Разработка системы резервного электропитания (стр. 3 из 8)
Расчет схемы блоков компараторов
Исходя из описания работы функциональной схемысистемы резервного электропитания , выходное напряжение компараторов должно изменяться в пределах от 0 В до +5 В. Данным условиям соответствует сдвоенный операционный усилитель с внутренней частотной коррекцией и защитой входа от перегрузок 140УД20А, предназначенный для использования в активных фильтрах, сумматорах, компараторах мультивибраторах и т.д., [ 1,81].
Параметры усилителя при Т = 25 ˚С приведены в таблице
Параметры ОУ 140УД20А при Uип = ±15 В
| U ип1,В | U ип2,В | U ип.min,В | Vвых,В/мкс | Uвых, В | Rнmin, кОм | I пот, mA | I вх, нA | Uсм, mВ | Δ Uсм/ΔТ, мкВ/град | КU |
| +15±1,5 | –15±1,5 | ±5 | 2,5 | >0.3 | 2 | ≤ 2,8 | ≤ 200 | ±5 | ±2 | ≥ 50000 |
Микросхема позволяет применять однополярное питание [ 1,81] и согласно таблицы 3.1 позволяет иметь питание Uип = +5 В.
Назначение выводов и использование микросхемы с однополярным питанием имеет вид в соответствии с рисунком 1.3.1.4.
Рис.1.3.1.4. Назначение выводов ОУ 140УД20А
Компаратор 1 -сравниваетнапряжение на выходе выпрямителя с напряжение с выхода аккумулятора в аварийном режиме. Если напряжение на выходе выпрямителя меньше, то напряжение на выходе компаратора равно 0 В, что соответствует низкому уровню сигнала (лог.0) для блока управления.
На неинвертирующий вход DA1.1 подается напряжение с выхода выпрямителя VD5-VD8 через делитель R1, R2, R3 с коэффициентом деления обеспечивающим напряжение +5 В. Исходя из параметров ОУ и выпрямленного напряжения + 29 В выбираем сопротивления из ряда Е24 R1=47 кОм, R3=5.1 кОм. Сопротивление R2=10 кОм переменное и обеспечивает плавную подстройку напряжения срабатывания компаратора.
Напряжение на неинвертирующем входе определяется выражением
где R2* - регулируемая часть сопротивления R2, кОм.
На инвертирующий вход DA1.1 подается напряжение от источника питания +5 В через делитель R4, R5 с коэффициентом деления меньше единицы. Исходя из параметров ОУ , выбираем сопротивления из ряда Е24 R5=91 кОм, R4=10 кОм.
Напряжение на инвертирующем входе равно
Выбираем резистор:
R1 – МЛТ - 0.125- 47 кОм ±5%;
R2 – СП-2-2а - 0.5 - 10 кОм ±10%;
R3 – МЛТ- 0.125 - 5.1 кОм ±5%;
R4 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%;
R5 - МЛТ - 0.125- 91 кОм ±5%;
6 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%.
Компаратор 2- сравниваетнапряжение с выхода аккумулятора с опорным напряжением Uоп2 в аварийном режиме. Если напряжение на выходе аккумулятора меньше, то напряжение на выходе компаратора равно 0 В, что соответствует низкому уровню сигнала (лог.0) для блока управления
На неинвертирующий вход DA1.2 подается напряжение + 24В с выхода аккумулятора через делитель R18, R19, R20 с коэффициентом деления обеспечивающим напряжение +5 В. Расчет делителя аналогичен расчету напряжения инвертирующего входа компаратора 1. Сопротивление R19 позволяет точно установить напряжение разряженного аккумулятора.
На инвертирующий вход DA1.2 подается напряжение от источника питания +5 В через делитель R21, R22 с коэффициентом деления меньше единицы. Данное напряжение будет являться Uоп2. Расчет делителя аналогичен расчету напряжения инвертирующего входа компаратора 1.
Выбираем резистор:
R18 – МЛТ - 0.125- 47 кОм ±5%;
R19 – СП-2-2а - 0.5 - 10 кОм ±10%;
R20 – МЛТ- 0.125 - 5.1 кОм ±5%;
R21 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%;
R22 - МЛТ - 0.125- 91 кОм ±5%;
R23 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%.
Рис.1.3.1.5. Схема подключения компаратора 2
Емкость C3 предназначена для сглаживания пульсаций напряжения от аккумулятора. Выбираем конденсатор:С3 – К-50-31- 40 В- 4700 мкФ ±20%.
Компаратор 3- сравниваетпониженное напряжение с выхода инвертора опорным напряжением Uоп3 в аварийном режиме. Если напряжение на выходе инвертора меньше, то напряжение на выходе компаратора равно 0 В, что соответствует низкому уровню сигнала (лог.0) для блока управления.
На неинвертирующий вход DA2.1 подается напряжение с выхода выпрямителя инвертора VD9-VD12 через делитель R24, R25, R26 с коэффициентом деления обеспечивающим напряжение +5 В.
Согласно расчетов действующее значение напряжения на входе выпрямителя VD9-VD12 равно U2=10 В.Так как был произведен выбор диодов мостового выпрямителя при напряжении U2=23.8 В, то диоды выбираем по данным предыдущего расчета.
Выбираем диоды, исходя их условия:
Uобр max (диода) > Uобр max = 45.53 В;
Iср. пр(диода) > Iср. пр = 1.5 А;
Iпр max(диода) > Iпр max = 4.71 А.
В качестве диодов VD9 ÷ VD12 выбираем диод типа КД213А имеющего параметры: Uобр max (диода) =200 В, Iср. пр(диода) =1.5 А, Iпр max(диода) =10 А, Uпр (диода)= 1В, частотный рабочий диапазон равен 50 кГц. Постоянная составляющая на выходе мостового выпрямителя равна
U2/U0=1.11,
U0=U2/1.11=10/1.11=9 В.
Расчет делителя аналогичен расчету напряжения инвертирующего входа компаратора 1. Сопротивление R25 обеспечивает плавную подстройку напряжения срабатывания компаратора.
На инвертирующий вход DA2.21 подается напряжение от источника питания +5 В через делитель R27, R28 с коэффициентом деления меньше единицы. Данное напряжение будет являться Uоп3. Расчет делителя аналогичен расчету напряжения инвертирующего входа компаратора 1.
Выбираем резистор:
R24 – МЛТ - 0.125- 47 кОм ±5%;
R25 – СП-2-2а - 0.5 - 10 кОм ±10%;
R26 – МЛТ- 0.125 - 5.1 кОм ±5%;
R27 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%;
R28 - МЛТ - 0.125- 91 кОм ±5%;
R29 – МЛТ- 0.125 - 10 кОм ±5%.
Емкость C34 предназначена для сглаживания пульсаций напряжения от выпрямителя инвертора. Выбираем конденсатор: С4 – К-50-31- 40 В- 4700 мкФ ±20%.
Расчет схемы блока управления, ключей, индикации
В качестве устройства управления используем однокристальный микроконтроллер семейства МК51 К1816ВЕ751.
Прибор выполнен на основе однокристального микроконтроллера К1816ВЕ751, работающего с внутренней памятью программ, что обеспечивается подачей высокого уровня напряжения на вывод
( =1). Для генерации тактовой частоты fCLK микроконтроллера к выводам XTAL1 и XTAL2 подключен кварцевый резонатор ZQ1 на частоту 4.8 МГц. Конденсаторы С2, С3 обеспечивают надежный запуск внутреннего генератора МК при включении питания. Цепочка С1, R1 служит для начальной установки (сброса) МК при подачи электропитания. Конденсатор С4 служит для фильтрации импульсных помех, возникающих на выводах источника питания при работе цифровых микросхем. 
Рис.1.3.1.6. Схема электрическая принципиальная блока управления ключами и светодиодной индикации
Приведенные параметры являются типовой схемой подключения и расчету не подлежат.
Выбираем резисторы и конденсаторы:
R30 – МЛТ - 0.125- 8.2 кОм ±5%;
C5, C6 – КТ4-21-100 В – 20 пФ±20%;
C7 - К-50-31- 40 В- 10 мкФ ±20%;
C8 – К-53-1- 30 В- 0.1 мкФ ±20%;
Расчет ключей. Ключи обеспечивает коммутацию сети и нагрузки в нормальном и аварийном режиме. Таким образом, они должны обеспечивать коммутацию напряжения и тока:
Uком = 220 В, Iком =400/220= 1.8 А.
Выбираем исходя из этих параметров в качестве ключей двухконтактное реле РЭС-22 типа РФ 4.500.130.
Электрическая принципиальная схема реле имеет ви.
Рис.1.3.1.7 Электрическая принципиальная схема реле РЭС-22
Параметры реле типа РФ 4.500.130:
- параметры катушки управления Rобм=2500 Ом, Iсраб=10.5 мА, Iотп=2.5 мА;
- параметры силовых контактов Uком = 220 В, Iком =0.5 А.
При расчете ток коммутации Iком =400/220= 1.8 А. Так как срабатывание реле происходит при токе Iсраб=10.5 мА, а максимальный выходной ток линии порта Р3 не превышает 1,6 мA, то для управления реле применяем транзисторный ключ VT7, VT8.
Выбираем транзистор типа КТ502А с параметрами:
Iкmax=150 мА; Uкэmax= 25 В; Uкэнас= 0,6 В; Pкmax = 350 мВт; β= 120.
Максимально необходимый ток базы:
Рис.1.3.1.8 Схема соединения линий коммутации реле РЭС-22
Отпиранием электрического ключа управляет низкий уровень (логический 0) на выводе Р3.3 и Р3.4. Используя справочные данные [10] на микроконтроллер К1816ВЕ751, проверяем возможность управления транзистором VT7, VT8 от МК:
I0выхР3imax =1,6 Ма> IБVT7,8max = 0.09 Ма.
Задаваясь током управления I0вых Р3i=1 Ма (с целью надежного насыщения транзистора), рассчитаем номинал токоограничительного резистора R31, R32:
Выбираем номинал R31, R32 равным 4,3 кОм. Номинал резисторов R33, R34, служащих для более надежного отпирания и запирания транзисторов выбираем равным также 4,3 кОм.
Выбираем резисторы и конденсаторы: R31, R32, R33, R34 – МЛТ – 0.125- 4.3 кОм ±5%.
Расчет индикации. Светодиодная индикацию обеспечивает три режима работы - “Аварийный режим”, “Аккумулятор разряжен”, “Смените источник питания”. В качестве индикаторов VD13, VD14, VD15 применяем светодиоды типа АЛ336Б. Параметры светодиодов: Uпр=2.0 В, Iпр=10 мА. Диоды подключены к МК через мощные инверторы с открытым коллектором DD2.1, DD2.2, DD2.3 (микросхема К155ЛН5). Это объясняется тем, что максимальный выходной ток линии порта Р3 не превышает 1,6 мA [10], а для нормального свечения светодиода необходимо задать через него ток 10 мA . Инвертор микросхемы К155ЛН5 обеспечивает: I0вых=40 мА при U0вых=0.7 В, I1пот=48 мА [2].