Стабилизатор напряжения. 2

ВВЕДЕНИЕ 

     В промышленной сети напряжение не постоянно  в течение суток: в зависимости  от потребления энергии промышленными  предприятиями, электрическим транспортом  и расхода в наших квартирах  напряжение в сети то возрастает, то убывает. Следовательно, при питании аппаратуры от этой сети будет изменяться напряжение и на обмотках трансформатора, а значит, и на выходах выпрямителя и фильтра. Если колебания напряжения сети составляют ±10%, то в таких же пределах изменяется и величина выпрямленного напряжения. При изменении питающего напряжения нарушается режим работы электронных приборов (транзисторов, электронных ламп), что приводит к ухудшению параметров всего устройства. Например, в радиоприемнике при изменении режима работы транзисторов могут возникнуть сильные искажения звука, хрипы, гудение. Такие же явления наблюдаются в нем при питании от химических источников тока, напряжение которых по мере разрядки уменьшается. Чтобы этого не происходило, напряжение питания электронных устройств часто стабилизируют. Здесь возможны два способа: стабилизация переменного напряжения на входе силового трансформатора или стабилизация выпрямленного напряжения. В первом случае применяют специальные феррорезонансные стабилизаторы. Их недостатками являются большие габариты и вес. Чаще прибегают к стабилизации выпрямленного напряжения, осуществляемой с помощью электронных стабилизаторов.

 

1. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

 

1.1 Структурная схема разрабатываемого устройства 

     Структурная схема предназначена для отражения общей структуры устройства, то есть его основных блоков, узлов, частей и главных связей между ними. Из структурной схемы должно быть понятно, зачем нужно данное устройство и что оно делает в основных режимах работы, как взаимодействуют его части. Структурная схема разрабатывается при проектировании электрического устройства на стадии анализа технического задания и синтеза структуры устройства. Разработка структурной схемы предшествует разработке схем других видов( электрическая принципиальная и т.д.). Структурная схема концентрирует в себе всё наиболее важное и существенное в содержании, структуре и функциях электрического прибора. Структурная схема представляет собой первую модель прибора. Достоинством схемы при изучении электрического устройства является то, что по ней есть возможность быстрого получения представления о содержании, структуре и выполняемых им функциях, не отвлекая внимание на схемную реализацию его функциональных частей.

     При разработке структурной схемы необходимо использовать принципы системного подхода, которые для данной разработки можно  сформулировать виде следующих положений:

     Используется  функциональная декомпозиция общей  задачи проектирования на отдельные  подзадачи;

     Проектируемое устройство представляется в виде цепочки  функциональных узлов и совокупности процессов, которые взаимодействуют  между собой  и подлежат достижению определённой цели;

     Проектируемое устройство представляют в виде иерархической  системы, которая может быть описана  с различными уровнями детализации; степень детализации должна быть достаточной для раскрытия процессов, которые происходят в проектируемом  устройстве.

     При  разработке структурной схемы устройсва  придерживаясь принципа  системного подхода возможно выполнить функциональную декомпозицию.

     Структурная схема стабилизатора напряжения представлена на рис 1.1         

             Схема состоит из таких блоков:

1. блок питания;
2. блок измерения напряжения;
3. блок  управления;
4. микроконтроллер;
5. аналоговый компаратор;
6. блок защиты;
7. блок индикации;

 

1.1.1  Блок питания

       Блоки питания (БП) предназначены для преобразования входного переменного напряжения сети в выходные постоянные напряжения, обеспечивающие работу электрической схемы. Основной функцией источника электропитания является обеспечение стабильного заданного выходного напряжения при изменении я широких пределах входного напряжения, выходного тока и рабочей температуры. Степень, с которой источник электропитания обеспечивает стабильность выходного напряжения в вышеприведенных условиях, является основным показателем качества источника.

      Переменное  напряжение сети выпрямляется диодным  мостом и сглаживается конденсатором  большой емкости. В результате на выходе выпрямителя появляется постоянное положительное напряжение Uep = +310В. Этим напряжением за-питывается схема  пуска, которая вырабатывает питающее напряжение для схемы управления сразу после включения ИБП. На выходе схемы управления вырабатывается управляющее напряжение в виде последовательности прямоугольных импульсов с частотой порядка несколько десятков килогерц. Эти импульсы управляют состоянием (открыт/закрыт) мощного ключевого высокочастотного транзистора, нагрузкой которого является первичная обмотка импульсного высокочастотного трансформатора (ИВТ). В результате переключении транзисторного ключа во вторичных обмотках ИВТ наводятся импульсные ЭДС прямоугольной формы, которые затем выпрямляются и сглаживаются.

    Силовая  часть однотактного преобразователя  с бестрансформаторным входом  может быть выполнена одним  из двух возможных способов. Поэтому  следует различать проточные (прямоходовые) и запорные (обратноходовые) преобразователи.

    В проточных преобразователях ток подзарядки накопительных емкостей во вторичной цепи (ток через диоды выпрямителя) протекает во время открытого состояния ключевого транзистора, а в запорных - во время закрытого состояния этого транзистора. Тип преобразователя определяется выбором определенной полярности подключения выпрямительных диодов ко вторичным обмоткам импульсного трансформатора и конструктивными особенностями самого импульсного трансформатора. 

1.1.2 Блок защиты

возникновение КЗ в  нагрузке слаботочных каналов сразу  же ведет к защитному отключению. При возникновении КЗ в нагрузке сильноточных каналов сначала управляющая  микросхема переходит в режим  ограничения, и если КЗ продолжает развиваться, то происходит защитное отключение.

     Суть  и смысл защитного отключения  заключаются в том, чтобы силовые  транзисторы инвертора переставали  переключаться и оставались бы  в закрытом состоянии неограниченно  долго при возникновении аварийной  ситуации, называемой коротким замыканием  в нагрузке любого из выходных  каналов БП. Для того чтобы  оба силовых транзистора инвертора  оказались закрыты одновременно, на их базах не должно быть  управляющих импульсов. Тогда  первичная обмотка силового импульсного  трансформатора окажется отключенной  от шины выпрямленного напряжения  сети и, следовательно, через  первичную обмотку и силовые  транзисторы не будет протекать  ток. Поэтому силовые транзисторы  не будут подвержены опасности  выжигания этим чрезмерно большим  током при КЗ на вторичной  стороне. Таким образом при  исчезновении управляющих импульсов на базах силовых транзисторов желаемый защитный эффект будет достигнут.

      Источником (генератором) управляющих импульсов  является микросхема К561ЛА7. Поэтому  для осуществления защитного  отключения необходимо заблокировать  ее работу. Это можно сделать, если принудительно заставить любой  из компараторов DA1, DA2 прекратить переключения и перейти в статическое состояние  с постоянным высоким уровнем  напряжения (логическая 1) на выходе. Тогда работа всего цифрового тракта микросхемы будет заблокирована. Оба выходных транзистора ее окажутся в статическом закрытом состоянии и управляющие импульсы на выводах 8 и 11 (либо 9 и 10) исчезнут, превратившись в статические потенциалы, которые не могут передаться на базы силовых транзисторов, т.к. связь с ними осуществляется через управляющий трансформатор DT. Для того чтобы прекратить переключения компаратора DA1 либо DA2, достаточно на его неинвертирующий вход (вывод 4 для компаратора, DA1 либо вывод 3 для компаратора DA2) подать статический потенциал, превышающий амплитуду пилообразного напряжения, поступающего на инвертирующие входы обоих компараторов (вывод 5) с выхода генератора пилообразного напряжения DA6. Амплитуда пилообразного напряжения, как отмечалось ранее, составляет +3.2В. Поэтому, если построить схему защиты так, что на вывод 4 либо на вывод 3 ИМС TL494 в результате короткого замыкания в нагрузке будет подан статический потенциал, превышающий +3.2В, то произойдет блокировка работы ИМС. Однако необходимо отметить, что генератор пилообразного напряжения при этом не прекращает своей работы, т.е., несмотря на отсутствие выходных импульсов, пилообразное напряжение продолжает вырабатываться.

1.1.3 Микроконтроллер 

 

2.РАЗРАБОТКА  СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ  УСТРОЙСТВА

2.1 ОПИСАНИЕ СХЕМЫ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ УСТРОЙСТВА

     2.1.1 Резисторы

     Резистор  R3  - это резистор защиты стабилизатора от перегрузки выходным током.

     Пара  резисторов R4, R5 задают порог срабатывания тепловой защиты стабилизатора. Для отключения интегрального стабилизатора на третьей его ножке должно падать 1/3 выходного максимального напряжения. Конденсатор C2 позволяет снизить уровень пульсаций и помех при большом входном напряжении. Конденсатор С3 – для уменьшения броска тока при подключении нагрузки и снижения пульсаций выходного напряжения.Этот конденсатор должен иметь достаточно большую емкость (сотни микрофарад) и должен выдерживать напряжение в раза 1.5-3  больше чем максимальное выходное стабилизированное напряжение на выходе интегрального стабилизатора.

     Резисторы  R5, R6 и R7 образуют базовые делители  для мощного транзистора VT1 соответственно и обеспечивают оптимальный режим их переключения с точки зрения динамических потерь мощности на этих транзисторах.

2.1.2 Конденсаторы

      Конденсатор СЗ, включенный последовательно с  первичной обмоткой Т5, ликвидирует  постоянную составляющую тока через  первичную обмотку Т5, исключая тем самым нежелательное подмагничивание его сердечника.

     Протекание  переменного тока через первичную  обмотку Т1 обуславливает наличие знакопеременных прямоугольных импульсных ЭДС на вторичных обмотках этого трансформатора.

Благодаря зарядному  току конденсатора С4 при включении устройства в работу или при пропадании и вновь появлении сетевого напряжения  RS-триггер автоматически устанавливается в нулевое состояние.

2.1.3 Микроконтроллер  ATmega8 

8-разрядные микроконтроллеры  с 8 Кбайтами внутрисистемно программируемой  Flash памяти

Отличительные особенности:

8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением 

Прогрессивная RISC архитектура 

    130 высокопроизводительных  команд, большинство команд выполняется  за один тактовый цикл 

    32 8-разрядных  рабочих регистра общего назначения Полностью статическая работа

    Приближающаяся  к 16 MIPS (при тактовой частоте  16 МГц) производительность 

    Встроенный 2-цикловый перемножитель 

Энергонезависимая память программ и данных

    8 Кбайт внутрисистемно программируемой Flash памяти (In-System Self-Programmable Flash)

      Обеспечивает 1000 циклов стирания/записи

    Дополнительный  сектор загрузочных кодов с  независимыми битами блокировки 

      Обеспечен режим одновременного  чтения/записи (Read-While-Write)

    512 байт EEPROM

      Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи 

    1 Кбайт  встроенной SRAM

    Программируемая  блокировка, обеспечивающая защиту  программных средств пользователя 

Встроенная периферия 

    Два  8-разрядных таймера/счетчика с  отдельным предварительным делителем,  один с режимом сравнения 

    Один 16-разрядный таймер/счетчик с  отдельным предварительным делителем  и режимами захвата и сравнения 

    Счетчик  реального времени с отдельным  генератором 

    Три  канала PWM

    8-канальный  аналого-цифровой преобразователь  (в корпусах TQFP и MLF)

      6 каналов с 10-разрядной точностью 

      2 канала с 8-разрядной точностью 

    6-канальный  аналого-цифровой преобразователь  (в корпусе PDIP)

      4 канала с 10-разрядной точностью 

      2 канала с 8-разрядной точностью 

    Байт-ориентированный  2-проводный последовательный интерфейс 

    Программируемый  последовательный USART

    Последовательный  интерфейс SPI (ведущий/ведомый) 

    Программируемый  сторожевой таймер с отдельным  встроенным генератором 

    Встроенный  аналоговый компаратор 

Специальные микроконтроллерные функции 

    Сброс  по подаче питания и программируемый  детектор кратковременного снижения  напряжения питания 

    Встроенный  калиброванный RC-генератор 

    Внутренние  и внешние источники прерываний 

    Пять  режимов пониженного потребления: Idle, Power-save, Power-down, Standby и снижения  шумов ADC

Выводы I/O и корпуса 

    23 программируемые  линии ввода/вывода 

    28-выводной  корпус PDIP, 32-выводной корпус TQFP и  32-выводной корпус MLF

Рабочие напряжения

    2,7 - 5,5 В (ATmega8L)

    4,5 - 5,5 В (ATmega8)

Рабочая частота 

    0 - 16 МГц  (ATmega8)

2.1.4 Микросхема  К157УД2

 Двухканальный ОУ универсального назначения, обладающий низким уровнем собственных шумов (типовое значение напряжения шумов, приведенных ко входу ОУ, составляет 1,6 мкВ в полосе частот 20...20 000 Гц при сопротивлении источника сигнала равном 0). Операционный усилитель допускает большой диапазон входных дифференциальных напряжений, имеет защиту от коротких замыканий на выходе. 

 

Рис. 2.1.1 Назначение выводов ИМС К157УД2

Рис 2.1.2  Корпус 201.14-1

Чтобы каждый из ОУ с замкнутой петлей ООС работал  устойчиво, к соответствующим выводам (1, 14 или 7, 8) ИМС подключают корректирующие конденсаторы. Емкость конденсатора зависит от глубины обратной связи. Допускается подключать корректирующие конденсаторы также и между другими  выводами, например, между 1 и 13 (7 и 9) или  выводом 1 (7) и общим проводом двухполярного  источника питания. При значительной длине проводов, подводящих напряжение питания к выводам 11 и 4, следует  устанавливать дополнительный блокирующий  конденсатор. ИМС можно использовать в самых разнообразных устройствах  низкочастотной стереофонической аппаратуры.

Рис. 2.1.3 Типовая схема включения ИМС К157УД2

 

Рис 2.1.4 Зависимость коэффициента усиления от частоты усиливаемого сигнала для ИМС К157УД2 

Электрические параметры ИМС К157УД2:KуU, не менее VUвых, В/мкс, не менее Uвых max, В, не менее Uсм, мВ, не

 более fср, МГц Iпот, мA, не более Uпит, В

50 000 (0...50 Гц)

300...800 (20 кГц) 0,5 +-13 +-10 1 7 +-3...18

2.1.5 Микросхема  К561ЛА7

На операционном усилителе DA.1.1  построен неинвертирующий  усилитель с регулируемым коэффициентом усиления. Компаратор на DA.1.1  устанавливается в состояние противоположного насыщения при достижении минимально допустимого напряжения сети. Порог его срабатывания определяется подстроечным резистором R1.

Компаратор на DA.1.2  опрокидывается в состояние  положительного насыщения(логический уровень 1),если напряжение на его прямом выходе (амплидуда синусоидального напряжения с катушки с трансформатора Т1 больше опорного напряжения на инверсном входе ─ при достижении максимально допустимого напряжения сети. Порог его срабатывания определяют подстроечным резистором R2.

2.1.6 Трансформатор

трансформатор питания – трансформатор малой мощности, предназначенный для преобразования напряжения электрических сетей в напряжение, необходимое для питания электронной аппаратуры, маломощного электрического оборудования и бытовых устройств, статических преобразователей энергии и т.д.;

2.1.7 Диоды

Диоды VD3,VD4  и  резистор R4  использованы в качестве логической схемы ИЛИ.Уровень логичского 0 на входе S RS-триггера на элементах DD 1.2 и DD1.3 присутствует при установке  в состояние положительного насыщения  любого из компараторов.Появляется потенциал положительного напряжения и срабатывает исполнительное устройсво, отключающее нагрузку 

 

    2.2 РАСЧЁТ БЛОКА ПИТАНИЯ 

    Таблица 2.1. Исходные данные к расчету.

Uн, В	Iн, А	Амп. Uпульс, %	f сети, Гц	Ном. Uсети, В	ΔUсети, %	Т окр, °С	ΔUи, %	Пред.регул ΔUвых, %.
12	10	0,05	50	220	+10/-15	-10…+40	±2	±10

 

    1. Выбираем микросхему типа К157УД2 с параметрами, приведенными в  таблице 2.2.

    Таблица 2.2. Параметры микросхемы К157УД2.

Uвых, В	Iвых, А	Uвх, В	Uп.д., В	Кu, % В	Кi, % А	α, % °С	Ррас, Вт	Iпот, мА	Кст, дБ	Долг.стаб. %/500 час
3…30	1	9…45	≥3	≤0,05	≤0,25	≤0,01	6	≤10	≥40	≤0,15

 

    2. Для обеспечения необходимого  тока нагрузки необходимо применить  транзистор КТ617Г, параметры которого  приведены в таблице 2.3. 
 

    Таблица 2.3. параметры транзистора КТ617Г.

Iк.max, А	Uкэ., В	Pк.max, Вт	tmax,ºС	h21э	Iк(Iэ), А	Iкбо, мА	fгр, МГц	Cк, пФ	Rт, ºС/Вт
15	70	100	125	20…100	15	30	50	800	1

 

    3. Рассчитываем минимальное входное  напряжение:

    

    где:

    

    

    

    4. Номинальное входное напряжение:

    

    5. Максимальное входное напряжение:

    

    6. Определим максимально допустимый  ток, выбранной микросхемы из  условия не превышения допустимого  P_рас ИМС:

    

    7. Расчёт элементов R1…R4

    Принимаем: I_д=1,5 мА, а U_оп=2,4±10%

    

    

    

    

    

    где:

    

    Тогда:

    

    

    8. Расчет мощности, рассеиваемой резисторами.

    P_Ri=I_д²×R_i

    P_R1=(1,5·10^-3)²·1,5·10³=3,3·10^-2 Вт

    P_R2=(1,5·10^-3)²·711=1,6·10^-3 Вт

    P_R3=(1,5·10^-3)²·1,44×10³=3,24·10^-2 Вт

P_R4=

    9. Расчет КПД стабилизатора.

    

    где I_вх=I_вых+I_пот

    

    10. Расчет нестабильности.

    а) по току

    

    б) по напряжению

    

    в) по температуре

    

    

    10. Мощность рассеивания

    Р=(U_{вх макс}-(U_н-ΔU_н))I_н=(13,5-(5-0,5))·10=90 Вт 

    11. Расчёт номинала конденсаторов.

    Величина  С1 для микросхем серии 142 должна быть не менее 2,2 мкФ, т.е. принимаем  С1=220 мкФ.

    На  выходе электролитический конденсатор  должен быть величиной от 15 до 25 мкФ, принимаем С3=22 мкФ.

 

    2.3 ВИБОР  ЕЛЕМЕНТНОЙ  БАЗИ 
 

    Резисторы:

    R1=100 кОм  МЛТ-0,125-100кОм±10%

    R2=100 кОм  МЛТ-0,125-100 кОм±10%

    R3=1 кОм            МЛТ-0,25-1 кОм±10%

    R4=10 кОм  МЛТ-0,125-10 кОм±10%

    R5=10 кОм  МЛТ-0,125-10 кОм±10%

    R6=3 кОм  МЛТ-0,125-3 кОм±10%

    R7=1,5 кОм  МЛТ-0,125-1,5 кОм±10%

    R8=1 кОм  МЛТ-0,25-1 кОм±10% 

    Конденсаторы:

    С1=220 мкФ  КМ-3a-Н30 220 мкФ

    С2=22 мкФ   КМ-3a-Н30 22 мкФ

    С3=22 мкФ  КМ-3a-Н30 22 мкФ

    С4=220 мкФ  КМ-3a-Н30 220 мкФ

    С5=100 мкФ  КМ-3a-Н30 100 мкФ

    С6=0,1 мкФ  КМ-3a-Н30 0,1 мкФ 

       Транзисторы :

        VT1                         КТ617Г 

         Диоды:

        VD1                         КД522А

        VD2                         КС612А

        VD3, VD4               КД522А

        VD5-VD8                КД209А

        VD9                         ДВ14Д

      

       Переключатель

        SA1                          ВГ-15К-2с

     

        Микросхемы:

        DA1.1                      К157УД2

        DA1.2                      К155УД2

        DD1.1- DD1.4         К516ЛА7

        Предохранитель плавкий ПМ-1

        Кнопка К-1-1 
 

     2.3.1Транзисторы.

КТ617Г.

Предназначены для работы в схемах усилителей высокой  промежуточной и низкой частоты.

Выпускаются в пластмассовом корпусе. Обозначение  типа приводится на этикетке.

Масса транзистора не более 0,18 г.

     Электрические параметры.

Граничное напряжение при Iэ=5 мА не менее	25В
Напряжение  насыщения коллектор-эмиттер при  Iк=20 мА	0,4В
Напряжение  насыщения база-эмиттер при Iк=20 мА	1,1.В
Статический коэффициент передачи тока в схеме  с общим эмиттером при Uкэ=10В, Iк=1мА	50-350
Постоянная  времени цепи обратной связи на высокой  частоте при Uкб=10В, Iэ=5мА не более:	500нс
Модуль  коэффициента и передачи тока при  Uкэ=10В, Iк=1мА f=100Мгц не менее:	2.5
Емкость коллекторного перехода при Uкб=10В не более:	7пФ
Входное сопротивление при Uкэ=10В Iк=1мА не менее:	40Ом
Выходная  проводимость при Uкэ=10В Iк=1мА не более:	0.3мкСм
Обратный  ток коллектора при Uкб=10В не более:	1мкА
Обратный  ток коллектор-эмиттер при Rбэ=10кОм Uкэ=Uкэ макс не более:	1мкА
Обратный  ток эмиттера при Uбэ=5В не более:	30мкА