Электрическая схема и принцип действия

ВВЕДЕНИЕ

 

Импульсные, или ключевые, источники электропитания в настоящее время получили распространение не меньшее, чем линейные стабилизаторы напряжения. Их основными достоинствами являются: высокий коэффициент полезного действия, малые габариты и масса, высокая удельная мощность. Все перечисленные свойства эти источники питания получили благодаря применению ключевого режима при работе силовых элементов. В ключевом режиме рабочая точка транзистора большую часть времени находится в области насыщения или области отсечки, а зону активного (линейного) режима проходит с высокой скоростью за очень малое время переключения. При этом в области насыщения напряжение на транзисторе близко к нулю, а в режиме отсечки в транзисторе отсутствует ток, благодаря чему потери в транзисторе оказываются достаточно малыми. Все это приводит к тому, что средняя за период коммутации мощность, рассеиваемая в ключевом транзисторе, оказывается намного меньше, чем в линейном регуляторе. Малые потери в силовых ключах приводят к уменьшению или полному исключению охлаждающих радиаторов.

К недостаткам импульсных источников электропитания обычно относят: сложность схемы, наличие высокочастотных шумов и помех, увеличенные пульсации выходного напряжения (в среднем в десять раз больше, чем в линейных стабилизаторах), большое время выхода на рабочий режим.

Таким образом, учитывая широкое распространение таких ИВЭП, необходимо подчеркнуть важность данного курсового проекта в рамках которого разрабатывается система управления импульсным преобразователем напряжения.

 

 

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

 

На рис. 1.1 приведена структурная схема импульсного преобразователя. Регулирование выходного напряжения обеспечивается с помощью широтно-импульсной модуляции управляющих сигналов. ШИМ реализуется следующим образом. Задающий генератор (ЗГ) и генератор развертывающего напряжения (ГРН) служат для получения линейно-изменяющегося напряжения пилообразной формы. ЗГ вырабатывает высокочастотные импульсы прямоугольной формы и необходим для синхронизации ГРН. В компараторе опорное (управляющее) напряжение u_оп сравнивается с линейно-изменяющемся напряжением пилообразной формы u_п. Т.о. на выходе компаратора образуется последовательность прямоугольных импульсов u_шим, длительность которых зависит от величины u_оп. Далее сигнал поступает на силовые транзисторные ключи через усилительный или согласующий каскад.

 

Рис. 1.1

 

Глубина ШИМ характеризуется коэффициентом заполнения (скважность импульса):

 

g=t_и/T (1.1)

 

где t_и - длительность импульса управления, а T=f^-1 - период повторения.

 

Рис. 1.2

 

Принцип действия ШИМ иллюстрирует Рис. 1.2. На нём  - развёртывающее напряжение,  - управляющее напряжение.

Преобразователь на основе ШИМ (изменение относительной длительности импульса, при постоянной частоте) представлен на Рис. 1.3. При использовании преобразователя такого типа расчёт выходного фильтра однозначен.

 

Рис. 1.3

 

 

Силовая часть

 

Электрическая схема и принцип действия

 

Рассчитаем схему двухтактного полумостового преобразователя по схеме приведенной на рис. 2.1. Работает он следующим образом. При открытом транзисторе VT1 происходит передача энергии от конденсатора C1 в нагрузку и в накопительный L1C3-фильтр. Одновременно производится подзарядка конденсатора C2. Во время паузы, когда транзисторы VT1 и VT2 закрыты, конденсатор фильтра разряжается на нагрузку, а через диодный мост в нагрузку передается энергия, накопленная в дросселе L1.

При открывании транзистора VT2 в нагрузку будет передаваться энергия, накопленная в конденсаторе C2, а конденсатор C1 будет подзаряжаться.

 

Рис 2.1

 

Транзисторный ключ

 

Учитывая достаточно низкие требования по напряжению (Напряжение на запертых транзисторах равно напряжению питания, так как оно всегда равно сумме напряжений на конденсаторах C1 и C2: U_кэ = 160 В.), транзистор для ключа можно выбрать как биполярный, так и полевой, но так как частота достаточно высокая, я больше склонен к биполярному транзистору.

Транзистор должен отвечать следующим требованиям:

 

U_кэ = (U_{вх, max})* 1.25 = 160 * 1.25 = 200 В,

I_к = 1.414 * 1.25 * P_вых/U_{вх, min} = 1.875 А,

 

А его быстродействие должно соответствовать частоте ШИМ.

По всем параметрам подходит биполярный транзистор КТ844А, с параметрами:

 

U_{кэ, max} = 250 В.

I_{к, max} = 10 А.

f_гр = 1 МГц.

 

Для обеспечения гальванической развязки схемы управления от силовой цепи сигналы управления подводятся к затворам силовых транзисторов VT1 и VT2 через оптопары типа АОТ128Б(4N25) имеющие следующие характеристики: напряжение коммутации Uк=30В, остаточное выходное напряжение U_оствых=0.4В, входной ток I_вх<30ма.

Диоды

 

Тип диодов следует выбирать из соображений:

 

U_{обр, max} = (U_вх /2) * 1.25 = 100 В,

I_{пр, max} = I_{к, max} = 1.875 А,

 

Выбираем диоды КД239А (1N4007) со следующими основными параметрами:

Iпрmax=20A

Uпр=1.4В

Uобр=100В

f_дmax=500kHz

 

Расчет выходного фильтра

 

Минимальная индуктивность L дросселя выходного фильтра рассчитывается при условии безразрывности тока I_L дросселя согласно выражению:

 

 

Выберем g = 2*U_н/E_п = 0.4, а номинальный ток I_н = P_н/U_н = 6.25 А. Индуктивность при номинальном токе нагрузки равна:

L1>23 мкГн.

Выберем L1=25 мкГн.

Емкость конденсаторов входного делителя рассчитываем исходя из допустимой амплитуды (размаха) пульсаций U_п на конденсаторе:

 

g = 0,4_п = 2.5В

f_п = 60 кГц

С2 = 1.628 мкФ.

Выберем C2 и C3 типа К50-27-160В-2мкФ.

Емкость конденсатора C4 выходного сглаживающего фильтра с учетом требования по уровню пульсаций напряжения на нагрузке U_п можно определить по формуле:

 

 

Выбираем C3 типа K50-27-160B-10мкФ

Результаты моделирования приведены на рисунке 2.2 (т.к. при расчете коэффициента заполнения g не учитывалось КПД преобразователя, в процессе моделирования g получился 0.35).

 

 

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: