Sursa Dubla DE Tensiune Reglabila Intre 2v 30v, 3a Pentru Laborator

Sursa Dubla DE Tensiune Reglabila Intre 2v 30v, 3a Pentru Laborator

Byadmin ianuarie 1, 2024

SURSĂ DUBLĂ DE TENSIUNE REGLABILĂ ÎNTRE 2V-30V, 3A PENTRU LABORATOR

TEMA PROIECTULUI

Să se proiecteze și să se realizeze o sursă dublă de tensiune reglabilă de dimensiuni reduse cu următorii parametrii de funcționare:

Se va alimenta de la rețeaua electrică 220V AC 10% ( 198V AC la 242V AC ) cu o frecventă de 50Hz .

Mărimile de ieșire sunt reprezentate de tensiunea ajustabilă furnizată la bornele sursei între 2V și 30V DC și curentul de ieșire 3A .

Dispozitivul va fi dotat cu protecție la scurtcircuit și protecție la suprasarcină termică.

Aparatul va functiona într-un mediu intern cu următorii parametrii :

Temperatura de lucru care se înscrie în valorile 0° C – 40° C

Temperatura de depozitare va fi intre -10° C – 50° C

Umiditate cuprinsă între 20% – 80% umiditate relativă (0° C – 40° C)

Proiectul va urmări realizarea temei de proiectare cu un raport cost performanță eficient.

Costul dispozitivului nu va depasi 400 lei .

Proiectul va cuprinde schițe, grafice, scheme electrice și imagini cu componentele dispozitivului .

Acesta se va finaliza cu o parte practică, care să confirme datele cu tema de proiectare.

CUPRINS

Introducere

I. Surse de tensiune

1.1. Generalitați

1.2. Structură și principiu de funcționare

1.3. Sisteme de protecție a surselor de tensiune

II. Dispozitive electronice și electronica analogică

2.1. Transformatoare de rețea

2.2. Componente electronice

2.3. Arduino

III. Simularea circuitului în Multisim

3.1. Simulare – rezultate și concluzii

3.2. Proiectarea controlului de temperatura automată

3.3. Descrierea blocurilor funcționale

IV. Execuția sursei de tensiune

4.1. Proiectarea și realizarea circuitului imprimat în Eagle:

4.2. Testarea sursei:

V. Rezultate și concluzii finale

5.1. Rezultate obținute

5.2. Concluzii finale

Bibliografie

Anexa 1 Condiții de utilizare

A.1.1. Utilizarea dispozitivului în condiții de siguranță:

A.1.2. Manualul utilizatorului

A.1.3. Servisarea dispozitivului

Introducere

Alimentarea orcărui aparat electronic necesită o sursă de energie, fie ea alternativă sau în curent continuu.

Sursele de alimentare pot fi de natură electrică, solară sau chimică

Sursele de alimentare de natură electrică numite si redresoare, acestea sunt cele mai des folosite tipuri de surse, de obicei transformă energia electrică alternativă în una continuă.

Fig. 1. Sursa de laborator [4].

Sursele cu energie solară, convertesc energia radiantă a soarelui pentru a produce energie electrică prin folosirea panourilor fotovoltaice.

Fig. 2. Panou fotovoltaic [5].

Sursele chimice numite și pilă electrică, acestea sunt practic un generator de curent ce transformă energia chimică în energie electrică, prin folosirea a două plăci conductoare de naturi diferite și a unei soluții de electrolit. (exemplu: acumulatorii, bateriile galvanice, etc).

Fig. 3. Acumulator [6].

Orice electronist are nevoie în laborator de o sursă de alimentare pentru a putea verifica, experimenta și testa diferite montaje electronice.

Dar pentru acest lucru este necesară o sursă de alimentare stabilizată, capabilă să mențină o tensiune și un curent constant indiferent de sarcina pe care o alimentează sau de fluctuațiile de la rețeaua electrică, o sursă reglabilă prezintă un avantaj mare deoarece este foarte felxibilă și are o aplicabilitate mult mai vastă față de o sursă fixă, care este capabilă sa furnizeze doar o singură tensiune.

În acest proiect am optat pentru o schema de sursă de tensiune dublă reglabilă și stabilizată cu caracteristicile de 2 – 30V, curent de 3A, consider că prin alegerea acestei scheme pot beneficia de o multitudine de posibilități pentru alimentarea montajelor electronice.

Realizarea acestui proiect ne obligă să cunoaștem procesul de inginerie pentru producerea unui astfel de dispozitiv.

Producția reprezintă transformarea fizică sau chimică a materialelor, substanțelor sau componentelor în noi produse sau componente, printr-o serie de procese tehnologice.

Procesul de inginerie al unui dispozitiv îl putem descrie ca în figura de mai jos:

Fig. 4. Organigrama procesului de inginerie [3].

I. Surse de tensiune

1.1. Generalitați

O sursă de alimentare reprezintă un dispozitiv electronic ce furnizează energie electrică pentru o sarcină electrică.

Funcția principală a unei surse de alimentare este de a converti o formă de energie electrică într-o altă formă.

Ca urmare, sursele de alimentare sunt uneori denumite convertoare de energie electrică .

Unele surse de alimentare sunt discrete, dispozitive stand-alone, în timp ce altele sunt construite în dispozitive mari, împreună cu incarcatura lor, de exemplu sursele gasite in calulatoarele desktop si alte dispozitive electronice de larg consum.

În funcție de design, o sursă de alimentare poate obține energie din diverse surse, cum ar fi:

dispozitive de stocare a energiei (bateriile și celule de combustibil)

sisteme electromecanice (generatoare și alternatoare)

convertoare de energie solară

sau alte surse de aprovizionare.

Surse de alimentare sunt clasificate în diferite moduri, inclusiv prin caracteristici functionale.

De exemplu, o sursă de alimentare regulată este una care poate menține tensiunea sau curentul de ieșire constant, în ciuda variațiilor de sarcină ale curentului sau tensiunii de intrare.

În schimb, ieșirea unei surse de alimentare nereglulată, se poate schimba în mod semnificativ atunci când tensiunea sau curentul de intrare variază.

Sursele de alimentare reglabile permit ajustarea prin controale mecanice a tensiunii sau curentului de ieșire.

Surse de alimentare pot fi ambalate în moduri diferite și clasificate în consecință.

Sursele de alimentare de banc, sunt unitați de tip stand-alone utilizate în aplicații cum ar fi testarea circuitelor și dezvoltare.

Surse de alimentare de tip Open Frame, acestea sunt surse fară carcasă, fiind de obicei construite în mașini sau alte echipamente.

Surse de tip rack, sunt concepute pentru a fi fixate în rack-uri de echipamente electronice.

Surse de alimentare pot fi în clasificate în funcție de regimul de funcționare:

Surse de alimentare liniare

Surse de alimentare in comutație.

Surse de alimentare liniară:

Tensiunea alternativă furnizată de rețeaua electrică este ajustată de către un transformator la necesitațile montajului electric.

Aceasta este transmisă mai departe la un redresor, care convertește curentul alternativ in unul continuu.

Tensiunea continuă pulsatorie este trecută printr-un filtru, care o netezește până când se obține o tensiune ce poate fi admisă de celelalte componente.

După filtrare tensiunea trece printr-un stabilizator liniar, acesta asigurând la ieșire o tensiune constantă sau ajustabilă .

Aceste surse pot dispune de circuite de protecție, comandă și control.

Figura 1.1.1. Schema bloc a unei surse de tensiune liniară

Surse de alimentare în comutație:

O sursă de alimentare în comutație este un dispozitiv electronic ce încorporează un element de comutație pentru a converti energia în mod eficient.Tensiunea alternativă furnizată de rețeaua electrică este aplicată unui redresor ce are în componența sa și un filtru de joasă frecvență

Sursele în comutație au un tranzistor de trecere ce comută în mod continuu între starile disipare redusă, saturat și blocat, acesta este comandat de către blocul de comandă si control. Din elementul de comutație tensiunea este aplicată unui circuit acumulator de sarcină care furnizează tensiunea de ieșire.

Elementul de comutație lucrează în frecvențe mari de ordinul a zecilor sau chiar sutelor de kHz.

De aici tensiunea de iesire rezultată prezintă un conținut de armonici superioare, acestea se pot propaga în rețeaua electrică perturbând alte dispozitive electronice. Pentru a împiedica formarea acestor perturbări la intrarea sursei se aplică obligatoriu un filtru de radiofrecvență .

La fel ca la sursele de alimentare liniare, sursele în comutație prezintă și ele un circuit de protecție.

Figura 1.1.2. Schema bloc a unei surse de tensiune în comutație

1.2. Structură și principiu de funcționare

Pentru a realiza o sursă de tensiune continuă liniară, intrarea de curent alternativ trebuie să urmeze un proces de conversie ca cel prezentat în figura 1.2.1.

Figura 1.2.1 Schema bloc a unei surse de tensiune

Semnalul de intrare care merge la primarul transformatorului este o undă sinusoidală și amplitudinea sa depinde de țara în care trăim (110 / 220 VAC)

Figura 1.2.2. Reprezentare grafică a curentului alternativ [7].

Transformatorul de rețea primește o tensiune alternativă în înfășurarea primară și oferă pe înfășurarea secundară o tensiune alternativă diferită (o tensiune inferioară).

Redresorul transformă tensiunea alternativă AC din înfășurarea secundară a transformatorului într-o tensiune pulsatorie DC.

Filtru, este alcătuit din unu sau mai multe condensatoare, ce au rolul de a aplatiza sau netezi etapa precedentă eliminând curentul alternativ (AC) livrat de redresor. Aceste condensatoare sunt încarcate la valoarea maximă de tensiune pe care redresorul îl poate livra și sunt evacuate atunci cand semnalul pulsatoriu dispare.

Regulatorul de tensiune primește tensiunea filtrată și furnizează o tensiune constantă (de exemplu: 12v curent continuu), indiferent de variațiile de sarcină sau tensiunea de alimentare.

Reprezentarea grafică a formelor de undă prezente la etapele descrise anterior:

Fig. 1.2.3. Reprezentarea grafică a formelor de undă a unei surse liniare [8].

O sursă de tensiune în comutație funcționeaza prin întreruperea periodică a curentului furnizat către o sarcină rezistivă, acest lucru este realizat foarte rapid de către un comutator electronic.

Fig. 1.2.4. Modul de funcționare a unei surse de alimentare în comutație [9].

În acest caz, reducerea tensiunii depinde de raportul dintre timpul de pornire si oprire a curentului. Comutarea avand loc foarte rapid, la 10.000 de ori pe secundă sau mai repede.

Folosirea acestei tehnici, se poate reduce transformatorul la unul mai mic și prin urmare și sursa va fi una mai puțin voluminoasă.

La sursele de tensiune liniare este asigurată o calitate mai bună a tensiunilor și curenților furnizați către sarcină, iar la sursele în comutație acest lucru este prezentat ca un dezavantaj, dar se poate reduce prin utilizarea unor filtre corespunzătoare.

Un alt dezavantaj al surselor de alimentare în comutație constă în răspunsul mai lent la variații rapide ale parametrilor perturbatori. Acestea având un zgomot de funcționare mai ridicat față de sursele liniare.

În figura 1.2.5 avem diagrama bloc unde sunt reprezentate formele de undă prezente la fiecare etapă de transformare a tensiunii la o sursă în comutație:

Fig. 1.2.5. Reprezentarea formelor de undă a sursei de tensiune în comutație [9].

Tensiunea alternativă este redresată si regulată pentru a produce o tensiune în curent continuu mai mare. Aceasta este comutată în mod rapid de un tranzistor cu efect de câmp FET ( Field Effect Transistor ).

Apoi semnalul este transmis mai departe către un transformator, deși acest lucru poate reduce tensiunea, acesta izolează ieșirea de la rețeaua electrică (din motive de siguranță).

Feedback de ieșire este apoi folosit pentru a controla raportul de comutare, astfel încât ieșirea să rămână la tensiunea dorită, fără oscilații.

Transformatorul utilizat într-o sursă de alimentare în comutație este mult mai mic și mai ieftin decât de cel utilizat în sursele de alimentare liniare, dar trebuie să fie în măsură să poată funcționa la frecvențe de comutare mult mai mari.

Transformatoarele utilizate la sursele de alimentare liniare sunt în frecvențe joase de 50/60Hz, iar cele utilizate în sursele de alimentare în comutație sunt la frecvențe mai mari de 10KHz.

1.3. Sisteme de protecție a surselor de tensiune

Sursele de tensiune reprezintă cea mai importantă componentă dintr-un sistem, defectarea acesteia duce la oprirea întregului sistem.

Acestea pot fi prevăzute cu diferirea de la rețeaua electrică (din motive de siguranță).

Feedback de ieșire este apoi folosit pentru a controla raportul de comutare, astfel încât ieșirea să rămână la tensiunea dorită, fără oscilații.

Transformatorul utilizat într-o sursă de alimentare în comutație este mult mai mic și mai ieftin decât de cel utilizat în sursele de alimentare liniare, dar trebuie să fie în măsură să poată funcționa la frecvențe de comutare mult mai mari.

Transformatoarele utilizate la sursele de alimentare liniare sunt în frecvențe joase de 50/60Hz, iar cele utilizate în sursele de alimentare în comutație sunt la frecvențe mai mari de 10KHz.

1.3. Sisteme de protecție a surselor de tensiune

Sursele de tensiune reprezintă cea mai importantă componentă dintr-un sistem, defectarea acesteia duce la oprirea întregului sistem.

Acestea pot fi prevăzute cu diferite protecții:

Protecție la scurtcircuit

Protecție la supratemperatură

Protecție la subtensiune

Protecție la supratensiune

Protecție la suprasarcină

Protecție la supracurent

Protecția la scurtcircuit:

Numită si SCP – Short Circuit Protection, această protecție este obligatorie și reprezintă cea mai simplă formă de a proteja un circuit.

De obicei se folosește o siguranță fuzibilă calibrată la un curent maxim în funcție de necesitate.

Protecția la supratemperatură:

Este denumită și OTP – Over Temperature Protection, acționează atunci cand temperatura de funcționare depașește un anumit prag și oprește sursa pentru a preveni o posibilă defectare a acesteia.

Aceste protecții folosesc varistoare care declanșează la o temperatură prestabilită.

Protecția la subtensiune:

Protecția la subtensiune sau UVP – Under Voltage Protection, așa cum îi zice și numele protejează sursa de alimentare de o posibilă subtensiune ce poate apărea brusc la conectarea unei sarcini.

Protecția la supratensiune:

Protecția la supratensiune sau OVP – Over Voltage Protection, protejează sursa de alimentare de o posibilă supratensiune ce poate apărea brusc la conectarea unei sarcini.

Protecția OPV de tip crowbar este o schemă simplă care realizează un scurtcircuit la ieșirea sursei printr-un tiristor conectat în serie cu o siguranță ultrarapidă ce oprește funcționarea sursei atunci când tensiunea la ieșire depășește un anumit nivel.

Protecția la suprasarcină:

Denumită și OPP – Over Power Protection sau OLP – Over Load Protection, întrerupe funcționarea sursei atunci când este conectat un consumator de putere mare la ieșirea acesteia, la depașirea unei anumite valori limită, acționează si deconectează sursa de tensiune.

II. Dispozitive electronice și electronica analogică

2.1. Transformatoare de rețea

Transformatorul reprezintă o mașină electrică ce transferă energie electrică dintr-un circuit (primarul transformatorului) în altul (secundarul transformatorului).

Din punct de vedere constructiv, transformatorul este alcătuit din două părți principale:

Circuitul magnetic – acesta este reprezentat de un miez de fier și este construit din tole de oțel sau ferită, la rândul lui este format din coloane, acestea reprezintă parte pe care sunt dispuse înfășurările transformatorului și juguri, unde nu sunt dispuse înfășurări ale transformatorului.

Circuitul electric – ce este reprezentat de două sau mai multe înfășurări din cupru (Cu) sau aluminiu (Al), acestea sunt realizate în jurul circuitului magnetic.

Fig. 2.1.1. Reprezentarea unui transformator cu tole monofazat [10].

Principiul de funcționare a transformatorului toroidal se bazează pe legea inducției electromagnetice, acest lucru înseamnând că el funcționează doar în curent alternativ. În procesul de transformare se păstrează aceeași frecvență și la tensiune si la curent.

tensiunea electromotoare care apare la bornele unei bobine cu miez feromagnetic este egală numeric cu viteza de variație în timp a fluxului magnetic care se închide prin circuitul feromagnetic a bobinei.

Altfel spus:

unde: E – tensiunea electromotoare.

dΦ/dt – fluxul magnetic variabil prin miezul feromagnetic al bobinei.

Fig. 2.1.2. Secțiunea unui transformator toroidal [11].

Fig. 2.1.3. Componentele unui transformator toroidal [12].

Transformatoarele electrice pot fi ridicătoare sau coborătoare de tensiune.

Avantajele transformatoarelor toroidale sunt:

Randament ridicat

Greutate redusă

Dimensiuni constructive reduse

Înălțime redusă

Zgomot redus în timpul funcționării

Câmp magnetic de dispersie redus

Pierderi mici la funcționarea în gol

Un singur punct de montare

Datorită acestor caracteristici unice, transformatoarele toroidale au o aplicabilitate în majoritatea domeniilor electronice si electrotehnice.

Acestea sunt destinate pentru realizarea dispozitivelor și echipamentelor electronice în următoarele domenii industriale:

Sisteme audio

Echipamente medicale

Automatizări

Surse de alimentare neîntreruptibile (UPS – uninterruptible power source)

Dacă aplicăm înfășurării primare o tensiune, la bornele înfășurării secundare regăsim aceasta tensiune defazată cu 180 grade față de tensiunea înfășurării secundare și cu 90 grade față de fluxul magnetic. Un transformator electric trebuie să aibă minim două înfășurări.

Cele două bobinaje între care are loc transferul de putere au întotdeauna un număr diferit de spire.

Tensiunea și curentul sunt marimi invers proporționale ele suferă prin transformare schimbări inverse, atunci cand tensiunea creste, curentul scade și invers.

Se numește raport de transformare, raportul dintre tensiunea primară si cea secundară.

Unde avem: U1 – tensiunea primară (kV)

U2 – tensiune secundară (kV)

f – frecvență (Hz)

Randamentul unui transformator este dat de formula:

Unde:

η = reprezintă randamentul sau eficiența energetică .

Pout = puterea absorbită de consumator (W).

Pin = puterea absorbită de înfăsurarea primară (W).

În figura ,avem notate caracteristicile constructive și funcționale alea transformatoarelor toroidale monofazate:

Fig. 2.1.4. Caracteristici constructive și funcționale ale transformatoarelor toroidale monofazate [13].

În funcție de acest tabel se poate alege un transformator corect din punct de vedere al puterii pentru a alimenta un montaj electronic. Se pot adăuga diverse izolații precum ecrane electrostatice, ecrane electromagnetice, pentru a proteja transformatorul de diverse perturbații, venite din mediul extern.

Aceste transformatoare prezintă doua tipuri de sisteme de fixare:

Sistemul de fixare de tip SFD: acest sistem este compus din un disc metalic ambutisat si doua discuri de cauciuc pentru izolarea transformatorului de carcasă unde vrea a fi montat acesta.

Fig. 2.1.5. Sistem de fixare tip SFD [13].

Sistem de fixare de tip SFL: acest sistem prezintă avantajul de a putea monta transformatorul toroidal perpendicular în carcasă și include și o regletă de conexiune ce permite conectarea mai ușoară dintre transformator și sarcină.

Fig. 2.1.6. Sistem de fixare de tip SFL [13].

2.2. Componente electronice

O componentă electronică este o realizare distinctă, caracterizată de mai multe proprietăți fizice, cu caracter monolitic, fară posibilitatea descompunerii în alte elemente utilizabile în construcția dispozitivelor electronice.

Componentele electrice au două sau mai multe terminale, aceste terminale se interconectează pentru a forma un circuit electronic ce îndeplinește o anumită funcție de exemplu un amplificator, un receptor radio, un redresor, oscilator, etc.

Acestea pot fi clasificate ca pasive, active sau electromagnetice:

Componente active de circuit – se bazează pe o sursă de energie externă pentru a funcționa, acestea produc energie sub formă de tensiuni sau curenți.

Exemple:

– Tiristoare

– Triace

– Diode

– Punți redresoare

– Optocuploare

– Tranzistori

– Termistori

– Varistori

– Circuite integrate

– Microcontrolere

Componente pasive de circuit – aceste componente nu necesită o sursă de energie pentru a funcționa, ele stochează și mențin energia.

Exemple:

– Condensatori

– Potențiometre

– Semireglabili

– Trimeri

– Rezistențe

– Rezonatoare

– Bobine

– Filtre

Componente electromagnetice – acestea pot efectua operațiuni electrice prin utilizarea pieselor în mișcare sau prin utilizarea de conexiuni electrice.

Exemple:

Electromagneții

Transformatoarele de rețea

Motoare electrice

Relee

Componentele electronice le putem împarti în două mari categorii în funcție de modul de prindere pe circuitul imprimat PCB :

componente de tip THD (Through Hole Device);

componente de tip SMD (Surface Mount Device).

Componentele THD, sunt componente ale căror terminale străpung placa.

THT (Through Hole Technology – Tehnologie de montare prin găuri).

Fig 2.2.1. Componente de tip THD [14].

Componentele SMD, sunt componente care se montează pe suprafața plăcii imprimate,

SMT (Surface Mount Technology – Tehnologie de montare pe suprafață).

Fig 2.2.2. Componente de tip SMD [14].

Aceste componente pot veni într-o varietate de forme constructive:

componente THD de formă axială;

Fig 2.2.3. Componente axiale [15].

componente THD de formă radială;

Fig 2.2.4. Componente radiale [16].

componente THD – Single in Line Package (SIL sau SIP);

Fig 2.2.5. Componente SIL sau SIP [17].

componente THD și SMD – Dual in Line Package (DIL sau DIP).

Fig 2.2.6. Componente DIL sau DIP [18].

2.3. Arduino

Arduino este o companie de hardware și software open-source, ce produce plăci de dezvoltare dotate cu microcontrolere 8-bit Atmel AVR, sau cu procesoare 32-bit Atmel ARM. Aceste plăci pot fi cumpărate preasamblate, ori sub forma de kit-uri DIY (do-it-yourself), dar producătorii pun la îndemâna tuturor designul hardware, bootloaderul și schema electrică, pentru orice dorește să își asambleze o placa de dezvoltare de la zero.

Modele actuale vin dotate cu o interfață USB, numeroase intrari și iesiri analogice si digitale, ce permit atașarea diverselor placi de extensie.

Arduino oferă un mediu de programare integrat (IDE – integrated development environment ) ce include si suport pentru limbajele de programare C si C++.

Specificații tehnice Arduino UNO:

Fig 2.3.1. Placa de dezvoltare Arduino Uno R3 [19].

Procesor: Atmega328

Tensiunea de alimentare ATmega: 5V

Tensiunea de alimentare externă: 7 – 12V

Memorie Flash: 32 KB

Memorie SRAM: 2KB

Pini digitali: 14

Pini PWM: 6

Intrari analogice: 6

Port serial: 1 (RX, TX)

Dimensiuni: 53 x 75 mm

ATmega 328 AVR 8-bit este un circuit integrat de înaltă performanță produs de Atmel, una dintre cele mai mari companii ce produce microcontrolere, acesta se bazează pe un microcontroler cu o arhitectură de tip RISC (Reduced instruction set computing – set de instrucțiuni de calcul reduse), ce prezintă o memorie FLASH de 32 KB ISP cu o capacitate de citire și scriere în același timp, o memorie EEPROM de 1 KB, 2 KB de SRAM, 23 linii I/O, 32 de registre, 3 contoare cu moduri de comparație, întreruperi interne și externe, programator de tip USART (Universal asynchronous receiver/transmitter – Receptor/transmițător asincron universal), orientate interfață serială byte de 2 cabluri, port serial SPI, 6-canale de 10-bit pentru convertorul ADC, "watchdog timer" programabil cu oscilator intern și 5 moduri de economisire a energiei selectabile prin software-ul intern.

Dispozitivul putând funcționa de la 1,8 la 5,5V.

Microcontrolerul ATmega 328 este utilizat în multe proiecte și sisteme autonome, deoarece are un cost redus și consum mic de energie.

Fig. 2.3.2. ATmega 328 în capsulă DIP [20].

Fig. 2.3.3. Reprezentarea pinilor la microcontrolerul ATmega 328 [21].

III. Simularea circuitului în Multisim

Multisim, este un mediu de dezvoltare software, produs de cei de la National Instruments, ce oferă o bază de date completă cu componente electronice, un simulator SPICE (acronim care provine de la Simulation Program Integrated Circuit Emphasis – Program de simulare a circuitelor integrate) pentru circuite analogice și digitale, posibilitatea de a realiza scheme electronice, are capabilițăi de RF (Radio Frequency) și de post procesare și transfer a schemelor electrice în PCB (Printed Circuit Board).

Acesta integrează funcția schematic capture, adică simularea, analiza circuitelor și posibilitatea de generare a unui circuit imprimat PCB. Oferă posibilitatea modificarii bazei de date a componentelor electronice, modificarea parametrilor acestora și chiar realizarea de componente noi.

Prin simulare se pot efectua teste si analize pe diverse circuite electrice și electronice fără a mai fi necesară realizarea lor fizică.

Programul înglobeaza și îndeplineste toate etapele necesare pentru realizarea și testarea unui circuit:

realizarea schemei

verificarea schemei cu ajutorul simulatorului și posibilitatea de analiză a circuitului

posibilitatea de a modifica schema pentru un rezultat final cat mai precis

se poate realiza ori un circuit imprimat de tip PCB , ori un dispozitiv logic programabil (ex: Field Programmable Gate Array).

Utilizatorul are la dispoziția sa o interfața grafică cu meniuri intuitive și la îndemană, plasarea componentelor se realizează ușor prin funcția drag and drop, iar interconectarea lor se face prin fire de conexiune.

Are integrat și o serie de aparate de masură: multimetru, osciloscoape, generator de semnale, analizor logic, wattmetru, analizor de distorsiuni, analizor de spectru, etc.

Multisim este utilizat pe scară largă in mediul academic și industia de dezvoltare a circuitelor, designul schemelor și simulari SPICE.

La prima vedere, o sursă de tensiune reglabilă de curent continuu pare a fi un dispozitiv destul de simplu, totuși, acesta este un dispozitiv sofisticat și precis.

Acesta trebuie să furnizeze o tensiune si un curent stabil, precis, și curat, indiferent de sarcină, fie ea de natură rezistivă, inductivă, capacitivă, de impedanță redusă sau de impedantă mare. Cât de bine îndeplinește sursa de alimentare aceste cerințe depinde în întregime de specificațiile acesteia.

Alegerea unei surse de alimentare potrivită pentru o anumită aplicație necesită o bună înțelegere a specificațiior acesteia.

Surse de alimentare liniare sunt durabile, precise și pot livra energie cu zgomot redus.

Figura 3.1. prezintă o diagramă bloc simplificată a unuei surse de tensiune liniară

Fig. 3.1. Diagrama bloc a unei surse de tensiune liniară.

Cele mai multe surse de alimentare DC au două moduri de operare.

În modul de tensiune constantă (CV – Constant Voltage), sursa de alimentare reglează doar tensiunea de ieșire pe baza setărilor utilizatorului.

În modul de curent constant (CC – Constant Current), sursa de alimentare reglează doar curentul.

În modul CV, curentul este determinat de impedanța sarcinii, iar în modul CC, tensiunea este determinată de impedanta a sarcinii. Exista doua modalitați de a regla tensiunea sau curentul de ieșire a unei surse de alimentare

Analog prin folosirea unor potențiometre

Digital folosind tehnologiile oferite de microcontrolere sau microprocesoare.

Un convertor digital – la – analog (DAC – Digital Analog Converter) preia setarea digitală și o transformă într-o valoare analogică care este utilizată ca referință pentru regulatoarele analogice.

Majoritatea surselor de alimentare DC sunt prevăzute cu afișaje ce măsoara atât curentul cât si tensiunea de ieșire. Acestea pot afișa pe panoul frontal tensiuea si curentul de ieșire, dar totodata pot transmite aceste valori unor alte dispozitive aflate la distanță daca sunt echipate cu o asemenea tehnologie.

Stabilitatea:

Stabilitatea reprezintă modul în care o sursă de alimentare răspunde modificări. În condiții de schimbare de sarcină, tensiunea curentului alternativ, temperatura, acești factori pot influența mai mult sau mai puțin tensiunile și curenții de ieșire a sursei de alimentare. Probleme de stabilitate pe termen lung sunt gestionate prin verificarea periodică și calibrarea instrumentelor dacă este necesar acest lucru.

Pe termen lung, performanța unei surse de alimentare inevitabil se va schimba ca urmare a îmbătrânirii.

Stabilitatea temperaturii:

Preciziile discutate mai sus sunt de obicei specificate ca fiind valabil pe un anumit interval de aproximativ 25 °C. Un domeniu tipic de utilizare a surselor de alimentare este între 20 °C și 30 °C ( 68°F până la 86°F ).

Dacă sursele de alimentare sunt utilizate într-un mediu de laborator cu o temperatură ambientală stabilă, atunci efectul temperaturii asupra ieșirii sursei este unul mic. Pe de altă parte, dacă se lucrează într-un mediu industrial unde pot apărea diferențe seminficative a temperaturii, tensiunea si curentul de ieșire ale aparatului se pot modifica. Incertitudinea tensiunii și a curentului de ieșire crește dacă temperatura ambiantă se abate de la temperatura camerei 25°C.

Pentru a asigura încrederea în rezultatele testelor și pentru a putea repeta aceste rezultate, este necesară o sursă de alimentare care poate livra exact puterea de care este nevoie, specifică fiecarei aplicații. Dacă sursa de alimentare nu are o precizie sau o stabilitate foarte mare, pot fi afectate măsurătorile și respectiv rezultatele.

Schimbările de temperatură, schimbările bruște de sarcină, și fluctuante tensiunii alternative sunt doar câțiva dintre factorii care pot provoca probleme.

O sursă de alimentare corect proiectată, poate face față acestor variații și poate oferi tensiunea sau curentul de ieșire constant și stabil.

3.1. Simulare – rezultate și concluzii

Utilizând funcția schematic capture, am realizat schema electrică a sursei de tensiune în program, pentru ca apoi să simulez circuitul sub diverși parametrii.

În general, analiza unui circuit este realizată în trei etape:

Realizarea circuitului și specificarea elementelor de circuit;

Rularea simulării;

Vizualizarea și interpretarea rezultatelor obținute.

Am realizat mai multe capturi de ecran pentru a observa modul de funcționare al circuitului de reglare a tensiunii.

Simulând circuitul înaintea punerii lui în practică, putem descoperi posibile defecțiuni sau probleme ce pot apărea la proiectarea unui astfel de dispozitiv, ajutându-ne să îl îmbunătățim.

Potențiometrul la 0% (inceput de cursa):

Fig 3.1.1. Simulare circuit cu potențiometrul la 0%

Multimetrul indică tensiunea la ieșirea aparatului de 1.26V cu potențiometrul la 0%, adică o rezistență scazută, ceea ce respectă cerința proiectului.

Potentiometrul la jumatate de cursă 50%:

Fig 3.1.2. Simulare circuit cu potențiometrul la 50%

Cu o rezistență de 5 KΩ se poate obține o tensiune de 16.1V la ieșirea aparatului.

Potentiometrul la 100% (capat de cursa):

Fig 3.1.3. Simulare circuit cu potențiometrul la 100%

Tensiunea maximă ce o poate furniza circuitul este de 30.9V cu potențiometrul la 100%, rezistența fiind de 10 KΩ.

În urma simularii SPICE a circuitului, observăm că acesta funcționează în parametrii normali. Folosind osciloscopul putem observa formele de undă obținute la ieșirea transformatorului toroidal și cele obținute după redresarea cu puntea de diode RS808.

Fig 3.1.4. Analiza formelor de undă înainte si dupa redresare cu ajutorul unui osciloscop

De la rețeaua electrica 220V, obținem formă de undă sinusoidală de culoare albastră ce reprezintă tensiunea alternativă, iar după aplicarea redresării dublă alternanță în punte, adică folosirea unei punți de diode (punte redresoare), aceasta având rolul de a converti tensiunea AC în una DC, rezultă forma de undă sinusoidala de culoare roșie, adică o tensiune pulsatorie.

Aplicând filtrele C1 și C2 (100nF respectiv 4700µF), se netezește etapa de redresare rezultând următoarea formă de undă:

Fig. 3.1.5. Forma de undă rezultată după aplicarea filtrelor.

După cum se poate observa în figura 3.1.5., s-a obținut o tensiune aproape constantă. tensiunea de riplu este una destul de mică, dar aceasta mai poate fi scăzută aplicând un filtru de capacitate mai mare.

Pe durata în care tensiunea furnizată de redresor este mai mare decât tensiunea prezentă între armăturile condensatorului, acesta se încarcă cu energie, apoi cand tensiunea furnizată de redresor scade, condensatorul va debita energia stocată către sarcină. În acest timp tensiunea din condensator scade până când tensiunea furnizată de redresor atinge o valoare mai mare decât tensiunea între armăturile condensatorului. Valoarea acestei variații de tensiune se numește riplu, acesta se micsorează cu valoarea condensatorului este mai mare, adică poate stoca energie mai multă, permițând o descărcare mai lungă.

Fig. 3.1.5. Analiza formelor de undă la ieșirea bornelor sursei cu ajutorul unui osciloscop

Pe osciloscop putem observa că tensiunea de ieșire la bornele aparatului este una stabilă, fară perturbații.

Din aceste simulări putem trage concluzia că circuitul este unul funcțional și îndeplinște cerințele temei de proiectare.

Simularea pe calculator a circuitelor electronice nu exclude realizarea și testarea practică, confruntarea rezultatelor obținute în urma simulării și cele obținute prin realizarea fizică a proiectului ne conduce la anumite concluzii ce măresc eficiența activității de proiectare.

Rezultatele fiind unele satisfăcatoare, putem trece la partea de execuție a aparatului.

3.2. Proiectarea controlului de temperatura automată

Pentru a proteja circuitul de temperaturi ridicate, am realizat un montaj de control al temperaturii cu ajutorul platformei Reduino Core, ce are în componența sa un microcontroler Atmega 328P, într-o capsulă SMD cu 32 de pini.

Platforma Reduino Core va fi alimentată de la un regulator de tensiune LM7805 ce va furniza o tensiune regulată de 5V, iar regulatorul de tensiune LM7812 va furniza tensiunea de 12V, necesara alimentării ventilatorului de răcire.

Acesta va îndeplinii următoarele funcții :

Dacă temperatura este mai mică de 30°C – ventilatorul nu va porni.

Daca temperatura este mai mare sau egală cu 30°C – ventilatorul pornește la o viteză mică.

Atunci când temperatura depașeste sau este egala cu 50°C – ventilatorul se invârte la viteză maximă și aprinde ledul roșu de avertizare a temperaturii ridicate.

Am folosit urmatoarele componente pentru a realiza montajul:

Tabel 3.2.1. Lista componente utilizate la controlul temperaturii.

Mai întai am realizat schema logică cu funcțiile pe care am vrut să le îndeplinească microcontrolerul (Figura 3.2.1).

Schema logică de funcționare a controlului de temperatură este următoarea:

Fig. 3.2.1. Schemă logică software sistem de control al temperaturii.

Apoi am scris codul sursă pentru controlul temperaturii în microcontrolerul ATmega328P:

int tempPin = A1; // pin de iesire al LM35

int fan = 11; // pin comanda ventilator

int led = 8; // pin LED

int temp;

int tempMin = 30; // temperatura minima la care porneste ventilatorul

int tempMax = 50; // temperatura maxima, ventilatorul se invarte la putere maxima

int fanSpeed; // viteza ventilatorului

void setup()

{

pinMode(fan, OUTPUT); // iesire FAN

pinMode(led, OUTPUT); // iesire LED

pinMode(tempPin, INPUT); // intrare senzor temperatura LM35

}

void loop()

{

temp = readTemp(); // citeste temperatura

if(temp < tempMin) { // daca temperatura este mai mica decat tempMin

fanSpeed = 0; // ventilatorul nu se invarte

digitalWrite(fan, LOW);

}

if((temp >= tempMin) && (temp <= tempMax)) { // daca temperatura este mai mare decat tempMin

fanSpeed = map(temp, tempMin, tempMax, 32, 255); // viteza actuala a ventilatorului

analogWrite(fan, fanSpeed); // ventilatorul porneste la viteza setata (fanSpeed)

}

if(temp > tempMax) { // daca temperatura este mai mare decat tempMax

digitalWrite(led, HIGH); // se aprinde ledul

}

else { // daca nu

digitalWrite(led, LOW); // ledul ramane stins

}

int readTemp() { // citeste temperatura si o converteste in grade celsius

temp = analogRead(tempPin);

return temp * 0.48828125;

}

Astfel încât pinul analogic A1 se va conecta la ieșirea senzorului de temperatură LM35DZ, acesta va transmite temperatura la microcontroler.

Pinul digital D11, va comanda tranzistorul BD139, iar acesta va anclașa ventilatorul de răcire.

Pinul digital D8, va comanda ledul de avertizare a temperaturii ridicate, cand se va ajunge la o temperatură de 50°C acesta se va aprinde și va avertiza utilizatorul că temperatura de funcționare este prea mare.

Codul afișat mai sus realizează trimiterea datelor de la senzorul LM35DZ la platforma Reduino Core, precum și controlul direct al sistemului de răcire, prin anclașarea ventilatorului, care tinde sa mențină temperatura optimă.

Deoarece Reduino Core vine din fabrică făra bootloaderul arduino și fără posibilitatea de a-l conecta la calculator printr-un port usb, m-am folosit de o placa de dezvoltare Arduino UNO R3 pe post de programator, pentru a încărca codul sursă a controlului de temperatură.

3.3. Descrierea blocurilor funcționale

1. Transformatorul de rețea:

Transformatorul electric reprezintă un dispozitiv electromagnetic cu două înfășurări dispuse în jurul unui miez feromagnetic și are rolul de a modifica amplitudinea tensiunii alternative.

Am ales un transformator de rețea toroidal, fiind avantajat de dimensiunile reduse, acesta coboară tensiunea alternativă de la rețeaua electrică 220V la o tensiune de 27,5V AC

Caracteristicile transformatorului toroidal sunt următoarele:

Tensiune primară 220V

Tensiune secundară 27.5V

Curent 3A

Fig. 3.3.1. Transformatorul de rețea.

Calculul transformatorului:

S = 10 cm2

S – secțiunea miezului

Pp – puterea din înfășurarea primară

Np – numărul de spire în primar

Us – tensiunea din secundar

Ns – număr de spire din secundar

Ns pentru o tensiune de 27.5V:

2. Redresare:

Tensiunea alternativă primită din înfăsurarea secundară a transformatorului toroidal, este redresată de o punte de diode RS808, numită si punte redresoare obținându-se o tensiune continua pulsatorie.

Caracteristicile punții redresoare:

Suportă tensiuni de pană la 800V

Curent maxim de 8A

Fig. 3.3.2. Puntea redresoare.

3. Filtrare:

Filtrarea tensiunii primite de la puntea redresoare a fost realizată cu ajutorul a doi condensatori electrolitici de 4700µF/50V și respectiv 100nF, această etapă are rolul de a micșora factorul de ondulație al tensiunii redresate la o valoare cât mai mic posibilă.

Valoarea condensatorului de filtrare se poate determina folosind următoarea formulă: C – capacitatea condensatorului în µF;

I – intensitatea curentului în mA;

U – tensiunea în V;

r – valoarea permisă a riplului în procente.

Calculăm condensatorul necesar pentru o valoare de riplu de 6%:

, voi folosi o valoare aproximativă adica 4700µF, care sunt îndeajuns pentu o filtrare adecvată.

Fig. 3.3.3. Filtrul capacitiv.

4. Stabilizatorul liniar:

Stabilizatorul liniar de curent continuu reprezintă circuitul ce furnizează la ieșire o tensiune constantă, indiferent de fluctuațiile tensiunii de alimentare sau ale rezistenței de sarcină. S-a folosit un circuit integrat LM317T, și un tranzistor bipolar PNP TIP36C în conexiune paralelă.

Dioda D1 (1N4007) previne descarcarea condensatorului C3, în ieșirea circuitului integrat LM317, în cazul unui scurt la bornele de ieșire ale sursei.

Fig. 3.3.4. Stabilizatorul liniar.

5. Circuitul de comandă și control:

Controlul sursei de tensiune se realizează dintr-un potențiometru (P1) de 10 KΩ, acesta asigura reglajul tensiunii de ieșire la borne.

Fig. 3.3.5. Potențiometrul de control al tensiunii de ieșire.

6. Circuitul de protecție:

Circuitul de protecție la temperaturi ridicate, este compus din microcontrolerul Atmega328P, senzorul de temperatura LM35DZ, tranzistorul bipolar NPN BD139 ce controlează ventilatorul, doua regulatoare de tensiune fixe LM7012 – 12V ce alimentează ventilatorul și LM7805 – 5V ce asigură alimentarea microcontrolerului și ledul de control ce avertizează utilizatorul când se atinge o temperatura nesigură de funcționare.

Fig. 3.3.6. Circuitul de protecție la temperaturi ridicate.

IV. Execuția sursei de tensiune

Schițe și dimensiuni de proiectare:

Fig 4.1. Schită aranjament panou frontal.

Fig 4.2. Schita aranjamentului panoului din spate.

Fig 4.3. Schită panou inferior

Lista de componente:

Tabel 4.4. Lista componente.

Toate componentele au fost achiziționate de la magazine de profil.

4.1. Proiectarea și realizarea circuitului imprimat în Eagle:

CadSoft Eagle (Easily Applicable Graphical Layout Editor), este un mediu de dezvoltare a schemelor electronice, cu posibilitatea de a realiza circuite imprimate de tip PCB (Printed Circuit Board), ce conține o bază de date complexă cu componente electronice.

Aplicația reprezintă un sistem flexibil și extensibil prin scripturi EDA (Electronic Design Automation), cu editor layout PCB și sistem inteligent de auto-rutare, oferind și posibilitatea realizării unei facturi cu componente de tip BOM (Bill Of Material).

Aceasta este folosită în special de amatori, deoarece este un program de tip freeware (licenta gratuită) și se găsește o varietate largă de librarii cu componente pe internet, dar este folosită și de magazine de componente electronice (ex: SparkFun Electronics).

Descrierea componentelor utilizate în proiect:

Circuite integrate :

LM317 este un circuit integrat reglabil cu 3 terminale, capabil să furnizeze un curent de ieșire de până la 1.5A și o tensiune ajustabilă de la 1.25V la 37V, fiind necesare doar două rezistențe pentru a stabili tensiunea de ieșire.

Acest circuit are în componența sa o protecție termică și limitare de curent.

Fig. 4.1.1 Schema internă a circuitului integrat LM317 [22].

Formula de calcul pentru stabilirea tensiunii de ieșire este următoarea:

Fig. 4.1.2. Schema electrică de conexiune pentru stabilirea tensiunii de ieșire [23].

În tabelul 4.1.1. avem calculate rezistențele necesare pentru a obține diferite tensiuni:

Tabel 4.1.1. Tabel cu valori ale rezistentelor necesare pentru obținerea diverselor tensiuni de ieșire la LM317.

Pentru a obține o tensiune reglabila la ieșirea circuitului, se va utiliza în locul rezistenței R2 un potențiometru.

Acest circuit este stabil la o temperatură cuprinsă între 0 – 50°C conform graficului de mai jos:

Fig. 4.1.3. Reprezentare grafică a stabilitații tensiunii de referință în funcție de temperatură [24].

LM35DZ este un circuit integrat de înaltă precizie, folosit la măsurarea temperaturilor, mărimea de ieșire este direct proporțională cu temperatura în grade celsius.

Caracteristici:

Calibrare directă în grade celsius (°C).

Precizie de 0.5 ° C la +25 ° C.

Gamă de măsurare de la 0° la +100 ° C.

Potrivit pentru aplicațiile ce necesită lucru la distanță.

Alimentare de la 4V la 30 V.

Curentul consumat 60 μA .

Impedanță de ieșire scăzută, 0.1 Ohm pentru sarcină de 1mA.

Acesta nu necesită calibrare externă pentru a furniza o precizie de ± 0.25°C la temperatura de 25°C și de ± 0.75°C pe tot domeniul de temperatură.

Impedanță de ieșire scazută, ieșirea liniară și calibrarea internă face din LM35 un circuit ușor de interfațat cu alte circuite de citire sau de control.

Fig. 4.1.4. Schema bloc a circuitului integrat LM35 [25].

Acest senzor poate fi folosit în diverse aplicații:

Surse de tensiune

Monitorizarea temperaturii bateriilor

Aparate electrocasnice

Sisteme de încalzire sau racire

Fig. 4.1.5. Schema electrica de conexiune a circuitului integrat LM35DZ [26].

Voltmetru digital de panou:

Deoarece aveam nevoie de o referință a tensiunii de ieșire, am folosit un voltmetru digital de panou, achiziționat din comerț cu următoarele caracteristici:

Tensiune de operare: 3.2 ~ 30V

Curent de operare: <60mA

Marime display: 0.56 " LED, de culoare roșie

Dimensiuni de montaj: 45.5 x 26.5 mm

Rata de măsurare: ≥ 500mS

Acuratețe de măsurare: 1%

Posibilitatea de a masoara tensiuni in intervalul: 0 – 100V

Fig. 4.1.6. Voltmetru digital de panou.

Tranzistori:

TIP36C este un tranzistor bipolar PNP (Pozitiv-Negativ-Pozitiv) și are următoarele specificații:

Tensiunea colector – emiter 100V

Tensiunea colector – bază 100V

Tensiune emiter – bază 5V

Curentul maxim in colector 25A

Putere totala disipată 125W/°C

Temperatură de operare si stocare -65 la +150 °C

Acești tranzistori sunt potriviți pentru sursele de alimentare liniare și aplicații de comutare.

Fig. 4.1.7. Reprezentarea tranzistorului bipolar PNP [27].

BD139 este un tranzistor bipolar NPN (Negativ-Pozitiv-Negativ) folosit pentru a comanda ventilatorul de la sistemul de răcire.

Specificații tehnice:

Tensiune colector – bază 80V

Tensiune colector – emiter 80V

Tensiune emiter – bază 5V

Curent maxim în colector 1.5A

Fig. 4.1.8. Reprezentarea tranzistorului bipolar NPN [28].

La realizarea controlului de temperatură automată am folosit o placă de dezvoltare numită Reduino Core ce folosește același tip de microcontroler ca și Arduino UNO, ATmega 328P, doar că acesta vine într-o capsulă de tip SMD, având dimensiuni reduse și oferind aceleași facilitați.

Dezvoltarea codului sursa, s-a făcut pe placa de dezvoltare Arduino UNO datorită posibilității de a simula si testa mai ușor funcțiile ce trebuie sa le îndeplinească, iar Reduino Core l-am integrat în proiectul final deoarece are dimensiuni mult mai mici față de Arduino UNO.

Reduino Core

Fig 2.3.2. Placa de dezvoltare Reduino Core [29].

Procesor: Atmega328

Tensiunea de alimentare Atmega: 5V

Tensiunea de alimentare externa: 5 V

Memorie Flash: 32 KB

Memorie SRAM: 2KB

Pini digitali: 14

Pini PWM: 6

Intrari analogice: 8

Port serial: 1 (RX, TX)

Dimensiuni: 32.8 x 23.5 mm

Pentru a putea utiliza placa Reduino Core, a fost necesar un programator ISP sau o placa Arduino Uno folosită pe post de programator pentru a încărca bootloaderul, acesta permite programarea în limbajul ardunio.

Principiu de functionare :

Pentru a obține plaja de reglaj dorită am folosit circuitul integrat LM317, întrucat acesta este capabil sa furnizeze un curent maxim de 1.5A la ieșire, am folosit pe langă regulatorul IC2 un tranzistor bipolar PNP TIP36C Q1 în conexiune paralelă.

Dacă rezistența scarcinii scade, aceasta va conduce la creșterea curentului de ieșire prin rezistența R4, aceasta va determina creșterea tensiunii intre pinii 2 si 3 ai stabilizatorului LM317, limitând curentul spre baza comună a tranzistorului T1, iar curentul de ieșire va scădea.

Invers, creșterea rezistenței sarcinii va conduce la scăderea curentului de ieșire sesizată prin rezistența R4, va determina scăderea tensiunii între pinii 2 și 3 ai stabilizatorului LM317, iar acesta va permite o creștere a curentului spre baza comună a tranzistorului Q1, permițând curentului de ieșire să crească.

Bucla de reacție este reglată la un curent constant determinat de valoarea setata prin potențiometrul P1.

S-au anexat și doua regulatoare de tensiune fixe LM7805 și LM7812, pentru a alimenta Reduino Core respectiv ventilatorul de răcire.

Folosirea unui radiator adecvat a fost o necesitate absolută deoarece circuitul furnizează un curent de 3A, acesta face ca tranzistorul să disipe o putere mare.

Folosind formula următoare putem calcula puterea maximă disipată de tranzistor:

P=U*I

P – reprezintă puterea, măsurată în wați (Watt)

U – tensiunea aplicată, măsurată în volți (V)

I – intensitatea curentului, măsurată în amperi (A)

Deci în cazul nostru cunoaștem:

U=30V

I=3A

Prin urmare:

Tranzistorul TIP36C poate disipa o putere maximă de 125W la 25°C conform graficului de mai jos furnizat de producator în fisa tehnică a acestuia:

Fig. 4.1.1. Reprezentarea grafică a puterii disipate de tranzistorul TIP36C [30].

Deoarece tot curentul va trece prin acest tranzistor am folosit datele din fișa tehnică și am ales un radiator de răcire corespunzător.

Fiabilitatea și longevitatea oricărui dispozitiv semiconductor este invers proporțională cu temperatura joncțiunii.

Cu cât este mai caldă joncțiunea, cu atât este mai scurtă viața acestuia.

Reducerea temperaturii de joncțiune cu 10 °C, va duce la o durată de viață

aproximativ dublă.

O creștere utilă în fiabilitate și viața componentei poate fi realizată printr-o

reducere relativ mică a temperaturii de funcționare.

O temperatură ambientală de 25 °C este un bun punct de plecare și oferă o marjă de siguranță pentru majoritatea sistemelor interne deși, este importantă luarea în considerare a celui mai rău caz, dacă dorim ca fiabilitatea să fie menținută.

Rezistenta termică poate fi calculată astfel:

– Creșterea temperaturii

– Temperatura ambientală (25 °C)

– Temperatura radiatorului (50 °C)

– Tensiune la tranzistor (30V)

– Curent la tranzistor (3A)

– Puterea aplicată la radiator

– Rezistența termica (în ° C / W),

Astfel:

Prin urmare am ales un radiator cu o configurație ca in figura 4.1.2.

Fig. 4.1.2. Profil radiator de răcire.

Dimensiunile acestuia sunt:

Înălțime: 47mm

Lățime: 150mm

Adâncime: 20mm

Numărul de aripi: 21

Suplimentar pentru o răcire mai bună am adăugat un ventilator controlat de un microcontroler ATmega328P, cu următoarele caracteristici:

Înălțime: 50mm

Lățime: 50mm

Adâncime: 10mm

Număr de pale: 7

Tensiune de alimentare: 12V DC

Curent nominal: 70mA

Flux de aer: 5,8 CFM (Cubic Feet per Meter) => 164 litrii pe minut

Fig. 4.1.3. Schema electrica a circuitului.

Din schema electrică de mai sus deducem următoarele:

De la rețeaua electrică ajunge o tensiune alternativă de 220V cu o frecvență de 50Hz în primarul transformatorului toroidal T1, acesta coboară tensiunea în secundar la 27.5V care apoi trece prin puntea de diode, aceasta transformă curentul alternativ în curent continuu, mai departe trece prin doua filtre capacitive C1 și C2 (100nF respectiv 4700µF), apoi tensiunea ajunge în circuitul integrat IC2 LM317 care cu ajutorul rezistenței R4 (430Ω) și potențiometrului P1 (10KΩ) reglează tensiunea de ieșire aflată la bornele aparatului.

Tensiunea redresată și filtrată de la secundarul transformatorului intră în LM317, cu toate acestea în acest moment tranzistorul TIP36C rămâne inactiv, din cauza lipsei de tensiune în bază și emiter, aceasta fiind limitată de cele două rezistențe R1 – 10Ω și R2 – 0.22Ω 5W.

Odată ce LM317 primește o sarcină ce dezvoltă o tensiune suficientă de peste 10Ω, necesară pentru saturarea tranzistorului TIP36C, acesta conduce și asigură cantitatea utilă de curent la ieșire.

Astfel, circuitul integrat LM317 este responsabil doar pentru furnizarea tensiunii setate la ieșirea aparatului, în timp ce tranzistorul TIP36C asigură livrarea curenților mari.

Filtrele C5 și C6 (100nF respectiv 1000µF) asigură o filtrare mai bună a tensiunii de ieșire furnizate de IC2. Deoarece IC2 LM317 suportă un curent maxim de 1.5A a fost necesară adăugarea unui tranzistor Q1 TIP36C, acesta asigură curentul de 3A la bornele aparatului.

Diodele D1, D2, D3, previn apariția unei tensiuni negative, ce poate defecta circuitul integrat IC2.

Putem calcula tensiunea de ieșire a IC2 LM317 cu următoarea formulă:

Vout = 1.25 * [1+ (R2/R1)]

Vref = 1.25V

R1 în cazul nostru reprezintă R4 = 430Ω

R2 este înlocuită de un potențiometru P1 = 10KΩ

Presupunem că rotim potențiometrul într-o direcție și obținem o rezistență mică R2 = 0Ω, atunci aplicând formula de mai sus, rezultă:

Vout = 1.25 * [1+(0/430)]

Vout = 1.25V

Dacă rotim potențiometrul invers și rezultă o rezistență mare R2 = 10Ω, obținem:

Vout = 1.25 * [1+(10000/430)]

Vout = 30.3V

Schema întregului montaj:

Fig. 4.1.4. Schemă electrică a întregului montaj.

Schema circuitului de răcire automat:

Fig 4.1.5. Schemă electrică a controlului de temperatură.

Cablajele imprimate (PCB) și asezarea componentelor electronice :

Cablajul imprimat de alimentare a reduino core și comanda ventilatorului:

Fig 4.1.6. Cablaj imprimat PCB control de temperatură.

Dimensiune trasee: 1.2mm ;

Diametru găuri prindere: 3.5mm

PCB placă principală:

Fig 4.1.7. Cablaj imprimat placă principală.

Diametru găuri prindere: 3.5mm ;

Diametru găuri circuit integrat: 1mm ;

Diametru găuri rezistoare: 1.2mm respectiv 1.5mm ;

Diametru găuri condensatori: 2mm respectiv 1mm ;

Diametru găuri tranzistor: 2mm ;

Diametru găuri diode: 1.5mm ;

Diametru găuri punte redresoare: 2mm ;

Diametru găuri potențiometru: 1mm ;

Diametru găuri led: 1mm ;

Diametru găuri soclu siguranță: 1.5mm ;

Diametru găuri fire de conexiune: 1.5mm .

După realizarea circuitelor imprimate în programul de design, am trecut la fabricarea plăcilor de circuit, folosind metoda transferului de toner, această metodă fiind una utilizată de majoritatea electroniștilor amatori, deoarece se poate realiza în casă fără a necesita materiale greu de procurat.

Folosind o imprimanta laser, se vor imprima pe o hartie fotografică schemele realizate în Eagle, după care acestea se vor lipi pe o placă de sticlotextolit cu o singură față de cupru, cu un fier de călcat se va realiza transferul de toner pe suprafața de cupru.

Fig. 4.1.8. Placă sticlotextolit cu o singură față de cupru.

Fig. 4.1.9. Realizarea transferului de toner pe placa de siclotextolit.

După lipire se va recurge la îndepărtarea hârtiei, prin simpla spălare cu apa fierbinte. Cablajul rezultat, va fi introdus într-o substață coroziva (Clorură ferică), aici se va realiza o reacție chimică ce va îndepărta surplusul de cupru lăsând in urmă doar traseul imprimat anterior.

Fig. 4.1.10. Rezultatul corodării cu clorură ferică.

Următorul pas este realizarea găurilor de montaj ale componentelor electronice.

Cu ajutorul unei mini freze biax, am efectuat găurile la diametrele specificate mai sus, folosind burghie corespunzătoare.

Fig. 4.1.11. Realizarea găurilor pentru componentele electronice.

După realizarea plăcii imprimate PCB, se trece la montarea componentelor electronice pe aceasta.

Fig. 4.1.12. Asamblarea componentelor pe placa imprimată.

Asamblarea componentelor rezultate în urma fabricării într-o incinta adecvată.

Fig. 4.1.13. Asamblarea finală.

Fig. 4.1.14. Sursa de tensiune asamblată.

4.2. Testarea sursei:

Am supus sursa de tensiune la diverse teste pentru a obersva comportamentul acesteia, utilizând diverși consumatori.

Multimetrul l-am setat pe amperi pentru a putea măsura curentul absorbit de sarcină.

Bec la 12V 10W, cu un consum de curent de 650mA.

Fig. 4.2.1. Consumator de 12V 10W.

Bec la 24V 5W, cu un consum de 680mA.

Fig. 4.2.2. Consumator de 24V 5W.

Bec la 12V 45W, consum de 3.08A.

Fig. 4.2.3. Consumator de 12V 45W.

Ventilator de 24V 4W, cu un consum de 150mA.

Fig. 4.2.4. Consumator de 24V 4W.

Ventilator de 24V 4W alimentat la 31V, consum de 220mA.

Fig. 4.2.5. Consumator de 24V 4W.

Sursa am folosit-o și la depanarea unui cântar electronic ce avea o problemă pe partea de alimentare.

Fig. 4.2.6. Cântar electronic [].

Cântarul avea posibilitatea alimentării de la rețeaua electrică 220V dar prezenta și o alimentare auxiliară de la un acumulator de 4V 4Ah.

Am setat tensiunea de ieșire la 4V, apoi am conectat sursa la bornele unde venea montat acumulatorul, în urma testului am aflat că aparatul funcționa dar numai pe partea de alimentare cu acumulator, pe partea de alimentare de la rețea am descoperit o rezistență întreruptă, după înlocuirea acesteia aparatul funcționând normal.

S-a putut determina și randamentul sursei de tensiune, prin conectarea a două sarcini electrice, acestea consumând împreună 1A la o tensiune de 30V.

Pentru a calcula randamentul am utilizat urmatoarea formulă:

Unde:

η = reprezintă randamentul sau eficiența energetică notată cu litera greacă eta, rezultatul este in procente.

Pout = puterea furnizată la ieșirea sursei în wați.

Pin = puterea consumată de sursă în wați.

Din măsuratori avem: – un consum de 1A la bornele sursei;

– un consum de 1.7A la intrarea in sursă.

Transformăm din amperi în wați folosind următoarea formulă:

Unde avem:

W = Puterea rezultată

A = curentul consumat

V = Tensiunea

Pout = 30W

Pin = 51W

Înlocuim în formula de mai sus Pout cu 30W, respectiv Pin cu 51W și obținem:

Aceast randament este normal, o astfel de sursă de alimentare liniară poate avea un randament cuprins intre 40-60%.

În urma acestor teste, sursa s-a comportat normal, nu a prezentat nici o problemă, astfel am ajuns la concluzia că funcționează în parametrii și îndeplineste cerința temei de proiectare.

V. Rezultate și concluzii finale

5.1. Rezultate obținute

Am obținut o sursă de tensiune dublă reglabilă cu urmatoarele specificații:

Tensiunea de alimentare de la rețea 220V/50Hz

Tensiunea de ieșire la bornele aparatului variabilă în intervalul 1.6 – 31V

Curent furnizat la borne de 3A

Protejată la scurtcircuit: – Siguranță pe ieșire la bornele aparatului de 3.15A

– Siguranță rapidă pe secundarul transformatorului de 4A

Limitare de curent

Protecție termică

Sursa de tensiune rezultată prezintă avantaje și dezavantaje ca oricare alt produs:

Avantajele ei fiind:

Costul redus de producție

Oferă o plajă extinsă de reglare a tensiunii de ieșire

Dimensiunile reduse

Aplicabilitate largă

Ușor de utilizat

Dezavantajele dispozitivului sunt:

Nu prezintă afișaj pentru curentul de ieșire

Nu are reglaj digital

Nu are posibilitatea de reglaj al curentului de ieșire

Rezultatele experimentale au dovedit funcționarea corectă a dispozitivului. Un avantaj deosebit al sursei de tensiune prezentată este afișajul LED al tensiunii de ieșire.

Sursa are posibilitatea de a regla tensiunea de ieșire cu ajutorul unui potențiometru montat pe panoul frontal, tensiunea fiind vizibila pe afișajul LED.

Aceasta este prevăzută cu o protecție la scurtcircuit, suprasarcină și un control automat al temperaturii de funcționare.

5.2. Concluzii finale

Prin simularea circuitului în Multisim am constatat că se poate realiza o sursă de tensiune reglabilă eficientă și la un cost scăzut față de cele prezente pe piața actuală.

Componentele folosite, au fost achiziționate de la magazinele de specialitate, acestea fiind unele de uz general.

Transformatorul de rețea folosit a fost unul toroidal, avantajos din punct de vedere al dimensiunilor reduse, al puterii furnizate la ieșire.

Sursa are o aplicabilitate largă, aceasta putând fi folosită la majoritatea aparatelor electronice.

Aplicatii în care poate fi utilizată sursa de tensiune:

Alimentarea aparaturii de laborator

Aparatură electronică

Consumatori casnici

Încărcarea acumulatorilor

Telecomunicații

Automatizări

Acționări electrice

Tehnică de calcul

Testarea și verificarea diferitelor componente electronice și electrice

Industria electronică

Laboratoare de electronică

Folosind microcontrolerul ATmega328P, putem implementa o varietate de noi funcții cum ar fi controlul sursei de tensiune de la distanță, prin adăugarea unor dispozitive bluetooth, sau chiar prin utilizarea tehnologiilor wireless wifi, sursa poate comunica cu un smartphone sau un laptop/desktop, o altă îmbunătățire ce i se mai poate aduce este adăugarea unui afișaj al curentului de ieșire, aceasta având în prezent doar posibilitatea afișării tensiunii la borne.

Bibliografie

Nicolae Cupcea, Costin Stefanescu, Andrei Surpateanu, Theodor Danila, Eduard Andrei : Elemente de electronică analogică. Dispozitive electronice. Amplificatoare cu tranzistoare. Amplificatoare operationale;

Supărățeanu Adrian : Elemente de electronică analogică-Surse de tensiune continuă. Oscilatoare armonice;

Inginerie tehnologică inovativă – Dumitru Ion, Eugeniu Diatcu – Editura: VICTOR ( 2002 );

Site web ( http://www.adelaida.ro/sursa-de-tensiune-reglabila-tripla-ep613-0-30vc-12vc-5vc.html );

Site web ( http://www.azerty.ro/acumulatori-ups/acumulator-ups-intex-it1245 );

Site web ( http://www.infopannellisolari.com/65/la-cella-solare.html );

Site web ( http://www.hobbytronica.ro/reactanta-inductiva-si-reactanta-capacitiva/ )

Site web ( http://electronicsarea.com/basic-power-supply-block-diagram/ );

Site web ( https://www.kitronik.co.uk/blog/how-a-power-supply-works/ );

Site web ( http://ro.wikipedia.org/wiki/Transformator );

Site web ( http://www.tortran.com/transformer_design_guide.html );

Site web ( http://www.tehnium-azi.ro/page/articole_articles/_/articles/surse-de-alimentare/proiectarea-%C5%9Fi-construc%C5%A3ia-transformatoarelor-toroidale-r25 );

Site web ( http://www.romtoroid.ro/alimentare_note.html );

Site web ( http://www.powerguru.org/discrete-power-electronics-components/ );

Site web ( http://www.instructables.com/id/How-to-Read-a-Resistor/ );

Site web ( http://electronics.stackexchange.com/questions/33624/identifying-transistor-c945-p73c );

Site web ( https://octopart.com/4605x-101-103lf-bourns-988333 );

Site web ( http://fr.academic.ru/dic.nsf/frwiki/1537344 );

Site web ( http://www.arduino.cc/en/Main/Products );

Site web ( http://en.wikipedia.org/wiki/ATmega328 );

Site web ( http://blog.protoneer.co.nz/arduino-pinout );

Site web ( http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm317.pdf );

Site web ( http://www.reuk.co.uk/LM317-Voltage-Calculator.htm );

Site web ( http://www.electronics-lab.com/articles/LM317/LM117.pdf );

Site web ( http://www.ti.com/product/LM35/datasheet/detailed_description );

Site web ( http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf );

Site web ( http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_2.html );

Site web ( http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_3.html );

Site web ( http://www.robofun.ro/reduino-core );

Site web ( http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TIP35A-D.PDF );

Site web ( http://andrei.clubcisco.ro/cursuri/f/f-sym/2eea/manual/EEA-30.pdf );

Site web ( http://www.electroschematics.com/9540/arduino-fan-speed-controlled-temperature/ );

Site web ( https://electronistamator.wordpress.com/2011/08/11/fabricarea-circuitelor-imprimate-pcb/ );

Site web ( http://ham.aprs.ro/Cursuri/electronica/Capitolul%208.pdf );

Site web ( http://sound.westhost.com/heatsinks.htm );

Site web ( http://www.electronica-azi.ro/articol/8379 );

Site web ( https://www.fairchildsemi.com/datasheets/BD/BD135.pdf );

Site web ( http://www.rapidtables.com/electric/efficiency.htm );

Site web ( http://www.rapidtables.com/convert/electric/1-amp-to-watt.htm );

Site web ( http://www.homemade-circuits.com/2012/11/high-current-transistor-tip36-datasheet.html ).

Anexa 1 Condiții de utilizare

A.1.1. Utilizarea dispozitivului în condiții de siguranță:

Respectați datele tehnice înscrise pe dispozitiv, orice depășire a acestor valori poate determina defectarea aparatului sau a consumatorilor.

Aparatul are în componența sa două siguranțe de protecție F1 si F2 :

Deconectați aparatul de la alimentarea cu tensiune înainte de a schimba siguranța ! Folosiți numai siguranțe cu caracteristici similare pentru curent (F1 4A Rapidă).

Siguranta F2 este automata și nu necesită inlocuire !

Aparatul poate fi utilizat într-un mediu intern, care respectă urmatoarele reguli :

Protejați aparatul de umiditate, lichide sau căldură excesivă !

Nu depășiți temperatura de funcționare (0 º ‐ 50 ºC).

Aparatul nu are voie să fie folosit în prezența substanțelor inflamabile.

Dacă produsul este folosit în medii profesionale trebuie respectate normele legale privind protecția la locul de muncă în cazul folosirii aparatelor electrice.

În ateliere sau școli, funcționarea aparatului se face numai sub supravegherea unui specialist.

Nu folosiți aparatul în spații în care există sau în care pot apărea gaze sau aburi inflamabili, respectiv praf.

Dacă aparatul necesita servisare se vor folosi numai piese de schimb echivalente.

Reparațiile nu pot fi realizate decât de către tehnicieni specializați.

Înainte de conectarea unui consumator se va regla tensiunea de iesire corespunzaotare.

În cazul în care ledul roșu de protecție la temperaturi ridicate se aprinde, se recomandă decuplarea tuturor consumatorilor, sursa va trebui lăsată să se răcească până cand ledul se va stinge, în caz contrar pot apărea defecțiuni la aparat !

După utilizare asteptați aproximativ 2 minute, timp necesar pentru răcirea aparatului, apoi îl deconectați de la curent !

Dacă aparatul nu va fi folosit o perioadă îndelungată de timp, acesta va trebui depozitat într-un loc uscat și bine aerisit, decuplat de la rețeaua electrică.

Descrierea panoului frontal:

Fig. A.1.1. Reprezentare parte frontală.

1. Indicator tensiune (Voltmetru).

Acest indicator afisează valoarea tensiunii de ieșire la bornele aparatului.

2. Bornă de ieșire „+”.

3. Bornă de ieșire „-”.

4. Buton potențiometru pentru reglarea tensiunii.

Acesta permite reglarea tensiunii de iesire la bornele aparatului.

5. Inscripție de sigurantă

Aici regasim parametrii de funcționare.

6. Comutator alimentare.

Comutator principal de alimentare a aparatului.

7. Indicator LED temperatură ridicată.

Acest indicator se aprinde atunci când temperatura de funcționare este depașită

Descrierea panoului din spate:

Fig. A.1.2. Reprezentare parte din spate.

1. Bornă alimentare rețea.

Această bornă permite conectarea aparatului la rețea.

2. Buton resetare siguranță automată.

Siguranță automată (nu necesită inlocuire).

3. Ventilator pentru răcirea aparatului.

Acesta intră în funcțiune când temperatura de funcționare crește.

4. Radiator de răcire.

Permite menținerea temperaturii optime de funcționare.

Suprafața radiatorului poate deveni fierbinte !

A.1.2. Manualul utilizatorului

Înainte de a începe să utilizăm aparatul, se va verifica întotdeauna dacă sursa sau cablul de alimentare nu prezintă deteriorări.

Verificați daca cablul de alimentare nu prezintă anormalități, izolație deteriorată, dacă este defect va necesita înlocuire !

Aparatul este destinat să funcționeze numai la tensiunea de rețea de 220V AC cu o frecvență de 50Hz.

Înainte de a conecta vreun consumator la bornele aparatului, se va regla mai întai tensiunea de ieșire să corespundă cu cerințele consumatorului, altfel acesta se poate defecta !

Se conectează cablul de alimentare la borna situată în spatele aparatului;

Introduce-ți ștecherul în priză;

Rotiți butonul potentiometru pentru reglarea tensiunii la borne pe poziția minim (în sensul invers al acelor de ceasornic);

Apasați pe comutatorul de alimentare;

Se va regla tensiunea de ieșire la borne prin rotirea butonului potentiometru în sensul acelor de ceasornic pâna se ajunge la tensiunea dorită;

Conectați bornele de iesire „+” și „-” la consumator.

În cazul în care temperatură de funționare este ridicată, LED-ul indicator se va aprinde roșu, se recomandă decuplarea tuturor consumatorilor de la bornele aparatului.

Sursa va trebui lăsată să se răcească până cand ledul se va stinge, în caz contrar pot apărea defecțiuni la aparat !

Dacă s-a produs un scurtcircuit la bornele aparatului se vor verifica siguranțele F1 și F2.

Se va verifica mai întai siguranța F2, daca aceasta este declanșată se va reseta urmarind pasii de la A.1.3., dacă nu este declanșată se va trece la verificarea siguranței F1, dacă este arsă se va înlocui urmărind pașii de la A.1.3., dacă nu aparatul necesită servisare, aceasta se va efectua numai de către un personal calificat.

A.1.3. Servisarea dispozitivului

Reparațiile vor fi realizate decât de către tehnicieni specializați !

Se vor folosi numai piese de schimb echivalente, orice intervenție neconformă asupra aparatului poate duce la defectarea acestuia, daune materiale și chiar vatamari corporale !

Înlocuirea si resetarea siguranțelor:

Aparatul are două siguranțe pentru protejarea circuitului.

Siguranța F1 este fuzibilă și necesita înlocuire.

Siguranța F2 este automată, aceasta nu necesită înlocuire, se resetează !

Înlocuirea sigurantei F1:

Înainte de a începe procesul de înlocuire a siguranței F1, aparatul va trebui decuplat de la rețeaua electrică, siguranța se va înlocui cu una ce are caracteristici similare !

Se decuplează aparatul de la rețeaua electrică;

Se deconectează consumatorii de la bornele aparatului;

Desfacem capacul sursei prin deșurubarea celor doua șuruburi din figura de mai jos;

Fig. A.1.3. Reprezentare parte de jos a aparatului.

Cu grija se decuplează vechea siguranță, iar apoi se schimbă cu cea nouă;

Fig. A.1.4. Înlocuire siguranță F1.

Se montează la loc capacul sursei.

Resetarea siguranței F2:

Dacă s-a produs un scurtcircuit la bornele de ieșire a aparatului siguranța F2 se va declanșa si va împiedica defectarea acestuia.

Pentru a reseta siguranța F2 se va apasa pe butonul „1” din figura de mai jos.

Fig. A.1.5. Resetare siguranță F2.