Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Выпускная квалификационная работа

Устройство регулирования выходного напряжения лабораторного обратноходового преобразователя на основе семейства ШИМ-контроллера UC384x

Студент

В.А. Лайков

Оренбург 2015



Задание

на выполнение выпускной квалификационной работы

по направлению подготовки (специальности)__промышленная электроника_______

студенту ___________Лайкову Владимиру Алексеевичу________________________

Вид ВКР _______________дипломный проект_______________________________

1 Тема ВКР Устройство регулирования выходного напряжения лабораторного обратноходового преобразователя на основе ШИМ-контроллеров семейства UC384х.

2 Срок сдачи студентом законченной ВКР « » 20 г.

3 Исходные данные к выполнению ВКР

Необходимые возможности стенда

3.2.5 Ограничения выходных параметров источника питания на основе ОХП:

- диапазон выходных напряжений U2, В ……………5 - 30;

- диапазон значений напряжений датчика тока ключа ОХП , A… 0.05 - 0.2.

3.2.6 Электрические параметры воздушной системы охлаждения (вентилятора):

- номинальное напряжение питания, В ……………………..…… 12±3;

- потребляемый ток, мА ………………………….……. 150.

4 Содержание текстовой части ВКР

- Анализ поставленной технической задачи;

- Разработка электрических принципиальных схем;

- Конструкторское проектирование;

- Рекомендации к проведению лабораторных эксперементов;

- Безопасность труда;

- Экономический расчет проекта.

5 Перечень графического (иллюстративного) материала

- Обратноходовой преобразователь схема структурная и функциональная;

- Монтажное поле схема электрическая принципиальная;

- Источник питания схема электрическая принципиальная;

- Регулятор схема электрическая принципиальная;

- Монтажное поле плата печатная и сборочный чертеж;

- Источник питания плата печатная и сборочный чертеж;

- Регулятор плата печатная и сборочный чертеж;

6 Консультанты, с указанием относящихся к ним разделов ВКР

- Безопасность труда_____В.В.Делигирова

- Экономическая часть ________________________А.Ш.Акулова

Дата выдачи и получения задания

Руководитель ВКР «___»_______________________ 20___г. ________________ С.С. Фролов

Студент «___»_____________________20___г. ________________В.А. Лайков

Дата выполнения студентом задания консультанта по экономической части

Консультант «___»____________20___г. ______А.Ш.Акулова

Дата выполнения студентом задания консультанта по безопасности труда

Консультант «___»_____________20___г. __________В.В.Делигирова



Аннотация

Пояснительная записка содержит 87 страниц, в том числе 19 рисунков и 20 таблиц. Графическая часть выполнена на 7 листах формата A1.

В процессе проектирования была разработаны монтажное поле и необходимые блоки лабораторного стенда для конструирования и изучения импульсных источников питания на основе однотактного обратноходового преобразователя.

Диплом содержит расчет экономической части, а также рассмотрены вопросы безопасности труда.

Explanatory note contains 87 pages, including 19 figures and 20 tables. Graphic portion is 7 sheets of A1.

The design process has been developed and field mounting blocks necessary laboratory bench for the design and study of switching power supplies on the basis of single-ended flyback converter.

Diploma comprises calculating the economic part, and also considered the question of occupational safety.



Содержание

Введение

1. Анализ поставленной технической задачи

1.1 Назначение и структурная схема стенда обратноходового преобразователя. Место в ней блока ШИМ-контроллера

1.2 Внутреннее устройство ШИМ-контроллеров UC3842 - UC3845

1.3 Анализ схемы обратноходового преобразователя на микросхеме UC384x. Замкнутая система регулирования

1.4 ШИМ-контроллеры UC384x в разомкнутой системе управления

1.5 Постановка задач проектирования

2. Разработка электрических принципиальных схем макетов

2.1 Разработка схемы и рекомендации к расчету управления ОХП разомкнутой системы

2.2 Разработка схемы и рекомендации по расчету управления ОХП замкнутой системы

2.3 Требования к источнику питания

3. Конструкторское проектирование

4. Безопасность труда

4.1 Анализ и обеспечение безопасных условий труда

4.2 Расчет искусственного освещения по методу коэффициента использования

4.3 Возможные чрезвычайные ситуации

5. Экономический расчёт проекта

5.1 Расчет затрат на стадии создания нового устройства

5.2 Расчёт годовых эксплуатационных издержек потребителя

Заключение

Список использованных источников

Приложение



Введение

Целью дипломного проектирования является разработка лабораторного стенда для изучения регулирования выходного напряжения однотактного обратноходового преобразователя.

Однотактные обратноходовые преобразователи являются наиболее распространенными блоками в импульсных источниках постоянного напряжения мощностью до 500 Вт. Это обусловлено тем, что в области малой и средней мощности они обеспечивают оптимальное соотношение цены и качества. Стоимость узла управления однотактного обратноходового преобразователя гораздо ниже других преобразователей аналогичного типа.

Большое распространение получили преобразователи на базе микросхем ШИМ-регуляторов с опережающим токовым регулированием серии UC384x. Это объясняется простотой управления и применения, требует минимального числа внешних радиоэлементов. Микросхема содержит цепи: точного формирования длительности цикла управления (до 96 %); температурно компенсированный источник опорного напряжения (0,2 мВ/С); усилитель ошибки с высоким коэффициентом усиления (до 90 дБ в разомкнутой цепи); тотемный выход для управления ключом на полевом транзисторе (выходной ток до 1 А).

Использование семейства ШИМ-контроллеров UC384х позволит упростить схему управления обратноходового преобразователя.

Разрабатываемый стенд предназначен для проведения лабораторных работ по дисциплинам: силовая электроника, основы преобразовательной техники, связанным с изучением источников питаний.



1. Анализ поставленной технической задачи

1.1 Назначение и структурная схема стенда обратноходового преобразователя. Место в ней блока ШИМ-контроллера

Цель проектирования - разработка макетов блока «ШИМ-контроллер» (рисунок 1.2), предназначенного для управления лабораторным обратноходовым преобразователем (ОХП), функциональная схема которого представлена на рисунке 1.1. Согласно техническому заданию (ТЗ), «ШИМ-контроллер» должен базироваться на микросхеме UC384x. В лабораторных работах по изучению ОХП выполняются:

- предварительный расчет обратноходового преобразователя по заданным входным и выходным параметрам;

- монтаж импульсного обратноходового преобразователя;

- практическое исследование выходных и внутренних процессов изменения электрических величин с помощью осциллографа и измерительных приборов;

- анализ регулировочных характеристик;

- оптимизация переходных процессов, вызванных межвитковой емкостью первичной обмотки и паразитными индуктивностями выводов транзистора.

В целях обеспечения защиты работы и внешнего генератора, и ШИМ-контроллера, между указанными источниками и управляющим входом ОХП предусмотрена гальваническая развязка.

Согласно ТЗ, разрабатываемые устройства должны позволять:

- изучить принципы функционирования микросхем UC384x;

- научить подключать микросхему к ОХП в замкнутой либо разомкнутой системе регулирования;

- изменять частоту управляющих импульсов на выходе микросхемы;

- разрабатывать (рассчитывать) звено обратной связи по напряжению и подключать его к микросхеме UC384x.

Рисунок 1.1 - Функциональная схема изучаемого обратноходового преобразователя

Рисунок 1.2 - Структурная схема разрабатываемого лабораторного стенда. ДТ - датчик тока; ДН - датчик напряжения

1.2 Внутреннее устройство ШИМ-контроллеров UC3842 - UC3845

Микросхемы ШИМ-контролеров серии UC384х имеют все необходимые функциональные возможности для создания схем управления сетевыми импульсными источниками питания или преобразователями постоянный ток-постоянный ток с обратной связью по току и постоянной частотой преобразования.

UC3842 представляет собой микросхему ШИМ-контроллера с входами обратной связи по току и напряжению, предназначенную для управления ключевым каскадом на n-канальном МОП транзисторе. Обеспечивает также разряд его входной емкости форсированным током величиной до 0.7 А. Ядро UC3842 специально разработано для долговременной работы с минимальным количеством внешних дискретных компонентов. ШИМ-контроллер UC3842 отличается точным управлением рабочего цикла, температурной компенсацией и имеет невысокую стоимость. Особенностью UC3842 является способность работать в пределах 100 % рабочего цикла (для примера UC3844 работает с коэффициентом заполнения до 50 %.). Температурный диапазон 0..+70 С. Отечественным аналогом UC3842 является 1114ЕУ7. Блоки питания, выполненные на микросхеме UC3842, отличаются повышенной надежностью и простотой исполнения.

Назначение выводов микросхемы

UC3842 имеет два варианта исполнения корпуса 8pin и 14pin, расположение выводов этих исполнений, существенно отличаются. Далее будет рассматриваться только вариант исполнения корпуса 8pin (рисунок 1.3)

Рисунок 1.3 - Описание выводов микросхемы UC384x

Comp - «компенсация» - выход усилителя ошибки. Для нормальной работы ШИМ-контроллера необходимо скомпенсировать АЧХ усилителя ошибки, с этой целью к указанному выводу обычно подключается конденсатор емкостью около 100 пФ, второй вывод которого соединен с выводом 2 ИС. Если на этом выводе напряжение занизить ниже 1вольта, то на выходе 6 микросхемы будет уменьшаться длительность импульсов, тем самым уменьшая мощность данного ШИМ-контроллера.

VFB - «напряжение обратной связи» - вход обратной связи. Напряжение на этом выводе сравнивается с образцовым, формируемым внутри ШИМ-контроллера UC3842. Результат сравнения модулирует скважность выходных импульсов, в результате выходное напряжение блока питания стабилизируется. Формально второй вывод служит для сокращения длительности импульсов на выходе, если на него подать выше +2,5 вольта, то импульсы сократятся и микросхема снизит выдаваемую мощность.

IS - «датчик тока» - сигнал ограничения тока. Данный вывод должен быть присоединен к резистору в цепи истока ключевого транзистора. В момент перегрузки МОП транзистора напряжение на сопротивлении увеличивается и при достижении определённого порога UC3842A прекращает свою работу, закрывая выходной транзистор. Проще говоря, вывод служит для отключения импульса на выходе, при подаче на него напряжения выше 1 вольта.

RC - «задание частоты» - вывод для подключение времязадающей RC-цепочки, необходимой для установки частота внутреннего генератора. Резистор подключается между выводами Vref и Rt/Ct, конденсатор - между Rt/Ct и общим проводом (обычно выбирается несколько десятков nF). Эта частота может быть изменена в достаточно широких пределах, сверху она ограничивается быстродействием ключевого транзистора, а снизу - мощностью импульсного трансформатора, которая падает с уменьшением частоты. Практически частота выбирается в диапазоне 35…85 кГц, но иногда источник питания вполне нормально работает и при значительно большей или значительно меньшей частоте.

GND - «Общий» - общий вывод. Общий вывод не должен быть соединён с корпусом схемы. Это земля "горячая" соединяется с корпусом устройства через пару конденсаторов.

OUT - «Выход» - выход ШИМ-контроллера, подключается к затвору ключевому транзистору через резистор или параллельно соединенные резистор и диод (анодом к затвору).

VCC - «Питание» - вход питания ШИМ-контроллера, на этот вывод микросхемы подаётся напряжение питания в диапазоне от 16 вольт до 34, обратите внимание, что данная микросхема имеет встроенный триггер Шмидта (UVLO), который включает микросхему, если напряжение питания превышает 16вольт, если-же напряжение по каким-либо причинам станет ниже 10 вольт (для других микросхем серии UC384X значения ON/OFF могут отличатся), произойдёт её отключение от питающего напряжения. Микросхема также обладает защитой от перенапряжения: если напряжение питания на ней превысит 34вольта, микросхема отключится.

Vref - выход внутреннего источника опорного напряжения, его выходной ток до 50 мА, напряжение 5 В. Подключается к одному из плеч делителя служит для оперативной регулировки выходного напряжения всего блока питания.

Основные узлы микросхемы

На рисунке 1.4 приведена схема электрическая функциональная

Рисунок 1.4 - Схема электрическая функциональная

Схема отключения при понижении входного напряжения (UVLO - Under-voltage Lock Out). Обеспечивает начальный пуск микросхемы при (рисунок 1.5), а также выключение генерации при . При понижении входного напряжения выходной формирователь удерживает выход в низком состоянии, что удерживает МОП-транзистор в закрытом состоянии. Гистерезис, равный 6 В либо 0.8 В, предотвращает беспорядочные включения и выключения напряжения во время подачи питания.

Рисунок 1.5 - Схема отключения при понижении входного напряжения

Генератор. Установка параметров генератора показана на рисунке 1.6 Частотозадающий конденсатор Ст заряжается от Vref (5 В) через частотозадающий резистор RT, а разряжается внутренним источником тока.

Рисунок 1.6 - Установка частоты генератора

Первым шагом при выборе компонентов генератора надо определить требуемую величину "мертвого” времени т.е. времени разряда конденсатора Ст, когда внутренний сигнал тактовой частоты переводит выход контроллера в низкое логическое состояние. На рисунке 1.7 показана зависимость ''мертвого" времни от близких к стандартным значениям емкости Ст .



Рисунок 1.7 - Зависимость «мертвого» времени от емкости Ст (Rт > 5 кОм)

Микросхемы UC3844 и UC3845 имеют встроенный счетный триггер, который служит для получения максимального рабочего цикла генератора, равного 50 %. Поэтому генераторы этих микросхем нужно установить на частоту переключения вдвое выше желаемой. Генераторы микросхем UC3842 и UC3843 устанавливаются на желаемую частоту переключения. Максимальная рабочая частота генераторов семейства UC3842/3/4/5 может достигать 500 кГц.

Максимальный рабочий цикл. Микросхемы UC3842 и UC3843 имеют максимальную величину рабочего цикла, равную приблизительно 100%, а максимальная величина рабочего цикла микросхем UC3844 и UC3845 ограничена 50 % с помощью встроенного счетного триггера. Эти значения рабочих циклов удобны для большинства обратноходовых и прямоходовых преобразователей. В оптимальном случае "мертвое" время не должно превышать 15 % периода тактовой частоты генератора.

Во время разряда конденсатора или в "мертвое” время внутренний сигнал тактовой частоты переводит выход в низкое состояние. Это ограничивает максимальный рабочий цикл :



для UC3842/3 (1.1)

для UC3844/5

Контроль и ограничение тока. На Рисунке 1.8 показана схема измерения напряжения, пропорционального току. Преобразование ток-напряжение выполнено на внешнем резисторе Rs, связанном с землей. При нормальной работе пиковое напряжение на резисторе Rs определяется усилителем ошибки согласно следующему уравнению:

Где Vc - это управляющее напряжение, равное выходному напряжению усилителя ошибки E/A.

Рисунок 1.8 - Организации обратной связи по току

Ограничение тока происходит, если напряжение на выводе 3 достигает о порогового значения 1 В, то есть предел тока определяется:



Усилитель сигнала ошибки. Упрощенная схема усилителя сигнала ошибки (Е/А) показана на рисунке 1.9 . Неинвертирующий вход усилителя сигнала ошибки не имеет отдельного вывода и смещен на 2.5 В. Выход усилителя сигнала ошибки соединен с выводом 1 для подсоединения внешней цепи обратной связи и коррекции (рисунок 1.10).

Рисунок 1.9 - Упрощенная схема усилителя сигнала ошибки

Рисунок 1.10 - Схема компенсации для повышающих и обратноходовых преобразователей в непрерывном режиме

На рисунке 1.11 показана частотная характеристика усилителя сигнала ошибки с разомкнутой цепью обратной связи рисунка 9. Из нее видно, что фазовая задержка быстро увеличивается для частот выше 1 МГц, благодаря второму главному полюсу на частоте выше 10 МГц.



Рисунок 1.11 - Частотная характеристика усилителя ошибки при разомкнутой петле ОС

Ток индуктивности для повышающих и обратноходовых преобразователей, работающих в непрерывном режиме, определяет ноль их передаточных функций в правой полуплоскости. Дополнительный полюс необходим, чтобы уменьшить петлевое усиление на частоте, меньшей частоты указанного нуля. Этот полюс обеспечивают компоненты RP и СР, показанные в схеме на рисунке 1.10.

Способы блокировки. Возможны два способа блокировки микросхемы UC3842: повышение напряжения на выводе 3 выше уровня 1 В, либо подтягивание напряжения на выводе 1 до уровня, превышающего падение напряжения на двух диодах, относительно потенциала земли. Каждый из этих способов приводит к установке высокого логического уровня напряжения на выходе ШИМ-компаратора (см. структурную схему). Поскольку основным (по умолчанию) состоянием ШИМ-триггера является состояние сброса, на выходе ШИМ-компаратора будет удерживаться низкий логический уровень напряжения до тех пор, пока не изменится состояние на выводах 1 или 3 в следующем тактовом периоде.

Коррекция крутизны пилообразного напряжения. Целесообразно суммировать фрагмент линейно изменяющегося напряжения генератора с управляющим токовым сигналом для коррекции крутизны сигналов преобразователя в том случае, если требуется режим работы со значением рабочего цикла порядка 50 %. Конденсатор Ст вместе с резистором R2 образует фильтр (рисунок 1.12), предназначенный для сглаживания выбросов переходных процессов ключевого режима работы, и, в первую очередь, во время фронта импульса.

Рисунок 1.12 - Схема коррекции крутизны пилообразного напряжения.

Квазикомплементарный выходной каскад. Микросхема UC3842 имеет единственный выход квазикомплементарного каскада, который может выдавать пиковый ток для возбуждения МОП-транзистора, равный ±1 А, и средний ток для возбуждения биполярного транзистора, равный ±200 мА.

Ограничение выходного пикового тока выполняется помещением резистора между выходом квазикомплементарного каскада и затвором МОП-транзистора. Его величина определяется делением коллекторного напряжения выходного каскада Vс на пиковый ток этого каскада. Без этого резистора пиковый ток ограничивается только скоростью переключения квазикомплементарного каскада dv/dt и емкостью затвора МОП-транзистора.

Использование диода Шоттки, шунтирующего выход на землю, предотвращает выбросы выходного напряжения, порождаемые нестабильностями внутри микросхемы, ниже уровня земли. Чтобы быть эффективным, выбранный диод должен иметь прямое падение напряжения меньше 0.3 В при токе 200 мА. Примеры схемных решений показаны на рисунке 1.13 и 1.14

Рисунок 1.13 - Прямое управление МОП-транзистором

Рисунок 1.14 - Управление биполярным транзистором отрицательным смещение в выключенном состоянии

Шум. Как было упомянуто ранее, шум сигналов обратной связи по току или сигналов управления может вызывать существенное дрожание ширины импульса, особенно при работе в режиме непрерывное тока дросселя. В то время как компенсация наклона пилообразное напряжения облегчают эту проблему, лучшее решение состоит все-таки в том, чтобы минимизировать шумовую составляющую. Вообще, шумовая устойчивость улучшается с уменьшением импедансов в критических точках схемы.

Одна из таких точек для импульсных источников питания -- это земляная шина. Небольшая индуктивность проводов между различными точками земляной шины на печатной плате может поддерживать синфазный шум с достаточной амплитудой, чтобы помешать правильной работе ШИМ-модулятора. Сплошная медная заземленная поверхность на одной стороне печатной платы и отдельные возвратные шины для путей прохождения больших токи уменьшают синфазный шум.

Керамические конденсаторы (0.1 мкФ), шунтирующие выводы Vcc и GND, обеспечивают снижение импеданса для высокочастотных переходных процессов в этих точках. Вход усилителя сигнала ошибки, однако, имеет высокий импеданс, который не может быть зашунтирован без воздействия на на источник сигнала обратной связи. Поэтому, единственный способ борьбы -размещение элементов и проводников цепей обратной связи на максимальном удалении от источников шума - например, элементов цепей обвязки вентилей ОХП и самих вентилей.

На рисунке 1.15 иллюстрируется другая порождаемая шумом проблема. Когда мощный переключающий транзистор выключается, шумовой выброс улавливается выводом Rт/Cт, как антенной. При больших значениях рабочего цикла напряжение на выводе Rт/Cт приближается к пороговому уровню 2.7 В, определяемому внутренней схемой генератора, выброс достаточной амплитуды вызовет преждевременную генерацию импульса (пунктирные линии на рисунке 1.15,а). Для минимизации шумового выброса увеличивается величина емкости Cт, увеличивая тем самым "мертвое” время. Рекомендуемое минимальное значение емкости Ст - 1000 пф.

Рисунок 1.15 - Иллюстрация положительного влияния внешней синхронизации: а) шум на выводе 4 вызывает преждевременный запуск генератора, b) при внешней синхронизации напряжение шума не приближается к пороговому уровню

Часто шум, ставящий эту проблему, вызывается отрицательными выбросами выходного напряжения на выводе 6, порождаемыми переходными процессами внутри микросхемы. Это особенно важно при работе с МОП-транзисторами. Шунтирование диодами Шоттки вывода 6 уменьшает влияние такого шума на генератор. Если эти меры не помогают решить проблему, генератор может быть всегда синхронизирован внешней тактовой частотой.

Синхронизация. В самом простом методе вынужденной синхронизации частотозадающий конденсатор Ст используется в конфигурации, близкой к стандартной. Последовательно с Ст к земле подключается небольшой резистор. Этот резистор служит входом для синхроимпульсов, которые поднимают напряжение на Ст выше верхнего порога генератора. Генератор ШИМ-контроллера работает по старой схеме, пока не появится синхроимпульс. Цепочку Rт/Cт при внешней синхронизации рассчитывают на более низкую частоту, чем частота синхроимпульсов, как правило на 20 %.

Микросхема UC3842 может быть синхронизирована внешней тактовой частотой через вывод 4 Rт/Cт , как показано на рисунке 1.16

Рисунок 1.16 - Подключение сигнала синхронизации

1.3 Анализ схемы обратноходового преобразователя на микросхеме UC384x. Замкнутая система регулирования

Пример схемы обратноходового преобразователя на основе ШИМ-контроллера UC384x представлен на рисунке 1.16.

Преобразователь с передачей энергии на обратном ходу (обратноходовой преобразователь, Flyback, флайбэк) можно назвать одной из самых популярных топологий импульсных источников питания. Область его широкого применения ограничена конверторами низкой и средней мощности, как стандартного применения, так и эксклюзивных решений. Причем разработчики серийной продукции любят его за предельную простоту и дешевизну, а некоторые его уникальные свойства позволяют решать весьма нестандартные задачи. По своим энергетическим характеристикам обратноходовой преобразователь значительно уступает большинству других топологий. Можно сказать, что оптимизация его невозможна без компромиссов, и разработчикам необходимо хорошо представлять себе все процессы в нем и влияние элементов схемы друг на друга и на характеристики изделия в целом - обратноходовой преобразователь является уникальной топологией в плане взаимосвязанности всех процессов.

Проанализируем процессы в усилителе обратной связи и в схеме включения ШИМ-контроллера U1 в представленной схеме рисунка 1.17.

Рисунок 1.17 - Схема обратноходового преобразователя на микросхеме UC384x

В качестве усилителя ошибки U3 в подавляющем большинстве импульсных источников используется интегральная микросхема TL431 и её клоны. Логика работы данной микросхемы крайне проста. Пока напряжение на управляющем электроде не превышает опорного напряжения (для основной серии ), ток через микросхему не течет. По достижении опорного напряжения TL431 начинает пропускать через себя ток с очень высоким коэффициентом усиления. Соответственно, делитель на резисторах R14, R15 настраивается таким образом, чтобы при номинальном выходном напряжении напряжение на управляющем электроде в точности соответствовало опорному. Сначала выбирается резистор R15. Его сопротивление не должно быть слишком большим что бы минимизировать влияние тока утечки в управляющий электрод (4мA max.), и не слишком малым, для облегчения коррекции петли обратной связи. Обычно используют R15 = 10K.

В качестве каскада согласования между усилителем ошибки и входом обратной связи FB ШИМ-контроллера служит оптрон U2. Ток через оптотранзистор будет максимальным в случае, когда напряжение на выходе усилителя ошибки ШИМ - контроллера (вывод 1) будет равно нулю. Этот ток будет равен напряжению на инвертирующем входе усилителя ошибки (вывод 2, в нашем случае 2.5V) поделенное на сопротивление параллельно соединенных R5 и R7. Сопротивления резисторов R5 и R7 рекомендуется выбирать равными - в этом случае мы сможем контролировать напряжение на выходе усилителя ошибки вплоть до 5V, то есть с приличным запасом. Эти резисторы не должны быть слишком большими для сохранения устойчивости схемы к помехам, но слишком малая их величина может создать излишнюю нагрузку на ШИМ - контроллер. Минимальный ток через оптотранзистор теоретически может быть равным нулю - если напряжение на выходе усилителя ошибки достигнет 5V.

Элементы коррекции петли обратной связи - C4, C10, R14. Собственно, корректирующими элементами являются только C10 и R14, а конденсатор С4 служит для повышения устойчивости ШИМ - контроллера к помехам.

Частотно-задающая цепочка R8, C5. В микросхемах UC384x реализован задающий генератор на следующем принципе. Сначала конденсатор С5 медленно заряжается через резистор R8 от опорного напряжения, а затем быстро разряжается внутренним ключом с фиксированным током разряда 8.3 мА. Время разряда конденсатора через внутренний ключ определяет «мертвое» время - когда силовой ключ всегда закрыт. Соответственно, варьируя величины R8 и С5 можно не только задавать частоту преобразования, но и максимальное значение рабочего хода. В данном случае нам интересно получить как можно меньшее «мертвое» время, что бы максимально приблизить наш коэффициент заполнения D к 50%, конденсатор желательно иметь как можно меньшей емкости, а R8 должен быть как можно больше, исходя из графика в спецификации желательно его иметь в районе 25-30К. Для чипов UC3844 и UC3845 эта частота должна быть вдвое больше, поскольку для получения 50 - процентного рабочего цикла в них используется только каждый второй такт.

Датчик тока и его цепи (R11, R10, C7). Датчик тока должен гарантировать с одной стороны нормальную работу блока при номинальной нагрузке, а с другой - начать ограничивать ток при как можно меньшей перегрузке. В схеме рисунка 1.17 рассматриваемая цепь обратной связи по току служит источником пилообразного опорного напряжения внутреннего ШИМ-компаратора микросхемы U1.

Схема питания контроллера (D1, R4, C3). После запуска ШИМ - контроллера, когда напряжение его питания достигло порога включения, подключаются все его внутренние схемы, и потребление резко возрастает. Кроме того, начинают поступать импульсы на затвор силового транзистора, и дополнительный ток потребляется на перезаряд его емкости. Выходное напряжение в начальный момент равно нулю, и начинает плавно возрастать по мере заряда выходных конденсаторов. Сейчас ШИМ - контроллер работает в режиме ограничения тока - длительность выходных импульсов определяется напряжением на датчике тока, а цепь обратной связи не работает, поскольку выходное напряжение еще не достигло нормы. Напряжение на обмотке питания также низко, и контроллер питается от энергии запасенной в конденсаторе C3. Соответственно, энергии в нем должно хватить на все время переходного процесса, и оно должно быть тем больше, чем больше емкость на выходе блока. При коротком замыкании на выходе напряжение на обмотке питания не достигнет уровня, достаточного для работы ШИМ - контроллера, и цикл запуска будет происходить периодически.

Рассмотренные блоки усилителя ошибки, оптрона и ШИМ-контроллера и входят в замкнутую систему управления ОХП.

1.4 ШИМ-контроллеры UC384x в разомкнутой системе управления

Наличие больших пиковых токов связанных с емкостной нагрузкой требуют внимательного отношения к качеству заземления. Транзистор и переменный резистор 5К применяются для передачи генерируемых пилообразных импульсов с вывода RC на вывод IS с нужной для работы схемы амплитудой. Наличие больших пиковых токов связанных с емкостной нагрузкой требуют внимательного отношения к качеству заземления. Транзистор и переменный резистор 5К применяются для передачи генерируемых пилообразных импульсов с вывода RC на вывод IS с нужной для работы схемы амплитудой.

Времязадающий и шунтирующие конденсаторы, устанавливаемые по выводу 7 (VCC) и выводу 8 (REF), нужно заземлить в отдельной точке, как можно ближе к выводу 5 (GND) микросхемы (рисунок 1.18)

1.5 Постановка задач проектирования

Таким образом, в процессе разработки необходимо решить следующие проектные задачи.

1) разработать схему и печатную плату макета для моделирования ШИМ-контроллера разомкнутой системы регулирования;

2) разработать схему и печатную плату макета для моделирования ШИМ-контроллера замкнутой системы регулирования;

3) разработать схему и печатную плату внутреннего источника питания ШИМ - контроллера;

4) предложить методики расчета:

а) частотно-задающих цепей;

б) элементов схемы усилителя ошибки;

в) элементов задания режима покоя оптрона.

Рисунок 1.18 - ОХП разомкнутой системы



2. Разработка электрических принципиальных схем макетов

2.1 Разработка схемы и рекомендации к расчету управления ОХП разомкнутой системы

На рисунке 2.1 изображена функциональная схема управления ОХП разомкнутой системы. В ней используются съемные элементы R3, R4, R5, R6.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема управления ОХП разомкнутой системы

Частотозадающие элементы С1 и R6. Возьмем С1 равному 4,7 нФ и кГц

.

Возьмем R1=R2=10 кОм. Для расчёта номиналов R3 и R4 задаемся Iэ=5..10 мА и U4max=2.7 В:



,

.

Для расчета XP3 используем следующие формулы

,

.

С учётом Vref=5В, получаем

.

На рисунке 2.2 приведена принципиальная схема

Рисунок 2.2 - Принципиальная схема управления ОХП разомкнутой системы



2.2 Разработка схемы и рекомендации по расчету управления ОХП замкнутой системы

На рисунке 2.3 приведена функциональная схема управления ОХП разомкнутой системы на чрезвычайно широко распространенной микросхеме UC3842. Данная схема очень удобна для рассмотрения общих схемотехнических принципов, которые легко могут быть применены и в большинстве других случаев.

В схеме используются съемные элементы R6, R7, R8, R9

Рисунок 2.3 - Функциональная схема управления ОХП замкнутой системы

На рисунке 2.4 приведена принципиальная схема управления ОХП разомкнутой системы.

Рисунок 2.4 - Принципиальная схема управления ОХП замкнутой системы



Подключение ШИМ контроллера

На рисунке 2.5 приведена схема подключения ШИМ контроллера. В схеме используется съемный элемент R9.

Рисунок 2.5 - Подключение ШИМ Контроллера

Частотозадающие элементы С3 и R9. Возьмем С3 равному 4,7 нФ и кГЦ

Считывание и ограничение по току R2, C2

Возьмем С2=510 пФ и кГЦ и подставим в (2.8)



кОм

Конденсатор С1 служит для повышения устойчивости ШИМ - контроллера к помехам. Номинал конденсатора C1 невелик - всего сотни пикофарад, обычно от 100пФ до 470пФ - это исключает его влияние на частотную характеристику петли обратной связи. Остановимся на C1 = 330пФ, в большинстве случаев это работает очень хорошо.

Сопротивления резисторов R1 и R3 рекомендуется выбирать равными в этом случае мы сможем контролировать напряжение на выходе усилителя ошибки вплоть до 5V, то есть с приличным запасом. Эти резисторы не должны быть слишком большими для сохранения устойчивости схемы к помехам, но слишком малая их величина может создать излишнюю нагрузку на ШИМ - контроллер. Максимальный ток через оптрон в (0.5..1)mA можно считать удачным компромиссом в случае использования UC3842. Остановимся на токе 0.5mA - это определит номиналы R1 и R3: R1 = R3 = 10 K.

Рассчитаем номинал С4 учитывая, что

Учитывая что R3=10 K, а Кгц, получаем С4=53 нФ.

Рекомендации по расчёту усилителя ошибки схемы замкнутой системы

На рисунке 2.6 приведена схема цепи обратной связи замкнутой системы. В схеме используется съемный элемент R6, R7, R8.



Рисунок 2.6 - Усилитель ошибки замкнутой системы

Элементы коррекции петли обратной связи С5, R5. Собственно, корректирующими элементами являются только C5 и R5.

Итак, будем резко (со скоростью порядка (1-5)A/ms) изменять ток нагрузки от номинального до половины номинального. Наша задача - добиться апериодического процесса восстановления выходного напряжения после возмущающего воздействия. Будем добиваться минимального времени переходного процесса, т.е. максимального быстродействия петли обратной связи. На рисунке 2.7 (а-г) показаны осциллограммы переходного процесса при различной комбинации R5 и С5. На рисунке 2.7-а. переходный процесс имеет очень большую длительность, хоть и обладает апериодичностью. Поэтому будем уменьшать емкость конденсатора C10. На рисунке 2.7-б длительность переходного процесса значительно снизилась, и процесс восстановления все еще носит апериодический характер. Попробуем еще уменьшить емкость конденсатора C5. На рисунке 2.7-в переходный процесс стал приобретать колебательный характер. Причем никакие изменения сопротивления резистора R5 уже не способны придать ему апериодический характер. Поэтому считаем, что предыдущий номинал конденсатора C5 является минимально допустимым. Теперь попробуем увеличить номинал резистора R5 что бы добиться большего коэффициента усиления на высокой частоте. На рисунке 2.7-г переходный процесс все еще носит апериодический характер, но появился участок с относительно высокочастотными колебаниями. Это говорит о том, что, хотя система все еще устойчива, запас стал слишком мал, и такого режима лучше избегать. В итоге останавливаемся на комбинации C5 = 1nF, R5 = 47K как на случае минимальной длительности переходного процесса при гарантированной устойчивости системы.

Рисунок 2.7 - Осциллограммы переходного процесса при различной комбинации R5 и С5

Ток, протекающий через TL431, не должен быть менее 1mA (это мимальный ток катода TL431 для устойчивой ее работы, данные из спецификации). Минимальное падение напряжения на светодиоде HCPL3020 в области малых токов составляет 0.9V в худшем случае. Соответственно, можно легко найти номинал резистора R6.

Ом

Резистор номиналом 910 Ом будет разумным выбором - мы посчитали его номинал уже с учетом разбросов компонентов и создали небольшой запас допустив, что ток через светодиод отсутствует.

Ток через резистор складывается из тока через светодиод HCPL3020 и тока через резистор R6. Поскольку падение напряжения на светодиоде оптрона может достигать 1.5V то ток через R6 может достигать



мА

То ток через есть R7 составит

мА

При этом максимальном токе падение напряжения на R7 не должно превышать питающего напряжения минус минимально рекомендованное напряжение на катоде TL431 (обычно равно опорному, т.е. 2.5В)

К

То есть R7=2,7 К вполне подойдет.

Делитель на резисторах R4, R8 настраивается таким образом, чтобы при номинальном выходном напряжении напряжение на управляющем электроде в точности соответствовало опорному.

Сначала выбирается резистор R4. Его сопротивление не должно быть слишком большим что бы минимизировать влияние тока утечки в управляющий электрод (4мA max.), и не слишком малым, для облегчения коррекции петли обратной связи. Обычно используют R4 = 10K. Теперь можно посчитать требуемое сопротивление резистора R8

2.3 Требования к источнику питания

Для питания разрабатываемого устройства требуется отдельный источник питания.

Данный источник должен отвечать следующим требованиям:

- напряжение 16-30 В;

- мощность 0,32 Вт.

В итоге остановились на источнике B5-47, у которого напряжение может настраиваться от 0-29.9 В, максимальная выходная мощность 100 Вт.



3. Конструкторское проектирование

Для получения печатной платы необходимо принципиальную схему преобразовать в плату печатного монтажа. Создание печатной платы, как и принципиальной схемы, осуществляем в программе Altium Designer 14.2. Алгоритм создание аналогичен для всех плат. Рассмотрено создание плат ОХП замкнутой и разомкнутой системы.

После решения задач синтеза конструкции необходимо выполнить верификацию полученного проектного решения на соответствие принципиальной электрической схеме и соблюдение заданных конструкторско-технологических норм. В ходе решения задач верификации выполняют и устраняют несоответствия между схемой и печатной платой и нарушения технологических требований. Было принято решение о корректности полученного проектного решения.

Ниже приведём алгоритм разработки:

1) на этапе рисования схем создали элементы с их посадочными местами. Если к компоненту не привязано посадочное место, то на вкладке «Model» привязываем к нему соответствующую модель типа «Footprint», выполнив последовательность команд «Add» - «Footprint» - выбор нужной библиотеки - выбрать требуемую модель посадочного места;

2) ввели схему в документ типа «Schematic»;

3) компилируем схему командой Project - Compile Document;

4) создаётся пустой документ типа «PCB» с заготовкой печатной платы;

5) команда Design - Update PCB Document позволяет перенести в «PCB» документ информацию компонентах схемы и информацию

6) на нижней стороне печатного монтажа (слой Top Layer) размещаем элементы.

7) с помощью инструмента Interactively Route Connections выполняем трассировку. В случае необходимости используем переходные отверстия Place Via.

В этой же программе создаем заготовку печатной платы.

Параметры печатной платы ОХП замкнутой системы:

-Размеры платы 12.5мм Ч 3.5мм

- Число слоев 1

- Ширина дорожек 0.5

- Размеры контактных площадок 1мм Ч 1мм

Параметры печатной платы ОХП разомкнутой системы:

- Размеры платы 40мм Ч 60мм

- Число слоев 1

- Ширина дорожек 0.5 и 1

- Размеры контактных площадок 1мм Ч 1мм

В программе PCB.exe производим распечатку следующих рисунков:

- размещение элементов платы замкнутой системы (рисунок 3.1);

- печатный монтаж платы замкнутой системы (рисунок 3.2);

- размещение элементов платы разомкнутой системы (рисунок 3.3);

- печатный монтаж платы разомкнутой системы (рисунок 3.4)

Чертежи монтажа и печатной платы приведены соответственно на плакатах. электронный обратноходовой преобразователь микросхема

Рисунок 3.1 - Размещение элементов платы замкнутой системы



Рисунок 3.1 - Печатный мантаж платы замкнутой системы

Рисунок 3.1 - Размещение элементов платы разомкнутой системы

Рисунок 3.1 - Печатный монтаж платы разомкнутой системы



4. Безопасность труда

4.1 Анализ и обеспечение безопасных условий труда

Освещение

Каждая аудитория должна иметь искусственное освещение, удовлетворяющих ряду основных требований:

1) освещенность рабочих поверхностей в соответствии с установленными требованиями;

2) отсутствие на рабочей поверхности резких теней;

3) отсутствие в поле зрения прямой и отраженной блескости;

4) необходимый спектральный состав света;

5) обеспечение аварийного освещении (при необходимости).

Искусственное освещение бывает двух видов: общее и комбинированное.

Комбинированное освещение рекомендуется там, где нужна высокая точность выполняемых работ, где возникают специфические требования к освещению, где оборудование создает глубокие, резкие тени или рабочие поверхности расположены вертикально (штампы, гильотинные ножницы), а также там, где на различных рабочих местах производственного помещения требуется различная (резко отличающаяся) величина освещенности.

Система общего освещения может быть рекомендована в помещениях, где по всей площади выполняются однотипные работы, а также там, где создание местного освещения затруднительно.

Для обеспечения наиболее благоприятного соотношения яркости в поле зрения при комбинированном освещении светильники общего освещения должны создавать на рабочей поверхности не менее нормируемой освещенности.

Электрическое освещение производственных помещений может быть рассчитано по одному из трех методов: по величине удельной мощности освещения, по методу коэффициента использования и по точечному методу; применение каждого обусловливается видом рассчитываемого освещения и требуемой точностью расчета.

С началом нового учебного года проводиться инструктаж студентов по технике безопасности.

При выполнения лабораторного эксперимента студент должен быть очень внимательным, выполнять требовании преподавателя, соблюдать технику безопасности.

Эргономика рабочего места.

Оборудование и методы работы повышают эффективность и производительность, уменьшают вероятность несчастных случаев и ошибок, влияют на самочувствие работника и оказывают значительное влияние на результаты труда.

Стены помещения окрашены в голубой цвет, рабочие места оборудованы креслами с регулировками по высоте, применены плоские мониторы с регулируемыми углами наклона и высотой. Между рабочими местами установлен защитный экран высотой 1,5 м. На окнах установлены жалюзи, в соседнем помещении оборудована комната отдыха и приготовления пищи. Нормирование требований эргономики выполняется по ГОСТ Р ИСО 9241-3-2003 «Эргономические требования при выполнении офисных работ с использованием видеодисплейных терминалов.»

Микроклимат и вентиляция

Параметры микроклимата и вентиляция в помещении отдела обеспечиваются принудительной системой вентиляции и кондиционером фирмы «Наier» с максимальной холодопроизводительностью 35 кВт, он же поддерживает оптимальную влажность в помещении.

Нормирование выполняется в соответствии с документами «Руководство по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса» Критерии и классификация условий труда Р 2.2.2006-05 и "СанПиН 2.2.4.548-96" "Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений".

В помещении круглый год поддерживаются следующие метеорологические параметры:

1) температура воздуха 21-25 градусов Цельсия;

2) относительную влажность 40-60 %.

При скорости движения воздуха не более 0,1-0,2 м/с, также в вентиляционной системе кондиционера установлен фильтр для очистки воздуха от пыли.

Важным фактором нормального высокопроизводительного труда являются метеорологические условия в производственном помещении.

Метеорологические условия в производственных условиях определяется следующими параметрами: температурой воздуха, барометрическим давлением, относительной влажностью и скоростью движения воздуха на рабочем месте.

При измерениях температуры, относительной влажности воздуха в помещениях, где установлена электронно-измерительная техника, получились такие результаты. Температура в теплый период года колеблется от 21 до 25 °C, в холодный период года от 21 до 23 °C. Относительная влажность колеблется от 41 % до 55 % в холодный период и от 42 % до 62 % в теплый период года. Эти параметры температуры и влажности удовлетворяют нормам СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 и находятся в допустимых пределах. Установленные нормы температуры от 19-23 °С и относительная влажность от 55 % до 62 %.

Поверхность пола в помещении ровная, без выбоин, нескользкая, удобная для очистки и влажной уборки, обладает антистатическими свойствами.

Разница (называемая отношением яркости) между рабочим местом и примыкающей площадью не превышает соотношение 3:1. Коэффициенты отношения поверхностей следующие:

1) для потолка 80 - 95 %;

2) для стен 50 -60 %;

3) для мебели и машин 25 - 45 %;

4) для пола 25 -45 %.

В здании предусмотрены технические средства (лестничные клетки, противопожарные стены, наружные пожарные лестницы), которые имеют устойчивость при пожаре и огнестойкость конструкций не менее времени, необходимого для спасения людей при пожаре и расчетного времени тушения пожара. На предприятии регулярно проводится инструктаж по безопасности с сотрудниками. В зданиях организации предусмотрена система сигнализации и оповещения о пожаре персонала, на каждом этаже имеется схема эвакуации, каждый сотрудник обучен правилам эвакуации из здания. В здание предусмотрены эвакуационные выходы и определена безопасная зона. В каждом помещении наглядно представлена информация о необходимых действиях при возникновении пожара. Предусмотрены средства пожаротушения.

Уровень шума

1) В производственных помещениях при выполнении основных или вспомогательных работ с использованием ПЭВМ уровни шума на рабочих местах не должны превышать предельно допустимых значений, установленных для данных видов работ в соответствии с действующими санитарно-эпидемиологическими нормативами.

В помещениях всех образовательных и культурно-развлекательных учреждений для детей и подростков, где расположены ПЭВМ, уровни шума не должны превышать допустимых значений, установленных для жилых и общественных зданий (таблица 4.1).

При выполнении работ с использованием ПЭВМ в производственных помещениях уровень вибрации не должен превышать допустимых значений вибрации для рабочих мест (категория 3, тип "в") в соответствии с действующими санитарно-эпидемиологическими нормативами.

В помещениях всех типов образовательных и культурно-развлекательных учреждений, в которых эксплуатируются ПЭВМ, уровень вибрации не должен превышать допустимых значений для жилых и общественных зданий в соответствии с действующими санитарно-эпидемиологическими нормативами.

Шумящее оборудование (печатающие устройства, серверы и т.п.), уровни шума которого превышают нормативные, должно размещаться вне помещений с ПЭВМ.

Таблица 4.1 - Уровень звукового давления в зависимости от помещений.

Наименование помещений	Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами, Гц	Уровни звука и эквивалентные уровни звука
	663	1125	2250	5500	11000	22000	44000	88000	дБА
Классные помещения, учебные кабинеты, учительские комнаты, аудитории школ и других учебных заведений, конференц-залы, читальные залы, залы совещаний, днем	63	52	45	39	35	32	30	28	40

4.2 Расчет искусственного освещения по методу коэффициента использования

Таблица 4.2 - Исходные данные для расчета

Освещенность Е, лк	300
Размеры помещения aЧb , м	16Ч8
Расчетная высота подвесного светильника hp , м	4
Тип светильника	РСП05/Г03
Тип лампы	Газоразрядные ДРЛ
Коэффициент запаса k	1,5
Коэффициент неравномерности освещения z	1,2

Решение

1) определяем максимальное расстояние между светильниками по выбранному типу светильника и рекомендуемым соотношениям расстояний между светильниками и высотой подвеса

м.

где л = 0,8 для светильников с лампами ДРЛ [приложение Г, таблица. 1].

2) определяем расстояние от стены до первого ряда светильников при отсутствии рабочих мест

м.

3) определяем общее количество рядов по ширине

ряда.

Принимаем количество рядов по ширине .

4) определяем общее количество рядов по длине



Принимаем количество рядов по длине .

5) определяем общее количество светильников, которое необходимо разместить в помещении

шт.

5) определяем показатель помещения

.

6) определяем расчетный световой поток одной лампы

,

лм.

где x - число источников света в светильнике;

- коэффициент использования светопотока [приложение Г, таблица 2].

Данный световой поток может обеспечить лампа ДРЛ-125 с Ф = 5600 лм [приложение Г, табл. 3].

1) определяем отклонение

8) Определяем расчетное число светильников

.

Принимают число светильников n = 20.

Располагаем их в соотношении 4Х5.

9) Определяем мощность системы

Вт.

Схемы размещения светильников приведены на рисунках 4.1 и 4.2.

Наиболее вероятные чрезвычайные ситуации в учебной аудитории связано с пожаром. Учебный корпус находиться в непосредственной близости от ж/д дороги, бензозаправочным комплексом, которые представляют опасность. В данном разделе дипломного проектирования рассмотрено и произведена оценка химической обстановки при заражении воздуха хлором.

Рисунок 4.1 - Схема расположения светильников

Рисунок 4.2 - Схема расположения светильника над уровнем пола

4.3 Возможные чрезвычайные ситуации

Основные параметры:

1) кол-во перевозимого хлора - 10 т;

2) скорость ветра - 1 м/с;

3) угловой размер зоны поражения - 180°;

4) глубина (Г) распространения зараженного воздуха на открытой местности при соответствующей массе АХОВ и скорости ветра при конвекции (ясный день) - 1.4 км;

5) время испарения хлора tис - 1.3 часа;

6) средняя скорость переноса облака, зараженного веществом (исходя из скорости ветра) - 1.5 м/с.

Ширина (Ш) зоны химического заражения

км.

Площадь (S) зоны химического заражения (при скорости ветра 0,6-1 м/с зона заражения имеет форму полуокружности)

км2.

Время подхода облака (t) к корпусам зданий

мин.

Обеспеченность людей противогазами - 20 %, отсюда возможные потери людей:

1) на открытой местности - 75 %;

2) в зданиях - 40 %;

3) из них легкой степени поражения - 25 %;

4) средней и тяжелой степени - 40 %;

5) со смертельным исходом - 35 %.

На территории корпусов находится примерно 700 человек, из них 100 могут находиться на открытой местности, отсюда возможные потери



человек.



5. Экономический расчёт проекта

В данном разделе производится экономический расчет разработки и изготовление лабораторного стенда, импульсного блока питания и регулятора. Устройство предназначено для использования в лабораторных работах. Производится расчёт себестоимости отладочного устройства и расчёт годовых затрат на эксплуатацию.

5.1 Расчет затрат на стадии создания нового устройства

Создание устройства связано с проведением опытно-конструкторских работ, стоимость которых определяется следующим образом

где - стоимость проведения эскизно-технического проектирования и разработки конструкторской документации, руб.;

- стоимость разработки программного обеспечения, руб.;

...