Электрический расчет импульсного источника электропитания

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4 Однотактный преобразователь с обратным включением диода (а), его схема замещения (б) и эпюры, поясняющие работу (в).

 

 

На рисунке 4б представлена эквивалентная схема  ОППН; все элементы, изображенные на схеме, принято считать идеальными. Сопротивление нагрузки и емкость конденсатора приведены к первичной обмотке трансформатора; если n= W₁/W₂, где W₂ - число витков вторичной обмотки трансформатора, то R_{н пр} = n² R_н и Cпр = C/n. Среднее значение напряжения на R_{н пр} равно nU₀, где U₀ - среднее значение напряжения на R_н. На рисунке 4б L - индуктивность первичной обмотки трансформатора.

Существуют  два характерных режима работы ОППН: непрерывных и прерывистых токов  в индуктивности L. Если значение L достаточно велико (больше некоторого критического L_кр) и поэтому накопленная за время t_и в трансформаторе энергия передается в нагрузку в течение всего интервала T-t_и, то имеет место режим непрерывных токов. При L< L_кр  ток в индуктивности L протекает лишь в течение части интервала T-t_и; возникает режим прерывистых токов, в котором импульсные токи через транзистор и диод больше чем в режиме непрерывных токов (при одинаковой мощности в нагрузке и равных средних значений токов нагрузки). Поэтому обычно используют режим непрерывных токов. Графики на рисунке 4в приведены для этого режима.

Основные  расчетные соотношения  для ОППН приведены в таблице 5.

Ниже приводится порядок расчета.

1. Выбор значения частоты f производится комплексно, с учетом массы, габаритов и коэффициента полезного действия (кпд) ОППН, а также параметров элементной базы, имеющийся в распоряжении. При увеличении частоты уменьшаются габариты, масса и пульсации выходного напряжения, улучшаются динамические свойства стабилизации; одновременно снижается кпд.

Точное определение  оптимального значения частоты f является очень сложной задачей. В настоящее время наиболее употребительные значения частот находятся в диапазоне свыше 20 кГц.

2. Выбираем максимальное значение D_max относительной длительности отпирающих транзистор импульсов, которое зависит от величины T=1/f и длительности неуправляемых переходных процессов в современных мощных высоковольтных биполярных транзисторах при их переключении. Сумма типовых времен рассасывания, спада и нарастания тока коллектора равна примерно 10 мкс, что составляет (0,2…0,3)T в диапазоне частот f= 20…30 кГц. На практике принимают D_max » 0,5.
3. Производится расчет параметров по формулам (1…6) таблицы 5. В формулах приняты следующие обозначения:

U_С2min, U_С2н, U_С2max - минимальное, номинальное и максимальное значения входного напряжения ОППН;

D_н, D_min - номинальное и минимальное значения относительной длительности импульсов, отпирающих транзистор;

U_0min, U_0н , U_{0 max} - минимальный, номинальный и максимальный уровни стабилизируемого выходного напряжения постоянного тока;

I_0min, I_0max - минимальное и максимальное значения среднего тока в нагрузке;

I_1max - амплитудное значение тока в первичной обмотке трансформатора.

4. Производится расчет трансформатора по формулам (7…10) таблицы 5.

В формулах приняты следующие обозначения:

S_м - площадь сечения сердечника магнитопровода, (м²);

S_ок - площадь окна магнитопровода (м²);

h_тр = 0,85 - кпд трансформатора;

К_ок = 0,25 - коэффициент заполнения окна магнитопровода обмотками;

j - удельная плотность тока в обмотках трансформатора (А/м²);

DВ - циклическое изменение магнитной индукции, равное разности максимального и минимального значений индукции (Тл);

 I₂-максимальное значение действующего тока вторичной обмотки трансформатора (А);

d-величина немагнитного зазора в магнитопроводе (м);

m₀ = 4p 10^-7 - магнитная постоянная, (Гн/м).

 

Таблица 5 – Расчетные  соотношения для ОППН с обратным включением диода.

 

	Параметр	Формула расчета
1	n
2	Dн
3	Dmin
4	Lкр
5	L	1,2 Lкр
6	I1max
7	Sм Sок
8	W1
9	I2
10	d
11	C
12	Iсmax	I0max
13	Uкэmax
14	Iк max
15	UVDобр
16	IVDmax	nI1max

Определяем приближенную величину расчетной (габаритной) мощности трансформатора:

P_тр=1,2 U_01max I_01max= Вт

P_тр=1,2 U_02max I_02max= Вт

В трансформаторах  обычно используют ферритовые магнитопроводы, получившие распространение вследствие их малой стоимости и небольших потерь мощности от вихревых токов на высоких частотах. Однако индукция насыщения и магнитная проницаемость у ферритов значительно меньше, чем у металлических ферромагнетиков.

В процессе работы ОППН изменение индукции DВ в магнитопроводе трансформатора происходит по асимметричным (частным) циклам гистерезиса. Важно правильно выбрать значения DВ для расчета. Указанные в справочной литературе значения В_m, при которых ферриты близки к насыщению, изготовителями сердечников не проверяются и не гарантируются. Изменения В_m от одного магнитопровода  к другому составляют ±30% от указанного в справочнике номинального значения В_m. Поэтому рекомендуется принимать DВ = 0,15 Тл.

           В случае насыщения магнитопровода трансформатора индуктивность первичной обмотки значительно уменьшается, а ток коллектора транзистора может превысить предельно допустимые нормы. Для предотвращения насыщения в магнитопровод вводят немагнитный зазор. Поэтому целесообразно использовать Ш-образные замкнутые магнитопроводы из высокопроницаемых магнитомягких ферритов и обеспечивать необходимый зазор при сборке трансформатора путем введения немагнитной прокладки между двумя половинами магнитопровода. Можно также использовать магнитопровод Ш-образный замкнутый с зазором, полученным при изготовлении магнитопровода.

           Возьмем частоту f=25 кГц.

Удельную  плотность тока в обмотках трансформатора для 1-го канала выбирают зависимости  от соотношения f/P_тр из таблицы.

 

f/Pтр, Гц/ВА	2	10	20	60	100	200
j х106 , А/м2	2,3	3,0	3,3	3,7	4,0	4,4

При расчете трансформатора действующее  значение тока в первичной обмотке  принято равным амплитудному значению.

Формулы (11…12) таблицы 5.2 дают возможность рассчитать емкость С конденсатора фильтра и выбрать тип конденсатора. В этих формулах приняты следующие обозначения:

U_m2 - амплитуда переменной составляющей напряжения на конденсаторе;

I_{с max} - максимальное значение действующего тока в конденсаторе.

Чтобы улучшить точность стабилизации выходного напряжения при широком диапазоне изменения  тока нагрузки, необходимо емкость С выбирать достаточно большой т.е. U_0min C/I_0max >> D_maxT.

6. В формулах (13…14):

U_{кэ max} - амплитуда напряжения коллектор-эмиттер транзистора;

I_кmax - максимальный средний ток коллектора транзистора;

h_пр = 0,75 - кпд ОППН.

 Потери  мощности в транзисторе можно  принять равными примерно 0,1 U_0max I_0max.

На основании  полученных значений U_{кэ max}, I_{к max}, I_ок и потерь мощности выбирается транзистор.

7. В формулах (15…16):

U_{VD обр} - амплитуда обратного напряжения на выпрямительном диоде;

I_VDmax -  амплитудное значение тока в диоде. Максимальный средний ток в диоде равен максимальному току нагрузки.

Выбираем тип диода по справочным данным таблиц ПВ10,12,13.[1,18].

 

7  Расчет параметров силовой цепи  преобразователей.

Рассчитаем  первый канал по данным формулам (1..16).

1. n= =
4. Гн
5. Гн
6. Тл

Отсюда 

 

Тип магнитопровода – Ш20х28

Марка феррита  2000НМI

см⁴

см²

9. А
11. Ф
12. A
13. B

Выбираем  емкость: алюминиевый электролитический  конденсатор,

Номинальное напряжение=350В, l=25мм, диаметр=30мм, номинальная емкость=180мкф, ток через конденсатор=1,27А.

14. A
15. B

Потери: Вт

Выберем транзистор по вычисленным параметрам: КТ841А, U_кэmax=600 В, I_kmax=10 А, P=50Вт.

16. A

 

  Выберем диод: КД221А, U_VDобр=100 В, I_VDпр=0,7А.

 

 

 

 

Рассчитаем второй канал  по тем же формулам.

 

1. n=
4. Гн
5. Гн
6. Тл

Отсюда 

Тип магнитопровода - Ш20х28

марка феррита 2000НМI,

см⁴

см²

9. А
11. Ф
12. А

Выбираем  емкость: алюминиевый электролитический  конденсатор,

Номинальное напряжение=350В, так как, емкость  по току не проходит подключим параллельно  две емкости, каждая из которых имеет  параметры: l=45мм, диаметр=35мм, номинальная емкость=680мкф, ток через конденсатор=2,96 А; суммарная емкость=680*2=1360мкф, суммарный ток=5,92*2=11,84А.

Потери: Вт

Выберем транзистор по вычисленным параметрам: КТ841А, U_кэmax=600 В, I_kmax=10 А, P=50Вт.

15. В
16. А

Выберем диод: КД221А, U_VDобр=100 В, I_VDпр=0,7 А.

Расчет окончен.

 

Заключение

В данной курсовой работе я ознакомился со схемотехникой силовых управляющих цепей и с электропитанием телекоммуникационных устройств.

В задачу курсового проекта вошёл электрический  расчет составляющего модуля ЭПУ (преобразователь), а также  расчёт элемента управляющей  системы с описанием функции  устройства в общей структуре  ЭПУ.

Определил необходимую емкость, тип аккумулятора, необходимое число элементов батареи, приближенную величину расчетной мощности трансформатора.

Выбрал  тип диода по справочным данным таблиц ПВ10,12,13.

Рассчитал параметры силовой цепи преобразователя  первого и второго канала по формулам(1-16).

Таким образом, я узнал, что однотактные преобразователи, с прямым включением диода, имеют малое число силовых полупроводниковых и, связанных с ними, вспомогательных элементов. Малая величина постоянной составляющей намагничивающего тока и его независимость от тока нагрузки позволяет выполнить магнитопровод трансформатора без зазора. Также я узнал, что однотактные преобразователи постоянного, с обратным включением, диода наиболее приемлемы для схем питания небольшой мощности. Основным преимуществом данного типа преобразователей постоянного напряжения является малое число силовых элементов, используемых при построении схемы.