Введение

Целью данной работы является проектирование низковольтного малогабаритного зарядного устройства.

Устройства, предназначенные для снабжения электрической энергией потребителей, называются источниками питания (ИП). Все ИП условно можно разделить на две большие группы:

–       первичные;

–       вторичные.

 Первичный источник питания (ПИП) является преобразователем одного из видов неэлектрической энергии в электрическую. К ПИП относятся электрогенераторы, химические источники тока, солнечные батареи и т. д.

Электроэнергия, вырабатываемая ПИП, не всегда может быть непосредственно использована для питания потребителя (нагрузки). Несоответствие рода тока, частоты или уровня напряжения ПИП требованиям нагрузки вынуждает устанавливать между ними преобразователи электрической энергии (согласующие устройства), которые приводят энергию ПИП к величине и виду, необходимым нагрузке. Такие промежуточные преобразователи получили название вторичных источников питания (ВИП) или источников вторичного электропитания (ИВЭП). Таким образом, ИВЭП непосредственно не вырабатывают электроэнергию, они ее лишь преобразуют, при этом преобразование может идти не по одному каналу (не на одну нагрузку), а сразу по нескольким каналам (многоканальные ИВЭП).

Одними из важнейших показателей современных ИВЭП для радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) являются масса и габариты. Особенно важна миниатюризация ИВЭП, предназначенных для работы на различных видов летательных аппаратах, переносных и подвижных установках. Кроме того, массогабаритные показатели косвенно определяют коэффициент полезного действия (КПД) и надежность устройства и могут служить достаточно обоснованным и наиболее общим критерием для выбора и сравнения любых ИВЭП.

Большое влияние на массогабариты ИВЭП оказывает и КПД нагрузки. Учитывая, что КПД нагрузки в большинстве случав составляет 0,6 … 0,7, и что в реальных условиях он вряд ли будет выше 0,7 … 0,75, ИВЭП будет иметь размеры меньше нагрузки только при его КПД порядка 0,85 и более, что достигается совсем не элементарно.

При этом развитие современной микроэлектроники обуславливает непрерывные попытки микроминиатюризации нагрузки. Микроэлектронные приборы и устройства постоянно и существенно изменяются качественно, неуклонно усложняются их функции, расширяется круг их возможностей и решаемых ими задач, повышаются требования к точности их выходных параметров, увеличивается и потребляемая мощность. Поэтому неуклонно усложняются и ужесточаются требования, предъявляемые к ИВЭП.

Современная радиоаппаратура нередко требует для своей нормальной работы до 20 номиналов напряжений, в основном постоянного тока. Здесь требуются, как правило, низковольтные и сильноточные ИП с достаточно высокой степенью стабилизации. Большое внимание уделяется таким вопросам, как динамика ИВЭП, защита нагрузки и ПИП от аварийных режимов и некорректного использования. Дополнительные трудности в построении современных ИВЭП вызывают жесткие требования к уровню пульсаций выходных напряжений и пульсациям, наводимым в питающую сеть, а также обязательное требование гальванической развязки входных и выходных цепей.

Современные переносные и карманные радиоприемники, как правило, рассчитаны на питание от любого источника со стабилизированным напряжением 3 … 5 В и допустимым током до 0,2 А. Такое же напряжение необходимо и для питания многих других устройств. Однако стационарный источник питания не всегда может заменить аккумулятор. Для зарядки же аккумуляторов требуются низковольтные зарядные устройства.

Выпрямительные устройства, или выпрямители, являются одними из самых распространенных функциональных блоков систем электропитания постоянного тока и зарядных устройств.     Применение выпрямителей открыло возможность создания зарядных устройств с широким токовым диапазоном. Выпрямительные зарядные устройства имеют свои специфические особенности, связанные с обеспечением жестких пределов регулируемого напряжения и номинальных режимов работы полупроводниковых приборов, с трудностями выбора систем управления регулирующими устройствами и т. д.

Низкие напряжения, малые токи нагрузки и необходимость обеспечить малые пульсации напряжения и тока в нагрузке создали сложности получения высокого КПД и малых габаритов низковольтных зарядных устройств. Стремление получить малогабаритные зарядные устройства заставило изменить сложившийся десятилетиями взгляд на них как на элементарное сочетание простейших компонентов: трансформаторов, выпрямителей, сглаживающих фильтров и стабилизаторов непрерывного действия. Потребовался переход в построении ИВЭП на качественно новый уровень, соответствующий современным условиям.
1  Теоретическая часть
1.1  Обзор направлений решения структурных задач ИВЭП
На современном этапе выделяются несколько основных направлений решения структурных задач ИВЭП. Одним из таких направлений является совмещение нескольких функций в одном структурном элементе: преобразование энергии и стабилизацию, преобразование и сглаживание пульсаций, преобразование и защиту. Другим направлением можно считать исключение отдельных звеньев структуры из преобразовательного тракта. Сюда можно отнести и схемы с совмещением функций, и непосредственно с исключением элементов, например, сетевого трансформатора. Находит применение и структура, где последовательно включаются несколько стабилизирующих звеньев, например, импульсный стабилизатор для предварительной стабилизации (для повышения КПД системы) и непрерывный стабилизатор (для повышения стабильности и снижения пульсаций напряжения в нагрузке). Такие схемы находят применение при значительных колебаниях напряжения питания и потребляемого тока.

Дальнейшее развитие структуры с последовательным включением звеньев привело к децентрализации отдельных схем ИВЭП. Маломощные ИВЭП, распределенные по каналам нагрузки, позволяют обеспечить необходимую стабильность, а также включение и отключение отдельных цепей нагрузки и их защиту, обеспечивая при этом селективность защиты. Появление специализированных непрерывных стабилизаторов в интегральном исполнении в виде единого электронного блока дало возможность располагать их в непосредственной близости к нагрузке, что позволяет создавать разветвленную и рассредоточенную по объему аппаратуры систему параллельных электрических каналов стабилизации. Такое построение ИВЭП позволяет не только улучшить его качественные показатели, повысить помехоустойчивость и электрическую развязку узлов нагрузки по питанию, но и снизить уровни мощности в каждом канале, т. е. создать условия для более широкого использования в них интегральных схем. Кроме того, децентрализация ИВЭП способствует рассредоточению мощности тепловых потерь по возможно большей площади. С учетом предварительной импульсной стабилизации становится возможным использование интегральных стабилизаторов в качестве активных фильтров, что облегчает миниатюризацию за счет замены реактивных элементов микросхемами.

Одним из основных приемов структурного построения в последнее время стало дробление элементов и узлов ИВЭП на менее мощные с различными способами их соединения между собой, что позволяет значительно повысить частоту работы, снизить массогабариты и улучшить характеристики ИВЭП.

Одним из современных способов структурного решения задачи миниатюризации является способ разделения всего ИВЭП на два блока, где мощный нерегулируемый блок передает в нагрузку большую часть мощности. Его выход «подвешен» относительно общей шины через стабилизированный преобразователь, осуществляющий регулирование напряжения на нагрузке. КПД устройства составляет 0,9 … 0,95. В отечественной литературе этот способ получил название «стабилизация с помощью вольтдобавки».

Одним их важнейших направлений оптимизации структур ИВЭП является создание условий для реализации всех узлов методами микроэлектроники и силовой интегральной техники. Это возможно при использовании новых элементов, высоких напряжений, многофазных и ячейковых структур совместно с оптимальной децентрализацией, что позволяет снизить токи и уровни мощности в каждом канале и упростить условия для использования интегральных микросхем или создания на их основе микромодулей. Целесообразно уменьшать мощность отдельных устройств путем дробления еще и потому, что уменьшение размеров конструкции увеличивает отношение поверхности к объему, а это способствует повышению теплоотдачи, т. е. снижению удельной мощности ИВЭП.
1.2  Выбор и обоснование структурной схемы
Задача построения низковольтного зарядного устройства с заданными характеристиками может быть решена несколькими способами.


На рисунке 1 представлена структурная схема ИВЭП с бестрансформаторным входом.
Рисунок 1 - Структурная схема зарядного устройства с бестрансформаторным входом
Здесь напряжение сети вначале выпрямляется мостовым выпрямителем (который можно подключить непосредственно в сеть) и предварительно (грубо) фильтруется. Затем это напряжение поступает на инвертор с трансформатором, работающий на высокой частоте. Пониженное напряжение выпрямляется вторым выпрямителем и фильтруется выходным фильтром. Стабилизация выходного напряжения осуществляется в инверторе с помощью широтно-импульсного регулирования.

Из-за высокого напряжения сети и малой потребляемой мощности потери в выпрямителе В1 оказываются пренебрежимо малыми и он может быть реализован средствами микроэлектроники. При малом нагрузочном токе входным фильтром Ф1 может быть всего один конденсатор сравнительно небольшой емкости, а значит, и габаритов.

Инвертор строится на транзисторах по мостовой или полумостовой схеме. В последнем случае установка Ф1 не является принципиально необходимой. Транзисторный инвертор может работать на частотах до несколько сотен килогерц без заметного снижения КПД. Из-за малых преобразуемых токов и высокого напряжения питания потери мощности в транзисторных ключах очень малы и инвертор может быть реализован средствами микроэлектроники, как и второй выпрямитель.

Использование широтно-импульсного регулирования обуславливает наличие выходного -фильтра. Однако его габариты оказываются весьма малыми в связи с высокими частотой и коэффициентом заполнения импульсов (благодаря согласующему действию трансформатора). Имея на выходе высокую частоту и почти неизменную скважность, можно использовать малогабаритный неэлектролитический конденсатор (например, пленочный).

Заметные потери мощности имеются только в низковольтном выпрямителе В2, поэтому общий КПД схемы может составить 0,8 … 0,9.

Однако, если учесть, что мощность нагрузки очень мала и что на выходе устройства протекают очень малые токи (0,02 … 0,2 А), можно заметить, что



С учетом всех потерь мощность на входе будет порядка 50 мВт. Это значит, что прямой ток через выпрямитель В1 будет составлять микроамперы, а эта величина уже сопоставима с обратным током вентилей. Таким образом, применение данной структурной схемы нецелесообразно. 

Еще одним вариантом решения задачи может служить структурная схема, изображенная на рисунке 2.





Рисунок 2 - Структурная схема зарядного устройства с трансформатором на входе
Здесь напряжение сети сразу понижается трансформатором до необходимого уровня (), затем выпрямляется и сглаживается фильтром Ф, который нагружен на линейный стабилизатор.

 Рассмотрим схему с позиции ограничений. Главным ограничением снижения массогабаритов схемы по входу (со стороны сети) являются низкая частота и высокое напряжение питания, которые приведут к трансформатору с большими габаритами и низким КПД (КПД низкочастотного в единицы ватт трансформатора составляет 0,5 … 0,6). Отказавшись от него можно существенно снизить потери.

Ограничения со стороны нагрузки - это малый ток, а также низкое напряжение и гальваническая развязка, которые требуют понижающего трансформатора.

Попытка погасить большую часть напряжения сети на каком-либо балласте на входе схемы (резисторе, дросселе, конденсаторе) либо сведет КПД схемы почти до нуля, либо не уменьшит габаритов. Отсюда следует, что низкочастотное напряжение необходимо в самом начале структуры либо преобразовать в высокочастотное, где размеры трансформатора и реактивных элементов резко снижаются, и схема будет поддаваться миниатюризации, либо преобразовать в постоянное напряжение.

Если бы удалось установить между высоковольтным входом и низковольтным выходом импульсный стабилизатор, то его коэффициент заполнения оказался бы чрезвычайно низок, что потребовало бы значительных габаритов осредняющих фильтров даже при высокой частоте преобразования (неэффективность дросселя из-за малых токов нагрузки и значительные габариты конденсатора из-за высокого напряжения). При этом импульсное потребление тока из сети заставило бы установить входной фильтр, защищающий питающую сеть и нагрузку от радиопомех.

Но есть и другой вариант решения задачи. Отказавшись от обмоточного трансформатора, можно применить пьезоэлектрический с высоким КПД.

Таким образом, сохранив все достоинства схемы с трансформатором на входе(простота реализации, малое количество элементов), мы избавимся от главной проблемы - малого КПД низкочастотного трансформатора.

Исходя из вышеизложенного, будем строить устройство по структурной схеме, изображенной на рисунке 2.

1.3  Краткие сведения о пьезоэлектрических трансформаторах
Пьезоэлектрическим трансформатором может быть условно назван пьезоэлектрический элемент с тремя и более электродами, подключаемыми к одному или нескольким источникам электрического сигнала и нагрузкам.

Как и трансформатор с магнитным сердечником, пьезоэлектрический трансформатор может преобразовывать полное сопротивление цепи, усиливать сигнал по напряжению или току, разветвлять или собирать в одну электрические цепи, инвертировать фазу входного сигнала. Кроме того, в отличие от намоточных трансформаторов пьезоэлектрические трансформаторы обладают еще целым рядом функциональных свойств, позволяющих найти им применение не только в качестве пассивных, но и активных элементов схем (например, преобразование частоты электрического сигнала).

Часть пьезоэлектрического трансформатора, которая подключается к источнику электрического сигнала, называется возбудителем, а часть, подключаемая к нагрузке, - генератором.

В возбудителе переменный электрический сигнал за счет обратного пьезоэффекта преобразуется в энергию акустических волн. Эти волны зарождаются на границах электродов и распространяются по всему объему пьезоэлемента трансформатора. Отражаясь от границ раздела сред с различным акустическим волновым сопротивлением, они образуют ряд прямых и обратных волн, сложение которых приводит к возникновению стоячей волны. Амплитуда стоячей волны достигает максимального значения в случае, когда прямые и отраженные волны находятся в фазе. Это имеет место, когда частота источника возбуждения близка к одной из резонансных частот механических колебаний пьезоэлемента.

В генераторе пьезоэлектрического трансформатора механическое напряжение за счет прямого пьезоэффектра преобразуется в электрический сигнал. Поскольку механическое напряжение в стоячей волне максимально на частотах резонанса, то и коэффициент трансформации имеет максимальное значение на резонансных частотах.

Резонансные свойства системы характеризуются добротностью этой системы. При работе пьезоэлектрического трансформатора от источника ЭДС в режиме холостого хода добротность механической системы зависит преимущественно от потерь энергии при распространении акустической волны. При подключении к пьезоэлектрическому трансформатору со стороны входа или выхода активного сопротивления в механическую систему вносится дополнительное затухание. Это приводит к тому, что коэффициент трансформации зависит не только от частоты, но и от сопротивлений нагрузки и источника.
1.4   Обоснование выбора принципиальной электрической схемы
В качестве сетевого понижающего трансформатора применим пьезоэлектрический трансформатор напряжения продольно-продольной конструкции.

Стабилизатор напряжения - один из важных узлов радиоэлектронной аппаратуры. Еще совсем недавно такие узлы строились на стабилитронах и транзисторах. Общее число элементов стабилизатора было довольно значительным, особенно, если от него требовались функции регулировки выходного напряжения, защиты от перегрузки и короткого замыкания, ограничения выходного тока на заданном уровне. С появлением специализированных микросхем ситуация изменилась. Современные микросхемы стабилизаторов напряжения выпускаются на широкий диапазон выходных напряжений и токов, они имеют встроенную защиту от перегрузки по току и перегрева.

При необходимости нестандартного напряжения стабилизации или плавной регулировки выходного напряжения, удобно использовать трехвыводные регулируемые микросхемы, поддерживающие напряжение 1,25 В между выходом и управляющим выводом. Таким образом, в нашем устройстве можно применить регулируемый стабилизатор положительного напряжения в интегральном исполнении 142ЕН12А. Типовая схема включения микросхемы приведена на рисунке 3.

Резисторы R1и R2образуют внешний регулируемый делитель, входящий в цепь установки выходного напряжения U_ВЫХ, которое определяется по формуле

                                                                 (1.1)


где     - собственный ток потребления микросхемы. Число 1,25 в этой формуле - это упомянутое выше напряжение между выходом и управляющим выводом, которое поддерживает микросхема в режиме стабилизации.
Рисунок 3 - Типовая схема включения микросхемы 142ЕН12А
Сглаживающий конденсатор С2 применяется для снижения уровня пульсаций при высоких выходных напряжениях.  

В качестве С1 может быть использован сглаживающий конденсатор фильтра. Таким образом, функции фильтра из структурной схемы, изображенной на рисунке 2, выполняет конденсатор С1.

Номинальная емкость конденсатора С3 - не менее 2,2 мкФ.

Диод VD1 защищает микросхему при отсутствии входного напряжения и при подключении к ее выходу заряжаемого аккумулятора.

Диод VD2 служит для разрядки конденсатора С2 при замыкании выходной или входной цепи и при отсутствии С2 - не нужен.

Данная микросхема предоставляет большой запас по току, предусматривает встроенную защиту от короткого замыкания в нагрузке, обладает хорошими показателями коэффициентов нестабильности по напряжению и току, но у нее есть один существенный недостаток, который в наших условиях играет решающую роль. Это высокое напряжение входа-выхода микросхемы. При диапазоне выходных токов 0,02 … 0,2 А и выходных напряжений 1,5 … 5 В мощность нагрузки будет в пределах 0,03 … 1 Вт. При токе нагрузки 0,02 А потери на прохождение прямого тока в микросхеме составят около 0,05 Вт. Из этого следует, что даже при игнорировании всех потерь на остальных элементах схемы, теоретически возможное КПД устройства составит . Этот сам по себе неприемлемый результат еще более ухудшится при учете потерь в трансформаторе, фильтре, активных потерь в проводах и сопротивлениях.

Современная микроэлектроника позволяет решить и эту проблему.

В настоящее время разработаны и широко применяются микросхемы стабилизаторов напряжения с пониженным напряжением входа-выхода, т.н. «LOW DROP» стабилизаторы, напряжение входа-выхода которых составляет порядка одного вольта и меньше. Примерами могут служить PQ30RV, LT1084. Их полными отечественными аналогами являются микросхемы 1156ЕН4 и 142ЕН22 соответственно.

142ЕН22 в функциональном плане ничем не отличается от 142ЕН12 и имеет аналогичную типовую схему включения. Напряжение входа-выхода составляет не более 1,1 В.

Применим в нашем зарядном устройстве микросхему 1156ЕН4. Ее максимальное напряжение входа-выхода составляет 0,5 В (при максимально возможном токе нагрузки).

Основные параметры микросхемы 1156ЕН4А:

- выходное напряжение                                        1,5 … 30 В;

- входное напряжение                                                    5 … 35 В;

- ток нагрузки                                                           до 1 А;

- диапазон рабочих температур                                -20 … +80^оС;

- допустимый диапазон температур                        -30 … +125^оС;  

- максимальная разность напряжений вход-выход        0,5 В;

- нестабильность по току                                               не более 1%;

- нестабильность по напряжению                               не более 2,5 %;

- встроенная защита от короткого замыкания в нагрузке;

- встроенная схема защиты от перегрева;

- возможность дистанционного управления включением/выключением;

- собственный ток потребления                                   не более 7 мА.

На рисунке 4 изображена структурная схема 1156ЕН4.





Рисунок 4 - Структурная схема 1156ЕН4

На рисунке 5 изображена типовая схема включения 1156ЕН4.

Диод VD1, конденсаторы C1 и С2, резисторы R1 и R2 типовой схемы включения 1156ЕН4 выполняют те же функции, что и соответствующие элементы типовой схемы включения микросхемы 142ЕН12А, изображенной на рисунке 3.

Выходное напряжение рассчитывается по формуле (1.1).
Выпрямитель построим по мостовой схеме из высокочастотных диодов.

 

Для визуального отображения процесса заряда введем в схему цепочку светоиндикации, состоящую из светоизлучающего диода и последовательного ему сопротивления для ограничения тока.





Рисунок 5 - Типовая схема включения 1156ЕН4

Для получения информации о токе и напряжении на нагрузке в схему введем амперметр и вольтметр. При необходимости минимизации массогабаритов зарядного устройства вместо самих приборов в схеме можно предусмотреть лишь гнезда для их подключения.

2  Расчетная часть

2.1  Расчет выпрямителя
С учетом падения напряжения вход-выход на стабилизаторе для обеспечения на выходе зарядного устройства напряжения 5 В примем входное напряжение стабилизатора 5,5 В. Определяем примерное значение обратного напряжения, приложенного к плечу диодного моста по формуле

.                 (2.1)

Применим диодные сборки 2Д225АС и 2Д229АС, состоящие каждая из двух кремниевых эпитаксиально-планарных диодов с барьером Шотки и: общим катодом (2Д225АС), общим анодом (2Д229АС). Они предназначены для применения в низковольтных ИВЭП на частотах 10 … 200 кГц. Масса сборки не более 2 г. Выпускаются в металлопластмассовом корпусе с гибкими выводами.

Электрические параметры (для каждого диода сборки):

- постоянное прямое напряжение при  и

  при                                                                 0,42 В;

- постоянный обратный ток      при  

  при                                             не более 3 мА;

Предельные параметры (для Т+35^оС):

- импульсное обратное напряжение                             15 В;

- средний прямой ток                                                         3 А;

- диапазон рабочих температур                                     -60 … +125^оС.

Расчет по формуле (2.1) показывает, что диоды соответствуют предъявляемым требованиям по напряжению.

Прямой ток через диоды с учетом максимального тока нагрузки, тока потребления микросхемы, тока цепочки светоиндикации заряда, не превышает 250 … 300 мА. С учетом того, что механическая система пьезотрансформатора не даст появиться большим выбросам тока, предельное значение импульсного тока диодов также удовлетворяет требованиям.
2.2  Расчет пьезотрансформатора
Трансформатор подключен к стандартному напряжению сети: 220 В, 50 Гц.

С учетом нестабильности сети -15% … +10% найдем действующее значение напряжения на входе пьезоэлектрического трансформатора по формуле

.                                          (2.2)

Находим действующее значение напряжения на выходе трансформатора. Оно складывается из напряжения на входе стабилизатора и падения напряжения на плече диодного моста (для тока 250 мА =0,2 В):

.                                           (2.3)

С учетом результатов, полученных по (2.2) и (2.3), находим коэффициент трансформации

.                                                                      

Выбираем пьезоэлектрический материал ЦТС-23.

Параметры ЦТС-23, необходимые для расчета пьезоэлектрического трансформатора:

- модуль Юнга ;

         - добротность ;

         - коэффициент ;

         - коэффициент ;

         - коэффициент ;

         - постоянная ;

         - плотность ;

         - коэффициент .

         Зададимся рабочей частотой преобразования 50 кГц.

         Длина генераторной секции

         .

         Длина возбудителя:

         .

         Рассчитаем суммарную длину пьезоэлемента по формуле

         .                                        (2.4)

         Рассчитаем толщину пластины по формуле

             (2.5)

         Рассчитаем эквивалентное сопротивление нагрузки для максимума КПД  .                                                     

         Рассчитаем ширину возбудителя по формуле

          (2.6)

Рассчитаем ширину генератора по формуле

.                                     (2.7)

КПД пьезотрансформатора

.                                            

Таким образом, согласно расчетам по формулам (2,4), (2,5), (2,6), (2,7), габаритные размеры пьезотрансформатора: 3,65х1,4х0,84 см.

Масса пьезотрансформатора

                                                            
2.3  Расчет конденсатора фильтра С2
Емкость конденсатора сглаживающего фильтра найдем по формуле

,                                                                                                  (2.8)

где   - максимальный ток нагрузки;

  - частота пульсаций;

      - амплитуда пульсаций.

Найдем амплитуду пульсаций. Для этого выберем коэффициент пульсаций .

Коэффициент пульсаций находится по формуле

.                                                                                           (2.9)

Из (2.9) найдем амплитуду пульсаций напряжения

.                                                        (2.10)

Находим номинал С2 по формуле (2.8)

.

Определим максимальное значение напряжения на конденсаторе

.                                       (2.11)

Для построения емкости С2 выберем конденсатор К53-4.

Конденсаторы К53-4 предназначены для работы в цепях постоянного и переменного (импульсного) тока в интервале температур от -60⁰С до +85⁰С. В случае работы конденсатора в цепях пульсирующего тока амплитуда напряжения переменной составляющей по отношению к номинальному напряжению не должна быть больше 0,5% на частотах выше 50 кГц.

Если принять номинальное напряжение равным 15 В, что нас устраивает согласно расчетам по формуле (2.11), то 0,5% от него (допустимая амплитуда пульсаций) составит 0,075 В, что нас также удовлетворяет, так как это значение больше значения заданной формулой (2.10) амплитуды пульсаций. Сумма амплитудных значений переменной и постоянной составляющих напряжения не превышает номинального напряжения (15 В), значит такой типономинал конденсатора подходит.

Проведем учет снижения емкости конденсатора от влияния частоты, температуры и разброса емкости по формуле

,                                                                        (2.12)

где   =1,2;

         =1,2;

=2,8.

Тогда по формуле (2.12)

.

Для обеспечения нужной емкости С можно выбрать конденсатор К53-4 номинальной емкостью 68 мкФ. Масса конденсатора равна 5 г.
2.4  Расчет навесных элементов стабилизатора
Стабилизатор строится на основе интегрального «LOW DROP» стабилизатора напряжения 1156ЕН4.

Типовая схема включения линейного регулируемого стабилизатора напряжения 1156ЕН4 приведена на рисунке 5.

Резистивный делитель R1, R2 (рисунок 5) обеспечивает напряжение на выходе от 1,5 В до 5 В с плавной регулировкой, обеспеченной R2..

Выбираем типовое значение сопротивления резистора R2: 330 Ом.

Используя формулу (1,1) (заменив обозначения резисторов R1 u R2 соответственно на R2 u R3), рассчитаем пределы изменения значения сопротивления переменного резистора R3:

;

.

Диод VD5 защищает микросхему при отсутствии входного напряжения и при подключении к ее выходу заряжаемого аккумулятора.

Обратное напряжение, прикладываемое к диоду - напряжение входа-выхода микросхемы плюс амплитуда переменной составляющей. Прямой ток, протекающий через диод при отсутствии напряжения на входе зарядного устройства и подключении к его выходу аккумулятора, не превышает 200 мА.

Выбираем диод КД105Б. Диод кремниевый, диффузионный.

Предельные эксплуатационные данные:

- обратное напряжение                                                 400 В;

- средний прямой ток                                                              300 мА;

- импульсный прямой ток (однократная перегрузка)             15 А.

При обратном напряжении менее 100 В обратный ток диода менее 1 мкА.

Диод удовлетворяет требованиям.

Масса диода не более 0,3 г.

Зарядное устройство должно обеспечивать точность поддержания тока нагрузки 1%. Тогда для тока нагрузки 200 мА разброс значений тока за счет нестабильности составляет ±1 мА. Сопротивление нагрузки 25 Ом. Тогда для обеспечения нестабильности по току в 1% потребуется величина разброса действующих значений напряжения ±0,025 В от максимального значения 5 В. Поддержание данных значений обеспечивает конденсатор С1

.

Выбираем конденсатор К53-4 на номинальное напряжение 15 В емкостью 47 мкФ.
2.5  Расчет цепи индикации заряда
Для индикации процесса заряда воспользуемся светодиодом АЛ307В зеленого свечения. Масса диода не более 0,35 г.

Постоянное прямое напряжение - 2,5 В.

Предельные эксплуатационные данные:

- постоянное обратное напряжение                                   2 В;

- постоянный прямой ток                                                20 мА.

Резистор R1 предназначен для ограничения тока через светодиод. Потребуем, чтобы ток, проходящий через светодиод, имел значение 10 мА. Тогда значение сопротивления резистора R1 найдем как

.

На сопротивлении будет рассеиваться мощность 0,03 Вт.

По окончании заряда аккумулятора и его удалении из цепи нагрузки через светоизлучающую цепочку будет разряжаться конденсатор С1.
2.6  Расчет КПД зарядного устройства
КПД зарядного устройства будем определять для средних значений напряжения и тока нагрузки:

;

.

Мощность нагрузки равна

.
2.6.1  Расчет потерь в выпрямителе
Определим потери в выпрямителе по формуле

.                                                                       (2.13)

         Прямой ток  складывается из тока нагрузки, тока потребления микросхемы и тока цепочки индикации заряда. При данных условиях ток потребления микросхемы составляет 7 мА. .

         Тогда по формуле (2.15) потери в выпрямителе составят

         .
         2.6.2  Расчет потерь в стабилизаторе
Потери в стабилизаторе складываются из потерь на потребление тока микросхемой 1156ЕН4, потерь на активных сопротивлениях и потерь на прохождение прямого тока:

         ;

;



.                    (2.14)
2.6.3  Расчет потерь в конденсаторах фильтра
.  (2.15)
         2.6.4  Расчет потерь в цепочке светоиндикации заряда
         При данных условиях на сопротивлении R1 будет падать напряжение

         .

         Потери на R1 составят

         .

         Потери на VD8 составят

         .

         .                                           (2.16)   

2.6.5  Расчет КПД зарядного устройства
         Мощность, снимаемая с генераторной секции пьезотрансформатора с учетом потерь

         .                                                                (2.17)

         ,                                                                                             (2.18)

где   .

Принимая во внимание данные расчетов по формулам (2.13), (2.14), (2.15), (2.16), (2.17), по формуле (2.18) рассчитаем КПД зарядного устройства

.
2.7  Расчет массогабаритов зарядного устройства
Ориентировочная масса устройства складывается из массы трансформатора, двух конденсаторов, двух диодных сборок, микросхемы стабилизатора напряжения, двух постоянных и одного переменного резистора и составляет не более 150 г. Средняя мощность нагрузки 0,36 Вт.

Массогабариты определим как

.

Заключение

В результате выполнения данной курсовой работы было разработано малогабаритное маломощное регулируемое зарядное устройство со следующими параметрами:

-  напряжение на нагрузке                                  1,5 … 5 В;

-  ток нагрузки                                                         0,02 … 0,2 А;

-  закон регулирования непрерывный, плавный;

-  защита устройства от короткого замыкания в нагрузке;

-  индикация процесса заряда;

-  индикация значений напряжения и тока нагрузки с помощью внешних вольтметра и амперметра.

В качестве амперметра применим М4231.50 со шкалой 0,3 А.

В качестве вольтметра применим М4231.8 со шкалой 6 В.

Габаритные размеры обоих приборов 40 мм ´ 40 мм ´ 43 мм.

Масса обоих приборов 0,12 кг.

Приборы располагаются горизонтально.

Применение в качестве стабилизатора напряжения ИМС 1156 серии обеспечивает нестабильность по току нагрузки 1% при условии, если резистор, задающий ток (R2), присоединен как можно ближе непосредственно к выходу стабилизатора, а не к нагрузке.

Следует иметь в виду, что расчет пьезотрансформатора производился для максимума КПД, что подразумевает определенное эквивалентное сопротивление нагрузки пьезотрансформатора. При расхождении реального сопротивления с рассчитанным КПД пьезотрансформатора будет снижаться.

При исполнении данного устройства необходимо предусмотреть конструктивные решения защиты устройства от неправильного включения аккумулятора.

Список литературы

         1.  Аксенов А.И., Нефедов А.В. Резисторы. Конденсаторы. Справочное пособие. - М.: СОЛОН-Р, 2000. - 240 с.

         2.  Гершунский Б.С. Справочник по расчету электронных схем. - К.: Вища школа, 1983. - 240 с.

3.  Илюнин К.К. Справочник по электроизмерительным приборам. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр.отд-ие, 1983. - 783 с.

4.  Кокшаров В.С. Преобразовательная техника. Проектирование малогабаритных источников вторичного электропитания: Учеб. пособие. - Уфа: Уфимск. авиац. ин-т, 1991. - 84 с.

         5.  Кокшаров В.С., Шуляк А.А. Преобразовательная техника. Выбор и расчет элементов сглаживающих фильтров: Учеб. пособие. - Уфа: Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т, 2002. - 129 с.

         6.  Лавриненко В.В. Пьезоэлектрические трансформаторы. - М.: Энергия, 1975. - 112 с.

         7.  Справочник: Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные. Стабилитроны. Тиристры /А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др.: Под ред. А.В. Голомедова.. - М.: Радио и связь, 1989. - 528 с.

         8.  Справочник: Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные. Диоды импульсные. Оптоэлектронные приборы. /А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, В.В. Мокряков и др.: Под ред. А.В. Голомедова.. - М.: КУбК-а, 1994. - 592 с.

9.  Перебаскин А.В. Интегральные микросхемы. Микросхемы для линейных источников питания и их применение. - М.: ДОДЕКА, 2000. - 608 с.