CAPITOLUL 1. Stadiul actual in dezvoltarea surselor de alimentare controlate 2 1.1 evolutia surselor de alimentare 2 1.2 Noua generație de control… [310126]

CUPRINS

Introducere 3

CAPITOLUL 1. Stadiul actual in dezvoltarea surselor de alimentare controlate 2

1.1 evolutia surselor de alimentare 2

1.2 Noua generație de control digital pentru sursele de alimentare 3

1.3 sursa de stadiu actual 2

cApITOLUL 2. Surse de alimentare controlate 7

2.1 Sursele de alimentare 7

2.2 Surse de tensiune 7

2.2.1 Generalitati 4

2.2.2 Simbolurile folosite pentru sursele de tensiune 4

2.2.3 Schema bloc a unei surse de tensiune liniara 6

2.3 Comparație între sursele de tensiune și curent 7

2.4 Surse de tensiune inteligente 7

2.5 Controlul surselor de tensiune cu ajutorul microcontrollerelor 7

2.6 Microcontroller 7

2.6.1 Aspecte legate de implementarea memoriei microcontrollerelor 4

2.6.2 Limbaje de programare 4

2.7 Arduino 7

2.7.1 Hardware 4

2.7.2 Exemplu de program 4

cAPITOLUL3. Proiectarea sursei coNTROLATE DE MICROCONTROLLER 7

3.1 CAIET DE SARCINI 7

3.2 SCHEMA BLOC 7

3.3 SCHEME DETALIATE 7

3.4 SCHEMA FINALA 7

cAPITOLUL4. REALIZAREA PRACTICA 7

3.1 PROIECTAREA CIRCUITULUI IMPRIMAT 7

3.2 REALIZAREA PRACTICA A CIRCUITELOR 7

3.3 ASPECTUL FINAL 7

cAPITOLUL5. REALIZAREA PRogramului 7

3.1 SCHEMA LOGICA 7

3.2 PROGRAMUL PE MODULE 7

concluzii 9

rEZUMAT 9

ANEXE 9

Bibliografie 9

CD / DVD 13

Introducere

Prezenta lucrare cu tema „Proiectarea și realizarea unei surse de tensiune liniară controlată prin microcontroller „ [anonimizat], [anonimizat] .

Inca din facultate am capatat un interes asupra controlul marimilor electrice cu ajutorul sistemelor automate digitale . Acesta a fost unul din motivele pentru care am ales aceasta tema.

Rolul surselor de alimentare al circuitelor electronice este de a convertii alimentarea standard de uz casnic într-o formă utilizabilă de către electrocasnice. Sursa de alimentare furnizează energie pentru fiecare componentă a unui dispozitiv electric.[anonimizat]. Este recunoscută de ventilatorul de alimentare și de conectorul cablului de alimentare. [anonimizat]. O carcasă și un capac metalic pe partea superioară a carcasei acoperă sursa de alimentare. Carcasa sursei de alimentare protejează părțile interne ale sursei de alimentare. Izolează, [anonimizat]-ului. Protejează utilizatorul PC de șocuri electrice. Sursa de alimentare are diferiti conectori care se conectează la placa de bază și la unitățile de disc.In consecinta calculatorul ar fi lipsit de viață fără o sursă de alimentare adecvată.

Electronica reprezintă o disciplină din domeniul fizicii aplicate care se ocupă cu studiul dispozitive electronice și al circuitelor care includ aceste elemente (circuite electronice), [anonimizat], măsurare etc.

Conform unei alte definiții electronica este o [anonimizat]. Este considerată o parte a electrotehnicii, [anonimizat], [anonimizat], apărarea militară și distracțiile. [anonimizat], măsură și la centralele electrice. Practic vorbind în viața modernă electronica este omniprezentă.

Electronica reprezinta in primul rand lucru de meanica fina, lucru curat, fiabil. Executarea montajelor electronice in regim amatoricesc educa rabdare, perseverenta, mareste dibacia si inteligenta, spre exigentele tehnice ale anilor ce vin, spre viitor. Electronica zilelor nostre pune la dispozitia noastra diverse aparate si instalatii necesare realizarii visurilor celor mai indraznete. Televizorul,computerul,combina muzicala si multe altele fara de care nu ne-am putea imagina viata astazi au la baza electronica.

Explozia în gradul de utilizare a dispozitivelor electronice și calculatoarelor a început odată cu apariția electronicii de generatia a treia. Dispozitivele și sistemele din această generație se bazau pe invenția circuitului integrat de către Jack St. Clair Kilby și, independent de el, de Robert Noyce, tehnologie care a condus mai târziu la inventarea microprocesorului și a impulsionat evoluția unor domenii întregi ale electronicii spre microelectronică. Microprocesorul a condus la dezvoltarea microcalculatoarelor – calculatoare mici și ieftine ce puteau fi vândute firmelor mici și persoanelor private. Microcalculatoarele care au apărut în anii 1970 au devenit omniprezente după anii 1980.

Odată cu implementarea pe scară largă a calculatoarelor personale și utilizarea largă a microprocesoarelor în multiple sisteme electronice, microelectronica s-a impus prin sisteme și dispozitive de generația a patra care determină esența dezvoltării societății informaționale bazată pe cunoaștere. Un adevăr incontestabil este acela că evoluția tehnologiilor de calcul a avut o accelerație greu de imaginat. Timp de 50 de ani, de la inventarea circuitelor integrate, rata de creștere a performanței a fost una exponențială, viteza de calcul dublându-se la fiecare 18 luni. Această evoluție s-a dovedit a fi atât de stabilă, încât a fost denumita "lege" – celebra lege a lui Moore, care se confirmă prin dezvoltarea tehnologică de la primele tranzistoare și primele circuite integrate la cele mai sofisticate sisteme microelectronice cu 2xl08 comp/cristal (2009); de la plachete monocristaline de Si cu diametrul de 10 mm (1959) la plachete industriale cu diametrul de 300 mm (2009).

Figura 1 – Grafic Legea lui Moore

Capitolul 1. Stadiul actual in dezvoltarea surselor de alimentare controlate

1.1 Evoluția surselor de alimentare

Industria de alimentare cu energie datează de la începutul anilor 1920, când dispozitivele brute au fost dezvoltate pentru a servi ca eliminatoare de baterii "B" pentru alimentarea radioului atât pe piețele comerciale, cât și pe cele de consum. Piața pentru surse separate de energie sa evaporat în jurul anului 1929, când majoritatea radiourilor produse au inclus o sursă de alimentare încorporată. Nevoia de surse de alimentare autonomă a rămas relativ redusă în anii 1930 și în anii 1940. Tehnologia dominantă în această perioadă a constat în regulatori liniari cu tuburi vidate. În mod tipic, un tub de regulator de tensiune (VR), predecesorul diodei zener de astăzi, a fost utilizat pentru a produce o referință stabilă. Controlul era destul de limitat la răsucirea manuală a butoanelor. În acele zile nu ne-a păsat prea mult despre disipare. În condiții normale, tuburile de vid au fost destul de fierbinți – și dacă placa tuburilor nu sa aprins la roșu, sau sticla nu a început să se topească, nimeni nu se îngrijora prea mult.

Model 700 Power supply, 0-350V, 0-750mA

Figura 2

La mijlocul anilor 1940, trei companii au creat un magazin într-o comunitate relativ obscură din Queens, New York. Aceste companii, care au devenit în cele din urmă lideri în industrie, au fost Lambda, Sorenson și Kepco. Deși toate cele trei companii există astăzi, doar Kepco își păstrează independența și proprietatea inițială și continuă să opereze din Queens, New York.

Logo-ul Kepco Laboratories

Figura 3

O piatră de hotar în industrie a avut loc în anii 1950, când semiconductorii au fost introduși pentru prima dată în proiectarea sursei de alimentare. Deoarece modelele de semiconductori au proliferat pe piață (tuburile înlocuite cu tranzistori), preocupările legate de disipare și căldură au dominat gândirea designerilor de alimentare cu energie electrică. Tranzistorii din germaniu nu au avut capacitatea de a străluci în întuneric la fel ca tuburile. Designerii acestor produse brusc a trebuit să-și ia în serios termodinamica

Produsele care utilizează tranzistoare au fost limitate la modele de joasă tensiune la niveluri modeste de putere sau modele hibride care au folosit semiconductori în circuitul de comandă și tuburi de vid în stadiul de putere pentru a face posibile produse cu tensiune mai mare. În anii 1950 și începutul anilor 1960, produsele de alimentare cu energie care adoptă tehnologia Mag-Amp satisfăceau acele aplicații care necesită o putere substanțial mai mare.

Kepco Type SC, prima sursă de alimentare "tranzistorizată"

Figura 4

Aceeași perioadă de timp ne-a adus și conceptul de prime surse de alimentare programabile de la distanță. Un pionier în acest domeniu a fost Dr. Kenneth Kupferberg, unul dintre fondatorii Kepco, care, în cariera sa, a fost creditat cu 14 brevete.

În anii 1960, lumea era încă analogică. Computerele erau încă în faza lor de dezvoltare. Marea dezbatere sa axat pe computerele și acel concept ciudat, numit calcul digital. În acest interval de timp, sursele de alimentare din seria liniară au fost văzute mai mult ca amplificatoare de putere decât o sursă de energie. Acest concept de amplificator a exploatat câștigul și liniaritatea ridicată a tranzistorilor și a creat amplificatoarele operaționale de mare putere. La fel ca op-amperii, au fost făcuți sa inmulteasca, adune, integreze sau manipuleze semnale. Pentru a realiza acest lucru, au fost produse surse de alimentare care au permis accesul la toate nodurile de control. Atât elementele de control de intrare, cât și de feedback, pot fi eliminate și înlocuite de utilizator pentru a permite manipularea ieșirii pentru a satisface multe aplicații diverse.

Anii 1960 au văzut și introducerea unor unități sursă / debit bipolare (patru cvadranți) și conceptul de feroizonanță pentru corecția variației tensiunii sursei într-un pachet extrem de fiabil, cu număr redus de piese.

Modelul BOP, cu o putere bipolară de 4 cvadranți

Figura 5

În anii 1970, o criză a energiei, care a afectat întreaga lume industrială, a oferit sursei de alimentare cu comutare posibilitatea de a redefini și de a-și stabili o poziție semnificativă pe piața electronică. Proiectarea și fabricarea surselor de alimentare cu comutare poate fi urmărită cel puțin până în anii 1950. În acel moment, acestea au fost produse în cantități imense, mai ales pentru a înlocui vibratoarele. În acele zile, vibratoarele au transformat o mașină de 12V în tensiune ridicată d-c prin comutarea mecanică (prima sursă de alimentare cu comutare)! Mai târziu, tranzistorii de germaniu au fost utilizați pentru comutarea electrică. Problema fundamentală, care a împiedicat avansarea și utilizarea mai mare a acestei topologii, a fost domeniul său de frecvență relativ scăzut (în spectrul mediei audio), care a făcut ca aceste produse să fluiere supatator. Cea mai mare descoperire în anii 1970 a fost dezvoltarea feritei cu pierderi reduse (material de bază al transformatorului), cuplată cu tranzistori de siliciu de mare viteză, care au făcut posibilă realitatea practică a produselor de înaltă frecvență care ar putea funcționa peste 20KHz unde nu au putut fi auzite.

În decursul aceluiași deceniu, seria de high-gain a fost îmbunătățită cu un nou nivel de inteligență, capacitatea de a urma comenzile de la un computer gazdă pe o magistrală de comunicații standard.

Controlul digital a fost înlocuit pe partea frontală a produselor de alimentare cu energie electrică liniară. Primele interfețe au constat din lanțuri de rezistență care au fost paralele cu releele, pentru a crea controlul digital BCD. Apoi a venit convertirea digitală la analogică [DAC], pentru controlul tensiunii și, în final, la jumătatea deceniului, industria de alimentare cu energie a adoptat standardul pentru magistrala de instrumente introdusă de Hewlett Packard Company ca HPIB. Acesta a fost adoptată ca IEEE-488 de către Institutul de Inginerie Electrică și Electronică și ulterior redenumit GPIB de Instrumentation Manufacturers. Înainte de acest standard industrial, industria a fost limitată la magistrala serial RS232, care a fost foarte lentă și a fost restricționată la distanțe relativ limitate între controler și instrument.

În Europa, acest lucru este cunoscut ca IEC.

În anii '80 au apărut multe companii noi care au început să intre pe piață producând produse de tip switch-mode. Multe dintre aceste noi companii s-au situat în Pacific Rim, primul în Japonia, și în cele din urmă, trecand la Taiwan și Hong Kong.

În decursul acestui deceniu, caracteristicile de calitate și performanță pentru switch-uri au fost îmbunătățite substanțial. Frecvențele de funcționare au crescut, de asemenea, de la gama 25-50KHz, până la 100KHz și chiar 1 Megahertz , tranzistoare bipolare fiind înlocuite de FET.

Pana atunci s-au înregistrat deja numeroase evoluții. De exemplu, această industrie, determinată de cerințele pieței, a produs switch-uri de comutare care funcționează la frecvențe din ce în ce mai mari, și sunt construite folosind tehnologia de montare pe suprafață (SMT), reducând substanțial dimensiunea lor fizică. Am văzut aceleași produse care oferă astfel de caracteristici ca intrări la scară largă, pentru a adapta tensiunile sursă la nivel mondial, corectarea factorului de putere activă, pentru a minimiza distorsiunea armonică a liniilor electrice și împărțirea curentului forțat, pentru a oferi acestor produse capacitatea de a funcționa cu toleranță la erori .

Modelul HSP cu N + 1 Redundanță

Figura 6

Sistemele energetice rezistente la erori moderne folosesc de obicei o tehnică cunoscută sub denumirea de redundanță paralelă N + 1. Avantajul acestei metode față de schema tradițională de paralelizare este capacitatea de a distribui energia (partajarea curentă) și de a minimiza stresul asupra unităților individuale. Popularitatea abordării sistemului redundant N + 1 cu partajarea actuală a crescut atât de rapid încât a devenit un standard de industrie.

O altă tendință care sa bucurat de un interes sporit este cea care este uneori menționată ca stabilizare la punctul de utilizare; distribuind puterea la unele tensiuni intermediare (48V, 150V, 400V). Această tehnică este, de asemenea, cunoscută sub numele de "putere distribuită". Se bazează pe folosirea unei alimentări în vrac pentru a efectua conversia a-c, de la rețea, în d-c, care apoi, la rândul său, împușcă oricare din mai mulți convertizori d-c de putere mai mică decât convertizoarele d-c plasate direct în punctul de încărcare. Această tehnică de distribuție a puterii a redus numărul de conductori ai sistemelor, ceea ce a dus la obținerea unor dimensiuni mult mai ușor de manevrat, făcând astfel produsele mai ușor de construit și diminuându-le dimensiunile în general.[1]

Sursele de alimentare sunt poate cele mai importante componente ale oricarui aparat de uz casnic și nu numai. Practic fară acestea conectarea la energie ar fi imposibilă. Funcția de bază a sursei de alimentare este aceea de a converti tipul de energie disponibilă la priza rețelei electrice într-un tip de energie pe care îl pot utiliza circuitele calculatorului. Într-un sistem convențional desktop, convertește tensiunea alternativă de 120 de volți si 60 Hz din SUA în tensiune continuă de +3,3 V, +5 V și + 12 V. De obicei, componentele și circuitele electronice digitale din sistem (placă de bază, plăcile adaptoare și plăcile logice ale unităților 424h72e r de disc) utilizează tensiunea de +3,3 V sau +5 V, iar motoarele unitățilo 424h72e r de disc și ale tuturor ventilatoarelor, tensiunea de + 12 V. Pentru ca sistemul să poată funcționa corect, sursa de alimentare trebuie să furnizeze o tensiune continuă de bună calitate si constanță.

Dacă se examinează caracteristicile tehnice ale unei surse de tensiune tipice pentru un calculator PC, se observă ca aceasta furnizează nu numai tensiunile de +3,3 V, +5 V și + 12 V, dar și – 5 V și -12 V. Aceste tensiuni negative suplimentare nu sunt deloc utilizate în majoritatea sistemelor moderne, dar sunt înca necesare pentru compatibilitatea retroactivă. Deoarece semnalul de +3,3 V este o apariție relativ recentă, sursele de alimentare nu generează o tensiune de semnal de -3,3 V.

În afară de asigurarea energiei electrice pentru sistem, sursa de alimentare este cea care face ca sistemul să nu funcționeze decât atunci când energia electrică este suficientă pentru funcționarea corectă. Cu alte cuvinte, sursa de alimentare împiedică pornirea sau funcționarea calculatorului până când sunt prezente toate nivelurile corecte de tensiune.

In urma cu 30 de ani , era o corvoadă să cumperi o sursă pentru un calculator atât de primitiv pentru că existau o mulțime de formate suplimentare precum Baby AT, XT si bineințeles că aveau butonul de ON/OF lipit pe carcasa calculatorului, facând inlocuirea sursei în caz de defecțiune un adevărat coșmar. Sursele de acum 30 de ani nu aveau nici macar aceleași cabluri de alimentare , existau foarte multe modele, nici vorbă de acel standard pentru alimentarea principală 20/24 pini, care a aparut mult mai tarziu

Sistem PC din trecut

Figura 7

Prima sursă de alimentare PC (PSU) IBM a furnizat două tensiuni principale: +5 V și +12 V. A furnizat alte două tensiuni, de -5 V și -12 V, dar cu cantități limitate de energie. Cele mai multe microcipuri ale timpului au funcționat la o putere de 5 V. Sursa de +12 V a fost utilizată în principal pentru a acționa motoare, cum ar fi unitățile de disc și ventilatoarele de răcire. Pe măsură ce au fost adăugate mai multe periferice, a fost livrată mai multă energie pe șina de 12 V. Cu toate acestea, deoarece cea mai mare parte a puterii este consumată de chip-uri, șina de 5 V a furnizat încă cea mai mare parte a puterii.Un cablu suplimentar denumit "Power Good" este utilizat pentru a împiedica funcționarea circuitelor digitale în timpul primelor milisecunde de pornire a sursei de alimentare, unde tensiunile de ieșire și curenții cresc, dar nu sunt încă suficiente sau stabile pentru o funcționare corespunzătoare a dispozitivului. Odată ce puterea de ieșire este gata de utilizare, semnalul de alimentare bun indică circuitului digital că poate începe să funcționeze.

Consumatorii originali IBM de alimentare pentru PC (modelul 5150), XT și AT au inclus un întrerupător de alimentare de tensiune pe linie care se extindea pe partea laterală a carcasei computerului. Într-o variantă comună găsită în carcasele cu nivel superior, comutatorul de tensiune de linie a fost conectat la sursa de alimentare cu un cablu scurt, permițându-l să fie montat separat de sursa de alimentare.[2]

Figura 8

PCB a unei surse de alimentare

1.2 Noua generație de control digital pentru sursele de alimentare

Controlul digital în conversia de putere continuă să se dezvolte mulțumită celor mai recente îmbunătățiri în ambele domenii: digital și analogic.

Adoptarea continuă a controlului digital în conversia de putere și în distribuția de putere se datorează flexibilității și randamentului crescut pe care le furnizează. Cu toate acestea, beneficiile nu sunt gratuite; ele sunt rezultatul unor algoritmi complecși lucrând la viteze de procesare în creștere, cu scopul de a optimiza randamentul surselor de tensiune în comutație.

Optimizarea surselor de tensiune în comutație este văzută din ce în ce mai mult ca o oportunitate semnificativă pentru producători de a aduce un randament mai mare în produsele finale. Provocarea este însă menținerea acestui randament pe plaja largă și variabilă de condiții de sarcină. Lansarea PFC (corecția factorului de putere) a condus la o nouă eră în valori de atins pentru randament – din punct de vedere al normelor și pieței – și a devenit o țintă majoră pentru furnizorii de semiconductoare, care luptă să îmbunătățească continuu soluțiile de control digital al puterii.
Algoritmii bazați pe software oferă potențial pentru soluții mai flexibile și eficiente, atunci când sunt cuplați cu hardware-ul corespunzător.

Control digital

Conversia de putere începe invariabil cu o sursă de curent alternativ (AC), care este apoi rectificată în curent continuu (DC) și apoi tensiunea este coborâtă în trepte prin diverse valori intermediare de tensiune până când atinge eventual punctul de sarcină (POL). Factorul de putere al unui sistem este raportul dintre puterea reală și cea aparentă; cu cât acest raport este mai aproape de unitate, cu atât sistemul este mai eficient. Corecția factorului de putere (PFC) este metoda prin care se dorește aducerea raportului la unitate (sau cât de aproape posibil), putând fi realizată utilizând condensatoare, dar este din ce în ce mai viabilă aplicarea PFC utilizând conversie coborâtoare, ridicătoare sau coborâtoare/ridicătoare de tensiune cu control digital. Trecerea între domeniile analogic și digital aduce uzual o întârziere suplimentară: întârzierea cauzată de bucla de control; ea este descrisă ca timpul total necesar aplicării schimbării în conversie, măsurând efectul acestei schimbări.
În condiții statice acest lucru ar fi relativ simplu, dar în condiții de sarcină variabilă viteza cu care se execută bucla de control influențează direct PFC și randamentul total.

Provocarea crește atunci când etajul POL necesită tensiune redusă, dar nivele ridicate de curent, acesta fiind adesea cazul sistemelor embedded moderne. Astăzi, microprocesoarele, FPGA-urile și ASIC-urile operează invariabil la tensiuni reduse, de 3.3V și mai mici – dar necesită curenți mult mai mari pentru a răspunde cerințelor globale de putere. Mai mult, solicitarea de putere va varia semnificativ în funcție de cerințele aplicației. După cum se poate observa în figura 1, utilizarea controlului digital poate fi aplicată pe întreg fluxul conversiei de putere pentru a aduce nu numai un randament mai mare, ci și flexibilitatea de a susține acest randament pe o gamă largă de sarcini.

Acest lucru este activat prin dezvoltarea continuă de algoritmi complecși, inclusiv algoritmi adaptivi care pot reacționa la schimbări ale nivelelor de sarcină, algoritmi neliniari și predictivi care pot îmbunătăți răspunsul dinamic în condiții tranzitorii. De vreme ce tehnologia de semiconductoare permite, producătorii sunt capabili de a utiliza acești algoritmi pentru a crește performanțele soluțiilor de control digital, permițând frecvențe de comutație mai mari care conduc nu numai la randamente mai mari, ci și la o densitate de putere mai mare.

Controlere de semnal digital

Apariția controlului digital în zone precum conversia de putere, comandă motoare și aplicații similare unde controlul adaptiv este avantajos, a condus la dezvoltarea de controlere de semnal digital (DSC). Aceste dispozitive aduc împreună avantajul unui procesor de semnal digital (DSP) – utilizat pe scară extinsă la procesarea audio și video și venerabilul microcontroler, pentru a crea o nouă clasă de dispozitive perfect reglate pentru a executa algoritmi de control care ar fi prea complecși pentru un MCU tradițional, cu periferice și interfețe care nu sunt uzual prezente într-un DSP.

Pe piață există un număr în creștere de DSC-uri, toate luptându-se să răspundă cerințelor descrise. Cele mai bune dispozitive urmează o cale continuă de îmbunătățire a arhitecturii, care permite dezvoltatorilor să îmbunătățească și ei viteza și precizia buclei de control în cadrul aplicației, beneficiind de avantajele complete ale celor mai recente dezvoltări în algoritmii de control.

DSC-urile sunt în esență soluțiile definitive de semnal mixt; ele trebuie să combine procesarea digitală cu perifericele analogice. Obținerea unei soluții generale necesită ca ambele domenii să funcționeze împreună fără probleme, ceea ce însemnă că dispozitivele complet integrate oferă cea mai bună abordare. Cu toate acestea, combinarea tehnologiei analogice și digitale pe un singur dispozitiv poate introduce compromisuri de proiectare, dar îmbunătățirea performanțelor în ambele domenii într-un mod echilibrat este critică în furnizarea celor mai bune soluții.

Figura 9

Componentele de bază ale unui DSC sunt un nucleu capabil de executarea eficientă a algoritmilor de procesare a semnalului, cuplat cu conversia de semnal sub forma unui/unor convertoare analog/ digitale (ADC), împreună cu o formă de ieșire PWM (pulsuri modulate în durată) utilizată pentru comanda tranzistoarelor de putere precum MOSFET în circuite de conversie coborâtoare/ ridicătoare de tensiune. Aducerea împreună a acestor elemente într-o singură arhitectură care suportă bucle de control rapide este cheia realizării unui DSC de succes, care, la rândul său, este inima unei conversii de putere eficiente AC/DC și DC/DC.

Soluție de semnal mixt

A treia generație a familiei dsPIC33 GS de la compania Microchip, oferă performanțe crescute față de cea de-a doua generație, pentru domeniul descris mai sus. Nucleul furnizează 70MIPS (de la 50MIPS) dar include acum și caracteristici precum seturi de regiștri de lucru selectate în funcție de context, care cresc și mai mult performanțele pentru aplicațiile de putere digitală dincolo de ce ar putea sugera viteza brută crescută MIPS. Prin adăugarea a două seturi de regiștri de lucru adiționale, nucleul suportă acum o comutație contextuală aproape instantanee. Performanțele perifericelor analogice au fost de asemenea îmbunătățite relativ la generațiile anterioare. De exemplu, produsele din această familie oferă până la cinci convertoare analog/digitale pe 12 biți, cu o întârziere a conversiei ADC redusă de la 600ns la 300ns. Împreună, aceste îmbunătățiri permit ca întârzierea compensatorului cu trei poli – trei zerouri să fie redusă de la aproximativ 2μs la mai puțin de 1μs, reducând astfel defazarea și îmbunătățind stabilitatea. Buclele de control mai rapide permit de asemenea frecvențe de comutație mai ridicate și un răspuns tranzitoriu mai bun. Câștigul de randament rezultat ca urmare a creșterii performanțelor, conduce de asemenea la o creștere a densității de putere; sursele de putere pot fi proiectate să fie mai mici, utilizând componente pasive discrete mai puține și mai mici.

O îmbunătățire arhitecturală suplimentară în ‘GS’ este introducerea unor partiții duale Flash, suportând o caracteristică cunoscută ca actualizare în timpul funcționării (Live Update). Aceasta permite ca un algoritm de control sau orice alt software executat de DSC, să fie actualizat în câmp, în timp ce sursa de alimentare rămâne operațională; noul software este încărcat în a doua partiție Flash neoperațională și, când este verificat, nucleul comută executarea pe partiția secundară. Aceasta este o caracteristică binevenită în special în aplicații cu mare disponibilitate, precum surse de alimentare pentru servere, unde chiar și un câștig mic de randament poate conduce la reduceri mari ale costurilor operaționale. Fără caracteristica de actualizare în timpul funcționării, asemenea aplicații ar trebui actualizate pe perioadele de întrerupere pentru operații de întreținere programate (sau neprogramate), sau programul poate fi lăsat nemodificat, pierzând potențialele beneficii aduse de actualizare. Desigur că ambele opțiuni nu sunt apreciate în mediile de servere.

Concluzie

Controlul digital al conversiei de putere continuă să se dezvolte progresiv, înlocuind controlul analogic, datorită flexibilității ridicate și potențialei creșteri a randamentului. În vreme ce complexitatea este, fără dubii, o considerație pentru dezvoltatori, avantajele pot fi convingătoare. Din punct de vedere al cerințelor regulamentelor, utilizarea controlului digital poate în mod clar furniza soluții de conversie de putere mai bune și, cu introducerea actualizării în timpul funcționării, oferă o cale de upgrade pentru soluții deja implementate – chiar și în aplicații cu înaltă disponibilitate.

DSC-urile reprezintă vârful controlului digital în această aplicație și în multe altele, în care algoritmii complecși întâlnesc periferice analogice de înaltă performanță. “Lumea reală” a soluțiilor de semnal mixt continuă să ofere o oportunitate de câștiguri de performanță la fiecare nivel; soluțiile complet integrate, cu programabilitate avansată, precum familia dsPIC33EP GS reprezintă avanpostul tehnologiei DSC, oferind dezvoltatorilor de surse de alimentare noi generații de soluții de control.[3]

1.4 Sursa de stadiu actual

PRIME ULTRA

Sursa de alimentare PRIME Ultra vine insotita de un adaptor SATA 3.3 pentru a suporta caracteristica "Power Disable" (PWDIS) a unitaților hard disk de mare capacitate.Au fost indepartați condensatorii în linie de pe cabluri pentru a aerisi interiorul sistemului. Conectorii SATA de 180 de grade asigură o flexibilitate foarte buna și o instalare mai usoară.

Figura 10

Certificare 80 PLUS GOLD

Figura 11

Seria PRIME Gold dobândește certificarea 80 PLUS Gold prin eficiență sa de 90% la o solicitare de sistem de 50%.

Figura 12

Reglementare micro tolerantă a sarcinii

Designul Seasonic de ultima generație menține tensiunea de ieșire intr-un interval foarte strâns, atingând o reglare a sarcinii de sub 0.5%. Performanța superioară si stabilitatea electrică impresionantă fac această sursă de alimentare o alegere ideală pentru sistemele de inaltă performanță.

Figura 13

Premium Hybrid Fan Control

Experiența vastă a Seasonic în proiectarea celor mai silențioase și mai eficiente surse de alimentare de pe piață, a fost folosită în dezvoltarea "Hybrid Mode"; un control inovativ al ventilatorului, care permite utilizatorilor să pastreze zgomotul acestuia la cel mai mic nivel posibil.

Figura 14

Design de conectare fara cabluri

În loc de cabluri, panoul din spate și PCB-ul (Printed Circuit Board) sunt conectate printr-o placă de cupru. Această soluție inovatoare si reduce șansele de producere a erorilor in timpul introducerii manuale.

Figura 15

Design de conectare fara cabluri

CARACTERISTICI GENERALE

[4]

Capitolul 2. Sursele de alimentare controlate

2.1 Sursele de alimentare

Componența surselor

Dintre elementele componente ale redresorului, cele electronice trebuie să aibă proprietatea de a conduce unilateral, respectiv să prezinte o caracteristică pronunțată neliniară și să funcționeze în regim neliniar. Se pot folosi diode cu vid (kenotroane), diode semiconductoare, tiratroane, tristoare, etc.

Blocul unui redresor conține urmatoarele elemente

-transformatorul de rețea, cu ajutorul caruia se obține în secundar valoarea tensiunii alternative ce trebuie redresată

-elementul redresor, cu proprietăți de conducție unilaterală, la ieșirea caruia se obține o tensiune (de un singur sens) pulsatorie

– filtru de netezire ,cu rolul de a micșora pulsațiile tensiunii redresate, redând otensiune cât mai apropiată de cea continuă

-rezistența de sarcină pe care se obține tensiunea continuă.

In anumite cazuri,blocul poate conține un etaj suplimentar de stabilizare și dereglare a tensiunii continue obținute, sunt de asemenea, cazuri în care unele elemente ale schemei pot lipsi: de exemplu poate lipsi transformatorul de rețea sau, în cazul unor instalații industriale, care funcționează cu tensiune pulsatorie, poate lipsi filtrul de netezire.

Exemple de circuite implicate în sursele de alimentare

În aparate de laborator și aparate portabile (telefon, radio, aparate de măsură):

– alimentare din baterie

– stabilizator de tensiune continuă

– variator de c.c. (ridicător, inversor de semn, coborâtor)

– convertor c.c.-c.a. (produce tensiune alternativă pentru afișor, acționare de motoare mici)

În rețeaua națională de distribuție a energiei electrice:

– producere de energie

– convertoare pentru ridicarea tensiunii și fazare cu rețeaua

– convertoare pentru alimentarea consumatorilor

– transformatoare pentru distribuție

În rețele insularizate (pe avioane, nave, clădiri izolate, alimentate din surse locale, eventual soare + vânt + hidro + Diesel):

– convertoare ridicătoare

– convertoare pentru alimentarea consumatorilor

În surse neântreruptibile (de siguranță, UPS):

– încărcarea bateriei cu convertor de la rețea

– circuit de compensare a factorului de putere (PFC)

– alimentarea consumatorilor cu invertor autonom (din baterie)

– filtre de rețea și de ieșire – circuit de supraveghere a rețelei și a stării bateriei. [5]

Sursa de laborator

Figura 16

Sursa incorporabila

Figura 17

Sursa pe sina

Figura 18

Invertor DC/AC

Figura 19

Schema bloc a unei surse de alimentare în comutație împreună cu sensul de circulație a semnalelor care apar în ea.

Figura 20

2.2 Surse de tensiune

2.2.1 Generalități

O sursă de tensiune este un dispozitiv terminal care poate menține o tensiune fixă. O sursă de tensiune ideală poate menține tensiunea fixă ​​independent de rezistența la sarcină sau de curentul de ieșire. Cu toate acestea, o sursă de tensiune din lumea reală nu poate furniza curent nelimitat. O sursă de tensiune este duală a unei surse de curent. Sursele de energie electrică din lumea reală, cum ar fi bateriile, generatoarele și sistemele de putere, pot fi modelate în scopuri de analiză ca o combinație a unei surse ideale de tensiune și a unor combinații adiționale de elemente de impedanță.

O diagramă schematică a unei surse de tensiune reale V, alimentând un rezistor R, și creând un curent I

Figura 21

O sursă de tensiune ideală este un dispozitiv cu două terminale care menține o cădere de tensiune fixă ​​pe terminalele sale. Este adesea folosită ca o abstracție matematică care simplifică analiza circuitelor electrice reale. Dacă tensiunea pe o sursă de tensiune ideală poate fi specificată independent de orice altă variabilă dintr-un circuit, se numește sursă independentă de tensiune. În schimb, dacă tensiunea pe o sursă de tensiune ideală este determinată de o altă tensiune sau curent într-un circuit, se numește o sursă de tensiune dependentă sau controlată. Un model matematic al unui amplificator va include surse de tensiune dependente a căror magnitudine este guvernată, de exemplu, de o anumită legătură fixă ​​cu un semnal de intrare. În analiza defecțiunilor la sistemele electrice, întreaga rețea de surse interconectate și linii de transmisie poate fi înlocuită în mod util de o sursă de tensiune ideală (AC) și de o singură impedanță echivalentă.

2.2.2 Simbolurile folosite pentru sursele de tensiune

SURSA DE TENSIUNE CONTROLATĂ SURSA DE TENSIUNE IDEALĂ

SURSA DE CURENT CONTROLATĂ SURSA DE CURENT IDEALĂ

Figura 22

Rezistența internă a unei surse de tensiune ideale este zero; este capabilă să furnizeze sau să absoarbă orice cantitate de curent. Curentul printr-o sursă de tensiune ideală este complet determinat de circuitul extern. Când este conectată la un circuit deschis, există zero curent și, prin urmare, putere zero. Când este conectată la o rezistență de sarcină, curentul prin sursă se apropie de infinit deoarece rezistența de sarcină se apropie de zero (scurtcircuit). Astfel, o sursă de tensiune ideală poate furniza o putere nelimitată.

Nicio sursă reală de tensiune nu este ideală; toate au o rezistență internă efectivă diferită de zero, și niciuna nu poate furniza curent nelimitat. Cu toate acestea, rezistența internă a unei surse de tensiune reale este modelată în mod eficient în analiza circuitului liniar prin combinarea unei rezistențe nelimitate în serie cu o sursă de tensiune ideală (un circuit echivalent Thévenin).

O sursă de tensiune apropiată de cea ideală a fost concepută cu o rețea echilibrată de tip punte Wheatstone, formată din patru diode alimentate de o sursă de alimentare echilibrată de la transformator cu priză mediană și filtru capacitiv cu masa liberă, creând astfel un nivel de referință alternativ pozitiv și negativ. Dacă unul dintre punctele de potențial egal ale punții echilibrate este alimentat cu o sursă de tensiune neideală, celălalt punct (opus) se ridică la același potențial la starea de masă virtuală și această tensiune ridicată în acest punct al masei virtuale creează o sursă de tensiune constantă aproape ideală. La fel ca o sursă de curent constant ideală, o sursă de tensiune constantă ideală generează o putere aproape zero la sarcină, deci reflexia de la sarcină la sursă este minimă, ceea ce determină o reprezentare mult mai bună a formei de undă.

2.2.3 Schema bloc a unei surse de tensiune liniară

Figura 23

Figura de mai sus reprezintă o schemă tipică de alimentare care se utilizează la alimentarea consumatorilor ce c.c.[6]

2.3 Comparație între sursele de tensiune și curent

Cele mai multe surse de energie electrică (rețeaua domestică, o baterie) sunt modelate ca surse de tensiune. O sursă de tensiune ideală nu furnizează energie atunci când este încărcată de un circuit deschis (adică o impedanță infinită), dar se apropie de energie și de curent infinit când rezistența de sarcină se apropie de zero (un scurtcircuit). Un astfel de dispozitiv teoretic ar avea o impedanță de ieșire zero ohmi în serie cu sursa. O sursă de tensiune din lumea reală are o foarte mică dar diferită de zero rezistență internă și impedanță la ieșire : adesea mult mai mică decât 1 ohm.

În schimb, o sursă de curent asigură un curent constant, atâta timp cât sarcina conectată la bornele sursă are o impedanță suficient de mică. O sursă ideală de curent nu ar furniza energie la un scurtcircuit și se va apropia de energie și tensiune infinite deoarece rezistența de sarcină se apropie de infinit (un circuit deschis). O sursă de curent ideală are o impedanță de ieșire infinită în paralel cu sursa. O sursă de curent din lumea reală are o impedanță de ieșire foarte ridicată, dar finită. În cazul surselor de curent cu tranzistori, este tipică o impedanță de câțiva megaohmi (la frecvențe joase).

Deoarece nu există surse ideale de niciun fel (toate exemplele din lumea reală au impedanța sursei finită și diferită de zero), orice sursă de curent poate fi considerată ca o sursă de tensiune cu aceeași impedanță sursă și invers. Sursele de tensiune și sursele curente sunt uneori considerate a fi duale între ele și orice sursă non-ideală poate fi convertită din una în alta prin aplicarea teoremei lui Norton sau a teoremei lui Thevenin.

2.4 Surse de tensiune inteligente

Există câteva aplicații abordate prin electronică integrată care nu necesită o formă de stabilizare a tensiunii de alimentare, cum este de exemplu cazul unei surse simple de curent/tensiune față de o soluție mai sofisticată și optimizată.

Totuși, dacă există o preocupare crescută pentru randament la orice nivel, devine uzuală extinderea simplului către includerea unei forme de inteligență. Chiar și un algoritm de control relativ nesofisticat poate prezenta avantaje de performanță precum un consum energetic redus, cât timp, cu puțin efort, orice dispozitiv poate acum include mai multe funcții avansate, ca de exemplu urmărirea puterii maxime, încărcare îmbunătățită a bateriei, parametrii de conștientizare asupra mediului și creșterea toleranței la erori. .
Acesta este un scenariu perfect pentru microcontrolere economice, chiar și cel mai mic dispozitiv este acum suficient de puternic pentru a executa algoritmi complecși, furnizând în același timp interfețe om-mașină. Capabilitatea de a găzdui câteva forme de interfețe de comunicație standardizată, precum SMbus, LIN sau Ethernet adaugă un nou nivel de valoare.

Figura 24

Riscuri și avantaje

O metodă de “risc redus” pentru a face alimentarea mai inteligentă este monitorizarea simplă a sursei utilizând un MCU și retransmiterea parametrilor pe care-i măsoară către un sistem de rezervă printr-o formă de interfață de comunicație. Această abordare necesită un minim de componente adiționale și de efort de proiectare; în mod uzual restricționate la adăugarea câtorva metode de detecție a tensiunii, curentului și poate a temperaturii.

Figura 25

Monitorizarea altor parametri, precum factorul de umplere sau frecvența de alimentare vor permite un control mai sofisticat asupra caracteristicilor specifice în cazul alimentării cu energie electrică, inclusiv asupra nivelelor de tensiune.
Există un număr de ASSP-uri pentru surse de tensiune în comutație (ASSP – application-specific standard product – produs standard specific aplicației) care oferă o metodă de modificare a funcționalității pe baza deciziilor luate prin măsurarea parametrilor critici. Această metodă oferă o cale simplă de creștere a randamentului și este o sarcină ce poate fi gestionată de o gamă largă de microcontrolere, interfețele seriale permit efectiv unui MCU să modifice funcționalitatea sursei de tensiune pe baza parametrilor monitorizați.
Un alt avantaj al acestei abordări este acela că însăși sursa de tensiune rămâne sub controlul ASSP al SMPS (switch mode power supply – sursă de tensiune în comutație), ceea ce înseamnă că echipa de proiectare nu trebuie să aibă cunoștințe specifice de proiectare a surselor de tensiune dincolo de înțelegerea parametrilor disponibili a fi modificați, și efectul acestora; teoria controlului cheie rămâne domeniul inginerilor SMPS.
Următorul pas pe calea implementării – unul care oferă economii potențiale în ceea ce privește costurile – este de a integra SMPS ASSP și funcționalitatea MCU într-un singur dispozitiv.

Este din ce în ce mai posibil să se facă acest lucru cu un MCU de înaltă performanță integrat cu un convertor analog/digital rapid; o abordare care permite o implantare software, complet digitală. Desigur că această abordare implică necesitatea unei

experiențe mai mari de proiectare a surselor de tensiune în comutație, iar performanța globală va fi în funcție de câtă putere de procesare poate furniza microcontrolerul (adesea limitată de cerințele de putere la nivelul sistemului).

Figura 26

Abordarea hibridă

O medie între cele două scenarii descrise mai sus este ceea ce se poate numi o abordare hibridă. În acest caz, un controler de semnal mixt ce integrează perifericele analogice necesare este complet integrat. Un astfel de dispozitiv este PIC16F753. Acest dispozitiv dispune de un amplificator operațional, un compensator de pantă, un convertor digital – analog, comparatoare și un controler PWM într-un singur MCU cu 14 pini. .
Fiecare periferic este programabil, permițându-le să fie asociate într-o varietate de modalități de a crea un număr mare de surse de tensiune de mod curent. De vreme ce ele sunt controlate software, configurația este dinamică, permițându-i să se adapteze condițiilor schimbătoare ale surselor de tensiune. Acest lucru ar putea face ca dispozitivul să fie configurat pentru a opera ca un controler de histerezis printr-o simplă modificare firmware în starea de așteptare a procesului pe baza rezultatelor, dar permițând sursei să fie rapid reconfigurată pentru mod curent continuu la diferite frecvențe de operare atunci când este necesară mai multă putere.
Deoarece controlul alimentării se află complet în cadrul MCU, nu este nevoie de nicio componentă suplimentară pentru a fi adăugată mai târziu în ciclul de proiectare, ceea ce aduce avantajul simplificării proiectării și a reducerii numărului de componente. Mai mult, după cum soluția este complet integrată în firmware, parametrii sursei de alimentare sunt total vizibili fără o schimbare semnificativă a procesului de proiectare, în timp ce interfațarea cu comunicația și partea de inteligență poate fi dezvoltată și verificată de către echipa de ingineri proiectanți de surse de tensiune.

În figura 25 este prezentată o sursă de tensiune tipică bazată pe PIC16F753; majoritatea implementărilor reprezintă variații minore ale unei configurații uzuale SMPS. Generatorul de ieșire complementar (Complementary Output Generator) produce, după cum îi spune și numele, o ieșire complementară cu o bandă moartă programabilă între intrările de creștere și descreștere, cât timp CCP este configurat să producă un front crescător cu frecvență programabilă.
Comparatorul C produce frontul descrescător atunci când curentul depășește ieșirea compensatorului de pantă. CCP și C pot fi combinate pentru a crea un factor de umplere maxim, care este necesar unor topologii precum ridicător de tensiune (boost), flyback și SEPIC. Amplificatorul operațional OPA este utilizat pentru a oferi reacție și compensare, în vreme ce convertorul digital-analog DAC este utilizat pentru a oferi o referință amplificatorului operațional (dacă nivelele de programare nu sunt necesare, poate fi utilizată o referință de tensiune fixă FVR).
Compensatorul de pantă poate fi reinițializat de comparatoare sau de COG și utilizează un radiator de curent programabil pentru a descărca un condensator preâncărcat (în acest caz, nivelul de încărcare este stabilit de OPA). Aceasta este o configurație relativ simplă, iar figura 2 prezintă un exemplu de operare a sa, ca sursă ridicătoare de tensiune stabilizând un curent pentru un șir de LED-uri. Diagramele din figurile 27, 28 si 29 prezintă diverse nivele de inteligență ce pot fi adăugate configurației care să permită dezvoltarea unei game largi de aplicații țintă.

Figura 27

Figura 28

Figura 29

Concluzii

Adăugarea de inteligență unei surse de tensiune aduce avantaje numeroase. Atingerea acestui țel se poate face simplu, prin adăugarea unui MCU, sau mai complex prin utilizarea unei soluții complet integrate și mai performante, precum un dsPIC de înaltă performanță sau un MCU de semnal mixt care integrează toate performanțele și perifericele necesare pentru a realiza o sursă de tensiune în comutație pe un singur cip .
Indiferent cum este implementată, alimentarea inteligentă are potențialul de a avea un impact semnificativ în operarea dispozitivului electric și – mai important – în randament. Cu ajutorul soluțiilor moderne înalt integrate, performante și economice, adăugarea de inteligență este oportună

2.5 Controlul surselor de tensiune cu ajutorul microcontrolerelor

Sursele de alimentare, parte integrantă a majorității sistemelor electronice, reprezintă acum o piață semnificativă, una în creștere cu o viteză extraordinară. Timp de mulți ani, proiectele de surse de alimentare au constat dintr-o combinație complexă între componente analogice și semiconductoare de putere. Proporția de surse de tensiune în comutație (SMPS) crește, luând locul surselor liniare tradiționale.De fapt, estimările curente arată că mai mult de jumătate din câștigul producătorilor de surse de alimentare este generat de vânzarea surselor în comutație.O sursă de tensiune în comutație poate oferi multe avantaje față de o sursă liniară, precum un randament mult mai ridicat, domenii de operare mai largi, preț mai mic, dimensiune mai mică, în particular pentru aplicații de putere ridicată. Oricum, numeroasele avantaje ale unei surse în comutație au devenit astăzi așteptări normale de la performanțele unei surse de tensiune, iar proiectanții caută implementarea de bucle de control digital, pentru a oferi randament și performanțe tot mai ridicate, reducerea numărului de componente, creșterea siguranței și posibilitatea de adăugare de noi caracteristici

Metode de control al surselor de tensiune în comutație

În cadrul unei surse în comutație, bucla de control care comandă PWM (modulatorul) și FET-urile sincrone este uzual realizată prin tehnici analogice. Era posibilă înlocuirea acestor tehnici analogice cu niște forme de control digital, dar până de curând costul acestor tehnici și componente era prea mare, chiar și pentru cele mai speciale aplicații.
Drept rezultat, majoritatea proiectanților de SMPS sunt încă nefamiliarizați cu tehnicile de control digital, ei căutând să dezvolte soluții de circuite analogice divergente și confidențiale în încercarea de a fi economici și în același timp competitivi pe piața surselor de tensiune în comutație.

Microcontrolere în schemele de proiectare ale surselor de tensiune

În afară de funcțiile de bucle de control digitale, microcontrolerele simple și-au găsit deja locul în numeroase scheme de SMPS, oferind control, monitorizare, funcții deterministice și comunicații (în mod uzual bazat pe I2CTM – ca de exemplu standardul PMBusTM). La nivelul cel mai simplu, microcontrolerele pot oferi multe funcții deterministice de tip “ON/OFF” în cadrul sistemelor de surse de alimentare, precum pornire lină, secvențiere la pornire, monitorizarea tensiunii și detectare funcționare defectuoasă / restabilirea funcționării. Unele proiecte de SMPS utilizează un microcontroler pentru supravegherea buclei de control, oferind un control proporțional pentru un dispozitiv de control existent dedicat. Microcontrolerele avansate, special destinate pieței surselor de alimentare, pot oferi semnal mixt, resurse on-chip pentru minimizarea numărului de componente necesare și joacă un rol tot mai activ în comanda topologiilor buclelor de control al SMPS. Oricum, în toate aceste cazuri, bucla de control în sine rămâne o funcție analogică, deoarece microcontrolerele nu au performanțele de procesare necesare pentru a gestiona digital bucla în mod eficient.

Avantajele unei bucle de control digitale

Figura 30

Microcontrolerele oferă control simplu ON/OFF al funcțiilor discrete

Figura 31

Control proporțional cu microcontroler pentru un CI PWM separat dedicat pentru sursă de alimentare

Figura 32

Un microcontroler specializat operează în cadrul topologiei buclei de control

Figura 33

Implementarea complet integrată a buclei de control digital prin utilizarea unui controler de semnal digital

Implementarea unei surse de alimentare în comutație cu buclă de control complet digitală poate aduce multe avantaje comparativ cu schemele analogice. .
Capacitatea de a oferi un suport rapid diferitelor cerințe ale clienților (precum sarcini capacitive sau inductive) poate fi realizată prin simpla particularizare software a caracteristicii de răspuns a sursei de alimentare. Configurarea software poate asigura suportul pentru diferite configurații de surse cu platformă hardware comună, sau poate modifica topologia sistemului în timpul funcționării, bazat pe o tensiune de intrare, precum descreșterea alimentării de la baterie. Sistemele pot beneficia astfel și de upgrade firmware la locul de funcționare. Prin utilizarea unei platforme comune și particularizare software pot apare numeroase avantaje de fabricație. Posibilitatea de fabricare a unui sistem cu control digital conduce și la reducerea numărului total de componente, la capacitatea de compensare automată a variațiilor în câmpul de toleranță, eliminarea toleranței componentelor prin filtrul buclei, și testare simplă. Reducerea numărului de componente este de asemenea un avantaj în cazul proiectelor de surse cu factor de formă redus.Cu toate că nu este o caracteristică exclusivă a designului complet digital, capacitatea de a procesa rapid bucle de control multiple poate ușura adăugarea de caracteristici avansate unei surse de alimentare, precum: controlul independent sau partajarea sarcinii unor terminale de alimentare multiple într-o schemă unică; integrarea PFC (Power Factor Correction) – funcție cerută în Europa pentru toate sursele AC/DC peste 75 Watt; și chiar și un control adaptiv, predictiv al frecvenței PWM pentru atenuarea oricăror întârzieri în bucla de control / comunicații, optimizarea răspunsului tranzitoriu și îmbunătățirea randamentului și performanțelor.

Alte avantaje, asigurate numai de controlul complet digital, includ: abilitatea de a avea o caracteristică de răspuns ce nu poate fi obținută într-o buclă de control analogic; răspuns mai rapid prin “pre-încărcarea” filtrului buclei. Suplimentar pot fi oferite cu ușurință caracteristici precum: calibrarea automată a sistemului, compensarea cu temperatura, tensiunea de intrare și sarcina, sincronizarea dintre conversia de putere și evenimente externe, capacitate de schimbare rapidă.Capacitatea de procesare integrată necesară unui design complet digital poate cuprinde și alte funcționalități anterior menționate ca: monitorizare de tensiune și deconectare în condiții de supratensiune sau tensiune redusă, măsurare de la distanță, pornire lină, secvențiere a alimentării, gestionarea funcționării defectuoase, detectarea problemelor de funcționare, controlul ventilatorului, comunicație serială – fără necesitatea unui procesor suplimentar.În timp ce beneficiile generale ale unui control digital sunt foarte clare, costurile asociate cu implementarea duceau la limitarea numai la acele aplicații care necesitau cu adevărat caracteristici de control avansat.

Implementarea unui control digital economic

Controlerele de semnal digital (DSC) – o nouă clasă de microcontrolere de înaltă performanță cu capacitate integrată de procesare de semnal – oferă acum performanțele de procesare necesare pentru implementarea economică a unei bucle de control complet digitale pentru majoritatea aplicațiilor de surse de alimentare.

Un bun exemplu este Microchip dsPIC® DSC (Digital Signal Controller) – un microcontroler de 30MIPS, 16-biți, memorie flash, cu capacități extinse DSP, care conferă dispozitivului capacitatea, de exemplu, de a procesa o buclă simplă de control PID (Proportional Integral Differential) cu o viteză de peste 600kHz. Circuitul dsPIC standard prezintă opțiuni de temporizare flexibile, control resetare și management al puterii, periferice hardware (precum comunicație serială), funcții pe care le pot utiliza aplicații de surse de alimentare. Suplimentar, dispozitivele sunt disponibile în capsulă foarte mică QFN 6 mm x 6 mm, și suportă domeniu extins de temperatură de până la 125OC.
Cu scopul de a oferi dispozitive economice cu cele mai mari performanțe posibile, Microchip a dezvoltat circuitele dsPIC cu PWM înalt optimizat, modul comparator și modul convertor analog / digital destinate special aplicațiilor de surse.
Ca și caracteristică a noilor circuite dsPIC30F1010 și dsPIC30F2020/2023, modulul SMPS PWM suportă operații PWM standard, complementare, contratimp, multi-fază, fază variabilă, resetare curent și limitare curent. El are o rezoluție de 1 nanosecundă, suportă o varietate de configurații de timpi de bază și funcții de manipulare a erorilor de funcționare.
Modulul de comparator dual de mare viteză al noilor dispozitive, cu intrări de referință individuale programabile pe 10-biți și histerezis integrat, oferă un control direct asupra modulului PWM, aceste lucruri făcând circuitele să fie primele DSC de pe piață care pot implementa topologii de surse de alimentare de mod curent.
Convertorul analog/digital pe 10-biți dispune de până la 12 canale de intrare, poate funcționa la o viteză maximă de conversie de 2 MSPS, și prezintă funcții de sincronizare avansată. Această din urmă funcție oferă capacitatea implementării la operarea în mod curent a unor algoritmi simpli, eficienți, cu compensare de pantă.

Prin combinarea celor trei module descrise anterior se obțin bucle de control cu latență scăzută, foarte flexibile, de înaltă rezoluție pentru feedback de tensiune și de curent.
Noile dispozitive SMPS DSC combină periferice de înaltă performanță cu randamentul mare software al miezului dsPIC pentru a oferi cea mai economică modalitate de implementare a unei bucle de control digital.

Concluzii

Sursele de alimentare în comutație sunt recunoscute ca oferind randament crescut, dimensiuni reduse și flexibilitate mai mare decât sursele liniare. Unui astfel de sistem îi este adesea adăugat un microcontroler simplu pentru a se obține caracteristici suplimentare de control și comunicație. Microcontrolerul era rar utilizat în cadrul buclei de control, care, până de curând, era domeniul unor scheme analogice de diferite complexități.

În timp ce beneficiile implementării unei bucle de control complet digitale pot fi rapid înțelese, modalitatea actuală de implementare a rămas o sarcină scumpă și complexă – și cu siguranță peste capabilitatea unui microcontroler standard.De aceea a fost dezvoltată o nouă clasă de microcontrolere, cu capacitate integrată de procesare de semnal, ce a adus viteza de procesare necesară la îndemâna proiectanților de surse de alimentare. Prin adăugarea de module periferice speciale, aceste controlere de semnal digital permit realizarea de surse de înalt randament și flexibilitate, precum și o întreagă paletă de caracteristici ce pot fi implementate pentru prima oară în cadrul surselor.[7]

2 .6 Microcontroller

Generalitati

La modul general un controler ("controller" – un termen de origine anglo-saxonă, cu un domeniu de cuprindere foarte larg) este, actualmente, o structură electronică destinată controlului unui proces sau, mai general, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară intervenția operatorului uman. Primele controlere au fost realizate în tehnologii pur analogice, folosind componente electronice discrete și/sau componente electromecanice (de exemplu relee). Cele care fac apel la tehnica numerică modernă au fost realizate inițial pe baza logicii cablate (cu circuite integrate numerice standard SSI și MSI ) și a unei electronici analogice uneori complexe, motiv pentru care "străluceau" prin dimensiuni mari, consum energetic pe măsură și, nu de puține ori, o fiabilitate care lăsa de dorit.

Apariția și utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducere consistentă a costurilor, dimensiunilor, consumului și o îmbunătățire a fiabilității. Există și la ora actuală o serie de astfel de controlere de calitate, realizate în jurul unor microprocesoare de uz general cum ar fi Z80 (Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola), etc.

O definiție, cu un sens foarte larg de cuprindere, ar fi aceea că un microcontroler este un microcircuit care incorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie împreună cu resurse care-i permit interacțiunea cu mediul exterior.

Utilizarea microcontrollerelor

Toate aplicațiile în care se utilizează microcontrolere fac parte din categoria așa ziselor sisteme încapsulate-integrate (“embedded systems”), la care existența unui sistem de calcul incorporat este (aproape) transparentă pentru utilizator.

Printre multele domenii unde utilizarea lor este practic un standard industrial se pot menționa: în industria de automobile (controlul aprinderii/motorului, climatizare, diagnoză, sisteme de alarmă, etc.), în așa zisa electronică de consum (sisteme audio, televizoare, camere video și videocasetofoane, telefonie mobilă, GPS-uri, jocuri electronice etc.), în aparatura electrocasnică (mașini de spălat, frigidere, cuptoare cu microunde, aspiratoare), în controlul mediului și climatizare (sere, locuințe, hale industriale), în industria aerospațială, în mijloacele moderne de măsurare – instrumentație (aparate de măsură, senzori și traductoare inteligente), la realizarea de periferice pentru calculatoare, în medicină.

Ca un exemplu din industria de automobile (automotive industry), unde numai la nivelul anului 1999, un BMW seria 7 utiliza 65 de microcontrolere, iar un Mercedes din clasa S utiliza 63 de microcontrolere. Practic, deși am prezentat ca exemple concrete numai sisteme robotice și mecatronice, este foarte greu de găsit un domeniu de aplicații în care să nu se utilizeze microcontrolerele.

Caracteristici arhitecturale ale unitatii centrale

Arhitectura unității centrale de calcul (CPU) este unul din elementele cele mai importante care trebuie avut în vedere în analiza oricărui sistem de calcul. Principalele concepte luate în considerare și întâlnite aici sunt următoarele:

Arhitecturi de tip " Harvard "

La această arhitectură există spații de memorie separate pentru program și date. În consecință ar trebui să existe și magistrale separate (de adrese și date) pentru codul instrucțiunilor și respectiv pentru date.

CISC .Aproape toate microcontrolerele au la baza realizării CPU conceptul CISC (Complex Instruction Set Computer). Aceasta înseamnă un set uzual de peste 80 instrucțiuni, multe din ele foarte puternice și specializate.

RISC

(Reduced Instruction Set Computer) este un concept de realizare a CPU care a început să fie utilizat cu succes de ceva timp și la realizarea microcontrolerelor. Prin implementarea unui set redus de instrucțiuni care se pot executa foarte rapid și eficient, se obține o reducere a complexității microcircuitului, suprafața disponibilizată putând fi utilizată în alte scopuri.

2.6.1 Aspecte legate de implementarea memoriei microcontrollerelor

În afară de memoria locală de tip RAM, de dimensiuni relativ reduse (de la x10 octeți la x1k), implementată ca atare sau existentă sub forma unui set de registre și destinată memorării datelor (variabilelor), mai există o serie de aspecte specifice, marea majoritate a acestora fiind legată de implementarea fizică a memoriei de program (și eventual a unei părți a memoriei de date) cu ajutorul unor memorii nevolatile. Clasic, memoria de program era implementată într-o variantă de tip ROM: EPROM pentru dezvoltare și producție pe scară mică/medie sau mask-ROM pentru producția de masă.

Familii de mocrocontrolere reprezentative

8048 (Intel MCS-48 – www.intel.com )

8051 (Intel MCS-51 și mulți alții: Atmel, Philips)

A doua generație de microcontrolere de 8 biți a firmei Intel care, deși apărută acum 20 de ani, încă ocupă un segment semnificativ de piață. Cu o arhitectură destul de ciudată, este suficient de puternic și ușor de programat (odată învățat!). Arhitectura sa are spații de memorie separate pentru program și date. Poate adresa 64KBytes memorie de program, din care primii 4(8..32)KBytes locali (ROM). Poate adresa 64KBytes memorie de date externă, adresabilă doar indirect. Are 128 (256) octeți de RAM local, plus un număr de registre speciale pentru lucrul cu periferia locală. Are facilități de prelucrare la nivel de bit (un procesor boolean, adresare pe bit). Intel a dezvoltat si un “super 8051” numit generic 80151. Actualmente există zeci de variante produse de diverși fabricanți (Philips, Infineon, Atmel, Dallas, Temic, etc.) precum și cantități impresionante de soft comercial sau din categoria freeware/shareware. Au apărut și dezvoltări ale acestei familii în sensul trecerii la o arhitectură similară (în mare), dar pe organizată pe 16 biți, cu performanțe îmbunătățite ca viteză de prelucrare: familia XA51 eXtended Arhitecture de la Philips și familia 80C251 (Intel). Din păcate aceste noi variante nu s-au bucurat nici pe departe de succesul „bătrânului” 8051.

80C196 (Intel MCS-96)

Este un microcontroler pe 16 biți făcând parte din generația treia de microcontrolere a firmei Intel. Destinat inițial unor aplicații din industria de automobile, are o arhitectură von Neumann, cu un spațiu de adresare de 64KBytes, o unitate de intrări/ieșiri numerice de mare viteză (destinată inițial controlului injecției la un motor cu ardere internă), ieșiri PWM, convertor analog numeric, timer watchdog. Există multe variante, ultimele cronologic apărute, fiind mult superioare variantei inițiale. Există și o dezvoltare recentă sub forma familiei MCS-296 (80C296).

80C186, 80C188 (Intel, AMD, ș.a.)

Derivate din clasicele 8086/88 prin includerea pe același microcircuit a 2 canale DMA, 2 numărătoare/timere, un sistem de întreruperi și un controler pentru DRAM. Marele avantaj al acestor cvasi(aproape) microcontrolere (ele nu au memorie integrată!) este legat de utilizarea ca mediu de dezvoltare a unor platforme de calcul tip IBM-PC, compatibile 80×86, cu tot softul aferent.

68HC05 (Freescale)

Un microcontroler de 8 biți derivat din microprocesorul M6800 și care prezintă multe asemănări cu un alt microprocesor răspândit, la timpul său, 6502. Are un spațiu de memorie unic (64Kbytes) în care sunt plasate și registrele perifericelor (I/O, timere) cu un indicator de stivă (SP) hard pe 5biți (stivă de maxim 32 octeți !). Există variante cu memorie EEPROM, CAN, port serial, etc. Este unul din cele mai răspândite microcontrolere (comparabil cu 8051). Varianta evoluată a acestei familii este seria 68HC08 bazată pe o nouă unitate centrală de 8 biți numită CPU08, cu cea mai recentă dezvoltare sub forma seriei 68HCS08 destinată în mod special unor aplicații din industria automobilului.

2.6.2 Limbaje de programare

Limbajul mașină și de cel de asamblare

Limbajul mașină (instrucțiunile mașină) este singura formă de reprezentare a informației pe care un microcontroler o "înțelege" (ca de altfel orice alt sistem de calcul !). Din păcate această formă de reprezentare a informației este total nepractică pentru un programator, care va utiliza cel puțin un limbaj de asamblare, în care o instrucțiune (o mnemonică cu operanzii aferenți) are drept corespondent o instrucțiune în limbaj mașină (excepție fac macroinstrucțiunile disponibile la unele asambloare). Un program în limbaj de asamblare este rapid și compact. Aceasta nu înseamnă că un astfel de program, prost scris, nu poate fi lent și de mari dimensiuni, programatorul având controlul total (și responsabilitatea !) pentru execuția programului și gestiunea resurselor. Limbajul de asamblare este primul care trebuie învățat, chiar sumar, atunci când dorim să proiectăm o aplicație hard/soft cu un anume microcontroler (familie), el permițând înțelegerea arhitecturii acestuia și utilizarea ei eficientă.

Interpretoare

Un interpretor este o implementare a unui limbaj de nivel înalt, mai apropiat de limbajul natural. Este de fapt un program rezident care, în acest caz, rulează pe o platformă de calcul de tip microcontroler. Caracteristic pentru execuția unui program interpretat, este citirea și executarea secvențială a instrucțiunilor (instrucțiune cu instrucțiune). De fapt fiecare instrucțiune de nivel înalt este interpretată într-o secvență de instrucțiuni mașină care se execută imediat.

Compilatoare

Un compilator combină ușurința în programare oferită de un interpretor (de fapt de limbajul de nivel înalt) cu o viteză mai mare de execuție a codului. Pentru aceasta programul, în limbaj de nivel înalt, este tradus direct în limbaj mașină sau în limbaj de asamblare (urmând a fi apoi asamblat). Codul mașină rezultat are dimensiuni relativ mari (dar mai mici decât cel interpretat) și este executat direct, ca un tot, de microcontroler. De regulă codul generat poate fi optimizat fie ca dimensiune, fie ca timp de execuție. Se pot enumera compilatoare pentru limbajele: C, BASIC, Pascal, PL/M (Intel), Forth.[8]

2.7.Arduino

Generalitați

Arduino este o companie open-source care produce atât plăcuțe de dezvoltare bazate pe microcontrolere, cât și partea de software destinată funcționării și programării acestora. Pe lângă acestea include și o comunitate uriașă care se ocupă cu creația și distribuirea de proiecte care au ca scop crearea de dispozitive care pot sesiza și controla diverse activități sau procese în lumea reală.

Proiectul este bazat pe designul plăcilor cu microcontroler produse de câțiva furnizori, folosind diverse tipuri de microcontrolere. Aceste plăci pun la dispoziția utilizatorului pini I/O, digitali și analogici, care pot fi interfațați cu o gamă largă de plăcuțe numite scuturi (shield-uri) și/sau cu alte circuite. Plăcile au interfețe de comunicații seriale, inclusiv USB pe unele modele, pentru a încărca programe din calculatorele personale. Pentru programarea microcontrolerelor, Arduino vine cu un mediu de dezvoltare integrat (IDE) bazat pe proiectul Processing, care include suport pentru limbaje de programare ca C și C++.

Primul Arduino a fost lansat în 2005, având ca țintă asigurarea unei soluții ieftine și simple pentru începători și profesioniști spre a crea dispozitive capabile să interacționeze cu mediul, folosind senzori și sisteme de acționare. Cele mai comune exemple sunt dispozitivele pentru utilizatorii începători precum: roboții simpli, termostatele și/sau detectoarele de mișcare.

Plăcuțele Arduino sunt disponibile comercial sub formă preasamblată sau sub forma unor kituri de asamblat acasă (do-it-yourself). Specificațiile schemelor sunt disponibile pentru orice utilizator, permițând oricui să fabrice plăcuțe Arduino. Adafruit Industries estimase la mijlocul anului 2011 că peste 300.000 de plăcuțe oficiale Arduino au fost produse, iar în 2013 700.000 de plăcuțe oficiale erau în posesia utilizatorilor.

Figura 34

Una dintre primele placute Arduino cu interfata de comunicatii seriala RS-232 si un microcontroller Atmel Atmega8. Cei 14 pini digitali de intrare/iesire sunt localizati in partea de sus iar cele 6 intrari analogice sunt pe partea dreapta , jos sub microcontroller

O plăcuță Arduino este compusă dintr-un microcontroler Atmel AVRde 8-, 16- sau 32-biți (deși începând cu 2015 s-au folosit microcontrolere de la alți producători) cu componente complementare care facilitează programarea și încorporarea în alte circuite. Un aspect important la Arduino este că acesta dispune de conectori standard, care permit utilizatorului să conecteze plăcuța cu procesorul la diferite module interschimbabile numite shield-uri. Unele shield-uri comunică cu Arduino direct prin pinii digitali sau analogici, dar altele sunt adresabile individual prin magistrala serială I²C permițând utilizarea mai multor module în paralel. Până în anul 2015 plăcuțele Arduino oficiale au folosit cipuri Atmel din seria megaAVR, în special ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280 și ATmega2560, iar în 2015 au fost adăugate cipuri de la alți producători. O multitudine de alte procesoare au fost folosite de dispozitive compatibile Arduino. Multe plăcuțe includ un regulator liniar de 5 V și un oscilator cu cuarț de 16 MHz (sau un rezonator ceramic în unele variante), deși anumite plăcuțe, cum ar fi LilyPad, funcționează la 8 MHz și nu necesită regulator, datorită restricțiilor de formă. Un microcontroler instalat pe Arduino vine preprogramat cu un bootloader care simplifică încărcarea programelor pe memoria flash a cipului, în comparație cu alte dispozitive care necesită programatoare externe. Acest aspect face Arduino o soluție simplă, permițând programarea de pe orice computer ordinar. În prezent, bootloader-ul optiboot este bootloader-ul implicit instalat pe Arduino UNO.

La nivel conceptual, când se folosește mediul de dezvoltare integrat Arduino, programarea tuturor plăcuțelor se face prin conexiune serială. Implementarea acesteia diferă în funcție de versiunea hardware. Unele plăcuțe Arduino au implementate convertoare de nivel logic pentru a realiza conversia între nivelele logice RS-232 și cele TTL. Plăcuțele Arduino din prezent sunt programate prin USB, având integrate cipuri de conversie USB-serial, cum ar fi FTDI FT232. Unele modele UNO, mai noi, folosesc un cip AVR separat programat să funcționeze ca un convertor USB-serial, care poate fi reprogramat printr-un port ICSP dedicat. Alte variante, cum ar fi Arduino Mini și versiunea neoficială Boarduino, folosesc adaptoare detașabile USB-serial, cabluri, Bluetooth sau alte metode.

Figura 35

O placuta arduino cu descrierile pinilor

Plăcuța Arduino are expuși mulți dintre pinii de intrare/ieșire ai microcontrolerului, pentru ca aceștia să fie folosiți de alte circuite. Diecimila, Duemilanove și UNO oferă 14 pini digitali de intrare/ieșire, dintre care 6 pot produce semnale PWM și 6 intrări analogice care, de asemenea, pot fi folosite ca intrări/ieșiri digitale. Acești pini sunt accesibili prin partea superioară a plăcuței, prin intermediul unor barete mamă cu pasul între pini de 2,54 mm.

Software :

Programele Arduino pot fi scrise în orice limbaj de programare cu un compilator capabil să producă un cod mașinăbinar. Atmel oferă un mediu de dezvoltare pentru microcontrolerele sale, AVR Studio și mai nou, Atmel Studio.

Proiectul Arduino oferă un mediu integrat de dezvoltare (IDE), care este o aplicație cross-platform, scrisă în Java. Acesta își are originile în mediul de dezvoltare pentru limbajul de programare Processing și în proiectul Wiring. Este proiectat pentru a introduce programarea în lumea artiștilor și a celor nefamiliarizați cu dezvoltarea software. Include un editor de cod cu funcții ca evidențierea sintaxelor, potrivirea acoladelor și spațierea automată și oferă mecanisme simple cu un singur click, pentru a compila și a încărca programele în plăcuța Arduino. Un program scris în IDE pentru Arduino se numește sketch.[

Arduino IDE suportă limbajele de programare C și C++ folosind reguli speciale de organizare a codului. Arduino IDE oferă o librărie software numită Wiring, din proiectul Wiring, care oferă multe proceduri comune de intrare și ieșire. Un sketch tipic Arduino scris în C/C++ este compus din două funcții care sunt compilate și legate cu un ciot de program main(), într-un program executabil cu o execuție ciclică:

setup(): o funcție care este rulată o singură dată la începutul programului, când se inițializează setările.

loop(): o funcție apelată în mod repetat până la oprirea alimentării cu energie a plăcuței.

După compilarea și legarea cu GNU toolchain inclus, de asemenea, în IDE, mediul de dezvoltare Arduino trimite comandă către programul avrdude pentru a converti codul executabil într-un fișier text codat hexazecimal, care poate fi încărcat în placa Arduino de un program de încărcare.

2.7.2Exemplu de program

Un program Arduino tipic pentru un programator începător face ca un LED să se aprindă intermitent. Acest program este încărcat pe placă, în mod normal, de către producător. În mediul de dezvoltare Arduino, utilizatorul ar trebui să scrie un astfel de program după cum urmează:

void setup() {

pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);

}

void loop() {

digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);

delay(1000);

digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);

delay(1000);

}

Multe plăcuțe Arduino conțin un LED, împreună cu un rezistor în serie, între pinul 13 și masă (GND), ceea ce este un amănunt util pentru multe teste.

4.5 Dezvoltare

Figura 36

Placuta compatibila Arduino UNO R3 produsa in China fara logo-ul Arduino, dar cu semne identice, inclusiv inscriptia Made in Italy

Arduino are o platformă hardware open-source: referințele de design pentru Arduino sunt distribuite sub licența Creative CommonsAttribution Share-Alike 2.5 și sunt disponibile pe situl Arduino. Schemele și fișierele de producție sunt și ele disponibile. Codul sursă pentru IDE este disponibil sub GNU General Public License, version 2. [9]

Capitolul 3. Proiectarea sursei comandate

3.1. Caiet de sarcini

Înainte de începerea execuției lucrări trebuie sa realizam urmatoarele

Lucrarea prezenta este despre proiectarea si realizarea unei surse de alimentare controlata prin microcontroller care sa furnizeze diferite tensiuni prestabilite in program.

Etapele realizarii proiectului

Realizarea unei scheme electrice in LTspice

Simularea schemei electrice in LTspice

Proiectarea circuitului imprimat in DesignSpark PCB

Realizarea practica a circuitului imprimat

Procurarea unui Arduino

Crearea unui program Arduino care sa comande tensiunea de iesire a unei surse

Intocmirea unei liste cu piesele necesare

Procurarea pieselor

Procurarea uneltelor necesare

Statie de lipit

Bormasina

Spirale de 0.8 si 1 mm

Aparat de masura

Vas de corodare

Fier de calcat

Realizarea montajului

Testarea montajului

3.2 Schema bloc

Figura 37- Schema bloc

3.3 Scheme detaliate

Figura 38

Sursa 12V

Figura 39

Schema circuit:

Figura 40

În acest circuit furnizăm un semnal de la 0 la 5 volți la pinul 3 al amplificatorului LM358. Acesta ridică sau coboară ieșirea la pinul 1 până când tensiunea la pinul 2 se potrivește cu tensiunea furnizată la pinul 3.

R1 în circuit este ajustat pentru a se potrivi cu R2.

Vout = Vin x ()

Vout = Vin ( 1+)

Vout = 2 x Vin

Proiectarea si simularea circuitului in LTspice

LTspice este un software de simulare SPICE de înaltă performanță, un sistem de captare schematică și vizualizator de forme de undă, cu îmbunătățiri și modele pentru simularea mai ușoară a circuitelor analogice. sunt incluse în Ltspice si amplificatoare, precum și o bibliotecă de dispozitive pentru simularea circuitelor generale .
LTspice XVII , simulatorul folosit de mine pentru a proiecta si simula circuitul a fost inițial realizat cu ani în urmă pe Berkeley SPICE 3F4 / 5. Simulatorul a trecut printr-o re-scriere completă pentru a îmbunătăți performanța acestuia, a repara erorile și a extinde simulatorul astfel încât acesta să poată rula modele semiconductoare standard și comportamentale.

A fost adăugată o capacitate de simulare digitală, inclusiv co-simulare. S-au făcut îmbunătățiri ample ale simulatorului SPICE analogic, cum ar fi procesarea paralelă și asamblarea dinamică și generarea de coduri obiect în rezolvarea matricei SPARSE pentru a face LTspice XVII simulatorul analogic superlativ din industrie.

Contine peste 200 de modele de amplificatoare operationale, rezistoare, tranzistoare bipolare, fet si mosfet.

Simularea circuitului

Figura 41

Schema electrica a circuitului

Figura 42

Simulare in LTspice

Figura 43

In realizarea acestui proiect am avut nevoie de urmatoarele componente

Amplificator operational

Potentiometru

Tranzistor

Modul de extensie

Rezistor

Punte redresoare

Stabilizator de tensiune

Condensator electrolitic

9.Arduino Uno

Lista pieselor cu valorile necesare

Figura 44 – tabel cu piese

Arduino Uno :

Figura 45

MCP4725

Vom folosi MCP4725 pentru a genera un semnal de 0 – 5 volți

Firura 46

Figura 47

MCP4725 este un convertor digital-analogic (DAC) controlat de I2C. Acesta permite trimiterea semnalului analogic, cum ar fi un val sinusoidal, dintr-o sursă digitală, cum ar fi interfața I2C de pe microcontrolerul Arduino. Convertoarele digitale la cele analogice sunt excelente pentru generarea sunetului, instrumente muzicale și multe alte proiecte

LM358

LM358 este un amplificator operațional dual integrat cu putere redusă, inițial introdus de National Semiconductor. Abrevierea LM358 indică un circuit integrat cu 8 pini, care cuprinde două amplificatoare operaționale la putere redusă.

LM358 este proiectat pentru utilizare generală, ca amplificatoare, filtre de trecere înaltă, filtre cu bandă joasă și dispozitive analogice.

Figura 48

Caracteristici :

Lățime mare de bandă (unitate de câștig): 1 MHz

Câștig mare de tensiune

Canal de scurgere de curent foarte scăzut

Tensiune de plecare mică la intrare: 2 mV

TIP122 – Tranzistor bipolar NPN 5A 100V

Figura 49

Figura 50

3.4 Schema finala

Figura 51

Principalii parametri electrici care caracterizeaza un rezistor :

Rezistenta nominala Rn care reprezinta valoarea rezistentei care trebuie realizata prin procesul tehnologic si care este inscrisa pe corpul rezistorului .Toleranta t este exprimata in procente si reprezinta abaterea maxima admisibila a valorii reale R a rezistentei fata de valoarea nominala Rn. .
Puterea de disipatie ,Pn(exprimati in wati) si tensiunea nominala ,Un reprezinta puterea electrica maxima si respectiv tensiunea electrica maxima ce se pot aplica rezistorului in regim de functionare indelungata fara a-i modifica caracteristicile.Uzual ,pentru a-i asigura rezistorului o functionare cat mai indelungata ,puterea disipata de rezistor in circuit este bine sa fie mai mica decat 0.5Pn. .
Puterile nominale standardizate ale rezistoarelor sunt:

0.05,0.1,0.125,0.25,0.5.,1,2,4,6,12,16,25,40,50,100W. [10]

Principalii parametri electrici care caracterizeaza un condensator :

Capacitatea condensatorului C=Q/ (V1 –V2) [1]

În cazul condensatoarelor liniare, capacitatea C nu depinde de mărimile electrice Q și V din relația [1] ci doar de materialele și de geometria în care sunt aranjate acestea în timpul procesului de fabricație a condensatorului. Relația dintre curentul prin condensator și tensiunea la bornele lui este, în cazul cel mai general,

[2] Uc(t)=Uc(0)+1/C ∫ Ic (t)dt

sau

[3] Ic(t)=C du c /dt

Capacitatea nominală Cn și toleranța acesteia, se specifică în catalog la o anumită frecvență (50Hz, 800Hz, 1kHz).

Tensiunea nominală Un, reprezintă valoarea maximă a tensiunii continue sau a tensiunii efective (sinusoidale) ce nu determină fenomene de străpungere în condensator la funcționare îndelungată.

Rezistența de izolație Riz , reprezintă valoarea raportului tensiune-curent continuu la un minut după aplicarea tensiunii la terminale

Tangenta unghiului de pierderi tg δ , este raportul între puterea activă disipată și puterea reactivă înmagazinată, măsurate la aceeași frecvență la care s-a măsurat capacitatea nominală. În tabelul urmator se dau valori ai factorului tg δ pentru condensatoare de uz curent. [11]

Figura 52

Parametrii electrici ai unui transformator

Figura 53 – Transformator

Presupunem că ambele circuite ale transformatorului au spirele înfășurate în același sens și că au N1 respectiv N2 spire . Transformatorul se consideră că funcționează în gol (i2=0, adică circuitul secundar este deschis). Dacă se aplică transformatorului tensiunea alternativă u1 de valoare efectivă U1 în primar apare curentul de intensitate i1 și valoare efectivă I1. Acesta, conform legii Biot-Savart, dă naștere unui flux magnetic alternativ având valoarea instantanee Φ = Φmcos ωt. Acest flux variabil care străbate spirele ambelor înfășurări face să apară în cele N1 spire ale primarului o tensiune electromotoare (t.e.m) de autoinducție:

{\displaystyle e_{1}=-N_{1}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}=N_{1}\omega \Phi _{m}sin\omega t}

iar în secundar, t.e.m. este:

{\displaystyle e_{2}=-N_{2}{\frac {\mathrm {d} \Phi }{\mathrm {d} t}}=N_{2}\omega \Phi _{m}sin\omega t}

Facem raportul celor două relații:

{\displaystyle {\frac {e_{1}}{e_{2}}}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}}

Conform legii lui Ohm, în circuitul primar suma dintre tensiunea de alimentare u1 și t.e.m. de autoinducție e1 trebuie să fie egală cu căderea de tensiune din primar:

u1 + e1 = R1 i1

unde R1 este rezistența primarului. De obicei, valoarea lui R1 este mică și produsul R1i1 se poate neglija, astfel încât:

e1 ≈ -u1

Semnul „−” arată că t.e.m. de autoinducție e1 este în opoziție de fază cu tensiunea rețelei de alimentare a transformatorului, u1. La funcționarea în gol a transformatorului, t.e.m. e2 este egală cu tensiunea u2 de la bornele secundarului:

e2 = -u2

Rezultă deci, că:

{\displaystyle {\frac {e_{1}}{e_{2}}}\simeq {\frac {U_{1}}{U_{2}}}}

T.e.m. e1 și e2 sunt în fază, iar tensiunile u1 și u2 sunt în opoziție de fază (semnul – din fața raportului u1 / u2 indică această defazare, de π radiani). În valoare absolută, rezultă o relație și între valorile efective ale mărimilor alternative:

{\displaystyle {\frac {U_{1}}{U_{2}}}\simeq {\frac {E_{1}}{E_{2}}}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}=k}

[12]

Capitolul 4. Realizarea practica a dispozitivului proiectat

4.1 Proiectarea circuitului imprimat

Pentru proiectarea circuitelor imprimate am folosit programul DesignSpark PCB.
Acesta este un software gratuit de proiectare a produselor electronice (software-ul EDA este o subclasă de software de proiectare asistată de calculator (CAD)). DesignSpark a rezultat dintr-o colaborare între distribuitorul de componente electronice RS Components și dezvoltatorul de software EDA Number One Systems.

Proiectele sunt utilizate în PCB DesignSpark pentru a organiza fișiere de proiectare. Un proiect poate avea un număr nelimitat de foi schematice și un fișier layout PCB. DesignSpark PCB are un editor Schematic utilizat pentru a desena diagrame de circuite și conexiuni. Un proiect poate avea mai multe fișe schematice care se combină împreună pentru a forma proiectarea completă.Există câteva biblioteci utile care pot fi adăugate.Schema este tradusă într-un fișier PCB cu „WizardPCB” . Un editor de layout PCB este apoi utilizat pentru a rafina aspectul fizic al plăcii de circuit imprimat. Un design poate avea mai multe iterații înainte ca o placă de circuit imprimată finalizată să fie trecută pentru producție

DesignSpark PCB include un router auto care plasează automat piese între componente pe un layout PCB. Componentele pot fi, de asemenea, plasate automat.Acesta de asemenea produce fișiere de găurit Gerber și Excellon. Aceste fișiere standard sunt acceptate de companiile de fabricare a PCB-urilor și sunt folosite pentru a construi o placă cu circuite imprimate

Figura 54

Schematic design

Figura 55

PCB design

Figura 56 -3D design – privire de sus

Figura 57-3D design – privire din spate

Figura 58 – 3D design – privire din lateral

4.2 Realizarea practica a circuitelor

Primul pas in realizarea fizica a circuitului il reprezinta printarea circuitelor pe hartie

Figura 59 – Printarea circuitelor pe hartie

Dupa printare putem trece la transferul de toner. Tonerul este o cerneala uscata sub forma de praf care este utilizata in procesul de printare . Contine carbon ,material plastic si oxid de fier pentru culoare. Avantajul major pe care il reprezinta tonerul fata de cerneala lichida a imprimantelor cu jet de cerneala este faptul ca tonerul se topeste la caldura si cu ajutorul unor role care preseaza hartia, acesta patrunde in fibra hartiei ramanand prins in ea dupa solidificare.

Suportul trebuie pregatit foarte bine deoarece oxidul de cupru acumulat sau grasimea impiedica tonerul sa adere la cupru, in consecinta este necesar sa curatam si sa degresam suprafata de cupru inainte de a incepe procesul termic.

Mai jos putem vedea o suprafata inainte si dupa procesul de curatare si degresare .

Figura 60 – Suprafata de cupru inainte de prelucrare

Figura 61 – Suprafata de cupru dupa procesul de taiere , curatare si degresare

Figura 62 – Transferul de toner

Pentru transferul de toner folosesc fierul de calcat

Figura 63 – Transferul de toner

Figura 63 – Suprafata de cupru dupa transferul de toner

Figura 65 – Circuit dupa corodare

Figura 66 – Dupa corodare se poate trece la gaurirea circuitului

Aspectul final al circuitul dupa montarea componentelor

Figura 67 – Aspectul final

Figura 68 – Aspectul final – vedere spate

Acelasi lucru am facut si pentru realizarea sursei de 12 V

Figura 69 – Suprafata de cupru dupa procesul de curatare si degresare

Figura 70 – Suprafata de cupru dupa transferul de toner

Figura 71 – Circuit dupa corodare

Figura 72 – Circuitul imprimat dupa gaurire

Figura 73 – Circuitul imprimat dupa gaurire

Figura 74 – Aspectul final al sursei dupa montarea componentelor

Figura 75 – Aspectul final al sursei dupa montarea componentelor – vedere spate

4.2 Imagini din timpul testarii

4.3 Aspectul final

Capitolul 5. Realizarea programului

#include <Wire.h>

#include <Adafruit_MCP4725.h>

Adafruit_MCP4725 dac; // constructor

void setup(void) {

uint32_t dac_value;

dac.begin(0x60); // The I2C Address: Run the I2C Scanner if you're not sure

dac.setVoltage(819, false);

}

void loop(void)

{

// About 1V Out from MC4725

// About 2V Out at TIP122 emitter

}

Concluzii

Prezenta lucrare cu tema „Proiectarea și realizarea unei surse de tensiune liniară controlată prin microcontroller „ a necesitat multa munca si documentare, aceasta fiind impartita in doua mari parti.

Alegerea si proiectarea unei scheme alcatuieste in linii mari prima parte in realizarea acestui proiect. Am ales programul LTspice XVII, fiind o aplicatie ce permite captura schematică și analiza functionarii, cu îmbunătățiri și modele pentru simularea mai ușoară a circuitelor analogice ce contine peste 200 de modele de amplificatoare operationale, rezistoare, tranzistoare bipolare, fet si mosfet.

Pentru realizarea PCB-urilor am avut de ales dintr-o varietate de programe, cum ar fi LT Spike ,Proteus 8.6, Eagle, Target 3001!, PCB Artist si DesignSpark PCB. Am ramas la DesignSpark PCB deoarece, dupa parerea mea, este un program destul de simplu de utilizat si mai mult de atat, cu acesta m-am familiarizat cel mai mult in timpul orelor de curs din cadrul facultatii.

Desigur nu totul a iesit cum mi-as fi dorit, asa ca au fost nevoie de mai multe incercari si editari pentru a ajunge la o varianta finala a circuitului de imprimare, unde totul a fost exact conform schemei iar functionarea era una corecta.

Realizarea practica a proiectului impreuna cu alegerea componentelor si materialelor au inglobat a doua parte.Dupa parcurgerea acestor pasi am trecut la crearea codului cu care sa programez modulul arduino intrucat sa imi furnizeze diferite tensiuni prestabilite in cod.

Circuitl functioneaza si are parametrii conform cerintelor de proiectare

Rezumat

Lucrarea de față cu tema „Proiectarea și realizarea unei surse de tensiune liniară controlată prin microcontroler” are in componența sa 5 capitole in care se aduce discutia in prima fază de evolutia surselor de alimentare, trecand prin aproape toate descoperirile si imbunatatirile avute până acum in prezent. În prezentul actual sunt surse foarte performante având dimensiuni reduse față de primele exemplare. Mai multe găsim in capitolul 1 unde pe lângă această evoluție a surselor putem citi și despre noua generatie de control digital impreuna cu un exemplu de sursa de stadiu actual.

După acest prim capitol cu evoluția surselor de alimentare, in prima parte a capitolului 2 vorbesc despre surse de tensiune impreuna cu o mica comparatie intre sursele de tensiune si cele de curent. Iar la finalul capitolului regăsim informatii despre microcontrollere si despre controlul surselor de tensiune cu ajutorul acestora, impreuna cu aspecte legate de implementarea memoriei acestor dispozitive.

În capitolul 3 regăsim „caietul de sarcini” pe care trebuie să îl respect pentru îndeplinirea cerințelor încât să realizez acest proiect, împreună cu scheme detaliate si schema finala care înglobează tot proiectul

Trecem la capitolul 4 unde este explicată fiecare etapă făcută pentru realizarea practică a proiectului. Vorbesc despre fiecare pas parcurs spre realizarea PCB-urilor , print screen-uri cu proiectul in Design Spark , imagini reale din timpul realizării, teste practice , aspectul final și multe altele.

In final ajungem la capitolul 5 , acesta având in componență aplicații software utilizate ,dezvoltarea arduino și programul împărțit pe module utilizat pentru programarea microcontroller-ului impreuna cu schema logica .

Summary

The present paper on "Design and realization of a voltage source controlled by a microcontroller" consists of 5 chapters in which I bring the discussion of the
evolution of power sources passing through almost all the discoveries and improvements made so far. In the present, there are very high-performance sources of small size compared to the first specimens. We find more in Chapter 1 where, besides this evolution of sources, we can also read about the new generation of digital control along with an example of a current stage source.

After this first chapter on the evolution of power sources, in the first part of chapter 2 I am talking about voltage sources together with a small comparison between the voltage sources and the current sources. And at the end of the chapter we find information about microcontrollers and about controlling the voltage sources together with aspects related to the memory implementation of these devices.

In Chapter 3 we find the " Task book" that I have to respect to fulfill the requirements to accomplish this project, together with detailed schemes and the final scheme that includes the entire project.

We move on to chapter 4 where is explained each stage for the practical realization of the project. I'm talking about every step taken to make the PCB’s, print screens with the Design Spark project, real-time images, practical tests, final appearance and much more.

Finally, we come to chapter 5, which consists of software applications, Arduino development, and the code divided into modules used to program the microcontroller along with the logic scheme.

Bibliografie

[1] – Bucur, C., Electronica aplicata generala, Editura UPG Ploiești, 2007; – Capitolul 2. Surse de alimentare controlate

[2] – Minescu, M., Avramescu, V., Tehnologii electronice, Editura UPG Ploiești, 2003; – Capitolul 4. Realizare practica

[3] – Paraschiv,N., Sisteme cu microprocesoare , Editura UPG Ploiești, 2011; – Capitolul 5. Realizarea programului

[4] – http://www.kepcopower.com/newsevo.htm – Poza 2, 3, 4, 5, 6 ; Text 1

[5] – http://blogit.diabloscomputer.ro/cum-evoluat-sursa-de-alimentare/ – Poza 7,8 ; Text 2

[6].-.http://electronica-azi.ro/2017/03/02/noua-generatie-de-control-digital-pentru-sursele-de-alimentare/ – Poza 9 ; Text 3

[7] – http://www2.seasonic.com/product/prime-750-w-gold/ – Poza 10, 11, 12, 13, 14, 15 ; Text 4

[8] – http://www.etc.ugal.ro/lfrangu/cursSA-1-intro.pdf – Poza 16, 17, 18, 19, 20; Text 5

[9] – http://www.tehnium-azi.ro/page/articole_articles/_/articles/surse-de-alimentare/Surse_de_alimentare_liniare_pentru_amplificatoare_audio – Poza 21, 22, 23 ; Text 6

[10] – http://electronica-azi.ro/2015/04/30/surse-de-tensiune-inteligente/ – Poza 24, 25,..,32, 33 ; Text 7

[11] – https://ro.wikipedia.org/wiki/Microcontroler ; /Arduino – Poza 34, 35, 36, 45 ; Text 8 ,Text 9

[12] – http://henrysbench.capnfatz.com/henrys-bench/arduino-projects-tips-and-more/a-powerful-little-arduino-programmable-10v-supply/ – Poza 40 , 46, 47, 48 , 49 ,50, 51

[13] – http://www.circuiteelectronice.ro/tutoriale-electronica/rezistoarele-electrice-parametrii-si-simbolizare.html – Text 10

[14] – http://ep.etc.tuiasi.ro/files/MCCP/Mccp10-C.pdf – Poza 52 ; Text 11

[15]- https://ro.wikipedia.org/wiki/Transformator – Poza 53 ; Text 12