Аннотация 2
Введение 5
1 Состояние вопроса 8
1.1 Анализ рынка и существующих решений 8
1.2 Анализ схемотехнических решений источников питания на микроконтроллере 12
1.3 Анализ способов регулирования выходного тока и напряжения с применением микроконтроллера 20
2 Разработка схемы источника питания на микроконтроллере 24
2.1 Разработка и расчет электрической схемы устройства 24
2.2 Выбор силового транзистора 28
2.3 Расчет индуктивности 31
2.4 Выбор выходного конденсатора 32
2.5 Выбор диода 34
2.6 Расчет усилителя шунта 36
2.7 Расчет и выбор остальных элементов 37
3 Разработка управляющей программы для микроконтроллера и разработка программного обеспечения для компьютера 40
3.1 Разработка управляющей программы 40
3.2 Разработка программного обеспечения для управления источником питания 49
4 Разработка печатной платы 52
5 Разработка и моделирование корпуса устройства 54
Заключение 57
Список используемой литературы 58
Приложение А 61
В связи с развитием микроэлектроники появилась необходимость в более совершенных источниках питания, которые могли бы точнее и эффективнее регулировать свои выходные параметры, а также адаптироваться под нагрузку. Немаловажным аспектом становится КПД источника питания. С развитием мощных и недорогих транзисторов и интегральных схем импульсные источники питания получают все более широкое распространение благодаря своему высокому КПД при сравнительно небольших массогабаритных показателях по сравнению с их линейными аналогами.
Кроме того, импульсные источники менее требовательны к качеству входного напряжения и обладают высоким коэффициентом стабилизации.
В качестве регулируемых источников питания для относительно высоких мощностей импульсные источники имеют безусловное преимущество перед линейными источниками из-за своего высокого КПД. Высокий уровень КПД достигается благодаря особому принципу регулирования, а именно изменению скважности управляющих импульсов. При этом силовой транзистор работает в ключевом режиме, и его нагрев в большей степени связан с потерями на коммутации, а не с рассеиванием «излишней» мощности на своем корпусе, как в случае с линейными источниками.
Высокий КПД в данном случае играет немаловажную роль, потому что данный источник питания может записывать данные за долгий промежуток времени. При этом электроэнергии он затратит меньше по сравнению с линейным аналогом при той же выходной мощности. Это позволит снизить расходы на электроэнергию. Кроме того, нагрев будет гораздо меньшим, по сравнению с линейными схемами, что позволит улучшить тепловой режим силовых элементов без применения массивных радиаторов и активной системы охлаждения, что в свою очередь, положительно скажется на надежности и долговечности устройства.
Применение микроконтроллера в качестве управляющего элемента позволяет сделать программируемый источник питания. Этот источник кроме стандартных регулировок тока и напряжения, присущих любым лабораторным источникам питания, имел бы функционал, который мог бы реализовать возможность сохранения ранее введенных параметров и возможность быстрого доступа к ним. Это позволило бы подключать различные виды нагрузок, притом не настраивая каждый раз источник под конкретную нагрузку, а просто считав из памяти ранее записанные параметры. Возможность хранения параметров в памяти микроконтроллера является неосновной функцией. Кроме неё, применение микроконтроллера позволило бы автоматически изменять напряжение в течение определенного промежутка времени, вести запись потребляемого тока и напряжения на нагрузке за определенный промежуток времени, а также дало бы нам возможность подключать источник питания к компьютеру.
Помимо всего этого, появляется возможность моделирования аварийных ситуаций таких как:
• Перенапряжение питающей сети
• Единичные скачки напряжения
• Нестабильность выходного напряжения
• Пониженное напряжение питающей сети
Данные функции позволяют проводить оценку надежности испытуемого устройства, подключенного в качестве нагрузки, срабатывания защиты и работоспособности. Кроме того, все данные о нагрузке будут записываться, тем самым можно будет проводить анализ поведения нагрузки за длительный промежуток времени.
Потребность в использовании источников питания с возможностью программирования функций и выходных параметров на данный момент очень актуальна. Она проявляется особенно в тех областях, где требуется контроль параметров нагрузки, а также когда источник питания применяется с различными видами нагрузок.
Также немаловажным является КПД источника питания и его стоимость, потому что промышленные образцы стоят очень дорого, а низкий КПД приведет к большему расходу электроэнергии. Причем энергия будет тратиться впустую, что естественно негативно скажется на экономической составляющей данного устройства.
Учитывая все выше сказанное, мы пришли к выводу, что разработка импульсного источника на микроконтроллере является актуальной задачей в современных реалиях.
В результате выполнения выпускной квалификационной работы был разработан импульсный источник на микроконтроллере. Для достижения цели были выполнены следующие задачи:
1. Разработка и расчет силового блока
2. Разработка управляющей программы для микроконтроллера
3. Разработка программного обеспечения для персонального компьютера
4. Разработка и проектирование печатной платы
5. Разработка корпуса
Для регулировки выходного тока и напряжения применяется принцип ШИМ регулирования. Он осуществляется ресурсами микроконтроллера, который получает на свои аналоговые входы текущее значения тока и напряжения на выходе, сравнивает с установленными и, в соответствии с заложенной программой, выполняет необходимые действия.
Ввиду применения импульсной схемотехники, удалось снизить нагрев силовых элементов, а также увеличить КПД всего устройства.
В ходе работы был реализован обмен данными между персональным компьютером и разрабатываемым устройством.
Была разработана блок-схема алгоритма управления и реализован вывод информации на LCD дисплей.
Разработанный источник питания позволяет осуществлять регулирование выходного тока и напряжения, производить регистрацию и мониторинг выходных параметров, моделировать нештатные ситуации. Также источник питания на микроконтроллере может работать в трех режимах: стабилизации тока, стабилизации напряжения, и в режиме защиты по току.
