Тиристорный регулятор мощности, управляемый цифровым кодом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание на курсовой проект по дисциплине ЭПУ 2011 г.

Тема: Тиристорный регулятор мощности, управляемый цифровым кодом.

Задание: Разработать устройство цифрового управления мощностью на нагрузке. В качестве управляющих ключей использовать тиристоры с фазоимпульсным управлением (группа ВПЭ-1-13):

Устройство должно быть разработано согласно следующей функциональной схеме:

Требуемые характеристики и параметры разрабатываемого устройства:

Мощность нагрузки, Вт - 2000

Характер тока в нагрузке - Однополярный

Сопротивление нагрузки, Ом - 2000

Способ записи кода задания в буферный регистр - Последовательный

Способ ввода кода задания - От внешнего источника

Точность установки угла открывания тиристоров (град.) - 0,4

Способ индикации заданной мощности на нагрузке - Цифровой

Примечание:

Пояснительная записка должна иметь стандартный титульный лист и определенный порядок изложения:

Раздел, посвященный стыковке разработанных узлов (т.е. согласованию отдельных узлов по уровням сигналов на их входах и выходах и их нагрузочной способности). В конце раздела должно быть приведено описание полной схемы устройства, которая должна быть представлена на листе формата А2 или А3 с соблюдением чертежных стандартов; схема должна быть снабжена спецификацией.

Введение

Значительные изменения во многих областях науки и техники обусловлены дальнейшим развитием электроники. Широкое внедрение в современную электронику интегральных цифровых микросхем привело к необходимости создания и разработки приборов, в которых наряду с аналоговыми методами преобразований и обработки сигналов используются также цифровые методы.

В нашем курсовом проекте разработаем устройство цифрового управления мощностью на нагрузке, управляемая цифровым кодом, имеет следующие узлы, которые все друг с другом неразрывно связаны: тактовый генератор, генерирующий тактовые импульсы, которые затем через логические элементы «И-НЕ», используемые в качестве повторителя импульсов, поступают на вход счетчика с регулируемым коэффициентом счета. К счетчику подключен буферный регистр памяти, который передает информацию счетчику от внешнего источника питания, используемый в качестве порта ввода кода задания. В данной схеме запись кода задания в буферный регистр памяти производится последовательно.

Тактовый импульс «записи» поступает в буферный регистр памяти на соответствующий вход.

Еще в схеме имеется устройство, которое формируется стартовые импульсы. Они же через дифференцирующие цепочки, формирующие более короткие импульсы из длинных, и через логические элементы «И-НЕ» поступают на определенный вход счетчика. Со счетчика снимаются выходные импульсы и поступают в узел формирования импульсов управления, который подключается к счетчику.

Далее импульсы поступают с узла формирования импульсов управления в усилитель мощности открывающих импульсов, который подключен к этому узлу. Затем эти открывающие импульсы, мощность которых данный усилитель усилил, поступают в блок тиристоров открывая их, и тем самым происходит цифровое управление мощностью на нагрузке, подключенной к блоку тиристоров.

В схеме также существует блок питания. Он преобразует переменное напряжение сети в постоянное и питает усилитель мощности открывающих импульсов, индикатор мощности и счетчик. К блоку тиристоров соответственно подключается нагрузка. На этой нагрузке способ индикации заданной мощности - цифровой, а полярность тока в нагрузке будет однополярная. Соответственно в данной схеме блок тиристоров состоит из одного тиристора. В схеме имеется один усилитель мощности открывающих импульсов управления и один счетчика с регулируемым коэффициентом счета.

Описание отдельных узлов схемы

1. Генератор тактовых импульсов (ГИ)

Генератор тактовых импульсов генерирует электрические импульсы заданной частоты (обычно, прямоугольной формы) для синхронизации различных процессов в цифровых устройствах. Тактовые импульсы часто используются как эталонная частота - считая их количество можно, например, измерять временные интервалы.

В микропроцессорной технике один тактовый импульс, как правило, соответствует одной атомарной операции. Обработка одной инструкции может производиться за один или несколько тактов работы микропроцессора, в зависимости от архитектуры и типа инструкции. Частота тактовых импульсов определяет скорость вычислений.

В несложных конструкциях, не критичных к стабильности тактового генератора, часто используется последовательное включение нескольких инверторов через RC-цепь. Частота колебаний зависит от номиналов резистора и конденсатора. Основной минус данной конструкции - низкая стабильность. Плюс - предельная простота.

В данной схеме выбран тактовый генератор импульсов на двух инверторах (рис.1), который имеет частоту, вычисленная по следующей формуле:

Где - частота тактового генератора, К - разрядность импульсов, 10мсек. - длительность. Он состоит из следующих элементов, параметры которых, согласно справочным материалам следующие:

Два резистора, имеющие сопротивления и конденсатор, емкость которого и два инвертора: DD3.3-DD3.4, модель которых К176ИЕ12.

Рис.1 Генератор импульсов на двух инверторах.

Рис.2 Диаграммы напряжений простого генератора с одним времязадающим конденсатором

Если рассмотреть процессы в генераторе по схеме (рис.1) с того же момента, можно заметить, что вначале заряд конденсатора С3 происходит аналогично (рис.2). Отличие начинается тогда, когда напряжение на выходе инвертора DD3.3 начинает уменьшаться (рис.2). Уменьшение напряжения на выходе DD3.3 приведет к уменьшению напряжения на резисторе , что уменьшает скорость перезаряда конденсатора. Отрицательная обратная связь через резистор стремится установить напряжения на входе и выходе инвертора DD3.3 равными, в результате чего скорость изменения напряжения на выходе инвертора DD3.3 уменьшается и на спаде импульса появляется характерная ступенька. Если порог переключения инвертора DD3.4 равен порогу переключения инвертора DD3.3, при приближении напряжения на выходе DD3.3 к этому порогу начнется повышение напряжения на выходе DD3.4 (рис.2), что вызовет лавинообразный процесс переключения обоих инверторов генератора.

2. Порт ввода кода задания

В схеме в качестве порта ввода кода задания используется разъем, через который код задания передается от внешнего микропроцессорного устройства.

3. Буферный регистр памяти

В представленной схеме буферный регистр строится на микросхемах К155ТМ5 (4D-триггера в одном корпусе, см. рис.3).

Рис.3 Микросхема К155ТМ5

1 - вход D1; 2 - вход D2; 3 - вход синхронизации С3,С4; 4 - напряжение питания; 5 - вход D3; 6 - вход D4; 7,10 - свободные; 8 - выход D; 9-выход С; 11 - общий; 12 - вход синхронизации С1,С2; 13 - выход В; 14 - выход А.

Для промежуточного хранения данных в цифровых устройствах применяют регистры памяти, которые могут быть построены на оперативных ЗУ, статических и динамических триггерах или регистрах. При небольшом количестве сохраняемой информации регистр памяти может быть собран на триггерах. Пример такой схемы на статических D-триггерах для хранения четырех бит информации представлен на (рис.3).

Микросхема К155ТМ5 содержит четыре статических триггера с попарно объединенными синхронизирующими входами.

Запись в регистр производится при высоком уровне на входе С, причем триггеры остаются «прозрачными» во время записи, т.е. выходные данные повторяют входные в течение всего времени, когда С=1.

Разрядность буферного регистра может быть легко увеличена путем параллельного соединения нескольких микросхем (рис.3а).

Рис. 3а. Схема буферного регистра

4. Блок таймера

В данном курсовом проекте схема блока таймера строится на микросхемах К155Ие7 (рис.4).

Рис. 4 Микросхема К155ИЕ7

Микросхема К155ИЕ7 - реверсивный счетчик. Этот счетчик двоичный. Он работает в коде 1-2-4-8. Данный счетчик считает до 16. Входы +1 и -1 служат для подачи тактовых импульсов, +1 - при прямом счете, -1 - при обратном. Вход R служит для установки счетчика в 0, вход L - для предварительной записи в счетчик информации, поступающей по входам D1 - D8. Установка триггеров счетчика в 0 происходит при подаче лог 1 на вход R, при этом на входе L должна быть лог.1. Для предварительной записи в счетчик любого числа от 0 до 15 его код следует подать на входы D1 - D8 (D1 - младший разряд, D8 - старший), при этом на входе R должен быть лог 0, и на вход L подать импульс отрицательной полярности.

Прямой счет осуществляется при подаче импульсов отрицательной полярности на вход +1, при этом на входах -1 и L должна быть лог 1, на входе R - лог 0 Переключение триггеров счетчика происходит по спадам входных импульсов, одновременно с каждым шестнадцатым входным импульсов на выходе >=15 формируется отрицательный выходной импульс переполнения, который может подаваться на вход +1 следующей микросхемы многоразрядного счетчика. Уровни на выходах 1-2-4-8 счетчика соответствуют состоянию счетчика в данный момент (в двоичном коде). При обратном счете входные импульсы подаются на вход -1, выходные импульсы снимаются с выхода <=0.

В микросхеме ИЕ7 импульс на выходе => появляется одновременно с импульсом на входе +1 при переходе счетчика из состояния 15 в состояние 0, а на выходе <=0 - при переходе счетчика из 0 в 15 одновременно с импульсом на входе -1. Предельная частота функционирования микросхемы К155ИЕ7 - 15 МГц.

Рассчитаем разрядность счетчика таймера, зная по условию задания, что точность установки угла открывания тиристора - число цифровых комбинаций, обеспечивающее данную точность.

Самое ближайшее к нему число это 512, которое дает целое число К, т.е. , отсюда К=следовательно К=- это разрядность данного счетчика.

Схема блока таймера представлена на рис. 5.

Рис.5. Схема блока таймера

5. Формирователь импульсов управления (ФИУ)

Рис. 6 Формирователь импульсов управления

тиристор регулятор мощность цифровой

В схеме формирователя импульсов управления (рис.6) имеется:

- трансформатор, который является электромагнитным устройством, предназначенное, для преобразования посредством электромагнитной индукции системы переменного тока одного напряжения в систему переменного тока другого напряжения при неизменной частоте и без существенных потерь мощности. Трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных обмоток, охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала. Так же этот трансформатор, предназначен для преобразования импульсных сигналов с длительностью импульса до десятков микросекунд с минимальным искажением формы импульса. Основное применение заключается в передаче прямоугольного электрического импульса (максимально крутой фронт и срез, относительно постоянная амплитуда). Он служит для трансформации кратковременных видеоимпульсов напряжения, обычно периодически повторяющихся с высокой скважностью. На входе трансформатора в данной схеме изображенной на (рис.6) подается напряжение , а на выходе имеет одну вторичную обмотку, которая имеет напряжение 200В.

- Диоды VD1, VD3 включены для выпрямления из двуполярной синусоидальной кривой напряжения в однополярные полуволн напряжения. Диод VD1 образует нечетные полуволны, а VD3 - четные, следовательно, однополярный управляющий импульс (рис.6). Диоды выбираем из условия, что обратное напряжение будет не меньше 200В. Пусть тип диодов будет Д229И его характеристики:

- стабилитрон VD2 служат для срезания синусоидальной полуволны с амплитудой 200В. Возьмем стабилитрон КС147А, он срежет полуволну до напряжения примерно 4,7В.

- сопротивление

- имеются логические элементы «ИЛИ-НЕ», которые состоят из элементов ИЛИ и инвертора и осуществляют отрицание результата схемы ИЛИ. Связь между выходом у и входами схемы читается как «инверсия ».

- емкость С1 является средством накопления электроэнергии в электрических цепях. Типичной областью применения являются: сглаживающие фильтры в источниках электропитания, фильтрация помех. Зарядка и разрядка конденсатора до определенного напряжения занимает конечный период времени (называемый постоянной времени); это время зависит в основном от емкости конденсатора и включенного последовательно сопротивления, С=375 мкФ.

Рис.7 Временные диаграммы работы формирователя импульсов управления

На (рис.7) показаны временные диаграммы работы формирователя импульсов управления. На них изображены формы напряжений в точках

А1-А5 и В1-В5, а также форма напряжения на входе трансформатора т.е. и на выходе вторичной обмотки трансформатора

A - нечетная фаза, В - четная фаза.

6. RS - триггер

Рис.8 RS - триггер

Схема RS - триггера состоит из двух элементов «И-НЕ». Триггер имеет два входа, которые называются S и R. Вход S называют входом установки (от слова Set - установить). Вход R - это вход сброса (Reset). Два выхода триггера обозначаются как Q и Q.

Буква Q с чертой сверху читается как «не кю». Черта над именем любого выхода или входа означает, что данный вывод (вход) инверсный. Поэтому Q и Q - это, соответственно, прямой и инверсный выходы триггера. Посмотрим, как работает RS-триггер. Для правильной работы такого триггера на оба его входа необходимо подать сигналы логической единицы. Перевод триггера из одного устойчивого состояния в другое производится путем кратковременной подачи на один из входов нулевого сигнала. При подаче нуля на вход S (Set) триггер переходит в единичное состояние. При подаче сигнала на вход R (Reset) триггер сбрасывается в ноль.

Одновременная подача двух нулей на оба входа триггера недопустима, так как в этом случае работа триггера непредсказуема. В промежутке между сигналами, когда на обоих входах единица, триггер сохраняет ранее установленное состояние.

Если на обоих входах присутствует единица, установленное состояние триггера сохраняется все время, пока на схему подано напряжение питания. Таким образом, триггер можно использовать для хранения информации. При выключении питания информация теряется. Если питание было выключено, то в момент включения питания (до прихода первых входных импульсов) триггер устанавливается в случайное положение. Если точнее, то это положение зависит от того, какой из элементов триггера оказался более быстродействующим.

Подача лог. 1 на вход R устанавливает триггер в состояние 0, подача лог.1 на вход S - в состояние 1. Если лог.1 подать на оба входа R и S, на выходе будет также лог. 1.

RS-триггер можно считать простейшим устройством, для хранения одного бита цифровой информации.

7. Формирователь пачек импульсов (ФПИ)

Рис. 9 Схема формирователя пачек импульсов

Генератор пачки импульсов формирует пачки импульсов с частотой заполнения 1000 Гц, частота повторения пачек - около 1 Гц, длительность 0,5с.. Генерация пачек происходит лишь при подаче лог. 1 на вход - запуск генератора. Первый импульс первой пачки появляется сразу после подачи разрешающего сигнала. Генератор пачек импульсов имеет следующие элементы, (данные из справочного материала), имеются два логических элемента И-НЕ, их модель К561ЛА7

8. Блок тиристорных ключей с усилителем мощности управляющих сигналов (БТ-УМ)

Этот блок содержит усилитель мощности сигналов управления тиристорами и два тиристора. Как сказано выше, управление тиристорами осуществляется периодической последовательностью пачек импульсов.

Пачка импульсов, выработанных ФПИ представляет собой сигнал открыития тиристоров. Усиление сигнала открытия каждого тиристора осуществляется транзисторным каскадом ОЭ, нагруженным на импульсный трансформатор (рис.10)

Рис. 10 Схема усилительного каскада

Поскольку необходимо управлять двумя тиристорами, общая схема блока БТ-УМ будет иметь вид, представленный на рис.11.

Рис.11. Схема блока БТ-УМ

В данной схеме усилитель мощности на состоит из следующих элементов: трансформатор Т, диод VD4, транзистор VT14 и сопротивление

Данные из справочника:

- площадь сечения вториной обмотки

(А)/2(А)=0,5

(А)

(А)/

- это коэффициент усиления тока базы.

Выберем транзистор в пределах 30-40В. Транзистор будет низкочастотный КТ815В (n-p-n), где

Для транзистора КТ815В:

(А)/

Значит уровень «лог.1» на входе генератора пачек будет равно 3В, т.е.

Далее находим

Выберем диоды VD4 зная, что

Диод VD4 имеет модель (КД504А).

Мощные тиристоры включены встречно параллельно.

Берём

VD5 - это полупроводниковый диод, где VD5 имеет модель (КД221А)

Мощность на нагрузке:

Т.к. схема двухполупериодная, тогда

VS1 (КУ204Г), т.к.

9. Блок дисплея

По заданию дисплей должен быть построен на светодиодах и он должен представлять информацию об угле открытия тиристоров в двоичном коде в виде линейки светящихся и не светящихся светодиодов. Код поступает из буферного регистра. Цифровые сигналы усиливаются нелинейными усилителями, построенными на логических элементах. Ток светодиода равен 4,5 мА. Последовательно с каждым светодиодом включено балластное сопротивление.

Список используемой литературы

1. Опадчий Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров. -М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 768 с.

2. Васильев В.И. Электронные промышленные устройства: Учеб. пособие / В.И. Васильев, Ю.М. Гусев, В.Н. Миронов, С.Г. Обухов, В.А. Семеран.- М.: Высшая школа, 1988. - 304 с.

3. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники: Учеб. пособие / Г.С. Зиновьев. - Новосибирск: Изд - во НГТУ, 2004. - 672 с.

4. Лебедев О.Н. Микросхемы памяти и их применение / О.Н. Лебедев. - М.: Радио и связь, 1990. - 160 с.

5. Гусев В.Г. Электроника / В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. - М.: Высшая школа, 1991. - 624 с.

6. Уланов В.А. Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов заочной формы обучения по направлению 210106.65. (Кафедра промышленной электроники КГЭУ). Издательский отдел КГЭУ.

7. Варшавер Б.А. Расчет и проектирование импульсных усилителей / Б.А. Варшавер. - М.: Высшая школа, 1985. - 288 с.

Размещено на Allbest.ru