Функциональная схема системы.

МИКРОКОНТРОЛЛЕР

Управляющая программа

Аппаратные ресурсы

Обратная связь по напряжению

РЕГУЛИРУЮЩИЙ ОРГАН

СЕТЬ ~380В +10-15%

Выходной фильтр

Клавиатура 3х4

АЦП

РСА

НАГРУЗКА

Регулятор

Драйвер клавиатуры

Драйвер АЦП

Драйвер РСА

Входной фильтр

Драйверы ключей инвертора

Модуль 2

Модуль 1

Задающий генератор

XЗ

XОС

Таймер

7 выводов

2 вывода

Драйверы ключей демодулятора

Датчик напряжения ДНХ-03 RMS

1 вывод

1 вывод

1 вывод

10 выводов

Индикатор

Драйвер индикатора

XЗ - XОС

Cимметр трансф.

Рис.2. Функциональная схема стабилизатора.

Описание функциональной схемы:

Драйвер АЦП осуществляет опрос выходного напряжения с датчика и обновляет значение сигнала обратной связи X_ОС .

Драйвер клавиатуры опрашивает порт клавиатуры и обновляет значение сигнала задания X_З.

Регулятор нужен для задания нужного управляющего воздействия при отклонении X_ОС от X_З.

Драйвер РСА загружает в РСА-модуль значение, соответствующее управляющему воздействию.

Драйвер индикатора осуществляет индикацию действующего значения напряжения на выходе преобразователя.

Все блоки работают параллельно, т.е. по прерыванию от таймера РСА.

 

 

4. Описание основных функциональных блоков системы и выбор элементной базы.

Получение сигнала обратной связи

Для получения сигнала обратной связи используется датчик действующего значения напряжения ДНХ-03 RMS (сайт http://www.niiem46.ru) и аналого-цифровой преобразователь.

Преобразователь ДНХ-03 RMS (рис.3)преобразует входное переменное напряжение в действующее выпрямленное значение стандартного токового выхода 4-20 мА, а также обеспечивает гальваническую развязку с системой управления.

Рис.3. ДНХ-03 RMS.

Характеристики преобразователя:

Диапазон измеряемого напряжения, В........................500

Допустимая перегрузка по изм. напряжению, раз......1,3

Напряжение питания, В.................................................8,5-36

Начальный выходной ток, мА.......................................

Номинальный выходной ток, мА..................................20

Максимальный выходной ток, мА................................25

 

На рис.4. представлен график зависимости выходного тока преобразователя (мА) от входного напряжения (напряжение на полезной нагрузке, В):

Рис.4. Зависимость от

Для подключения этого преобразователя необходимо рассчитать входной токоограничивающий резистор

,

Рассеиваемая мощность :

Выбираем проволочный резистор С5-35 В 25 Вт-39 кОм 5%.

Так как в качестве нагрузки датчика используется резистор, то величина этого резистора должна удовлетворять условию:

где - напряжение питания датчика.

Рассчитаем значение сопротивления резистора исходя из требований АЦП микроконтроллера:

Максимальное напряжение, подаваемое на аналоговый вход АЦП МК не более 2,5 В (опорное напряжение АЦП). Пусть максимальному выходному напряжению на полезной нагрузке (500 В) соответствует напряжение на входе АЦП , тогда при токе 20 мА (см. рис.2):

Тогда:

 

Напряжение на входе АЦП при минимальном выходном напряжении:

Напряжение на входе АЦП при номинальном выходном напряжении:

Формирование сигналов управления ключами

 

Для формирования управляющих сигналов ключей используется функция микроконтроллера под названием «РСА» – Programmable Counter Array (программируемый массив счётчиков).

 

Выбор микроконтроллера

 

Выбран микроконтроллер AT89C51AC3 (сайт производителя www.atmel.com):

максимальная частота 60МГц при питании 4,5…5,5 В.

Функции, используемые в работе:

РСА

один 16-битный таймер, пять модулей

АЦП

разрешение 8 бит,

опорное напряжение с

допустимое входное .

 

Выберем источник опорного напряжения AD 680 (пр-во Analog Devices):

Рис.5. Цоколевка ИОН.

Параметры:

Напряжение питания..................4,5...36 В

Выходное напряжение...............2,5 В

Максимальный выходной ток...10 мА

 

Ввод и отображение информации

 

Для ввода требуемого на выходе напряжения используется клавиатура с 12-ю клавишами:

10 цифровых (0-9) и 2 сервисных (Ввод, Сброс). Клавиатуру набираем из отдельных тактовых кнопок TS - A 2 PS -130.

Для отображения выходного напряжения выбран 7-сегментный 3-х разрядный индикатор BA 56-12 (пр-во Kingbright). Информационные входы каждого разряда (A – H, DP) соединены внутри индикатора, т.е. специально для динамической индикации.

Рис.6. Размеры индикатора.

Для выбора подключаемого разряда используются биполярные PNP транзисторы. Рассчитаем их параметры, зная, что максимальный ток через один сегмент составляет 30 мА.

Максимальный ток через один разряд при свечении семи сегментов составляет .

Выберем 3 транзистора BC 807-40 MTF (пр-во Fairchild Semiconductor):

Параметры транзистора:

Максимальное напряжение К-Э, В.................45

Максимальный ток коллектора, А..................0,8

Статический коэффициент h_{21 Э min} ...................250

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт..0,31

 

Разработка подсистемы защит

 

Защита от превышения максимальной мощности на нагрузке и короткого замыкания нагрузки

От превышения максимальной мощности нагрузку защищает схема аналогового перемножения выходных напряжения и тока.

При значении произведения величин, пропорциональных току и напряжению выше установленного резистивным делителем R₄R₅ на выходе компаратора DA 3.1 формируется нулевое напряжение. Оно подаётся на вход INT 0 микроконтроллера, при этом выполнение основной программы останавливается и с транзисторов снимаются управляющие импульсы. На выходе преобразователя напряжение становится равно нулю и не изменится, пока не будет нажата клавиша «Сброс».

Мгновенная мощность на нагрузке не должна превышать значения:

 

Выбран измерительный трансформатор тока AC 1005

Рис.7. Внешний вид трансформатора тока.

Параметры трансформатора тока:

Входной ток................................5А номин., 60А макс.;

Коэффициент трансформации...1000:1;

Рассчитаем напряжение на резисторе R₂, соответствующее минимальному () и максимальному () току нагрузки.

Примем .

Это напряжение является входным для перемножителя (Вход Y).

Входное напряжение перемножителя по входу контроля напряжения (вход Х):

Выбран аналоговый перемножитель AD 734 (сайт производителя www.analog.com)

Рис.8. Схема подключения перемножителя.

Выходное напряжение определяется по формуле:

Выходное напряжение перемножителя, соответствующее максимальной мощности нагрузки:

 

 

Выбран компаратор MAX 972

Рис.9. Внутренняя структура компаратора.

 

Параметры компаратора:

Количество каналов.................2

Напряжение питания...............2,5...11 В

Время задержки........................20 нс

 

Выбран источник опорного напряжения REF 195 со след. параметрами:

Напряжение питания.................5,1...15 В

Выходное напряжение...............5 В

Максимальный выходной ток....30 мА

 

Рассчитаем номиналы резисторов в цепи контроля от КЗ и превышения максимальной мощности преобразователя:

Пусть ток делителя напряжения равен 1 мА, тогда:

 

Номиналы резисторов

Стандартные значения .

Стандартные значения .