Резервный источник питания с синусом на выходе. Часть 2. Разработка электрической принципиальной схемы12.02.2016 10:37

Пролог

В прошлой статье была рассмотрена постановка задачи на разработку маломощного резервного источника питания на мощность 60 Вт с синусом на выходе для циркуляционного насоса системы отопления. Была выбрана концепция реализации данного устройства. В этой статье пойдет речь о разработке электрической схемы устройства, с необходимыми расчетами для выбора номиналов компонентов, входящие в состав устройства.

Вооружившись САПРами и учебниками черновиками, карандашом и GOOGLE приступим к проектированию. Начнем с простого — система питания устройства.

Организация питания

Для питания элементов схемы нам понадобится три типа шины постоянного напряжения в 12, 5 и 3,3 Вольта.

Двенадцати вольтная шина — основная. Она является питанием моста, осуществляющего закачку тока в низковольтную обмотку линейного сетевого трансформатора. С нее же питаем драйвера транзисторов, входящих в мост. Коммутирующие сеть реле тоже будут питаться с данной шины.

Пяти вольтная шина необходима для питания токовой микросхемы ACS712, микросхемы логики, символьного ЖКИ и т.д.

Трех вольтная шина будет питать «мозги» устройства — МК STM32F100C8T6B.

Родилась вот такая схема:

Картинка кликабельна.

Формирователи шины 5 и 3,3 Вольта организованы на 1% LDO стабилизаторах типа NCP1117STхх. Аналоговое питание модуля АЦП берется с шины 3,3 Вольта через индуктивность, сглаживающие и блокировочные конденсаторы. Аналоговую землю тоже стоило бы разделить. Но в данной схеме этого нет, так как измерения не критичные, и погрешность в пару разрядов не приведет к «расстройству» устройства. Применим программный фильтр — скользящее среднее и может даже погрешности в один разряд добьёмся.

Измерение тока и защита от перегрузки

Датчик тока ACS712ELCTR-05B-T представляет собой интегральную микросхему. Детектирование тока происходит на эффекте Холла. Данный датчик позволяет МК измерять как прямой, так и обратный ток. С остальными характеристиками можно ознакомиться из его pdf. Выход датчика аналоговый. Средняя точка, соответствующая нулевому току = 2,5 В. Усиление 185 мВ на 1 Ампер. Хотя датчик регистрирует и большие токи, только линейность искажается, и при определенном токе входит в насыщение. Так что для согласования выхода датчика с МК, поставим делитель напряжения. И поделим шкалу пополам. Разрядности АЦП МК хватит для приемлемой точности.

Для быстродействующей защиты от перегрузки или короткого замыкания в низковольтной обмотке линейного трансформатора, установим токовый шунт. Сигнал с шунта усилим на ОУ и на компараторе соберем схему сравнения с защелкой. Данные о перегрузке будем загонять в МК, а также по этому сигналу будем закрывать ВСЕ ключи моста.

Небольшое видео, симуляции работы токовой защиты, представлено ниже.

Силовая часть

Силовая часть РИПа представлена на рисунке.

Картинка кликабельна.

Мост транзисторов «опирается» на токовый шунт, для обеспечения быстродействующей защиты. Выход моста через LC фильтр, рассчитанный на частоту среза в ~ 1 кГц, подается на низковольтную обмотку трансформатора. О фильтре и трансформаторе стоит поговорить более подробно.

Расчет фильтра производился в программе «Калькулятор РЛ» ссылку на так называемый офф. сайт уже не найду. Поэтому архив с калькулятором выложил сюда. Вот скрин расчета.

Полученная индуктивность в 10 миллигенри довольна внушительна. Но и емкость получилась приличная. Так как у нас на выходе с фильтра переменка, то полярным конденсатором не обойдешься. В схему заложил два керамических конденсатора в параллель — 4.7 мкФ, X7R, 25В (1206).

Расчет дросселя по полученным данным производил в программе Coil32. Вот ссылка на архив с программой. Ферритовое кольцо для такого дросселя выбрал со следующими параметрами: Кольцо N87 R25×15x10. Вот скрин расчета в программе.

Получилось 70 витков провода диаметром 1 мм, для обеспечения нужной индуктивности. Вполне приемлемо для ручной намотки.

Выбор трансформатора пал на тороидальный трансформатор типа ТТП-60, со вторичным напряжение в 9 Вольт. Расчет прост. Переменное напряжение в 9 Вольт дает в амплитуде 12,7 Вольт. Напряжение заряженного АКБ порядка 13 Вольт. Так что сможем более менее на выходе получить 220 вольт. Для заряда АКБ конечно маловато. Поэтому есть предложение, домотать вторичку витков на 5–6. То есть получилась низковольтная обмотка с отводом. С крайних выводов обмотки снимаем повышенное напряжение для заряда АКБ, во время работы от сети. А на крайний и средний вывод подаем напряжение с моста, когда работаем от АКБ. По напряжению, снимаемому с крайних выводов обмотки, судим о напряжении в высоковольтной обмотке во время работы от АКБ, обратная связь для регулировки.

Транзисторы моста управляются от МК через драйверы полумостов IRS2101S. Управление верхними ключами осуществляется по бутстрепной схеме. Управление P-канальным зарядным транзистором осуществляется обычным биполярником. Сглаживающий зарядный дроссель имеет те же габариты и расчетные величины, что и дроссель в LC фильтре после моста.

Детектирование наличия сети и коммутация

Для детектирование сети применятся конденсаторная схема питания. Напряжение заводится на оптопару. Выход оптопары загоняем в МК для контроля наличия сети. Схема показана ниже.

Картинка кликабельна.

Сетевое напряжение через гасящий конденсатор, диоды, стабилитрон, сглаживающие конденсаторы, токоограничивающий резистор подается на светодиод оптопары. Выход идет в МК.

Управление реле, коммутирующие сеть на нагрузку, осуществляется от МК.

Токовая защита реализована на ОУ и компараторе. Выход компаратора расходится на два транзистора. Один для ввода сигнала в МК, второй для закрывания всех транзисторов моста.

На рисунке ниже представлены схемы включения драйверов для моста.

Картинка кликабельна.

Все типовое, согласно даташиту на драйвер IRS2101S.

Схема формирование импульсов моста

Чтоб не нагружать МК бесполезной работой, формирование сигналов импульсов моста собрано на логике И. От МК требуется три сигнала. Один синусоидальный ШИМ за период, а также два дискретных сигнала, первая полуволна и вторая. Реализация такого подхода изображена на рисунке.

Картинка кликабельна.

Перегрузка по току, заведена в МК и продублирована светодиодом. Управление зарядным P-канальным транзистором организованно на биполярном NPN транзисторе.

Логика работы моста будет заключаться в следующем. 20 кГц ШИМ будет модулироваться таблицей синуса в количестве 400 значений. Передача значений в регистр ШИМ будет организованна через ДМА. После загрузки половины буфера, то есть 200 значений, одного полупериода, ДМА вызовет прерывание, где сигналы MCU_P_1 и MCU_P_2 будут взаимно инвертироваться. После загрузки всего буфера, в прерывании от ДМА будет происходить обратное инвертирование сигналов MCU_P_1 и MCU_P_2. И далее в циклическом режиме. Постоянный уровень полуволны, будет подаваться на верхний транзистор плеча, а синусоидальный ШИМ на нижний ключ противоположного плеча. Следующий полупериод — это другая пара транзисторов.

Во время перегрузки по току, NPN транзистор Q7 обеспечит на входе логики низкий уровень, что в свою очередь приведет к низкому уровню на выходе логике и как следствие — запиранию ВСЕХ транзисторов моста.

Аппаратная платформа

Трех вольтная шина будет питать «мозги» устройства — МК STM32F100C8T6B.

Как уже упоминалось выше, МК будет от ST семейства STM32. Чем обуславливается такой выбор?

• МК имеет невысокую стоимость. Аналоги по возможностям от ATMEL или PIC имеют даже более высокие цены, при разрядности в 8 бит.
• Наличие на борту 12 битного АЦП, ЦАП, контроллера ДМА.
• 32 бит разрядность ядра.
• Увеличенную емкость память программ и данных.

Одним словом выигрывает по многим позициям.

Для индикации работы устройства и вывода необходимых данных в схеме будет использоваться знакосинтезирующий ЖКИ с управляющим контролером KS0066 (HD44780). Библиотек для работы с таким дисплеем в рунете полно.

Схема подключения дисплея к контроллеру выглядит следующим образом.

Картинка кликабельна.

Подключение происходит напрямую. Порты МК непосредственно подключены к дисплею. Сопряжение 3 вольтовой и 5 вольтовой логики не производилось. Здесь возможно появятся проблемы, и придется выводы МК настроить как выходы с открытым коллектором, и подтянуть линии к 5 вольтам, а сами выходы МК использовать толерантные к 5 вольтам. Как говорится жизнь покажет, но при разработке печатной платы, необходимо заложить данный «апдейт».

Пользовательские кнопки необходимы для организации навигации по меню и параметрам, отображаемым на дисплее.

Дополнительные расчеты

Для расчета бутстрепного конденсатора воспользуемся методом, предложенным в данной статье. В конце описания есть пример расчета необходимой емкости бутстрепного конденсатора. Возьмем его за основу и пересчитаем для наших реалий.

Определимся с параметрами схемы:

• VIN, MAX = 15V максимальное входное напряжение,
• VDRV = 12V напряжения питания драйвера и амплитуда управляющего сигнала,
• dVBST = 0.5V пульсация напряжения на конденсаторе CBST в установившемся режиме,
• dVBST, MAX = 3V максимальное падение напряжения на CBST перед тем как сработает схема защиты от пониженного напряжения или амплитуда управляющего сигнала станет недостаточной,
• fDRV = 100 Hz частота преобразования, так как наш конденсатор работает в промежутке 10 мс,
• DMAX = 1 максимальный коэффициент заполнения при минимальном входном напряжении.

Характеристики применяемых компонентов:

• QG = 24 nC общий заряд переключения IRLZ44ZS при VDRV = 5V и VDS = 44V,
• RGS = 10К величина резистора RGS,
• IR = 10uA ток утечки диода DBST при максимальном входном напряжении и температуре его перехода TJ = 80°C,
• VF = 0.6V падение напряжения на диоде DBST при токе 0.1A и температуре перехода TJ = 80°C,
• ILK = 0.13mA ток утечки схемы сдвига уровня при максимальном входном напряжении и температуре кристалла TJ = 100°C,
• IQBS = 1mA ток, потребляемый драйвером верхнего уровня.

Рассчитанное значение подберем из стандартного ряда. Тип конденсатора возьмем танталовый, для уменьшения тока утечки самого конденсатора. Итого получается 47 мкФ x 25 В, тип D.

Рассчитаем ток заряда конденсатора, тем самым подберем диод.

Так что диод рассчитанный на прямой ток в 1 А, справится с этой задачей.

Заключение

В этой статье разработали электрическую схему РИПа. Теперь все куски схемы соберем воедино. И на основе уже утвержденной схемы разработаем топологию печатной платы. Разводку печатной платы и обобщенную электрическую схему со спецификацией по компонентам представлю в следующей статье.

Программную реализацию функционала устройства распишу в отдельной статье. Есть задумка реализовать в программе много интересных решений, например, ПИД регулирование выходного напряжения при работе от АКБ.

Эпилог

Этой статьей, хотел вынести на суд общественности и опытных радиолюбителей и не любителей тоже, схематические решения. Быть может, внимательный читатель найдет какие-либо критические ошибки в схемотехники или предложит более правильное исполнение отдельных узлов. Найдется какое-нибудь более простое решение узлов или для повышения надежности внести дополнительные схемотехнические решения.

P.S.
Ссылки на все части цикла:

1. Разработка маломощного резервного источника питания с синусом на выходе. Часть 1. Постановка задачи.
2. Разработка маломощного резервного источника питания с синусом на выходе. Часть 2. Разработка электрической принципиальной схемы.

© Geektimes