👌🏽 ➰ 🎩 Redundantes Netzteil mit Sinusausgang. Teil 2. Entwicklung eines elektrischen Schaltplans 🙈 🥦 🛌

Prolog

In einem früheren Artikel wurde die Formulierung des Problems für die Entwicklung einer Notstromquelle mit geringem Stromverbrauch für 60 W mit einer Sinusleistung für die Umwälzpumpe des Heizungssystems in Betracht gezogen. Das Konzept der Implementierung dieses Geräts wurde gewählt. In diesem Artikel wird die Entwicklung des Stromkreises des Geräts mit den erforderlichen Berechnungen zur Auswahl der Nennwerte der Komponenten des Geräts erläutert. Ausgestattet

mit ~~CAD und Lehrbüchern,~~ Entwürfen, Bleistift und GOOGLE beginnen wir mit dem Entwerfen. Beginnen wir mit einem einfachen - dem Stromversorgungssystem des Geräts.

Verpflegung

Um die Elemente der Schaltung mit Strom zu versorgen, benötigen wir drei ~~Arten~~ von Zwischenkreisen mit 12, 5 und 3,3 Volt.

Zwölf-Volt-Bus - der Hauptbus. Es ist die Stromversorgung der Brücke, die Strom in die Niederspannungswicklung eines linearen Netztransformators einspeist. Daraus speisen wir den Treiber der in der Brücke enthaltenen Transistoren. Über diesen Bus werden auch Netzwerkschaltrelais mit Strom versorgt.

Ein Fünf-Volt-Bus wird benötigt, um den ACS712-Stromchip, den Logikchip, das Zeichen-LCD usw. mit Strom zu versorgen.

Drei-Volt-Bus versorgt die "Gehirne" des Geräts - MK STM32F100C8T6B.

Lyrischer Exkurs

Proteuse v 7.7. , . , Dip Trace. . .

Ein solches Schema wurde geboren: Das Bild ist anklickbar. 5- und 3,3-Volt-Busformer sind auf 1% LDO-Stabilisatoren vom Typ NCP1117STxx organisiert. Die analoge Stromversorgung des ADC-Moduls erfolgt vom 3,3-Volt-Bus über Induktivitäts-, Glättungs- und Sperrkondensatoren. Analoges Land sollte ebenfalls geteilt werden. Dies ist in diesem Schema jedoch nicht der Fall, da die Messungen nicht kritisch sind und ein Fehler von mehreren Ziffern nicht zu einer „Störung“ des Geräts führt. Wir wenden einen Softwarefilter an - einen gleitenden Durchschnitt und können sogar Fehler in einer Kategorie erzielen.

Strommessung und Überlastschutz

Der Stromsensor ACS712ELCTR-05B-T ist eine integrierte Schaltung. Die Stromerkennung erfolgt über den Hall-Effekt. Mit diesem Sensor kann der MK sowohl den Vorwärts- als auch den Rückwärtsstrom messen. Weitere Merkmale finden Sie im PDF . Der Sensorausgang ist analog. Mittelpunkt entsprechend Nullstrom = 2,5 V. Verstärkung 185 mV pro 1 Ampere. Obwohl der Sensor hohe Ströme erkennt, ist nur die Linearität verzerrt und tritt bei einem bestimmten Strom in die Sättigung ein. Um den Ausgang des Sensors mit MK zu koordinieren, setzen Sie einen Spannungsteiler. Und teilen Sie die Skala in zwei Hälften. Die ADC MK-Bits reichen für eine akzeptable Genauigkeit aus.

Installieren Sie zum Schutz vor Überlastung oder Kurzschluss in der Niederspannungswicklung eines Lineartransformators einen Stromshunt. Das Signal vom Shunt wird dem Operationsverstärker aufgezwungen, und am Komparator bauen wir eine Vergleichsschaltung mit einem Latch zusammen. Überlastungsdaten werden in den MK übertragen, und auch mit diesem Signal werden ALLE Bridge-Schlüssel geschlossen.

Ein kurzes Video, das den Betrieb des Stromschutzes simuliert, ist unten dargestellt.

Leistungsteil

Der Leistungsteil des RIP ist in der Abbildung dargestellt. Das Bild ist anklickbar. Die Transistorbrücke "verlässt" sich auf den Stromshunt, um einen Hochgeschwindigkeitsschutz bereitzustellen. Der Brückenausgang über ein LC-Filter, das für eine Grenzfrequenz von ~ 1 kHz ausgelegt ist, wird der Niederspannungswicklung des Transformators zugeführt. Wir sollten detaillierter über Filter und Transformator sprechen. Der Filter wurde im RL-Rechnerprogramm mit einem Link zum sogenannten Off berechnet. Ich kann die Website nicht finden. Daher das Archiv mit dem Taschenrechner hier gepostet . Hier ist der Berechnungsbildschirm.

Die resultierende Induktivität von 10 Milligenry ist ziemlich beeindruckend. Aber die Kapazität war anständig. Da sich der Ausgang des Filters ändert, können Sie keinen Polarkondensator verwenden. Er legte zwei Keramikkondensatoren parallel in die Schaltung - 4,7 Mikrofarad, X7R, 25 V (1206).

Die Berechnung der Drossel nach den erhaltenen Daten wurde im Coil32-Programm durchgeführt. Hier ist ein Link zum Archiv mit dem Programm. Ich habe einen Ferritring für eine solche Drossel mit den folgenden Parametern gewählt: Ring N87 R25x15x10. Hier ist der Berechnungsbildschirm im Programm.

Es stellte sich heraus, 70 Drahtwindungen mit einem Durchmesser von 1 mm, um die erforderliche Induktivität sicherzustellen. Es ist für das manuelle Aufziehen durchaus akzeptabel.

Die Wahl des Transformators fiel auf den Ringkerntransformator vom Typ TTP-60 mit einer Sekundärspannung von 9 Volt. Die Berechnung ist einfach. Eine Wechselspannung von 9 Volt ergibt eine Amplitude von 12,7 Volt. Die Spannung einer geladenen Batterie beträgt ca. 13 Volt. So können wir mehr oder weniger 220 Volt am Ausgang bekommen. Zum Aufladen des Akkus natürlich nicht genug. Daher gibt es einen Vorschlag, die Sekundärwicklung der Windungen 5-6 zu erhalten. Das heißt, eine Niederspannungswicklung mit einem Abgriff stellte sich heraus. Von den äußersten Anschlüssen der Wicklung entfernen wir die erhöhte Spannung, um die Batterie während des Betriebs aus dem Netzwerk zu laden. Und wir legen Spannung von der Brücke an den äußersten und mittleren Anschluss an, wenn wir mit der Batterie arbeiten. Entsprechend der an den äußersten Anschlüssen der Wicklung entnommenen Spannung beurteilen wir die Spannung in der Hochspannungswicklung während des Betriebs von der Batterie, Rückmeldung zur Einstellung.

Brückentransistoren werden vom MK über die Halbbrückentreiber IRS2101S gesteuert. Die Verwaltung der oberen Schlüssel erfolgt nach dem Bootstrap-Schema. Der P-Kanal-Ladetransistor wird von einem herkömmlichen Bipolar gesteuert. Die Glättungsladungsdrossel hat die gleichen Abmessungen und Auslegungswerte wie die Drossel im LC-Filter nach der Brücke.

Netzwerkerkennung und -umschaltung

Zur Netzwerkerkennung wird ein Kondensatorstromkreis verwendet. Die Spannung wird am Optokoppler eingeschaltet. Der Ausgang des Optokopplers wird in den MK angesteuert, um die Verfügbarkeit des Netzwerks zu steuern. Das Diagramm ist unten dargestellt. Das Bild ist anklickbar. Die Netzspannung über einen Löschkondensator, Dioden, eine Zenerdiode, Glättungskondensatoren und einen Strombegrenzungswiderstand wird der LED des Optokopplers zugeführt. Ausfahrt geht zu MK. Relais, die das Netzwerk auf die Last schalten, werden vom MK gesteuert. Am Operationsverstärker und am Komparator ist ein Stromschutz implementiert. Der Ausgang des Komparators zerfällt in zwei Transistoren. Eine, um das Signal in den MK einzugeben, die zweite, um alle Brückentransistoren zu schließen . Die folgende Abbildung zeigt die Treiberfreigabeschaltung für die Brücke. Das Bild ist anklickbar. Alle Standard nach

Datenblatt für Treiber IRS2101S.

Brückenimpulsformungsschaltung

Um den MK nicht mit nutzloser Arbeit zu belasten, wird die Bildung von Brückenimpulssignalen auf Logik I gesammelt. Drei Signale werden vom MK benötigt. Eine sinusförmige PWM pro Periode sowie zwei diskrete Signale, die erste Halbwelle und die zweite. Die Implementierung dieses Ansatzes ist in der Abbildung dargestellt. Das Bild ist anklickbar. Überstrom, in MK eingerichtet und durch LED dupliziert. Die Steuerung des ladenden P-Kanal-Transistors ist auf einem bipolaren NPN-Transistor organisiert.

Die Logik der Brücke ist wie folgt. 20-kHz-PWM wird durch eine Sinustabelle in Höhe von 400 Werten moduliert. Die Übertragung von Werten in das PWM-Register wird über DMA organisiert. Nach dem Laden der Hälfte des Puffers, d. H. 200 Werte, eines halben Zyklus, verursacht der DMA einen Interrupt, bei dem sich die Signale MCU_P_1 und MCU_P_2 gegenseitig invertieren. Nach dem Laden des gesamten Puffers werden im Interrupt vom DMA die Signale MCU_P_1 und MCU_P_2 zurück invertiert. Und weiter im zyklischen Modus. Dem Oberarmtransistor wird ein konstanter Halbwellenpegel und dem unteren Schlüssel des gegenüberliegenden Arms eine sinusförmige PWM zugeführt. Die nächste Halbwelle ist ein weiteres Transistorpaar.

Während des Überstroms liefert der NPN-Transistor Q7 einen niedrigen Pegel am Logikeingang, was wiederum zu einem niedrigen Pegel am Logikeingang führt und infolgedessen ALLE Brückentransistoren sperrt.

Hardware-Plattform

Drei-Volt-Bus versorgt die "Gehirne" des Geräts - MK STM32F100C8T6B.

Wie bereits oben erwähnt, wird MK aus der ST STM32-Familie stammen. Was bestimmt eine solche Wahl?

MK hat niedrige Kosten. Opportunity-Analoga von ATMEL oder PIC haben mit einer Bitkapazität von 8 Bit noch höhere Preise.
Das Vorhandensein eines 12-Bit-ADC-, DAC- und DMA-Controllers an Bord.
32-Bit-Kernkapazität.
Erhöhte Speicherkapazität von Programmen und Daten.

Mit einem Wort, er gewinnt in vielen Positionen.

Um den Betrieb des Geräts anzuzeigen und die erforderlichen Daten auszugeben, wird ein Vorzeichensynthese-LCD mit einem Steuercontroller KS0066 (HD44780) in der Schaltung verwendet. Es gibt viele Bibliotheken für die Arbeit mit einem solchen Display in RuNet.

Das Anschlussschema der Anzeige an die Steuerung ist wie folgt. Das Bild ist anklickbar. Die Verbindung ist direkt. MK-Ports sind direkt mit dem Display verbunden. Die Konjugation von 3 Volt und 5 Volt Logik wurde nicht durchgeführt. Hier können Probleme auftreten, und die MK-Schlussfolgerungen müssen als Open-Collector-Ausgänge konfiguriert werden, und die Leitungen sollten auf 5 Volt gezogen werden, und die MK-Ausgänge selbst sollten tolerant gegenüber 5 Volt verwendet werden. Wie sie sagen, wird sich das Leben zeigen, aber beim Entwerfen einer Leiterplatte ist es notwendig, dieses „Update“ zu verlegen.

Benutzerdefinierte Schaltflächen sind erforderlich, um die Navigation durch die auf dem Display angezeigten Menüs und Parameter zu organisieren.

Zusätzliche Berechnungen

Zur Berechnung des Bootstrap-Kondensators verwenden wir die in diesem Artikel vorgeschlagene Methode . Am Ende der Beschreibung finden Sie ein Beispiel für die Berechnung der erforderlichen Kapazität eines Bootstrap-Kondensators. Nehmen Sie es als Grundlage und erzählen Sie für unsere Realitäten.

Wir entscheiden über die Parameter der Schaltung:

V _{IN, MAX} = 15 V maximale Eingangsspannung,
V _DRV = 12 V _{Treiberversorgungsspannung} und die Amplitude des Steuersignals,
dV _BST = 0,5 V Welligkeitsspannung am Kondensator C _BST im eingeschwungenen Zustand,
dV_BST,MAX = 3V C_BST ,
f_DRV = 100 Hz , 10 ,
D_MAX = 1 .

Q_G = 24 nC IRLZ44ZS V_DRV = 5V V_DS = 44V,
R_GS = 10 R_GS,
I_R = 10uA D_BST TJ = 80°C,
V_F = 0.6V D_BST 0.1A TJ = 80°C,
I_LK = 0.13mA TJ = 100°C,
I_QBS = 1mA , .

Wir wählen den berechneten Wert aus der Standardreihe. Nehmen Sie die Art des Kondensator-Tantals, um den Leckstrom des Kondensators selbst zu reduzieren. Insgesamt werden 47 μF x 25 V, Typ D, erhalten.

Wir berechnen den Kondensatorladestrom und wählen dabei eine Diode.

Eine Diode, die für einen Gleichstrom von 1 A ausgelegt ist, wird diese Aufgabe erfüllen.

Fazit

In diesem Artikel wurde der Stromkreis des RIP entwickelt. Jetzt werden wir alle Teile der Schaltung zusammenfügen. Und basierend auf dem bereits genehmigten Schema werden wir die Topologie der Leiterplatte entwickeln. Ich werde das PCB-Layout und den verallgemeinerten Stromkreis mit der Spezifikation für die Komponenten im nächsten Artikel vorstellen.

Ich werde die Software-Implementierung der Gerätefunktionalität in einem separaten Artikel schreiben. Es gibt eine Idee, viele interessante Lösungen in das Programm zu implementieren, zum Beispiel die PID-Regelung der Ausgangsspannung beim Arbeiten mit der Batterie.

Nachwort

Mit diesem Artikel wollte ich die Öffentlichkeit und erfahrene Schinken und Nicht-Amateure vor Gericht bringen, schematische Lösungen. Vielleicht findet ein aufmerksamer Leser kritische Fehler in der Schaltung oder schlägt eine korrektere Ausführung einzelner Knoten vor. Es wird eine einfachere Lösung für die Knoten geben oder zusätzliche Schaltungslösungen hinzufügen, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

PS
Links zu allen Teilen des Zyklus:

Redundantes Netzteil mit Sinusausgang. Teil 2. Entwicklung eines elektrischen Schaltplans