3.4 Разработка принципиальной схемы

Разработка принципиальных схем выполняется на схемотехническом этапе проектирования и представляет собой более высокий уровень синтеза ЭУ, чем уровень синтеза структурной схемы. В то время как структурная схема есть совокупность формальных моделей функциональных частей ЭУ, принципиальная схема является совокупностью электрических моделей этих частей.

Принципиальная схема создается по структурной схеме ЭУ на основе анализа требований, предъявляемых к каждому функциональному элементу. Эти требования разработчик устанавливает, руководствуясь нормативно-техническими документами (ГОСТ, ОСТ, ТУ), результатами различных экспериментов и испытаний, общими конструкторскими нормами и правилами с целью ограничения, типизации и унификации изделия.

Для некоторых функциональных элементов такие требования могут быть сформулированы лишь после электрического расчета принципиальных схем других функциональных частей. В результате складывается вполне определенный алгоритм разработки принципиальной схемы и ее расчета для каждого вида ЭУ.

Разработка принципиальной схемы функционального элемента заключается в выборе одной из известных схем, наиболее полно удовлетворяющей совокупностью технико-экономических требований при максимальной ее простоте и надежности.

Принципиальная схема служит основанием для разработки других конструкторских документов, например схем соединений и чертежей. Пользуются ими для изучения принципов работы ЭУ, а также при наладке, контроле и ремонте электрооборудования.

Принципиальная схема приведена в приложении Б. Работа и взаимосвязь всех ее элементов рассмотрены ниже.

3.5 Синтез микропроцессорной системы управления

3.5.1 Микроконтроллер – основной элемент микропроцессорной системы управления

Устройство для устранения несимметрии напряжений в трехфазной сети для надлежащего выполнения своих функций должно обладать быстродействующей системой сбора и обработки информации о состоянии напряжения в фазах питающей сети. Для этого система управления оснащается быстродействующим микроконтроллером (МК).

Основные требования, предъявляемые к МК следующие:

- минимум 4 полноценных 8-ми битных порта ввода/вывода (для обмена цифровой информацией);

- последовательный и параллельный порты (для подключения ПК и сбора статистических данных);

- шина I2C (для удаленного управления режимом работы устройства);

- 8-ми канальный 10-ти разрядный АЦП.

Данным требованиям в полной мере отвечает микроконтроллер марки PIC16F877A фирмы Microchip (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 – Микроконтроллер PIC16F877A в корпусе DIP-40

Микроконтроллер PIC16F877A поддерживает:

- 14-битовые команды;

- 8-битовые данные;

- вход внешних прерываний;

- 8-уровневый аппаратный стек;

- прямой, косвенный и относительный режимы адресации для данных и инструкций.

Микроконтроллер PIC16F877A имеет:

- 33 линий ввода/вывода с индивидуальным контролем направления;

- сильноточные схемы портов ввода/вывода: 25 мА максимальный вытекающий ток и 25 мА максимальный втекающий ток;

- timer0: 8-разрядный таймер/счетчик;

- timer1: 16-разрядный таймер/счетчик;

- timer2: 8-разрядный таймер/счетчик;

- 2 ШИМ модуля.

Последовательные интерфейсы микроконтроллера PIC16F877A:

- 3-проводный SPI;

- I2C Master и Slave режимы;

- USART (с поддержкой адреса);

- параллельный Slave порт;

- 8 каналов 10-битного АЦП;

- 2 аналоговых компаратора;

- интегрированный программируемый источник опорного напряжения .

Особенности микроконтроллера PIC16F877A:

- сброс при включении питания (POR);

- таймер включения питания (PWRT) и таймер запуска генератора (OST);

- сброс по снижению напряжения питания (BOR);

- сторожевой таймер (WDT) с собственным встроенным RC-генератором для повышения надежности работы;

- режим экономии энергии (SLEEP);

- выбор источника тактового сигнала;

- программирование на плате через последовательный порт (ICSPT) (с использованием двух выводов);

- отладка на плате через последовательный порт (ICD) (с использованием двух выводов);

- возможность самопрограммирования;

- программируемая защита кода;

- 1000 циклов записи/стирания FLASH памяти программы;

- 100 000 циклов записи/стирания памяти данных ЭСППЗУ;

- период хранения данных ЭСППЗУ составляет более 40 лет.

Технология КМОП микроконтроллера PIC16F877A:

- экономичная, высокоскоростная технология КМОП;

- полностью статическая архитектура;

- широкий рабочий диапазон напряжений питания – от 2,0В до 5,5В;

- промышленный и расширенный температурный диапазоны;

- низкое потребление энергии.

Микроконтроллер PIC16F877A имеет полную совместимость по выводам с семействами микроконтроллеров (только 40-выводными):

- PIC16CXXX;

- PIC16FXXX.

3.5.2 Синтез платы-программатора – средства программирования микроконтроллера

Для того чтобы записать программу в МК необходима программа-программатор и соответствующая плата-программатор. Для чего нужна плата? Во-первых, для организации интерфейса с портом компьютера, через который код программы поступает в МК. Во-вторых, необходима некоторая логическая схема, которая управляет процессом программирования МК.

Для программирования микроконтроллера была собрана плата-программатор с подключением к персональному компьютеру через COM порт с возможностью присоединения данного микроконтроллера в корпусе DIP-40.

Принципиальная схема платы программатора представлена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 – Принципиальная схема платы-программатора

При изготовлении платы-программатора использовалась, так называемая, «лазерно-утюжная технология изготовления печатных плат».

На первом этапе была синтезирована разводка печатной платы с помощью персонального компьютера в электронном виде. При этом соблюдались следующие требования:

- шаг между электродами микросхем должен составлять 2,54 мм (0,1 дюйма);

- толщина дорожки рисуется линией 2pt, площадки под выводы кольцами – 0,7/1,5-2,0 мм, под провода – 1,25/2,5-3,0 мм (внутренний/внешний диаметр);

- после окончательной компоновки деталей и разводки платы следует обвести ее по контуру с припуском 0,5-1 мм линией 1pt на слое проводников, для обрезки.

Печатная плата представлена на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 – Печатная плата

На втором этапе из стеклотекстолита вырезается заготовка платы с припуском не меньше 5 мм. Затем сторона, на которой будут проводники, тщательно зашкуривается "нулевкой", пока вся поверхность не покроется мелкими царапинами, приобретя золотистый цвет неокисленной меди. После этого обезжиривается вся поверхность спиртом.

На третьем этапе при помощи лазерного принтера печатается рисунок дорожек на очень тонкой мелованной бумаге. При печати необходимо не забыть оставить края примерно в половину соответствующего размера платы (слева и справа – половину ширины, сверху и снизу – высоты). С этой целью был использован лазерный принтер HP LaserJet 1010 с выставленными параметрами максимальной "черноты" (отключен экономный режим, включена максимальная насыщенность)

Четвертый этап предполагает использование обычного утюга, предварительно прогретого до максимальной температуры. На подготовленную поверхность заготовки печатной платы кладется напечатанный рисунок тонером вниз, а сверху ставится утюг. Плата прогревается 20-30 секунд под собственной тяжестью утюга, после чего утюг несколько раз с нажимом проводится по поверхности платы. Необходимо учитывать, что при сильном нажатии тонер может поползти и соседние дорожки слипнутся, при слабом – не приклеиться.

На пятом этапе после остывания срезается бумага с обратной стороны платы. Затем плата опускается с прилипшей бумагой в горячую (40-50С) воду, необходимо дать бумаге размокнуть. Когда это произойдет, бумага легко отделяется от платы, а тонер остается, надежно припеченный к плате. Пальцем под водой скатываются остатки бумаги. Плата сушится (без дополнительного подогрева, чтобы тонер не начал отходить), после чего при помощи лупы просматриваются дефекты. При правильно проделанных предыдущих шагах наиболее часто встречающийся дефект – не до конца удаленная бумага, что при травлении может привести к замыканию проводников. Бумага удаляется острым предметом: шилом, иглой, кончиком ножа. При обратной проблеме – отсутствии проводников там, где они должны быть, можно подправить рисунок лаком или несмываемым маркером (нужно заранее испытать маркер чтобы убедиться в его стойкости).

На шестом этапе плата травится в хлорном железе. Раствор лучше подогреть до 40-50С. После того, как рисунок полностью протравится, плату вынимают, заклеивают сторону с рисунком скотчем, чтобы избежать дальнейшего подтравливания дорожек.

На последнем этапе смывается тонер уайт-спиритом, затем сверлятся отверстия, вырезается плата по требуемому контуру.

После пайки необходимых элементов сборка платы-программатора была завершена (рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 – Плата-программатор

Для осуществления проверки платы на работоспособность в программе WinPic были проведены соответствующие тесты, которые, не сразу, но все же увенчались успехом.

Следующим этапом явилась разработка тестовой платы, с помощью которой постепенно, по частям, производилась сборка разрабатываемого устройства. Внешний вид тестовой платы представлен на рисунке 3.11, а схема ее работы по частям рассмотрена ниже.

Рисунок 3.11 – Тестовая плата разрабатываемого устройства

3.5.3 Преобразователь напряжения

Фазное напряжение питания электроприемника не может напрямую восприниматься аналого-цифровым преобразователем (АЦП) микропроцессорной системы управления. АЦП микроконтроллера может воспринимать только постоянное напряжение от нуля до пяти вольт. В связи с этим было собранно устройство, преобразующее фазное напряжение в соответствующее постоянное напряжение (рисунок 3.12).

При измерении напряжения постоянного тока определяют его значение. Целью измерения напряжения переменного тока является, как правило, нахождение значения какого-либо его параметра и сравнительно редко – мгновенного значения, т.е. значения напряжения в определенный момент времени.

Напряжение переменного тока характеризуют четырьмя основными параметрами: пиковым, средним, средневыпрямленным и среднеквадратическими значениями [21].

Пиковое значение U_м (амплитудное для синусоидальных сигналов) – наибольшее мгновенное значение напряжения за время измерения или за период. Амплитудное значение для произвольной формы сигнала показано на рисунке 3.12

Рисунок 3.12 – Пиковое значение периодического сигнала

При разнополярных несимметричных кривых напряжения различают положительное и отрицательное пиковые значения.

Среднее значение за время измерения или за период – постоянная составляющая напряжения:

, (3.1)

где Т – период изменения;

u(t) – закон изменения.

Средневыпрямленное значение – это среднее значение модуля напряжения:

. (3.2)

Если Т=1, то средневыпрямленное значение равно площади, ограниченной кривой напряжения, изображенной на рисунке 3.13

Рисунок 3.13 – Средневыпрямленное значение для синусоиды

В зависимости от специфики измеряемой величины требуется, как правило, нахождение какого- либо одного из вышеперечисленных параметров. Поэтому измерительный преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока в напряжение постоянного тока. Преобразователи классифицируют по следующим признакам:

– по измеряемому параметру входного напряжения, которому непосредственно соответствует ток или напряжение в выходной цепи детектора – пиковые (амплитудные), среднеквадратического значения, средневыпрямленного значения;

– по схеме входа – с открытым входом и закрытым входом;

– по характеристике преобразования – линейные и квадратичные;

– по схемному решению.

Рассмотрим основные типы применяемых преобразователей, классифицируя их по первому признаку [22].

3.5.3.1 Преобразователи пикового значения

Особенность преобразователя этого вида заключается в том, что напряжение на его выходе непосредственно соответствует пиковому (амплитудному) значению напряжения, поданного на вход преобразователя. Он должен содержать элемент, запоминающий пиковое значение напряжения. Обычно это конденсатор, заряжаемый через диод до пикового значения.

Необходимо подчеркнуть, что преобразователи пикового значения – самые широкополосные преобразователи напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока.

На рисунке 3.14 приведены наиболее часто встречающиеся схемы пиковых преобразователе: с открытым (а) и закрытым (б) входом.

а) с открытым входом; б) с закрытым входом

Рисунок 3.14 – Схема пикового преобразователя

Рассмотрим работу пикового преобразователя с открытым входом, в случае, когда к нему подводится синусоидальное напряжение U_х=U_msinωt; равенство нулю начальной фазы не нарушает общности рассуждений. В начальный момент напряжение приложено к диоду почти целиком, поскольку емкость конденсатора С (обычно порядка десятков тысяч пикофарад) значительно больше емкости анод – катод диода. При первой положительной полуволне в цепи диода возникает большой импульс тока, заряжающего конденсатор, но в течение одного полупериода конденсатор полностью зарядиться не успевает. За время отрицательной полуволны конденсатор несколько разряжается, но так как значение постоянной времени цепи разряда τ_р намного больше периода Т напряжения U_х, то заряд изменяется незначительно. При каждой новой положительной полуволне синусоидального напряжения конденсатор подзаряжается через внутреннее сопротивление диода. Так как τ₃<<τ_р (быстрый заряд и медленный разряд), то через несколько периодов на обкладках конденсатора устанавливается постоянное напряжение U_с, почти равное амплитуде напряжения U_m, поданного на вход преобразователя. На рисунке 3.15 показана зависимость изменения напряжения на на конденсаторе U_с.

Рисунок 3.15 – Напряжение на входе и на выходе преобразователя

3.5.3.2 Преобразователи среднеквадратического значения

Они так преобразуют напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, что значение выходного напряжения преобразователя получается пропорциональным первой степени или квадрату среднеквадратического значения напряжения, подведенного к входу преобразователя. Как видно из рисунка, измерение среднеквадратического значения напряжения связано с выполнением трех операций: квадрирования (возведение напряжения переменного тока в квадрат), усреднения и извлечения квадратного корня из результатов усреднения. Следовательно, алгоритм формирования среднеквадратического значения U напряжение u(t) можно записать так:

u(t) →u²(t)→ → = u. (3.3)

Операция извлечения квадратного корня выполняется либо схемным путем, либо при градуировке шкалы вольтметра.

Из изложенного следует, что преобразователь должен обладать квадратичной характеристикой преобразования и поэтому его называют квадратичным.

Для квадрирования можно использовать начальный участок вольт – амперной характеристики полупроводникового диода хорошо аппроксимируемый квадратичной зависимостью. Однако в настоящее время эта возможность практически не используется, что объясняется малой протяженностью квадратичного участка характеристики.

Преимущественно применяемые в электронных вольтметрах квадратичные преобразователи можно разделить на две большие группы. К первым относятся устройства с преобразователем электрической энергии в тепловую (терморезисторные, термоэлектрические, термоэмиссионные). Вторую группу составляют преобразователи, выходное напряжение которых представляет собой квадратичную функцию [22].

На рисунке 3.16 изображен современный преобразователь с терморезисторами, выполняемый в виде гибридной микросхемы. Состоит из двух резисторов, двух транзисторов и инвертирующего усилителя в цепи обратной связи.

Рисунок 3.16 – Схема преобразователя с терморезисторами

Входное напряжение разогревает один резистор R1, а опорное напряжение постоянного тока – другой R2. В контуре управления включены по балансной схеме два воспринимающих тепло транзистора VT1 и VT2, а также инвертирующий усилитель, который регулирует температуру резистора R2 до равенства ее температуре резистора R1, т.е. до наступления баланса моста. Когда достигнуто равновесие, значение напряжения постоянного тока U_вых пропорционально среднеквадратическому значению U напряжения сигнала на входе схемы.

3.5.3.3 Преобразователь средневыпрямленного напряжения

Это преобразователь напряжения переменного тока в постоянный ток, значение которого пропорционально средневыпрямленному значению напряжения на входе преобразователя. Часто подобный преобразователь представляет собой двухполупериодный выпрямитель. Наиболее распространены мостовые схемы, одна из которых изображена на рисунке 3.17

Рисунок 3.17 – Мостовой преобразователь напряжения

На основании перечисленных выше способов преобразования напряжения было решено использовать схему пикового детектора. Полностью работа схемы преобразования напряжения (рисунок 3.18) описана ниже.

Переменное напряжение 220 В посредством трансформатора Т1 понижается до 6 В, которое подается на диодный мост VD1. Включенный между трансформатором и диодным мостом подстроечный резистор R1 позволяет довести напряжение до нужного значения и при необходимости регулировать его. Посредством диодного моста сигнал переменного напряжения преобразуется в двухполупериодный сигнал. Далее собрана схема пикового детектора. Она формирует на выходе сигнал с напряжением постоянного тока, который соответствует предельной величине амплитуды входного напряжения. Таким образом, выставляя напряжение на переменном резисторе 2,5 В, соответствующее фазному напряжению 220 В, АЦП имеет возможность воспринимать изменение этого фазного напряжения.

Рисунок 3.18 – Схема, обеспечивающая преобразование напряжения

3.5.4 Схема управления мощной нагрузкой

В данном устройстве МПСУ должна управлять внешней нагрузкой, то есть вольтдобавочным трансформатором, при помощи симисторных ключей. Для решения подобной задачи была создана схема управления, преобразующая сигналы стандартных логических уровней в сигналы управления цепями высокой мощности (рисунок 3.19). При выполнении данной схемы была создана гальваническая развязка цепей микроконтроллера и управляемых им цепей 220 В. Без такой развязки эксплуатация подобного устройства была бы слишком небезопасной.

Рисунок 3.19 – Схема управления мощной нагрузкой

При создании опытного образца в схеме использовался симистор MAC223A6. Этот симистор позволяет коммутировать ток до 20 А. Применительно к масштабам мощной нагрузки, а именно, термопластавтомату Tianjian PLUTO PL 3600, такой вид симисторов не подходит, так как установленная мощность термопластавтомата составляет 50 кВт. Здесь необходимы симисторы с более высоким током пропускания, например, симистор типа ТС 142-100-12. Такой симистор способен пропускать ток 100 А.

Для гальванической развязки цепей микроконтроллера и силовых цепей нагрузки используется оптопара МОС3021. Для того, чтобы не создавать лишней нагрузки на выход микроконтроллера для управления светодиодом оптопары, используется ключ на транзисторе КТ315. При отключенной нагрузке от источника питания 220В на выходе микроконтроллера должен быть выставлен логический ноль. При этом ключ VT1 закрыт, ток через светодиод оптопары не течет, и симистор тоже закрыт. Когда нужно включить нагрузку, микроконтроллер устанавливает на своем выходе логическую единицу, открывается транзистор КТ315, светодиод оптопары загорается. При этом цепь между управляющим выводом симистора и источником питания 220 В замыкается, симистор открывается и нагрузка получает питание.

3.5.5 Микросхема КР1533ИД3

Для осуществления пофазного регулирования требуется большое число отпаек вольтдобавочного трансформатора. В общем случае каждая отпайка управлялась бы отдельным портом микроконтроллера, но количество портов микроконтроллера ограниченно. Для этого используется микросхема КР1533ИД3 (рисунок 3.20), которая позволяет, используя четыре порта на входе, управлять шестнадцатью портами на выходе.

Рисунок 3.20 – Микросхема КР1533ИД3

При выполнении микросхемой функции дешифрации четырехразрядного кода, задаваемого на входах D1 - D4, входы С1 и С2 являются стробирующими, и на них должно быть подано напряжение низкого уровня. Если хотя бы на одном из них установлен высокий уровень напряжения, то на всех 16 выходах устройства будет высокий уровень напряжения вне зависимости от состояния входов D1 - D4. При выполнении операции демультиплексирования входы D1 - D4 являются селектирующими, а один из входов С1, С2 играет роль информационного. Соответствующий код на входах D1 - D4 позволяет сигналу от информационного входа проходить к выбранному выходу. Другой из входов С1, С2 используется в качестве стробирующего и на нем должно быть напряжение низкого уровня. При высоком уровне на стробирующем входе все выходы устанавливаются в состояние «1».

Проблема заключается в том, что данная микросхема является инвертирующей, то есть, задавая определенную комбинацию на четырех входах микросхемы, на всех выходах мы получим логическую единицу, и только на одном выходе логический ноль. Поэтому микросхема КР1533ИД3 совместно со схемой управления мощной нагрузкой была бы нерабочей. Вследствие этого было принято решение заменить транзистор КТ315 в схеме управления мощной нагрузкой транзистором КТ316, который имеет n-p-n проводимость, в отличие от транзистора КТ315 – p-n-p проводимость. Таким образом, транзистор КТ316 открывается, когда на его управляющий электрод (базу) поступает логический ноль, что делает совместную схему рабочей.