Разработка источника бесперебойного питания

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСППУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования «Гомельский государственный дорожно-строительный колледж имени Ленинского комсомола Белоруссии»

Отделение «ЭВС»

Специальность 2−400 202 гр. ЭВС-41

ДОПУЩЕН К ЗАЩИТЕ Заведующей отделением Глухова И.В.

«____"__________2008г.

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА

«Разработка ИБП«

Специальность 2−400 202 «Электронные вычислительные средства»

Учащийся-дипломник группы ЭВС-41 Губатая О.В.

Руководитель Минин Д.С.

Консультант по

экономическому разделу Исакович О.В.

Рецензент

Ответственный за нормоконтроль

Объём проекта:

пояснительная записка — страниц;

графическая часть — листов;

магнитные (цифровые) носители — единиц.

Гомель 2008

Современному человеку трудно представить себе жизнь без электричества. Оно используется им везде дома и на работе, помогает преодолевать расстояния и производить товары.

Не секрет, что одна из основных причин потери информации — сбои и помехи в электросетях. Это обстоятельство особенно актуально в нашей стране, где помехи в сетях возникают постоянно, а большинство оборудования поставляется из-за рубежа и не рассчитано на местную специфику. Помимо потери данных, низкое качество электропитания может привести к физическим поломкам техники.

Источники бесперебойного питания (uninterruptible power supply — UPS), когда-то устанавливались только в вычислительных центрах или системах жизнеобеспечения, сейчас являются сравнительно недорогим дополнением к компьютеру, которое легко окупает себя, сохраняя часы работы.

Источник бесперебойного питания (ИБП) состоит из источника питания, аккумуляторной батареи и реверсивного источника питания

На рис.В.1 показан принцип работы. Входной источник питания преобразует переменный ток сети (разумеется, когда она подключена) в постоянный ток, необходимый для аккумуляторной батареи. Выходной источник питания делает то же самое в обратном порядке: он преобразует постоянный ток аккумуляторной батареи в переменный ток, который может потреблять компьютер. Источником напряжения постоянного тока (это напряжение подается на выходной источник) является входной источник (если он работает) или аккумуляторная батарея. В любом случае переменный ток на выходе стабилен, без каких-либо прерываний выходного напряжения, независимо от состояния сети переменного тока на входе.

Выходное питание в этом варианта источника бесперебойного питания несколько дороговато, так как источник работает непрерывно. Необходимость зарядки аккумуляторов и обеспечения работы выходного источника увеличивает нагрузку входного источника, поэтому он должен быть более мощным, а значит и более дорогим. В источнике бесперебойного питания новой, более дешевой технологии введен переключатель, который позволяет устранить многие проблемы. Он переключает источники питания, когда исчезает напряжение в сети или нужно зарядить аккумуляторы. Здесь материальная выгода достигается ценой кратко временного исчезновения выходн0го напряжения.

В нормальных условиях переключатель подает входное переменное напряжение непосредственно на выход. При исчезновении входного напряжения, схема управления источника бесперебойного питания подключает (с помощью переключателя) выходной источник питания к компьютеру. В результате в нормальных условиях источники питания отключены, т. е. источник бесперебойного питания не перегревается, полная нагрузка входного источника уменьшается, а стоимость источника бесперебойного питания резко падает. Мощность источников питания в составе источника бесперебойного питания определяет мощность компьютера (и других переферийных устройств), которые может обеспечить источник бесперебойного питания. Ёмкость аккумуляторов определяет время поддержания напряжения при его исчезновении в сети.

Источник бесперебойного питания не только защищает компьютер, но и управляет своим состоянием.

Управление аккумуляторной батареей. Источник бесперебойного питания следит за емкостью аккумуляторной батареи и уровнем ее зарядки. Он подает сигнал тревоги при разрядке аккумуляторов и выдает сообщение если нужно заменить аккумуляторы.

Интерфейс с компьютером и программное обеспечение. Соединив компьютер через последовательный порт с источником бесперебойного питания, с помощью программного обеспечения можно следить за его состоянием и управлять его работой.

Защита по низкому и высокому напряжению. Источник бесперебойного питания не только защищает компьютер от исчезновения напряжения в сети, но и следит за понижением и повышением подаваемого напряжения. Когда подаваемое напряжение выходит за допустимые пределы, источник бесперебойного питания корректирует его до заданных значений, необходимых для работы компьютера.

Нарастающая потребность и необходимость в качественном электропитании приводит к широкому использованию источников бесперебойного питания (ИБП) как единственного средства для защиты компьютерной, телекоммуникационной и другой техники от неполадок в системе электроснабжения.

В настоящее время существуют три основные схемы построения ИБП: off-line, line-interactive и on-line, которые находят применение в зависимости от предъявленных к ИБП требований и условий их эксплуатации. В централизованных системах бесперебойного электропитания, когда прерывание подачи электроэнергии для работы большинства единиц оборудования, составляющих одну информационную или технологическую систему, недопустимо, характерно применение мощных ИБП типа on-line со схемой двойного преобразования. Схема двойного преобразования является наиболее популярной и широко применяемой многими производителями мощных ИБП и дает возможность обеспечить пользователя электроэнергией высокого качества без отключений, высоковольтных помех, провалов и т. п.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Не секрет, что одна из основных причин потери информации — сбои и помехи в электросетях. Это обстоятельство особенно актуально в нашей стране, где помехи в сетях возникают постоянно, а большинство оборудования поставляется из-за рубежа и не рассчитано на местную специфику. Помимо потери данных, низкое качество электропитания может привести к физическим поломкам техники.

1.1 Три типа источников бесперебойного питания (ИПБ)

· Off-Line (или Stand-by) — наиболее дешевые устройства. Принцип их работы достаточно прост: при выходе напряжения в сети за пределы допустимого происходит переключение на питание от батарей, при его нормализации происходит обратный процесс. Основные недостатки — достаточно большое время переключения и невозможность сглаживания перепадов напряжения.

· On-Line — если в устройствах Off-Line напряжение подается непосредственно со входа на выход, в ИБП On-Line связь вход/выход осуществляется через выпрямитель и генератор (для получения постоянного, а затем вновь переменного напряжения). Главные достоинства такой схемы — практически идеальная синусоида на выходе и очень высокая надежность.

· Line-Interactive -— промежуточное между Off-Line и On-Line решение. Схема работы Line-Interactive сходна со схемой работы On-Line, однако, тут производится также и стабилизация напряжения, поэтому реже происходит переключение на питание от батарей. Это наиболее распространенный тип ИБП.

В электросетях нередки значительные скачки напряжения или полное отключение питания с отключением электричества справляется любой из ИБП, но только ИБП типа On-Line не прерывает подачу питания (время перехода на работу от АКБ — 0). Остальные ИБП переключаются на работу от батарей за 2−4 мс. Для современной компьютерной техники этого достаточно, поскольку она рассчитана на прерывание питания в течение 1—20 мс, однако на особо критичных участках — серверах, системах связи — предпочтительнее применение техники, работающей в режиме On-Line.

1.2 Дополнительные возможности

Современные ИБП, помимо обеспечения своих основных функций, обладают весьма широким набором полезных свойств. Так, практически все новые модели устройств могут при отключении питания в сети автоматически посылать компьютерным системам сигнал к выключению, предписывающий корректно завершить все исполняемые задачи с сохранением данных и подготовиться к прекращению работы. Допускается раздельное управление питанием на выходах ИБП, что позволяет в первую очередь выключать некритичные компоненты, предоставляя основным больше времени для функционирования за счет батарей источника (реализовано программно в ИБП TRIPP LITE Smart PRO 2200 — на источнике установлено 3 разъема RS232).

Весьма полезна с точки зрения экономии энергии и продления срока жизни батарей возможность автоматического выключения ИБП при выключении подсоединенного к нему оборудования.

Стоит отметить и так называемый «холодный старт» — способность запуска подключенных к ИБП устройств при отсутствии напряжения в электросети. Наконец, в большинстве On-Line моделей предусмотрена так называемая схема bypass — возможность переключения на прямое питание от сети в обход всех схем ИБП. Это позволяет защитить устройство от перегрузок и обеспечить питание оборудования в случае отказа ИБП.

1.3 Управление ИБП

Удобная и эффективная система управления и мониторинга состояния ИБП во многом определяет надежность его работы. Блок питания, используемый в качестве простого переходника между розеткой и компьютером, сильно проигрывает среднему по качеству устройству с грамотно организованным процессом контроля работы, позволяющим продлить срок службы устройства и заранее предотвратить многие проблемы.

Еще не так давно единственным органом управления ИБП служил выключатель, однако сейчас ситуация изменилась. Некоторые модели (в основном On-Line) источников бесперебойного питания, представленных на рынке, оснащены жидкокристаллическим дисплеем, на котором отображаются характеристики ИБП: нагрузка, входное напряжение, аварийные предупреждения и т. д. Кнопки на передних панелях устройств позволяют регулировать, к примеру, выходное напряжение и частоту, а также производить тест батарей.

Однако любая компьютерная система, будь то система компьютерной телефонии или какая-либо другая, предполагает наличие сети Ethernet. Защита информации на отдельно взятом компьютере сейчас не представляет большой сложности и, как правило, реализуется с помощью ИБП типа Off-Line или Line-Interactive. Наличие сети порождает новый ряд проблем, среди которых одна из главных — ее администрирование. Источники бесперебойного питания в этом смысле не являются исключением. Эксплуатируя множество ИБП, желательно контролировать работу каждого из них, причем делать это максимально оперативно, то есть производить мониторинг с одного компьютера, а не тестировать в ручную каждый ИБП.

Сейчас для этих целей используется специальное программное обеспечение, выпускаемое практически всеми ведущими производителями ИБП и поставляемое, как правило, вместе с оборудованием. Помимо тестирования батарей и изменения выходных характеристик устройств, такие программы могут собирать статистику о нагрузках каждого ИБП в компьютерной сети.

Происходит это по различным схемам. Наиболее распространенная — соединение компьютера и ИБП дополнительным кабелем через последовательный порт и установка грамм-агентов, отслеживающих изменения заданных характеристик (в реальном времени или через установленные промежутки) и сохраняющих статистические данные в специальных log-файлы. В такой схеме администратор со своего компьютера может контролировать состояние интересующего его ИБП и просматривать имеющиеся log-файлы. Такая схема обладает двумя существенными недостатками — во первых, в каждый момент времени можно следить за состоянием только одного ИБП, а во вторых, в случае отключения ИБП невозможно оперативно получить доступ к log-файлам.

Гораздо более эффективна схема, в которой вся собирается информация автоматически накапливается в одном месте, позволяя управлять ситуацией с одного узла сети. Немаловажно, что, обладая подобными статистическими данными и сравнивая их, например, с распределением трафика в компьютерной сети, можно в ряде случаев определять причины перегрузок или выхода ИБП из строя. Кроме того, в такой схеме не требуется постоянного присутствия администратора, который периодически смотрит то за одним, то за другим источником.

Для крупных предприятий актуальна возможность удаленного управления и мониторинга ИБП не только в локальных, но и в распределенных сетях. Вероятно, именно по этому в последнее время наметилась четкая тенденция к реализации всех функций управления с помощью обыкновенных web-браузеров.

Представленный на рынке программные продукты обычно обладают широкими возможностями по выбору способа реакции на различные помехи и неполадки в электросети — многочисленными вариантами подготовки систем к отключению (например, по заданному расписанию) и типов сообщений о возникших проблемах (звуковое оповещение, рассылка уведомлений по е-mail и так далее).

Следует отметить, что в связи с использованием в компьютерных сетях программно-аппаратных платформ самых разных производителей, такое программное обеспечение выпускается во множестве версий, предназначенных для конкретных систем. Структурные схемы ИПБ (рис. 1.1,1.2).

Рис. 1.1.Структурная схема ИПБ off-line.

Рис. 1.2.Стуктурная схема ИПБ line-interactive.

1.4 Преимущества технологии двойного преобразования

· Защищаемое оборудование подключается к электросети с гарантированно высокими качественными параметрами независимо от режима работы ИБП и показателей качества электроэнергии во входной сети.

· Защита от высоковольтных помех.

· Полностью отсутствует время переключения с нормального режима работы на автономный и обратно.

Нарастающая потребность и необходимость в качественном электропитании приводит к широкому использованию источников бесперебойного питания (ИБП) как единственного средства для защиты компьютерной, телекоммуникационной и другой техники от неполадок в системе электроснабжения.

В настоящее время существуют три основные схемы построения ИБП: off-line, line-interactive и on-line, которые находят применение в зависимости от предъявленных к ИБП требований и условий их эксплуатации.

В централизованных системах бесперебойного электропитания, когда прерывание подачи электроэнергии для работы большинства единиц оборудования, составляющих одну информационную или технологическую систему, недопустимо, характерно применение мощных ИБП типа on-line со схемой двойного преобразования.

Схема двойного преобразования является наиболее популярной и широко применяемой многими производителями мощных ИБП и дает возможность обеспечить пользователя электроэнергией высокого качества без отключений, высоковольтных помех, провалов и т. п.

Схема ИБП типа on-line содержит два преобразователя.

Рис. 1.3. Схема ИБП типа on-line .

Первый преобразователь превращает нестабильное входное напряжение в постоянное, а второй вырабатывает из постоянного, сглаженного и отфильтрованного напряжения переменное синусоидальное, которое беспрерывно подается на нагрузку и не зависит от состояния питающей электросети. Если параметры входного напряжения выходят за допустимые пределы, то происходит переключение на питание от батареи без какой-либо задержки.

Мощные системы бесперебойного электропитания, работающие в режиме on-line, гарантируют защиту от большинства неисправностей на линиях питающей электросети, позволяют фильтровать помехи, обеспечивают на выходе синусоидальное напряжение.

За многолетнюю историю существования технологии двойного преобразования были разработаны источники бесперебойного питания, имеющие повышенную надежность, гарантирующие высокое качество выходного напряжения и долговечность своей работы. За это время потери энергии на тепловыделение, объем и масса их сократились в несколько раз. Ярким примером последних разработок в системах электропитания с двойным преобразованием является массив электропитания Sym-metra производства АРС. SYMMETRA — воплощению новой концепции источника бесперебойного питания (массив электропитания).

Symmetra — массив электропитания, предназначенный для защиты групп серверов и критичных для бизнеса приложений. Symmetra предоставляет четыре главных преимущества по сравнению с традиционными ИБП: высокий уровень масштабируемости, избыточности, управляемости и удобства эксплуатации.

Symmetra, аналогично массиву дисков в отрасли хранения данных, представляет собой большой ИБП, состоящий из меньших модульных компонентов. Symmetra состоит из двух основных типов модулей: модулей-ИБП мощностью 4 кВА и модулей-батарей. Модули каждого типа подключаются параллельно, распределяя между собой нагрузку. «Мозгом» системы является модуль Main Intelligence. В системе с избыточностью N+1 он дублируется модулем Redundant Intelligence. Масштабируемость массива обеспечивает защиту капиталовложений, так как позволяет расширить или перестроить конфигурацию, добавляя или удаляя модули. Возможность увеличения мощности позволяет наращивать систему при приобретении дополнительного оборудования.

В современных центрах данных для организации улучшенного доступа на серверах и дисках используется избыточность. В серверах применяется кластерная и зеркальная технологии, а устройства хранения используют RAID-технологию для обеспечения дублирования носителя в случае сбоя диска или ОЗУ. Symmetra обеспечивает избыточность класса N+1 или даже выше за счет добавления дополнительных модулей того или иного типа, что исключает риск сбоя системы. При такой избыточности, если один модуль удален или поврежден, вся нагрузка немедленно и равномерно распределяется между оставшимися. В этом случае все звенья информационной системы (ИС), включая энергоснабжение, с избытком гарантируют максимальную надежность функционирования системы.

Увеличение КПД источника бесперебойного питания для многих производителей ИБП с традиционной схемой двойного преобразования становится первостепенной задачей. За несколько последних лет в области ИБП-технологий появилось много интересных технических решений. Эти новшества направлены на совершенствование существующей схемы двойного преобразования и позволяют получить большую производительность ИБП и низкие энергопотери.

Принципиально новый подход к решению проблемы минимизации потерь электроэнергии при сохранении принципа двойного преобразования предложила компания Silcon (Дания), недавно приобретенная АРС. Основная идея заключается в следующем. Подобно волнам, существующим только на поверхности океана, в потоке электроэнергии присутствуют всевозможные помехи и искажения. Коэффициент полезного действия двойного преобразования (рис. 1.4).

Рис. 1.4.Коэффициент полезного действия.

Тогда, чтобы добиться ровной и чистой поверхности, нет смысла преобразовывать всю «массу» энергии, достаточно успокоить ее «верхний слой»

Эта идея составляет основу нового принципа преобразования, который был назван «Дельта-преобразование» и запатентован компанией Silcon.

ИБП с технологией «Дельта-преобразование» работает в режиме on-line как схема с двойным преобразованием, но при этом он преобразует не всю электроэнергию, а только ее «зашумленную» и нестабильную часть, которая приводит к снижению ее качества.

Новая технология устраняет недостатки, присущие ИБП традиционного двойного преобразования, и близка к идеальному решению принципов преобразования тока, используемых в ИБП. Структура ИБП с «Дельта-преобразованием» из двух инверторов, выполненных по специальной 4-квадрантной схеме и системы управления. Коэффициент входной мощности двойного преобразования (рис. 1.5).

Рис. 1.5.Коэффициент входной мощности.

В идеальных условиях, когда параметры электросети соответствуют требованиям качества питания нагрузки (напряжение и ток соответствуют номиналу, отсутствуют всевозможные провалы, выбросы, помехи и шум), электроэнергия полностью передается в нагрузку, а не преобразуется дважды, как в ИБП с двойным преобразованием, в этом случае потерь на преобразование нет.

В реальной ситуации, когда параметры сети не идеальны, происходит традиционное двойное преобразование электроэнергии. Но система с «Дельта-преобразованием» намного «умнее», чем классическая схема двойного преобразования, так как преобразует не всю энергию, а только ту часть, которую необходимо. Так, например, при отклонениях входного напряжения на 15%, двойному преобразованию подвергнется только 15% электроэнергии. Если принять суммарные потери как в традиционном ИБП двойного преобразования равными 10%, то в схеме с «Дельта-преобразованием» энергопотери составят: 0,15×10% = 1,5%.

В случае аварии электросети, основной инвертор получает энергию от аккумуляторной батареи и схема работает по тому же принципу, что при классическом двойном преобразовании.

Таким образом, ИБП с «Дельта-преобразованием» работает в режиме on-line, как традиционная схема двойного преобразования и имеет все присущее ей достоинства, но при этом обладает большим коэффициентом полезного действия (КПД источника равен 97%) и меньшими энергопотерями.

1.5 Увеличение входного коэффициента мощности

Как известно, в цепях переменного тока только при активной нагрузке напряжение и ток совпадают по фазе. Во всех остальных случаях существует фазовый сдвиг между током и напряжением. Из-за этого сдвига снижается эффективность доставки электроэнергии, что приводит ее к дополнительным энергопотерям. Степень фазового сдвига измеряется коэффициентом мощности. Чем выше значение коэффициента мощности, тем меньше сдвиг по фазе между током и напряжением, а следовательно, выше эффективность ИБП.

Особенностью новой технологии «Дельта-преобразование» является возможность передачи электроэнергии требуемой мощности от питающей сети к потребителю наиболее экономным способом. В ИБП с «Дельта-преобразованием» коэффициент мощности равен практически единице в широком диапазоне изменения нагрузки. Уникальное схемное решение, реализованное в новом ИБП, не требует применения дополнительных дорогих устройств, так как схема «Дельта-преобразование» не вносит дополнительную реактивную составляющую в электросеть, обеспечивает синфазность протекания тока и напряжения и равенство кВА = кВт.

1.6 Уменьшение величины гармонических искажений в питающей сети

Следует отметить еще один важный момент, связанный с эксплуатацией ИБП. Это возрастающие требования по электромагнитной совместимости. Практически все электронное оборудование, в том числе и ИБП, является поставщиком гармонических помех, которые выбрасываются в электросеть и способны повредить электронное оборудование.

Новая технология «Дельта-преобразование» обеспечивает ИБП отличную электромагнитную совместимость с электросетью и не нарушает работу другого электронного оборудования, подключенного к этой сети. Гармонические искажения, вносимые в сеть, практически сведены к нулю в силу того, что сама схема «Дельта-преобразование», выполняя свою основную функцию, второстепенно является двунаправленным фильтром. Благодаря передовым техническим решениям ИБП с «Дельта-преобразованием» не является источником генерации гармонических помех. Более того, новая технология обеспечивает защиту электросети от нелинейных искажений, вносимых компьютерной нагрузкой на выходе ИБП.

1.7 ИБП с «Дельтапреобразованием»

Новая технология «Дельта-преобразование» впервые была реализована в ИБП производства компании Silcon. Новый ИБП сочетает в себе преимущества систем двойного преобразования и новые качества, появившиеся за счет технологии «Дельта-преобразование».

Что же дает эта технология пользователю ИБП с «Дельта-преобразованием»? Во-первых, за счет высокого КПД ИБП имеет высокую эффективность. При эксплуатации такого ИБП происходит значительная экономия электроэнергии и средств. Во-вторых, из-за низких потерь энергии ИБП с «Дельта-преобразованием» имеет гораздо меньшее тепловыделение и существенно более низкие затраты на систему кондиционирования помещений, где установлены ИБП.

В-третьих, ИБП с «Дельта-преобразованием» имеет прекрасную электромагнитную совместимость с электросетью и значительно лучше ослабляет гармоники тока как со стороны входа, так и со стороны выхода.

Многочисленные испытания и тестирования ИБП с технологией «Дельта-преобразование» как за рубежом, так и в России (в лаборатории испытаний силовых электронных устройств и электрических аппаратов Московского Энергетического института (МЭИ)), подтвердили его декларируемые показатели и характеристики. ИБП, построенные по принципу «Дельта-преобразование», на сегодняшний день являются очень перспективными.

В заключение следует отметить, что дальнейшее развитие и совершенствование ИБП-технологий неизбежно, так как пока еще не создан источник бесперебойного питания, имеющий идеальные характеристики и полностью устраняющий недостатки, присущие этому классу устройств.

2. ВЫБОР И ОБАСНОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ

В соответствии с заданием на дипломный проект блок источника бесперебойного питания должен обеспечивать:

1) В исходном режиме питание от сети, в аварийном от аккумулятора.

2) Следить за напряжением в сети.

3) Следить за зарядкой аккумулятора.

4) Выдовать на выходе 220 В.

Известные источники бесперебойного состоят в основном из следующих элементов понижающий трансформатор (220 В/12 — 24 В) аккумулятор

преобразователь постоянного напряжения 12 В в переменное 220 В/50 Гц задающий генератор на 50 Гц зарядное устройство для аккумулятора

— блок управления Исходя из этого функциональную схему дипломного проекта можно представить из следующих блоков.

Рис. 2.1.Функциональная схема ИПБ.

Опишем функции каждого блока по отдельности (рис. 2.1).

2.1 Выпрямитель

Этот блок состоит из понижающего трансформатора Т1 и диодного моста. На трансформатор подается переменное напряжение сети, после понижения оно проходит диодный мост и выпрямляется.

2.2 Генератор

Генератор состоит из усилителя по току, на двух ключах, которые поочередно работают, и повышающего трансформатора Т2.

Задает импульсный сигнал на вход усилителя. После подачи сигнала по истечению некоторого времени ключ1 закрывается и потом открывается ключ2. Ключ2 открывается тоже на тоже время, что и ключ1. Этот сигнал усиливается по току и подается на вход повышающего трансформатора. Поочередное включение и отключение ключей создает на входе трансформатора переменный магнитный поток, что обеспечивает переменный ток на выходе с трансформатора. Напряжение на трансформатор подается с аккумуляторной батареи.

2.3 Компаратор

2.3.1 Компаратор 1

Его задача проверка наличия в сети напряжения 220 В. После прохождения понижающего трансформатора Т1 и диодного моста сигнал поступает на не инвертируемый вход операционного усилителя. На инвертируемый вход сигнал поступает с аккумулятора и стабилизатора.

Принцип работы заключается в том что, если напряжение на не инвертируемом входе больше, чем на инвертируемом, то на блок управления поступает два сигнала с аккумулятора и стабилизатора. Если сигнал с аккумулятора больше, то все в норме и она продолжает питать генератор. Если же напряжение на входе операционного усилителя с аккумулятора меньше, чем со стабилизатора, то это значит, что аккумулятор разряжен и происходит его зарядка. Вся эта информация передается на блок управления.

2.3.2 Компаратор 2

Проверяет уровень зарядки аккумулятора. Принцип работы такой же как у компаратора1. Выдает два уровня о том, что аккумулятор заряжен или о том, что аккумулятор разряжен и производится его подзарядка. Вся информация поступает на блок управления.

2.3.3 Компаратор 3

Его задача проверка выходного напряжения, оно должно ровняться 220 В. Точно так же сигнал с трансформатора Т2 поступает на не инвертированный вход операционного усилителя и как только он становится ниже сигнала на инвертируемом входе (заметим, что сигнал на инвертируемом входе постоянен, т. е. не меняет своего значения, если не разряжен аккумулятор) это означает, что выходное напряжение меньше 220 В.

2.4 Аккумулятор

Аккумулятор питает генератор, а так же подает сигнал на стабилизатор, который в свою очередь питает все микросхемы в схеме. Сам же в свою очередь подзаряжается от понижающего трансформатора Т1.

2.5 Стабилизатор

Стабилизатор — стабилизирует напряжение и выдает на выходе 5 В. Входное напряжение он получает с аккумулятора и питает все микросхемы в схеме.

Когда компаратор1 проверяет наличие входного напряжения и если оно равно 220 В и без перебоев, то включается реле и сигнал с входа сразу поступает на выход минуя основную схему. Если же наличие в сети 220 В не оказалось или были замечены какие то перебои, то реле переключает входное напряжение на основную схему. И на выход подается сигнал с генератора.

Вместе с реле используется транзистор, работающий ключом. Открывается ключ и вместе с ним открывается реле.

2.6 Блок индикации

Блок индикации выполнен на двух световых диодах. Когда реле включено на работу вход-выход минуя основную схему, то горит один зеленый указывая, что прибор просто включен. Если же реле переключается на генератор, то дополнительно к зеленому загорается красный диод и подается звуковое оповещение указывающее на перебои в сети.

3. РАСЧЕТ УЗЛОВ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ

Произведем расчет выбранной схемы, каждого блока по отдельности.

3.1 Выпрямитель

Рис. 3.1.Схема выпрямителя.

На рис. 3.1 видно, что выпрямитель состоит из понижающего трансформатора Т2 и диодного моста.

Понижающий трансформатор выбирается по входному напряжению и частоте, а так же выходным параметрам.

Выбираем ТПП 209

Входные параметры:

U=220B, f=50Гц, I=0.017A .

Выходные параметры:

I =0.0236A

Напряжение вторичных обмоток смотрите (Табл.3.1).

Таблица3.1.

Напряжение на выводах вторичной обмотки.

Резистор R6 выбираем 0,51Ом, т.к. этот сигнал идет на подзарядку.

Диодный мост ставим для выпрямления сигнала, выбираем по прямому току и обратному напряжению.

Выбираем диоды КД212, его параметры:

I=1A, I=0.1mA;

U=100B, U=1B;

3.2 Генератор

Рис. 3.2.Схема генератора.

Генератор состоит из усилителя по току, на двух ключах, которые поочередно работают, и повышающего трансформатора Т2. Трансформатор выбираем ТПП260

Входные параметры: U=220B, f=50Гц, P =31B*A, I=0.19A .

Выходные параметры: I=0.69A

Напряжение вторичных обмоток смотрите (Табл.3.2).

Таблица3.2.

Напряжение на выводах вторичной обмотки.

Микроконтроллер PIC16F84 задает импульсный сигнал длительностью 45мкс на вход усилителя. После подачи сигнала по истечению 45мкс ключ1 закрывается и через 5мкс открывается ключ2. Ключ2 открывается тоже на 45мкс. Этот сигнал усиливается по току и подается на вход повышающего трансформатора Т2. Поочередное включение и отключение ключей создает на входе трансформатора Т2 переменный магнитный поток, что обеспечивает переменный ток на выходе с трансформатора Т2. Напряжение на трансформатор Т2 подается с аккумуляторной батареи 12 В.

Рассчитаем транзисторы усилителя тока.

Нам известно, что ток и напряжение первичной обмотки повышающего трансформатора Т2 равняется: I=0.69A; U=12B.

Из этого получается, что нам известно I и U транзисторов VT6, VT3.

Поэтому мы можем их выбрать.

Выбираем КТ827 с параметрами:

I=20A, h=750;

U=60B

P=125Вт;

Найдем ток базы этих транзисторов, по формуле:

I = I/ h;

I =0.69/750= 0.92mA.

Рассчитаем напряжение базы:

U= 1.4B;

Так как в транзисторе VT6, VT3 падение напряжения на двух переходах эмиттер-база.

Примем, что ток через R21 будет в 10 раз больше чем I транзистора КТ827.

I=9.2mA.

По закону Кирхгофа:

I= II ;

I=9.2−0.92= 8.28mA.

Рассчитаем резисторы R21, R22:

R22= U/ I;

R22=1.4B/8,28=169Ом;

U= UU;

U=12−1.4=10.6B;

R21= U / I;

R21=10.6B/9.2mA= 1152Ом.

Из ряда Е24 выбираем:

R22=160Ом;

R21=1.2kОм.

На рис. 3.2 видно, что ток I= I равняется току коллектора транзистора VT5 и VT2, а напряжение коллектора равняется Епит аккумулятора, т. е. равно12 В.

Выберем транзисторы VT5 и VT2

Выбираем КТ816

I=3А, h=25.

U=40 В, P=25Вт.

Найдем ток базы этих транзисторов по формуле:

I = I/ h;

I =9.2mA/25=0.37mA.

Рассчитаем напряжение базы, по формуле:

U= U-0.7B;

U=12−0.7=11.3B.

Примем, что ток через R19 будет в 10 раз больше чем I транзистора КТ816.

I=3.7mA.

Из этого следует, что:

I= II ;

I=3.7−0.37= 3.33mA.

Рассчитаем резисторы R19, R20:

R19=(ЕпитU)/ I;

R19=(12В-11.3В)/3.7mA= 189,2Ом;

R20= U/ I;

R20=11.3В/3.33mA=3424 Ом.

Из ряда Е24 выбираем:

R20=3.3кОм;

R19=180Ом.

На рис. 3.2 видно, что ток I= I равняется току коллектора транзистора VT4 и VT1, а напряжение коллектора равняется напряжению базы транзистора VT5 и VT2.

Выберем транзисторы VT4 и VT1

Выбираем КТ503 с параметрами:

I=0,15А, h=40.

U=40 В, P=25Вт.

Найдем ток базы этих транзисторов по формуле:

I = I/ h;

I =3.33mA /40=82.5mkA.

Рассчитаем напряжение базы, по формуле:

U= 0.7B;

Так как в транзисторе VT4, VT1 падение напряжения на переходе эмиттер-база.

Рассчитаем резистор R18:

Напряжение через резистор R18 будет равняться разности потенциалов между напряжением базы и напряжением поступающем с микроконтроллера, равное Епит=5 В.

R18=(Епит-U)/ I ;

R18=(5−0,7)/82.5mkA= 52 121Ом.

Из ряда Е24 выбираем: R18=51кОм.

3.3 Компаратор

В разрабатываемой схеме моего дипломного проекта мы используем три одинаковых компаратора отвечающие за разными изменениями напряжения.

Схема приведина на рис. 3.3.

Рис. 3.3.Схема компаратора.

Компаратор1 проверяет наличия в сети напряжения 220 В. После прохождения понижающего трансформатора Т1 и диодного моста сигнал поступает с подстроечного резистора R2 на не инвертируемый вход операционного усилителя. На инвертируемый вход сигнал поступает с аккумулятора и стабилизатора DA4.

Принцип работы заключается в том что, если напряжение на не инвертируемом входе больше, чем на инвертируемом, то на микроконтроллер PIC16F84 поступает два сигнала с аккумулятора и стабилизатора. Если сигнал с аккумулятора больше, то все в норме и она продолжает питать генератор. Если же напряжение на входе операционного усилителя с аккумулятора меньше, чем со стабилизатора, то это значит, что аккумулятор разряжен и происходит его зарядка. Вся эта информация передается на микропроцеcсор.

Компаратор2 проверяет уровень зарядки аккумулятора. Принцип работы такой же как у компаратора1. Выдает два уровня о том, что аккумулятор заряжен или о том, что аккумулятор разряжен и производится его подзарядка. Вся информация поступает на микроконтроллер.

Задача компаратора3 проверка выходного напряжения, оно должно ровняться 220 В. Точно так же сигнал с трансформатора Т2 поступает на не инвертированный вход операционного усилителя и как только он становится ниже сигнала на инвертируемом входе (заметим, что сигнал на инвертируемом входе постоянен, т. е. не меняет своего значения, если не разряжен аккумулятор) это означает, что выходное напряжение меньше 220 В.

Компаратор выполнен на базе операционного усилителя КР140УД1208, его характеристика:

U=3…18B. I=0.19mA.

U=6mВ. R=5MOм.

Рассчитаем резисторы R1, R2,R3,R4,R5:

Так как сигнал на инвертируемый вход подается с делителя R4, R5,то эти сопротивления выберем одинаковые по 10кОм. На сопротивление R4 подается напряжение 5 В, то на инвертируемый вход будет подаваться 2.5B.

Относительно этого напряжения будем рассчитывать сопротивления R1, R2 и R3.

На рис. 3.3 видно, что R2 подстроечный резистор, рассчитаем его пределы. Резисторы R1 и R3 будем выбирать таким образом, чтобы напряжение снимаемое с подстроечного резистора R2 было больше 2.5 В, но не на много.

Выбираем R1=20кОм, R2=1 кОм, R3=10 кОм.

U1=12/2.1=5.71B;

U2=12/3.1=3.87B.

Пределы подстроичного сопротивления от 3,87 В до 5,71 В.

3.4 Реле

Рис. 3.4.Схема двух контактного реле.

Когда компаратор1 проверяет наличие входного напряжения и если оно равно 220 В и без перебоев, то включается реле и сигнал с входа сразу поступает на выход минуя основную схему. Если же наличие в сети 220 В не оказалось или были замечены какие то перебои, то реле переключает входное напряжение на основную схему. И на выход подается сигнал с генератора.

На рис. 3.4 видно, что вместе с реле используется транзистор VT7, работающий ключом. Открывается ключ и вместе с ним открывается реле.

Выбираем двух позиционное реле РЭС22.

U=12±1.2B

I=36мА

I=11мА

R=175(-17+26)Ом

t=12мс

t=5мс Рассчитаем транзистор VT7. Так как на реле подается сигнал с понижающего трансформатора Т1, то ток вторичной обмотки будет равен току коллектора.

I= I=0.69A

U=12B

Транзистор выбираем КТ827:

I=20A, h=750;

U=60B , P=125Вт;

Найдем ток базы этих транзисторов, по формуле:

I = I/ h;

I =0.69/750=0.92mA.

Напряжение базы будет равно:

U= 0.7B.

Так как в транзисторе VT7 падение напряжения на переходе эмиттер-база.

Напряжение через резистор R28 будет равняться разности потенциалов между напряжением базы и напряжением поступающем с микроконтроллера, равное Епит=5 В.

Рассчитаем резистор R28:

R28=(Епит-U)/ I ;

R28=(5−0,7)/0.92mA= 4673Ом.

Из ряда Е24 выбираем: R28=4.7кОм.

3.5 Блок индикации

Рис. 3.5.Схема блока индикации.

На рис. 3.5 видно, что блок индикации выполнен на двух световых диодах. Когда реле включено на работу вход-выход минуя основную схему, то горит один зеленый указывая, что прибор просто включен. Если же реле переключается на генератор, то дополнительно к зеленому загорается красный диод и подается звуковое оповещение указывающее на перебои в сети.

3.6 Описание контроллера PIC16F84

PIC16F84 относится к семейству КМОП микроконтроллеров. Отличается тем, что имеет внутреннее 1K x 14 бит EEPROM для программ, 8-битовые данные и 64байт EEPROM памяти данных. При этом отличаются низкой стоимостью и высокой производительностью. Пользователи, которые знакомы с семейством PIC16C5X могут посмотреть подробный список отличий нового от производимых ранее контроллеров. Все команды состоят из одного слова (14 бит шириной) и исполняются за один цикл (1 мкс при 4 МГц), кроме команд перехода, которые выполняются за два цикла (2 мкс). PIC16F84 имеет прерывание, срабатывающее от четырех источников, и восьмиуровневый аппаратный стек. Периферия включает в себя 8-битный таймер/счетчик с 8-битным программируемым предварительным делителем (фактически 16 — битный таймер) и 13 линий двунаправленного ввода/вывода. Высокая нагрузочная способность (25 мА макс. входной ток, 20 мА макс. выходной ток) линий ввода/вывода упрощают внешние драйверы и, тем самым, уменьшается общая стоимость системы. Разработки на базе контроллеров PIC16F84 поддерживается ассемблером, программным симулятором, внутрисхемным эмулятором (только фирмы Microchiр) и программатором.

Серия PIC16F84 подходит для широкого спектра приложений от схем высокоскоростного управления автомобильными и электрическими двигателями до экономичных удаленных приемопередатчиков, показывающих приборов и связных процессоров. Наличие постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) позволяет подстраивать параметры в прикладных программах (коды передатчика, скорости двигателя, частоты приемника и т. д.).

Малые размеры корпусов, как для обычного, так и для поверхностного монтажа, делает эту серию микроконтроллеров пригодной для портативных приложений. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода/вывода делает PIC16F84 привлекательным даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры. Например, таймеры, замена жесткой логики в больших системах, сопроцессоры.

Cледует добавить, что встроенный автомат программирования EEPROM кристалла PIC16F84 позволяет легко подстраивать программу и данные под конкретные требования даже после завершения ассемблирования и тестирования. Эта возможность может быть использована как для тиражирования, так и для занесения калибровочных данных уже после окончательного тестирования.

3.6.1 Обзор характеристик

Высокоскоростной RISC процессор

только 35 простых команд;

все команды выполняются за один цикл (1 мкс), кроме команд перехода, выполняющихся за два цикла;

рабочая частота 0 Гц … 4 МГц (min 1 мкс цикл команды);

14- битовые команды;

8- битовые данные;

1024×14 электрически перепрограммируемой программной памяти на кристалле (EEPROM);

36×8 регистров общего использования;

15 специальных аппаратных регистров SFR;

64×8 электрически перепрограммируемой EEPROM памяти для данных;

восьмиуровневый аппаратный стек;

прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;

четыре источника прерывания:

внешний вход INT,

переполнение таймера TMR0,

прерывание при изменении сигналов на линиях порта B,

по завершению записи данных в память EEPROM.

Периферия и Ввод/Вывод

13 линий ввода-вывода с индивидуальной настройкой;

входной/выходной ток для управления светодиодами.

макс. входной ток — 20 мА. ,

макс. выходной ток — 25 мА.,

TMR0: 8 — битный таймер/счетчик TMR0 с 8-битным программируемым предварительным делителем.

Специальные свойства

автоматический сброс при включении;

таймер включения при сбросе;

таймер запуска генератора;

WatchDog таймер (WDT) с собственным встроенным генератором, обеспечивающим повышенную надежность;

EEPROM бит секретности для защиты кода;

экономичный режим SLEEP;

выбираемые пользователем биты для установки режима возбуждения встроенного генератора:

RC генератор: RC;

обычный кварцевый резонатор: XT;

высокочастотный кварцевый резонатор: HS;

экономичный низкочастотный кристалл: LP;

встроенное устройство программирования EEPROM памяти программ и данных; используются только две ножки.

КМОП технология

экономичная высокоскоростная КМОП EPROM технология;

статический принцип в архитектуре;

широкий диапазон напряжений питания и температур:

коммерческий: 2.0 … 6.0 В, 0…+70С, промышленный: 2.0 … 6.0 В, −40…+70С, автомобильный: 2.0 … 6.0 В, 40…+125С;

низкое потребление:

2 мА типично для 5 В, 4МГц,

15 мкА типично для 2 В, 32КГц,

1 мкА типично для SLEEP режима при 2 В.

Tипы корпусов и исполнений

Обозначения корпусов для кристаллов PIC16F84. Тип корпуса указывается в Маркировке при заказе микросхем. Корпуса бывают только с 18 Выводами.

PDIP — Обычный пластмассовый двухрядный корпус

SOIC — Малогабаритный DIP корпус для монтажа на поверхность

Mаркировка при заказе

Обозначение микросхем складывается из следующих полей:

Фирм.номер/Частота генератора/Темпер.диапазон/Корпус/Примеч Фирм. номер: PIC16F84 Vdd range 4…6 V,

PIC16LC84 Vdd range 2…6 V;

Частота генератора: 04 —-> 4 mHz (большинство 4 МГц. приборов работает до 10 МГц.!),

10 —-> 10mHz;

Температурный диапазон бывает:

— от 0С до +70С,

I от-40С до +85С,

E от-40С до +125С;

Корпус обозначается:

P — обычный пластмассовый DIP,

SO -300 mil SOIC.

ПРИМЕРЫ:

PIC16C84−04/P — 4 mHz, коммерческое исполнение в PDIP корпусе, норм. диапазон Vdd

PIC16LC84−04I/SO- 4 mHz, исполнение для промышленности, расшренный диапазон питания, корпус =SOIC

PIC16C84−10E/P — исполнение для автомобилей, 10 mHz, PDIP, норм питание Архитектура основана на концепции раздельных шин и областей памяти для данных и для команд (Гарвардская архитектура). Шина данных и память данных (ОЗУ) — имеют ширину 8 бит, а программная шина и программная память (ПЗУ) имеют ширину 14 бит. Такая концепция обеспечивает простую, но мощную систему команд, разработанную так, что битовые, байтовые и регистровые операции работают с высокой скоростью и с перекрытием по времени выборок команд и циклов выполнения. 14- битовая ширина программной памяти обеспечивает выборку 14-битовой команды в один цикл. Двухступенчатый конвейер обеспечивает одновременную выборку и исполнение команды. Все команды выполняются за один цикл, исключая команды переходов. В PIC16F84 программная память объемом 1К х 14 расположена внутри кристалла. Исполняемая программа может находиться только во встроенном ПЗУ.

Разводка ножек (рис. 3.6).

Функциональное назначение выводов см."Обозначения Выводов". Типы корпусов PDIP и др. см. «Корпуса».

Рис. 3.6.Разводка ножек.

3.6.2 Назначение ножек

Таблица3.3.

Обозначения ножек и их функциональное назначение.

Назначение ножек (см. Табл.3.3).

3.6.3 Обзор регистров и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ)

Область ОЗУ организована как 128×8. К ячейкам ОЗУ можно адресоваться прямо или косвенно, через регистр указатель FSR (04h). Это также относится и к EEPROM памяти данных-констант.

В регистре статуса (03h) есть биты выбора страниц, которые позволяют обращаться к четырем страницам будущих модификаций этого кристалла. Однако для PIC16F84 память данных существует только до адреса 02Fh. Первые 12 адресов используются для размещения регистров специального назначения. Регистры с адресами 0Ch-2Fh могут быть использованы, как регистры общего назначения, которые представляют собой статическое ОЗУ. Некоторые регистры специального назначения продублированы на обеих страницах, а некоторые расположены на странице 1 отдельно. Когда установлена страница 1, то обращение к адресам 8Ch-AFh фактически адресует страницу 0. К регистрам можно адресоваться прямо или косвенно (см. Табл.3.4).

Таблица3.4.

Обзор регистров.

Прямая адресация.

Когда производится прямая 9-битная адресация, младшие 7 бит берутся как прямой адрес из кода операции, а два бита указателя страниц (RP1,RP0) из регистра статуса (03h).

Косвенная адресация

FSR (04h) — Указатель косв. адресации Любая команда, которая использует INDF (адрес 00h) в качестве регистра фактически обращается к указателю, который хранится в FSR (04h). Чтение косвенным образом самого регистра INDF даст результат 00h. Запись в регистр INDF косвенным образом будет выглядеть как NOP, но биты статуса могут быть изменены. Необходимый 9-битный адрес формируется объединением содержимого 8-битного FSR регистра и бита IRP из регистра статуса.

TMR0 таймер/счетчик

Режим таймера выбирается путем сбрасывания в ноль бита T0CS, который находится в регистре OPTION_REG. В режиме таймера TMR0 будет инкрементироваться от ВНУТРЕННЕГО ИСТОЧНИКА частоты каждый командный цикл (без прескаллера). После записи информации в TMR0, инкрементирование его начнется после двух командных циклов. Такое происходит со всеми командами, которые производят запись или чтение-модификацию-запись TMR0 (напр. MOVF f1, CLRF f1). Избежать этого можно при помощи записи в TMR0 скорректированного значения. Если TMR0 нужно проверить на равенство нулю без остановки счета, следует использовать инструкцию MOVF f1, W. Режим счетчика выбирается путем установки в единицу бита T0CS, который находится в регистре OPTION_REG. В этом режиме TMR0 будет инкрементироваться либо положительным, либо отрицательным фронтом на ножке RA4/T0CKI от ВНЕШНЕГО источника. Направление фронта определяется управляющим битом T0SE в регистре OPTION_REG. При T0SE=0 будет выбран передний фронт. Прескаллер может быть использован или совместно с TMR0, или с Watchdog таймером. Вариант подключения делителя контролируется битом PSA в регистре OPTION_REG. При PSA=0 делитель будет подсоединен к TMR0. Содержимое делителя программе недоступно. Коэффициент деления — программируется. Прерывание по TMR0 вырабатывается тогда, когда происходит переполнение TMR0 таймера/счетчика при переходе от FFh к 00h. Тогда устанавливается бит запроса T0IF в регистре INTCON<2>. Данное прерывание можно замаскировать битом T0IE в регистре INTCON<5>. Бит запроса T0IF должен быть сброшен программно при обработке прерывания. Прерывание по TMR0 не может вывести процессор из SLEEP, так как таймер в этом режиме отключен.

Проблемы с таймером

Проблемы могут возникнуть при счете внешних сигналов. Эти сигналы стробируются внутренним сигналом синхронизации, см. схему SYNC. Образуется некоторая задержка между фронтом входного сигнала и моментом инкрементирования TMR0. Cтробирование производится после прескаллера. Выход прескаллера опрашивается дважды в течение каждого командного цикла, чтобы определить положительный и отрицательный фронты входного сигнала. Поэтому сигнал Psout должен иметь высокий и низкий уровень не менее двух периодов синхронизации.

Когда прескаллер не используется, Psout повторяет входной сигнал, поэтому требования к нему следующие:

Trth= TMR0 high time >= 2 tosc+20ns

Trtl= TMR0 low time >= 2 tosc+20ns.

Когда прескаллер используется, на вход TMR0 подается сигнал, поделенный на число, установленное в счетчике делителя. Сигнал после прескаллера всегда симметричен.

Psout high time = Psout low time = N*Trt/2, где Trtвходной период TMR0,

Nзначение счетчика делителя (2,4…256).

В этом случае требования к входному сигналу можно выразить так:

N*Trt/2 >= 2 tosc +20ns или Trt >= (4tosc + 40ns)/N.

Когда используется прескаллер, низкий и высокий уровень сигнала на его входе должны быть не менее 10 нс. Таким образом общие требования к внешнему сигналу, когда делитель подключен таковы:

Trt= TMR0 рeriod >= (4tosc + 40ns)/N

Trth = TMR0 high time >= 10ns

Trtl = TMR0 low time >= 10ns.

Так как выход определителя синхронизируется внутренним сигналом тактовой частоты, то существует небольшая задержка между появлением фронта внешнего сигнала и временем фактического инкремента TMR0. Эта задержка находится в диапазоне между 3*tosc и 7*tosc. Таким образом измерение интервала между событиями будет выполнено с точностью 4*tosc (1мкс при кварце 4 МГц).