Метод вычисления максимума, в котором максимальная точка вычисляется исходя из физических параметров солнечной батареи, освещенности и температуры, используя формулы аналитического описания p-n перехода. Хотя метод более точен, чем предыдущие но требует знания тока насыщения солнечных элементов - параметра, достаточно сложно и неточно измеряемого.

Приближенные непоисковые методы МРРТ практически не применяются.

Метод прямого (непосредственного) поиска перебором.

Идея метода проста: Весь диапазон возможных напряжений на P-V характеристике фотоэлектрической батареи разбивается на n точек: V_1, V_2, … , V_n . От количества этих точек зависит точность нахождения максимума. Далее вычисляются соответствующие значения мощности P: P(V₁), P(V₂), … , P(V_n). Сравнивая между собой эти значения, находят максимальную мощность - P(Vмрр), а по ней и точку Vмрр.

Основной недостаток - требуется значительное время для проведения измерений и памяти контроллера для хранения всех точек ВАХ солнечной батареи. Кроме того, во время измерений сложно использовать мощность, генерируемую батареей. Однако данный метод позволяет определить глобальный максимум мощности.

В изменяющихся внешних условиях (локальное затенение) или при повреждении части элементов солнечной батареи, не исключена ситуация, когда на кривой мощности, на фоне глобального максимума, могут появиться несколько локальных максимумов.

Все вышеперечисленные поисковые методы дойдя до первого попавшегося максимума, который может оказаться локальным, уже будут неспособны найти глобальный максимум.

На рисунке 5 показаны результат моделирования ВАХ 6-вольтовой солнечной батареи с защитными антипараллельными диодами, составленной из двух одинаковых, параллельно включенных, секций по 18 элементов в каждой. Локальное затенение 4 из 18 элементов одной из секций приводит к значительной деформации суммарной ВАХ, и появлению на кривой мощности двух локальных максимумов.

Следует отметить, что при меньшем количестве затененных элементов этот эффект не проявляется. Однако, при увеличении крутизны ВАХ батареи (из-за улучшении качества солнечных элементов) эффект двух локальных максимумов будет проявляется сильнее, и при меньшем затенении.

Рис.2.5 Кривые тока и мощности в зависимости от напряжения для 6-вольтовой солнечной батареи (две параллельные секции по 18 элементов) в условиях затенения 10% солнечных элементов.

Несколько улучшить положение может увеличение величины шагов в поисковых методах, но это существенно ухудшает точность слежения.

Предлагается усовершенствование поисковых методов МРРТ улучшением точности определения начального приближения.

Усовершенствованный метод МРРТ основан на периодическом нахождении глобального максимума мощности способом прямого перебора. Найденная точка глобального максимума запоминается и, в дальнейшем, используется в качестве начального приближения для любого из поисковых алгоритмов. Это позволяет уменьшить потери КПД метода прямого поиска, среднее время поиска максимума за счет более точного начального приближения, повышается вероятность попадания системы в глобальный максимум мощности, и, тем самым, минимизируются потери за счет локального затенения или повреждения элементов.

Весьма важным является выбор условий, при которых происходит переход от поисковых методов к поиску глобального максимума.

В простейшем случае можно запускать метод прямого поиска по таймеру, с периодичностью примерно в один час. Однако для реализации преимуществ метода желательно поставить период между прямыми поисками в зависимость от частоты и величины вариаций освещенности - то есть проводить прямой поиск чаще при плохой погоде.

При плохой погоде необходимо и чаще «перезапускать» поисковую часть алгоритма с запомненной точки глобального максимума.

При реализации алгоритма необходимо учитывать, что точка глобального максимума зависит от температуры и освещенности. Поэтому нет смысла сохранять непосредственное значение максимума.

Здесь можно использовать закономерности, используемые в непоисковых методах. Так, можно хранить значение начального приближения в виде коэффициента, равного отношению тока максимума к току короткого замыкания (этот коэффициент слабо зависит от освещенности). Можно также ввести коррекцию этого коэффициента от температуры солнечной батареи. Кроме того, возможности современных микроконтроллеров позволят вычислять точку начального приближения по достаточно сложным формулам.

При реализации поисковой части алгоритма следует использовать методики безколебательного поиска (Incremental Conductance).

2.2 Выбор типа микроконтроллера

Если представить все типы современных микроконтроллеров (МК), то можно поразиться огромным количеством разнообразных приборов этого класса, доступных потребителю. Однако все эти приоры можно разделить на следующие основные типы:

Встраиваемые (embedded) 8-разрядные МК;

16- и 32-разрядные МК;

Цифровые сигнальные процессоры.

Промышленностью выпускаются очень широкая номенклатура встраиваемых МК. В них все необходимые ресурсы (память, устройства ввода-вывода и т.д.) располагаются на одном кристалле с процессорным ядром. Если подать питание и тактовые импульсы на соответствующие входы МК, то можно сказать, что он как бы «оживет» и с ним можно будет работать. Обычно МК содержат значительное число вспомогательных устройств, благодаря чему обеспечивается их включение в реальную систему с использованием минимального количества дополнительных компонентов. В состав этих МК входят:

Схема начального запуска процессора (Reset);

Генератор тактовых импульсов;

Центральный процессор;

Память программ (E(E)PROM) и программный интерфейс;

Средства ввода/вывода данных;

Таймеры, фиксирующие число командных циклов.

Intel 8051

Следующий микроконтроллер Intel 8051, выпущенный в 1980 году, стал поистине классическим образцом устройств данного класса. Этот 8-битный чип положил начало целому семейству микроконтроллеров, которые господствовали на рынке вплоть до недавнего времени.

Аналоги 8051 выпускали советские предприятия в Минске, Киеве, Воронеже, Новосибирске, на них выросло целое поколение отечественных разработчиков.

Большинство фирм производителей микроконтроллеров и сегодня выпускают устройства, основанные на этой архитектуре. Среди них Philips, Atmel, Dallas, OKI, Siemens -- можно перечислить более полутора десятков имен. Но 51-е семейство постепенно сдает свои позиции более молодым и совершенным микроконтроллерам. Motorola и Zilog

Другими яркими представителями восьмиразрядных микроконтроллеров явились изделия компаний Motorola (68HC05, 68HC08, 68HC11) и Zilog (Z8).

Motorola длительное время не предоставляла средств, позволяющих дешево и быстро начать работать с ее контроллерами, что явно не способствовало их популярности у некорпоративных разработчиков. Однако стоит заметить, что за рубежом микроконтроллеры от Motorola занимают лидирующее положение на рынке. В нашей стране их популярность не очень высока, возможно, еще в силу отсутствия достаточного количества доступных учебных материалов и средств разработки.

Микроконтроллеры фирмы Zilog, основанной бывшими сотрудниками Intel, еще недавно казавшиеся столь многообещающими, не выдержали гонки в стремительно развивающемся секторе рынка, и сегодня система команд Z8 выглядит достаточно устаревшей. Microchip

Первые значительные перемены произошли с появлением PIC-контроллеров фирмы Microchip. Эти чипы предлагались по рекордно низким ценам, что позволило им в короткий срок захватить значительную часть рынка микроконтроллеров. К тому же кристаллы от Microchip оказались не уступающими, а нередко и превосходящими микроконтроллеры х51 по производительности и не требовали дорогостоящего программатора.

Вместе с контроллерами появились дешевые комплекты PICSTART, содержащие все, что было нужно для того, чтобы, не имея ни средств, ни навыков работы с PIC-контроллерами, быстро создать и отладить на нем продукт.

Эти микроконтроллеры имели хорошие порты, но все остальное было сделано весьма неудобно. Архитектура оставляла желать лучшего, система команд была крайне ограничена. Тем не менее, PIC-контроллеры остаются популярными в тех случаях, когда требуется создать недорогую систему, не предъявляющую высоких требований по ее управлению. Scinex

На волне успеха PIC-контроллеров появились очень похожие на них изделия фирмы Scinex. Они обладали уже 52-мя командами против PIC-овских 33-х. Были добавлены хорошие инструкции для работы с памятью, улучшена архитектура, каждая команда выполнялась за один такт, что при прочих равных условиях было вчетверо быстрее, чем у Microchip, и к тому же их тактовая частота достигала 100 МГц.

Столь высокая скорость контроллера позволяет его создателям отказаться от различной периферии -- таймеров, счетчиков, регистров сдвига в приемопередатчиках, -- все это рекомендуется реализовывать чисто программными средствами, благо быстродействия для этого хватает: внутри -- лишь сверхбыстрое ядро, память да порты ввода/вывода. Atmel

Настоящая революция в мире микроконтроллеров произошла в 1996 году, когда корпорация Atmel представила свое семейство чипов на новом прогрессивном ядре AVR. Более продуманная архитектура AVR, быстродействие, превосходящее контроллеры Microchip, привлекательная ценовая политика способствовали оттоку симпатий многих разработчиков от недавних претендентов на звание контроллера номер 1.

Микроконтроллеры AVR имеют более развитую систему команд, насчитывающую до 133 инструкций, производительность, приближающуюся к 1 MIPS/МГц, Flash ПЗУ программ с возможностью внутрисхемного перепрограммирования. Многие чипы имеют функцию самопрограммирования. AVR-архитектура оптимизирована под язык высокого уровня Си. Кроме того, все кристаллы семейства совместимы "снизу вверх".

Огромную роль сыграла доступность программного обеспечения и средств поддержки разработки. У Atmel много бесплатно распространяемых программных продуктов. Хорошо известно, что развитые средства поддержки разработок при освоении и знакомстве с любым микроконтроллерным семейством играют не менее значимую роль, чем сами кристаллы. Фирма Atmel уделяет этому вопросу большое внимание. Чрезвычайно удачная и совершенно бесплатная среда разработки AVR Studio, работающая под Windows.

Ведущие сторонние производители выпускают полный спектр компиляторов, программаторов, ассемблеров, отладчиков, разъемов и адаптеров.

Для начинающего разработчика немаловажным является и то, что для программирования AVR можно обойтись вовсе без аппаратного программатора. Самым популярным сопособом программирования этих микроконтроллеров являются пять проводков, подсоединенных к параллельному порту персонального компьютера.

2.3Общая характеристика микроконтроллеров AVR

Особенностями семейства AVR является наличие обширного набора аналоговых компонентов и цифровых периферийных устройств совместно со встроенным ЭППЗУ, что значительно повышает гибкость применения. RISC-архитектура процессора характеризуются мощным набором инструкций, большинство которых выполняются за один машинный цикл. Большинство представителей семейства megaAVR содержат 8-канальный 10-разрядный АЦП[8].

Обобщенная функциональная схема AVR-микроконтроллера представлена на рис.2.6

Все AVR-микроконтроллеры имеют идентичное ядро с регистровым файлом из тридцати двух 8-битных регистров общего назначения и встроенное Flash-ПЗУ емкостью от 1 до 128 кбайт. Ширина шины команд составляет 16 бит, а 5-битное поле адреса регистра обеспечивает доступ к любому из 32 регистров общего назначения.

Рис.2.6 Обобщенная функциональная схема AVR-микроконтроллера.

2.4 Микроконтроллер ATmega16

Для конструирования блока управления инвертором использовался микроконтроллер типа ATmega16 из серии megaAVR. Это 8-разрядные микроконтроллеры с 16 Кбайтами внутрисистемно программируемой Flash памяти.

Отличительные особенности:

· 8-разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с малым потреблением с RISC архитектурой.

· 130 высокопроизводительных команд.

· 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения.

· Производительность приближается к 16 MIPS (при тактовой частоте 16 МГц)

· Встроенный 2-цикловый перемножитель

· 16 Кбайт программируемой Flash памяти.

· 512 байт EEPROM

· 1 Кбайт встроенной SRAM

· 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

· Четыре канала PWM

· 8-канальный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь

· Программируемый последовательный USART

· Встроенный аналоговый компаратор

· Внутренние и внешние источники прерываний

· 32 программируемые линии ввода/вывода

· Рабочая частота 0 - 16 МГц

2.5 Разработка схемы повышающего преобразователя

Схема повышающего преобразователя или бустера находит применение в приборах, где имеется только низковольтное питание, например, 12 гальванических элемента напряжением 1,5 В, но требуется иметь повышенное стабильное напряжение 5...15 В для питания узлов с малым токовым потреблением. Другая «профессия» бустерного преобразователя построение активных корректоров коэффициента мощности[9].

Рис. (2.7). Базовая схема бустерного стабилизатора.

На рис. (2.7) показана базовая схема бустерного преобразователя. Входное напряжение Uin через фильтрующий конденсатор Сin прикладывается к последовательно включенному дросселю L и ключевому транзистору VT. к средней точке соединения этих элементов подключен диод VD, к другому выводу которого подключается выходной конденсатор Сout и шунтирующая его нагрузка Rн . Ключевой транзистор VТ работает в импульсном режиме с постоянной частотой преобразования. Диод VD блокирует нагрузку и конденсатор фильтра Сout от ключевого элемента в нужные моменты времени.

Если ключевой транзистор открыт, схема находится в фазе накопления энергии дросселя, ток от источника питания Uin протекает через дроссель L, запасая в нем энергию. Диод VD при этом блокирует нагрузку и не позволяет конденсатору фильтра разряжаться через замкнутый ключевой транзистор. Ток в нагрузке в этот промежуток времени поддерживается только за счет энергии, запасенной в конденсаторе Сout.

Когда ключевой транзистор закрывается, схема переходит в фазу передач энергии дросселя в нагрузку, ЭДС самоиндукции суммируется с выходным напряжением и энергия, запасенная в дросселе, подзаряжает конденсатор Сout при этом выходное напряжение Uout может стать больше входного Uin.

Следует отметить, что дроссель L не является элементом фильтра, а, выходное напряжение становится больше входного на величину, определяемую величиной индуктивности L и значением коэффициента заполнения, определяемого как отношение времени открытого состояния ключевого элемента к периоду коммутации (duty сусlе).

Разберем чуть более подробно фазы работы бустерноrо преобразователя и сначала рассмотрим фазу накопления энергии дросселя, в которой задействованы элементы согласно рис. (2.8 а).

рис.(2.8) Фазы работы бустерного стабилизатора:

а) фаза накопления энергии дросселя; б) фаза передачи энергии дросселя

В этой фазе транзистор VТ открыт и потенциал правого (по схеме) вывода дросселя L близок к потенциалу общего проводника схемы, левый вывод замкнут на «плюс» питающего напряжения. Конденсатор Соut, считаем имеющим некоторый заряд, поэтому диод VD «подперт» напряжением Uout , ток в нагрузке поддерживается только за счет энергии, накопленной в выходном конденсаторе. Но в данном случае нас больше интересуют процессы, происходящие в дросселе. А происходит в нем линейное нарастание тока i(L) от нулевого значения по закону:

(2.5)

где t продолжительность фазы накопления энергии.

Мы видим, что чем дольше длится фаза накопления, тем большую величину тока можно получить к моменту ее окончания. Если же налагается ограничение на длительность фазы накопления (что в реальных схемах чаще всего и бывает), то получить необходимую величину тока можно за счет выбора соответствующего значения индуктивности L. Чем меньшее значение индуктивности имеет дроссель, тем легче ему «набирать» ток. Этот простой, но очень важный вывод мы сделали исходя из того, что в полученном выражении индуктивность L стоит в знаменателе[9].

Переход к фазе передачи энергии в нагрузку происходит при размыкании ключевого транзистора VT. В этой фазе левый (по схеме) вывод дросселя L остается подключенным к «плюсу» источника питания, а вот правый через открывшийся диод VD приобретает потенциал «плюса» выходного напряжения схемы.

Как известно, основное свойство индуктивного элемента стремление к поддержанию величины и направления протекающего через него тока. Поэтому при размыкании ключа направление разрядного тока индуктивного элемента совпадет по направлению с зарядным током. Закон изменения тока дросселя в данной фазе записывается так:

(2.6)

где Т период коммутаuии.

Если переход между фазами происходит в некоторый момент tu (рис. 2.8), то, подставляя это значение в формулы (2.5) и (2.6), приравнивая их правые части, мы получим регулировочную характеристику бустерного преобразователя:

(2.7)

где D - коэффициент заполнения (duty cycle).

Анализируя формулу (2.7), легко заметить, что теоретически можно увеличивать выходное напряжение преобразователя до бесконечности. К сожалению, максимальный повышающий коэффициент преобразования, даже при наличии очень хороших элементов схемы, существенно ограничен. Его значение не превышает в типовых практических схемах значение 3...6. Индуктивный элемент «бустера» также может работать в двух режимах с неразрывным током и с разрывным током iL . На рис. (2.9) приведены диаграммы, отражающие работу stepup конвертора. Режим неразрывных токов приведен на рис. (2.9), а. Поскольку диод VD в фазе разряда дросселя не закрывается вплоть до момента ее окончания, напряжение «сток-исток» закрытого транзистора VТ в этой фазе равно выходному напряжению Uout. Если режим тока дросселя разрывный (рис.2.8), ток iL спадает к нулю до окончания разрядной фазы, диод VD закрывается и напряжение «сток-исток» транзистора становится равным Uin. Если быть более точным, то в момент полного разряда дросселя возникает колебательный процесс (он показан на рисунке), частоту которого можно определить по формуле:

Рис. 2.9 Характеристики бустерного стабилизатора: а) в режиме неразрывных токов дросселя; б) в режиме разрывных токов дросселя

(2.8)

Где: Сvт емкость между стоком и истоком транзистора VТ;

C_VD барьерная емкость закрытого р-n перехода диода VD.

В режиме непрерывных токов, когда ДiL < 2in, время открытого состояния ключевого транзистора VТ определяется по формуле, являющейся следствием (2.6):

(2.9)

Амплитуда тока дросселя ДiL рассчитывается по формуле:

(2.10)

При расчете параметров «бустера»важно знать максимальную величину тока imax дросселя L, и ее можно рассчитать по формуле:

. (2.11)

где входной ток iin равен:

(2.12)

Теперь приведем основные расчетные соотношения для режима разрывных токов, определяемого по условию ДiL > 2in. Время открытого состояния транзистора VT в этом режиме определяется так:

(2.13)

Время спада до нулевого значения разрядного тока дросселя (рис.2.9, б):

 (2.14)

Амплитуда тока дросселя:

(2.15)

Мы рассмотрели процессы, происходящие в идеализированном бустере. Как было сказано ранее, реальные схемы бустерных преобразователей не позволяют значительно увеличивать напряжение на выходе из-за наличия некоторых паразитных параметров, о которых стоит поговорить немного подробнее. В схеме рис. показаны основные паразитные параметры: активное сопротивление обмотки индуктивноrо элемента (rL), сопротивление ключевого элемента в открытом состоянии (rvт), дифференциальное сопротивление диода в прямом направлении (rVD). Для простоты будем считать, что сопротивления транзистора и диода примерно равны, тогда общее сопротивление зарядной и разрядной цепей преобразователя можно считать примерно одинаковым:

(2.16)

Регулировочная характеристика преобразователя, ранее записанная в виде (2.7), для схемы с паразитными параметрами будет выглядеть так:

(2.17)

Рис.2.10. Паразитные параметры в реальном бустерном преобразователе.

Выражение (2.17) справедливо для диапазона коэффициентов заполнения D в пределах от О до Dкр , называемого критическим коэффициентом заполнения. Критический коэффициент заполнения определяет границу применимости формулы (2.17); при ее превышении регулировочная характеристика стабилизатора приобретает падающий характер. Это происходит потому, что падение напряжения на паразитном сопротивлении r уже не может быть скомпенсировано нарастанием тока в индуктивности.

Определить критический коэффициент заполнения можно по формуле:

(2.18)

Графически семейство регулировочных характеристик показано на рис.2.11. Хорошо видно, что если необходимо получить достаточно протяженный начальный участок, и, следовательно, расширить диапазон регулирования выходного напряжения, необходимо уменьшать паразитные активные сопротивления зарядной и разрядной цепей[9].

В практических схемах «бустеров» максимальный коэффициент заполнения выбирается не более 0,8...0,9, чтобы не «выйти» на падающий участок регулировочной характеристики. Для этого в схему управления стабилизатором вводится специальный ограничитель.

(Рис. 2.11)

Семейство регулировочных характеристик реальных бустерных преобразователей.

2.6 Алгоритмы работы схемы управления контроллера

Функциональные требования к алгоритмам

Разрабатываемая система должна обладать всеми функциями защиты и наблюдения, характерными для современных систем силовой электроники:

· Контроль уровня входного и выходного напряжения преобразователя напряжения.

· Контроль уровня входного и выходного тока преобразователя напряжения.

· Защита от токовой перегрузки.

· Защита от режима короткого замыкания.

· Температурная защита.

В соответствии с предварительным анализом, разрабатываемая программа микроконтроллера системы управления инвертором будет разделена на основную циклическую программу, выполняющую в основном сервисные функции и отдельные подпрограммы обработки прерываний, ориентированные на быстрый отклик на различные внешние или внутренние события. Структура алгоритма основной программы микроконтроллера системы управления инвертором показана на рис. 2.12.

В данном случае основная программа производит инициализацию микроконтроллера, осуществляет опрос кнопок включения-выключения, отрабатывает алгоритм включения-выключения и выводит на индикацию заранее выбранные параметры (Uбат, Uвых, Iвых). Другие сервисные подпрограммы (например, опрос кнопок клавиатуры и другие) могут быть оформлены в виде подпрограмм и включены в бесконечный цикл основной программы в любом месте (здесь не показаны).

Пример подобной подпрограммы приведен ниже на рис. 2.13 (алгоритм защиты от разряда аккумуляторной батареи)

Рис. 2.12 Структура алгоритма основной программы микроконтроллера блока управления.

Рис. 2.13 Алгоритм защиты от разряда и перезаряда аккумуляторной батареи

2.7 Обработчики прерываний

Действия, требующие быстрого отклика, обрабатываются программами обработки прерываний. Прерывания генерируются от различных внешних событий и аппаратных устройств микроконтроллера - от таймеров-счетчиков, по окончанию цикла АЦП, и от внешних устройств. Ниже приведен алгоритм работы некоторых программ обработки прерываний.



Рис. 2.15. Алгоритм защиты от перегрузки выходного каскада

2.8 Разработка схемы микроконтроллерного узла

Плата блока управления обеспечивает необходимый алгоритм работы силовой части контроллера, мониторинг и управление. Плата управления (ПУ) стыкуется с силовой платой и с платой дисплея. Все цепи ПУ изолированы от напряжения аккумуляторов, присутствующего на силовой. По функциональному назначению состав ПУ может быть разбит на следующие узлы:

· центральный микроконтроллер (МК);

· узел формирования ШИМ сигналов для управления силовыми транзисторами блока MPPT;

· узлы согласования входных и выходных сигналов;

· узел согласования сигналов индикации и кнопок;

На рисунке 2.16 показана упрощенная схема микроконтроллерной части ПУ, разработанной для инвертора. В качестве центрального МК использован микроконтроллер типа ATmega16, на входы которого поступают аналоговые и цифровые сигналы.

Плата дисплея содержит ряд светодиодов для индикации режимов работы инвертора и кнопки включения/выключения инвертора. LCD-дисплей типа Hitachi HD44780 используется для отображения электрических параметров и состояния контроллера.

На выводы контроллера РА0 - РА7 (входы АЦП) через схемы сопряжения подаются напряжения, пропорциональные выходному напряжению инвертора, выходному току инвертора, напряжению на аккумуляторной батарее и температуре внутри корпуса. Вывод РВ0 используется для формирования сигнала подачи питания на силовую часть инвертора с помощью сильноточного реле.

Рис. 2.16 Схема управляющей части контроллера.

3. РАЗРАБОТКА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ, МОНТАЖ И НАЛАДКА ЭЛЕКТРОННЫХ БЛОКОВ

Проектирование схемы производилось с помощью программы PCAD Schematic, основной задачей которой является построение принципиальных электрических схем радиоэлектронных устройств.

В этой программе электрические схемы выполняются без соблюдения масштаба. Реальное расположение компонентов на монтажно-коммутационном поле не учитывается при рисовании электрических схем. Выбранный размер на который выводится рисунок схемы, должен обеспечить компактность и ясность при чтении деталей схемы.

На электрической схеме изображаются символы компонентов, электрические связи между ними, текстовая информация, таблицы, буквенно-цифровые обозначения и основные надписи на формате схемы.

Линии на всех схемах одного проекта выполняются толщиной от 0,2 до 1 мм. Соединения и условные обозначения компонентов выполняются линиями одинаковой толщины. Утолщенными линиями рисуются жгуты (общие шины).

После настройки конфигурации графического редактора PCAD Schematic и при наличии в библиотеке всех символов компонентов, содержащихся в заданной электрической схеме (текущем проекте), составляется принципиальная электронная схема. При этом графические изображения элементов схем и линии электрической связи размещаются по обычным правилам.

После создания схемы создается список соединений (NET LIST). В дальнейшем список соединений используется при упаковке элементов и цепей в редакторе PCAD РСВ.

Разработка топологии печатных плат микроконтроллерной системы управления велась с использованием пакета PCAD - 2006. Создавались графические изображения нестандартных индуктивных элементов, электрических соединителей, и перемычек. Остальные элементы - из стандартных библиотек элементов PCAD - 2006. Файл схемы создавался в редакторе схем PCAD - 2006, с использованием стандартных и нестандартных элементов.

Разработка конструкции печатных плат

После настройки конфигурации редактора PCAD РСВ и определения всех параметров проекта можно приступать непосредственно к разработке печатных плат. Используя сгенерированный редактором PCAD Schematic список соединений, создается файл, содержащий изображения контуров печатной платы, элементов печатной платы и электрических соединений.

Задача разработки печатных плат сводится к размещению компонентов проекта по отношению друг к другу на поле печатной платы и созданию правил ручной и автоматической трассировки соединений на плате.

Для разработки печатной платы использовался редактор РСВ PCAD-2006. В нем производится размещение компонентов на монтажно-коммутационном поле, а также ручная, интерактивная или автоматическая трассировка проводников[10].

В интерактивном режиме курсором отмечается начало и конец сегмента проводника, который сразу же трассируется с учетом препятствий. При этом соблюдаются все ограничения на проведение трассы, установленные пользователем. Размещение элементов производилось вручную, так как автоматическое размещение не поддерживается системой PCAD. Разводка цепей велась вручную или интерактивно с учетом необходимой ширины дорожек. Для цепей питания ширина выбиралась 2 мм, а для сигнальных - 1,0 мм.



Рис. 3.1 Печатная плата контроллера.

Рис. 3.2 Схема управляющей части контроллера

Рис. 3.3 Схема силовой части

Таблица 2.1. Спецификация элементов:

№	Наименование	Количество	Цена (сум)	Итого (сум)
1.	Микроконтроллер AtMega16	1 шт.	15000	15000
2.	Панель 40 контактов (AtMega16)	1 шт.	1000	1000
3.	ЖК индикатор LCD 1602	1 шт.	25000	25000
4.	Термодатчик DS18S20	1 шт.	7000	7000
5.	Стабилизатор напряжения LM7805	1 шт.	1000	1000
6.	Стабилизатор напряжения LM317T	1 шт.	1000	1000
7.	Транзистор MOSFET- IRL2203N	2 шт.	3000	6000
8.	Реле RT114012F или (JQX-15F(T90))	3 шт.	6000	18000
9.	Кварцевый генератор Crystal 16MHz	1 шт.	1000	1000
10.	Транзистор биполярный BC547B	5 шт.	200	1000
11.	Транзистор биполярный BC556	1 шт.	200	200
12.	Операционный усилитель LM358	3 шт.	500	1500
13.	Конденсатор электролитический C 220µF 50V	10 шт.	1000	10000
14.	Конденсатор электролитический C 10µF 16 V	2 шт.	250	500
15.	Конденсатор C 1000 µF/16V	2 шт.	400	800
16.	Конденсатор C 0,1 µF	6 шт.
17.	Конденсатор C 10 mF	1 шт.	200	200
18.	Конденсатор C 10 nF	8 шт.
19.	Конденсатор C 500 µF	1 шт.
20.	Конденсатор C 10 pF	2 шт.
21.	Конденсатор C 1 nF	1 шт.
22.	Конденсатор C 10 µF/16V	7 шт.	200	1400
23.	Конденсатор C 100 µF/16V	1 шт.	200	200
24.	Конденсатор C 0,5 µF	1 шт.
25.	Резистор R 500 /0.25W	5 шт.	100	500
26.	Резистор R 20k /0.25W	3 шт.	50	150
27.	Резистор R 10k /0.25W	10 шт.	50	500
28.	Резистор R 0.005/ 5W	6 шт.	800	4800
29.	Резистор R 100 /0.25W	3 шт.	50	150
30.	Резистор R 6k /0.25W	2 шт.	100	200
31.	Резистор R 0,01/ 5W	4 шт.	1000	4000
32.	Резистор R 1k /0.25W	14 шт.	50	700
33.	Резистор R 5,1 /0.25W	4 шт.	50	200
34.	Резистор R 2 /0.25W	2 шт.	50	100
35.	Резистор R 100k /0.25W	2 шт.	50	100
36.	Резистор R 1,5k/0.25W	4 шт.	50	200
37.	Резистор R 4,7k/ 0.25W	10 шт.	50	500
38.	Резистор R 15k /0.25W	1 шт.	100	100
39.	Резистор R 33k /0.25W	8 шт.	100	800
40.	Резистор R 150 /0.25W	2 шт.	100	200
41.	Резистор R 560/0.25W	2 шт.	50	100
42.	Резистор R 270/0.25W	2 шт.	50	100
43.	Кнопка PKN1	5 шт.	1000	5000
44.	Переменное сопротивление R 100k 0.25W	1 шт.	1000	1000
45.	Диод 15CGQ100 (35A 100V)	1 шт.
46.	Диод 35CGQ100 (35A 100V)	1 шт.
47.	Диод 1N4002 (1A 100V)	5 шт.	200	1000
48.	Диод 1N4148 (300mA 75V)	11 шт.	100	1100
49.	Стабилитроны 1N5264B (500mW 60V)	4 шт.
50.	Стабилитроны 1SMB15AT3_1 (600W 15V)	1 шт.
51.	Индуктивность L 10 µГн	1 шт.
52.	Ферритовый каркас EE65	1 шт.	55000	55000
53.	Предохранитель 30А	1 шт.	1000	1000
54.	Оптрон 4N35	3 шт.	1000	2000
55.	Динамик (speaker) 5V	1 шт.	2000	2000
56.	Разъём CONN-SIL 10 0.1 in pitch	2 шт.
57.	Разъём CONN-SIL 8 0.1 in pitch	2 шт.
58.	Разъём 90325-3010 CONN HEADER 10POS 1.27 MM	2 шт.
59.	Обмоточный провод S 0.8	70 м	200	14000
60.	Панелька на 6 ножек
61.	Стеклотекстолит СТЭФ-2мм	0,07 м2
62.	Сплав РОЗЕ	60 гр.
63.	Хлорное железо	100 гр.
64.	Лимонная кислота	15 гр.
65.	Припой SOLDER WIRE SUOER	100 гр.	11000	11000
66.	Припой ПОС-61	150 гр.
67.	Клемма ТС60А-2Р	1(10 разъемов) шт.	1000	1000
68.	Олово	2 шт.	5000	5000

3.1 Изготовление схемы

Блок управления и защиты лабораторного образца инвертора был изготовлен с использованием печатного монтажа. Вся схема блока управления была разделена на четыре части по функционально-узловому принципу. В результате были разработаны следующие элементы блока управления:

· Основная плата включающая в себя микроконтроллерный узел, узел формирования импульсов управления силовыми транзисторами, узел питания формирующий необходимые схеме напряжения питания (рис. 3.4).

· Плата индикации режимов работы и элементы управления (рис. 3.5).

· Плата быстродействующей защиты.

· Плата с силовыми элементами (рис.3.6)

Платы соединялись друг с другом и силовой частью инвертора отдельными парами проводов, выполненными в виде витых пар с шагом скрутки около 1 см. Некоторые ответственные сигналы передавались по экранированным проводам. Для подключения платы индикации и управления к основной плате использовался проводной шлейф. Других специальных мер по защите от помех и заземлению узлов не предпринималось.

Рис. 3.4. Микроконтроллерный узел

Рис.3.5. Плата индикации режимов работы и элементы управления

Рис. 3.6. Плата с силовыми элементами.

3.2 Изготовление печатных плат

Используя разработанную топологию печатных плат, была изготовлена печатная плата стенда. Плата изготавливалась методом химического травления.

Процесс изготовления печатных плат

Весь процесс изготовления печатной платы можно условно разделить на пять основных этапов:

· предварительная подготовка заготовки (очистка поверхности, обезжиривание);

· нанесение тем или иным способом защитного покрытия;

· удаление лишней меди с поверхности платы (травление);

· очистка заготовки от защитного покрытия;

· сверловка отверстий, покрытие платы флюсом, лужение.

Рассмотрим только «классическую» технологию, при которой лишние участки меди с поверхности платы удаляются путем химического травления.

Особенно хотелось бы отметить, что при изготовлении печатных плат следует стремиться при разработке схемы использовать как можно больше компонентов для поверхностного монтажа, что в некоторых случаях позволяет развести практически всю схему на одной стороне платы. В идеальном случае плата должна разводиться только на одной стороне с использованием минимального количества перемычек.

Предварительная подготовка заготовки

Данный этап является начальным и заключается в подготовке поверхности будущей печатной платы к нанесению на нее защитного покрытия. В целом за продолжительный промежуток времени технология очистки поверхности не претерпела сколько-нибудь значительных изменений. Весь процесс сводится к удалению окислов и загрязнений с поверхности платы с использованием различных абразивных средств и последующему обезжириванию. Для удаления сильных загрязнений можно использовать мелкозернистую наждачную бумагу («нулевку»), мелкодисперсный абразивный порошок или любое другое средство, не оставляющее на поверхности платы глубоких царапин. Кроме того, при достаточно чистой поверхности печатной платы можно вообще пропустить этап абразивной обработки и сразу перейти к обезжириванию.

Заключительный этап подготовки поверхности заключается в обезжиривании. Для этого можно использовать кусочек мягкой ткани, не оставляющей волокон, смоченный спиртом, бензином или ацетоном. После обезжиривания плату следует промыть в проточной холодной воде. Качество очистки можно контролировать, наблюдая за степенью смачивания водой поверхности меди. Полностью смоченная водой поверхность, без образования на ней капель и разрывов пленки воды, является показателем нормального уровня очистки. Нарушения в этой пленке воды указывают, что поверхность очищена недостаточно.

Нанесение защитного покрытия

Нанесение защитного покрытия является самым важным этапом в процессе изготовления печатных плат, и именно им на 90 % определяется качество изготовленной платы. В настоящее время в радиолюбительской среде наиболее популярными являются три способа нанесения защитного покрытия [10].

1. Ручное нанесение защитного покрытия. При этом способе чертеж печатной платы переносится на стеклотекстолит вручную при помощи какого-либо пишущего приспособления. Для ручного рисования можно использовать рейсфедер или какое-либо другое приспособление, заправленное красителем. В качестве красителя при работе с такими приспособлениями можно использовать разбавленный растворителем битумный или какой-либо другой лак, цапонлак или даже раствор канифоли в спирте. При этом необходимо подобрать консистенцию красителя таким образом, чтобы он свободно поступал при рисовании, но в то же время не вытекал и не образовывал капель на конце иглы или трубки. Минимальная ширина дорожки, которой можно добиться при рисовании вручную, составляет порядка 0,5 мм.

2. Использование «технологии лазерного принтера и утюга». Основу технологии составляет перенос тонера (порошка, используемого при печати в лазерных принтерах) с какой-либо подложки на печатную плату. При этом возможны два варианта: либо используемая подложка отделяется от платы перед травлением, либо, если в качестве подложки используется алюминиевая фольга, она стравливается вместе с медью. Первый этап использования данной технологии заключается в печати зеркального изображения рисунка печатной платы на подложке. Параметры печати принтера при этом должны быть установлены на максимальное качество печати (поскольку в этом случае происходит нанесение слоя тонера наибольшей толщины). В качестве подложки можно использовать тонкую мелованную бумагу (обложки от различных журналов), бумагу для факсов, алюминиевую фольгу, пленку для лазерных принтеров, основу от самоклеящейся пленки Oracal или какие-нибудь другие материалы. При использовании слишком тонкой бумаги или фольги может потребоваться приклеить их по периметру на лист плотной бумаги. В идеальном случае принтер должен иметь тракт для прохождения бумаги без перегибов, что предотвращает смятие подобного бутерброда внутри принтера. Большое значение это имеет и при печати на фольге или основе от пленки Oracal, поскольку тонер на них держится очень слабо, и в случае перегиба бумаги внутри принтера существует большая вероятность, что придется потратить несколько неприятных минут на очистку печки принтера от налипших остатков тонера.. Также помимо принтера можно использовать и копировальный аппарат, применение которого иногда дает даже лучшие по сравнению с принтерами результаты за счет нанесения толстого слоя тонера. Основное требование, которое предъявляется к подложке, -- легкость ее отделения от тонера. Кроме того, в случае использования бумаги она не должна оставлять в тонере ворсинок. При этом возможны два варианта: либо подложка после перенесения тонера на плату просто снимается (в случае пленки для лазерных принтеров или основы от Oracal), либо предварительно размачивается в воде и потом постепенно отделяется (мелованная бумага). Перенос тонера на плату заключается в прикладывании подложки с тонером к предварительно очищенной плате с последующим нагревом до температуры, немного превышающей температуру плавления тонера. Возможно огромное количество вариантов как это сделать, однако наиболее простым является прижим подложки к плате горячим утюгом. При этом для равномерного распределения давления утюга на подложку рекомендуется проложить между ними несколько слоев плотной бумаги. Очень важным вопросом является температура утюга и время выдержки. Эти параметры варьируются в каждом конкретном случае, поэтому, возможно, придется поставить не один эксперимент, прежде чем вы получите качественные результаты. Критерий тут один: тонер должен успеть достаточно расплавиться, чтобы прилипнуть к поверхности платы, и в то же время должен не успеть дойти до полужидкого состояния, чтобы края дорожек не расплющились. После «приварки» тонера к плате необходимо отделить подложку (кроме случая использования в качестве подложки алюминиевой фольги: ее отделять не следует, поскольку она растворяется практически во всех травильных растворах). Пленка для лазерных принтеров и основа от Oracal просто аккуратно снимаются, в то время как обычная бумага требует предварительного размачивания в горячей воде. Стоит отметить, что в силу особенностей печати лазерных принтеров слой тонера в середине больших сплошных полигонов достаточно мал, поэтому следует по мере возможности избегать использования таких областей на плате, либо после снятия подложки придется подретушировать плату вручную. В целом использование данной технологии после некоторой тренировки позволяет добиться ширины дорожек и зазоров между ними вплоть до 0,3 мм.

3. Применение фоторезистов. Фоторезистом называется чувствительное к свету вещество, которое под воздействием освещения изменяет свои свойства. Сущность применения фоторезиста заключается в следующем: на плату с нанесенным на нее слоем фоторезиста накладывается фотошаблон и производится ее засветка, после чего засвеченные (или незасвеченные) участки фоторезиста смываются специальным растворителем, в качестве которого обычно выступает едкий натр (NaOH). Все фоторезисты делятся на две категории: позитивные и негативные. Для позитивных фоторезистов дорожке на плате соответствует черный участок на фотошаблоне, а для негативных, соответственно, прозрачный. Наибольшее распространение получили позитивные фоторезисты как наиболее удобные в применении.

Первым этапом является подготовка фотошаблона. В домашних условиях его можно получить, напечатав рисунок платы на лазерном принтере на пленке. При этом необходимо особое внимание уделить плотности черного цвета на фотошаблоне, для чего необходимо отключить в настройках принтера все режимы экономии тонера и улучшения качества печати.

На втором этапе на предварительно подготовленную и очищенную поверхность платы наносится тонкая пленка фоторезиста. При этом следует стремиться к максимальной равномерности получаемого покрытия. Кроме того, очень важно обеспечить отсутствие пыли в процессе распыления -- каждая попавшая в фоторезист пылинка неминуемо оставит свой след на плате.

После нанесения слоя фоторезиста необходимо высушить получившуюся пленку. Делать это рекомендуется при температуре 70-80 ^oC, причем сначала нужно подсушить поверхность при небольшой температуре и лишь затем постепенно довести температуру до нужного значения. Время сушки при указанной температуре составляет порядка 20-30 мин. В крайнем случае, допускается сушка платы при комнатной температуре в течение 24 часов. Платы с нанесенным фоторезистом должны храниться в темном прохладном месте.

Следующим после нанесения фоторезиста этапом является экспонирование. При этом на плату накладывается фотошаблон (желательно стороной печати к плате: это способствует увеличению четкости при экспонировании), который прижимается тонким стеклом или куском плексигласа. При достаточно небольших размерах плат для прижима можно использовать крышку от коробки компакт-диска либо отмытую от эмульсии фотопластинку. Поскольку область максимума спектральной чувствительности большинства современных фоторезистов приходится на ультрафиолетовый диапазон, для засветки желательно использовать лампу с большой долей УФ-излучения в спектре (ДРШ, ДРТ и др.). В крайнем случае, можно использовать мощную ксеноновую лампу. Время экспонирования подбирается экспериментально. Однако в целом время экспонирования составляет обычно не более 10 минут даже при экспонировании под прямыми солнечными лучами.

Проявление большинства фоторезистов осуществляется раствором едкого натра (NaOH) -- 7 граммов на литр воды. Лучше всего использовать свежеприготовленный раствор, имеющий температуру 20°C-25°C. Время проявления зависит от толщины пленки фоторезиста и находится в пределах от 30 секунд до 2 минут. После проявления плату можно подвергать травлению в обычных растворах, поскольку фоторезист устойчив к воздействию кислот. При использовании качественных фотошаблонов применение фоторезиста позволяет получить дорожки шириной вплоть до 0,15-0,2мм.

Травление

Известно много составов для химического стравливания меди. Все они отличаются скоростью протекания реакции, составом выделяющихся в результате реакции веществ, а также доступностью необходимых для приготовления раствора химических реактивов.

1. Хлорное железо (FeCl3) -- пожалуй, самый известный и популярный реактив. Сухое хлорное железо растворяется в воде до тех пор, пока не будет получен насыщенный раствор золотисто-желтого цвета (для этого потребуется порядка двух столовых ложек на стакан воды). Процесс травления в этом растворе может занять от 10 до 60 минут. Время зависит от концентрации раствора, температуры и перемешивания. Перемешивание значительно ускоряет протекание реакции. Также реакция ускоряется при подогревании раствора. По окончании травления плату необходимо промыть большим количеством воды, желательно с мылом (для нейтрализации остатков кислоты).

2. Раствор соляной кислоты (HCl) и перекиси водорода (H2O2). Для приготовления этого раствора необходимо к 770 мл воды добавить 200 мл 35 % соляной кислоты и 30 мл 30 % перекиси водорода. Готовый раствор должен храниться в темной бутылке, не закрытой герметически, так как при разложении перекиси водорода выделяется газ. Время травления сильно зависит от перемешивания и температуры раствора и составляет порядка 5-10 минут для хорошо перемешиваемого свежего раствора при комнатной температуре. Не следует нагревать раствор выше 50 oC. После травления плату необходимо промыть проточной водой. Данный раствор после травления можно восстанавливать добавлением H2O2. Оценка требуемого количества перекиси водорода осуществляется визуально: погруженная в раствор медная плата должна перекрашиваться из красного в темно-коричневый цвет. Образование пузырей в растворе свидетельствует об избытке перекиси водорода, что ведет к замедлению реакции травления.

Очистка заготовки, сверловка, нанесение флюса, лужение

После завершения травления и промывки платы необходимо очистить ее поверхность от защитного покрытия. Сделать это можно каким-либо органическим растворителем, например, ацетоном [10].

Далее необходимо просверлить все отверстия. Делать это нужно остро заточенным сверлом при максимальных оборотах электродвигателя. В случае, если при нанесении защитного покрытия в центрах контактных площадок не было оставлено пустого места, необходимо предварительно наметить отверстия (сделать это можно, например, шилом). Прижимное усилие в процессе сверления не должно быть слишком большим, чтобы на обратной стороне платы не образовывались бугорки вокруг отверстий. Обычные электродрели практически не подходят для сверления плат, поскольку, во-первых, имеют низкие обороты, а во-вторых, обладают достаточно большой массой, что затрудняет регулирование прижимного усилия. После сверловки нужно обработать отверстия: удалить все зазубрины и заусенцы. Сделать это можно наждачной бумагой.

Следующим этапом является покрытие платы флюсом с последующим лужением. Можно использовать специальные флюсы промышленного изготовления (лучше всего смываемые водой или вообще не требующие смывания) либо просто покрыть плату слабым раствором канифоли в спирте. Лужение можно производить двумя способами: погружением в расплав припоя либо при помощи паяльника и металлической оплетки, пропитанной припоем. В первом случае необходимо изготовить железную ванночку и заполнить ее небольшим количеством сплава Розе или Вуда. Расплав должен быть полностью покрыт сверху слоем глицерина во избежание окисления припоя. Для нагревания ванночки можно использовать перевернутый утюг или электроплитку. Плата погружается в расплав, а затем вынимается с одновременным удалением излишков припоя ракелем из твердой резины.

Типичные размеры отверстий:

· · Переходные отверстия - 0.8 мм и менее

· · Интегральная схема, резисторы и т.д. - 0.8 мм.

· · Большие диоды (1N4001) - 1.0 мм;

· · Контактные колодки, триммеры - от 1.2 до 1.5 мм;

Необходимо избегать отверстий диаметром менее 0.8 мм. Всегда держите не менее двух запасный сверл 0.8 мм. Сверла 1 мм и больше намного надежнее, хотя и для них неплохо бы иметь запасные.

3.3 Монтаж и наладка электронных блоков

Перед монтажом печатные проводники и контактные площадки необходимо подготовить к пайке - очистить от оксидной пленки и загрязнений. Если монтаж ведется сразу после изготовления печатной платы, то проводники достаточно протереть бязевым тампоном, смоченным в спирте. Если же с момента изготовления платы прошло много времени и металлическое покрытие потемнело (окислилось), то вначале необходимо зачистить его до блеска мелкозернистой шкуркой, а затем тщательно промыть спиртом. После обезжиривания на все контактные площадки печатной платы кисточкой наносят тонкий слой канифольного флюса.

Радиоэлементы и микросхемы тоже необходимо подготовить к монтажу и пайке. Для этого их выводы формуют (придают им нужную форму), обрезают до необходимой длины, зачищают и лудят.

Формовку выводов делают для того, чтобы, во-первых, привести в соответствие расстояния между ними и контактными площадками, во-вторых, чтобы предотвратить отслаивание печатных проводников и площадок при неосторожном нажатии на корпус элемента. Формовку можно выполнить с помощью пинцета, миниатюрных плоскогубцев, круглогубцев или несложного приспособления.

Поскольку прочность сцепления фольги с платой невелика и при нагревании уменьшается, то при пайке соединений на печатной плате необходимо соблюдать осторожность - не допускать перегрева, так как это может привести к отслаиванию проводников и площадок от платы.

Для пайки следует применять припой с низкой температурой плавления: ПОСК 50, ПОС 61 и другие. Мощность электрического паяльника при пайке этими припоями не должна превышать 35-40 Вт. . .

Полностью отработанную и настроенную схему, если она предназначена для работы в условиях повышенной влажности, целесообразно выполнить в виде модуля.

Изолирование корпусов радиоэлементов при монтаже можно выполнить отрезком полихлорвиниловой трубки. Для лучшей фиксации трубку по диаметру следует выбрать несколько меньшей корпуса элемента, Отрезок трубки длиной, в 1,2-1,5 раза большей длины корпуса, выдерживают в ацетоне около часа (или 30-40 мин в дихлорэтане). По истечении этого времени материал трубки разбухает, приобретая исключительно высокую эластичность, трубка удлиняется и увеличивается в диаметре. С помощью пинцета трубку осторожно надевают на корпус элемента и выдерживают на открытом воздухе не менее 2 ч. За это время трубка дает усадку, плотно облегая корпус. Излишки трубки обрезают.

Зачистка выводов. При хранении выводы радиоэлементов через некоторое время обычно покрываются оксидной пленкой, затрудняющей монтажную пайку. Удобно (и быстро) зачищать выводы с помощью ученической чернильной резинки. В резинке сверлят тонким сверлом несколько отверстий, через которые 3-4 раза с усилием протягивают проволочные выводы элементов, сжимая резинку пальцами. Плоские выводы протягивают между двумя плотно сжатыми резинк...