Источник бесперебойного питания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Вступление

1. Техническая часть

1.1 Обоснование обеспечения условий ТЗ

1.2 Обзор аналогов изделия

1.3 Описание структурной схемы

1.3.1 Обзор и анализ структурных схем систем бесперебойного питания

1.3.2 Описание структурной схемы источника бесперебойного питания

1.4 Описание схемы электрической принципиальной

1.4.1 Зарядное устройство

1.4.2 Преобразователь постоянного напряжения

1.4.3 Стабилизатор напряжения 300В

1.4.4 Выходной инвертор

1.4.5 Схема байпаса

1.4.6 Узел управления

1.5 Разработка и расчет узлов схемы электрической принципиальной

1.5.1 Электрический расчет схемы зарядного устройства

1.5.2 Электрический расчет схемы импульсного стабилизатора напряжения

1.5.3 Электрический расчет входного и выходного фильтров

1.6 Обоснование выбора элементов схемы

1.6.1 Выбор резисторов

1.6.2 Выбор конденсаторов

1.6.3 Выбор индуктивностей и трансформаторов

1.6.4 Выбор активных элементов

1.7 Расчет печатной платы

1.7.1 Расчет площади печатной платы

1.7.2 Расчет параметров металлизированных отверстий

1.7.3 Расчет ширины печатных проводников

1.8 Тепловой расчет

1.9 Расчет надежности устройства

2. Экономический расчет

2.1 Анализ ринка

2.2 Расчет уровня яркости

2.2.1 Основные технические параметры устройства

2.2.2 Определение важности показателей

2.3 Расчет себестоимости устройства

2.3.1 Расчет расходов на закупку материалов

2.3.2 Расчет расходов на покупные изделия и полуфабрикаты

2.3.3 Расчет основной заработной платы

2.3.4 Дополнительная зарплата работников

2.3.5 Начисление заработной платы

2.3.6 Общепроизводственные расходы

2.3.7 Административные расходы

2.3.8 Расходы на сбыт

2.4 Определение цены изделия

2.4.1 Нижняя граница цены

2.4.2 Верхняя граница цены

2.4.3 Договорная цена

2.4.4 Определение объема производства продукции

3. Охрана труда

3.1 Анализ вредных и опасных производственных факторов

3.2 Характеристика параметров рабочего помещения

3.3 Расчет естественного освещения

3.4 Расчет искусственного освещения

3.5 Оценка санитарных норм условий труда при пайке

3.6 Электробезопасность

3.7 Пожарная безопасность помещения

Выводы

Список литературы

Вступление

В настоящее время наблюдается увеличение потребности в высокоскоростных центрах обработки данных, системах телекоммуникационной связи в реальном масштабе времени и применении систем с непрерывным автоматическим технологическим процессом. Рост потребности в таком оборудовании вместе с обеспечением большим количеством разнообразных возможностей выдвигает повышенные требования к источникам электропитания.

Невзирая на то, что при генерации электроэнергии, напряжение имеет отличные характеристики, в тот момент, когда электропитание достигает потребителя, его качество далекое от идеального. Большинство типов помех недопустимое, например, значительные провалы напряжения и колебания частоты, что может привести к непоправимым потерям, вызванным повреждением оборудования. Обычно же финансовые последствия этого могут быть существенными, влияя не только на текущую работу, но, что является серьезнее, и на развитие предприятия, которое понесло убытки.

При проектировании радиоэлектронной аппаратуры, одним из основных критериев экономичности является снижение потребляемой устройством мощности (в частности, применение новых технологий позволило сократить на несколько порядков потребление энергии бытовой аппаратурой, по сравнению, например с тем, что было десятки лет тому назад).

За прошедшие более чем 100 лет от момента появления первого электронного устройства (радио А.С. Попова) до наших дней изменилось несколько поколений электронных устройств, которые имеют принципиальные отличия по функциональным возможностям, типу применяемой элементной базы, конструктивно-техническому решению и т.д. Это равной мерой относится к радиоэлектронной аппаратуре бытового назначения, так и системам управления сложными техническими объектами, такими как воздушные лайнеры, космические аппараты и др. Однако каждый вид электронных средств, будь это компьютер, схема управления работой системы жизнеобеспечения, проигрыватель компакт дисков или радиолокационная станция, все они имеют устройство, которое обеспечивает электропитанием все узлы и элементы (электронных ламп, транзисторов, микросхем), устройств, которые входят в ту или другую систему. Следовательно, наличие источника питания в любом устройстве вещь вполне очевидная и требования к нему достаточно большие, ведь от его качественной работы зависит работа устройства в целом. Особенное внимание, при разработке источников питания, стали уделять при построении сложных цифровых устройств (персональный компьютер или любая другая микропроцессорная техники), где возникла потребность обеспечения этих устройств непрерывным и самое главное - качественным питанием. Пропадание напряжения для устройств этого класса может быть фатальным: медицинские системы жизнеобеспечения нуждаются в постоянной работе комплекса устройств, и требования к их питанию очень строги; системы банковской защиты и охранные системы; системы экстренной связи и передачи информации.

При создании электронного устройства отдельного класса и назначения (электронно-вычислительные машины, медицинская и бытовая электронная техника, средства автоматизации) источник обеспечения гарантированного питания может быть подобран из тех, которые выпускаются серийно. В некоторых странах существуют фирмы, которые специализируются на промышленном выпуске источников бесперебойного питания, и потребитель имеет возможность выбрать тот, который ему больше всего подходит. Однако, когда по эксплуатационным, конструкторским или другим характеристикам источника бесперебойного питания, которые выпускаются серийно, не удовлетворяют потребностям потребителя, необходимо разработать новый, с учетом всех правил, специфических для этого вида.

Темой данного проекта является разработка универсального источника бесперебойного питания (далее ИБП). Его универсальность заключается в том, чтобы он мог использоваться в любой аппаратуре мощностью до 600 Вт, начиная с персонального компьютера и заканчивая медицинской аппаратурой. Причина построения бесперебойного источника -- это возможность его использования в любой аппаратуре, для которой стабильное электропитание является важным фактором.

источник бесперебойный питание мощность

1. Техническая часть

1.1 Обоснование обеспечения условий ТЗ

Исходя из назначения проектируемого устройства и специфики области его применения, рассмотрим основные критерии, согласно которым будет вестись последующая разработка.

К основным критериям разработки источника бесперебойного питания стоит отнести надежность и стойкость к внешним воздействиям (в частности, к вибрационным и ударным нагрузкам).

Для повышения надежности блока, при его проектировании, предлагается:

- обеспечить легкие электрические, тепловые рабочие режимы деталей и материалов конструкции, их правильный выбор;

- обеспечить надежную защиту от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов;

- широко использовать интегральные микросхемы (далее ИМС), а также стандартные компоненты;

- обеспечить ремонтопригодность изделия, используя функционально-узловой метод конструирования.

На ранней стадии, процесс проектирования заключаться в рассмотрении подобных систем с подбором технологии электропитания. Перечислим факторы, что влияют на этот этап:

- стоимость;

- масса и размеры;

- коэффициент полезного действия блока питания;

- входное напряжение;

- срок действия аккумуляторной батареи;

- необходимое качество выходящего напряжения;

- время, необходимое для выхода продукции на рынок.

С целью обеспечения эстетических и эргономичных показателей, предлагается использовать современный дизайн. Для обеспечения заданных климатических и механических требований предлагается использовать элементную базу и материалы, учитывая предельные внешние воздействия, которые негативно влияют на работоспособность изделия.

1.2 Обзор аналогов изделия

Одним из аналогов нашего изделия являются ИБП PW5125RM и PW5115RM производства фирмы Powerware. Они также предназначены для крепления в серверную стойку и имеют выходную мощность 1000ВА. Другие технические характеристики можно привести в виде таблицы.

Таблица 1.2.1. Характеристики ИБП.

Параметры	PW5125RM	PW5115RM
Выходная мощность (ВА/Вт)	1000/900	1000/670
Габаритные размеры (мм)	432*494*89	440*450*58
Масса (кг)	27	20
Номинальное выходное напряжение (В)	220-240	220-240
Возможный диапазон входного напряжения (В)	166-276	175-250
Рабочая частота (Гц)	50/60	50/60
Номинальное входное напряжение (В)	220-240	220-240
КПД (%)	93	90
Индикация параметров	Светодиоды	Светодиоды
Коммуникационный порт	RS232	RS-232
Рабочий диапазон температур	0 - 40 С0	0-40 С0
Шум (дБ)	Не больше 50	Не больше 45
Время работы при максимальной нагрузке (мин.)	7	5

Данные ИБП имеют хорошие параметры и высокую цену. Поэтому, возникает необходимость в дешевых и надежных ИБП, которые не уступают по характеристикам их зарубежным аналогам и даже превосходят. В дипломном проекте будет проведена разработка такого устройства.

1.3 Описание структурной схемы

1.3.1 Обзор и анализ структурных схем систем бесперебойного питания

Источник бесперебойного питания -- автоматическое устройство, которое обеспечивает питание нагрузки при полном исчезновении напряжения во внешней электросети, например в результате аварии или от недопустимо высокого отклонения параметров напряжения сети от номинальных значений. Пари этом ИБП использует для аварийного питания нагрузки энергию аккумуляторных батарей.

Рассмотрим несколько основных типов построения структурных схем ИБП:

1. ИБП резервного типа.

2. Линейно-интерактивный ИБП.

3. ИБП с двойным преобразованием напряжения.

ИБП резервного типа (Off-Line или standby)

Рис. 1.3.1. ИБП типа Off-Line.

Источник бесперебойного питания, выполнен по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней электросети, а в аварийном переводит ее на питание от аккумуляторных батарей. Преимуществом ИБП резервного типа является его простота и невысокая стоимость, а недостатком - ненулевое время переключения (~4 мс) на питание от аккумуляторов и более интенсивная их эксплуатация, потому что ИБП переводится в аварийный режим при любых неисправностях в электросети.

ИБП резервного типа, как правило, имеет небольшую мощность и применяется для обеспечения гарантированного электропитания отдельных устройств (персональных компьютеров, рабочих станций, офисного оборудования) в регионах с хорошим качеством электросети.

Линейно-интерактивный (Line-Interactive) .

Источник бесперебойного питания, выполненный за схемой с коммутирующим устройством (Off-Line), дополненный стабилизатором входного напряжения на основе автотрансформатора с переключающимися обмотками.

Рис. 1.3.2. ИБП, тип Line-Interactive.

Основное преимущество линейно-интерактивного ИБП по сравнению с источником резервного типа заключается в том, что он способен обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети (самый распространенный вид неисправностей в отечественных линиях электроснабжения) без перехода в аварийный режим. В итоге повышается срок службы аккумуляторных батарей. Недостатком линейно-интерактивной схемы является ненулевое время переключения (~4 мс) нагрузки на питание от батарей.

По эффективности линейно-интерактивные ИБП занимают промежуточное значение между простыми и относительно дешевыми резервными источниками (Off-Line) и высокоэффективными, но и более дорогими источниками с двойным преобразованием напряжения (On-Line). Как правило, линейно-интерактивные ИБП применяют для обеспечения гарантированного питания персональных компьютеров, рабочих станций, файловых серверов, узлов локальных вычислительных сетей и офисного оборудования. Механизм автоматической регулировки напряжения построен на основе автотрансформатора с переключающимися обмотками. Применяется в ИБП, собранных по линейно-интерактивной схеме, для ступенчатой корректировки входного напряжения в сторону его повышения. Число обмоток регулятора определяет диапазон входных напряжений, при которых ИБП обеспечивает нормальное питание нагрузки без перехода в аварийный режим работы. В ИБП такой структуры, в среднем, диапазон допустимого изменения входного напряжения составляет от -20% к +20% от номинального значения 220 В.

ИБП с двойным преобразованием напряжения (On-Line)

Источник бесперебойного питания, в котором входное переменное напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянную, а затем посредством инвертора опять в переменную - является источником с двойным преобразованием напряжения (энергии) (On-Line). Аккумуляторная батарея постоянно подключена к выходу выпрямителя и ко входу инвертора и питает последний в аварийном режиме.



Рис. 1.3.1. ИБП, тип On-Line.

Такая схема построения ИБП позволяет обеспечить практически идеальное питание нагрузки при любых неполадках в сети (включая фильтрацию высоковольтных импульсов и электромагнитных помех) и характеризуется нулевым временем переключения в аварийный режим без возникновения переходных процессов на выходе устройства.

К недостаткам схемы с двойным преобразованием напряжения стоит отнести ее сравнительно большую сложность и как следствие -- более высокую стоимость.

ИБП On-Line типа применяют в случаях, когда из-за тех или иных причин, имеются повышенные требования к качеству электропитания нагрузки, которая может быть в роли узлов локальных вычислительных сетей (сетевое оборудование, файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры), оборудование вычислительных залов, системы управления технологическим процессом.

По схеме с двойным преобразованием (On-Line) построены, например, модели PW5125RM компании Powerware. Они оснащены плавным стабилизатором входного напряжения, благодаря которому диапазон допустимых значений входного напряжения, при которых источник не переходит на питание от батарей, составляет от 166 до 276 Вольт.

В таких схемах присутствует режим Bypass -- питание нагрузки отфильтрованным напряжением электросети в обход основной схемы ИБП. Переключение в режим Bypass, который поддерживается внутренней схемой ИБП или специальным внешним модулем, может выполняться автоматически или вручную. ИБП, который имеет соответствующую встроенную схему, автоматически переходит в режим Bypass по команде устройства управления, при перегрузке электросетей или при выявлении неисправности в важных узлах ИБП. Таким способом нагрузка защищается не только от сбоев в электросети, но и от неполадок в самом ИБП. Возможность ручного включения режима Bypass предусматривается на случай проведения профилактического обслуживания ИБП или замены его узлов без отключения нагрузки.

Схема типа Off-Line является более простой и дешевой. Соответственно разрабатываемый в данном дипломном проекте источник бесперебойного питания тоже построим по этому принципу. Однако, усовершенствованные узлы функциональной схемы и соответственно характеристики позволят получить более востребованное и конкурентно-способное изделие с лучшими параметрами эксплуатации и меньшей ценой, чем его зарубежные аналоги.

1.3.2 Описание структурной схемы источника бесперебойного питания

Структурная схема источника бесперебойного питания представлена в графической части дипломного проекта на листе РТ01.430127.001 Э1.

Построение систем бесперебойного питания зависит от задач, которые на них возлагаются. В некоторых случаях необходимо добиться наименьшего показателя -- время переключения нагрузки на питание от аккумуляторных батарей или наоборот. В других случаях необходимо обеспечить долговременную работу от аккумуляторной батареи, при этом время переключения не является критической величиной. То есть, можно сказать, что для каждого конкретного случая нужно решать абсолютно разные технические задачи.

Разрабатываемый блок предназначен для обеспечения непрерывного питания разнообразных устройств (серверов, персональных компьютеров, модемов и др.) стабилизированным напряжением 220В, 50Гц. Конкретней, система предназначена для питания устройств, которые имеют импульсные источники питания. Это позволяет смягчить требования относительно разработки нашего прибора, так как импульсные источники питания способны работать в сети с отклонениями напряжения ± 20% от номинального значения. Еще одним преимуществом является способность их работы от сети, которая имеет не синусоидальную форму напряжения (аппроксимированная синусоида, квази синусоида).

Рассмотрим основные блоки, которые входят в состав устройства:

1. Устройство коммутаций.

2. Сетевой фильтр.

3. Зарядное устройство.

4. Аккумуляторная батарея.

5. Преобразователь переменного напряжения в постоянное.

6. Стабилизатор постоянного напряжения.

7. Преобразователь постоянного напряжения в переменное.

8. Устройство коммутаций байпас.

9. Датчик тока.

10. Исходный фильтр.

11. Датчик температуры.

12. Интерфейс.

13. Устройство индикации.

14. Устройство управления работой ИБП.

Для обеспечения работы и нормального функционирования всех частей ИБП, необходимо звено, которое осуществляло бы связь между всеми этими частями. Можно рассмотреть несколько видов таких схем:

1. Аналоговые системы, операции регулирования в которых осуществляются путем сравнения, усиления и преобразования аналоговых сигналов. Погрешность установки параметров в такой системе сильно зависит от параметров активных и пассивных элементов схемы. Такие системы используются, в основном в недорогих устройствах.

2. Цифровые системы, операции управления проводятся над цифровыми величинами, полученными из аналоговых сигналов путем оцифровки аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Точность таких систем намного выше за счет использования математического аппарата вычисления.

3. Комбинируемые, операции управления и регуляции в которых выполняются либо аналоговыми, либо цифровыми устройствами.

В нашем случае система управления работой ИБП построена на микроконтроллере ATTiny26. Он представляет собой высокопродуктивный контролер с функциями многоканального аналого-цифрового преобразователя. Ввод и вывод информации в микроконтроллер (далее МК) может осуществляться как в аналоговом так и в цифровом виде. Использование новейших разработок, которые содержат в своем составе МК, позволяет намного упростить схему. Микроконтроллер управляет работой как схемы управления так и работой всего устройства.

Схема управления выполняет роль интерфейса ИБП, подавая соответствующую команду включения на устройство коммутаций, осуществляет управление переключения нагрузки на питание от сети или от аккумуляторных батарей, следит за напряжением на аккумуляторных батареях (далее АБ). Если напряжение на АБ становится меньшим 10,5 В, то осуществляется аварийное отключение ИБП. Аварийное отключение осуществляется также, когда температура окружающей среды выходит за пределы допустимой. Для измерения температуры используется температурный датчик. На устройство управления работой ИБП поступает информация о величинах напряжения в сети. Обрабатывая эту информацию МК производит соответствующие сигналы управления для других узлов, составляющих блока.

Для измерения выходной мощности используется датчик тока. Если через датчик протекает ток больше допустимого, схема управления отключает нагрузку. Это обеспечивает защиту от выхода из строя устройства преобразования постоянного напряжения в переменную.

Особенно большое значение в ИБП имеет наличие связи с ПК. Это позволяет оператору (администратору) следить за состоянием сети, состоянием АБ и всей работы ИБП. В данном случае используется стандартный интерфейс связи МК и ПК - RS-232. Это позволяет осуществлять дистанционный мониторинг ИБП и безопасное завершение работы ПК при аварии или долговременном отсутствии напряжения в сети (при условии настройки программного обеспечения ПК).

Входное напряжение 220В, 50Гц поступает через устройство коммутации и сетевой фильтр на зарядное устройство и байпас.

Сетевой фильтр предназначен для предотвращения попадания помех в сеть, которые возникают при работе ИБП.

Зарядное устройство обеспечивает зарядку АБ при наличии напряжения в сети, обеспечивая тем самым постоянную готовность к работе ИБП в автономном режиме. Устройство преобразования напряжения сети в стабилизированное постоянное напряжение. Величина напряжения заряда постоянно контролируется МК. Это позволит правильно эксплуатировать батареи.

Достаточно большая выходная мощность зарядного устройства дает “плюс” при работе ИБП со значительно заниженным входным напряжением устройства (диапазон от 90 до 185 Вольт). При таком входном напряжении часть выходной мощности источника обеспечивается работой зарядного устройства, что существенно продлевает работу нагрузки в случаях неисправности электросети.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное выполняет роль преобразователя переменного напряжения 220В в постоянное 200В. Данное устройство построено по схеме импульсного преобразователя с ШИМ. Напряжение на его выходе постоянно, но не стабилизировано, то есть зависит от изменения входного напряжения. Для стабилизации используется стабилизатор постоянного напряжения. Стабилизатор построен по схеме однотактного импульсного повышающего стабилизатора. Напряжение на аккумуляторе изменяется в пределах 10,5...13,8 В, а выходное ИБП должно оставаться стабильным.

Преобразователь постоянного напряжения в переменное осуществляет формирование выходного стабилизированного напряжения 220В, 50Гц. Управление и синхронизацию данного устройства с сетью осуществляет устройство управления ИБП.

Выходной фильтр служит фильтром электромагнитных помех и предотвращению их попадания в нагрузку.

Алгоритм работы ИБП приведен в графической части проекта.

1.4 Описание схемы электрической принципиальной

Схема электрическая принципиальная представленная в графической части дипломного проекта на листе РТ01.430127.001Э3.

Соответственно структурной схеме, источник бесперебойного питания состоит из нескольких функциональных узлов. Рассмотрим каждый из них отдельно.

1.4.1 Зарядное устройство

Зарядное устройство построено по однотактной поворотно-ходовой схеме преобразования энергии.

Управляющей микросхемой являются IMS UC3842 фирмы Fairchild. Функциональная схема IMS UC3842 приведена на рис. 1.4.1. Принцип работы состоит в следующем.

На диодный VD1 подается переменное напряжение сети 220В. После VD1 на сглаживающем конденсаторе имеем постоянное напряжение 306В. Начальный запуск работы IMS VC2 происходит через резистор R41. Дальше при нормальном режиме работы DA1 питается от дополнительной обмотки W3 трансформатора Т2. Напряжение, снятое с W3 выпрямляется диодом VD8 и сглаживается емкостным фильтром, который построен на конденсаторах С24, С25. Величина напряжения питания IMS составляет 12В.

После подачи питания на 8 выводе DA2 устанавливается опорное напряжение 5В. На вход тактового генератора, через интегрирующую цепь R14C11 подается сигнал 5В.

Рис. 1.4.1. Функциональная схема UC3842.

На выводе № 6 DA2 устанавливается высокий потенциал (12В), который через резисторный делитель R27R29 поступает на затвор полевого транзистора VT1. Транзистор VT1 включается, когда потенциал между затвором и истоком составляет более 4В. При включении VT1 через обмотку W2, транзистор VT1 и резистор R30 начинает протекать ток. Резистор R30 является измерительным резистором. С него снимаем сигнал о величине тока, который протекает через транзистор и первичную обмотку трансформатора Т2. Этот сигнал поступает через R28 на вход с DA2. Данный вход является прямым входом внутреннего компаратора по току. На вход 1 DA2 подается сигнал обратной связи по напряжению. Этот сигнал подается на инвертирующий вход от компаратора по току. При достижении порогового уровня на входе компаратора производится сигнал на выключение входного транзистора.

Ток через первичную обмотку Т2 нарастает линейно, но при включении и выключении транзистора возникают скачки тока. Эти скачки могут приводить к самовольному включению и выключению интегральной микросхемы (далее ИМС). Для предотвращения этого, применяется RC фильтр. Рис. 1.4.2.:

Рис. 1.4.2. Схема компаратора тока с RC-фильтром.

После включения транзистора начинается этап передачи энергии, накопленной в трансформаторе, в нагрузку. Напряжение, которое снято с обмотки W1, Т2 выпрямляется диодом VD11 и фильтруется емкостным фильтром С35, С36.

Схема стабилизации выходного напряжения построена на управляющем стабилитроне VD12-TL431.

Резисторы R56, R57, R58 образуют резисторный делитель, величиной сопротивлений которого, выставляется значение выходного напряжения зарядного устройства. Резистор R54 является ограничительным резистором по току для стабилитрона VD12 и оптрона U1.2.

1.4.2 Преобразователь постоянного напряжения

Данный узел предназначен для преобразования постоянного напряжения 12В в постоянное напряжение 300В. Выходное напряжение данного преобразователя является нестабилизированным, при Uвх=13,8В, Uвых=300В при Uвх=10,5В, Uвых=225В.

Поэтому, для нормальной работы ИБП нужная понижающая стабилизация Uвых.

Данный преобразователь построен на микросхеме S63525А, функциональная схема которой приведена на Рис. 1.4.3.

Рис. 1.4.3. Функциональная схема SG3525.

Из выходов микросхемы (выводы 14 и 11) прямоугольные импульсы поступают на трансформатор Т1. На вторичных обмотках трансформатора импульсы будут двухполярные со скважностью 0,9.

Резисторно-конденсаторные цепи С23R31 и С27R32 предназначены для того, чтобы сбить амплитуду скачков при переключении.

Сам преобразователь построен по схеме с плавающей средней точкой. Пары силовых транзисторов VT4, VT5 и VT6, VT7 включаются в порядке очереди с плотностью 0,5. Такой режим выбран с целью уменьшения скачков при переключении, и получения симметрии в каждый период переключения. Из вторичной обмотки прямые импульсы выпрямляются диодным мостом VD17, VD18, VD19, VD20 и сглаживается фильтром С1L1, С2С4, С3С5. Из вторичной обмотки Т3 также берутся дополнительные напряжения питания 9В и 18В, которые гальванически развязаны между собой. Стабилизация этих напряжений проводится стабилитроном VD21 VD22 VD23 VD24.

Микросхема VD1 включена по типичной схеме включения. Звеном С7, R1 определяется выходная частота. Питание выходных каскадов ИМС проводится через R15. С12, С13 предназначены для фильтрации напряжения питания ИМС. Дистанционное управление работой преобразователя проводится через вывод № 10 DA1.

1.4.3 Стабилизатор напряжения 300В

Данный стабилитрон построен по схеме однотактного повышающего преобразователя. Схема построена на ИМС UC3842. Принцип работы состоит в следующем.

При подаче питания на DA4, на ее выход (вывод 6) подается импульс амплитудой 9В, который через делитель R18R33 поступает на затвор VT2 и открывает его, когда через транзистор, открытый L2 VT2 R34 протекает ток. Индуктивность L2 накапливает энергию. При достижении определенного уровня сигнала, который снимается с измерительного резистора R34, на выходе DA1 появляется логический ноль. Следующий импульс появится при новом цикле тактового генератора. Обратная связь по напряжению осуществляется через резисторную цепь R11, R8, R9.

Поскольку для образования общей точки с напряжением сети образован емкостной делитель С2С4, С3С5 то узел на DA4 стабилизирует положительную полуволну выходного напряжения, а узел на DA5 - отрицательную.

Элементы схемы подобраны таким образом, что на выходе получаем 300В, то есть стабилизация не нужна. По мере уменьшения напряжения на аккумуляторе, на выходе преобразователя постоянного напряжения в постоянную также напряжение будет уменьшаться, а узел стабилизации будет стабилизировать до 300В. Поскольку заземленные выводы DA5 подключены к отрицательному напряжению, которое нужно стабилизировать, а стабилизацию необходимо осуществить относительно нулевой шины, используется еще дополнительный узел на DA3.

1.4.4 Выходной инвертор

Выходной инвертор построен на полумостовой схеме. Нагрузка подключается к средней точке конденсаторного делителя C2 C4, C3 C5 и выхода инвертора (коллектор VT13).

Ключевыми элементами каскада являются силовые транзисторы VT12, VT13. Управление работой осуществляется с помощью микроконтроллера.

Данный узел обеспечивает достаточно хорошее приближение формы напряжения к синусоидальному. Это позволило выполнить два силовых ключа VT12, VT13 на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT), которые работают в линейном режиме. Их поочередным открытием руководят прямоугольные импульсы, которые поступают в противофазе от контролера DD1. Эти импульсы проходят звенья, которые формируют из них сигнал, подобный по форме к полупериоду синусоиды и подаются на затворы VT12, VT13.

Индуктивность L4 обеспечивает приглаживание фронтов импульсов на выходе инвертора.

1.4.5 Схема байпаса

Схема байпаса предназначена для быстрого переключения нагрузки на работу от сети или на работу от аккумуляторной батареи. Переключение осуществляется посредством реле K1, которым управляет микро контролер. Конденсаторы C52, C53 предотвращают возникновение искры и как следствие подгорание контактов реле при переключении.

Для обеспечения лучшей формы исходного напряжения и предотвращению попадания электромагнитных помех от ДБЖ в нагрузку служит фильтр C56, L6, C59.

1.4.6 Узел управления

Узел управления работой ИБП выполнен на микроконтроллере DD1-ATTiny 261. Функциональная схема контролера приведена на рис. 1.4.4.

Рис. 1.4.4. Функциональная схема ATTiny26.

Для синхронизации работы ИБП с сетью используется измерительный трансформатор T4, у которого выходной сигнал выпрямляется и подается на входы АЦП микроконтроллера. Для измерения тока, который потребляется нагрузкой, используется трансформатор тока T5. Его выходной сигнал выпрямляется и подается на вход АЦП микроконтроллера. Общий алгоритм работы МК вписывается в алгоритм работы всего ИБП.

После включения включателя SA1 (“Вкл”) на вход DA6 поступает постоянное напряжение с аккумулятора. DA6 формирует на выходе +5В, которые необходимы для питания микроконтроллера.

Микроконтроллер, после подачи на него питания, начинает проводить измерение напряжения аккумуляторной батареи, а также включает реле K2, тем самым подсоединив ИБП к сети. Дальше МК измеряет напряжение сети. Если напряжение сети не в пределах нормы, то МК дает команду на переключение на работу от аккумулятора. Когда же ни напряжение аккумулятора, ни напряжение сети не удовлетворяет нормам, то МК осуществляет полное отключение нагрузки от сети.

При нормальном функционировании от сети МК постоянно следит за сетью и подгоняет фазу выходного сигнала от инвертора к фазе сигнала сети. Это нужно для того, чтобы в случае исчезновения напряжения сети, переключение на работу от АБ прошло с наименьшими потерями.

Соответственно при возобновлении напряжения в сети, МК сначала делает подгонку фазы выходного сигнала с инвертора к сигналу электросети, и только потом происходит переключение на работу от сети.

Для предотвращения попадания помех с ИБП в сеть предназначен сетевой фильтр C54, C55, C56, L5, C58.

Связь микроконтроллера с ПК осуществляется через стандартный интерфейс RS-232 (Com port). Интерфейс выполнен с оптоизоляцией, что увеличивает электробезопасность при работе с ИБП.

Для индикации режимов работы ИБП используются индикаторы HL1 - “Сеть”, HL2 - “~220В”, HL3 - “АБ 10.5В”.

1.5 Разработка и расчет отдельных узлов схемы электрической принципиальной

1.5.1 Электрический расчет схемы зарядного устройства

За базовую схему для зарядного устройства возьмем схему однотактного обратно-ходового преобразователя напряжения.

Рис. 1.5.1 Принципиальная схема зарядного устройства.

Это целесообразно тем, что нужна относительно небольшая мощность Рвых.=100Вт для того, чтобы заряжать аккумуляторы. Также эта схема привлекательная простотой и дешевизной, сравнительно с такими схемами как полумостовая или прямоходная. Воспользуемся методикой расчета, представленной в [5].

Таблица 1.5.1.Выходные данные для расчетов

Параметры	Обозначения	Значение
Минимальная переменная вх. напряжения		85В
Максимальная переменная вх. напряжение		270В
Частота сети		50Гц
Максимальна вых. мощность		100 Вт
Минимальна вых. мощность		1Вт
Выходное напряжение		13,8В
Пульсации выходного напряжения		0,05В
Напряжение первичной обмотки		100В
Прогнозируемый КПД		0,84
Пульсации вх. постоянного напряжения		10В
Напряжение питания ИМС		12В
Количество оптопар		1

Рассчитаем характеристики входного диодного моста и конденсатора

Максимальна входная мощность:

;

Найдем максимальное значение тока, протекающего через диодный мост VD1:

;

Рассчитаем максимальное значение напряжения на диодном мосте:

;

Найдем параметры входного конденсатора C6:

 ;

,

где: VDCminPK минимальное амплитудное значение входного напряжения, VDCmin минимальное значение входного напряжения с учетом пульсаций.

Найдем время разряда конденсатора C6 за половину периода:

;

Рассчитаем мощность, которая берется из конденсатора за время разряда:

;

Найдем минимальное значение емкости C6:

;

Расчет трансформатора T2

Найдем максимальный ток, который протекает через первичную обмотку трансформатора T2:

,

где Dmax=0,5, скважность импульсов на первичной обмотке.

Рассчитаем максимальный ток через демпферный диод VD7:

;

Определим начальную индуктивность первичной обмотки при максимальном цикле:

;

Выберем тип сердечника трансформатора из каталога продукции фирмы Epcos. Выбираем сердечник E3211619.

Таблица 1.5.2.Параметры сердечника.

Параметр	Обозначение	Значение
Индуктивность одного витка	AL	24,4нГн
Площадь окна	AN	108,5мм2
Ширина сердечника	S	0,5мм
Площадь разреза сердечника	Ae	83мм2
Длина средней линии	IN	64,6мм
Взвешивающий коэффициент мощности (при 100кГц)	PV	190мВт/г
Индукция насыщения сердечника	Bmax	0,2Т...0,3Т
Масса	m	30г

Найдем количество витков первичной обмотки:

,

Принимаем Np равным 24 витка.

Определим количество витков вторичной обмотки:

,

где: VFDiode падение напряжения на диоде. Возьмем NS=4 витка.

Найдем количество витков дополнительной обмотки:

;

Принимаем NAUX=4 витка.

Рассчитаем реальную индуктивность первичной обмотки:

;

Найдем максимальный ток через первичную обмотку T2:

;

Высчитаем максимальную индукцию трансформатора:

, B<Bmax ;

Найдем площадь разреза с учетом количества витков обмотки Np:

;

Конструкция трансформатора для сердечника E3211619:

Из таблицы данных сердечника E3211619: BWmax=20,1мм - максимальное значение ширины обмотки с сердечником; М=4мм минимальное рекомендованное значение ширины обмотки с сердечником.

Определим эффективное значение ширины обмотки с сердечником:

,

Выбираем коэффициент заполнения окна трансформатора обмотками:

Первичная - 0,5

Вторичная - 0,45

Вспомогательная - 0,05

Коэффициент заполнения меди из таблицы данных сердечника: fCu=0,2.0,4. Выберем fCu=0,3:

Рассчитаем площадь разреза проводника первичной обмотки T1:

;

Принимаем диаметр провода для первичной обмотки dP=0.64мм (22 AWG)

Рассчитаем площадь разреза проводника вторичной обмотки T1:

.

Принимаем диаметр проводника dS=2 x 0,8 мм (2x20 AWG).

Рассчитаем площадь разреза проводника дополнительной обмотки:



Принимаем диаметр проводника dAUX=0,64мм (22 AWG).

Рассчитаем параметры выходного диода VD11

Определим максимальное обратное напряжение на диоде:

;

Определим максимальный импульсный прямой ток через диод:

;

Определим максимальный импульсный прямой ток через диод, с учетом коэффициента заполнения:

;

Рассчитаем параметры выходного конденсатора С36

Максимальная импульсная нестабильность выходного напряжения Vout=0,5В, при количестве периодов тактовой частоты: ncp=5.

Определим максимальный выходной ток:

;

Минимальная емкость конденсатора C36:

;

Выбираем конденсатор на 2200мкФ - 25В.

Расчет демпферной цепи: C23, R26, VD7

Найдем напряжение демпферной цепи:

,

где V(BR)DSS - максимально допустимое напряжение сток-выток транзистора.

Для расчета демпферного звена необходимо знать индуктивность рассеивания (LLK) первичной обмотки, которая очень сильно зависит от конструкции трансформатора. Поэтому, примем значение индуктивности рассеивания на уровне 5% от первичной обмотки.

.

Найдем емкость конденсатора C23 демпферной цепи:

.

Принимаем С23=470пФ.

Найдем сопротивление резистора демпферного звена R26:

.

Принимаем R26=1,2 кОм.

Расчет потерь

Определим потери на диоде VD1:

;

Определим сопротивление первичной обмотки:

;

Определим сопротивление вторичной обмотки:

,

где: удельное сопротивление меди P100=0,0172Ом?мм2/м.

Определим потери в меди на первичной обмотке:

;

Определим потери в меди во вторичной обмотке:

;

Найдем суммарные потери в первичной и вторичной обмотках трансформатора:

;

Вычислим потери на выходном диоде VD11:

;

Потери на силовом транзисторе

Из таблицы характеристик транзистора имеем: C0=50пФ - выходная емкость сток-исток транзистора; RDSon=1,6Ом (150 С0) - выходное сопротивление сток-исток транзистора.

Расчет проведем при входном напряжении VDCmin=110В;

Найдем потери при включении транзистора:

,

где f=100кГц - рабочая частота преобразователя.

Найдем потери при выключении транзистора:

;

Определим потери на сопротивлении сток-исток при открытом транзисторе:

;

Подсчитаем общие потери на транзисторе:

;

Расчет звена обратной связи

Из таблицы выходных данных, минимальное напряжение стабилизации управляемого стабилитрона TL431 -- VREF=2,5В, а его минимальный ток стабилизации IkAmin=1мА.

Из выходных данных оптопары TLP521 ее падение напряжения на диоде VFD=1,2В; максимальный прямой ток через диод IFmax=10мА;

Из выходных данных микросхемы UC3842 опорное напряжение VRefint=5,5В; максимальное напряжение обратной связи VFBmax=4,8В, а внутреннее сопротивление -- RFB=3,7кОм.

Найдем максимальный входной ток DA2:

;

Рассчитаем минимальный входной ток DA2:

;

Схема цепи обратной связи представлена на рис. 1.5.2.

Рис. 1.5.2. Схема цепи обратной связи на управляемом стабилитроне TL431.

Найдем величину сопротивления резистора R56:

,

где R57=4,99кОм, а R58=5кОм - рекомендованные значения из таблицы характеристик TL431.

Определим сопротивление резистора R54:

,;

Рассчитаем переходные характеристики схемы

Внутренний коэффициент передачи DA2:

;

Внутренний коэффициент передачи делителя цепи обратной связи:

;

Найдем коэффициент передачи силовой части:

;

,

где ZPWM - крутизна характеристики ?VFB / ?lD;

Коэффициент передачи выходного фильтра:

,

где RESR - емкостное сопротивление конденсатора.

Коэффициент передачи цепи регулятора:

;

Переходные характеристики при минимальной и максимальной нагрузке:

Определим выходное сопротивление блока питания при максимальной нагрузке:

;

Определим выходное сопротивление блока питания при минимальной нагрузке:

;

Найдем частоту среза при максимальной нагрузке:

,

а также при минимальной нагрузке:

;

Коэффициент передачи цепи обратной связи:

, ;

Коэффициент передачи делителя цепи обратной связи:

;

Выходной импеданс промежутка времени ton:

;

Коэффициент передачи на граничной частое:

,

где: RL=3,6Ом - выходное индуктивное сопротивление, LP=12,6мкГн - индуктивность первичной обмотки трансформатора, fg=3000Гц - частота на которой проводится расчет, f0=76,18 - граничная частота при максимальной нагрузке.

;

;

Общий коэффициент передачи:

;

Поскольку GS(?)+Gr(?)=0, то:

;

Отсюда найдем коэффициент передачи цепи регулятора:

Gr(?)=0-(- GS(?))=17,2дБ;

Коэффициент передачи регулятора:



Отсюда найдем сопротивление резистора R55:

Нижняя частота передачи цепи обратной связи при C37=0:

;

Найдем емкость конденсатора C37:

;

1.5.2 Электрический расчет схемы импульсного стабилизатора

Импульсный стабилизатор напряжения построим по однотактной повышающей схеме без гальванической развязки - rising transducer.

Схему управления построим на контролере UC3842. Его внутренняя структура показана на рис.4.1.

UC3842 -- интегральная схема, которая предназначена для управления и контроля работы импульсных стабилизаторов напряжения, построенных по разнообразным однотактным схемам: с гальванической развязкой -- однотактной обратно-ходовой и прямоходной схемах, без гальванической развязки -- снижающего, повышающего и инвертирующего преобразователей. Микроконтроллер может непосредственно руководить работой силового ключа, контролировать выходное напряжение (стабилизировать его при изменении входного напряжения.)

Рис. 1.5.4. - Структура контролера UC3842.

Данная микросхема имеет следующие возможности:

· блокировка работы при перенапряжении;

· запуск работы при малых уровнях мощности;

· помехоустойчивый усилитель ошибки;

· защита от перенапряжения на выходе;

· переходный способ функционирования;

· схема измерения тока и напряжения;

· внутренний генератор.

Организация питания микроконтроллера

Прецензионная ширина запрещенной границы напряжения и тока построена на базе контролера, предназначена, чтобы обеспечить добротную регуляцию. Компаратор перенапряжения с гистерезисом и очень низким током питания позволяет минимизировать схему запуска и питания (рис.4.2а). Питание ИМС берется из вторичной обмотки трансформатора Т3 и стабилизируется стабилитроном до уровня 12В (рис.4.2б).

а) внутренний компаратор по питанию.

б) схема подключения по питанию.

Рис. 1.5.5. Схема организации питания ІМС UC3842.

Тактовый генератор

Тактовый генератор UC3842 (рис. 4.3) рассчитан на работу в частотном диапазоне от 10кГц до 1Мгц. В нашем случае он будет работать на частоте 100кГц, так как это оптимальная частота для работы всего преобразователя.

Рис. 1.5.6. Тактовый генератор, форма напряжения и рабочий цикл.

Рассчитаем значения Rt та Ct:

(4.1.2)

(4.1.2)

где: f=100кГц, - заданная рабочая частота.

Ct = 0.01мкФ, - рекомендованное значение емкость, выбирается в пределах 0.001…0.1 мкФ.

Усилитель ошибки и блок датчика перенапряжения

Вход усилителя ошибки, через отношение двух внешних резисторов, связанных с выходной шиной, что позволяет за счет обратной связи повышать выходное постоянное напряжение, тем самым осуществлять регуляцию напряжения.

Устройство обеспечено эффективной защитой от перенапряжения, реализовано на том же выводе что и регулятор напряжения постоянного тока.

Когда увеличится выходное напряжение, соответственно и увеличится напряжение на выводе 2 IMC. Разностное значение тока протекает через конденсатор. Величина тока определяется внутри микроконтроллера и сравнивается с эталонным значением 40 мкА. Если это значение будет превышено, соответственно это отобразится на управлении работой силового ключа -- длительность импульсов открытого состояния ключа становится меньшей, что приводит к снижению выходного напряжения.

Рис. 1.5.7. Усилитель ошибки.

Компаратор тока струму и триггер, который управляет модуляцией переключений

Рис. 1.5.8. Схема компаратора тока.

Компаратор тока постоянно следит за напряжением на резисторе Rs и сравнивает его с опорным напряжением (1В) на другом входе компаратора.

;

;

Выходной буфер ІМС UC3842

Схема управления являет собой собою выходной буферный каскад, выходной ток этого каскада -- ±1А. Этот каскад может управлять работой силового ключа на большой частоте.

Рис. 1.5.9. Выходной буфер UC3842

Расчет элементов импульсного стабилизатора

Поскольку импульсный стабилизатор состоит из двух одинаковых полуплеч (стабилизатор положительного напряжения и стабилизатор отрицательного напряжения), целесообразно будет посчитать только один из них, и рассчитанные значения элементов перенести на другой. Для расчета выберем стабилизатор положительного напряжения.

Исходные данные для электрического расчета:

- Входное напряжение Uвх = 65...150 В;

- Выходное напряжение Uвых = 150 В;

- Изменение выходного напряжения U = 5В;

- Выходная мощность Рвых = 300 Вт;

- Частота переключения силового ключа fs = 100 кГц.

Схема корректора мощности приведена на рис.4.8.

Рис. 1.5.10. Схема импульсного стабилизатора

Расчет емкости входного конденсатора

Определим минимальную емкость входного конденсатора С2:

Сin LF Р0 /(2··f ·V0·?) (4.10)

где - f - частота переключения силового ключа (100 кГц)

- V0 - выходного напряжение (150 В)

- ?=0.9 - прогнозированный КПД преобразователя

- Р0 - выходная мощность - 300 Вт

Сin LF = 300 / (2·3,14·25000·0.9·150) =82.7 мкФ

Выбираем к качестве входного конденсатора конденсатор емкостью 330мкФ и рабочим напряжением 400В.

Расчет емкости входного высокочастотного конденсатора

Входной высокочастотный конденсатор фильтра (C4) должен уменьшить шумы, которые возникают при высокочастотных переключениях силового ключа, что в свою очередь вызывает импульсы тока в индуктивности.

Cin HF = Irms /(2··f·r·Vin min) (4.7)

где - f - частота переключения (100 кГц);

- Іrms - входной высокочастотный ток;

- Vin min - минимальное входное напряжение (65 В);

- r - коэффициент высокочастотных пульсаций входного напряжения, который находится между 3 і 9 %. Принимаем r = 7%.

Іrms = Рout / Uin min; (4.8)

Іrms = 300 / 65 = 4,64 А;

Сin = 4,64/(2?3,14?100000?7?65) = 0.0065 мкФ.

Выбираем в качестве входного высокочастотного конденсатора конденсатор емкостью 0.01мкФ и рабочим напряжением 400В.

Выходной конденсатор

Определим значение емкости выходного конденсатора:

С0 Р0 /(4··V0 ·V0) (4.10)

где -V0 - изменение выходного напряжения (5 В)

-f - частота переключения силового ключа ( 100 кГц)

-V0 - выходное напряжение (150 В)

-Р0 - выходная мощность - 300 Вт

С0 = 300 / 4·3,14·100000·5·150 =63.7 мкФ

Выбираем в качестве выходного -- конденсатор емкостью 220мкФ и рабочим напряжением 400В.

Расчет катушки индуктивности

Значение индуктивности катушки рассчитывается исходя их необходимой мощности, которая протекает через последнюю, и значения тока пульсаций.

(4.11)

(4.12)

где - - длительность цикла открытия/закрытия силового ключа;

- ІLpk - пиковый токи катушки индуктивности;

- f - частота переключения силового ключа;

- V0 - выходное напряжение.

Длительность цикла ми можем определить по формуле:

(4.13)

Значение пикового тока, которое протекает через индуктивность можем определить по формуле:

(4.14)

где - Vin min - минимальное значение входного напряжения (65В),

Следовательно, значение равняется

= (150 - 1,41·65)/150 = 0,389 сек

Значение пикового тока:

ІLpk = (2?1,41?300) / 65 = 13 А

Тогда значение индуктивности, которая необходима для работы преобразователя напряжения:

L = (2·300·0,389)/(132·100000) = 15 мкГн.

Расчет силового ключа

Выбор управляющего ключа предопределяется максимальным током коллектора, рабочим напряжением и предельной частотой переключения.

Так как у нас максимальный ток, который будет протекать через транзистор составляет 13 А, рабочее напряжение до 200 В, а частота переключений составляет 100 кГц, в качестве силового ключа выбираем полевой транзистор К1531.

Его параметры следующие:

- Максимальное напряжение Uсе - 400 В;

- Постоянный ток коллектора при Т = 1000С Iс - 27 А;

- Падение напряжения в открытом состоянии Uсе - 1,65 В;

- Максимальна частота переключений - 160 кГц.

Рассчитаем, какая же мощность будет рассеваться на транзисторе.

Формула расчета потерь следующая:

Р = Iс2·Rсе (4.15)

Rсе - падение напряжения транзистора в открытом состоянии (0.14 Ом)

Iс - ток, который протекает через транзистор (13А - из расчета максимального пульсирующего тока в катушке индуктивности).

Следовательно, потери транзистора в открытом состоянии составляют

РIGBT = 13·0.14 = 23.6 Вт.

Расчет выходных диодов

Максимальное значение среднего тока, исходя из значения мощности, которая должна передаваться в нагрузку - 300 Вт.

Можно рассчитать:

І = P/U

І = 300/150 = 2A

Диоды выбираем из следующих условий, которые гарантируют надежную работу

ІDm ? 1,2Імакс

UDm ? 1,2Uмакс

Следовательно, исходя из этих расчетов, выбираем в качестве выходных диодов, диод типа MUR860. Параметры диода следующие:

Максимальное обратное напряжение - 500 В;

Максимальный рабочий ток - 8 А;

Максимальная допустимая температура диода - 150 0С.

1.5.3 Электрический расчет входного и выходного фильтра

Борьба с генерацией и излучением высокочастотного шума - один из загадочных “черных ящиков” в проектировании импульсных источников питания и конечного изделия.

Шум создается везде, где имеют место быстрые переходы в сигналах напряжения или тока. Много сигналов, особенно в импульсных преобразователях напряжения, являются периодическими, то есть, сигнал, который содержит импульсы с ВЧ фронтами, повторяется с предполагаемой частотой следования импульсов (pulse repetition frequency, PRF). Для импульсов прямоугольной формы значения этого периода определяет основную частоту самой волны. Преобразование Фурье волны прямоугольной формы создает множество гармоник этой основной частоты двойного значения времени переднего или заднего фронта импульсов. Это типично в мегагерцовом диапазоне, и гармоники могут достичь очень высоких частот.