Методика разработки блока питания для АПК

Введение. Применение блоков питания в агропромышленном комплексе становится наиболее активным и масштабным в связи с роботизацией и автоматизацией производств. Так как сложные комплексы нуждаются в стабильном питании, при напряжении 12-24-48В, то с данной задачей лучше всего справляется импульсный блок питания, класса AC/DC с встроенным выходным фильтром [1].

Цель и задачи исследования – расчет и разработка схемотехнического решения преобразователя напряжения с встроенным помехоподавляющим фильтром и фильтром электромагнитной совместимости, проектирование и оптимизация параметров токозадающей цепи; повышение энергоэффективности преобразователя.

Материалы, методы и объекты исследования. Объектами исследования являются параметры диапазона выходного напряжения преобразователя, значения тактовой частоты, скважности и пульсации в пиковые моменты работы устройства. При разработки схемотехнических решений проводился расчет токозадающей цепи устройства (выбор компонентов, разработка трассировки цепи на печатной плате), от значений которого определяется параметр тактовой частоты преобразователя и прецизионность выходного напряжения (плавающий диапазон отклонений). Оптимальным значением является тогда, когда выходное напряжение отклоняется при различных режимах работы не более чем на 0,2 В (0,05%) от номинала (24,0 В), достигается за счет применения в токозадающей стабилизатора напряжения [2, 3].

Проектирование силовой и управляющей части преобразователя.

В первую очередь, при проектировании данного класса преобразователей, необходимо обращать внимание на несколько основных цепей, а именно, цепь управления, токозадающая цепь, цепь силового транзистора, цепь гальванической развязки и цепь выходного фильтра. Рассмотрим каждую цепь по отдельности, в соответствии со схемой блока питания, представленной на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема блока питания

Перед началом проектирования необходимо учесть следующие параметры применяемости блока питания: температуру окружающей среды, воздействие влажности, значения входного и выходного напряжения, значения тока нагрузки и кратковременных перегрузок, номинальная и максимальная мощность, корпусное исполнение [4].

Исходя из выбранных факторов, происходит расчет и выбор микросхемы, в данном случае, выбор был сделан в пользу линейки семейства микросхем класса UC3842-UC3845. Данная микросхема позволят быстро произвести настройку, в соответствии с необходимыми параметрами и имеет широкий диапазон настраиваемой скважности.

Токозадающая цепь, как правило, имеет в своей схеме 3-5 резисторов, высокой точности (не менее 1%) и малой рассеиваемой мощности, при разработке собственного источника питания, были выбраны 5 прецизионных резисторов, рассеиваемой мощностью 0,125Вт, и номинальным сопротивлением 1,8Ом и 10кОм [5].

Расчет и выбор моточных изделий.

При расчете силового транзистора используется несколько методик, но основная – это подключение транзистора к Снабберной цепи, что позволяет сократить паразитное сопротивление и емкость ESR-параметра, а также позволяет сгладить шум от микросхемы и силовых выходов трансформатора, осциллограмма выходных сигналов представлена на рисунке 2 [6].

Рисунок 2 – Осциллограмма параметров токозадающей цепи

Основная особенность и сложность проектирования блока питания заключается в адаптации данного устройства, под свой тип нагрузки, а именно возможность совмещения выходных помех пульсаций и скважности устройства, электромагнитной совместимости, что добавляет специфические требования при трассировки печатных плат, данные параметры влияют на расчет цепи силового транзистора [7].

При выборе силового транзистора необходимо учитывать скорость срабатывания ключа, температуру нагрев (возможность использовать «полигон» на печатной плате и реберный радиатор), так как управляющий сигнал с силового транзистора напрямую влияет на ШИМ-контроллер (микросхему UC3843). Так же можно видеть, что значение ШИМ в схеме составляет 5В ± 0,5В, что является оптимальным для работы в сельском хозяйстве, так как там очень часто имеется агрессивная среда (влажность, резкие перепады температуры). Но не стоит забывать, что диапазон запуска микросхемы находиться в диапазоне 7,6-8,4В [8].

Цепь гальванической развязки включают в себя оптопару транзисторную и трансформатор, оба этих устройства гальванически развязывают общую схему, что позволяет обеспечить дополнительную защиту устройства [9].

Стоит обратить внимание на то, что трансформатор имеет 3 обмотки, а именно, первичную, вторичную и вспомогательную, с помощью которой происходит питание микросхемы, а рабочий цикл оптопары транзисторной представлен на осциллограмме, рисунок 3.

Рисунок 3 – Осциллограмма параметров работы ШИМ-контроллера

Исходя из параметров осциллограммы следует вывод, что в момент срабатывания оптопары транзисторной, ШИМ-контроллер, открывает выходной канал.

Завершающим фактором при проектировании блока питания, является цепь выходного фильтра. Основными компонентами, применяемыми в фильтре выходных помех, являются SMD (ЧИП) конденсаторы, чаще всего керамические, в 2 раза превышающие значение выходного напряжения (по рабочему параметру) и емкостью не более 100мкФ [10].

Выводы.

Изучив изложенный выше материал, можно сделать вывод о том, что в современном мире силовой электроники остается еще множество вопросов для изучения и разработки новых схемотехнических и топологических решений, количество методик по проектированию блоков питания насчитывается несколько тысяч, но как правило, во всех присутствуют основные составляющие: цепь управления, токозадающая цепь, цепь силового транзистора, цепь гальванической развязки и цепь выходного фильтра.

А также применение современных микросхем и компонентов SMD исполнения, можно разработать не только надежный, но и современный импульсный источник питания, подходящий по всем необходимым параметрам для роботезированного или автоматизированного агропромышленного комплекса.

Заключение.

Импульсные источники питания, с каждым днем, находят все большую сферу применения, а из-за их неприхотливости к окружающей среде и возможностью использования компаунда, дают им возможность применяться в открытом виде на многих участках производства, как с агрессивной средой, так и с высокими показателями защиты, можно сделать вывод о том, что схемотехнические решения при разработке преобразователя напряжения должны учитывать следующие факторы: диапазон входного и выходного напряжения, изменения температуры окружающей среды, средние и пиковые показатели нагрузки. Повышение КПД устройства с 89% о 94% возможно за счет полноценного и расширенного расчета применяемых компонентов токозадающей цепи и их последующее применение в схеме, а также наличие встроенных фильтров помехоподавления и электромагнитной совместимости в устройстве.