Расчет импульсного преобразователя сетевого напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Техническое задание

1. Обзор аналогичных устройств

2. Синтез структурной схемы

3. Синтез схемы электрической принципиальной

4. Выбор и обоснование элементной базы

5. Описание работы устройства

6. Расчетная часть

Заключение

Список литературы

Введение

Источники питания выполняют уникальную роль внутри типовых систем. Источник питания дает системе жизнь, обеспечивая устойчивым и непрерывным питанием ее схемы. Он защищает ее жестких проявлений внешнего мира, не позволяя им причинить системе вред. В случае внутреннего сбоя источник должен сбоить, не позволяя этому сбою достичь системы.

Система питания в конструкторской программе чаще всего разрабатывается в последнюю очередь, и для этого есть две основные причины:

1) никто не хочет этим заниматься, поскольку каждый желает разрабатывать более «захватывающие» схемы, и, к тому же редко какой инженер имеет действительно основательные познания в системах питания;

2) стендовые источники обеспечивают все необходимое питание на стадии отладки системы.

Внутри системы питания можно рассматривать следующие три основные технологи питания:

1. линейные стабилизаторы;

2. импульсные источники питания с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ);

3. резонансная технология импульсных источников питания с высоким КПД.

1. Линейные стабилизаторы.

Линейные стабилизаторы используются преимущественно в стационарном оборудовании, в котором выделение тепла и невысокий КПД не играют решающей роли, а желательны низкая стоимость и короткие сроки разработки. Они очень популярны в качестве встроенных на плату стабилизаторов в распределенных системах питания, в которых распределенное напряжение составляет не менее 40 В. Для автономных (не использующих подключение к общей электросети) продуктов перед линейным стабилизатором из соображений безопасности должен быть размещен каскад источника питания, призванный обеспечить диэлектрическую изоляцию от линии электроснабжения переменного тока.

Линейные стабилизаторы могут выдавать напряжение, более низкое, чем их входное напряжение, и каждый такой стабилизатор может производить только одно выходное напряжение. Каждый линейный стабилизатор имеет средний КПД, лежащий в диапазоне между 35...50%. Потери обуславливаются рассеянием тепловой энергии.

2. Импульсные источники питания с ШИМ.

Импульсные источники питания с ШИМ значительно более эффективные и гибкие в использовании, чем линейные стабилизаторы. Они обычно используются в переносных изделиях, в авиации и автомобилестроении, в небольших измерительных приборах, автономных устройствах и особенно в тех приложениях, в которых требуются высокий КПД и несколько выходных напряжений. Они весят значительно меньше линейных стабилизаторов, поскольку требуют меньшего теплоотвода для тех же выходных номиналов. Такие источники питания более дорогостоящие и требуют больше времени на разработку.

3. Резонансная технология импульсных источников питания с высоким КПД.

Этот вариант базовых импульсных источников питания с ШИМ нашел свое место в приложениях, от которых также требуются минимальный вес и наименьшие размеры, и пониженный уровень излучаемого шума (помех). Обычно такие источники питания используются в оборудовании воздушных суден, электронике космических кораблей, легковесном переносном оборудовании и модулях. Недостатком этой технологии источников питания является то, что на их проектирование уходит больше всего времени, а их стоимость обычно превышает стоимость двух рассмотренных выше технологий.

В промышленном производстве прослеживается тенденция ухода от линейных стабилизаторов (за исключением встроенных в плату стабилизаторов) и перехода к импульсным источникам питания с ШИМ. Резонансные и квазирезонансные импульсные источники питания появляются медленно в процессе развития технологии, а их проектирование упрощается.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на курсовое проектирование по курсу «Электронные элементы автоматики»

Основные требования:

1. Выходное напряжение 9,2 В

2. Потребляемый ток до 3 А

3. Пределы регулирования тока нагрузки от 2 до 4 А

4. Напряжение питания 220 В

5. Частота питающей сети 30...60 кГц

6. Предельные отклонения выходного напряжения не более 0,5% при указанной нестабильности сети и тока нагрузки

7. КПД - 74%

8. Условия эксплуатации:

- температура воздуха: от -50 до +750С;

- давление воздуха: от 740 до 780 мм. р. ст.;

- влага: 100%.

9. Конструкция - настольный прибор общего назначения

10. Массогабаритные размеры: 140*120*65

Руководитель

Тимченко В. К.

Студентка группы АП - 13Б

Тележенко С. В.

1. Обзор аналогичных устройств

На рисунке 1.1 приведена структурная схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме KP1156EУ5.

Рисунок 1.1- Структурная схема повышающего преобразователя напряжения на микросхеме KP1156EУ5

Структурная схема приведенного устройства состоит из входного фильтра, генератора, триггера, силового ключа, компаратора, дросселя, выпрямительного диода, выходного фильтра. Работает устройство следующим образом.

В течение некоторого времени транзисторы VT1 и VT2 открыты импульсом генератора микросхемы, и ток через дроссель нарастает по линейному закону. Как только падение напряжения на резисторе R1 достигнет 30050мВ, выходной импульс генератора прерывается и переключает триггер. В результате транзисторы VT1 и VT2 закрываются. Накопленная в дросселе энергия через выпрямительный диод передается в нагрузку. Процессы накопления энергии в дросселе и передачи ее в нагрузку происходят неоднократно. Через делитель напряжения часть его поступает на вход компаратора. Когда напряжение на выходе преобразователя достигнет необходимого значения, выходной сигнал компаратора запретит переключение триггера микросхемы импульсами генератора, а когда оно снизится, вновь разрешит выдать на силовой ключ очередной открывающий импульс. Таким образом, фиксированные порции энергии по мере необходимости передаются из источника в нагрузку. Частота передачи этих порций зависит от напряжения на входе преобразователя и тока нагрузки и может меняться в широких пределах - от сотен герц до 100кГц.

Недостаток такой схемы - возможность пробоя транзисторов в цепи запуска. Максимальный ток через них не должен быть более 1,5 А.

На рисунке 1.2 приведена структурная схема преобразователя постоянного напряжения КР1446ПН1.

Рисунок 1.2 - Структурная схема преобразователя постоянного напряжения КР1446ПН1.

Структурная схема приведенного устройства состоит из входного фильтра, источника опорного напряжения, детектора входного напряжения, генератора, силового ключа, дросселя, выпрямительного диода, стабилизатора опорного напряжения, выходного фильтра.

Микросхема КР1446ПН1 - импульсный повышающий регулятор напряжения для устройств, использующих низковольтные источники питания или батарейки. КР1446ПН1 преобразует плавающее входное напряжение от 0.9В до 5В в стабильное более высокое выходное напряжение. Величина выходного напряжения 5В или 3.3В выбирается присоединением управляющего контакта микросхемы 3/5 к общему выводу GND или к выводу OUT(вход ОС и питания микросхемы).

Особенности схемы: КПД микросхемы при токе нагрузки 100мА, 5В - 80%; имеет встроенный источник опорного напряжения и встроенный детектор входного напряжения; напряжение запуска - 0.9В; ток нагрузки - до 100мА.

При включении микросхемы в режиме 5В и 3.3В необходимо использовать диод Шоттки. Применение диодов со значением прямого напряжения 0.5…0.8В приводит к увеличению напряжения запуска и уменьшению КПД. Внешний конденсатор на выходе источника опорного напряжения необходим для стабилизации опорного напряжения. Вывод SHDN - низкий уровень на входе, отключает схему и переводит её в режим низкого потребления.

На рисунке 1.3 приведена структурная схема повышающего преобразователя напряжения 5В/12В на микросхеме LT1269

Рисунок 1.3 - Структурная схема повышающего преобразователя напряжения 5В/12В на микросхеме LT1269.

Структурная схема приведенного устройства состоит из входного фильтра, преобразователя силового ключа, дросселя, выпрямительного диода, выходного фильтра.

Чтобы получить из стандартного напряжения питания цифровых устройств (5В) дополнительное напряжение 12В для питания усилителей, устройств обработки сигналов или шинных формирователей, обычно требуется специальный модуль или достаточно сложная схема преобразователя напряжения. Стабилизированный интегральный преобразователь напряжения LT1269 с частотой преобразования 100кГц и ШИМ-регулированием может обеспечить ток нагрузки не менее 1А при выходном напряжении 12В для исполнения в корпусе под поверхностный монтаж типа DD (500мА для исполнения в 20-выводном малогабаритном корпусе SMT). Микросхема LT1269 содержит встроенный силовой ключ с ограничением рабочего тока на уровне 4А, имеющий низкое сопротивление в открытом состоянии (0.33Ом), и предназначена для применения в повышающих преобразователях с высокой эффективностью. Высокая рабочая частота позволяет использовать в этой схеме малогабаритные дроссели и конденсаторы. Устройство может быть переведено в режим микропотребления (ток потребления порядка 100мкА) с помощью соответствующего управляющего сигнала на вывод .

2. Синтез структурной схемы

Структурную схему разрабатывают при проектировании электронных устройств на стадии анализа технического задания и синтеза структуры устройства. Разработка структурной схемы предшествует разработке схем других видов (функциональной, принципиальной и др.). Структурная схема при синтезе концентрирует в себе все наиболее важное и существенное о составе, структуре и функциях электронного устройства. Это свойство структурной схемы обусловлено особенностью системного подхода к электронному устройству на этапе его системотехнического проектирования, при котором математическая модель каждой функциональной части электронного устройства отображает только основной аспект ее функционирования, т. е. отображает лишь правило преобразования входных сигналов в выходные.

Структурная схема является первой моделью электронного устройства. Достоинством структурной схемы при изучении электронного устройства является то, что по ней можно быстро получить представление о составе, структуре и выполняемой им функции, не отвлекая внимание на схемную реализацию его функциональных частей.

Синтез структурной схемы электронного устройства выполняется эвристическими методами. Этими методами решают творческие задачи, которые при данном уровне развития математических методов и вычислительной техники невозможно или нерационально решать формальными методами.

Структурная схема составляется в последовательности, определяемой функциональными связями ее элементов.

Структурная схема приведенного устройства состоит из: входного фильтра, сетевого выпрямителя, цепи запуска, автогенератора, выпрямителя пониженного напряжения, выходного фильтра. Работает устройство следующим образом.

Входной фильтр преобразователя обеспечивает ослабление помех начиная с частоты 15 кГц более чем в 2 раз.

Дальше сигнал поступает на сетевой выпрямитель, который используется для преобразования переменного напряжения в постоянное. Источником переменного напряжения служит сеть переменного тока частотой 30...60 кГц. Выпрямитель состоит из трансформатора питания, изменяющего напряжение, комплекта вентилей, выпрямляющих переменное напряжение, и сглаживающего фильтра. Вентиль представляет собой нелинейный элемент, сопротивление которого в прямом направлении в сотни - тысячи раз меньше, чем в обратном. Выпрямитель собран по схеме однофазной мостовой, которая характеризуется хорошим использованием мощности трансформатора, поэтому рекомендуется при мощностях в нагрузке до 1000 Вт. Достоинства выпрямителя, выполненного по этой схеме: повышенная частота пульсаций, низкое обратное напряжение на вентилях, возможность работы без трансформатора. Недостатки: повышенное падение напряжения в вентильном комплекте, невозможность установки однотипных вентилей на одном радиаторе без изоляционных прокладок.

Далее сигнал поступает на цепь запуска. В цепи запуска используется транзистор в режиме обратимого пробоя, что позволяет формировать короткие импульсы, которые необходимы в момент включения схемы для запуска работы ключевого каскада в режиме автогенератора на частоте 30...60 кГц. В случае замыкания в цепи вторичной обмотки трансформатора обратная связь в автогенераторе нарушается, и генерация срывается до момента устранения неисправности.

После генерации сигнал поступает на выпрямитель пониженного напряжения, который собран по схеме двухполупериодной с выводом средней точки (двухфазная). Ее чаще всего применяют при мощностях до 100 Вт и выпрямленных напряжениях до 400...500 В. Выпрямители, выполненные по этой схеме, характеризуются повышенной частотой пульсаций, возможностью использования вентилей с общим катодом (или анодом), что упрощает их установку на общем радиаторе, а также повышенным обратным напряжением на вентилях и более сложной конструкцией трансформатора.

После выпрямителя пониженного напряжения сигнал поступает на выходной фильтр, который уменьшает помехи.

3. Синтез схемы электрической принципиальной

Разработка принципиальной схемы выполняется на схемотехническом этапе проектирования и представляет собой более высокий уровень синтеза электронного устройства, чем уровень синтеза структурной схемы. В то время как структурная схема есть совокупность формальных моделей функциональных частей электронного устройства, принципиальная схема является совокупностью электрических моделей этих частей. Таким образом, принципиальная схема является второй менее абстрактной моделью электронного устройства. Естественно, что она значительно полнее, чем структурная схема, отображает свойства электронного устройства. Принципиальная схема синтезируется по структурной схеме на основе анализа требований технического задания, а также требований, предъявляемых разработчиком к каждому функциональному элементу.

Разработка принципиальной схемы функционального элемента заключается в выборе одной из известных схем, наиболее полно удовлетворяющей совокупность технико-экономических требований при максимальной ее простоте и надежности.

На основе разработанной структурной схемы создана схема электрическая принципиальная. Она состоит из следующих элементов.

Входной фильтр - С1, С2, С3 и Т1. VD1, VD2, VD3,VD4 - сетевой выпрямитель. R12 - предохранитель. Цепь запуска - R2,R3,R4,C4, VT1. Автогенератор - VT2, VT3, T2, T3, C5. VD5,VD6,C12 - выпрямитель пониженного напряжения. С13 - выходной фильтр

4. Выбор и обоснование элементной базы

Электрическая принципиальная схема представлена на чертеже АиУТС АП - 13Б 000.000.Э3. На АиУТС АП - 13Б .000.000.ПЭ3 перечень элементов к схеме. Проведем обоснование выбора элементной базы.

В данной схеме предпочтительно использовать высоковольтные диоды. Для диодов можно использовать любые высоковольтные диоды. Из серий диодов КД2989, КД2994,КД2995,КД2997,КД2998 выбираем КД2997В, т. к. они более устойчивы к тепловыделению в схеме из - за того, что выпускаются в металлопластмассовом корпусе. Они предназначены для преобразования переменного напряжения частотой до 100 кГц, что удовлетворяет нас.

Электрические свойства и срок службы конденсатора зависят от условий эксплуатации (воздействия тепла, влажности, радиации, вибрации, ударов и др.). Влияние тепла проявляется в изменении емкости и добротности конденсатора, а также электрической прочности. С повышением температуры уменьшаются электрическая прочность, и срок службы конденсатора понижение атмосферного давления приводит к уменьшению электрической прочности, изменениям емкости вследствие деформации элементов конструкции конденсатора. При поглощении влаги диэлектриком конденсатора увеличивается емкость и резко уменьшается сопротивление изоляции. В результате возрастают потери энергии, особенно при повышенных температурах, и уменьшается электрическая прочность (повышается вероятность пробоя). При длительном хранении конденсаторов изменяется их емкость. Таким образом, важно учитывать условия эксплуатации при выборе конденсатора.

Конденсатор С1 выбираем полиэтилентерефталатным (ПМГП, К73П-2, К73П-3, К73П-4, К73-5, К73-8, К73-9, К73-11, К73-15, К73-16, К73-17, К73-20, К73-22, К73-24, К73-26) - К73-17. Параметры, габариты и условия эксплуатации данного конденсатора соответствуют заданию.

С2, С6, С7, С12 из серий: К50-33, К50-40, К50-41, К50-43, К50-45, К50-46, К50-47, К50-48, К50-51, - выбираем - К50-35. Конденсаторы выбираем именно такими, т. к. номинальное напряжение в нашем случаи требуется 250 В. А также эти конденсаторы характеризуются высокими электрическими показателями и сравнительно небольшой стоимостью. Доступны и имеют малые размеры.

Конденсаторы С3, С8, С9 выбираем К73-9 из имеющихся К73П-4, К73-5, К73-11, К73-15, К73-16, К73-17, К73-20, К73-22, К73-24, К73-26. Эти конденсаторы отличаются своей надежностью и подходят нам по параметрам.

С4, С5 берем К10-7В, т. к. у них большой выбор конденсаторов с маленькой номинальной емкостью, они более подходят нам по габаритам. А также имеют оптимальную цену.

Конденсатор С13 возьмем из серии танталовых оксидных объемно-пористых (К52 - 7А, К52 - 9, К52 - 10, ЭТО - 1, ЭТО - 2, К52 - 2, К52 - 5) - К52-1. Эти конденсаторы, уплотненные в металлических цилиндрических, что позволяет защищать их от перегрева.

Конденсаторы С10, С11 выбираем К10-17, которые обладают относительно большой реактивной мощностью, низкими потерями, высоким сопротивлением изоляции, стабильным ТКЕ.

В качестве резисторов выбираются МЛТ резисторы. Металлопленочные резисторы содержат резистивный элемент в виде очень тонкой (десятые доли микрометра) металлической пленки, осажденной на основании из керамики, стекла, слоистого пластика, ситалла или другого изоляционного материала. Эти резисторы характеризуются высокой стабильностью параметров, слабой зависимостью сопротивления от частоты и напряжения и высокой надежностью. Доступны в приобретении и имеют малые размеры. Параметры и условия применения МЛТ резисторов удовлетворяют заданным требованиям.

Транзисторы VT2, VT3 могут быть любыми серии КТ838А, а VT1 - серий КТ312А, которые предназначены в основном для использования в радиовещательных приемниках, приемно-усилительной и другой аппаратуре. Указанные серии транзисторов отвечают необходимым требованиям, являются легко доступными в приобретении и эксплуатации.

5. Описание работы устройства

Поступает напряжение питания на входной фильтр, после чего с помощью сетевого выпрямителя получаем постоянное напряжение ?320 В, которое подается через резистор R1 на цепь запуска, собранную на транзисторе VT1 и на автогенератор. Автогенератор преобразовывает постоянное напряжение в переменное напряжение с частотой 15 кГц. С помощью трансформатора Т3, получаем выходное напряжение амплитудой ?10 В. Выпрямитель собран по 2х полупериодной схеме со средней точкой. После выпрямления поступает на выходной фильтр, и получаем выходное напряжение 9,2 В.

Для того, чтобы не было помех во входной сети ставятся конденсаторы С1, С2, С3. Для защиты сети от короткого замыкания в случае выхода из строя нашего преобразователя, на входе ставим предохранитель FU1. Включение и выключение сети осуществляется с помощью выключателя SA1.

6. Расчетная часть

Сетевой выпрямитель

Исходные данные:

U0 - номинальное выпрямленное напряжение;

I0 - ток нагрузки;

Кп0 - коэффициент пульсаций;

U1 - номинальное напряжение питающей сети;

f - частота питающей сети.

Значение U0 и I0 определяются параметрами цепи запуска (R2,R3,R4,C4,VT1).

U0=9,2 В;

I0=2 А;

f=30 кГц;

U1=220 В;

Кп0=0.15.

Коэффициент пульсаций не должен превышать 0,15, а допустимое относительное значение переменной составляющей напряжения для выбранных конденсаторов фильтра должно быть не меньше 0,05.

Расчет выполняем в следующем порядке:

1) Выбираем вентили. Для этого по приближенным формулам вычисляем значения:

Uобр - обратное напряжение на вентилях;

Iср - средний ток;

Im - амплитуда тока через вентиль.

Uобр=1.5 U0=1,5*9,2=13,8 В;

Iср= I0/2=2/2=1А;

Im=3.5I0=3,5*2=7А.

В процессе расчета выпрямителя эти значения уточняются. По найденным Uобр и Im(Iср) выбираем выпрямительные диоды типа КД2997В, для которых Iпрmax=30А, Uобрmax=50В, Uпр0,85В.

2) Определяем сопротивление нагрузки выпрямителя

Rн=U0/I0= 9,2/2=4,6 Ом.

3) Принимаем сопротивление обмоток трансформатора rтр в пределах (0,05...0,08)Rн для выпрямителей мощностью 10...100Вт.

rтр= 0,07*9,2=0,644 Ом;

4) Находим прямое сопротивление выпрямительного диода по приближенной формуле:

rпр? Ом,

где Uпр - постоянное прямое напряжение на диоде.

5) Определяем активное сопротивление фазы выпрямителя по формулам:

r=rтр+2rпр= 0,644+2*0,28=1,204 Ом;

и основной расчетный коэффициент А:

А=1.6=0,42.

В зависимости от значения А находим вспомогательные коэффициенты В,D,F и Н по графикам:

В=1,2; F=1,0;

D=2,05; H=610 Ом*мкФ.

6) По формулам определяем значения:

U2х - напряжение на вторичной обмотке трансформатора (в режиме холостого хода);

I2 - эффективное значение тока вторичной обмотки.

U2х=BU0=1,2*9,2=11,04 В;

I2==2,91 А.

7) По точным формулам вычисляем значения:

Uобр - значения обратного напряжения на диодах;

Im - амплитуда тока;

Iср - средний прямой ток через диоды.

Они не должны превышать допустимых значений для выбранных диодов. В противном случаи необходимо выбрать другие диоды и выполнить расчет сначала.

Uобр=1,4 U2х=1,4*11,04=15,456 В;

Iср= I0/2=2/2=1 А;

Im=0,5FI0=0,5*1*2=1 А.

Диоды выбраны правильно.

8) Определяем выходную емкость выпрямителя (входную емкость фильтра) по формуле:

С0==3378 мкФ,

где r - сопротивление, Ом.

Из стандартного ряда выбираем значение С0= 4700 мкФ.

Конденсаторы С2, С3 берем типа К50-35.

Выпрямитель пониженного напряжения

Исходные данные:

U0 - номинальное выпрямленное напряжение;

I0 - ток нагрузки;

Кп0 - коэффициент пульсаций;

U1 - номинальное напряжение питающей сети;

f - частота питающей сети.

Значение U0 и I0 определяются параметрами той аппаратуры, питание которой будет осуществляться от выпрямителя.

U0=9.2 В;

I0=2 А;

f=30 кГц;

U1=220 В;

Кп0=0.15.

Коэффициент пульсаций не должен превышать 0,15, а допустимое относительное значение переменной составляющей напряжения для выбранных конденсаторов фильтра должно быть не меньше 0,05.

Расчет выполняют в следующем порядке:

1) Выбираем вентили. Для этого по приближенным формулам вычисляем значения:

Uобр - обратное напряжение на вентилях;

Iср - средний ток;

Im - амплитуда тока через вентиль.

Uобр=3 U0=3*9.2=27,6 B;

Iср= I0/2=1 A;

Im=3,5I0=3,5*2=7A.

В процессе расчета выпрямителя эти значения уточняются. По найденным Uобр и Im(Iср) выбираем выпрямительные диоды типа КД2997В, для которых Iпрmax=30А, Uобрmax=50В, Uпр0,85В.

2) Определяем сопротивление нагрузки выпрямителя:

Rн=U0/I0=9,2/2=4,6 Ом.

3) Принимаем сопротивление обмоток трансформатора rтр в пределах (0.05...0.08)Rн для выпрямителей мощностью 10...100Вт:

rтр=0,05*9,2=0,46 Ом.

4) Находим прямое сопротивление выпрямительного диода по приближенной формуле:

rпр? Ом,

где Uпр - постоянное прямое напряжение на диоде.

5) Определяем активное сопротивление фазы выпрямителя по формулам:

r=rтр+rпр= 0,46+0,28=0,74 Ом ;

и основной расчетный коэффициент А:

А=1,6=.

В зависимости от значения А находим вспомогательные коэффициенты В,D,F и Н по графикам:

В=1,05; F=1,2;

D=2,2; H=350 Ом*мкФ.

6) По формулам определяем значения:

U2х - напряжение на вторичной обмотке трансформатора (в режиме холостого хода);

I2 - эффективное значение тока вторичной обмотки;

U2х=BU0=1,05*9,2=9,66 В;

I2= А.

7) По точным формулам вычисляем значения:

Uобр - значения обратного напряжения на диодах;

Im - амплитуда тока;

Iср - средний прямой ток через диоды.

Они не должны превышать допустимых значений для выбранных диодов. В противном случаи необходимо выбрать другие диоды и выполнить расчет сначала.

Uобр=2,8 U2х=2,8*9,66=7,048 В;

Iср= I0/2=1 A;

Im=0,5FI0=0,5*1,2*2=1,2 A.

Диоды выбраны правильно.

8) Определяем выходную емкость выпрямителя (входную емкость фильтра) по формуле:

С0= мкФ,

где r - сопротивление, Ом.

Из стандартного ряда выбираем значение С0= 4700 мкФ.

Конденсатор С12 берем типа К50-35.

Расчет трансформатора полумостового преобразователя

повышающий преобразователь напряжение трансформатор

Работает трансформатор следующим образом.

На интервале [0,Tи] открыт транзистор VT1 за счет тока iб1, протекающий в его базе. К первичной обмотке 1 трансформатора Т3 приложено напряжение U1=Uп. Вторичная обмотка 2-3 имеет отвод от средней точки. Полярности напряжений таковы, что диод VD5 открыт, а диод VD6 закрыт.

На интервале [tu,T/2] закрыты все два транзистора VT1 и VT2. Открыты диоды VD5 и VD6, причем ток распределяется поровну между этими диодами (при условии идеальной симметрии плеч выпрямителя): iVD5= iVD6 (1). В соответствии с законом полного тока можем записать: Нlср=w1i1-w2iVD5+w2iVD6 (2). Учитывая (1) получим Нlср=w1i1 (3). Можем заключить, что на интервале [tu,T/2] i1=iм??0, т. к. трансформатор считаем идеальным.

Открытые диоды VD5 и VD6 шунтируют вторичную обмотку, за счет чего U2=0 и U1=0. Индукция при этом, достигнув при t=tu своего максимального значения Вмакс, останется неизменной.

На интервале [T/2,t'], длительность которого равна tu током iБ2 открывает транзистор VT2. К первичной обмотке оказывается приложенным напряжение u1=-UП. При этом диод VD5 закрыт, а диод VD6 открыт, и через него протекает линейно нарастающий ток. Индукция линейно спадает от Вмакс до -Вмакс.

На интервале [t', Т] все транзисторы опять оказываются закрытыми. Процессы, происходящие на этом интервале, практически полностью повторяют процессы на интервале [tu,T/2], за исключением того, что

Вмакс=-Вмакс.

Рассчитаем трансформатор.

Исходные данные:

Uн=9,2 В;

Iн=2 А;

f=30 к Гц (Т=40 мкс)

1. Амплитуда напряжения UА2 на вторичной полуобмотке трансформатора:

 В

2. Найдем действующее значение тока вторичной полуобмотки:

IVD5=

После вычисления интегралов получим:

IVD5=0,612*Iн=0,612*2=1,224 А

3. Расчетная мощность Р2 вторичной обмотки ко вторичной полуобмотке может быть определен по формуле:

Р2=UA2IVD5=18,4*1,224=22,52 Вт

4. Коэффициент трансформации от первичной обмотки ко вторичной полуобмотке может быть определен по формуле:

з12=

Питание преобразователя осуществляется от выпрямителя напряжения сети 30 кГц 220 В. Тогда Uп?300В. И на основании получим:

з12=

5. Найдем амплитуду тока IА1 первичной обмотки:

IА1= А

6. Найдем действующее значение I1 тока первичной обмотки (при tu=Т/4):

I1=А

7. Расчетная мощность Р1 первичной обмотки:

Р1=UпШ1=300*0,087=26,1 Вт

8. Найдем габаритную мощность трансформатора:

Вт

9. Далее используем габаритную мощность для определения величины:

;

q=;

В качестве материала сердечника будем использовать феррит марки 2000НМ. Зададимся максимальным значением индукции в сердечнике Вмакс=0,2 Тл. Значение напряженности Н макс при этом будет находиться, в интервале 40...80 А/м. Для люьбого феррита kс=1. Для определения k0=0,2 и j=3 А/мм2. Тогда:

м4

Полученному значению ScSo сердечник К28*16*9, у которого So=201 мм2, l0=65,6 мм, Vc=3453 мм2, Sс=52,6 м2.

10. Число витков первичной обмотки:

вит

Возьмем число витков 250

11. Число витков вторичной полуобмотки:

вит

Тогда число витков во вторичной обмотке будет 30 с отводом от средней точки.

12. Сечение проводов первичной и вторичной обмоток:

мм2;

мм2.

В качестве провода первичной обмотки будем использовать провод ПЭВ-2 диаметром 0,05 мм, вторичной обмотки - ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм.

Заключение

Импульсные сетевые преобразователи используются в РЭА, питающиеся от сети переменного тока, для получения напряжений переменного и постоянного тока, необходимых для питания различных узлов. Эти преобразователи отличаются от традиционных меньшей материалоемкостью (в 2...3 раза), высоким КПД (до 80 - 85%), что обусловлено использованием импульсных стабилизаторов вторичных напряжений вместо компенсационных непрерывного действия.

В результате проведенной работы было спроектировано принципиально новое устройство, позволяющее уменьшить габариты и вес источника питания, что особенно важно для переносных конструкций.

Список литературы

Г.И. Изъюров, Г.В. Королев, В.А. Терехов, М.А. Ожогин, В.Н. Серов. Расчет электронных схем.- М.:Высш.шк.,1987.335с.

ГутниковВ.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах.- Л.:ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, Ленинградское отделение, 1988.- 304с.

В.Днищенко Преобразователь напряжения для радиоуправляемой модели. - Радио, 2003, №2, с 34-36.

Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсная техника.- М .:Высш.шк.,1985.-320с.

Малогабаритная радиоаппаратура: Справочная книга.- К:Наукова думка, 1976.-557с.

Текстовые стандарты в сфере учебного процесса: Методические указания - Х.: НТУ “ХПИ”, 2001, - 51с.

Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя - К: Наукова думка, 1989. - 790с.

Семенов Б. Ю. Силовая электроника.-М.:СОЛОН-Р,2001.-327с.

Хныков А. В. Теория и расчет многообмоточных трансформаторов.-М.:СОЛОН-Р, 2002.-112с.:(Серия “СОЛОН-Р”-радиолюбителям, выпуск 11)

Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А. Полупроводниковые приемно- усилительные устройства (Справочник радиолюбителя).-К. Наукова думка,1981.-659с.

Размещено на Allbest.ru