94198 (Физиотерапевтическое устройство на основе применения упругих волн), страница 4

3.2 Расчет питающего трансформатора

Схема генератора, чтобы обеспечивать заданные параметры, должна питаться постоянным напряжением 120,5В. Поэтому, учитывая, что напряжение в сети может изменяться на 5%, и зная падение напряжения на выпрямителе, будем использовать трансформатор с напряжением вторичной обмотки ~15В. Трансформатор должен иметь малые габариты и небольшую массу. Он должен быть рассчитан на ток в нагрузке 0,25 А. Но таких, которые удовлетворяли бы вышеуказанным условиям, наша промышленность не выпускает. Исходя из этого, произведем расчет трансформатора по методике изложенной в [18].

1.Определяем напряжение и ЭДС обмоток по формуле:

Е₁0,95U₁,(3.1)

E₁0.95*220=209 В,

U₂(U₀+2)/1.1,(3.2)

U₂(15+2)/1.1=15.5 B

где U₁ и U₂ – напряжение первичной и вторичной обмоток соответственно;

U₀ – выходное напряжение.

2. Находим ток обмоток:

I₂=1.8I₀,(3.3)

I₂=1.8*0.25=0.45A,

I_1,2=1.8*I₀U₂/U₁, (3.4)

I_1,2=1.8*0.25*15.5/220=0.032 A

где I_1,2 и I₂ - токи первичной и вторичной обмоток;

I₀ – ток в нагрузке.

I₁I₂N,(3.5)

N=U₂/U₁,(3.6)

N=15.5/220=0.07,

I₁0.450.07=0.03 A

где N – коэффициент трансформации.

3. Определяем габаритную мощность трансформатора:

P_габ=U₁I₁=U₂I₂,(3.7)

P_габ=15,50,45=6,98 Вт.

4.Выберем магнитопровод. Выбор магнитопровода производится с помощью выражения:

Q_сQ_o = P_габ100/(2,22ВJk_ck_мs),(3.8)

где Q_о - площадь окна магнитопровода, приходящаяся на обмотки стержня, см²;

- коэффициент полезного действия трансформатора, =0,82;

s – число стержней несущих обмотки;

k_м – коэффициент заполнения окна медью обмотки, k_м=0.23;

J – плотность тока в обмотках, А/мм²;

B – магнитная индукция в магнитопроводе, Тл;

- частота питающей сети;

k_c – коэффициент заполнения магнитопровода сталью, k_с=0.93;

Q_с – полное сечение стержня магнитопровода, см².

Q_сQ_o = 6,98100/(2,22501,26,20,820,930,23) = 2,47 см².

По справочным таблицам выберем магнитопровод Ш10х10 имеющий Q_сQ_o=2,5см²; Q_c=1см²; Q_o=2,5см²; a=b=1см; h=2,5 см; c=1см; l_c=8.6см; l_м=7,1см; G=0.059 кг.

1. Подсчитаем число витков обмоток:

n₁=E10⁴/(4.44BQ_ck_c),(3.9)

n₁=20910⁴/(4.44501.210.93)=8436

n₂=E₂n₁/E_1,(3.10)

n₂=8436*15.5/209=626

1. Находим диаметр провода:

d=1.13 ,(3.11)

d₁=1.13 =0.081,

d₂=1.13 =0.3

1. Определяем потери в стали:

P_c=p_удG, Вт(3.12)

где p_уд – удельные потери в стали, Вт/кг;

G – масса магнитопровода, G=0.059 кг

P_c=1.50.059=0.0885

1. Найдем потери в меди. Для этого определяем сопротивление обмоток:

r=2.210^-4l_мn/d²,(3.13)

где l_м – средняя длина витков обмоток, см

r₁=2.210^-47.18436/0.06²=3660.3 Ом,

r₂=2.210^-47.1626/0.25²=15.6 Ом,

тогда потери в меди P_м равны:

P_м=I₁²r₁+I₂²r₂,(3.14)

P_м=0.032²3660.3+0.45215.6=3.04 Вт

Охлаждающую поверхность броневого магнитопровода найдем по формуле:

S_c2[ac+(a+c)(2a+2b+h)],(3.15)

S_c2[11+(1+1)(21+21+2.5)]=28 см²

Для оценки превышения температуры трансформатора определяют удельные охлаждающие поверхности стали s_c и меди s_м. Если полученные значения s_c и s_м не менее 20 см², то превышение температуры можно считать допустимым (40-60?С).

1. Удельную поверхность охлаждения магнитопровода находим по формуле:

s_c=S_c/P_c,(3.16)

s_c=28/0.0885=316 см²/Вт 20 см²,

т.е. нагрев магнитопровода будет незначительным.

1. Найдим охлаждающую поверхность катушки:

S_м2[(2a+c)(2b+h)+2b(4b+3h)],(3.17)

S_м2[(21+1)(21+2.5)+21(41+32.5)]=64 см²

Удельная поверхность охлаждения обмотки:

s_м=S_м/P_м,(3.18)

s_м=64/3.04=21 см² 20 см²,

т.е. нагрев катушки будет ниже допустимого.

Таким образом, трансформатор будет иметь следующие габаритные размеры: 50x30x30 мм.

3.3 Расчет задающего генератора и таймера

Расчет задающего генератора проводится в следующей последовательности:

1. Находим частоту модуляции счетчика К561ИЕ16:

f_o=1/Т,(3.19)

где Т-период качания частоты, сек.

f_o=1/3=0,33 Гц

1. Частота задающего генератора определяется по формуле:

f_г=f_o2ⁿ,(3.20)

где n – разряд счетчика.

f_г=0,332¹⁴=5,4 кГц

Эта частота является начальной для работы счетчика.

3. Затем находим сопротивление R1 для верхней рабочей частоты задающего генератора, при R2 равному нулю и зададимся С1 равному 540 пФ:

R1= (3.21)

R1=100 кОм

4. Определяем из формулы для f_г R2 для нижней рабочей частоты задающего генератора:

f_г= (3.22)

R2=4,8 кОм

Расчет электронного таймера проводится по следующей методике:

1. Время работы таймера:

=RC(3.23)

Зададимся С4, равное 220 мкФ, при нижней границе срабатывания =1мин (R6=0).

R5= /C4= 5,1 кОм

1. Находим R6, при верхней границе срабатывания таймера =30 мин:

R6= (3.24)

R6= 100 кОм

3.4 Расчет ГУНа

Расчет ГУНа заключается в определении по специальным номограммам [19], приведенным на рисунке 3.3, частотные характеристики ГУНа: а) зависимость центральной частоты ГУНа f₀ от R9 и C8; для частоты сдвига f_сдв; зависимость пределов частот от отношения R11/R9.

а)	б)
в)

Рисунок 3.3 – Частотные характеристики ГУНа

Исходными данными являются: R9=R11= 100 кОм, С8=6800 пФ. Определяем по номограммам центральную частоту f₀=40 кГц. Выбранную частоту следует сместить (сдвинуть) на величину f_сдв=22 кГц, если вывод 12 микросхемы CD4046B и нулевой провод соединить через резистор R11.

При соотношении номиналов R11/R9=1 находим по номограмме (рисунок 3.3, в) отношение f_max/ f_min=3,3.

3.5 Расчет усилителя мощности

Порядок расчета усилителя мощности, собранного по двухтактной схеме с параллельным включением транзисторов, следующий [ ]:

1. Выбираем тип транзистора исходя из заданной мощности по условию:

P_kmax P₁(3.25)

25 Вт 15 Вт

Наиболее подходящий, в нашем случае, транзистор КТ815Г.

1. Выбираем напряжение питания из условия:

Е=(0,50,8) U_кдоп,(3.26)

Е= 12 В.

1. Рассчитываем эквивалентное сопротивление нагрузки:

Rэ= ,(3.27)

где r_вн – сопротивление пьезоэлектрического преобразователя, равное 4,7 кОм.

Rэ= =21.4 кОм

1. Определяем амплитуду тока в цепи первичной обмотки трансформатора:

I₁= (3.28)

I₁=

1. Рассчитываем мощность, потребляемую каскадом:

P₀= (3.29)

P₀=18,3 Вт

1. Подсчитываем постоянную составляющую тока питания:

I₀= (3.30)

I₀=1.5

1. Определяем КПД:

= (3.31)

= 0.82

1. По заданной нагрузке рассчитываем входное сопротивление системы:

Rэ= (3.32)

где С_эл – электрическая емкость преобразователя, равная 5 нФ;

₀ – резонансная частота, равная 251200 рад/сек.

Rэ=13,37 кОм

1. Определяем коэффициент трансформации выходного трансформатора:

n= (3.33)

n=0.83

Таким образом, были произведены расчеты основных параметров: трансформатора, который будет иметь следующие габаритные размеры 50x30x30 мм и коэффициент трансформации N=0,07; задающего генератора (частоту модуляции счетчика) и таймера; и электрические параметры усилительного выходного каскада. По номограммам были определены центральная частота ГУНа f₀=40 кГц и f_max/ f_min=3,3.

4. Выбор функциональных элементов и материалов конструкции

4.1 Выбор функциональных элементов

Проанализировав требования технического задания по электрической принципиальной схеме физиотерапевтического устройства на основе применения упругих волн проведем анализ и выбор элементарной базы.

Так как к разрабатываемому устройству не предъявляется повышенных требований к диапазону рабочих температур и других дестабилизирующих факторов, то можно сделать вывод о применении в приборе дешевых электрорадиоэлементов, имеющих малые габариты и потребляемую мощность.

При разработке электрической принципиальной схемы использовались следующие виды радиоэлементов: микросхемы, транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы, трансформаторы. Электрорадиоэлементы должны быть совместимы по тепловым и энергетическим характеристикам.

Задающий генератор, счетчик, генератор управляемый напряжением и электронный таймер собраны на интегральных микросхемах .

Выбор типа микросхем проведем исходя из следующих соображений:

- соответствие параметров микросхемы электрической принципиальной схеме;

- интегральная микросхема должна иметь минимальный ток потребления;

- низкая себестоимость.

Электрические параметры выбранных микросхем приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Электрические параметры микросхем

Серия и тип ИМС	Параметры ИМС
	Uпит, В	Iпот, мкА
1	2	3
К561ИЕ16 К561ЛЕ5 CD4046 КР1006ВИ1	16 14 16 15	2 2 3 2

Интегральная микросхема (стабилизатор напряжения), которую необходимо установить в блоке питания, должна обеспечивать необходимое выходное напряжение. Она должна быть рассчитана на мощность не менее 1 Вт. Микросхема КР142ЕН8А удовлетворяет вышеуказанным условиям. Ее параметры: P_рас=1.5 Вт; U_вых=120.27 В [20].

Транзисторы в двухтактном усилителе будем применять средней мощности типа КТ815Г [21]. Они имеют следующие параметры:

- коэффициент усиления h_21Э=25-275;

- напряжение U_{КЭ max}=40 В;

- ток коллектора I_Кmax=1000 мА;

- мощность P_Кmax=25 Вт.

Они достаточно миниатюрны и дешевы.

Выбор типа диодов проводим исходя из следующих соображений:

- диод должен быть высокочастотным или универсальным;

- должно соблюдаться соответствие электрических параметров диодов схеме электрической принципиальной;

- применение диода по возможности с минимальными типоразмерами.

Исходя из этих требований и величины потребляемой мощности выбираем диодный мост КЦ405Е.

Резисторы будем применять серии С2-23. Элементы этой серии имеют малый размер и недорогие по стоимости. Погрешность их должна быть не больше 10%. Два переменных резистора возьмем серииСП4-1а. Они отличаются простотой использования и дешевой ценой.

Для коммутации сети в приборе используем переключатель типа ПКн-41-1-2П. Его выбор обусловлен простотой крепления, малыми размерами и такой конструктивной особенностью: включенное и выключенное состояние визуально различимы по высоте кнопки. Кнопки переключения режимов возьмем КМП8-4 НАЗ.604.006.