Устройство защиты сетевой аппаратуры от аварийного напряжения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Сегодня повсеместно используются радиоэлектронная аппаратура которая работает от сети. Так как в сети могут возникнуть скачки напряжения, то аппаратура может легко утратить свою работоспособность. Эту проблему поможет решить устройство защиты сетевой аппаратуры от аварийного напряжения, о котором и будет вестись речь в этом курсовом проекте.

Предлагаемое устройство отключит питание от аппаратуры, чувствительной к изменениям сетевого напряжения, в случае его выхода за установленные  пределы. После возврата напряжения к норме аппаратура снова будет  подключена к сети. Информация о  сетевом напряжении, за которым постоянно  следит микроконтроллер, выводится  на трехразрядный цифровой светодиодный индикатор.

С помощью данного устройства можно будет не только уберечь  аппаратуру от аварийного напряжения, но и отслеживать значение сетевого напряжения в реальном времени.

В устройстве можно установить нижний предел напряжения в интервале 150-218В и верхний – в интервале 222-255В, а также продолжительность  задержки (0-255с) подключения нагрузки к сети после того как сетевое  напряжение вернется в норму. В ходе работы микроконтроллер непрерывно измеряет средневыпрямленное напряжение сети и сравнивает результат с  заранее установленными предельными  значениями.

 

 

 

1. Анализ технического задания

 

1. Назначение и общая характеристика

 

Данное устройство предназначено  для защиты бытовой аппаратуры от аварийного напряжения и будет применятся в домашних и офисных условиях. Оно отключит устройство от сети при аварийном напряжении и, после возвращения его в норму, снова подключит устройство к сети.

Установки пороговых значение напряжения срабатывания защиты а также продолжительности задержки подключения нагрузки осуществляют кнопками SB1-SB3. При нажатии на кнопку SB3 входят в режим «меню», а нажатием на кнопку SB1 или SB2 проводят выбор устанавливаемых параметров: «uhi» (верхний предел), «ulo» (нижний предел) и «dlt» (длительность задержки). Последующее нажатие на кнопку SB3 приводит к выводу на индикатор HG1 значения устанавливаемого параметра, и нажатием на кнопку SB1 или SB2 увеличивают или уменьшают его значение. При длительном нажатии изменение параметра в сторону увеличения или уменьшения происходит быстрее (около шести раз в секунду). Если в течение 5с на кнопки не нажимать, устройство вернется в рабочий режим, а установки сохранятся в энергонезависимой памяти микроконтроллера.

В рабочем режиме на индикаторе постоянно отображается текущее  значение напряжений сети. Когда оно  выйдет за установленные пределы, нагрузка будет отключена от сети, а индикатор  начнет мигать с частотой 2Гц. После  возврата напряжения в норму, он мигает с частотой 1Гц, сигнализируя о том, что еще не истекла установленная  задержка включения. По ее окончании  индикатор перестанет мигать, а нагрузка будет подключена к сети. Для защиты от сбоев программы в микроконтроллере включен сторожевой таймер.

Налаживание сводится к установке  правильных показаний индикатора. Для  этого устройство подключают к сети вместе с образцовым вольтметром  переменного тока или мультиметром. Подстроечный резистором R2 добиваются совпадений показаний. Поскольку все элементы устройства находятся под напряжением сети, при его налаживании и эксплуатации следует соблюдать правила техники безопасности. Кроме того, желательно штырь вилки XP1, соединенный с плавкой вставкой FU1 и контактами реле K1.1, подключить к фазному проводу сети.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Требования по устойчивости к внешним воздействиям

 

Проектируемое устройство является бытовой радиоэлектронной аппаратурой и относится к группе I и в соответствии с ГОСТ 15.150-69 должно отвечать следующим параметрам:

– температура    10…40 °C

– относительная влажность

при температуре 25 °C  93 %

– значение пониженного

атмосферного давления при

температуре 25 °C ± 10 °C  70 кПа (525 мм рт.ст.)

– диапазон частот   10…55 Гц

При этом нормальными климатическими условиями являются:

– температура   10…15 °C

– относительная влажность

при температуре 25°C  40…75 %

– атмосферное давление  86…106 кПа

(650…800 мм рт.ст.)

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Требования к надежности

 

По ГОСТ 16019-78 группа I условий эксплуатации включают в себя следующие требования:

а) испытания на прочность при  воздействии синусоидальных вибраций с частотой 20 Гц;

б) испытания на воздействия повышенной влажности:

• относительная влажность воздуха 80%,
• температура окружающей среды +25°С,
• время выдержки 48 ч;

в) испытания на воздействие  повышенной температуры:

• рабочая температура 40°С,
• время выдержки 6 ч;

г) испытания на воздействие  пониженной температуры:

• предельная температура –40°С,
• время выдержки 6 ч;

д) испытания на воздействие  пониженного атмосферного давления:

• температура среды –10°С,
• атмосферное давление 6,1*10⁴ Па,
• время выдержки 6 ч;

е) испытания на прочность  при транспортировании:

• длина ударного импульса от 5 до 10 мс,
• частота ударов 40-80 Гц,
• пиковое ударное ускорение 5 g.

Климатическое исполнение       УХЛ 4.1 ГОСТ 15150-89:

• значение температуры воздуха от +1°С до +40°С;
• относительная влажность воздуха при температуре 25°С 45..80 %;
• атмосферное давление (8,36..10,6)*10⁴ Па.

 

2. Анализ схемы электрической принципиальной

 

Сетевое напряжение после  выпрямления диодным мостом VD1-VD4 через резистивный делитель R1R2 поступает на вход встроенного 10-разрядного аналого-цифрового преобразователя. Конденсатор C2 сглаживает выпрямленное напряжение а C1 подавляет помехи, проникающие из сети.

В устройстве можно установить нижний предел напряжения в интервале 150-218В и верхний – в интервале 222-255В, а также продолжительность  задержки (0-255с) подключения нагрузки к сети после того как сетевое  напряжение вернется в норму. В ходе работы микроконтроллер непрерывно измеряет средневыпрямленное напряжение сети и сравнивает результат с  заранее установленными предельными  значениями. Если он не выходит за пределы, на линии порта RB5 (вывод 1) микроконтроллера DD1 будет установлен низкий уровень поэтому транзистор VT1 закроется, обмотка реле K1 будет обесточена и его контакты отключат нагрузку от сети.

Для вывода информации использован  трехразрядный светодиодный индикатор  HG1 с общим катодом и применена динамическая индикация. Управляющий сигнал на элемент f индикатора HG1 и один из его катодов формируется непосредственно линиями порта PB0 микроконтроллера DD1, а на остальные элементы и катоды индикатора – с помощью сдвигового регистра DD2. Это обусловлено тем, что число линий портов микроконтроллера ограничено. Поэтому при отображении информации в младших разрядах (выводы 8 и 9 индикатора HG1) на линии порта PB0 присутствует высокий уровень, если необходимо «засветить» элемент f , или установлено Z-состояние, если нужно его «погасить». Когда отображается информация в старшем разряде, на линии порта PB0 присутствует низкий уровень. В этом случае элемент f в старшем разряде всегда «погашен», но для отображения цифр 1, 2 и 3, а также дополнительных символов u, d он не нужен.

Узел питания микросхем  и реле собран на понижающем трансформаторе T1, диодном мостовом выпрямителе VD5-VD8, сглаживающем конденсаторе C3 и интегральном стабилизаторе напряжения DA1. Стабилизированное напряжение используется так же, как образцовое для аналого-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер DD1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Выбор и описание конструкции изделия

 

1.  Выбор элементной базы

 

Большинство деталей монтируют  на макетной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита. Применены постоянные резисторы  МЛТ, С2-23. Причем резистор R1 составлен из двух соединенных последовательно резисторов по 110 кОм мощностью 0,25 Вт, подстроечный резистор R2 – многооборотный СП5-2ВБ, оксидные конденсаторы – К50-35, остальные – К10-17. Микроконтроллер ATtiny13V.

Кнопки – DTST-6 с длинными толкателями. Реле – TRL-12VDC-P1C с номинальным рабочим напряжением 12 В и током не более 100 мА, рассчитанное на коммутацию сетевого напряжения. Предварительно следует убедиться, что реле будет уверенно срабатывать при изменении сетевого напряжения в установленных пользователем допустимых пределах.

Трансформатор должен обеспечивать на выходе выпрямителя напряжение 12 В при токе до 100 мА и минимальном сетевом напряжении, кроме того, иметь запас по входному напряжению. Возможно например использование двух трансформаторов на 220 В, первичные и вторичные обмотки которых соединяют (с соблюдением фазировки) последовательно.

Резисторы, изготавливаемые  промышленностью, имеют сопротивление  от сотых долей ома до сотен  гигаом. Номинальное сопротивление необходимо выбирать из ряда чисел, который установлен соответствующим государственным стандартом.

Применяемые резисторы имеют  допустимую мощность рассеяния от десятых  долей до десятков ватт. Это мощность, при рассеянии которой резистор может длительно работать, сохраняя параметры в заранее установленных  пределах.

Допустимые условия эксплуатации на резисторы типа С2-33 и С2-10 следующие :

- при вибрациях ускорение 15g,

- при ударных нагрузках ускорение 500g,

- при линейных нагрузках ускорение 200g,

- влажность воздуха при температуре +40°С – 98%,

- температура окружающей среды от –60°С до +125°С.

Сопоставляя допустимые эксплуатационные характеристики резисторов, приходим к выводу, что резисторы с мощностью  рассеяния 0,125 Вт; 0,25 Вт; 0,5 Вт; 1Вт удовлетворяют  требуемым условиям эксплуатации и  могут использоваться в данной аппаратуре.

Подстроечные резисторы должны быть выполнены так, чтобы при механических воздействиях, которые могут возникнуть при эксплуатации и транспортировке самого изделия, ось не проворачивалась самопроизвольно. Для этой цели некоторые типы резисторов комплектуют специальными стопорящими устройствами, либо возможно применение красок и клея.

Для выбора конденсаторов  необходимо проанализировать условия  работы конденсаторов (напряжение в  схеме, температуру и влажность  окружающей среды), а также требования предъявляемые к его параметру. Конденсатор следует подобрать так, чтобы фактическое напряжение на нём и температура окружающей среды были меньше предельных значений, установленных техническими условиями. Анализируя параметры конденсаторов, подбираем такие, характеристики которых максимально удовлетворяют приведённым требованиям.

Допустимые условия эксплуатации на конденсаторы следующие :

- вибрации при частоте от 1 до 3000 Гц с ускорением 40g,

- при ударных нагрузках ускорение 1000g,

- атмосферное давление от 1 до 3 атм,

- влажность воздуха при температуре +25°С – 98%,

- температура окружающей среды от –60°С до +85°С.

Выбор необходимых полупроводниковых  приборов осуществляется на основании  анализа схемы электрической принципиальной генератора сигналов цветности. Будем делать выбор с учётом рассеиваемых мощностей, протекающих токов, а также на основании условий эксплуатации приведённых ниже:

- при вибрациях ускорение 20g,

- при ударных нагрузках ускорение 150g,

- при линейных нагрузках ускорение 200g,

- атмосферное давление до 3 атм,

- влажность воздуха при температуре до 98%,

- температура окружающей среды от –60°С до +100°С.

Допустимые условия эксплуатации на транзисторы:

1. при вибрациях ускорение 10g,
2. при ударных нагрузках ускорение 100g,
3. при линейных нагрузках ускорение 150g,
4. влажность воздуха при температуре до 98%,
5. температура окружающей среды от –60°С до +125°С.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  Обоснование выбора материалов и покрытий

 

Правильный выбор материала  деталей – задача сложная и  должна решаться на основании анализа  функционального назначения детали, условий ее эксплуатации и технологических  показателей и с учетом следующих  факторов: