Универсальный источник бесперебойного питания

Содержание
Введение……………………………………………………………………
1. Постановка задачи разработки универсальных источников бесперебойного питания 
1.1. Анализ условий технического задания
1.2. Обзор аналогов изделия
1.3. Выбор структурной схемы универсального источника  бесперебойного питания по международным стандартам
	– источник бесперебойного питания резервного типа (Off-Line или standby)
	– линейно-интерактивный источник бесперебойного питания (Line-Interactive)
	– источник бесперебойного питания   с двойным преобразованием напряжения (On-Line)
1.4     Составление структурной схемы универсального  источника бесперебойного питания
1.5     Описание структурной схемы…………………………………………………….
2. Расчет узлов схемы электрической принципиальной универсального источника бесперебойного питания  ............. .......
	2.1 Расчет схемы зарядного устройства
	2.2 Расчет схемы импульсного стабилизатора напряжения……………………………
    2.3 Возможности  использование программы управления источника бесперебойного питания для мониторинга  параметров электропитания и состояния……………………
3. Обеспечение условий эксплуатации   универсального источника бесперебойного питания  ...............................................................
3.1. Тепловой расчет узлов универсального источника бесперебойного питания ……….
Выводы
Список литературы












Введение

      В настоящее время идет процесс увеличения потребности в высокоскоростных центрах обработки данных, в  системах телекоммуникационной связи и применении систем с непрерывным рабочим режимом. Рост потребностей в таком оборудовании приводит к повышению требований к   источникам бесперебойного питания (ИБП).
     Исто?чник бесперебо?йного пита?ния, (ИБП) (англ. Uninterruptible Power Supply, UPS) — источник вторичного электропитания, автоматическое устройство, назначение которого — обеспечить подключенное к нему электрооборудование бесперебойным снабжением электрической энергией в пределах нормы, допустим  при аварии или от недопустимо высокого отклонения параметров напряжения сети от номинальных значений. ИБП использует для аварийного питания энергию аккумуляторных батарей. 
     Несмотря  на то, что при генерации электроэнергии, напряжение имеет характеристики соответствующие стандартам, в тот момент, когда электропитание достигает потребителя, его качество далеко от идеального. Большинство типов помех  недопустимо, например, значительные провалы напряжения и колебания частоты, что может привести к повреждениям оборудования. При этом финансовые последствия могут быть существенными, влияя не только на текущую работу, но и на показатели предприятия, которое понесет существенные  убытки.
     Одним из основных требований к  современным ИБП является снижение потребляемой мощности  за счет применение новых технологий. Кроме того современные потребители ИБП предъявляют  все новые требования к их  характеристикам. 
     
     
     
     Особое внимание источникам питания, стали уделять при эксплуатации сложных цифровых устройств (персональный  компьютер или другая микропроцессорная техники), когда  возникает потребность в непрерывном и  качественном питании. Кроме того прерывание напряжения для ряда  устройств  может привести к непоправимым последствиям. Например  медицинские системы жизнеобеспечения нуждаются  в постоянной работе комплекса устройств, и требования к их питанию очень строги; системы банковской защиты и охранные системы; системы экстренной связи и передачи информации.
       Существуют кампании, которые специализируются на промышленном выпуске многочисленных   источников бесперебойного питания и потребитель имеет возможность выбрать тот, который ему больше всего подходит. Однако при наличии в  эксплуатации разнообразной электронной аппаратуры возникает потребность в универсальных ИБП, который обладает  показателями качества не ниже существующих (низкая потребляемая мощность, высокий уровень КПД, более устойчивое к внешним факторам ) и  позволяет применять их для всех видов техники. 
      В данной работе рассматривается задача разработка источника бесперебойного  питания (ИБП) на базе серийно выпускаемых ИБП типа back office фирмы ippon. Такой ИБП можно условно назвать универсальным источником бесперебойного питания (УИБП), так как  он  может использоваться в любой аппаратуре мощностью до 600 Вт, начиная с  персонального компьютера и заканчивая медицинской аппаратурой. 
     Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:
1)Расчет схемы зарядного устройства
2)Расчет схемы импульсного стабилизатора напряжения
3)Расчет входного и выходного фильтров
4)Тепловой расчет


1.Постановка задачи разработки универсальных источников бесперебойного питания

1.1. Анализ условий  технического задания.

         При модернизации универсального источника бесперебойного питания требуется обеспечить следующие характеристики  ( Таблица 1)
                                                                                                   Таблица 1.1.1
Выходная мощность (Вт)
600
Габаритные размеры (мм)
380*480*70
Масса (кг)
15
Номинальное  выходное напряжение (В)
220-240
Возможный диапазон входного напряжения (В)
165-274
Рабочая частота (Гц)
50/60
Номинальное входное напряжение (В)
220-240
КПД (%)
97
Индикация параметров
Светодиоды
Коммуникационный порт
RS232
Рабочий диапазон температур
0 – 50 С0
Шум (дБ)
Не больше 40
Время работы при максимальной нагрузке (мин.)
10







      Для повышения надежности блока, при его модернизации, предлагается: 
     - обеспечить легкие электрические, тепловые рабочие режимы деталей и материалов конструкции, их правильный выбор;
     - обеспечить надежную защиту от внешних и внутренних дестабилизирующих факторов (для обеспечения заданных климатических и механических требований рекомендуется применять элементную базу и материалы, учитывающие предельные внешние воздействия, негативно влияющие на работоспособность изделия) ;
     -   широко использовать интегральные микросхемы или по другому микроэлектронное устройство (далее ИМС);
     - обеспечить пригодность к ремонту отдельных частей ИБП, используя функционально-узловой метод конструирования. 
     Кроме того ставятся задачи: 
- снизить стоимость;
-  снизить массу и габариты;
-  увеличить коэффициент полезного действия блока питания;
-увеличить  срок действия аккумуляторной батареи;
     
     
     
     
     







       1.2 Анализ характеристик  аналогов универсального источника бесперебойного питания.
         Одним из аналогов нашего изделия являются ИБП back office 1000 и back office 600  производства фирмы ippon, предназначенных для питания ЭВМ, ПК . Они устанавливаются  в серверную стойку и имеют выходную мощность 1000Вт. Параметры зарубежных и отечественного аналогов ИБП приведены в таблице 1.2 и 1.3.
         

                                                                                                            Таблица 1.2.1
Параметры
ИБП back office 1000
ИБП back office 600
Выходная мощность (ВА/Вт)
1000/800
1000/770
Габаритные размеры (мм)
442*454*89
460*470*50
Масса (кг)
23
18
Номинальное  выходное напряжение (В)
220-240
220-240
Возможный диапазон входного напряжения (В)
165-274
172-248
Рабочая частота (Гц)
50/60
50/60
Номинальное входное напряжение (В)
220-240
220-240
КПД (%)
94
89
Индикация параметров
Светодиоды
Светодиоды
Коммуникационный порт
RS232
RS-232
Рабочий диапазон температур
0 – 50 С0
0-45 С0
Шум (дБ)
Не больше 50
Не больше 45
Время работы при максимальной нагрузке (мин.)
10
8






Таблица 1.2.2
Параметры
 ИБП БКЮС.434732.503 ТУ 
Выходная мощность (ВА/Вт)
1000/700
Габаритные размеры (мм)
452*490*95
Масса (кг)
25
Номинальное  выходное напряжение (В)
220-240
Возможный диапазон входного напряжения (В)
165-274
Рабочая частота (Гц)
50/60
Номинальное входное напряжение (В)
220-240
КПД (%)
90
Индикация параметров
Светодиоды
Коммуникационный порт
RS112
Рабочий диапазон температур
0 – 45 С0
Шум (дБ)
Не больше 60
Время работы при максимальной нагрузке (мин.)
8

      Приведенные зарубежные ИБП обладают хорошими параметрами , но имеют высокую стоимость. Отечественные сильно уступают по своим параметрам зарубежным ИБП.  Следовательно, при разработке УИБП возникает необходимость в снижении стоимости за счет более дешевых элементов структурной схемы, повышение надежности при параметрах не ниже приведенных зарубежных аналогов дешевых и надежных ИБП.   
      
      
      
      
      
      
      
      
      
1.3 Выбор структурной схемы универсального источника бесперебойного питания по международным стандартам.

	Рассмотрим несколько основных типов построения структурных схем ИБП:
1. ИБП резервного типа (Off-Line) .
2. Линейно-интерактивный ИБП (Line-Interactive).
3. ИБП с двойным преобразованием напряжения (On-Line).



На рис. 1.3.1 приведена структурная схема ИБП резервного типа (Off-Line или standby)



Рис. 1.3.1 Структурная схема ИБП типа Off-Line.

     	ИБП, выполнен по схеме с коммутирующим устройством, которое в нормальном режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней электросети, а при  аварийном режиме  переключает ее на питание от аккумуляторных батарей. Преимуществом данного  ИБП резервного типа заключается в  его простоте и невысокой стоимости, а недостатком – ненулевое время переключения (приблизительно
      4 мс) на питание от аккумуляторов и более интенсивная их эксплуатация, так как  ИБП переводится в аварийный режим при любых неисправностях в электросети.
     ИБП резервного типа имеет небольшую мощность и используется для обеспечения гарантированного электропитания отдельных устройств в регионах с хорошим качеством электросети.
       
    На рис. 1.3.2 приведена структурная схема линейно-интерактивный (Line-Interactive) .

     ИБП  исполненный за схемой с коммутирующим устройством (Off-Line), дополненный стабилизатором входного напряжения на основе автотрансформатора с переключающимися обмотками.


Рис. 1.3.2 Структурная схема ИБП типа Line-Interactive.

     Основное достоинство  линейно-интерактивного ИБП по сравнению с ИБП типа Off-Line заключается в том, что он способен обеспечить нормальное питание нагрузки при повышенном или пониженном напряжении электросети без перехода в аварийный режим. В результате повышается срок службы аккумуляторных батарей. Недостатком ИБП типа
Line-Interactive является ненулевое время переключения (примерно 4 мс) нагрузки на питание от батарей.

     По эффективности ИБП типа Line-Interactive располагаются  между простыми и относительно дешевыми резервными источниками (Off-Line) и высокоэффективными, но и более дорогими источниками  ИБП типа On-Line. Линейно-интерактивные ИБП используют для обеспечения гарантированного питания персональных компьютеров, узлов локальных вычислительных сетей и офисного оборудования. Механизм автоматической регулировки напряжения выполнен на основе автотрансформатора с переключающимися обмотками. Используются в ИБП, выполненных  по линейно-интерактивной схеме, для ступенчатой корректировки входного напряжения в сторону его увеличения. Количество  обмоток регулятора определяет диапазон входных напряжений, при которых ИБП обеспечивает нормальное питание нагрузки без перехода в аварийный режим работы. В ИБП тип Line-Interactive диапазон допустимого изменения входного напряжения составляет от -25% к +25% от номинального значения 220 В.

              На рис. 1.3.3 приведена структурная схема ИБП  с двойным преобразованием напряжения (On-Line)

	ИБП в котором входное переменное напряжение сначала преобразуется выпрямителем в постоянную, а после при помощи инвертора опять в переменную – является источником с двойным преобразованием напряжения (или энергии) (On-Line). Аккумуляторная батарея все время подключена к выходу выпрямителя и ко входу инвертора, питающая инвертор в аварийном режиме.

Рис. 1.3.3Структурная схема  ИБП типа On-Line.

       	Данная схема построения ИБП позволяет обеспечить относительно идеальное питание нагрузки при любых неполадках в сети и характеризуется нулевым временем переключения в аварийный режим без переходных процессов на выходе устройства.
	ИБП типа  on-line следует отнести: 
1. Цена ИБП on-line значительно выше, чем на ИБП stand-by и line-interactive. 
2. Инвертор и аккумуляторная батарея включены постоянно, даже когда качество электропитания не имеет проблем. В результате чего система двойного преобразования постоянно рассеивает в виде тепла 20-30% полезной электроэнергии. КПД ИБП типа  on-line составляет 70-80%, в то время, как ИБП типа Off-Line  имеют КПД 97%. 
3. Тепло, выделяемое инвертором негативно влияет на срок службы аккумуляторной батареи. Постоянная работа вызывает преждевременный износ и старение узлов ИБП, а так же саму батарею.
 
     	ИБП типа On-Line используют в случаях, когда имеются повышенные требования к качеству электропитания нагрузки, допустим быть в роли узлов локальных вычислительных сетей, т.е. сетевое оборудование, файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры.
      По схеме с двойным преобразованием (On-Line) построены, например, модели Monolith 1000-3000RT компании INELT, оснащеная плавным стабилизатором входного напряжения, благодаря чему  диапазон допустимых значений входного напряжения, при которых источник не переходит на питание от батарей, составляет  от 178 до  288 Вольт.
	В таких схемах присутствует режим Bypass — это режим питания нагрузки сетевым напряжением в обход основной схемы системы бесперебойного питания. Например, в обход ИБП, стабилизатора. Чаще всего  байпасом называют саму обходную защитную линию или  цепь(Рис. 1.3.4).
Переход устройства в режим байпас может осуществляться автоматически или вручную. ИБП типа  On-Line автоматически переходят в режим байпас при перегрузке выходных цепей или при неисправности самого ИБП. Ручной перевод устройства в режим байпас предусмотрен на случай проведения его технического обслуживания без отключения нагрузки.


Рис. 1.3.4 режим Bypass
       За базовую схему примем  ИБП типа Off-Line которая является более простой и дешевой, при сравнительной удовлетворяющих нам параметры. Усовершенствованные узлы функциональной схемы и характеристики позволят нам  получить более востребованное и конкурентно-способное изделие с лучшими параметрами эксплуатации и меньшей ценой, чем его  аналоги.
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
1.4 Составление структурной схемы универсального  источника бесперебойного питания.

     	Структурная схема УИБП представлена в графической части ВКР  на листе…………………..
	Данный УИБП предназначен для обеспечения непрерывного питания разнообразных устройств (персональных компьютеров, медицинской аппаратуры  и др.) стабилизированным напряжением 220В, 50Гц. Точнее, система предназначена для питания устройств, имеющие  импульсные источники питания, позволяющий  смягчить требования относительно разработки нашего прибора, так как импульсные источники питания способны работать в сети с отклонениями напряжения ± 20%  от номинального значения. Еще одним преимуществом является способность их работы от сети, которая имеет не синусоидальную форму напряжения (аппроксимированная синусоида, квази синусоида).
	Основные блоки входящие  в состав устройства:
1. Устройство коммутаций.
2. Сетевой фильтр.
3. Зарядное устройство.
4. Аккумуляторная батарея.
5. Преобразователь переменного напряжения в постоянное.
6. Стабилизатор постоянного напряжения.
7. Преобразователь постоянного напряжения в переменное.
8. Устройство коммутаций байпас.
9. Датчик тока.
10.  Исходный фильтр.
11.  Датчик температуры.
12.  Интерфейс.
13.  Устройство индикации.
14. Устройство управления работой ИБП.   

	Для обеспечения работы и нормального функционирования  всех частей УИБП, необходимо звено, которое осуществляло бы связь между всеми этими блоками. Можно привести  несколько примеров таких схем:
1. Аналоговые системы, операции регулирования осуществляющиеся  путем сравнения, усиления и преобразования аналоговых сигналов. Погрешность  параметров в данной системе сильно зависит от параметров активных и пассивных элементов схемы. Такие системы используются  в недорогих устройствах.
2. Цифровые системы, операции управления выполняются над цифровыми величинами, полученными из аналоговых сигналов через оцифровку аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Точность данных систем намного выше за счет использования математического аппарата вычисления.
3. Комбинируемые, операции управления и регуляции, выполняются либо аналоговыми, либо цифровыми устройствами.
   В данной работе  система управления работой УИБП построена на микроконтроллере ATTiny26. Он высокопродуктивный контролер с функциями многоканального аналого-цифрового преобразователя. Ввод и вывод информации в микроконтроллер (МК) может выполняться как в аналоговом, так и в цифровом виде. Использование новейших разработок, которые содержатся в  составе МК, позволяет  упростить данную схему. Микроконтроллер управляет работой, как схемы управления так и работой всего устройства.
   	Схема управления осуществляет роль интерфейса ИБП, подавая определенную  команду включения на устройство коммутаций, осуществляет управление переключения нагрузки на питание от сети или от аккумуляторных батарей, следит за напряжением на аккумуляторных батареях (АБ). Если напряжение на АБ становится меньше 10,3 В, то включается  аварийное отключение УИБП. Аварийное отключение включается также, когда температура окружающей среды выходит за пределы допустимой. Для измерения окружающей температуры используется температурный датчик. На устройство управления работой УИБП поступает информация о  величинах напряжения в сети. Обрабатывая данную информацию МК производит определенные сигналы управления для других узлов, составляющих блок.
	Для измерения выходной мощности применяют датчик тока. Если через датчик  протекает ток больше допустимого, схема управления отключает нагрузку. Это обеспечивает защиту от выхода из строя устройства преобразования постоянного напряжения в переменную.
	Особенно большое внимание в нашем УИБП имеет наличие связи с ПК. Это позволяет администратору следить за состоянием  сети и всей работы УИБП. В данном УИБП используется стандартный интерфейс связи МК и ПК – RS-232. Это позволяет осуществлять дистанционный мониторинг УИБП и безопасное завершение работы ПК при аварии или долговременном отсутствии напряжения в сети.
	Входное напряжение 220В, 50Гц поступает через устройство коммутации и сетевой фильтр на зарядное устройство и байпас.
     Сетевой фильтр необходим для предотвращения попадания помех в сеть, которые возникают при работе УИБП.
     Зарядное устройство обеспечивает зарядку АБ при наличии напряжения в сети, обеспечивая постоянную готовность к работе УИБП в автономном режиме. Величина напряжения заряда постоянно контролирует МК , в нашем случае ATTiny26. Это позволит правильно эксплуатировать батарею. 
     
     
     
     
     Большая выходная мощность зарядного устройства дает “плюс” при работе УИБП со значительно заниженным входным напряжением устройства (диапазон от 95 до 190 Вольт). При данном входном напряжении часть выходной мощности УИБП обеспечивается работой зарядного устройства, что определенно продлевает работу нагрузки в случаях неисправности электросети.
     Преобразователь переменного напряжения в постоянное осуществляет роль преобразователя переменного напряжения 220В в постоянное 200В. Данное устройство выполнено по схеме импульсного преобразователя с широтно-импульсным модулятором (ШИМ), который управляет средним значением напряжения на нагрузке. Напряжение на его выходе постоянно, но не стабилизировано, то есть данный УИБП зависит от изменения входного напряжения. Для стабилизации используется стабилизатор постоянного напряжения. Стабилизатор выполнен по схеме однотактного импульсного повышающего стабилизатора. Напряжение на аккумуляторе меняется в пределах 10,2...13,4 В, а выходное УИБП должно оставаться стабильным.
     Преобразователь постоянного напряжения в переменное осуществляет формирование выходного стабилизированного напряжения 220В, 50Гц. Управление и синхронизацию данного устройства с сетью осуществляет устройство управления УИБП.
     Выходной фильтр играет роль  фильтра электромагнитных помех и предотвращению их попадания в нагрузку.
     
     
     
     
     
     
     

       1.5. Описание структурной схемы.
     
    Схема структурная представлена в графической части дипломного проекта  на листе РТ01.430127.001Э1.
    Соответственно структурной схеме, универсальной источник бесперебойного питания состоит из нескольких функциональных узлов. Рассмотрим каждый из них отдельно.
    
   Конструктивное исполнение и логика работы порта удаленного управления


           УИБП  обладает  интерфейсом для удаленного контроля и управления. С помощью специального кабеля его можно подключить к порту RS-232  персонального компьютера. Интерфейс работает в dumb-mode и обеспечивает лишь три необходимых для управления УИБП сигнальных линии. Для обеспечения безопасного сопряжения устройств порт выполнен гальванически развязанным от всей остальной схемы УИБП . Развязка осуществлена за счет использования трех транзисторных оптронов типа 4N35 (Z1-Z3), Как показано на рис. 1.5.1





                                                                     Рис. 1.5.1




        Сигнал высокого уровня на выводе J1.4 возникают сразу после включения УИБП. Уровень на выводе J1.5 анализируется только во время работы  УИБП от аккумуляторных  батарей. Выводы J1.1 и J1.3 замыкаются на землю автоматикой при возникновении соответствующего события. На вывод J1.2 подается постоянное питание.
         Для подключения такого порта к стандартному порту RS-232 требуется специальный кабель. Внутри  одного из разъемов такого кабеля необходимо смонтировать два резистора. Эти резисторы обеспечивают подтяжку двух контролируемых линий к высокому уровню. При открытии фототранзистора оптопары, он замыкает сигнальную  линию на землю, опуская этим уровень контролируемой линии.
          Таким образом две контролируемые линии (AC Fail И Battery Low) работают с инверсией, а одна из линий порта RS-232 Используется в качестве питания и должна быть поднята программным обеспечением на протяжении всего моноторинга УИБП. В нашем случае используем программу «Управление ИБП 2.1.1.1»
         В качестве сигнальных линий можно взять CTS И DCD, а для питания подтягивающих резисторов - DTR. Если при этом линия RTS будет использоваться  для передачи сигнала «Shutdown now», то можно воспользоваться приведенным на рисунке кабелем.
    

Зарядное устройство

    Зарядное устройство выполнено по однотактной поворотно-ходовой схеме преобразования энергии. 
    Управляющей микросхемой являются IMS UC3842 фирмы Fairchild. Структурная  схема IMS UC3842 приведена на рис. 1.5.2. 
    
    
    
      
    Рис. 1.5.2
    На рис. 1.5.3 представлена расположение выводов микросхемы IMS UC3842.
    
    Рис. 1.5.3
    1. Comp:(рус. Коррекция) выход усилителя ошибки.  Для нормальной работы ШИМ–контроллера необходимо скомпенсировать АЧХ усилителя ошибки, с этой целью к указанному выводу обычно подключается конденсатор емкостью около 100 пФ, второй вывод которого соединен с выводом 2 ИС. Если на этом выводе напряжение занизить ниже 1вольта, то на выходе 6 микросхемы будет уменьшаться длительность импульсов, тем самым уменьшая мощность данного ШИМ–контроллера.

    
    
      2. Vfb: (рус. Напряжение обратной связи) вход обратной связи. Напряжение на этом выводе сравнивается с образцовым, формируемым внутри ШИМ–контроллера UC3842. Результат сравнения модулирует скважность выходных импульсов, в результате выходное напряжение блока питания стабилизируется. Формально второй вывод служит для сокращения длительности импульсов на выходе, если на него подать выше +2,5 вольта, то импульсы сократятся и микросхема снизит выдаваемую мощность.   

    3. C/S: (второе  обозначение I sense) (рус. Токовая обратная связь) сигнал ограничения тока. Данный вывод должен быть присоединен к резистору в цепи истока ключевого транзистора . В момент перегрузки МОП транзистора напряжение на сопротивлении увеличивается и при достижении определённого порога UC3842A прекращает свою работу, закрывая выходной транзистор. Проще говоря, вывод служит для отключения импульса на выходе, при подаче на него напряжения выше 1вольта.

    4. Rt/Ct: (рус. Задание частоты) подключение время задающей RC-цепочки, необходимой для установки частота внутреннего генератора. R подключается к Vref - опорное напряжение, а С к общему проводу (обычно выбирается несколько десятков nF). Эта частота может быть изменена в достаточно широких пределах, сверху она ограничивается быстродействием ключевого транзистора, а снизу - мощностью импульсного трансформатора, которая падает с уменьшением частоты. Практически частота выбирается в диапазоне 35…85 кГц, но иногда источник питания вполне нормально работает и при значительно большей или значительно меньшей частоте.

    5. Gnd: (рус. Общий) общий вывод. Общий вывод не должен быть соединён с корпусом схемы. Это земля "горячая" соединяется с корпусом устройства через пару конденсаторов.

      6. Out: (рус. Выход) выход ШИМ–контроллера, подключается к затвору ключевому транзистору через резистор или параллельно соединенные резистор и диод (анодом к затвору).

    7. Vcc: (рус. Питание) вход питания ШИМ-контроллера, на этот вывод микросхемы подаётся напряжение питания в диапазоне от 16 вольт до 34, обратите внимание, что данная микросхема имеет встроенный триггер Шмидта(UVLO), который включает микросхему, если напряжение питания превышает 16вольт, если-же напряжение по каким-либо причинам станет ниже 10 вольт, произойдёт её отключение от питающего напряжения. Микросхема также обладает защитой от перенапряжения: если напряжение питания на ней превысит 34вольта, микросхема отключится.

    8. Vref: выход внутреннего источника опорного напряжения, его выходной ток до 50 мА, напряжение 5 В. Подключается к одному из плеч делителя служит для оперативной регулировки Uвыхода всего блока питания.
    

Преобразователь постоянного напряжения

    Данный узел предназначен для преобразования постоянного напряжения 12В в постоянное напряжение 300В. Выходное напряжение данного преобразователя является нестабилизированным, при Uвх=13,8В, Uвых=300В при Uвх=10,5В, Uвых=225В.
    Поэтому, для нормальной работы УИБП нужная понижающая стабилизация Uвых.
    
    
      Данный преобразователь построен на микросхеме S63525А, функциональная схема которой приведена на Рис. 1.5.4

     
     Рис. 1.5.4
     
Принцип действия 

           Контроллер позволяет формировать функцию «мягкого старта», для реализации которой требуется только один внешний конденсатор, подключаемый к входу CSS (конденсатор CSS). Подача положительного напряжения на вывод выключения SDN позволяет выполнять две функции: 
* функция 1 — сбросив триггер ШИМ, блокировать ШИМ-сигнал и быстро перевести выходы контроллера в неактивное состояние; 
* функция 2 — начать разрядку внешнего CSS конденсатора. 
       Если команда выключения короткая, ШИМ-сигнал завершится без значительной разрядки CSS конденсатора. В этом случае можно достаточно удобно реализовать поцикловое ограничение тока. Если команда выключения имеет большую длительность, достаточную для разрядки CSS конденсатора, то следующее включение ШИМ-контроллера произойдет с замедлением,т.е. в режиме «мягкого старта». 


      Узел блокировки от понижения напряжения питания контроллера производит аналогичные с выводом SDN действия, при снижении напряжения питания контроллера ниже допустимого. В неактивном состоянии на выходах контроллера OUA и OUB присутствуют низкие уровни напряжения. В табл.1 расписана цоколевка контроллера SG3525A. 
Ножка
Обозначение
Функция
1
2
IN- IN +
Входы усилителя ошибки
з
SYN
Вход внешнего сигнала синхронизации
4
osc
Выход тактового сигнала внутреннего генератора, используем для синхронизации ведомых контроллеров
5
б
ст
RT
Выводы подключения конденсатора Ct и резистора Rt, задающих рабочую частоту генератора контроллера
7
DIS
Вывод подключения резистора, программирующего длительность «мертвого времени»
8
css
Вывод подключения конденсатора "мягкого старта"
9
CPS
Выход усилителя ошибки
10
SDN
Вывод выключения  контроллера,  с. последующим  циклом "мягкого старта"
11
OUA
Выход А-контроллера
12
GND
Общий вывод питания контроллера
13
vc
Отдельный.вывод питания выходных каскадов контроллера
14
OUB
Выход В-контроллера
15
vcc
Вывод питания контроллера
16
VRF
Выход источника опорного напряжения + 51В контроллера

                            Таблица 1.5.1 Цоколевка контроллера SG3525A
     
             Через выводы 6-5 БУ, напряжение, пропорциональное выходному току сварочного источника COLT-1300, поступает на вход пикового детектора, который состоит из элементов VT1R12C4. 

             Постоянная по времени цепочка R12C4 гораздо больше периода следования импульсов тока, что гарантирует относительную неизменность сигнала на выходе пикового детектора в течении периода работы инвертора. 

           Напряжение с выхода пикового детектора поступает на суммирующий усилитель, собранный на элементах DA1.2R14C6. В нем оно сравнивается с напряжением, Снимаемым с движка переменного резистора R13 «Ток сварки», которое поступает в БУ через вывод 16. Управляющее, напряжение с выхода суммирующего усилителя через корректирующую цепочку R16R17C7 поступает на вход IN + ШИМ-контроллера DA2.
          Усилитель ошибки ШИМ-контроллера замкнут единичной обратной связью, а к его выходу подключена корректирующая цепочка R20C9C10. 
       Частота ШИМ-сигнала определяется частотозадающими элементами R18R19C8: резистор R18 задает время зарядки конденсатора С8 (8 мкс); резистор R19 задает время разрядки конденсатора С8 (0,8 мкс). 

            В результате, частота ШИМ-сигнала составляет около 57 КГц. 
         С выхода OUT контроллера DA2 ШИМ-сигнал через цепочку R27R28 поступает на затвор транзистора VT3 формирователя импульсов. Нагрузкой формирователя импульсов является первичная обмотка трансформатора Т1 . Цепочка VD17VD8VD9 обеспечивает размагничивание трансформатора Т1. 
     
Стоить отметить
     
         Порог срабатывания защиты транзисторов инвертора от максимального тока (около 65 А) определяется напряжением пробоя последовательной цепочки VD4VD5. В случае превышения максимального тока, напряжение с шунта R10R11 через цепочку VD4VD5, поступает на вход выключения SDN ШИМ-контроллера. 

         В результате выхода ШИМ-контроллера переводятся в неактивное состояние, и ключевые транзисторы инвертора закрываются. Многократная перегрузка транзисторов может привести к разрядке конденсатора «мягкого старта» СИ и более длительной паузе в работе ШИМ-контроллера с последующим «мягким стартом».
     
Схема байпаса
                   
	Схема байпаса необходима  для быстрого переключения нагрузки на работу от сети или на работу от аккумуляторной батареи. Переключение выполняется посредством реле, которым управляет микроконтролер. 

Конденсаторы предотвращают возникновение искры и подгорание контактов реле при переключении.
	Для обеспечения лучшей формы исходного напряжения и предотвращению попадания электромагнитных помех в нагрузку служит фильтры.

     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
2. Расчет узлов схемы электрической принципиальной универсального источника бесперебойного питания


     2.1 Расчет схемы зарядного устройства.

    За базовую схему для зарядного устройства выберем схему однотактного обратно-ходового преобразователя напряжения(Рис.2.1.1).



Рис. 2.1.1 Принципиальная схема зарядного устройства.
Преимущества и недостатки
Преимущества:
* существенно меньшие габариты и вес по сравнению с источниками питания, содержащими трансформатор на частоту 50 Гц;
* значительно меньшее использование дорогостоящих материалов (меди)
* нечувствительность обратноходового преобразователя к короткому замыканию нагрузки;
* возможность регулирования выходного напряжения в широких пределах, а также поддержание требуемого выходного напряжения в условиях изменения напряжения питающей сети;
Недостатки:
* мощность ограничена энергией, запасаемой дросселем (на практике — не более 200 Вт);
* повышенный уровень электромагнитных помех, создаваемых как в питающей сети, так и в нагрузке;
* бо?льшие по сравнению с другими импульсными преобразователями габариты при той же мощности.
* такой ИИП не работает на холостом ходу (т.е. без подключенной нагрузки)

    Это разумно тем, что нам необходима  относительно некрупная мощность Рвых.=100Вт для того, чтобы заряжать аккумуляторы. Можно учесть то что схема привлекательная простотой и дешевизной, сравнительно с такими схемами как полумостовая или прямоходная. Воспользуемся методикой расчета, представленной в [5]
    
    
    
    
    
    
    

	Данные для расчетов 	Таблица 2.1.1                                                                         
Параметры
Обозначения
Значение
Минимальная  вх. напряжения

90В
Максимальная вх. напряжение

280В
Частота сети

50Гц
Максимальна вых. мощность

110 Вт
Минимальна вых. мощность

2Вт
Выходное напряжение

14В
Пульсации выходного напряжения

0,04В
Напряжение первичной обмотки

105В
Прогнозируемый КПД

0,86
Пульсации вх. постоянного напряжения

10В
Напряжение питания ИМС

13В
Количество оптопар

1

Определим  характеристики входного диодного моста и конденсатора.

Входная мощность:
 ;

Определим  максимальное значение тока, проходящего через диодный мост :

 ;


Определим  максимальное значение напряжения на диодном мосте:

 ;


Определим  параметры входного конденсатора C:
 ;

, 

	где: VDCminPK минимальное амплитудное значение входного напряжения, VDCmin минимальное значение входного напряжения с учетом пульсаций.



Определим  время разряда конденсатора C за одну вторую  периода:
 ;

Найдем мощность, которую берем из конденсатора за время разряда:

 ;

Определим  минимальное значение емкости C:
 ;

Расчет трансформатора 

Определим максимальный ток, который идет  через первичную обмотку трансформатора T:
, 


где Dmax=0,5, скважность импульсов на первичной обмотке. 
Просчитаем максимальный ток через демпферный диод :
;

	Найдем  начальную индуктивность первичной обмотки при максимальном цикле:

;

	Подберем  тип сердечника трансформатора из прайс листа  продукции фирмы Epcos. Выбираем сердечник E3221612.

Параметры сердечника.                                                                    Таблица 2.1.2
Параметр
Обозначение
Значение
Индуктивность одного витка
AL
25нГн
Площадь окна
AN
109 мм2
Ширина с.......................