4.1 Опис принциповоїсхеми пристрою
Спільними для всіх перетворювачів єп'ять елементів: джерело живлення, ключовой елемент, індуктивний накопичувач енергії(котушка індуктивності, дросель), блокувальний діод і конденсатор фільтра, включений паралельно опору навантаження. Регулювання рівня вихідноїнапруги перетворювача здійснюється зміною ширини імпульсів, керуючих роботою ключового комутуючого елемента і, відповідно, що запасається в індуктивному накопичувачі енергії. Стабілізація вихідноїнапруги реалізується шляхом використання зворотного зв'язку: при зміні вихідноїнапруги відбувається автоматичне зміна ширини імпульсів. За допомогою мікроконтролера реалізується пропорційно-інтегральній регулятор зворотнього зв’язку .
VT1 - Mosfet-транзистор, який керує роботою перетворювача.
D1 –драйвер, який видає напругу достатню для того, щоб відкрити VT1.
DD1 –мікроконтролер atmega8, за допомогою якого реалізований пропорційний регулятор. Він керує драйвером та зчитує сигнал з виходу перетворювача.
SA1, SA2 –кнопки, за допомогою яких здійснюється зміна значення сигналу завдання.
L1,C8–реалізуютьLC- фільтр на виході перетворювача.
VD1–захисний діод.
C1, C4, С6, С7, C9, C10, R1 – стандартна обвязка мікроконтроллера та драйверу згідно даташитам [3] та [5].
C5 – вхідний конденсатор, який зменшує пульсації, що виникають на вході схеми.
X1 – живлення перетворювача.
X2 – живлення драйвера.
X3–роз’єм для підключення нагрузки.
X4 – роз’єм для підключення зворотнього звязку.
X5 – живлення мікроконтролера.
Принципова схема та перелік елементів знаходяться у додатках А і Б відповідно.
Розрахунок перетворювача напруги системи
Дані для розрахунку:
Вхідна напруга: 27 В;
Вихідна напруга: 5 В;
Вихідний струм: 10 А;
Частота переключення 30 кГц;
Виконаємо розрахунок даноїсхеми за методикою [1].
Розрахунок індуктивності. Перш за все, будемо вважати, що перетворювач працюватиме в режимі безперервних струмів. Тоді індуктивність можна розрахувати за формулою :
(4.1)131Equation Chapter (Next) Section 3
де
- вхідна напруга;
-вихідна напруга;
- вихідний струм;
- частота перемикань понижуючого
перетворювача;
- коефіцієнт пульсацій
струму індуктивності, виражений в
частках вихідного струму.
Оберемо значення
,
рівне 0.3.
Розрахуємо максимальний струм через індуктивність:
(4.2)
(4.3)
Тоді враховуючи вхідні параметри отримаємо :
(мкГн).
Виберемо з доступного ряду Е24 найближчий номінал, наприклад, 4,7 мкГ.
Максимальний струм :
(А),
тоді відповідно:
(А).
Струм насичення оберемо з деяким запасом, щоб компенсувати розкид параметрів компонентів. Приймемо запас в 20%, тоді струм насичення становитиме в 13,8 А.
Враховуючи розраховані параметри оберемо індуктивність –“MURATA POWER SOLUTIONSLQH32CN4R7M, 4.7UH, 20%, SMD”.
Розрахунок вихідного конденсатора. Так як вихідний конденсатор необхідний для зменшення викидів і пульсацій, що виникають на виході понижуючого перетворювача то необхідну ємність можна розрахувати за формулою:
(4.4)
де
- максимальний викид напруги на виході.
Якщо задатися максимальним значенням викиду на виході — 100 мВ, то отримаємо наступне значення:
Аркуш
Арк.
(мкФ).
Враховуючи типовий розкид ємності конденсаторів 20%, то отримаємо практичну ємність вихідного конденсатора близько 738 мкФ. Найближчий стандартний номінал — 750 мкФ.
Розрахуємо ESR вихідного конденсатора за формулою (4.5):
(4.5)
де
-
величина вихідних пульсацій.
Прийнявши величину вихідних пульсацій меншу за 2 % отримаємо :
(В),
тоді
(Ом).
Враховуючі розраховані параметри оберемо конденсатор — “MURATAGRM2165C1HR75C, 20%, SMD”.
Розрахунок вхідного конденсатора. Величина пульсацій струму, що протікає через вхідний конденсатор , визначає його ємність та геометричні розміри . Розрахувати пульсуючий струм , який повинен витримати вхідний конденсатор можна за формулою:
. (4.6)
Підставивши значення отримаємо:
(А).
Вхідна ємність,яка потрібна для понижуючого перетворювача, залежить від імпеданса вхідного джерела живлення. Для звичайних лабораторних джерел живлення звичайно достатньо від 10 до 22 мкФ на ампер, тому оберемо ємність 39мкФ. Отже —“MURATAGRM216R71H392K, 20%, SMD”.
Розрахунок діода. Обмежуючим фактором при виборі діода єпотужність розсіювання . Середня потужність для найгіршого випадку може бути розрахована за наступною формулою:
,
(4.7)
де
- це падіння напруги на діоді при заданому
вихідному струмі . (Зазвичай становить
0,7 В для кремнієвого
діода і 0,3 В для діода Шотткі.).
(Вт).
Враховуючи що максимальне зворотна напруга для діода повинна більше, ніж максимальна вхідна напруга, а максимальний допустимий прямий струм діода повинен бути більше або дорівнювати максимальному вихідному струму, оберемо наступний діод «MURATA—BZG04-15».
Розрахунок силового ключа та драйвера до нього. Виберемо потужний транзистор, він задовольнить нас з точки зору розсіюваноїпотужності та теплових процесів [3,4].
Виберемо транзистор «STD10PF06» та драйвер до нього«MAX4429».
Вибір мікроконтролера
Для даної системи я обрав мікроконтролер ATmega8, оскільки даний контролер має вбудований шестиканальний десятирозрядний АЦП та має апаратне множення, що необхідно для реалізації П –регулятора, достатньо велика надійність, стабільність роботи, наявність паралельних портів вводу-виводу достатніх для підключення всіх приладів, які входять у структурну схему[5].
5 Програмна частина
В процесі роботи я розробив алгоритм програми для мікроконтролера, яка забезпечує зчитування сигналу завдання, сигналів зворотнього зв’язку від давачів та формування сигналу керування об’єктом відповідно до заданого закону.
Спочатку встановлюється значення параметрів регулятора та сигналу завдання (еталонного значення). Після цього відбувається ініціалізація таймера в режимі ШІМ. Потім перевіряється стан кнопки «Більше». Якщо вона натиснута, то збільшується сигнал завдання, який зчитує мікроконтролер. Аналогічно перевіряється стан кнопки «Менше». Після цього відбувається зчитування показання з давача та порівняння його з сигналом завдання. Завдяки цьому вираховується сигнал помилки регулювання. Отримавши її знаходиться пропорційна складова системи регулятора за допомогою якої розраховується керуючий вплив. Завдяки цьому мікроконтролер змінює параметри ШІМ через драйвер керування. Таким чином змінюється напруга до сигналу завдання.
Блок-схема та текст програми приведені у додатках В і Г відповідно.