Розрахунок схеми широтно-імпульсного стабілізатора напруги

Даний драйвер виконує  розв’язку по живленню з використанням  схеми «бустрепного» живлення(VD1, C4).

Робота даної схеми  полягає у реалізації зворотнього зв’язку через програмний підхід.

Елементами зворотнього зв’язку являється сигнал АЦП, а параметр який змінюється, коефіцієнт заповнення ШІМ. Напруга на АЦП знімається з подільника, підключеного до навантаження. Оскільки навантаження підключене через вихідний фільтр, то пульсації напруги будуть малими. Таким чином напруга на вході АЦП буде пропорційна напрузі на виході, а коефіцієнт пропорційності виставляється за рахунок змінного резистора.

Напруга на виході буде пропорційною коефіцієнту заповнення ШІМ:

.

Тоді для стабілізації напруги необхідно зв’язати коефіцієнт з вихідною напругою у зворотній пропорційності.

.

Перевагами даної схеми  є простота виготовлення (мала кількість  деталей), зібрана схема не потребує додаткових налаштувань, а також  має малу потужність розсіювання, оскільки силовий вентиль працює в ключовому  режимі. Потужність розраховується за формулою:

.

Оскільки в ключовому  режимі відкритий ключ має нескінченно  великий опір,а закритий - нескінченно  малий, то в першому випадку струм  через ключ буде рівний 0, а в другому випадку - напруга рівна 0. Таким чином потужність, яка виділяється на ключі, в обох випадках буде рівна 0.

Дана схема дозволяє стабілізувати  великі струми з малими втратами (в  ідеалі,без втрат).

 

2.3 Розрахунок  схеми імпульсного стабілізатора

 

Вхідні дані для розрахунку схеми:

1. Вхідна напруга та її нестабільність : U_вх = 36В (±15%);
2. Номінальна вихідна напруга : U_вих = 17В;
3. Допустимий діапазон для регулювання напруги : U_вихmin = 15B та U_вихmax = 20B;
4. Найбільший та найменший струм навантаження : І_нmin = 0,5А та І_нmах = 1А.

 Задаємось частотою перемикання регулюючого транзистора :

f = 10кГц

Знаходимо максимальне та мінімальне значення коефіцієнта заповнення імпульсів на виході регулюючого елемента :

,

.

Знаходимо параметри згладжуючого фільтру.

Для забезпечення режиму безперервного  протікання струму в дроселі необхідно, щоб виконувалась умова . Приймаємо .

Приймаємо

 

 

3. РОЗРОБКА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ

 

Програмне забезпечення мікроконтролера написане на мові програмування С в середовищі ImageCraft 7.0. Дане середовище містить генератор коду, редактор та компілятор.

 

1. Розробка алгоритму

 

На рис.3.1 показана структура алгоритму мікроконтролера імпульсного стабілізатора напруги.

Алгоритм роботи побудований  із використанням основного циклу  та двох переривань:

1. за переповненням таймера;
2. за зрівнянням.

В основному циклі реалізовано  потрійне вимірювання з усередненням (перевірку встановлення прапора  готовності даних АЦП, зчитування даних, цифрова фільтрація методом простого усереднення);

В обробнику переривання за переповненням таймера відбувається перезавантаження лічильної константи таймера, виведення нуля на вихід керування та корекція константи порівняння. Корекція константи порівняння відбувається в два етапи:

1. перевіряється умова перевищення отриманим з АЦП кодом заданого числа, у випадку перевищення константа порівняння зменшується на 1.
2. в противному випадку відбувається перевірка на перевищення другим заданим числом отриманого з АЦП значення. Якщо умова виконується то константа порівняння зменшується на 1, в противному випадку відбувається вихід із обробника переривань.

Рис.3.1 Схема структури  алгоритму мікроконтролера стабілізатора напруги

 

В обробнику переривання  за зрівнянням відбувається виведення  одиниці на вихід керування та вихід із переривання.

Даний алгоритм дозволяє виконувати стабілізацію напруги в широких  межах без додаткових змін та налаштувань.

 

 

2. Розробка програмного забезпечення мікроконтролера стабілізатора

 

Програмне забезпечення мікроконтролера написане на мові програмування С++, яка є мовою високого рівня. Програма написана з використанням функцій та вектора переривань.

В функції main реалізована ініціалізація всіх периферійних пристроїв (портів вводу-виводу, таймера та АЦП).

void main()

{

CLI();

PORTA = 0x00;

DDRA  = 0x00;

PORTB = 0x00;

DDRB  = 0xFF;

PORTC = 0x00; //m103 output only

DDRC  = 0xFF;

PORTD = 0x00;

DDRD  = 0x01;

 

ADCSR = 0x00; //disable adc

ADMUX = 0b11000000; //select adc input 0

ACSR  = 0x80;

ADCSR = 0xE6;

 

  TCCR2 = 0x00; //stop

ASSR  = 0x00; //set async mode

TCNT2 = 0x9C; //setup

OCR2  = 0x80;

TCCR2 = 0x02; //start

MCUCR = 0x00;

GICR  = 0x00;

TIMSK = 0xC0; //timer interrupt sources

SEI(); //re-enable interrupts

//all peripherals are now initialized

 

while(1)

{

SEI();

while(!(ADCSRA & (1<<ADIF)));

data1=ADC;

ADCSRA|=(1<<ADIF);

 

asm("nop; nop; nop; nop;");

while(!(ADCSRA & (1<<ADIF)));

data1+=ADC;

ADCSRA|=(1<<ADIF);

asm("nop; nop; nop; nop;");

while(!(ADCSRA & (1<<ADIF)));

data1+=ADC;

ADCSRA|=(1<<ADIF);

data=data1/3;

for(i=0;i<10;i++)

{

asm("nop; nop; nop; nop;");

}

CLI();

}}

В основному циклі програми відбувається потрійне вимірювання  та цифрова фільтрація методом просто усереднення за трьома значеннями.

Обробник переривання  по переповненню таймера(overflow):

#pragma interrupt_handler timer2_ovf_isr:5

void timer2_ovf_isr(void)

{

TCNT2 = 0x9C; //reload counter value

PORTD|=(1<<PD0);

 

 if(count>20)

{

count=0;

 if(data>525&&pwm>=160)

{

 pwm--;

}

 else if(data<515&&pwm<255)

{

 pwm++;

}

OCR2=pwm;

}

 else

{

 count++;

}

}

На початку підпрограми  обробника переривань відбувається перезавантаження лічильної константи таймера та вивід нуля на керуючий вихід порту D - PD0. Далі відбувається перерахунок константи порівняння. Перевіряється чи перевищує число виміряне АЦП наперед заданого та константа перерахунку не менше свого мінімального значення. В разі виконання умови відбувається декрементація (--) константи порівняння, в разі невиконання умови відбувається перевірка іншої умови: перевищення заданою константою отриманого з АЦП значення та не перевищення константою перерахунку свого максимального значення. В разі виконання умови відбувається інкрементація (++) з константи порівняння таймера.

В підпрограмі обробки  переривання за зрівнянням (compare interrupt) відбувається вивід одиниці на керуючий вихід порту D - PD0.

#pragma interrupt_handler timer2_comp_isr:4

void timer2_comp_isr(void)

{

//compare occured TCNT2=OCR2

PORTD&=~(1<<PD0);

}

 

4. МОДЕЛЮВАННЯ РОБОТИ СХЕМИ

 

1. Опис середовища моделювання

 

У наше століття повальної  комп'ютеризації, з'явилася величезна  кількість програм - симуляторів, які заміняють реальні радіодеталі і прилади, віртуальними моделями. Симулятори дозволяють, без складання реального пристрою, налагодити роботу схеми, знайти помилки, отримані на стадії проектування, зняти необхідні характеристики і багато чого іншого.

Однією з таких програм  є PROTEUS VSM, створена фірмою Labcenter Electronics на основі ядра SPICE3F5 університету Berkeley. Вона є так званим середовищем наскрізного проектування. Це означає створення пристрою, починаючи з його графічного зображення (принципової схеми) і закінчуючи виготовлення друкованої плати пристрої з можливістю контролю на кожному етапі виробництва. Саме за допомогою цієї програми виконувалося моделювання схеми імпульсного стабілізатора напруги.

У сферу впливів  PROTEUS VSM входять як найпростіші аналогові пристрої, так і складні системи створені на популярних нині мікроконтролерах. Доступна величезна бібліотека моделей елементів, поповнювати яку може сам користувач. Можливість анімації схем дозволяє програмі стати прекрасним навчальним посібником. Достатній набір інструментів і функцій, серед яких вольтметр, амперметр, осцилограф, генератори, здатність налагоджувати програмне забезпечення мікроконтролерів, роблять PROTEUS VSM хорошим помічником розробнику електронних пристроїв.

PROTEUS VSM складається з двох самостійних програм ISIS і ARES. ARES це тросировщик друкованих плат з можливістю створення своїх бібліотек корпусів. У даній роботі ця програма не використовувалась.

Основною програмою моделювання  є ISIS, в ній передбачений  зв'язок з ARES для передачі проекту для розводки плати.

Найбільша ділянка екрану називається вікном редагування (Edit Window) і діє як вікно для креслення (тут Ви розміщуєте і з'єднуєте елементи схеми). Найменшу ділянку в лівому верхньому кутку екрану називається вікном короткого огляду (Overview Window). Зазвичай вікно перегляду використовують для короткого огляду повного малюнка. Синій контейнер показує межі поточної схеми, а зелений - ділянку схеми, в даний час відображену у вікні редагування. Однак коли вибирається новий об'єкт в перемикачі об'єктів, вікно короткого огляду використовується для попереднього перегляду вибраного об'єкту. Зображення вікна редактора ISIS знаходиться на рис.4.1

Рис.4.1 Вікно редактора ISIS

 

Найбільший простір відведено  під вікно редагування (Edit Window). Саме в ньому відбуваються всі основні процеси створення, редагування та налагодження схеми пристрою.

Зліва вгорі маленьке вікно  попереднього перегляду (Overview Window),

з його допомогою можна  переміщатися по вікну редагування (натискаючи ліву кнопку миші по вікну попереднього перегляду, ми переміщаємо вікно редагування за схемою, якщо звичайно схема не вміщується у вікно).

Під вікном попереднього перегляду  знаходиться Object Selector список вибраних в даний момент компонентів, символів та інших елементів. Виділений в списку об'єкт відображається у вікні попереднього перегляду.

Всі можливі функції та інструменти PROTEUS VSM доступні в меню, яке розташоване в верхній частині основного вікна програми, через піктограми, які знаходяться під меню та в лівому кутку основного вікна й через гарячі клавіші, які можуть призначатися користувачем.

Керування симуляцією. На рис.4.2 зображена панель керування симуляцією.

Рис.4.2 Панель керування симуляцією

 

На панелі керування симуляцією розміщуються такі елементи:

1. «Пуск» - запуск симуляції або продовження призупиненої симуляції;
2. «Крок» - виконує мінімальний крок за програмою МК. Цією кнопкою теж можна почати симуляцію;
3. «Пауза» - пауза симуляції. Можна продовжити кнопками «Пуск»  або «Крок» ;
4. «Стоп» - зупинка симуляції. Після цього симуляція почнеться спочатку кнопками «Пуск» або «Крок».

Програма PROTEUS VSM являється легкою у використанні та універсальною.

 

 

2. Опис моделі

 

Модель стабілізатора  була побудована з наступними відступами від схеми електричної принципової:

1. В якості резисторів використовувалися ідеальні моделі;
2. В якості діода використовувалася ідеальна модель;
3. На моделі не зображені кола живлення мікроконтролера;
4. фільтр живлення аналогової частини відсутній;
5. вхід живлення під'єднаний до шини +5В;
6. нумерація елементів моделі не відповідає нумерації елементів схеми електричної принципової.