Источник бесперебойного питания

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

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

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

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

Преобразователь постоянного напряжения

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

Поэтому, для нормальной работы ИБП нужная понижающая стабилизация Uвых.

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

Рис. 1.4.3. Функциональная схема SG3525.

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

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

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

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

Стабилизатор напряжения 300В

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

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

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

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

Выходной инвертор

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

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

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

Индуктивность L4 обеспечивает приглаживание фронтов импульсов на выходе инвертора.

Схема байпаса

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

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

1.4.6. Узел управления

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

Рис. 1.4.4. Функциональная схема ATTiny26.

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

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

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

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

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

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

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

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

1.5. Разработка и расчет отдельных узлов схемы электрической принципиальной.

1.5.1. Электрический расчет схемы зарядного устройства.

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

Рис. 1.5.1 Принципиальная схема зарядного устройства.

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

Выходные данные для расчетов Таблица 1.5.1.

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

Рассчитаем характеристики входного диодного моста и конденсатора.

Максимальна входная мощность:

;

Найдем максимальное значение тока, протекающего через диодный мост VD1:

;

Рассчитаем максимальное значение напряжения на диодном мосте:

;

Найдем параметры входного конденсатора C6:

;

,

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

Найдем время разряда конденсатора C6 за половину периода:

;

Рассчитаем мощность, которая берется из конденсатора за время разряда:

;

Найдем минимальное значение емкости C6:

;

Расчет трансформатора T2

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

,

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

Рассчитаем максимальный ток через демпферный диод VD7:

;

Определим начальную индуктивность первичной обмотки при максимальном цикле:

;

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

Параметры сердечника. Таблица 1.5.2.

Найдем количество витков первичной обмотки:

,

Принимаем Np равным 24 витка.

Определим количество витков вторичной обмотки:

,

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

Найдем количество витков дополнительной обмотки:

;

Принимаем NAUX=4 витка.

Рассчитаем реальную индуктивность первичной обмотки:

;

Найдем максимальный ток через первичную обмотку T2:

;

Высчитаем максимальную индукцию трансформатора:

, B<Bmax ;

Найдем площадь разреза с учетом количества витков обмотки Np:

;

Конструкция трансформатора для сердечника E3211619:

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

Определим эффективное значение ширины обмотки с сердечником:

,

Выбираем коэффициент заполнения окна трансформатора обмотками:

Первичная – 0,5

Вторичная – 0,45

Вспомогательная – 0,05

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

Рассчитаем площадь разреза проводника первичной обмотки T1:

;

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

Рассчитаем площадь разреза проводника вторичной обмотки T1:

.

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

Рассчитаем площадь разреза проводника дополнительной обмотки:

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

Рассчитаем параметры выходного диода VD11.

Определим максимальное обратное напряжение на диоде:

;

Определим максимальный импульсный прямой ток через диод:

;

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

;

Рассчитаем параметры выходного конденсатора С36.

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

Определим максимальный выходной ток:

;

Минимальная емкость конденсатора C36:

;

Выбираем конденсатор на 2200мкФ – 25В.

Расчет демпферной цепи: C23, R26, VD7

Найдем напряжение демпферной цепи:

,

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

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

.

Найдем емкость конденсатора C23 демпферной цепи:

.

Принимаем С23=470пФ.

Найдем сопротивление резистора демпферного звена R26:

.

Принимаем R26=1,2 кОм.

Расчет потерь

Определим потери на диоде VD1:

;

Определим сопротивление первичной обмотки:

;

Определим сопротивление вторичной обмотки:

,

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

Определим потери в меди на первичной обмотке:

;

Определим потери в меди во вторичной обмотке:

;

Найдем суммарные потери в первичной и вторичной обмотках трансформатора:

;

Вычислим потери на выходном диоде VD11:

;

Потери на силовом транзисторе

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

Расчет проведем при входном напряжении VDCmin=110В;

Найдем потери при включении транзистора:

,

где f=100кГц – рабочая частота преобразователя.

Найдем потери при выключении транзистора:

;

Определим потери на сопротивлении сток-исток при открытом транзисторе:

;

Подсчитаем общие потери на транзисторе:

;

Расчет звена обратной связи

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

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

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

Найдем максимальный входной ток DA2:

;

Рассчитаем минимальный входной ток DA2:

;

Схема цепи обратной связи представлена на рис. 1.5.2.

Рис. 1.5.2. Схема цепи обратной связи на

управляемом стабилитроне TL431.

Найдем величину сопротивления резистора R56:

,

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

Определим сопротивление резистора R54:

,;

Рис. 1.5.3. Структурная схема всей цепи обратной связи.

Рассчитаем переходные характеристики схемы

Внутренний коэффициент передачи DA2:

;

Внутренний коэффициент передачи делителя цепи обратной связи:

;

Найдем коэффициент передачи силовой части:

;

,

где ZPWM – крутизна характеристики ΔVFB / ΔlD;

Коэффициент передачи выходного фильтра:

,

где RESR – емкостное сопротивление конденсатора.

Коэффициент передачи цепи регулятора:

;

Переходные характеристики при минимальной и максимальной нагрузке:

Определим выходное сопротивление блока питания при максимальной нагрузке:

;

Определим выходное сопротивление блока питания при минимальной нагрузке:

;

Найдем частоту среза при максимальной нагрузке:

,

а также при минимальной нагрузке:

;

Коэффициент передачи цепи обратной связи:

, ;

Коэффициент передачи делителя цепи обратной связи:

;

Выходной импеданс промежутка времени ton:

;

;

Коэффициент передачи на граничной частое:

,

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

;

;

Общий коэффициент передачи:

;

Поскольку GS(ω)+Gr(ω)=0, то:

;

Отсюда найдем коэффициент передачи цепи регулятора:

Gr(ω)=0-(- GS(ω))=17,2дБ;

Коэффициент передачи регулятора:

;

;

Отсюда найдем сопротивление резистора R55:

Нижняя частота передачи цепи обратной связи при C37=0:

;

Найдем емкость конденсатора C37:

;

1.5.2. Электрический расчет схемы импульсного стабилизатора.

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

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

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

Рис. 1.5.4. - Структура контролера UC3842.

Данная микросхема имеет следующие возможности:

блокировка работы при перенапряжении;

запуск работы при малых уровнях мощности;

помехоустойчивый усилитель ошибки;

защита от перенапряжения на выходе;

переходный способ функционирования;

схема измерения тока и напряжения;

внутренний генератор.

Организация питания микроконтроллера

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

а) внутренний компаратор по питанию.

б) схема подключения по питанию.

Рис. 1.5.5. Схема организации питания ІМС UC3842.

Тактовый генератор

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

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

Рассчитаем значения Rt та Ct:

(4.1.2)

(4.1.2)

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

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

Усилитель ошибки и блок датчика перенапряжения.

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

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

Когда увеличится выходное напряжение, соответственно и увеличится напряжение на выводе 2 IMC. Разностное значение тока протекает через конденсатор. Величина тока определяется внутри микроконтроллера и сравнивается с эталонным значением 40 мкА. Если это значение будет превышено, соответственно это отобразится на управлении


29-04-2015, 03:07