Контрольная работа: Источники вторичного электропитания

Суммирующий усилитель (S) вычитает из опорного напряжения выходное напряжение согласующего устройства, которое по своей сути является напряжением обратной связи. Полученный таким образом разностный сигнал усиливается с помощью усилителя разностного сигнала (УР), коэффициент усиления которого и определяет статическую точность импульсного стабилизатора тока.

Широтно-импульсный модулятор (ШМ) преобразует выходное напряжение УР(U_ур)в относительную длительность управляющих импульсов. При возрастании входного напряжения ток нагрузки сигнала также увеличится скачком. При этом увеличится входное напряжение СУ и уменьшится U_ур, что приведет к уменьшению относительной длительности управляющих импульсов. Это снизит ток нагрузки до уровня заданного значения.

При снижении входного напряжения все вышеуказанные величины изменятся в обратную сторону. Таким образом, осуществляется отрицательная обратная связь.

Выходные импульсы ШМ поступают на один из входов логического элемента «И» на другой вход которого поступает выходной сигнал аналогового компаратора напряжений (К), сравнивающего выходное напряжение ИОН с выходным напряжением датчика напряжения аккумуляторной батареи (ДН). При условии U_ДН ³ U_ИОН на выходе К устанавливается уровень логического нуля, а при этом выходные импульсы ШМ через элемент «И» не пройдут. Кроме того, для индикации окончания заряда АБ должен быть предусмотрен соответствующий светодиод.

После элемента «И» широтно-модулированные импульсы поступают усилитель мощности (УМ), преобразующий эти импульсы достаточной для управления силовым транзистором мощности.

Схема

Рис. 3.2.

3. Выбор элементной базы

После выбора и обоснования структурной схемы заданного электронного устройства необходимо сделать выбор элементной базы. В первую очередь необходимо решить о типе элементной базы, наиболее подходящем для проектируемого электронного устройства.

В принципе, возможны три типа элементной базы:

) только ИМС (интегральные микросхемы);

) только ДЭ (дискретные элементы);

) ИМС и ДЭ, или смешанный тип элементной базы.

Наиболее подходящим для проектирования заданного импульсного стабилизатора тока является смешанный тип элементной базы. На дискретных элементах будет спроектирована силовая часть импульсного стабилизатора напряжения, а на интегральных микросхемах - блоки устройства управления.

Далее необходимо составить перечень критериев в приоритетном порядке для выбора, как дискретных элементов, так и интегральных микросхем. Критерии и их приоритеты определяются, в первую очередь, условиями технического задания, решаемыми при проектировании электронных устройств или иного направления. Так, например, при проектировании вторичных источников электропитания (стабилизаторов напряжения или тока) решаются задачи увеличения коэффициента полезного действия (КПД) устройства, уменьшения его массы, габаритов, стоимости.

Исходя из выше изложенного, составим перечень критериев в приоритетном порядке для выбора интегральных микросхем:

) минимальное энергопотребление;

) минимальные габариты;

) минимальная масса;

) минимальная стоимость.

Основной микросхемой, на которой будут спроектированы блоки управления, является операционный усилитель (ОУ). С учетом выше составленных требований для выбора ИМС в качестве ОУ используем микросхему типа К1401УД2 с типовой схемой включения, описанную в лит. [4].

Одна микросхема содержит в своем корпусе четыре независимых ОУ и имеет следующие параметры:

Номинальное напряжение питания: Uп = ± 15В;

Номинальный потребляемый ток: In = 3 мА;

Максимальное выходное напряжение Uвыхmаxoy = ± 12В;

Минимальное сопротивление нагрузки Rнном = 2 кОм.

Выбор другим ИМС будет осуществлен при непосредственном расчете электрической принципиальной схемы.

Составим перечень критериев в приоритетном порядке для выбора дискретных элементов.

) Минимальное падение напряжения в прямом направлении для диодов и минимальное напряжение насыщения коллектор-эмиттер для транзисторов;

) Минимальное время переключения для транзисторов;

) Минимальные габариты корпусов;

) Минимальная масса;

) Минимальная стоимость.

Выбор дискретных элементов будет осуществлен при непосредственном расчете элементов силовой части.

4. Расчет и выбор элементов силовой части

Расчет силового трансформатора. Перед расчетом силового трансформатора инверторной ячейки предварительно зададимся следующими условиями:

) Частоту промежуточного преобразования примем равной f_пр=10 кГц;

) Для реализации трансформатора используем тороидальный сердечник из феррита марки М2000НМ-1;

) Напряжение насыщения коллектор - эмиттер силового транзистора примем равным U_КЭнас=1.5 В;

) Падение постоянного напряжения на активном сопротивлении дросселя входного фильтра примем равным DV_дрвых = 0,5 В;

) Для сглаживания пульсаций входного напряжения используем Г-образный LC-фильтр, а падение постоянного напряжения на активном сопротивлении дроселя входного фильтра примем равным DU_дрвх = 4 В;

) Для выпрямления сетевого напряжения используем мостовую схему падения напряжения в прямом направлении на всех диодах примем равным DU_VD=1 В;

) Максимальную относительную длительность управляющих импульсов примем равной g_max=0.8. Определим минимальное, номинальное и максимальное амплитудное значение напряжения первичной обмотки трансформатора:

U_1MНОМ = U_с - 2DU_VD - DU_дрвх - U_КЭнас= 220 - 2 × 1 - 4 -1,5= 212,5 В;

U_1MМIN = 0.85U_с - 2DU_VD - DU_дрвх - U_КЭнас= 0.85 × 220 - 2 × 1 - 4 -1,5= 179,5 В;

U_1MМAX = 1.1U_с - 2DU_VD - DU_дрвх - U_КЭнас= 1.1 × 220 - 2 × 1 - 4 -1,5= 234,5 В;

Определим минимальное амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора:

 В.

Определим эффективные значения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора:

U_1эф=U_1mmin=179.5=160.55 B._2эф=U_2mmin=61.875=55.343 B.

Определим эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора:

I_2эф=U_1mmax=2=1.789 A.

Определим мощность вторичной обмотки трансформатора:

P₂=U_2эфI_2эф=55.343 × 1.789=99 Bт.

По графику из лит. [5] определим КПД трансформатора: i_тр=0,94.

Определим мощность первичной обмотки трансформатора:

Вт.

Определим эффективное значение тока первичной обмотки трансформатора:

А.

Определим габаритную мощность трансформатора:

Вт.

По таблицам и графикам лит. [5] определим параметры, необходимые для расчета трансформатора.

Коэффициент заполнения сердечника: к_зс=1;

Коэффициент заполнения окна медью обмоток: к₀=0,2;

Магнитная индукция в сердечнике: Вт=0,2 Тл;

Допустимая плотность тока в обмотках трансформатора: y=6,5 А/мм²;

Относительное падение напряжения на обмотках трансформатора: dU=0.03.

Определим габаритное произведение магнитопровода (всм⁴):

,

Где - коэффициент формы напряжения прикладываем к первичной обмотке трансформатора, его следует принять равным к_ф=1, так как наличие паузы в управляющих импульсных компенсируется величиной g.

 см⁴.

Из ряда стандартных магнитопроводов выбираем магнитопровод типа К40´25´7,5 с параметрами:

Ширина стержня: а=0,75 см;

Внутренний диаметр: d=2,5 см;

Внешний диаметр: D=4 см;

Высота: в=0,75 см;

Масса магнитопровода: G_С=32 гр;

Средняя длина магнитной силовой линии: l_ср=10,2 см;

Площадь окна магнитопровода: S₀=4.9087 см²;

Площадь сердечника: S_c=0,5625 см²

Определим число витков на вольт ЭДС, индуктируемый в обмотке трансформатора:

.

Рассчитаем количество витков обмоток:

W₁=W₀(1-dU)U_1эф=2.222(1-0.03)160.55=346 витков.

W₂=W₀(1+dU)U_2эф=2.222(1+0.03)55,343=127 витков.

Определим расчетное сечение S_wрас проводов первичной и вторичной обмоток в мм²:

мм²; мм².

Для обеих обмоток выбираем медный обмоточной провод марки ПЭВ-1 круглого сечения с номинальными диаметром провода без изоляции D_Wном, номинальным сечением S_Wном и диаметром провода с изоляцией D_Wид:

D_W1ном=0.38 мм; S_W1ном=0,1134 мм²; D_Wид=0,42 мм;

D_W2ном=0.62 мм; S_W2ном=0,3019 мм²; D_W2ид=0,67 мм;

Определим действительный коэффициент заполнения окна трансформатора медью обмоток:

.

(Если К₀ не удовлетворяет неравенству: 0,15 £ К₀ £ 0,22, то необходимо выбрать другой магнитопровод и произвести все расчеты заново).

Для дальнейших расчетов необходимо определить минимальную относительную длительность импульса напряжения, прикладываемых к первичной обмотке трансформатора.

,

где U_2mmax - максимальное амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора. U_2mmax=U_1mmax=234.5B.

Отсюда:

5.Расчет выходного фильтра

Расчет выходного фильтра произведем по методике, описанной в лит. [5].

Определим критическую (минимальную) индуктивность дросселя фильтра:

 Гн.

Кроме того, выбираемый дроссель должен быть рассчитан на номинальный ток подмагничивания не ниже I_mmax=2 A и на рабочею частоту не ниже f_пр=10 кГц. Исходя из этих соотношений, выбираем дроссель Д347 с последовательным соединением обмоток. Такой дроссель имеет параметры:

Номинальная индуктивность: L_номвых=0,018 Гн;

Номинальный ток подмагничивания: 2,2 А;

Максимальная рабочая частота: 50 кГц;

Сопротивление обмоток: R_дрвых=0,264 Ом.

Уточним падение постоянного напряжения на дросселе выходного фильтра:

,

что незначительно превышает заложенное значение.

Определим величину напряжения и емкости фильтрового конденсатора с учетом допустимого отклонения емкости конденсаторов от номинального значения на ±20%: U_свых>U_2mmax=86.074 В;

.

Выбираем конденсатор (справочник [6]) типа К50-27-160В-470мкФ±20%.

Определим резонансную частоту фильтра:

.

Эта частота не представляет опасности для преобразователя, так как выполняется условие f_резвых<<f_пр.

Для дальнейших расчетов необходимо определить величину изменения тока в дросселе:

6.Расчет и выбор диодов преобразовательной ячейки

Определим соотношения для выбора диодов VD₁ и VD₂ (рис.2). Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду U_обрmax>U_2mmax=86.074 В;

Максимальный прямой ток через диод:

Кроме того, выбираемые диоды должны быть рассчитаны на максимальную рабочую частоту не ниже f_пр=10кГц.Исходя из этих соотношений выбираем диоды (справочник [7]) КД212В с параметрами: Максимальная рабочая частота: 100 кГц;

Допустимое обратное напряжение U_обрдоп=100 В;

Средний прямой ток I_пр=10 А;

Прямое падение напряжения DU_VD=1 В.

7.Расчет и выбор транзисторных ключей

Определим соотношение для выбора силового транзисторного ключа инверторной ячейки.

Максимальное напряжение, прикладываемое к закрытому ключу

U_клmax>U_с1,1+(U_АБоткл+DU_VD)=220×1.1+(48+1)=375.5 В.:

Максимальный ток, протекаемый через открытый клюю

:

Исходя из этих соотношений по справочнику [8] выберем транзистор типа КТ834А с параметрами:

U_кэдоп=500 В (R_бэ=100 Ом) (допустимое напряжение коллектор - эмиттер);

I_кдоп=15 А (допустимый ток коллектора);

U_кэном=15 В (напряжение насыщения коллектор - эмиттер);

b=150 (минимальный коэффициент передачи тока базы);

U_бэнас=2 В (напряжение насыщения база - эмиттер);

t_вкл=0,6 мкс (время включения);

t_выкл=1,2 мкс (время выключения).

Для формирования траектории переключения транзистора используем демпорирующую R-C-D цепь, изображенную на рис. 5.1.

Произведем расчет R-C-D цепи.

Напряжение на зажимах транзистора изменяется по закону

.

Примем, что U_T=U_клmax=375,5 В при t=t_выкл=1,2 × 10^-6 сек, I_кл=I_клmax=0.759 A.

Определим значения напряжения и емкости конденсатора R-C-D цепи

U_c>U_клmax=375,5 В;

Выбираем конденсатор типа К73-15-630В - 0,0012 мкФ.

Определим параметры диода R-C-D цепи.

Максимальное обратное напряжение: U_обрmax>U_клmax=375,5 В;

Максимальный прямой ток: I_прmax=I_клmax=0,759 А.

Кроме того, выбираемый диод должен быть рассчитан на максимальную рабочую не ниже f_пр=10 кГц.

Выбираем диод типа КД226Г с параметрами:

U_обрдоп=600 В; f_рабmax=35 кГц; I_прср=1,7 А; U_пр=1,2 В (прямое падение напряжения).

Определим сопротивление резистора R-C-D цепи из соотношения 3RC»T/2