CC BY
102. Гречихина Е.А., Ткачева А.Р., Скотар Ю.С. Перспективы применения современных композиционных материалов и нанотехнологий в строительстве // Физика и современные технологии в АПК: материалы XI Всероссийской молодежной конференции молодых ученых, студентов и школьников с международным участием. Орел, 2020. С. 204-206.
3. Аветисян А.А., Римшин В.И., Шмуневская А.О. Углеродные нанотрубки при усилении строительных конструкций // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. 2022. № 1 (14). С. 108-111.
4. Еременко Р.Б. Аэрогель - уникальный материал, используемый в строительстве // Тенденции развития науки и образования. 2022. № 82-1. С. 54-57.
5. Нурметова А.Р., Сайфуллин А.А., Ахмадуллин Р.Р. Применение аэрогелей в строительстве // Проблемы строительного комплекса России: материалы XXVII Всероссийской научно-технической конференции, посвященной памяти профессора В.В. Бабкова. Уфа, 2023. С. 258-259.
6. Жигалова К.В., Гавриш В.В. Нанотехнологии и наноматериалы в дорожном строительстве // Современные инновации в науке и технике: сборник научных трудов 9-й Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. Курск, 2019. С. 104-108.
7. Мартынов Е.А., Весова Л.М. Влияние нанотехнологий на развитие огнезащитных материалов в строительстве // Инженерный вестник Дона. 2022. № 12 (96). С. 20-27.
8. Арсанов А.Р., Магомедов И.А. Технологии экономического строительства: принципы и инновации // Технологии экологического строительства: принципы и инновации // Миллионщиков-2023: материалы VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием. Грозный, 2023. С. 170-175.
9. Куркина И.И. Исследование структурных, электрических и оптических свойств фторированного графена и структур графен/фторированный графен/кремний // Новые материалы и технологии в условиях Арктики: материалы V Международной конференции с элементами научной школы. Якутск, 2022. С. 43-44.
10. Коробко В.И. Зарубежный опыт применения нанотехнологий в строительстве // Строительство. Экономика и управление. 2020. № 2 (38). С. 44-49.
УДК 621.314.1
МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ БЛОКА ПИТАНИЯ ДЛЯ АПК
Гришин А.Д., старший преподаватель.
ФГБОУ ВО СПбГАУ
АННОТАЦИЯ
Применение импульсных блоков питания становится все более актуальным в агропромышленном комплексе в связи с ростом роботизации и автоматизации производства. Для обеспечения стабильного питания с напряжением 12-24-48В рекомендуется использовать блоки питания класса AC/DC с встроенным выходным фильтром. При проектировании таких преобразователей важно учитывать цепи управления, токозадающую цепь, цепь силового транзистора, цепь гальванической развязки и цепь выходного фильтра. Расчет и выбор компонентов, таких как микросхемы, резисторы и транзисторы, играют ключевую роль в обеспечении эффективной работы блока питания. Адаптация устройства под конкретный тип нагрузки и обеспечение электромагнитной совместимости также представляют значительное значение при разработке. Гальваническая развязка через оптопары и трансформаторы обеспечивает дополнительную защиту и стабильность работы блока питания. Учитывая
все эти параметры, можно обеспечить эффективную и безопасную работу блока питания в агропромышленном комплексе.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Источник питания, преобразователь напряжения, помехоподавляющий фильтр, AC/DC-преобразователь, DC/DC-преобразователь, фильтр электромагнитной совместимости.
ABSTRACT
The use of switching power supplies is becoming increasingly relevant in the agro-industrial complex due to the growth of robotization and automation of production. To ensure stable power supply with a voltage of 12-24-48V, it is recommended to use AC/DC class power supplies with a built-in output filter. When designing such converters, it is important to take into account the control circuits, the current supply circuit, the power transistor circuit, the galvanic isolation circuit and the output filter circuit. The calculation and selection of components such as microchips, resistors and transistors play a key role in ensuring the efficient operation of the power supply. Adapting the device to a specific type of load and ensuring electromagnetic compatibility are also of significant importance during development. Galvanic isolation via optocouplers and transformers provides additional protection and stability of the power supply. Taking into account all these parameters, it is possible to ensure the efficient and safe operation of the pit unit.
KEYWORDS
Power supply, voltage converter, noise-canceling filter, AC/DC converter, DC/DC converter, electromagnetic compatibility filter.
Введение. Применение блоков питания в агропромышленном комплексе становится наиболее активным и масштабным в связи с роботизацией и автоматизацией производств. Так как сложные комплексы нуждаются в стабильном питании, при напряжении 12-24-48В, то с данной задачей лучше всего справляется импульсный блок питания, класса AC/DC с встроенным выходным фильтром [1].
Цель и задачи исследования - расчет и разработка схемотехнического решения преобразователя напряжения с встроенным помехоподавляющим фильтром и фильтром электромагнитной совместимости, проектирование и оптимизация параметров токозадающей цепи; повышение энергоэффективности преобразователя.
Материалы, методы и объекты исследования. Объектами исследования являются параметры диапазона выходного напряжения преобразователя, значения тактовой частоты, скважности и пульсации в пиковые моменты работы устройства. При разработки схемотехнических решений проводился расчет токозадающей цепи устройства (выбор компонентов, разработка трассировки цепи на печатной плате), от значений которого определяется параметр тактовой частоты преобразователя и прецизионность выходного напряжения (плавающий диапазон отклонений). Оптимальным значением является тогда, когда выходное напряжение отклоняется при различных режимах работы не более чем на 0,2 В (0,05%) от номинала (24,0 В), достигается за счет применения в токозадающей стабилизатора напряжения [2, 3].
Проектирование силовой и управляющей части преобразователя.
В первую очередь, при проектировании данного класса преобразователей, необходимо обращать внимание на несколько основных цепей, а именно, цепь управления, токозадающая цепь, цепь силового транзистора, цепь гальванической развязки и цепь выходного фильтра. Рассмотрим каждую цепь по отдельности, в соответствии со схемой блока питания, представленной на рисунке 1.
Перед началом проектирования необходимо учесть следующие параметры применяемости блока питания: температуру окружающей среды, воздействие влажности, значения входного и выходного напряжения, значения тока нагрузки и кратковременных перегрузок, номинальная и максимальная мощность, корпусное исполнение [4].
Исходя из выбранных факторов, происходит расчет и выбор микросхемы, в данном случае, выбор был сделан в пользу линейки семейства микросхем класса иС3842-иС3845. Данная микросхема позволят быстро произвести настройку, в соответствии с необходимыми параметрами и имеет широкий диапазон настраиваемой скважности.
Токозадающая цепь, как правило, имеет в своей схеме 3-5 резисторов, высокой точности (не менее 1%) и малой рассеиваемой мощности, при разработке собственного источника питания, были выбраны 5 прецизионных резисторов, рассеиваемой мощностью 0,125Вт, и номинальным сопротивлением 1,8Ом и 10к0м [5].
Расчет и выбор моточных изделий.
При расчете силового транзистора используется несколько методик, но основная - это подключение транзистора к Снабберной цепи, что позволяет сократить паразитное сопротивление и емкость ББР-параметра, а также позволяет сгладить шум от микросхемы и силовых выходов трансформатора, осциллограмма выходных сигналов представлена на рисунке 2 [6].
Рисунок 2 - Осциллограмма параметров токозадающей цепи
Основная особенность и сложность проектирования блока питания заключается в адаптации данного устройства, под свой тип нагрузки, а именно возможность совмещения выходных помех пульсаций и скважности устройства, электромагнитной совместимости, что добавляет специфические требования при трассировки печатных плат, данные параметры влияют на расчет цепи силового транзистора [7].
При выборе силового транзистора необходимо учитывать скорость срабатывания ключа, температуру нагрев (возможность использовать «полигон» на печатной плате и реберный радиатор), так как управляющий сигнал с силового транзистора напрямую влияет на ШИМ-контроллер (микросхему UC3843). Так же можно видеть, что значение ШИМ в схеме составляет 5В ± 0,5в, что является оптимальным для работы в сельском хозяйстве, так как там очень часто имеется агрессивная среда (влажность, резкие перепады температуры). Но не стоит забывать, что диапазон запуска микросхемы находиться в диапазоне 7,6-8,4В [8].
Цепь гальванической развязки включают в себя оптопару транзисторную и трансформатор, оба этих устройства гальванически развязывают общую схему, что позволяет обеспечить дополнительную защиту устройства [9].
Стоит обратить внимание на то, что трансформатор имеет 3 обмотки, а именно, первичную, вторичную и вспомогательную, с помощью которой происходит питание микросхемы, а рабочий цикл оптопары транзисторной представлен на осциллограмме, рисунок 3.
Рисунок 3 - Осциллограмма параметров работы ШИМ-контроллера
Исходя из параметров осциллограммы следует вывод, что в момент срабатывания оптопары транзисторной, ШИМ-контроллер, открывает выходной канал.
Завершающим фактором при проектировании блока питания, является цепь выходного фильтра. Основными компонентами, применяемыми в фильтре выходных помех, являются SMD (ЧИП) конденсаторы, чаще всего керамические, в 2 раза превышающие значение выходного напряжения (по рабочему параметру) и емкостью не более 100мкФ [10].
Выводы.
Изучив изложенный выше материал, можно сделать вывод о том, что в современном мире силовой электроники остается еще множество вопросов для изучения и разработки новых схемотехнических и топологических решений, количество методик по проектированию блоков питания насчитывается несколько тысяч, но как правило, во всех присутствуют основные составляющие: цепь управления, токозадающая цепь, цепь силового транзистора, цепь гальванической развязки и цепь выходного фильтра.
А также применение современных микросхем и компонентов SMD исполнения, можно разработать не только надежный, но и современный импульсный источник питания, подходящий по всем необходимым параметрам для роботезированного или автоматизированного агропромышленного комплекса.
Заключение.
Импульсные источники питания, с каждым днем, находят все большую сферу применения, а из-за их неприхотливости к окружающей среде и возможностью использования компаунда, дают им возможность применяться в открытом виде на многих участках производства, как с агрессивной средой, так и с высокими показателями защиты, можно сделать вывод о том, что схемотехнические решения при разработке преобразователя напряжения должны учитывать следующие факторы: диапазон входного и выходного напряжения, изменения температуры окружающей среды, средние и пиковые показатели нагрузки. Повышение КПД устройства с 89% о 94% возможно за счет полноценного и расширенного расчета применяемых компонентов токозадающей цепи и их последующее применение в схеме, а также наличие
встроенных фильтров помехоподавления и электромагнитной совместимости в устройстве.
Библиография:
1. Гулин С.В., Пиркин А.Г. Особенности бизнес-реинжиниринга при создании и эксплуатации электротехнологического оборудования // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2020. № 58. С. 130-136.
2. Гулин С.В., Пиркин А.Г. Комплексный подход к оценке эффективности сложного электротехнологического оборудования на предприятиях АПК // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2022. № 2(67). С. 145154.
3. Ракутько С.А., Медведев Г.В., Ракутько Е.Н. Влияние отклонения напряжения питания на характеристики люминесцентных ламп // АгроЭкоИнженерия. 2024. № 1(118). С. 149-160.
4. Волков В.С., Медведев Г.В. Интенсификация аппаратурно-технологической системы производства корма для аквакультуры в аппаратах с магнитоожиженным слоем ферротел // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2023. № 2(71). С. 144-153.
5. Семененко А.Ю., Гладки А.С. Разработка и исследование режимов работы универсального блока питания // Техническая эксплуатация водного транспорта: проблемы и пути развития: материалы Шестой национальной (всероссийской) научно-технической конференции (Петропавловск-Камчатский, 09-10 ноября 2023 г.). Петропавловск-Камчатский: Камчатский государственный технический университет, 2024. С. 78-81.
6. Игошин Д.А. Разнообразие видов современных блоков питания // Цифровое общество: научные инициативы и новые вызовы: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции (Москва, 22 декабря 2023 г.). М. : Центр развития образования и науки, ООО «Издательство АЛЕФ», 2023. С. 204-208.
7. Елизарьева М.Г., Бадыгов В.Ф. Переделка компьютерного блока питания в лабораторный регулируемый блок питания // Актуальные проблемы авиации и космонавтики: сборник материалов IX Международной научно-практической конференции, посвященной Дню космонавтики. В 3-х томах (Красноярск, 10-14 апреля
2023 г.). Красноярск: Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева, 2023. С. 680-682.
8. Морозов Н.В., Насонов Д.Л., Мамонова Л.Г. Повышение качества электроэнергии в сельской местности // Электроэнергетика сегодня и завтра: сборник научных статей 3-й Международной научно-технической конференции (Курск, 27 марта
2024 г.). Курск: ЗАО «Университетская книга», 2024. С. 191-194.
9. Беззубцева М.М., Гришин Д.Д. Разработка топологии импульсного АСЮС-преобразователя // Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозамещения: сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции. (Пушкин, 25-27 мая 2022 г.). СПб. : Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, 2022. С. 247-250.
10. Гришин А.Д., Беззубцева М.М. Применение преобразователей напряжения в сельском хозяйстве // Интеллектуальный потенциал молодых ученых как драйвер развития АПК: материалы международной научно-практической конференции молодых ученых и обучающихся (Пушкин, 16-18 марта 2022 г.). Том Часть II. СПб. : Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, 2022. С. 52-55.
