Полумостовой преобразователь

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

 

Факультет     информационных технологий и управления

Кафедра     теоретических основ электротехники

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА

к курсовой  работе

на  тему:

 

 

 

Полумостовой преобразователь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение..........................................................................................................................................................4

1. Выбор функциональной схемы и элементной базы.................................................5
2. Разработка принципиальной электрической схемы..............................................10
3. Электрический и конструктивный расчет индуктивного элемента..........15
4. Временные диаграммы работы преобразователя....................................................20
5. Расчет статических и динамических потерь и КПД.............................................21
6. Моделирование процессов в силовой части преобразователя .................... 24

Заключение.................................................................................................................................................28

Список использованных источников......................................................................................29

Приложения……………………………………………………………………..…………………………...

Приложение А. Функциональная схема………………………………………..………….31

Приложение Б. Схема электрическая  принципиальная.………………..………….32

Приложение В. Перечень элементов.......................................................................................33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Электропитание  радиоаппаратуры осуществляется источниками  вторичного электропитания (ИВЭП), которые  подключаются к источникам первичного электропитания и преобразуют их переменное или постоянное напряжение в требуемые выходные напряжения различных номиналов как постоянного, так и переменного тока, с характеристиками, обеспечивающими нормальную работу радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в  заданных режимах.

В настоящее  время всё большее применение находят импульсные источники питания (ИИП), ввиду их меньших массогабаритных показателей, высокого КПД (до 90% – 98%) и широкого диапазона питающего напряжения и частоты.

Импульсные  источники питания являются инверторной системой. В ИИП переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае ИИП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной ФНЧ (в ИИП без гальванической развязки). В ИИП могут применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.

В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной  обратной связи. Обратная связь позволяет  поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне  зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными  способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространенными способами  являются использование связи посредством  одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. В зависимости  от величины сигнала обратной связи (зависящему от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение. 

1. ВЫБОР ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ И ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

 

На рисунке 1.1 приведена базовая схема полумостового  преобразователя.

Рисунок 1.1 –  Базовая схема полумостового  преобразователя

 

Транзисторы VT1 и VT2 образуют полумостовой каскад, который коммутирует нижний вывод первичной обмотки трансформатора TV1 то к шине напряжения питания, то к «общему» выводу схемы. Конденсаторы С1 и С2 обычно имеют одинаковую емкость и задают «среднюю потенциальную точку» для верхнего вывода первичной обмотки трансформатора. Во вторичной обмотке трансформатора включен выпрямитель VD1, VD2 и LC-фильтр, на выходе которого снимается напряжение U_OUT.

В зависимости  от требований технического задания  к базовой схеме могут подключаться дополнительные функциональные элементы.

Для защиты устройства дополнительно применим ограничитель входного тока.

Так как  преобразователь питается от переменного  сетевого напряжения, то необходимо дополнительно  использовать сетевой фильтр (для  защиты сети от электромагнитных помех) и сетевой выпрямитель (для преобразования сетевого переменного напряжения в  постоянное).

Для управления силовыми ключами используем широтно-импульсный модулятор (ШИМ) с двумя обратными связями (по току и по напряжению). Для питания микросхемы дополнительно необходимо использовать выпрямитель и стабилизатор.

Исходя  из вышесказанного, функциональная схема  будет включать в себя следующие элементы:

• ограничитель входного тока
• сетевой фильтр
• сетевой выпрямитель
• инвертор
• силовой трансформатор
• 2 выходных выпрямителя с L-C фильтрами
• выходной стабилизатор
• широтно-импульсный модулятор
• выпрямитель и параметрический стабилизатор питания ШИМ
• звенья обратной связи

Функциональная схема преобразователя приведена в приложении А графической документации.

В качестве ограничителя входного тока использован  терморезистор SCK103, основные характеристики которого приведены в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1 – Технические характеристики SCK103:

 

Максимальный ток, IMAX	3А
Сопротивление (при T = 25 ˚С), R	10 Ом
Диапазон рабочих температур	-40˚C ÷ +170˚C

 

Сетевой выпрямитель построен на базе диодного моста MDA970A6.

 

Таблица 1.2 – Технические характеристики MDA970A6:

 

Максимальное постоянное блокируемое напряжение, URM	600 В
Максимальное обратное напряжение, UR	420 B
Средневыпрямленный прямой ток, IО	4 А

 

В качестве силовых ключей использованы n-канальные MOSFET транзисторы IRF821.

 

Таблица 1.3 – Технические характеристики IRF821:

 

Напряжение сток-исток, UDSS	450 В
Напряжение затвор-исток, UGS	±20 B
Непрерывный ток стока(при T = 25 ˚С), ID	4 А
Диапазон рабочих температур	-55˚C ÷ +150˚C

 

В качестве сердечника трансформатора выберем  кольцевой ферритовый магнитопровод EPCOS B64290-A674-X830.

 

Таблица 1.4 –  Технические характеристики EPCOS B64290-A674-X830:

 

Материал	N30
Индукция насыщения магнитопровода, ВНАС	380 мТл
Эффективная магнитная проницаемость  магнитопровода,µЭФФ	4300
Внешний диаметр, D	36 мм
Внутренний диаметр, d	23 мм
Высота, h	15 мм

 

Выходной  стабилизатор построен на микросхеме TL431.

 

Таблица 1.5 – Технические характеристики TL431:

 

Напряжение катода, UKA	37 В
Непрерывный ток катода, IКА	-100 мА÷ +150 мА
Диапазон входного тока	-50 мкА÷ +10 мА
Диапазон рабочих температур	-65˚C ÷ +150˚C

 

В качестве устройства управления использован  широтно-импульсный модулятор TL494.

 

Таблица 1.6 – Технические характеристики TL494:

 

Напряжение питания, UСС	7÷ 40 В
Входное напряжение усилителя	-0,3 ÷ (UСС – 2), В
Выходное напряжение коллектора	40 В
Выходной ток коллектора	200 мА
Ток через вывод обратной связи	0,3 мА
Частота генератора	1 ÷ 300, кГц

 

Схема выпрямителя вспомогательного источника питания построена на базе диодного моста 3N257.

 

Таблица 1.7 – Технические характеристики 3N257:

 

Максимальное повторяющееся обратное пиковое напряжение, URRM	600 В
Максимальное среднеквадратическое напряжение, URMS	420 B
Средневыпрямленный прямой ток, IО	2 А

 

Стабилизатор  вспомогательного источника питания  построен на основе стабилитрона BZV85-C15 и компенсационного стабилизатора MC7815.

 

Таблица 1.8 – Технические характеристики BZV85-C15:

 

Напряжение стабилизации, UZ nom	15 В
Ток стабилизации, IZT	15 мА
Обратный ток утечки, IR	5 мкА
Диапазон рабочих температур	-65˚C ÷ +200˚C

 

Таблица 1.9 – Технические характеристики MC7815:

 

Выходное напряжение, UO	15 В
Ток, IQ	5,2 мА
Тока короткого замыкания, ISC	250 мА
Диапазон рабочих температур	-65˚C ÷ +150˚C

 

Для построения выходных выпрямителей использованы диоды MUR1540.

 

 

Таблица 1.10 – Технические характеристики MUR1540:

 

Максимальное постоянное блокируемое  напряжение, UR	400 В
Максимальное повторяющееся обратное пиковое напряжение, URRM	400 В
Диапазон рабочих температур	-55˚C ÷ +175˚C

 

 

 

2. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

 

На рисунке 2.1 приведена электрическая схема  сетевого фильтра (L₁, L₂, С₁, С₄, С₅) и сетевого выпрямителя с фильтром (VD₃, С₉).

Рисунок 2.1 – Электрическая схема сетевого фильтра и сетевого выпрямителя с фильтром