148

«Утверждено»

РТ01.430127.001 ТЗ-ЛУ

“____” __________200 р.

Техническое задание

Источник бесперебойного питания

РТ01.430127.001 ТЗ

2006 г.

Техническое задание на разработку источника

бесперебойного питания.

1. Наименование.

“Источник бесперебойного питания”.

2.Технические требования.

2.1. Основные параметры.

Блок должен отвечать требованиям существующих технических требований (ТТ) и комплекта конструкторской документации (КД) РТ01.430127.001

Источник бесперебойного питания (далее ИБП) должен обеспечивать контроль параметров входного напряжения в границах, которые обеспечивают нормальную работу импульсного источника питания. Это обусловлено особенностями импульсных блоков питания, а именно широким диапазоном входных напряжений. Граница изменения напряжения на входе, при котором обеспечивается нормальная работа от сети ИБП, должна составлять:

· нижний порог - 30%;

· верхний порог + 20%.

ИБП должен обеспечивать контроль параметров на выходе при обеспечении питания от внешней сети и в режиме питания от батарей:

· контролировать выходное напряжение;

· контролировать уровень нагрузки.

Измерение параметров позволяет наблюдать за процессами, которые происходят в сети, своевременно реагировать на исчезновение напряжения или отход его величины от границ, превышение которых вызывает нарушение работы импульсных источников питания.

Так, как характеристики напряжения сети имеют определенные параметры, установленные стандартами (ГОСТ 3413-96), то напряжение питания ИБП должно отвечать величине 220В, и иметь отклонения напряжения и частоты, которые не превышают предельных значений.

Так, как мы рассчитываем источник бесперебойного питания, который можно было бы применять с разнообразной нагрузкой, предполагаемая выходная мощность будет составлять 600 Вт (типичный компьютер потребляет 350--400 Вт).

Так, как необходимо обеспечить время резервного питания, во время которого необходимо, например, выполнить возможный переход на питание от более энергоемкого источника (например, генератора), или завершение работы тех или иных устройств (выключение ПК), минимально необходимое время резервирования (резервного питания) должно быть не менее 5 мин., при 100% нагрузке.

Основные технические требования сводим в таблицу 2.1.

Основные технические требования. Таблица 2.1

Дополнительные требования

1. Форма напряжения на выходе источника бесперебойного питания при питании от сети и при питании от батареи - синусоидальная.

2. Защита нагрузки от переходных процессов в источнике - автоматический обход.

3. Защита от перегрузки по току - автоматический выключатель.

4. Силовой вход - штепсельный разъем с вилкой IEC- 320 (10A).

5. Силовой выход - два гнезда IEC- 320 (10A).

6. Электромагнитная совместимость - EN55022 Class B.

2.2 Конструкторско-технические требования.

Установочные, присоединительные и габаритные размеры блока должны отвечать требованиям сборочного чертежа РТ01.436237.001 СБ.

Детали, которые используются для изготовления блока,
должны отвечать чертежам и требованиям стандарта
ОСТ 4Г0.070.014. Сборка блока должна выполняться
в соответствии с требованиями стандарта ОСТ 4Г0.070.015.

Все виды покрытия должны быть механически крепкими,
антикоррозийными, однородными, не иметь дефектов и
отвечать действительным нормативным документам (НД).

Монтаж блока должен выполняться в соответствии с НД
на монтаж, которые действительны на предприятии-производителе.

Корпус изделия - металлический, что обеспечивает защиту встроенных и вставных блоков от ударов и повреждений.

Выступающие и габаритные детали корпуса не должны иметь острых и травмирующих граней и поверхностей.

Защита от коррозии должна быть выполнена посредством применения гальванических и лакокрасочных покрытий и отвечать ГОСТ-9.014, ГОСТ-9.005 и ГОСТ-9.301.

Электрический монтаж не должен препятствовать доступу к размещаемым элементам.

Электромонтаж должен отвечать ГОСТ 23584, ГОСТ 23592, ГОСТ 23594, ГОСТ 23591, ГОСТ 23587

2.3. Требования стойкости к механическим и климатическим воздействиям.

Условия эксплуатации изделия отвечают категории расположения 4.2. за ГОСТ 15150-69.

Соответственно у ГОСТ 11478-88 изделие должно выдерживать следующие нормативные воздействия:

Прочность при транспортировке (в упакованном виде):

Ускорение 15g;

Длительность ударного импульса 11 мс;

Число ударов, не меньше 1000.

При отсутствии влияния агрессивных условий спроектированное изделие должно сохранять работоспособность в следующих условия эксплуатации:

- температура окружающего воздуха от 0 до +35 °С;

- относительная влажность воздуха до 95% при температуре +30 °С и более низких температурах, без конденсации влаги;

- атмосферное давление от 84 до 106,7 кПа (от 650 до 800 мм.рт.ст.), группа Р1 за ГОСТ 12997-84.

- вибрационные нагрузки в диапазоне частот от 10 до 50 Гц при амплитуде сдвига до 0,35 мм. Группа №2 за ГОСТ 12997-84, вибростойкое выполнение.

2.4. Эксплуатационные требования.

Требования по эксплуатации должны отвечать группе 1.1 УХЛ ГОСТ 8ГО.39.304-76.

2.5. Требования по надежности.

Изделие по своим конструктивным и техническим характеристикам должно относиться к контролируемым, возобновляемым техническим средствам и отвечать таким требованиям:

Вероятность безотказной работы на протяжении 1000 ч, не меньше 0,85.

Среднее время возобновления не больше 6 час.

Средняя наработка на отказ не меньше 5000 час.

3. Требования по дизайну.

Требования к цвету окрашенных поверхностей и лакокрасочных материалов соответственно к ГОСТ 9.032-76 та ГОСТ 9.104-79 .

4. Требования к условиям транспортировки.

Упаковка должна обеспечивать сохранение изделия при транспортировке всеми видами транспорта на любые расстояния.

5. Требования по безопасности изделия.

Блок не должен быть источником пожара, отравляющих газов, как при исправной работе, так и в случаях отказа.

Возникновение отказа не должно производить к прекращению электропитания других систем, подключенных к общей электросети.

6. Требования по стандартизации и унификации.

Разработка прибора должна проводиться с учетом максимального использования унифицированных и стандартизировали деталей и узлов. Коэффициент применения на уровне деталей не менее 50 %.

7. Требования к технологичности конструкции.

Разработка элементов конструкций изделия должна проводиться с максимальным использованием прогрессивных технологических методов изготовления и обработки, типичных технологических процессов согласно ЕСТП.

Содержание

Вступление 4

Раздел 1. Техническая часть 7

1.1. Обоснование обеспечения условий ТЗ 7

1.2. Обзор аналогов изделия 8

1.3. Описание структурной схемы 9

1.3.1. Обзор и анализ структурных схем систем бесперебойного питания 9

- ИБП резервного типа (Off-Line или standby) 10

- линейно-интерактивный ИБП (Line-Interactive) 11

- ИБП с двойным преобразованием напряжения (On-Line) 12

1.3.2. Описание структурной схемы источника бесперебойного питания 14

1.4. Описание схемы электрической принципиальной 18

1.4.1. Зарядное устройство 18

1.4.2. Преобразователь постоянного напряжения 20

1.4.3. Стабилизатор напряжения 300В 22

1.4.4. Выходной инвертор 23

1.4.5. Схема байпаса 23

1.4.6. Узел управления 24

1.5. Разработка и расчет узлов схемы электрической принципиальной 26

1.5.1. Электрический расчет схемы зарядного устройства 26

1.5.2. Электрический расчет схемы импульсного стабилизатора напряжения 41

1.5.3. Электрический расчет входного и выходного фильтров 52

1.6. Обоснование выбора элементов схемы 60

1.6.1. Выбор резисторов 61

1.6.2. Выбор конденсаторов 65

1.6.3. Выбор индуктивностей и трансформаторов 69

1.6.4. Выбор активных элементов 70

1.7. Расчет печатной платы 72

1.7.1. Расчет площади печатной платы 72

1.7.2. Расчет параметров металлизированных отверстий 74

1.7.3. Расчет ширины печатных проводников 77

1.8. Тепловой расчет 78

1.9. Расчет надежности устройства 80

Раздел 2. Экономический расчет 84

2.1. Анализ ринка 84

2.2. Расчет уровня яркости 85

2.2.1. Основные технические параметры устройства 85

2.2.2. Определение важности показателей 85

2.3. Расчет себестоимости устройства 91

2.3.1. Расчет расходов на закупку материалов 92

2.3.2. Расчет расходов на покупные изделия и полуфабрикаты 93

2.3.3. Расчет основной заработной платы 96

2.3.4. Дополнительная зарплата работников 97

2.3.5. Начисление заработной платы 97

2.3.6. Общепроизводственные расходы 97

2.3.7. Административные расходы 98

2.3.8. Расходы на сбыт 98

2.4. Определение цены изделия 99

2.4.1. Нижняя граница цены 99

2.4.2. Верхняя граница цены 100

2.4.3. Договорная цена 101

2.4.4. Определение объема производства продукции 101

Раздел 3. Охрана труда 104

3.1. Анализ вредных и опасных производственных факторов 104

3.2. Характеристика параметров рабочего помещения 105

3.3. Расчет естественного освещения 107

3.4. Расчет искусственного освещения 110

3.5. Оценка санитарных норм условий труда при пайке 112

3.6. Электробезопасность 113

3.7. Пожарная безопасность помещения 114

Выводы 118

Список литературы 119

Вступ.

В даний час спостерігається збільшення потреби у високошвидкісних центрах обробки даних, системах телекомунікаційного звязку в реальному масштабі часу і застосуванні систем з безперервним автоматичним технологічним процесом. Зростання потреби в такому устаткуванні поряд із забезпеченням великою кількістю різноманітних можливостей висуває вимоги до їхніх джерел електроживлення.

Незважаючи на те, що при генерації електроенергії сигнал має чудову форму, у той момент, коли електроживлення досягає споживача, його якість далека від ідеального. Більшість типів перекручувань неприпустимі, наприклад, значні провали напруги і коливання частоти, що можуть призвести до непоправних втрат, викликаних ушкодженням устаткування в сполученні c неможливістю його подальшого використання по призначенню. Звичайно ж фінансові наслідки цього можуть бути просто страшними, впливаючи не тільки на поточну роботу, але, що є серйознішим, і на розвиток бізнесу в майбутньому.

При проектуванні радіоелектронної апаратури, одним з основних критеріїв економічності є зниження споживаної пристроєм потужності (зокрема, застосування нових технологій дозволило скоротити на кілька порядків споживання енергії побутовою апаратурою в порівнянні навіть з десятком років тому).

За минулі більш ніж 100 років від моменту появи першого електронного пристрою (радіо А.С.Попова) до наших днів змінилось кілька поколінь електронних пристроїв, що мають принципові відмінності по функціональних можливостях, типу застосовуваної елементної бази, конструктивно-технічному рішенню і т.д. Це рівною мірою відноситься до радіоелектронної апаратури побутового призначення, так і системам керування складними технічними обєктами, такими як повітряні лайнери, космічні апарати та ін. Однак кожен вид електронних засобів, будь це компютер, схема керування роботою системи життєзабезпечення, програвач компакт дисків чи радіолокаційна станція всі вони мають пристрій який забезпечує електроживленням всіх елементів (електронних ламп, транзисторів, мікросхем), пристроїв які входять до тієї чи іншої системи. Отже наявність джерела живлення в будь-якому пристрої річ цілком очевидна і вимоги до нього досить великі, адже від його якісної роботи залежить робота пристрою в цілому. Особливу увагу на живлення стали звертати при побудові складних цифрових пристроїв (персональний компютер чи будь-яка інша мікропроцесорна техніки) де виникла потреба забезпечення цих пристроїв безперервним і найголовніше - якісним живленням. Пропадання напруги для пристроїв цього класу може бути фатальним: медицинські системи життєзабезпечення потребують постійної роботи комплексу пристроїв, і вимоги до їх живлення дуже суворі; системи банківського захисту і охоронні системи; системи звязку і передачі інформації.

При створенні електронного пристрою окремого класу і призначення (електронно-обчислювальні машини, медична і побутова електронна техніка, засоби автоматизації) чи джерело системи забезпечення гарантованого живлення можуть бути підібрані з тих, які серійно випускаються промисловістю. У деяких країнах існують фірми, що спеціалізуються на промисловому випуску Джерел безперервного живлення, і споживач має можливість вибрати той, котрий йому найбільше підходить. Однак, якщо по в експлуатаційному, конструкторському чи іншому розуміннях джерела безперебійного живлення, що випускаються серійно, не задовольняють потреб споживача, необхідно розробити новий, з урахуванням усіх правил і обмежень, специфічних для цього виду.

Темою даного проекту є розробка джерела безперервного живлення яке б було універсальним. Універсальність його заключається в тому, що він би міг використовуватись в будь-якій апаратурі потужністю до 600 Вт починаючи з персонального компютера і закінчуючи медичною апаратурою. Причина побудови джерела - це можливість його використання в будь-якій апаратурі, для якої є важливим фактором мати саме синусоїдальну напругу, напругу яка б при роботі джерела від мережі чи від внутрішніх батарей немала б провалів напруги при переході роботи з одного в інше.

Розділ 1. Технічна частина.

1.1. Обґрунтування забезпечення умов ТЗ.

Виходячи з призначення проектованого пристрою і специфіки області його застосування розглянемо основні критерії, згідно яким буде вестися подальша розробка.

Отже, до основних критеріїв розробки джерела безперебійного живлення варто віднести надійність і стійкість до зовнішніх впливів (зокрема до вібраційних і ударних навантажень).

Для підвищення надійності блоку, при його проектуванні, пропонується:

- забезпечити легкі електричні, теплові робочі режими детелей та матеріалів конструкції, їх правильний вибір;

- забезпечити надійний захист від зовнішніх та внутрішніх дестабілізуючих факторів;

- широко використовувати ІМС, а також стандартні компоненти;

- забезпечити ремонтоздатність виробу, використавши функціонально-вузловий метод конструювання.

На ранній стадії процес проектування заключатися в постійній реорганізації системи з підбором технології електроживлення. Перерахуємо фактори, що впливають на цей етап:

- вартість;

- маса та розміри;

- коефіцієнт корисної дії блока живлення;

- вхідна напруга;

- термін дії акумуляторної батареї;

- необхідна якість вихідної напруги;

- час, необхідний для виходу продукції на ринок.

З метою забезпечення естетичних та ергономічних показників пропонується використовувати сучасний дизайн.

Для забезпечення заданих кліматичних та механічних вимог пропонується використати елементну базку та матеріали, враховуючи граничні зовнішні впливи, забезпечити при конструюванні та проектуванні їх захист від зовнішніх впливів, які негативно впливають на працездатність виробу.

1.2. Огляд аналогів виробу.

Одним із аналогів нашого виробу є ДБЖ PW5125RM та PW5115RM виробництва фірми Powerware. Віни також призначені для кріплення в серверну стійку та мають вихідну потужність 1000ВА. Інші технічні характеристики можна привести в вигляді таблиці.

Характеристики ДБЖ. Таблиця 1.2.1.

Дані ДБЖ мають хороші параметри та високу ціну. Туму виникає необхідність у дешевих і надійних ДБЖ. В дипломному проекті проведено розробку саму такого пристрою.

1.3. Опис структурної схеми.

1.3.1. Огляд і аналіз структурних схем систем

безпребійного живлення.

Джерело безперебійного живлення - автоматичний пристрій, що забезпечує нормальне живлення навантаження при повному зникненні струму з зовнішньої електромережі в результаті аварії або неприпустимо високому відхиленні параметрів напруги в мережі від номінальних значень і використовує для аварійного живлення навантаження енергію акумуляторних батарей.

Розглянемо декілька основних типів побудови структурних схем ДБЖ:

1. ДБЖ резервного типу.

2. Лінійно-інтерактивне ДБЖ.

3. ДБЖ з подвійним перетворенням енергії.

ДБЖ резервного типу (Off-Line або standby)

Рис. 1.3.1. ДБЖ типу Off-Line.

Джерело безперебійного живлення, виконане за схемою з комутуючим пристроєм, що у нормальному режимі роботи забезпечує підключення навантаження безпосередньо до зовнішньої електромережі, а в аварійному переводить її на живлення від акумуляторних батарей. Перевагою ДБЖ резервного типу є його простота і невисока вартість, а недоліком - ненульовий час перемикання (~4 мс) на живлення від акумуляторів та більш інтенсивна їхня експлуатація, тому що джерело переводиться в аварійний режим при будь-яких несправностях в електромережі.

ДБЖ резервного типу, як правило, мають невелику потужність і застосовуються для забезпечення гарантованого електроживлення окремих пристроїв (персональних компютерів, робочих станцій, офісного встаткування) у регіонах з гарною якістю електричної мережі.

Лінійно-інтерактивне (Line-Interactive) .

Джерело безперебійного живлення, виконане за схемою з комутуючим пристроєм (Off-Line), доповненої стабілізатором вхідної напруги на основі автотрансформатора з перемикаючими обмотками.

Рис. 1.3.2. ДБЖ типу Line-Interactive.

Основна перевага лінійно-інтерактивного ДБЖ у порівнянні із джерелом резервного типу полягає в тому, що воно здатне забезпечити нормальне живлення навантаження при підвищеній або зниженій напрузі електромережі (найпоширеніший вид несправностей у вітчизняних лініях електропостачання) без переходу в аварійний режим. У підсумку продовжується термін служби акумуляторних батарей. Недоліком лінійно-інтерактивної схеми є ненульовий час перемикання (~4 мс) навантаження на живлення від батарей.

По ефективності лінійно-інтерактивні ДБЖ займають проміжне положення між простими й відносно дешевими резервними джерелами (Off-Line) і високоефективними, але і дорожчими джерелами із подвійним перетворенням енергії (On-Line). Як правило, лінійно-інтерактивні ДБЖ застосовують для забезпечення гарантованого живлення персональних компютерів, робочих станцій, файлових серверів, вузлів локальних обчислювальних мереж й офісного встаткування. Автоматичний регулятор напруги, побудований на основі автотрансформатора з перемикаючими обмотками. Застосовується в ДБЖ, зібраних за лінійно-інтерактивною схемою, для ступінчатого коректування вхідної напруги убік його підвищення. Число обмоток регулятора визначає діапазон вхідних напруг, при яких ДБЖ забезпечує нормальне живлення навантаження без переходу в аварійний режим роботи. В ДБЖ такої структури всередньому такий діапазон припустимої зміни вхідної напруги становить від -20% до +20% від номінального значення 220.

ДБЖ з подвійним перетворенням енергії (On-Line)

Джерело безперебійного живлення, в якому вхідна змінна напруга спочатку перетворюється випрямлячем у постійну, а потім за допомогою інвертора знову в змінну - є джерелом з подвійним перетворенням енергії (On-Line). Акумуляторна батарея постійно підключена до виходу випрямляча і входу інвертора і живить останній в аварійному режимі.

Рис. 1.3.1. ДБЖ типу On-Line.

Така схема побудови ДБЖ дозволяє забезпечити практично ідеальне живлення навантаження при будь-яких неполадках у мережі (включаючи фільтрацію високовольтних імпульсів та електромагнітних завад) і характеризується нульовим часом перемикання в аварійний режим без виникнення перехідних процесів на виході пристрою.

До недоліків схеми з подвійним перетворенням енергії варто віднести її порівняльно велику складність, більш високу вартість.

ДБЖ типу On-Line застосовують у тих випадках, коли за тих або інших причинах потрібні підвищені вимоги до якості електроживлення навантаження, якими можуть бути вузли локальних обчислювальних мереж (мережне встаткування, файлові сервери, робочі станції, персональні компютери), устаткування обчислювальних залів, системи керування технологічним процесом.

За схемою з подвійним перетворенням (On-Line) побудовані, наприклад, моделі PW5125RM компанії Powerware. Вони оснащені плавним стабілізатором вхідної напруги, завдяки якому діапазон припустимих значень вхідної напруги, при яких джерело не переходить на живлення від батарей, становить 166 ... 276В.

В таких схемах присутній режим Bypass, живлення навантаження відфільтрованою напругою електромережі в обхід основної схеми ДБЖ. Перемикання в режим Bypass, підтримуваний внутрішньою схемою ДБЖ або спеціальним зовнішнім модулем, може виконуватися автоматично або вручну. ДБЖ, що має відповідну вбудовану схему, автоматично переходить у режим Bypass по команді пристрою керування при перевантаженні вихідних ланцюгів або при виявленні несправності в важливих вузлах. У такий спосіб навантаження захищається не тільки від збоїв у живильній електромережі, але й від неполадок у самому ДБЖ. Можливість ручного включення режиму Bypass передбачається на випадок проведення профілактичного обслуговування ДБЖ або заміни його вузлів без відключення навантаження.

Оскільки, як видно з вище сказаного, схема типу Off-Line є найбільш простою та дешевою, то і розроблюваний у даному дипломному проекті пристрій забезпечення безперебійного живлення теж побудований за цим принципом. Проте, вдосконалення функціональної схеми та характеристик дозволить мати більш затребуваний та конкурентно-спроможний виріб з кращими параметрами експлуатації і меншою ціною, ніж аналоги.

1.3.2. Опис структурної схеми джерела безперебійного живлення.

Структурна схема джерела безперебійного живлення представлена в графічній частині на аркуші РТ01.430127.001 Э1.

Побудова систем безперебійного живлення залежить від вирішуваними ними задач. В деяких випадках необхідно якнайменший час переключення навантаження на живлення від АБ чи навпаки. В інших потрібно забезпечити довготривалу роботу від АБ, при цьому час переключення не являється критичною величиною. Тобто, можна сказати, що для кожного конкретного випадку потрібно вирішувати іншу технічну задачу.

Розроблюваний блок для забезпечення безперервного живлення різноманітних пристроїв (серверів, персональних компютерів, модемів та ін.) стабілізованою напругою 220В, 50Гц.

Система призначена для живлення пристроїв, що мають імпульсні джерела живлення. Це дозволяє зменшити вимоги щодо розробки нашого приладу, так як імпульсні джерела живлення здатні працювати в мережі ± 20% від нормального значення. Ще однією перевагою є здатність їх працювати від мережі, що мають не синусоїдальну характеристику напруги (апроксимована синусоїда, квазі синусоїда).

Розглянемо основні блоки, що входять до складу пристрою:

1. Пристрій комутацій.

2. Мережевий фільтр.

3. Зарядний пристрій.

4. Акумуляторна батарея.

5. Перетворювач постійної напруги в постійну.

6. Стабілізатор постійної напруги.

7. Перетворювач постійної напруги в змінну.

8. Пристрій комутацій байпас.

9. Датчик струму.

10. Вихідний фільтр.

11. Датчик температури.

12. Інтерфейс.

13. Пристрій індикації.

14. Пристрій керування роботою ДБЖ.

Для забезпечення роботи та функціонування всіх частин ДБЖ, необхідна ланка, котра здійснювала б звязок між всіма цими частинами. Можна розглянути декілька видів таких схем :

1. Аналогові системи, операції регулювання в яких здійснюються шляхом порівняння, підсилення, перетворення аналогових сигналів. Похибка установки параметрів в такій системі сильно залежить від параметрів активних і пасивних елементів схеми. Такі системи використовуються, в основному в недорогих пристроях.

2. Цифрові системи, операції керування проводяться над цифровими величинами, отриманими із аналогових сигналів шляхом оцифровування аналого-цифровими перетворювачами (АЦП). Точність таких систем набагато вища за рахунок використання математичного апарату числення.

3. Комбіновані, операції керування та регулювання в яких виконуються або аналоговими, або цифровими пристроями.

В нашому випадку система керування роботою ДБЖ побудована на мікроконтролері ATTiny26. Він представляє собою високопродуктивний контролер з функціями багатоканального аналого-цифрового перетворювача. Ввід та вивід інформації в МК може здійснюватись як в аналоговому так і в цифровому вигляді. Використовування новітніх розробок, що містять в своєму складі МК, дозволяє набагато спростити схему. Мікроконтролер управляє роботою як схеми управління так і роботою всього пристрою.

Схема управління здійснює підключення ДБЖ до мережі, подаючи відповідну команду включення на пристрій комутацій, здійснює управління переключенням навантаження на живлення від мережі чи від АБ, слідкує за напругою на АБ. Якщо напруга на АБ стає меншою за 10,5В, то здійснюється аварійне відключення ДБЖ. Аварійне відключення здійснюється також, коли температура навколишнього середовища виходить за межі допустимої. Для вимірювання температури використовується датчик температури. На пристрій управління роботою ДБЖ поступає інформацію величини напруги в мережі. Обробляючи цю інформацію МК виробляє відповідні сигнали управління для інших вузлів, складових блоку.

Для вимірювання вихідної потужності використовується датчик струму. Якщо через датчик протікає струм більший допустимого, то схема управління відключає навантаження. Це забезпечує захист від виходу з ладу пристрою перетворення постійної напруги в змінну.

Особливо велике значення в ДБЖ має наявність звязку з ПК. Це дозволяє оператору (адміністратору) слідкувати за станом мережі, АБ та всієї роботи ДБЖ. В даному випадку використовується стандартний інтерфейс звязку МК та ПК - RS-232. Це дозволяє здійснювати дистанційний моніторинг ДБЖ та безпечне завершення роботи ПК при аварії чи довготривалій відсутності напруги в мережі.

Вхідна напруга 220В, 50Гц поступає через пристрій комутацій та мережевий фільтр на зарядний пристрій та пристрій та пристрій комутації бай пас.

Мережевий фільтр призначений для запобіганню попаданню завад, що виникають при роботі ДБЖ в мережу, тобто захисту споживачів від електромагнітних завад.

Зарядний пристрій забезпечує зарядку АБ при наявності напруги мережі, тобто при нормальній роботі ДБЖ, забезпечуючи тим самим постійну готовність до роботи ДБЖ в автономному режимі. Пристрій перетворює напругу мережі у стабілізовану постійну напругу. Величина напруги заряду постійно контролюється МК. Це тим самим дозволяє правильно експлуатувати батареї. Досить велика вихідна потужність зарядного пристрою дає плюс при роботі ДБЖ з значно заниженою вхідною напругою пристрою, що знаходиться в діапазоні від 90В до 185В. При такій вхідній напрузі частина вихідної потужності джерела забезпечується роботою зарядного пристрою, що набагато подовжує роботу навантаження під час несправностей в мережі.

Перетворювач постійної напруги в постійну виконує роль перетворювача постійної напруги 120В в постійну 200В. Даний пристрій побудований по схемі імпульсного перетворювача з ШІМ. Напруга на його виході постійна, але не стабілізована, тобто залежить від зміни вхідної напруги. Для стабілізації використовується стабілізатор постійної напруги. Стабілізатор побудований по схемі однотактного імпульсного підвищуючого стабілізатора. Напруга на акумуляторі змінюється в межах 10,5...13,8В, а вихідна ДБЖ повинна залишатись стабільною.

Перетворювач постійної напруги в змінну здійснює формування вихідної стабілізованої напруги 220В, 50Гц. Управління та синхронізацію даного пристрою з мережею здійснює пристрій керування ДБЖ.

Вихідний фільтр служить фільтрації електромагнітних завад та запобіганню їх попаданню навантаження.

Алгоритм роботи ДБЖ приведений в графічній частині проекту.

1.4. Опис схеми електричної принципової.

Схема електрична принципова представлена в графічній частині дипломного проекту на аркуші РТ01.430127.001Э3.

Відповідно до структурної схеми, джерело безперебійного живлення складається з кількох функціональних вузлів. Розглянемо кожен з них окремо.

1. Зарядний пристрій

Зарядний пристрій побудований по однотактній зворотньоходовій схемі перетворення енергії.

Управляючою мікросхемою є IMS UC3842 фірми Fairchild. Функціональна схема IMS UC3842 приведена на рис. 1.4.1. Принцип роботи заклечається в наступному: на діодний VD1 подається змінна напруга мережі 220В. Після VD1 на згладжуючому конденсаторі маємо постійну напругу 306В. Початковий запуск роботи IMS VC2 відбувається через резистор R41. Далі при нормальному режимі роботи DA1 живиться від додаткової обмотки W3 трансформатора Т2. Напруга знята з W3 випрямляється діодом VD8 та згладжується ємнісним фільтром побудованому на конденсаторах С24, С25. Величина напруги живлення IMS складає 12В.

Після подачі живлення на 8 виводі DA2 встановлюється опорна напруга 5В. На вхід тактового генератора, через інтегруючу ланку R14C11 подається сигнал 5В.

Рис. 1.4.1. Функціональна схема UC3842.

На 6 виводі DA2 встановлюється високий потенціал (12В), який через резисторний дільник R27R29 поступає на затвор польового транзистора VT1. Транзистор VT1 включається коли потенціал між затвором і витоком складає більше 4В. При включенні VT1 через обмотку W2, транзистор VT1, резистор R30 починає протікати струм. Резистор R30 являється вимірювальним резистором. З його виводів знімаємо сигнал про величину струму, що протікає через транзистор і первинну обмотку трансформатора Т2. Цей сигнал поступає через R28 на вхід з DA2. Даний вхід являється прямим входом внутрішнього компаратора по струму. На вхід 1 DA2 подається сигнал зворотного звязку по напрузі. Цей сигнал подається на інвертуючий вхід від компаратора по струму. При досягненні порогового рівня на вході компаратора виробляється сигнал на виключення вхідного транзистора.

Струм через первинну обмотку Т2 наростає лінійно, але при включенні і виключенні транзистора виникають викиди струму. Ці викиди можуть призводити до самовільного включення і виключення ІМС. Для запобігання цьому явищу ставиться RC фільтр. Рис. 1.4.1.

Рис. 1.4.1. Схема компаратора струму з RC-фільтром.

Після включення транзистора починається етап передачі енергії накопленої в трансформаторі в навантаження. Напруга знята з обмотки W1, Т2 випрямляється діодом VD11 та фільтрується ємнісним фільтром С35, С36.

Схема стабілізації вихідної напруги побудована на управляючому стабілітроні VD12-TL431.

Резистори R56, R57, R58 утворюють резисторний дільник, величиною опорів якого, в загальному, виставляється значення вихідної напруги зарядного присторою. Резистор R54 є струмообмежуючим резистором для стабілітрона VD12 та оптрона U1.2.

2. Перетворювач постійної напруги в постійну

Даний вузол призначений для перетворення постійної напруги 12В у постійну напругу 300В. Вихідна напруга даного перетворювача є нестабілізованою, при U_вх=13,8В, U_вих=300В при U_вх=10,5В, U_вих=225В.

Тому для нормальної роботи ДБЖ потрібна падальна стабілізація U_вих.

Даний перетворювач побудований на мікросхемі S63525А, функціональна схема якої приведена на Рис. 1.4.3.

Рис. 1.4.3. Функціональна схема SG3525.

З виходів мікросхеми (виводи 14 та 11) прямокутні імпульси поступають на трансформатор Т1. На вторинних обмотках трансформатора імпульси будуть двохполярні з скважністю 0,9.

Резисторно - конденсаторні ланки С23R31 та С27R32 призначені для того, щоб збити амплітуду викидів при переключеннях.

Сам перетворювач побудований по схемі з плаваючою середньою точкою. Пари силових транзисторів VT4, VT5 та VT6, VT7 включаються по черзі з щілинністю майже 0,5. Такий режим вибраний з метою зменшення викидів при переключенні, та отриманню симетрії в кожен період переключення. З вторинної обмотки прямі імпульси випрямляються діод ними мостом VD17, VD18, VD19, VD20 та згладжується фільтром С1L1, С2С4, С3С5. З вторинної обмотки Т3 також беруться додаткові напруги живлення 9В та 18В, гальванічно розвязані між собою. Стабілізація цих напруг проводиться стабілітроном VD21 VD22 VD23 VD24.

Мікросхема VD1 включена по типовій схемі включення. Ланкою С7,R1 визначається вихідна частота. Живлення вихідних каскадів ІМС проводиться через R15. С12, С13 призначені для фільтрації напруги живлення ІМС. Дистанційне керування роботою перетворювача проводиться через 10 вивід DA1 від мікроконтроллера.

3. Стабілізатор напруги 300В

Даний стабілітрон побудований по схемі однотактового підвищуючого перетворювача. Схема побудована на ІМС UC3842. Принцип роботи заклечається в наступному: при подачі живлення на DA4 на її вихід (вивід 6) подається імпульс амплітудою 9В, який через дільник R18R33 поступає на затвор VT2 і відкриває його коли транзистор відкритий через L2 VT2 R34 протікає струм. Індуктивність L2 накопляє енергію. При досягненні певного рівня сигналу, що знімається з вимірювального резистору R34, на виході DA1 зявляється логічний нуль. Наступний імпульс зявиться при новому циклі тактового генератора. Зворотній звязок по напрузі здійснюється через резисторну ланку R11, R8, R9.

Оскільки для утворення спільної точки з напругою мережі утворено ємнісний дільник С2С4, С3С5 то вузол на DA4 стабілізує додатню півхвилю вихідної напруги, а вузол на DA5 - відємну.

Елементи схеми підібрані таким чином, що вхідній напрузі 300В на виході теж 300В, тобто стабілізація не потрібна. По мірі зменшення напруги на акумуляторі, на виході перетворювача постійної напруги в постійну також напруга буде зменшуватись, а вузол стабілізації її буде стабілізувати до 300В. Оскільки заземлені виводи DA5 підключені до мінусової напруги, яку потрібно стабілізувати, а стабілізацію потрібно здійснювати відносно нульової шини, то тут використовується ще додатковий вузол на DA3.

4. Вихідний інвертор

Вихідний інвертор побудований по півмостовій схемі. Навантаження підключається до середньої точки конденсаторного дільника C2 C4, C3 C5 та виходу інвертора (колектор VT13).

Ключовими елементами каскаду є силові транзистори VT12, VT13. керування роботою здійснюється за допомогою мікроконтроллера.

Даний вузол забезпечує дуже хороше наближення напруги до синусоїдальної. Це дозволило виконати два силових ключа VT12, VT13 на біполярних транзисторах з ізольованим затвором (IGBT), котрі працюють в лінійному режимі. Їх почерговим відкриттям керують прямокутні імпульси, що поступають в протифазі від контролеру DD1. Ці імпульси проходять ланки, що формують з них сигнал, який подібний по формі до півперіода синусоїди і подаються на затвори VT12, VT13.

Індуктивність L4 забезпечує згладжування фронтів вихідних імпульсів з інвертора.

5. Схема байпасу

Схема байпасу призначена для швидкого перемикання навантаження на роботу від мережі або на роботу від акумуляторної батареї. Перемикання здійснюється за допомогою реле K1, яке керується мікро контролером. Конденсатори C52, C53 служать запобіганню виникнення іскри і підгорянню контактів реле при переключеннях.

Для забезпечення кращої форми вихідної напруги та запобіганню попадання електромагнітних завад від ДБЖ в навантаження служить фільтр C56, L6, C59.

6. Вузол керування

Вузол керування роботою ДБЖ виконаний на мікроконтролері DD1-ATTiny 261. Функціональна схема контролера приведена на рис. 1.4.4.

Рис. 1.4.4. Функціональна схема ATTiny26.

Для синхронізації роботи ДБЖ з мережею використовується вимірювальний трансформатор T4, вихідний сигнал з якого випрямляється та подається на входи АЦП мікроконтролера. Для вимірювання струму який споживається навантаженням використовується трансформатор струму T5. Його вихідний сигнал випрямляється і подається на вхід АЦП мікроконтролера. Загальний алгоритм роботи МК вписується в алгоритм роботи всього ДБЖ.

Після включення вмикача SA1 („Вкл.”) на вхід DA6 поступає постійна напруга з акумулятора. DA6 формує на виході +5В, необхідних для живлення мікроконтролера.

Мікроконтролер, після подачі на нього живлення, починає проводити вимірювання напруги акумуляторної батареї, а також вмикає реле K2, тим самим підєднавши ДБЖ до мережі. Далі МК вимірює напругу мережі. Якщо напруга мережі не в межах норми, то МК дає команду на перемикання на роботу від акумулятора. Коли ж ні напруга акумулятора, ні напруга мережі не відповідає нормам, то МК здійснює повне відключення навантаження від мережі.

При нормальному функціонуванні від мережі МК постійно слідкує за мережею і підганяє фазу вихідного сигналу від інвертора до фази сигналу з мережі. Це потрібно для того, щоб у разі зникнення напруги мережі переключення на роботу від АБ пройшло з найменшими втратами.

Відповідно при відновленні напруги в мережі, МК спочатку робить підгонку фази вихідного сигналу з інвертора до сигналу з мережі, а тільки потім відбувається переключення на роботу від мережі.

Для запобігання попадання завад з ДБЖ у мережу поставлений мережевий фільтр C54, C55, C56, L5, C58.

Звязок мікроконтролера з ПК здійснюється через стандартний інтерфейс RS-232 (Com port). Інтерфейс виконаний з оптоізоляцією, що збільшує електробезпеку при роботі з ДБЖ.

Для індикації режимів роботи ДБЖ використовується індикатори HL1 - „Мережа”, HL2 - „~220В”, HL3 - „АБ ?10.5В”.

1.5. Розробка и розрахунок окремих вузлів

схеми электричної принципової.

1.5.1. Електричний розрахунок схеми зарядного пристрою.

За базову схему для зарядного пристрою візьмемо схему однотактного зворотно ходового перетворювача напруги.

Рис. 1.5.1 Принципова схема зарядного пристрою.

Це доцільно тим, що потрібно відносно невелику потужність Р_вих.=100Вт для того, щоб заряджати акумулятори. Також ця схема приваблива простотою та дешевизною, порівняно з такими схемами як півмостова чи прямоходова. Скористаємося методикою розрахунку представленою в [5].

Вихідні дані для розрахунків. Таблиця 1.5.1.

Розрахуємо характеристики вхідного діодного моста та конденсатора.

Максимальна вхідна потужність:

;

Знайдемо максимальне значення струму через діод ний міст VD1:

;

Розрахуємо максимальне значення напруги на діодному мосту:

;

Знайдемо параметри вхідного конденсатора C6:

;

,

де: V_DCminPK мінімальне амплітудне значення вхідної напруги, V_DCmin мінімальне значення вхідної напруги з урахуванням пульсацій.

Знайдемо час розряду конденсатора C6 за половину періоду:

;

Розрахуємо потужність, що береться з конденсатора за час розряду:

;

Знайдемо мінімальне значення ємності C6:

;

Розрахунок трансформатора T2

Знайдемо максимальний струм через первинну обмотку трансформатора T2:

,

де D_max=0,5, скважність імпульсів на первинній обмотці.

Розрахуємо максимальний струм через демпферний діод VD7:

;

Визначимо початкову індуктивність первинної обмотки при максимальному циклі:

;

Виберемо тип осердя трансформатора з продукції фірми Epcos. Вибираємо осердя : E3211619

Параметри осердя . Таблиця 1.5.2.

Знайдемо кількість витків первинної обмотки :

,

Приймаємо N_p рівним 24 витки.

Визначимо кількість витків вторинної обмотки :

,

де: V_FDiode спад напруги на діоді. Візьмемо N_S=4 витки.

Знайдемо кількість витків додаткової обмотки :

;

Приймаємо N_AUX=4 витки.

Розрахуємо реальну індуктивність первинної обмотки:

;

Знайдемо максимальний реальний струм через первинну обмотку T2 :

;

Вирахуємо максимальну реальну індукцію трансформатора:

, B<B_max ;

Знайдемо площу перерізу з урахуванням кількості витків обмотки N_p:

;

Конструкція трансформатора для осердя E3211619:

З таблиці даних осердя E3211619 : BW_max=20,1мм - максимальне значення ширина обмотки з осердям ; М=4мм мінімальна рекомендована значення ширини обмотки з осердям.

Визначимо ефективне значення ширини обмотки з осердям:

,

Вибираємо коефіцієнт заповнення вікна трансформатора обмотками :

Первинна - 0,5

Вторинна - 0,45

Допоміжна - 0,05

Коефіцієнт заповнення міді з таблиці даних осердя : f_Cu=0,2…0,4. Виберемо f_Cu=0,3:

Розрахуємо площу перерізу провідника первинної обмотки T1:

;

Приймаємо діаметр проводу для первинної обмотки d_P=0.64мм (22 AWG)

Розрахуємо площу перерізу провідника вторинної обмотки T1:

.

Приймаємо діаметр провідника d_S=2Ч0,8 мм (2Ч20 AWG).

Розрахуємо площу перерізу провідника додаткової обмотки:

Приймаємо діаметр провідника d_AUX=0,64мм (22 AWG).

Розрахуємо параметри вихідного діода VD11.

Визначимо максимальну зворотню напругу на діоді:

;

Визначимо максимальний імпульсний прямий струм через діод:

;

Визначимо максимальний імпульсний прямий струм через діод з урахуванням коефіцієнта заповнення:

;

Розрахуємо параметри вихідного конденсатора С36.

Максимальна імпульсна нестабільність вихідної напруги напруги V_out=0,5В, при кількості періодів тактової частоти : n_cp=5.

Визначимо максимальний вихідний струм:

;

Мінімальна ємність конденсатора C36 дорівнюватиме :

;

Вибираємо конденсатор на 2200мкФ - 25В.

Розрахунок демпферної ланки : C23,R26,VD7

Знайдемо напругу на демпферні ланці:

,

де V_(BR)DSS - максимально допустима напруга втік-витік транзистора.

Для розрахунку демпферної ланки необхідно знати індуктивність розсіювання (L_LK) первинної обмотки, котра дуже сильно залежить від конструкції трансформатора. Тому приймемо значення індуктивності розсіювання на рівні 5% від первинної обмотки.

.

Знайдемо ємність конденсатора C23 демпферної ланки:

.

Приймаємо С23=470пФ.

Знайдемо опір резистора демпферної ланки R26:

.

Приймаємо R26=1,2кОм.

Розрахунок втрат

Визначимо втрати на діоді VD1:

;

Визначимо опір первинної обмотки:

;

Визначимо опір первинної обмотки:

,

де: з довідника питомий опір міді P₁₀₀=0,0172ОмЧмм²/м.

Визначимо втрати в міді в первинній обмотці:

;

Визначимо втрати в міді в вторинній обмотці:

;

Знайдемо сумарні втрати в первинній та вторинній обмотках трансформатора:

;

Обчислимо втрати на вихідному діоді VD11 :

;

Втрати на силовому транзисторі

З таблиці характеристик транзистора маємо: C₀=50пФ - вихідна ємність втік-витік транзистора; R_DSon=1,6Ом (150 С⁰) - вихідний опір втік-витік транзистора.

Розрахунок проведемо при вхідній напрузі V_DCmin=110В;

Знайдемо втрати при включенні транзистора:

,

де f=100кГц - робоча частота перетворювача.

Знайдемо втрати при виключенні транзистора:

;

Визначимо втрати на опорі втік-витік при відкритому транзисторі:

;

Підрахуємо загальні втрати на транзисторі :

;

Розрахунок ланки зворотнього звязку

З таблиці вихідних даних мінімальна напруга стабілізації керованого стабілітрона TL431 рівна V_REF=2,5В,а його мінімальний струм стабілізації I_kAmin=1мА.

З вихідних даних оптопари TLP521 її спад напруги на діоді V_FD=1,2В; максимальний прямий струм через діод I_Fmax=10мА;

З вихідних даних мікросхеми UC3842 опорна напруга рівна V_Refint=5,5В; максимальна напруга зворотнього звязку дорівнює V_FBmax=4,8В, а внутрішній опір - R_FB=3,7кОм.

Знайдемо максимальний вхідний струм DA2:

;

Розрахуємо мінімальний вхідний струм DA2:

;

Схема ланки зворотнього звязку представлена на рис. 1.5.2.

Рис. 1.5.2. Схема ланки зворотнього звязку на

керованому стабілітроні TL431.

Знайдемо величину опору резистору R56:

,

де R57=4,99кОм, а R58=5кОм - рекомендовані значення з таблиці характеристик TL431.

Визначимо опір резистора R54:

,;

Рис. 1.5.3. Структурна схема всієї ланки звязку.

Розрахуємо перехідні характеристики схеми.

Внутрішній коефіцієнт передачі DA2:

;

Внутрішній коефіцієнт передачі дільника ланки зворотнього звязку :

;

Знайдемо коефіцієнт передачі силової частини:

;

,

де Z_PWM - крутизна характеристики ДV_FB / Дl_D;

Коефіцієнт передачі вихідного фільтра:

,

де R_ESR - ємнісний опір конденсатора.

Коефіцієнт передачі ланки регулятора:

;

Перехідні характеристики при мінімальному та максимальному навантаженні :

Визначимо вихідний опір блока живлення при максимальному навантаженні:

;

Визначимо вихідний опір блока живлення при мінімальному навантаженні:

;

Знайдемо частоту зрізу при максимальному навантаженні:

,

а також мінімальному навантаженні:

;

Коефіцієнт передачі ланки зворотнього звязку :

, ;

Коефіцієнт передачі дільника ланки зворотнього звязку:

;

Вихідний імпеданс на відрізку часу t-_on:

;

;

Коефіцієнт передачі на граничній частоті:

,

де: R_L=3,6Ом - вихідний індуктивний опір, L_P=12,6мкГн - індуктивність первинної обмотки трансформатора, f_g=3000Гц - частота на якій проводиться розрахунок, f₀=76,18 - гранична частота при максимальному навантаженні .

;

;

Загальний коефіцієнт передачі:

;

Оскільки G_S(щ)+G_r(щ)=0, то:

;

Звідси знайдемо коефіцієнт передачі ланки регулятора:

G_r(щ)=0-(- G_S(щ))=17,2дБ;

Коефіцієнт передачі регулятора:

;

;

Звідси знайдемо опір резистора R55:

Нижня частота передачі ланки зворотнього звязку при C37=0:

;

Знайдемо ємність конденсатора C37:

;

1.5.2. Електричний розрахунок схеми імпульсного стабілізатора.

Імпульсний стабілізатор напруги побудуємо по однотактній підвищуючій схемі без гальванічної розвязки - rising transducer.

Схему керування побудуємо на контролері UC3842. Його внутрішня структура показана на рис.4.1.

UC3842 - інтегральна схема, яка призначена для управління и контролю роботи імпульсних стабілізаторів напруги побудованих по різноманітних однотактних схемах: з гальванічною розвязкою - однотактній зворотньоходовій та прямоходовій схемах, без гальванічної розвязки - понижаючого , повишаючого та інвертуючого перетворювачів. Мікроконтролер може безпосередньо керувати роботою силового ключа, контролювати вихідну напругу (стабілізувати її при зміні вхідної напруги.)

Рис. 1.5.4. - Структура контролера UC3842.

Дана мікросхема має наступні можливості:

- блокування роботи при перенапрузі;

- запуск роботи при малому рівні потужності;

стійкий підсилювач помилки;

захист від перенапруги на виході;

перехідний спосіб функціонування;

схема вимірювання струму та напруги;

внутрішній генератор.

Організація живлення мікроконтролера

Прецензійна ширини забороненої межі напруги та струму побудована в середині контролера, щоб гарантувати добре регулювання. Компаратор перенапруження з гістерезисом и дуже низьким струмом живлення дозволяє мінімізувати схему запуску та живлення рис.4.2а. Живлення ІМС береться з вторинної обмотки трансформатора Т3 та стабілізується стабілітроном до рівня 12В рис.4.2б.

а) внутрішній компаратор по живленні.

б) схема підключення по живленні.

Рис. 1.5.5. Схема організації живлення ІМС UC3842.

Тактовий генератор

Тактовий генератор UC3842 (рис. 4.3 ) розрахований на роботу в частотному діапазоні від 10кГц до 1Мгц. В нашому випадку він працюватиме на частоті 100кГц, так як це оптимальна частота для роботи всього перетворювача.

Рис. 1.5.6. Тактовий генератор, форма напруги та робочий цикл.

Розрахуємо значення Rt та Ct:

(4.1.2)

(4.1.2)

де: f=100кГц, - задана робоча частота.

Ct = 0.01мкФ, - рекомендоване значення ємності, вибирається в межах 0.001…0.1 мкФ.

Підсилювач помилки і блок датчика перенапруги.

Вхід підсилювача помилки, через відношення двох зовнішніх резисторів, звязаних з вихідною шиною, що дозволяє за рахунок зворотного звязку підвищувати вихідну постійну напругу тим самим здійснювати регулювання напруги.

Пристрій забезпечено ефективним захистом від перенапруження, реалізовано на тому ж виводі що й регулятор напруги постійного струму.

Коли збільшиться вихідна напруга, відповідно і збільшиться напруга на виводі 2 IMC. Різницеве значення струму протікає через конденсатор. Величина струму визначається всередині мікроконтролера і порівнюється з еталонним значенням 40 мкА. Якщо значення буде перевищено то відповідно це відобразиться на керуванні роботою силового ключа, тривалість імпульсів відкритого стану ключа стає меншим, що призводить до зниження вихідної напруги.

Рис. 1.5.7. Підсилювач помилки.

Компаратор струму и тригер який керує модуляцією перемикань

Рис. 1.5.8. Схема компаратора струму.

Компаратор струму постійно слідкує за напругою на резисторі Rs і порівнює її з опорною напругою (1В) на іншому вході компаратора.

;

;

Вихідний буфер ІМС UC3842.

Схема керування являє собою вихідний буферний каскад, вихідний струм цього каскаду - ±1А. Цей каскад може керувати роботою силового ключа на великій частоті.

Рис. 1.5.9. Вихідний буфер UC3842

Розрахунок елементів імпульсного стабілізатора.

Оскільки імпульсний стабілізатор складається з двох однакових пів плеч (стабілізатор додатної напруги та стабілізатор відємної напруги )то доцільно буде порахувати тільки один із них, розраховані значення елементів перенести на інший. Для розрахунку виберемо стабілізатор додатної напруги.

Вихідні дані для розрахунку для електричного розрахунку:

- Вхідна напруга U_вх = 65...150 В;

- Вихідна напруга U_вих = 150 В;

- Зміна вихідної напруги U = 5В;

- Вихідна потужність Р_вих = 300 Вт;

- Частота перемикання силового ключа f_s = 100 кГц.

Схема коректора потужності приведена на рис.4.8.

Рис. 1.5.10. Схема імпульсного стабіліатора

Розрахунок ємності вхідного конденсатора

Визначимо мінімальну ємність вхідного конденсатора С2:

С_{in LF} Р₀ /(2··f ·V₀·з) (4.10)

де - f - частота перемикання силового ключа (100 кГц)

- V₀ - вихідна напруга (150 В)

- з=0.9 - прогнозований ККД перетворювача

- Р₀ - вихідна потужність - 300 Вт

С_{in LF} = 300 / (2·3,14·25000·0.9·150) =82.7 мкФ

Вибираємо в якості вхідного конденсатора конденсатор ємністю 330мкФ і робочою напругою 400В

Розрахунок ємності вхідного високочастотного конденсатора

Вхідний високочастотний конденсатор фільтра (C4) повинен зменшити шуми, які виникають при високочастотних перемиканнях силового ключа, що в свою чергу викликає імпульси струму в індуктивності.

C_{in HF} = I_rms /(2··f·r·V_{in min}) (4.7)

де - f - частота перемикання (100 кГц);

- І_rms - вхідний високочастотний струм;

- V_{in min} - мінімальна вхідна напруга (65 В);

- r - коефіцієнт високочастотних пульсацій вхідної напруги, який знаходиться між 3 і 9 %. Приймаємо r = 7%.

І_rms = Р_out / U_{in min}; (4.8)

І_rms = 300 / 65 = 4,64 А;

С_in = 4,64/(2Ч3,14Ч100000Ч7Ч65) = 0.0065 мкФ.

Вибираємо в якості вхідного високочастотного конденсатора конденсатор ємністю 0.01мкФ і робочою напругою 400В

Вихідний конденсатор

Визначимо значення ємності вихідного конденсатора:

С₀ Р₀ /(4··V₀ ·V₀) (4.10)

де - V₀ - зміна вихідної напруги (5 В)

- f - частота перемикання силового ключа ( 100 кГц)

- V₀ - вихідна напруга (150 В)

- Р₀ - вихідна потужність - 300 Вт

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

Вибираємо в якості вихідного конденсатор ємністю 220мкФ і робочою напругою 400В

Розрахунок котушки індуктивності

Значення індуктивності котушки розраховується з необхідної потужності яка протікає через останню, і значенню струму пульсацій.

(4.11)

(4.12)

де - - тривалість циклу відкриття, закриття силового ключа;

- І_Lpk - піковий струм котушки індуктивності;

- f - частота перемикання силового ключа;

- V₀ - вихідна напруга.

Тривалість циклу ми можемо визначити за формулою

(4.13)

Значення пікового струму який протікає через індуктивність можемо визначити за формулою:

(4.14)

де - V_{in min} - мінімальне значення вхідної напруги (65В),

Отже значення дорівнює

= (150 - 1,41·65)/150 = 0,389 сек

Значення пікового струму становитиме:

І_Lpk = (2Ч1,41Ч300) / 65 = 13 А

Тоді значення індуктивності яка необхідна для роботи перетворювача напруги:

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

Розрахунок силового ключа.

Вибір керуючого ключа зумовлюється максимальним струмом колектора, робочою напругою та граничною частотою перемикання.

Так як в нас максимальний струм який протікатиме через транзистор складає 13 А, робоча напруга до 200 В, а частота перемикань складає 100 кГц в якості силового ключа обираємо польовийтранзистор К1531.

Його параметри наступні:

- Максимальна напруга U_се - 400 В;

- Постійний струм колектора при Т = 100⁰С І_с - 27 А;

- Падіння напруги в відкритому стані U_се - 1,65 В;

- Максимальна частота перемикань - 160 кГц.

Розрахуємо яка ж потужність буде розсіюватись на транзисторі.

Формула розрахунку втрат наступна

Р = І_с ²·R_се (4.15)

R_се - падіння напруги транзистора в відкритому стані (0.14 Ом)

І_с - струм який протікає через транзистор (13А - з розрахунку максимального пульсуючого струму в котушці індуктивності).

Отже втрати транзистора в відкритому стані становлять

Р_IGBT = 13·0.14 = 23.6 Вт.

Розрахунок вихідних діодів.

Максимальне значення середнього струму виходячи з значення потужності яка має передаватися в навантаження - 300 Вт.

Можна розрахувати:

І = P/U

І = 300/150 = 2A

Діоди вибираємо з наступних умов, що гарантують надійну роботу

І_Dm ? 1,2Імакс

U_Dm ? 1,2Uмакс

Отже виходячи з цих розрахунків обираємо в якості вихідних діодів діод типу MUR860. Параметри діода наступні:

Максимальна зворотна напруга - 500 В;

Максимальний робочий струм - 8 А;

Максимальна допустима температура діода - 150⁰С.

1.5.3. Електричний розрахунок вхідного та вихідного фільтрів.

Природа та джерела електричного шуму.

Боротьба з генеруванням та випромінюванням високочастотного шуму - один із загадкових „чорних ящиків” в проектуванні імпульсних джерел живлення та кінцевого виробу.

Шум створюється всюди, де мають місце швидкі переходи в сигналах напруги чи струму. Багато сигналів, особливо в імпульсних перетворювачах напруги, є періодичними, тобто, сигнал, що містить імпульси з ВЧ фронтами, повторюється з передбачуваною частотою слідування імпульсів (pulse repetition frequency, PRF). Для імпульсів прямокутної форми значення цього періоду визначає основну частоту самої хвилі. Перетворення Фурє хвилі прямокутної форми створює множину гармонік цієї основної частоти подвійного значення часу переднього чи заднього фронту імпульсів. Це типово в мегагерцовому діапазоні, і гармоніки можуть досягнути дуже високих частот.

В імпульсних перетворювачах напруги з ШІМ ширина імпульсів постійно змінюється у відповідь на вихідне навантаження та вхідну напругу. В результаті отримуємо майже розподіл енергії білого шуму з окремими піками і зменшенням амплітуди з підвищенням частоти.

Кондуктивний шум (тобто, шумові струми, що виходять з корпусу приладу через лінії живлення ) може появлятись у двох формах: синфазних завад (common-mode) і завад при диференціальному включенні (differential-mode). Синфазні завади - це шум, який виходить із корпусу тільки по лініям електроживлення, а не лініях заземлення. Завади, при диференціальному включенні - це шум, який можна виміряти тільки між лінією і одним із виводів живлення. Шумові струми фактично витікають через вивід заземлення.

Типові джерела шуму.

Існує декілька основних джерел шуму всередині імпульсного перетворювача напруги з ШІМ, що і створюють більшу частину випромінюваного і кондуктивного шуму.

Джерела шуму є частиною щумових контурів, що представляють собою зєднання на друкованій платі між споживачами ВЧ струму і джерелами струму. Головним джерелом шуму є вхідна схема живлення, що включає в себе ключ, первинну обмотку трансформатора та комденсатор вхідного фільтра. Конденсатор вхідного фільтра забезпечує трапецеїдальні сигнали струму, необхідні для перетворення напруги, оскільки вхідна лінія завжди добре фільтрується з смугою пропускання , яка набагато нижча робочої частоти перетворювача напруги. Конденсатор вхідного фільтра та ключ повинні розміщуватися близько біля трансформатора, щоб мінізувати дожину зєднань. Крім цього, оскільки електролітичні конденсатори мають погані ВЧ характеристики, паралельно їм повинний бути включений керамічний чи плівковий.

Чим гірші характеристики конденсатора вхідного фільтра, тим більше енергію ВЧ струму буде забирати блок із силової лінії, що приведе до виникнення кондуктивних синфазних електормагнітних завад.

Другим основним джерелом шуму є контур, що складається з вихідних діодів, конденсатора вихідного фільтра і вторинних обмоток трансформатора. Між цими компонентами протікають трапецеподібні струми великої амплітуди. Конденсатор вихідного фільтра і випрямляч необхідно розміщувати як можна ближче до трансформатора; для мінімалізації випромінюваного струму. Це джерело також створює синфазні кондуктивні завади, головним чином, на вихідних лініях джерела живлення.

Фільтри кондуктивних електромагнітних завад.

Існує два типи вхідних силових шин. Силові шини постійного струму - це однопровідні силові зєднання, друге плече живлення яких формує заземлення. Іншим типом вхідного зєднання є двох або трьохпровідна система живлення від мережі змінного струму. Проектування фільтру ЕМ завад для систем постійного струму здійснюється в основному в вигляді простого LC-фільтра. Всі завади між одним силовим проводом і замиканням через „землю” є синфазними. Фільтр постійного струму, значно більш складний, оскільки враховує паразитні характеристики компонентів.

Вхідний фільтр кондуктивних ЕМ завад призначений для утримання ВЧ кондуктивного шуму в середині корпусу. Фільтрація ліній входу/виходу також важлива для захисту від шуму внутрішніх схем (наприклад мікропроцесорів, АЦП, ЦАП).

Проектування фільтра синфазних завад.

Фільтр синфазних завад відфільтровує шум, що створюється між двома лініями живлення (H1 і p). Схема такого фільтру приведене нижче на рис.1.5.11.

Рис. 1.5.11. Фільтр синфазних завад.

У фільтрі синфазних завад обмотки котушки індуктивності знаходять в фазі, але змінний струми, що протікають через ці обмотки - у протифазі. У результаті для тих сигналів, що співпадають чи протилежні по фазі на двох лініях електроживлення, синфазний потік всередині сердечника урівноважується.

Проблема проектування фільтра синфазних завад заклечається в тому, що при високих частотах (коли власне і потрібна фільтрація) ідеальні характеристики компонентів спотворюються через паразитні елементи. Основним паразитним елементом є міжвиткова ємність самого дроселя. Це невелика ємність, яка існує між всіма обмотками, де різниця напруг (В/виток) між витками веде себе подібно конденсатору. Цей конденсатор при високій частоті діє як шунт навколо обмотки і дозволяє ВЧ змінному протікати в обхід обмоток. Частота, при якій це явище є проблемою, вища частоти авторезонансу обмотки.

Між індуктивністю самої обмотки і цією розподіленою міжвитковою ємністю формується коливальний контур. Вище точки авто резонансу вплив ємності стає більшим від впливу індуктивності, що знижує рівень затухання при високих частотах.

Частотна характеристика фільтра зображена на рис. 1.5.12.

Рис. 1.5.12. Частотна характеристика фільтра.

Цей ефект можна зменшити, використавши Cx більшої ємності. Частота авторезонансу є тією точкою в якій проявляється можливість найбільшого затухання для фільтра. Таким чином, шляхом вибору методу намотки обмоток індуктивності, можна розмістити цю точку поверх частоти, яка потрібна для найкращої фільтрації.

Щоб почати процес проектування необхідно виміряти спектр не фільтрованого кондуктивного шуму або прийняти по відношенню до нього деякі припущення. Це необхідно для того, щоб знати яким повинно бути затухання і на яких частотах.

Приймемо, що нам необхідно 24дБ затухання на частоті переключення перетворювача напруги.

Визначимо частоту зрізу характеристики фільтра:

,

де G_ж - затухання;

,

де: f_c- - бажана частота зрізу характеристики фільтра, f_sw- робоча частота перетворювача напруги. У нашому випадку f_sw=100кГц, затухання G_ж= -24дБ.

Вибір коефіцієнта затухання

Мінімальний коефіцієнт затухання (ж) не повинен бути менше 0,707. Менше значення приведе до „звону” і не дасть менше 3дБ затухання на частоті зрізу характеристики.

Розрахунок початковий значень компонентів

,

де: ж - коефіцієнт затухання, ж=0,707, R_L =50Ом - імпеданс лінії,

;

Приймаємо С?0,1мкФ 400В.

Приймаємо С_х=0,22мкФ400В. Дані конденсатори розміщені між лініями електроживлення. Вони повинні витримувати напругу 250 В та будь - які скачки напруги

Величину С_у - конденсаторів, які розміщені між кожною фазою та „землею” і повинні витримувати високі напруги ?2500 В вибирають на декілька порядків меншою С_у ніж С_х. Це повязано з тим, що найбільша ємність конденсатора, доступна при номінальній напрузі 4 кВ, складає 0,01 мкФ. Приймаємо С_у=2,2 нФ.

Оскільки сумарна ємність вибраних конденсаторів більша за розраховану, то можна припустити, що фільтр буде забезпечувати мінімуму 60 дБ затухання при частотах в діапазоні від 500 кГц до 10 МГц.

Розрахункова схема фільтру підходить як для вхідного так і для вихідного кола:

Рис. 1.5.13. Вхідний фільтр ЕМ завад.

L5=L=450 мкГн

С55=С58=С_х=0,22 мкФ400 В

С54=С56=С_у=3,3 нФ3 кВ.

Рис.1.5.14. Вихідний фільтр ЕМ завад.

L6=L=450 мкГн

С54=С56=С_у=3,3 нФ3 кВ.

С57=С59=С_х=0,22 мкФ400 В

1.6. Обґрунтування вибору елементів схеми.

Джерело безперервного живлення повинне забезпечувати цілодобову роботу будь-якого пристрою, що підключений до нього, із збереженням вихідних параметрів, тому до нього висуваються жорсткі вимоги, як до конструкції так і до вибору елементів схеми.

Умовно елементи схем можна поділити на елементи загального застосування і спеціальні.

Елементи загального застосування є виробами масового виробництва, тому вони піддалися досить широкій стандартизації. Стандартами і нормами встановлені техніко-економічні і якісні показники, параметри і розміри. Такі елементи називають типовими. Вибір типових елементів проводиться по параметрах і характеристикам, що описують їх властивості як при нормальних умовах експлуатації, так і при різних впливах (кліматичних, механічних і ін.).

Основними електричними параметрами є: номінальне значення величини, характерної для даного елемента (опір резисторів, ємність конденсаторів, індуктивність котушок і т.інш.) і межі припустимих відхилень; параметри, що характеризують електричну міцність і здатність довгостроково витримувати електричне навантаження; параметри, що характеризують втрати, стабільність і надійність.

Основними вимогами, якими потрібно керувати при проектуванні радіоелектронної апаратури, є вимоги по найменшій вартості виробу, його високій надійності і мінімальним масогабаритним показникам. Крім того, при проектуванні важливо збільшувати коефіцієнт повторюваності електрорадіоелементів. Виходячи з перерахованих вище критеріїв зробимо вибір елементної бази приладу.

1.6.1. Вибір резисторів.

При виборі резисторів перш за все звертаємо увагу на їх габарити, вартість та надійність, що зумовлена напрацюванням на відмову. А виходячи з того що сучасні інтегральні технології дуже просунулися, порівняно з минулими роками, ми маємо резистори, які характеризуються: високою надійністю та низькою собівартістю, компактними розмірами та великою різновидністю.

Порівняємо декілька типів резисторів.

Товстоплівкові резистори з допуском 5%.

Технічні параметри. Таблиця 1.6.1

Товстоплівкові резистори з допуском 1%.

Технічні параметри. Таблиця 1.6.2

Типорозміри SMD резисторів. Таблиця 1.6.3

Виходячи з таб.1.6.1. … таб.1.6.3. в якості опорів обираємо товстоплівкові резистори RC01 та RC02H з типорозміром корпусу 1206 (рис.1.6.1).

Потужні SMD резистори. Технічні параметри. Таблиця 1.6.4