Электрический расчет импульсного источника электропитания

 

 

 

 

                               

 

 

       

             

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

 

 

Существуют два характерных режима работы ОППН: непрерывных и прерывистых токов в индуктивности L. Если значение L достаточно велико (больше некоторого критического Lкр) и поэтому накопленная за время tи в трансформаторе энергия передается в нагрузку в течение всего интервала T-tи, то имеет место режим непрерывных токов. При L< Lкр  ток в индуктивности L протекает лишь в течение части интервала T-tи; 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 4.1в  приведены для этого режима.

 

4.2 Расчет ОППН с обратным  включением диода

Расчет основных параметров ОППН:

 

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.

 

В формулах приняты следующие обозначения:

UС2min, UС2н, UС2max - минимальное, номинальное и максимальное значения входного напряжения ОППН;

Dmin, Dн, Dmax - минимальное, номинальное и максимальное значения относительной длительности импульсов, отпирающих транзистор;

U0min, U0н , U0 max - минимальный, номинальный и максимальный уровни стабилизируемого выходного напряжения постоянного тока;

I0min, I0max - минимальное и максимальное значения среднего тока в нагрузке;

I1max - амплитудное значение тока в первичной обмотке трансформатора.

Отношение числа витков обмотки первичной к числу витков вторичной обмотки трансформатора:

.      (5)

Номинальное и минимальное значения относительной длительности импульсов, отпирающих транзистор:

Dн = ,     (6)

Dmin =      (7)

Критическое значение индуктивности первичной обмотки трансформатора:

     (8)

L = 1,2 Lкр       (9)

Амплитудное значение тока в первичной обмотке трансформатора:

   (10)

 

Расчет трансформатора проводиться по формулам:

 

SмSок = ,     (11)

где     Sок – площадь окна магнитопровода, м2;

hтр – кпд трансформатора;  hтр = 0.85

Кок – коэффициент заполнения окна магнитопровода обмотками;

Кок=0.25

j     – удельная плотность тока в обмотках трансформатора, А/м2;

DВ – циклическое изменение магнитной индукции, равное разности максимального и минимального значений индукции, Тл;

Число витков первичной обмотки трансформатора:

W1 = .      (12)

Максимальное значение действующего тока вторичной обмотки трансформатора, А:

I2 = .     (13)

Величина немагнитного зазора в магнитопроводе, м:

d = ,     (14)

где   m0 = 4p 10-7 – магнитная постоянная, Гн/м.

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 Вm, при которых ферриты близки к насыщению, изготовителями сердечников не проверяются и не гарантируются. Изменения Вm от одного магнитопровода  к другому составляют ±30% от указанного в справочнике номинального значения Вm. 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/Pтр из таблицы 2.

Таблица 2

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.

 

 

Расчет конденсатора фильтра производиться по формулам:

 

,     (15)

,        (16)

где  Um2 - амплитуда переменной составляющей напряжения на конденсаторе, В;

Iс max - максимальное значение действующего тока в конденсаторе, А.

Чтобы улучшить точность стабилизации выходного напряжения при широком диапазоне изменения тока нагрузки, необходимо емкость С выбирать достаточно большой т.е. U0min C/I0max >> DmaxT.

 

Расчет транзистора производиться по формулам:

 

,     (17)

,        (18)

где  Uкэ max – амплитуда напряжения коллектор-эмиттер транзистора, В;

Iкmax    – максимальный средний ток коллектора транзистора, А;

hпр     – кпд ОППН.

 Потери  мощности в транзисторе можно  принять равными примерно

 Pпот=0,1U0max I0max.      (19)

На основании полученных значений Uкэ max, Iк max, Iок и потерь мощности выбирается транзистор.

 

 

Расчет диода производиться по формулам:

 

,    (20)

IVDmax = nI1max,      (21)

где   UVD обр – амплитуда обратного напряжения на выпрямительном диоде, В;

 IVDmax – амплитудное значение тока в диоде, А.

Максимальный средний ток в диоде равен максимальному току нагрузки.

Выбираем тип диода по полученным данным.

 

4.3 Расчет параметров силовой  цепи преобразователей.

Рассчитаем первый канал по данным формулам (5 - 21).

;  

1. n= =
4. Гн
5. Гн
6.               Тл

Pтр=1,2U01maxI01max=

Отсюда  из таблицы 2 получим: А/м 2

7.           

                        

Тип магнитопровода – Ш122х15.  Марка феррита 3000НМC

см4

см2

9. А
10.      
11. Ф
12. А

Выбираем емкость: алюминиевый электролитический конденсатор (SMH),

Номинальное напряжение=250В, L=25,4мм, диаметр=30мм, номинальная емкость=330мкф, ток через конденсатор=1,51А.

13. В
14. А

Потери:

Вт

Выберем транзистор по вычисленным параметрам: КТ841А,

Uкэmax=600 В, Ikmax=10 А, P=50 Вт.

15. В
16. А

Выберем диод: КД213A, UVDобр=200 В, IVDпр=10 А.

 

Рассчитаем второй канал по тем же формулам.

 

1. n= =

6.              Тл

                       

             Pтр=1,2U02maxI02max=1,2

           

 

Отсюда А/м 2

 

 

Тип магнитопровода – Ш16х20.   Марка феррита 3000НМC,

 

см4

см2

9. А

 

10.        
11.    Ф
12. А

          Выбираем емкость: алюминиевый электролитический  конденсатор (SMH).

Номинальное напряжение=250, так как ёмкость по току не проходит, то подключим параллельно три ёмкости, каждая из которых имеет параметры:  L=35мм, диаметр=35мм, номинальная емкость=820 мкф, ток через конденсатор=2,77 А, суммарная ёмкость равна 820*3 = 2460 мкф, суммарный ток равен  2,77*3 = 8,31 А. 

 

13. В
14. А

Потери: 

  Вт

Выберем транзистор по вычисленным параметрам: КТ841А,

Uкэmax=600 В, Ikmax=10 А, P=50 Вт.

15. В
16. А

Выберем диод: КД297Б, UVDобр=100 В, IVDпр=30 А.

 

4.4 Расчет ОППН с прямым включением диода

Расчет параметров силовой цепи преобразователей, рассчитаем первый канал по данным формулам

 

;

;

;

;

 Гн;

 Гн;

 А;

А;

 Вт;

 

;

;

 А;

 А;

 А;

 В;

 мкФ;

 В;

   А;

 А;

 Гн;

 А;

 

 

Заключение.

 

В данной курсовой работе мы  ознакомились со схемотехникой силовых управляющих цепей и с электропитанием  телекоммуникационных устройств.

В задачу курсового проекта вошел электрический расчет одного из устройств ЭПУ или составляющего модуля (выпрямитель, преобразователь, инвертор), а также элемента управляющей системы с описанием функции устройства в общей структуре ЭПУ.

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

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

Рассчитали параметры силовой цепи преобразователя первого и второго канала.

Таким образом мы узнали, что однотактные преобразователи постоянного напряжения 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.

 

Список литературы

 

1. А.А.Бокуняев, В.М. Бушуев. Электропитание устройств связи: учебник для вузов - М.: радио и связь, 1998.
2. Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты.- М.: Энергоатомиздат,1987.
3. Колосов В.Н. «Энергитическая электроника», разрабатывает устройства защиты электронной аппаратуры от нестабильности сети энергоснабжения. – Электроника, 1997.