Проект на тему: Изготовление лабораторного блока питания для проведения лабораторных работ по физике

Областной слет­конкурс «Юные конструкторы Дона – третьему тысячелетию» Секция №10 : Юные техники ­ учреждениям образования Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Ростовской области  «Сальский  индустриальный техникум» на тему: Изготовление лабораторного блока питания для проведения лабораторных работ по физике Проект Соложенцев Сергей Владимирович, ГБПОУ РО "СИТ", студент1 курса  Руководитель: Преподаватель ГБПОУ РО "СИТ" Титаренко Сергей Александрович дата подачи: 24.03.2018г. Аннотация В данной работе  приводятся два примера изготовления лабораторных блоков  питания: регулируемый и из блока питания компьютера. Данные лабораторные блоки  питания могут быть использованы для проведения лабораторных работ по физике,  электротехнике и при выполнении проектов по дисциплине индивидуальный проект в  любом учебном заведении. 2 Введение Современное   состояние   техники   и   производства   характеризуется   высоким уровнем автоматизации, применением сложнейших электронных устройств на основе компьютерных систем и комплексов. В этих условиях все более жесткие требования предъявляются к знаниям и умениям специалистов работающих с этими устройствами и   тем   более   к   разработчикам   новых   устройств.   В   связи   с   этим   все   более востребованными  на рынке труда становятся специалисты с техническим профилем образования,   появляются   новые   специальности,   к   которым   можно   и   отнести специальность   «Компьютерные   системы   и   комплексы».   Одной   из   областей профессиональной   деятельности   выпускников   данной   специальности   является совокупность методов и средств по разработке и производству компьютерных систем и комплексов;   сопровождение   и   настройка   компьютерных   систем   и   комплексов. Объектами профессиональной деятельностью являются цифровые устройства, системы автоматизированного   проектирования,   микропроцессорные   системы,   компьютерные системы, комплексы и сети и т.п. Для работы электронных приборов и устройств необходимы источники питания, которые подразделяются на первичные и вторичные. К   первичным   относятся   источники,   непосредственно   вырабатывающие электрическую   энергию:   аккумуляторы,   батареи,   солнечные   батареи,   генераторы постоянного и переменного тока. Вторичные   источники   питания   преобразуют   энергию   первичного   источника   в энергию питания конкретных электронных устройств, радиоэлектронной аппаратуры, измерительных приборов. Питание   широко   используемых   электронных   устройств   и   бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется в основном вторичными источниками питания, преобразующими энергию переменного тока с номиналами напряжения 5, 9, 3 12, 15 и 27 В. Идея проекта:  изготовить универсальный блок питания, который будет незаменим в быту и на уроках физики и должен иметь красивый внешний вид, не имеющий аналогов, и отличался от других, универсальностью. Оригинальность моей идеи в том, чтобы изделие было не похоже на обычные, громоздкие блоки питания.  Цель   проекта:  изготовление   блока   питания   со   стабилизированным   выходным напряжением независимого от входных колебаний напряжения. Задачи:  Исследовать  принципы преобразования энергии в блоках питания. Изготовить блок питания со стабильным выходным напряжением. 1. 2. Гипотеза: для использования в технике и автоматике можно изготовить дешевый высоконадежный блок питания со стабильными параметрами. Объект исследования: Блок питания и возможность его изготовления. Методы исследования: 1. знаний. 2. 3. 4. Сбор и анализ литературных источников, интернет ресурсов и полученных Изготовление. Эксперимент. Анализ полученных результатов. Блок питания это вторичный источник электропитания, который предназначен для   снабжения     устройств   электрической   энергией   постоянного   тока,   преобразуя сетевое напряжение до требуемых значений. При этом блок питания должен частично выполнять   функции   стабилизации   напряжения   от   незначительных   колебаний напряжения. 1. Разновидности лабораторных блоков питания Для   начала,   давайте   разберёмся   с   существующими   названиями.   Чем   отличается лабораторный   блок   питания   от   просто   блока   питания?   Или   в   чём   отличие   блока питания от источника питания? Вот простые определения: 4 1. Лабораторным   блоком   питания называют   прибор,   который   предназначен   для формирования   регулируемого   напряжения   или   тока   по   одному   или   нескольким каналам. Лабораторный блок питания содержит дисплей, элементы управления, защиту от   неправильного   использования,   а   также   полезные   дополнительные   функции.   Весь материал   на   этой   странице   посвящён   именно   таким   приборам. 2. Лабораторный   источник   питания ­   это   то   же   самое,   что   и   лабораторный   блок питания. 3. Просто блоком питания называют электронное устройство, которое предназначено для формирования заранее заданного напряжения по одному или нескольким каналам. Блок питания, как правило, не имеет дисплея и кнопок управления. Типичный пример ­ это   компьютерный   блок   питания   на ватт. 4. Источники питания бывают двух типов: первичные источники питания и вторичные   несколько   сотен   источники   питания.   Первичные   источники   электропитания   преобразуют неэлектрические   виды   энергии   в   электрическую.   Примеры   первичных   источников: электрическая   батарейка,   солнечная   батарея,   ветрогенератор   и   другие.   Вторичные источники электропитания преобразуют один вид электрической энергии в другой для обеспечения   необходимых   параметров   напряжения,   тока,   частоты,   пульсаций   и   т.д. Примеры   вторичных   источников   питания:   трансформатор,   AC/DC   преобразователь (например,   компьютерный   блок   питания),   DC/DC   преобразователь,   стабилизатор напряжения и т.д. Кстати, лабораторный блок питания ­ это одна из разновидностей вторичного источника электропитания. Теперь подробно обсудим разновидности и главные характеристики лабораторных  блоков питания: 1. По принципу работы: линейные или импульсные. 2. Диапазон напряжения и тока: фиксированный или с автоматическим ограничением  мощности. 3. Количество каналов: одноканальные или многоканальные. 4. Изоляция каналов: с гальванически изолированными каналами или с  неизолированными. 5. По мощности: стандартные или большой мощности. 5 6. Наличие защиты: от перегрузки по напряжению, по току, от перегрева и другие. 7. Форма выходного сигнала: постоянное напряжение и ток или переменное напряжение и ток. 8. Варианты управления: только ручное управление или ручное плюс программное  управление. 9. Дополнительные функции: компенсация падения напряжения в проводах  подключения, встроенный прецизионный мультиметр, изменение выхода по списку  заданных значений, активация выхода по таймеру, имитация аккумулятора с заданным  внутренним сопротивлением, встроенная электронная нагрузка и другие. 10. Надёжность: качество элементной базы, продуманность дизайна, тщательность  выходного контроля. 2. Изготовление лабораторного блока питания из блока питания компьютера Для изготовления лабораторного источника постоянного напряжения потребуется: — блок питания от компьютера — клеммная колодка — светодиод — резистор ~150 Ом — тумблер — термоусадка — стяжки Из инструментов понадобится: — клеевой пистолет a.k.a. горячий клей (для монтажа светодиода) — паяльник и сопутствующие материалы (олово, флюс...) — дрель — сверло диаметром 5мм — отвертки — бокорезы (кусачки) Изготовление  Итак, первое, что я сделал — проверил работоспособность этого БП. Устройство  6 оказалось исправным. Сразу можно отрезать штекера, оставив 10­15 см на стороне  штекера, т.к. он вам может пригодиться. Стоит заметить, что нужно рассчитать длину  провода внутри БП так, чтобы его хватило до клемм без натяжки, но и чтобы он не  занимал всё свободное пространство внутри БП.         Теперь необходимо разделить все провода. Для их идентификации можно  взглянуть на плату, а точнее на площадки, к которым они идут. Площадки должны быть подписаны. Вообще есть общепринятая схема цветовой маркировки, но производитель  вашего БП, возможно, окрасил провода иначе. Чтобы избежать «непоняток» лучше  самостоятельно идентифицировать провода. 7 На переднюю панель БП я решил установить клеммную колодку. Дома нашлась  колодка на 6 клемм, которая меня устроила.           Мне повезло, т.к. прорези в БП и отверстия для монтажа колодки совпали, да еще и диаметр подошел. Иначе, необходимо либо рассверливать прорези БП, либо сверлить  новые отверстия в БП. 8 Выключатель блока питания Выключатель я решил установить на место, где раньше у блока питания выходили  провода наружу Основная работа сделана. Осталось навести марафет. Хвосты проводов, которые не использованы нужно изолировать. Я это сделал  термоусадкой.  Провода одного цвета лучше изолировать вместе. 9 Все шнурки аккуратно размещаем внутри. Этим блоком питания можно получить много разных напряжений, пользуясь разностью  потенциалов. Учтите, что такой приём не прокатит для некоторых устройств. Вот тот спектр напряжений, которые можно получить. В скобках первым идёт положительный, вторым — отрицательный. 24.0V — (12V и ­12V) 17.0V — (12V и ­5V) 15.3V — (3.3V и ­12V) 12.0V — (12V и 0V) 10.0V — (5V и ­5V) 8.7V — (12V и 3.3V) 8.3V — (3.3V и ­5V) 7.0V — (12V и 5V) 5.0V — (5V и 0V) 3.3V — (3.3V и 0V) 1.7V — (5V и 3.3V) ­1.7V — (3.3V и 5V) ­3.3V — (0V и 3.3V) ­5.0V — (0V и 5V) ­7.0V — (5V и 12V) ­8.7V — (3.3V и 12V) ­8.3V — (­5V и 3.3V) 10 ­10.0V — (­5V и 5V) ­12.0V — (0V и 12V) ­15.3V — (­12V и 3.3V) ­17.0V — (­12V и 5V) ­24.0V — (­12V и 12V) 4. Изготовление лабораторного блока питания из радиоэелемнтов. Идея изготовления блока питания  пришла после ознакомления с литературой.  Конструкции устройств оказались очень громоздкими и излишне дорогими в  изготовлении, поэтому было решено его изготовить на современной элементной базе с  минимумом необходимых комплектующих. Принципиальная схема устройства  представлена на рисунке. Цифры в кружочках — это контакты, к которым надо припаивать провода, которые  пойдут на радиоэлементы. Обозначение кружочков на схеме: — 1 и 2 к трансформатору. — 3 (+) и 4 (­) выход постоянного тока. — 5, 10 и 12 на P1. 11 — 6, 11 и 13 на P2. — 7 (К), 8 (Б), 9 (Э) к транзистору Q4. На входы 1 и 2 подается переменное напряжение  24 Вольта от сетевого  трансформатора. Трансформатор должен быть приличных габаритов, чтобы в нагрузку  он смог выдать до 3 Ампер  в легкую.  Список элементов: R1 = 2,2 кОм 1W R2 = 82 Ом 1/4W R3 = 220 Ом 1/4W R4 = 4,7 кОм 1/4W R5, R6, R13, R20, R21 = 10 кОм 1/4W R7 = 0,47 Ом 5W R8, R11 = 27 кОм 1/4W R9, R19 = 2,2 кОм 1/4W R10 = 270 кОм 1/4W R12, R18 = 56кОм 1/4W R14 = 1,5 кОм 1/4W R15, R16 = 1 кОм 1/4W R17 = 33 Ом 1/4W R22 = 3,9 кОм 1/4W RV1 = 100K многооборотный подстроечный резистор P1, P2 = 10KOhm линейный потенциометр C1 = 3300 uF/50V электролитический C2, C3 = 47uF/50V электролитический C4 = 100нФ C5 = 200нФ C6 = 100пФ керамический C7 = 10uF/50V электролитический C8 = 330пФ керамический C9 = 100пФ керамический D1, D2, D3, D4 = 1N5401…1N5408 12 D5, D6 = 1N4148 D7, D8 = стабилитроны на 5,6V D9, D10 = 1N4148 D11 = 1N4001 диод 1A Q1 = BC548 или BC547 Q2 = КТ961А Q3 = BC557 или BC327 Q4 = КТ 827А U1, U2, U3 = TL081, операционный усилитель D12 = светодиод           С помощью лазерно­утюжной технологии изготовим макетную плату. Создаём проект печатной платы. Я использовал программку для рисования  печатных плат Sprint Layout 6.0 печатные дорожки. У меня получился вот такой рисунок:        ,  чертим посадочное место для микросхемы и  Для печати я использовал самоклеющуюся плёнку. Для этого отклеиваем эту  подложку от основы и фиксируем ее на листе офисной бумаги таким образом, чтобы  сторона,  куда клеилась сама пленка­самоклейка была направлена вверх. Потом все это  дело прогоняем через принтер. 13 После того, как мы подготовили нашу зашкуренную платку,   берем бумажку с рисунком   и   кладем   рисунком   вниз   на   платку. Включаем   утюг   и   ставим   его   на максимальный   прогрев.   После   того,   как   он   прогрелся,   начинаем   гладить   нашу бумажку.   Начинайте   гладить   с   середины.   Прижимайте   утюг   сильнее. Проглаживайте тщательно все края. От этой операции будет зависеть все качество печатной платы. Берем хлорное железо и готовим раствор. Наливаем теплую воду в ванночку. Далее   аккуратно   сыплем   порошок   и   не   забываем   помешивать.Будьте   осторожны! Реакция растворения хлоржелеза проходит с выделением теплоты. Поэтому при растворении  будет  шипение  и  бурление. Не допускайте попадания хлоржелеза на одежду   и   в   глаза! С   одежды   он   очень   тяжело   смывается. Используйте   только пластмассовые инструменты! Ни в коем случае не используйте железную миску, железный пинцет и тд.   Берем ацетон, окунаем в него ватную палочку и стираем тонер с печатной платки. Также хорошо смывается тонер с помощью Flus­Off.  14 А вот так плата выглядит уже с полным монтажом:      Собираем остальные элементы и изготавливаем корпус устройства. 15 Заключение Таким образом, работая   над данной исследовательской работой, мы пришли к следующим  результатам: ­ Изучили устройство блоков питания постоянного тока. ­ Изготовили дешевый блок питания со стабильным выходным напряжением. Положительные стороны: 1.  Я считаю, что моя  цель достигнута; 2. По моему мнению, лабораторный блок питания получился  многофункциональным,   оригинальным и безопасным в обслуживании. 3.  Для изготовления понадобился доступный материал;     4. При изготовлении нет вреда окружающей среде;     5. Блок питания украшает интерьер класса;     6. Выгоднее  изготовить самому, чем приобрести в магазине; Отрицательные стороны:     1. Со временем лак на изделии может потерять свои свойства; 2. Изделие не могут использоваться не по назначению. 3. Ресурс радиодеталей может израсходоваться. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 16 1.   Найвельт   Г.С.   Источники   электропитания   радиоэлектронной   аппаратуры. Справочник.  — М.: Радио и связь, 1985. — 576 с.  2.   Ромаш   Э.   М.   Источники   вторичного   электропитания   радиоэлектронной аппаратуры. .— М. Радио и связь, 1981. 224 с. 3.   Халоян   А.А.   Источники   электропитания.   Любительские   схемы. «РАДИОСОФТ» 2001. ­ 208 с 17