Дипломная (вкр): Разработка лабораторного блока питания на основе микроконтроллера

1.3 Выбор и обоснование схемы лаборатоного блока питаня

На основании требований поставленных в задании на дипломный проект должен быть спроектирован лабораторный блок питания на основе микроконтроллера обеспечивающий следующие технические характеристики:

1) напряжение от 0 до 15 В.

) максимальный ток нагрузки до 1 А.

) установка защиты по превышению тока от 0 до 1А.

) удобство эксплуатации.

) удобство ремонта и регулировки.

Реализовать данные требования позволяет устройство выполненное по предлагаемой ниже функциональной схеме представленной на рисунке 6.

Рисунок 6 - Функциональная схема блока питания

Функциональная схема состоит из четырех блоков:

) Первичный источник- предназначен для гальванической развязки от питающей сети и понижения напряжениядля регулятора. В зависимости от примененного первичного источника (импульсный блок или трансформатор с секционной вторичной обмоткой) используются разные подпрограммы микроконтроллера (об этом будет описано ниже).

) Регулятор - собственно основная силовая аналоговая часть, которая осуществляет регулирование напряжения и тока в зависимости от параметров установленных микроконтроллером, а также обеспечивает компенсацию падения напряжения на токоизмерительном резисторе.

)Микроконтроллер (МК) - обеспечивает управление всей этой системой, сбор данных о текущих значениях - напряжении на выходе блока, потребляемый ток нагрузкой. Индикация напряжения, тока и текущем состоянии блока, установка конфигурации, индикация превышения тока нагрузки сверх установленных значений. Запоминание последних установленных параметров.

) Управление и индикация- то что мы видим и то чем мы управляем. Управление производится всего двумя органами управления, это энкодер с кнопкой, и просто кнопка.

2. Конструкторская часть

2.1 Описание принципа работы электрической схемы устройства

Лабораторный блок питания состоит из следующих основных функциональных узлов: выпрямитель выполненый по мостовой схеме, стабилизатора напряжения выполненого на микросхеме DA1, регулятора выходного напряжения, выходного стабилизированного напряжения, ограничитель выходного тока, измерителя температуры и жидкокрисстиличиеского индикатора. Кроме того ценртральным элементом блока питания который осуществляет управление работы всей схемы блока является микроконтроллер PIC16F88-I/P. Принципиальная электрическая схема лабораторного блока питания представлена вЛист 1.

После включения блока напряжение питания 5В со стабилизатора DA1 поступает на микроконтроллер DD1, который настраивает порты ввода-вывода, конфигурацию и режимы встроенных периферийных модулей согласно программе, считывает из EEPROM (энергонезависимой памяти) в регистры значения выходного напряжения, установки температуры и выдержки времени. На индикатор HG1 выводятся на две секунды номер версии программы и далее, с пониженной яркостью, значение напряжения, которое должно быть на выходе, но оно в это время ещё не включено. Нажатием на кнопку SB1 включают выходное напряжение со значением, записанным ранее в EEPROM, индикатор HG1 будет его показывать с полной яркостью, Следующее нажатие на эту кнопку вновь отключит выходное напряжение и так далее. Нажатием на SВЗ и SB4 соответственно увеличивают или уменьшают выходное напряжение. Коротким нажатием осуществляют точную установку выходного напряжения, удержанием кнопок - грубую. Если необходимо, чтобы при следующем включении источника питания на выходе было новое значение напряжения, то нужно записать его в память нажатием и удержанием кнопки SB2. Когда на индикаторе появится надпись "SAU", кнопку отпускают, новое значение будет сохранено в ЕЕРROМ.

Короткое нажатие на SB2 позволяет просматривать на индикаторе температуру и значение счётчика времени с дискретностью 10 мин. Значения установок температуры и времени можно посмотреть удержанием этой кнопки, при этом индикатор покажет мигающие значения соответствующих установок, изменить которые можно кнопками SB3 и SB4. Нажатие и удержание кнопки SB2 сохранят новые значения в EEPROM.

Если во время работы устройства с включённым выходным напряжением температура датчика ВК1 превысит установленную, то выходное напряжение отключится. На индикаторе появится мигающая надпись "o.t", что означает превышение температуры. Как только температура снизится менее установленной на 2^оС, будет включено выходное напряжение, а на индикаторе HG1 - показано его значение. Если значение счётчика времени совпадёт сустановленным, выходное напряжение будет отключено, а на индикаторе появится мигающая надпись "o.h", что означает превышение времени. Включить выходное напряжение после этого можно, если передвинуть установку времени вперёд или в "0".

2.2 Функциональные узлы

Выпрямитель блока питания выполнен по мостовой схеме, представленной на рисунке 3(а), а эпюры напряжений на элементах схемы представлены на рисунке 3(б). Данная схема является наиболее распространенной для источников питания, экономичной и особых пояснений не требует.

Регулятор выходного напряжения представляет собой линейный регулируемый стабилизатор напряжения компенсационного типа. Структурная схема такого стабилизатора представлена на рисунке 7.

Рисунок 7- Структурная схема компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

Данная схема содержит источник образцового напряжения. Он содержит регулируемый источник образцового напряжения и устройство сравнения напряжений. Устройство сравнения - встроенный компаратор микро контроллера, на инвертирующий вход RA1 которого через делитель R26R28 и резистор R27 подаётся выходное напряжение, а на не инвертирующий вход RA2 - образцовое. Выходной сигнал устройства сравнения управляет регулятором выходного напряжения

Источник регулируемого образцового напряжения - модуль ССР микроконтроллера, работающий в режиме генерации прямоугольных импульсов с переменной длительностью на выходе RB0. Образцовое напряжение - постоянная составляющая этих импульсов, пропорциональная их коэффициенту заполнения, которым можно управлять по программе. Образцовое напряжение выделяется фильтром нижних частот R1C1R2R5C3. Подстроечным резистором R2 регулируют его при налаживании.

Регулятор выходного напряжения собран на мощном составном p-n-p транзисторе VT1, включённым в плюсовой провод питания. Поскольку транзистор VT1 имеет большой коэффициент передачи тока базы, для его открывания достаточен небольшой базовый ток, который обеспечивает маломощный полевой транзистор VT2. Резистор R7 соединяет затвор транзистора VT2 c общим проводом, что удерживает этот транзистор в закрытом состоянии вовремя инициализации портов микроконтроллера в начале выполнения его программы. Конденсатор C9 корректирует АЧХ петли регулирования, предотвращая самовозбуждение стабилизатора.

Аналоговый калиброванный температурный датчик LМЗ5 (ВК1), линейно преобразующий температуру в напряжение с коэффициентом l0 мВ/^ОС, подключён через цепь R4С2 к выводу RА3 микроконтроллера, настроенному как аналоговый вход. Внутренний аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микроконтроллера использован в цифровом измерителе напряжения и температуры. Вход АЦП может быть программно подключён к выводам RА1-RАЗ. Для повышения помехозащищённости измерительного тракта работа АЦП синхронизирована с периодом динамической индикации длительностью 20 мс. Результат преобразования обрабатывается программным усредняющим фильтром.

В программе микроконтроллера предусмотрен счётчик времени включённого состояния блока питания. Значения регистров счётчика обновляются каждую минуту и сравниваются с заданным значением, при превышении которого выходное напряжение отключается, Это бывает необходимо, чтобы ограничить время какого-нибудь процесса, например, зарядки аккумулятора.

Ограничитель выходного тока работает независимо от микроконтроллера и его программы, ограничитель защищает блок питания от замыкания на выходе и ограничивает выходной ток путём уменьшения выходного напряжения. Основа ограничителя - узел преобразователя тока нагрузки в пропорциональное ему напряжение относительно общего провода, описанный в статье И. Нечаева "Индикатор предельного тока". Этот узел собран на ОУ DA2,2, транзисторе VT4 и резисторах В2ЗR25. Резистор R25 - датчик тока нагрузки, включённый в цепь плюсового провода питания.

Напряжение, пропорциональное выходному току, с истока транзистора VT4 через резистор R20 поступает на инвертирующий вход (вывод 6) ОУ DA2.1, а на его не инвертирующий вход (вывод 5) подаётся напряжение с движка переменного резистора R18. При неизменном положении этого движка напряжение на нём стабильно, так как последовательно соединённые резисторы R17 и R18 подключены к стабилизированному напряжению +5 В с выхода микросхемы DA1. Перемещая движок переменного резистора R18, регулируют порог ограничения выходного тока. Если напряжение на не инвертирующем входе ОУ DA2.1 больше напряжения на истоке транзистора VТ4, пропорционального току, то напряжение на выходе этого ОУ близко к напряжению его питания, диод VD2 закрыт и не влияет на стабилизацию выходного напряжения. Светодиод HL1 погашен и защищён от обратного напряжения диодом VDЗ.

Если напряжение на истоке транзистора VT4 превысит напряжение на не инвертирующем входе ОУ DA2.1, напряжение на выходе этого ОУ DA2.1 упадёт практически до нуля, Через резистор R19, диод VDЗ и светодиод HL1 начнёт протекать ток. Диод VD2 открывается, в результате чего выходное напряжение уменьшится так, чтобы выходной ток не превышал порога ограничения. Включится светодиод HL1 - индикатор режима ограничения тока нагрузки.

.3 Описание конструкции разработанного блока питания

Электрическая схема разработанного блока питания реализуется с помощью технологии печатного монтажа. С этой целью осуществляется разводка электрической принципиальной схемы с помощью специализированных программ типа SPRINT, PICAD, или др. для платы из двухстороннего фольгированного гетинакса. После этого методом фотолитографии изготавливается сама печатная плата. В лабораторных условиях плата изготавливается методом травления двухстороннего фольгированного гетинакса в хлорном железе с предварительно нанесенном на нее рисунком схемы.

После изготовления печатной платы производится формовка выводов элементов схемы: резисторы, конденсаторы, транзисторы, микросхемы и так далее, в соответствии со сборочным чертежом платы, представленном в Приложении 2 дипломного проекта. Далее эти элементы устанавливают в соответствии со сборочным чертежом платы и осуществляют распайку этих элементов.

Блок питания собирают без диода VD2, проверяют правильность монтажа и отсутствие замыканий. В первый раз подключают блок к сети без микроконтроллера DD1 и нагрузки. С помощью вольтметра проверяют, что напряжение в гнезде 14 панели DD1 равно 5 В, на эмиттере транзистора VТ1 - 17...20В, на его коллекторе - около 0 В, Блок выключают и устанавливают в панель микроконтроллер DD1 с заранее записанной программой, коды которой приведены в Приложении А. Листинг.

К выходу подключают образцовый вольтметр и включают блок. При безошибочном монтаже и исправных деталях на индикаторе должен появиться номер версии программы, далее с пониженной яркостью отобразится некоторое значение напряжения. Нажимают на кнопку SB1, на выходе появится напряжение. Подстроечным резистором R28 на индикаторе HG1 устанавливают значение, которое показывает образцовый вольтметр. Подстроечным резистором R2 устанавливают максимальное напряжение, и с помощью кнопок SВЗ и SB4 проверяют регулировку выходного напряжения в пределах 0...15 В. При необходимости построечным резистором R28 снова подстраивают показания индикатора HG1 по образцовому вольтметру. Проверяют правильность показаний температуры по контрольному термометру, а счётчика времени - по контрольному таймеру. При налаживании ограничителя тока к выходу последовательно с амперметром подключают нагрузку резистор сопротивлением 10...15Ом достаточной мощности и монтируют диод VD2. Устанавливают максимальное напряжение на выходе. При крайнем верхнем положении движка R1 В ток должен ограничиваться на уровне 1...1 ,2 А, при необходимости подбирают резистор R17.

Корпус блока питания изготавливают из пластмассы, например, винипласта, поливинила или подобного материала. Выбор материала обусловлен его достаточно хорошей прочностью, простотой механической обработки, покраски и высокими электроизоляциционными свойствами, что очень важно поскольку блок питания подключается к сети переменного тока напряжением 220 В. Конструктивно корпус выполняется из отдельных деталей в виде передней и задней панелей, боковых стенок и верхней и нижней крышек. Печатная плата в сборе устанавливается внутри корпуса прибора согласно чертежа общего вида представленного в Лист 3.

3. Расчётная часть

3.1 Расчёт трансформатора

Зная необходимое напряжение на вторичной обмотке (U₂) и максимальный ток нагрузки (I_н), трансформатор (рисунок 8) рассчитывают в такой последовательности.

Рисунок 8 - Схема трансформатора

Исходные данные для расчёта:

U₁ = 220 В.

U₂ = 5В

I₂ = 1А

Определение мощности, потребляемой выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора:

₂ = U₂ * I₂,                                                                                           (3.1)

где: P₂ - максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки, Вт;₂ - напряжение на вторичной обмотке, В;₂ - напряжение на вторичной обмотке, В;₂ - максимальный ток через вторичную обмотку трансформатора, А.

P₂ = 5 * 1= 5 Вт.

Расчёт мощности трансформатора:

_mp = 1,25 * P₂,                                                                                     (3.2)

где: P_тр - мощность трансформатора, Вт;₂ - максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки трансформатора, Вт.

P_mp = 1,25 * 5= 6,25 Вт.

Расчёт площади сечения сердечника магнитопровода:

= 1,3 * P_тр,                                                                                          (3.3)

где: S - сечение сердечника магнитопровода, см²;

Р_тр - мощность трансформатора, Вт.

S = 1,3 * 6,25 = 8,125 см².

Определение числа витков первичной (сетевой) обмотки:

₁ = 50 * U₁ / S,                                                                                    (3.4)

где: w₁ - число витков обмотки;₁ - напряжение на первичной обмотке, В;- сечение сердечника магнитопровода, см.

w₁ = 50 * 220 / 8,125= 1353,8 Вит.

Определение числа витков вторичной обмотки:

₂ = 55 * U₂ / S,                                                                                    (3.5)

где: w₂ - число витков вторичной обмотки;₂ - напряжение на вторичной обмотке, В;сечение сердечника магнитопровода, см2.

w₂ = 55 * 5 / 8,125 = 33,8 Вит.

Расчёт мощности, потребляемой выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора:

₁ = U₁ * I₁,                                                                                           (3.6)

где: P₁ - максимальная мощность, потребляемая от вторичной обмотки, Вт;₁ - напряжение на вторичной обмотке, В;₁ - максимальный ток через вторичную обмотку трансформатора, А.

P₁ = 220 * 0,037 = 8,14 Вт.

Определение значения тока, текущего в первичной обмотке:

₁ = P_тр / U₁,                                                                                          (3.7)

где: I₁ - ток через обмотку I, А;

Р_тр - подсчитанная мощность трансформатора, Вт;₁ - напряжение на первичной обмотке трансформатора (сетевое напряжение).

I₁ = 8,125 / 220 = 0,037 А.

Определение диаметра проводов обмоток трансформатора:

d₁ = 0,8* ,          (3.8)

где: d₁-диаметр провода, мм;₁-ток через обмотку, А.

d₁ = 0,8* √0,037 = 0,12 мм.