поражения электрическим током, внезапного включения электроустановок и тому подобное;

все поступающие на работу обязаны организованно ознакомиться со всеми правилами поведения на территории предприятия, а также со всеми правилами техники безопасности, должна проводиться постоянная проверка знаний работающими всех правил безопасности;

работающие должны быть обеспечены инструкциями по технике безопасности, а также плакатами, на которых наглядно проиллюстрированы опасные места производства, а также несчастные случаи, которые были предотвращены.

Но, тем не менее, вследствие пренебрежительного отношения к технике безопасности самих же рабочих, возможны и происходят несчастные случаи. Постоянно изучая и безостановочно соблюдая правила техники безопасности, вы можете уберечь себя и других от несчастного случая.

Для любого предприятия существует ряд правил техники безопасности, которые стоит соблюдать: если вы получили новую, ранее незнакомую работу, следует потребовать у мастера дополнительного инструктажа в плане техники безопасности; выполняя работу, стоит сохранять внимательность, не стоит отвлекаться на посторонние дела и разговоры, а также отвлекать других.

Находясь в здании, во дворе, на заводе, на подъездных путях, необходимо выполнять следующие требования:

нельзя ходить по чужим цехам без надобности;

необходимо внимательно следить за сигналами, которые подают водители движущегося транспорта или крановщики электрокранов, следует выполнять их; не стоит находиться под поднятым грузом, необходимо обходить стороной места выгрузки и погрузки товара;

нельзя ходить в местах, которые для этого не предназначены, нельзя перебегать дорогу впереди движущегося транспорта, также не стоит подлезать под стоящий железнодорожный состав;

нельзя в неустановленных для этого местах переходить через рольганги и конвейеры, а также подлезать под них, нельзя выходить за ограждения без разрешения;

нельзя открывать дверцы электрошкафов, а также прикасаться к клеммам, электрооборудованию, арматуре общего освещения и электропроводам;

если администрацией его цеха работнику не поручена работа на механизмах, станках и машинах, то за исключением аварийных случаев, он не имеет права включать их или останавливать.

Если работник испытывает недомогание или травмирован, то ему следует немедленно прекратить работу, и предварительно известив своего мастера, обратиться в медпункт или образование скорой помощи.

Существуют также некоторые специальные требования безопасности. Перед началом работы необходимо:

проверить состояние своей рабочей одежды: обхватить большой резинкой или застегнуть обшлага рукавов, заправить одежду таким образом, чтобы концы одежды не развевались, убрать кончики платка, косынки и галстука, надеть плотный головной убор и спрятать под него волосы;

обуть рабочую обувь, но стоит помнить, что запрещается работа в легкой обуви (сандалиях, тапочках, босоножках), так как можно получить ранение ног горячей и острой стружкой металла;

необходимо тщательно осмотреть рабочее место, навести на нем порядок, убрать все, что мешает работе, а необходимые приспособления и инструменты расположить в безопасном и удобном месте, затем удостовериться в исправности приспособлений и рабочего инструмента; необходимо удостовериться, чтобы рабочее место было хорошо освещено, но так, чтобы свет не слепил глаза;

если вам нужна электрическая переносная лампа, то проверьте наличие защитной сетки, изоляцию резиновой трубки и исправность шнура, напряжение подобного светильника должно быть не выше 36 Вольт;

убедитесь, что пол на рабочем месте находится в абсолютной исправности, без скользкой поверхности, без выбоин, а также, что опасные места ограждены; если вы работаете с тельферами или с талями, необходимо проверить их исправность, приподняв груз на небольшую высоту, а также убедиться в исправности тормозов, цепи и стропа.

4.3 Меры безопасности при ремонте импульсных блоков питания

При ремонте импульсных блоков питания бытовой техники следует строго выполнять общие правила электробезопасности, основные положения которых сводятся к следующему.

Одним из наиболее опасных путей протекания тока по телу человека является направление рука — ноги, поэтому запрещается ремонтировать импульсные БП в сырых помещениях или в помещениях с цементными и другими токопроводящими полами. Использование диэлектрического коврика уменьшает вероятность протекания тока в рассматриваемом направлении.

Не менее опасным является путь тока по участку рука — рука. Поэтому запрещается ремонт импульсных БП вблизи заземленных конструкций (батарей центрального отопления и т. п.). Кроме того, выполнение всех манипуляций на включенном импульсном БП должно осуществляться только одной рукой. Одежда с длинными рукавами, нарукавниками, инструмент с изолированными ручками уменьшают вероятность поражения электрическим током. Категорически запрещается производить пайку на включенном импульсном БП.

В домашних условиях ремонт импульсного БП разрешается производить лишь при отключении его от питающей сети для анализа монтажа, прозвонки и замены вышедших из строя элементов. Сложный ремонт бытовой техники, требующий работы под напряжением (настройка, измерение режимов, поиск ложных паек методом простука и т. п.), должен производиться в стационарных мастерских при включении его в сеть только через разделительный трансформатор.

Особую опасность для жизни человека представляет та часть схемы импульсного БП, которая находится под напряжением сети (на печатной плате БП она обычно отмечается штриховкой). Необходимо следить, чтобы шасси бытовой техники не касались элементов схемы импульсного БП.

После выключения импульсного БП (при его ремонте) необходимо разряжать электролитические конденсаторы его схемы.

Экспериментальные работы по созданию и совершенствованию узлов и блоков вторичного электропитания зачастую сопряжены с использованием источников сетевого или повышенного напряжения. Особенно опасны работы с блоками питания, имеющими непосредственную гальваническую связь с сетевым напряжением. В этой связи особое внимание при выполнении подобных работ следует обращать на технику безопасности. В рисунках книги схемы устройств, потенциально опасных при эксплуатации или налаживании, помечены значком молнии:

 Для работы экспериментальную технику размещают в сухом проветриваемом помещении. В помещении не должно находиться заземленных предметов (батарей отопления, водопроводных труб, посторонних приборов и оборудования), с которыми возможен контакт человека.

Источник напряжения располагают таким образом, чтобы полностью исключить возможность одновременного касания токопроводящих элементов и заземленных предметов.

Не допускается попадание влаги и пыли (особенно токопроводящей) внутрь устройства. Также не разрешается эксплуатация приборов в условиях повышенной влажности, при наличии токопроводящего пола, запыленности воздуха. В помещении для проведения экспериментов не следует курить, принимать пищу. При проведении работ в помещении должно находиться не менее двух человек.

При установке приборов и оборудования, хранившегося в неотапливаемых складских помещениях при пониженной температуре, в теплое помещение для исключения ухудшения диэлектрических свойств изоляции вследствие конденсации атмосферной влаги на конструкционных элементах, включение устройства возможно только после 3…4-часового прогрева при комнатной температуре.

Перед началом работы следует произвести внешний осмотр установки, убедиться в отсутствии механических или иных повреждений, следов гари и других визуально различимых неполадок. При появлении в процессе эксплуатации установки запаха гари, озона, окислов азота, установку следует отключить.

Импульсные блоки питания, имеющие гальваническую связь с питающей сетью, а также иные устройства, непосредственно связанные с сетью переменного тока, на время наладки (иэксплуатации) желательно запитывать от сети через разделительный трансформатор.

Какие-либо действия (пайка, замена или установка элементов) допустимы только при полностью обесточенной установке. Если необходима регулировка какого-либо элемента, гальванически связанного с сетью, следует использовать инструменты с хорошо изолированными ручками. Регулировку осуществляют одной рукой. Вторую руку для исключения образования электрической цепи при случайном касании окружающих токопроводящих предметов следует спрятать за спину или в карман.

Для защиты от импульсных перенапряжений со стороны сети установку следует подключать через современные сетевые фильтры, содержащие элементы защиты от перенапряжения(газонаполненные разрядники напряжения, например, фирмы Epcos) и самовосстанавливающиеся полупроводниковые предохранители типа Poly Switch.

Заключение

Основной целью проектирования явилось разработка устройства электропитания, отвечающего современным требованиям надежности, качества, долговечности, минимизации массы, размеров, энерго- и материалоемкости, который можно использовать в модульной конструкции лабораторных стендов.

В ходе работы над проектом рассмотрены общие тенденции развития импульсных источников питания, их достоинства и недостатки.

Принято решение разработать источник питания на основе хорошо зарекомендовавшей микросхемы типа UC3842 с обратной связью от обмотки трансформатора. Разработана схема электрическая принципиальная источника питания; осуществлен выбор элементной базы.

Применение приборов цифрового отсчета вместо стрелочных вольтметров, дает возможность повысить точность измерений, сделать измерения более удобными, практически полностью устранить промахи и глазомерные ошибки, автоматизировать измерительные процессы.

Осуществлено технико-экономическое обоснование проекта. Себестоимость изготовления опытного образца составляет 2722,42 рублей.

Проведен анализ эргономики рабочего места, оснащенного компьютером, вопросы техники безопасности при наладке и ремонте импульсных источников питания.

Данные пояснительной записки могут быть использованы в учебном процессе академии при изучении дисциплин «Источники питания», «Основы схемотехники».

Список использованных источников

1 ГОСТ 2.102-68* Единая система конструкторской документации. Стадии разработки.

2 ГОСТ 2.106-68* Единая система конструкторской документации. Текстовые документы.

3 ГОСТ 2.701-2008 ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.

4 ГОСТ 2.053-2006 Единая система конструкторской документации. Электронная структура изделия. Общие положения.

5 Единые требования к выпускной квалификационной работе. Сафоновский филиал ОГБПОУ СмолАПО., № 01-182 от 12.11.2014г.

6 Бушуев В.М. Электропитание устройств связи / М.: Радио и связь, 2009

7 Горошков Б.И. Автоматическое управление. – М.: ИРМО «Академия» 2003.

8 Горюнов Н.Н. и др. « Справочник по полупроводниковым приборам М., «Энергия», 2006

9 Граф Д., Шиитс В.. « Энциклопедия электронных схем» Т.7, Ч.1,

изд. ДМК, М., 2000.

10 Грибов, В.Д. Экономика организации (предприятия) (для СПО): учебник / В.Д. Грибов, В.П. Грузинов, В.А. Кузьменко. - М.: КноРус, 2019. - 368 c.

11 Декларация соответствия, Control Techniques Drives Limited, 2000 г.

12 Жидецкий В.Ц., Джигирей В.С., Мельников А.В. Основы охраны труда: Учебник – Львов, Афиша, 2008 – 351с.

13 Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Моделирование элементов телекоммуникационных и цифровых систем на Electronics Workbench и VisSim, в 2-х томах, М.; Солон-Пресс, 2006

14 Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления М.ИНФРА,2010

15 Мельянцева М.Ю. Методические рекомендации по выполнению курсовой работы по модулю «Экономически обосновывать эффективность разработки систем автоматического управления» и экономической части ДП для специальности 220301 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям), 2009 г.

16 Методические указания по разработке государственных стандартов, устанавливающих номенклатуру показателей качества групп однородной продукции, Утверждены Постановлением Госстандарта от 2 августа 1984 г. № 2745.

17 Найдеров В.З. и др. Функциональные устройства на микросхемах,

М., « Радио и связь», 2011

18 Новицкий Н.И., Горюшкин А.А. Организация производства: учебник для сред. проф. образ. – М.: ООО «Издательство КноРус», 2016.

19 Официальный сайт «Консультант Плюс». Производственный календарь на 2019 год. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.consultant.ru/law/ref/calendar/proizvodstvennye/2019/ - Загл. с экрана.

20. Тарифы страховых взносов в 2019 году. [Электронный ресурс] - Режим доступа: https://glavkniga.ru/situations/k509363 - Загл. с экрана.

21 Полухина Г.Н. «Охрана труда в электротехнической промышленности - ,М., «Энергия», 2010

22 Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания-М.,Радио и связь. 2009

23 Справочник «Радиокомпоненты и материалы» М., « Радио и связь», 2005

24 Шишмарев В.Ю. Типовые элементы систем автоматического управления.- М.: ИЦ Академия , 2004.