Федеральноеагентство по образованию
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯИ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
(ТУСУР)
Пояснительнаязаписка к курсовому проекту
по дисциплинеЭлектронные цепи и микросхемотехника
Системауправления стабилизатором напряжения
2007
Аннотация
При выполнении курсового проекта была разработана системауправления источником питания, мощностью до 180 Вт, с широтно-импульсным способомрегулирования. В данной пояснительной записке описан принцип работы устройства,представлены расчет силовой части схемы, а также системы управления. К пояснительнойзаписке прилагается электрическая принципиальная схема источника питания и диаграммыработы.
1. Год завершения работы: 2007 г.
2. Объем работы: стр.
3. Количество приложений:
4. Иллюстраций: 1
5. Таблиц: 06. Источников литературы: 5
ЗАДАНИЕ на курсовое проектирование по дисциплине «Электронныецепи и микросхемотехника»
студенту
группа №374 факультетэлектронной техники
Тема проекта: Электронныецепи и микросхемотехника
Срок сдачи студентомзаконченного проекта 01.11.2007 г.
Исходные данные кпроекту:
Вариант: 12
Напряжение сети: />
Мощность нагрузки: />
Напряжение нагрузки: />
Частота преобразования: />
Точность стабилизации: />
Предельные параметрызащиты: />
Содержание пояснительнойзаписки (перечень подлежащих разработке вопросов):
1. Разработка схемы управления;
2. Расчет силовой частисхемы;
3. Расчет защиты по напряжениюи по току;
4. Расчет источника питаниясистемы управления;
Перечень графическогоматериала (с точным указанием обязательных чертежей и схем):
1. Схема электрическаяфункциональная: ФЭТ КП.01ХХХ.004.Э2;
2. Схема электрическаяпринципиальная: ФЭТ КП.01ХХХ.004 Э3;
/>Содержание
Введение
1. Составление функциональной схемы стабилизатора напряжения
2. Составление принципиальной электрической схемы
3. Принцип работы силовой части и системы управления
Список литературы
Введение
В настоящий моментвремени очень удобно и выгодно использовать микропроцессорное устройствоуправления для импульсов синхронизации для источников и других устройств,вследствие дешевизны, большой интеграции, малых размеров, большой точности истабильности микропроцессорных устройств, таких как микроконтроллеры, имеющиевстроенные ШИМ, компараторы, АЦП, внутренние ИОН и генератор импульсов.
Также возможно построениесистемы управления данного источника на цифровых микросхемах КМОП или ТТЛШ, нотакое построение будет значительно уступать микропроцессорному по размеру ипростоте исполнения.
Но в рамках выполненияданного курсового проекта нам поставлена задача построить систему управления нааналоговых компонентах, которую довольно несложно представить структурно илегко готовый макет настраивать на необходимые характеристики, регулируясопротивления переменных резисторов системы управления.
Аналоговые ключииспользуется в различных схематических решениях. Существуют управляемые инеуправляемые ключи, силовые и не силовые, однотактные и двухтактные. Кнеуправляемым аналоговым ключам относят диоды, стабилитроны, они являютсяоднотактными; к управляемым относят транзисторы, тиристоры (однотактные),параллельное соединение диода и коллекторно–эмиттерного перехода транзистора,симисторы (двухтактные). Разделение на силовые и не силовые ключи происходит порассеиваемой им мощности. Силовые полупроводниковые ключи имеют большие габаритыи требуют интенсивного теплоотвода.
В импульсных источниках применяютсятри способа регулирования: широтно-импульсный (ШИМ), при котором период коммутациипостоянен, а время нахождения транзистора в области насыщения (отсечки) изменяется;частотно-импульсный (ЧИМ), при котором период коммутации не постоянен, а время нахождениятранзистора в области насыщения (отсечки) постоянно; двухпозиционный (релейный),при котором и период, и относительное время, когда транзистор находится в областинасыщения отсечки, изменяются. В данном курсовом проекте применен широтно-импульсныйспособ регулирования.
1. Составление функциональной схемы стабилизаторанапряжения
Функциональная схемастабилизатора напряжения состоит из силовой части, непосредственностабилизатора преобразованного напряжения из сетевого переменного в постоянноена нагрузке, и системы управления. Силовая часть стабилизатора, в свою очередь,состоит из:
- входногомостового преобразователя
- низкочастотноговходного фильтра
- силового ключа
- рекуперирующейцепи силового транзистора
- трансформаторадля гальванической развязки
- выходногооднотактного преобразователя
- выходного фильтра
Входнойбестрансформаторный выпрямитель необходим для преобразования сетевого переменногонапряжения в постоянное. Мостовая схема выпрямления является наилучшей по формевыходного сигнала и требованиям к полупроводниковым элементам, диодам. Фильтр,установленный после выпрямителя, выполняет функции сглаживания сигнала.LC-фильтр, выбранный в данной работе, обладает наилучшими сглаживающимисвойствами по току и напряжению. В качестве силового ключа выбран мощныйбиполярный транзистор, переключающийся между ключевым режимом и режимом отсечкис помощью изменения тока базы в соответствии с частотой, указанной в ТЗ.Биполярный транзистор в качестве силового ключа уступает по свойствам решениямс использованием мощных полевых МДП-транзисторов и полевых транзисторов сизолированным затвором, но в данном случае важно лишь быстродействие ключа. Таккак в момент времени, когда ключ разомкнут, ток продолжает поступать от сети,то возникло необходимость в рекуперирующей ветви, включенной параллельно ключу.Данная цепь включает в себя диод и индуктивный элемент, которым является однаиз вторичных обмоток сетевого трансформатора. Гальваническая развязка входногосигнала и сигнала нагрузки осуществляется с помощью трансформатора. Послепрохождения трансформатора сигнал имеет форму, в которой положительная частьсигнала сглаженная, а отрицательная представляет собой выброс по модулю равныйамплитуде положительной части, который физическими свойствами обмотоктрансформатора. Поэтому этот сигнал необходимо выпрямлять. Используетсяоднотактный выпрямитель. Перед поступления сигнала на выход, он еще разсглаживается LC-фильтром. Так как при однотактном преобразовании ввод в схемуфильтра, содержащего индуктивность, приводит к изменению направления протеканияток в нагрузке в определенный промежуток времени на периоде, то ставитсянулевой диод на входе фильтра параллельно ему.
Система управлениясостоит из:
- основного каналауправления
- канала обратнойсвязи
- канала защиты потоку
- канала защиты понапряжению
- драйвера
Основной канал управлениявключает в себя задающий генератор (ЗГ), генератор линейно изменяющегосянапряжения (ГЛИН), компаратора и сумматора. Основной канал управления всовокупности с каналом отрицательной обратной связи (каналом ООС) вырабатываютимпульсы с частотой равной частоте преобразования, которые идут на силовойтранзистор схемы. Таким образом реализуется ШИМ. Сумматор в основном каналеуправления нужен для сложения сигнала ШИМ, по сути состоящего из ЗГ, ГЛИН,канала ООС и компаратора, и сигналов с каналов защиты по току и напряжению.Сигнал с каналов защиты по току и напряжению поступает на сумматор основногоканала только в случае превышения тока в нагрузке и напряжения питаниясоответственно на значение, в процентном соотношении данное в ТЗ. Сигнал ссумматора перед поступлением на силовой транзистор усиливается драйвером.2. Составление принципиальной электрической схемы
Состав силовой частиописан в п.2 настоящего отчета. Отдельные блоки системы управления требуютболее конкретного описания.
Задающий генераторосновного канала управления представляет собой автоколебательный несимметричныймультивибратор. Схемотехническое исполнение мультивибратора (МВ) изобилуетсвоим многообразием. МВ возможно сделать, используя активные и пассивныедискретные элементы, трансформаторы, аналоговые и цифровые микросхемы, такиекак ОУ, логические элементы И, ИЛИ; наконец возможно взять готовую микросхемумультивибратора (К155АГ и другие аналоги) или микропроцессор. В данном курсовомпроекте МВ реализован на микросхемах К561ЛА7 и двух подстроечных резисторовразных номиналов и конденсатора.
ГЛИН представляет собойпростейший ГЛИН на биполярном транзисторе с токостабилизирующим элементом,выполненном на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером.
В качестве компараторовво всей принципиальной схеме используются микросхемы К521СА3 с открытымколлекторным выходом, выходной ток которой стабилизируется резистором,подключенным к 15-ти вольтовому питанию.
Сумматор реализован намикросхеме 4-И К155ЛИ1.
Для канала ООС обратнаясвязь заводится с выходного делителя, параллельного нагрузке стабилизаторанапряжения. Этот сигнал суммируется с помощью ОУ с сигналом, пришедшим иисточника опорного напряжения (ИОН), выполненного по простейшей схеме состабилитроном и двумя резисторами. Сигналы с канала ООС и с ШИМ сравниваются накомпараторе, в результате чего на одном из входов сумматора появляетсяпоследовательность прямоугольных импульсов заданной длительности, изменяющейсяв зависимости от флуктуации напряжения на нагрузке.
Для канала защиты понапряжению обратная связь заводится с делителя на выходе входного фильтра.Сигнал с делителя сравнивается на компараторе с сигналом с ИОН.
Для канала защиты по токуобратная связь заводится с шунта, по которому течет ток нагрузки. Структураканала та же, что и у канала защиты по напряжению.
Усилитель мощности (УМ)построен с использованием биполярного транзистора включенного по схеме с общимэмиттером с трансформаторным выходом, поэтому в состав этой схемы входитрекуперирующая цепь. Трансформатор необходим для гальванической развязки системыуправления с силовой частью стабилизатора напряжения и для дополнительногоусиления тока.3. Принцип работы силовой части и системыуправления
Генератор прямоугольных импульсоввыполнен на микросхеме DD1 вырабатываетимпульсы прямоугольной формы. Таким образом, получаются импульсы маленькой длительностидля управления генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). ГЛИН выполненна транзисторе VT3. Для повышениялинейности возрастающего напряжения в цепи коллектора стоит стабилизатор тока, выполненныйна биполярном транзисторе VT2. РезисторR13 в цепи эмиттера транзистора VT2 служит для задания тока стабилизациистабилизатора тока. Импульсы пилообразного напряжения поступают на компаратор DA4, где сравниваются с сигналом ошибки,получаемым в результате вычитания из опорного напряжения, напряжения обратной связи.Опорное напряжение снимается со стабилизатора напряжения выполненного сиспользованием прецизионного стабилитрона VD1 и масштабирующего УПТ. Операционный усилитель обеспечиваетмалую величину выходного сопротивления источника опорного напряжения. Изменяя сопротивлениерезистора R23, можно изменять значение опорного напряжения. Напряжение обратнойсвязи снимается с делителя напряжения в силовой схеме. Напряжение ошибкиподается на сумматор DA9,одновременно на сумматор подаётся напряжение с источника опорного напряжения,далее усиленный сигнал ошибки подаётся на DA4. Компаратор сравнивая два сигнала, выдаёт сигнал науправление схемой усилителя, собранной по схеме “общий эммитер”, который в своюочередь управляет ключом в силовой схеме. Если напряжение обратной связи увеличиваетсяи становится больше опорного напряжения, то среднее значение разностного сигналана выходе микросхемы DA7 увеличивается. На сумматор DD2 подаются также сигналыс каналов защиты по току и напряжению, таким образом, любой 0 на входе обрезаетсигнал, идущий на силовой ключ. На рисунке 1 показаны основные временныедиаграммы токов и напряжений схемы, характеризующие ее принцип работы.
/>
Рисунок 1 – Основныевременные диаграммы токов и напряжений схемы
Заключение
При выполнении данного курсового проекта была разработана системауправления стабилизатором напряжения, управляемым по принципу широтно-импульсногомоделирования; разработаны каналы защиты от повышения тока и напряжения,источник питания собственных нужд. Были рассчитаны и выбраны из имеющихся нарынке все элементы схемы. Полученный стабилизатор напряжения удовлетворяет требованиямтехнического задания на курсовое проектирование.
При разработке источника питания был получен опыт по разработкесхем управления вторичными источниками питания, закреплены полученные ранее знания,а также получен дополнительный опыт по расчету различных элементов электронных схем.