Импульсный стабилизатор напряжения
Размещено на /
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине: Источники вторичного электропитания
Тема: ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Казань 2010
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Принцип действия ИСН
2. Расчет элементов преобразователя
3. Схема управления
4. Конструкция устройства
Вывод
Список используемых источников
Введение
Источники вторичного электропитания (ИВЭП) по своей физической сущности это преобразователи вида и качества электрической энергии первичных источников питания (химических, топливных, электромеханическиех ядерных и других). ИВЭП являются одним из основных электронных компонентов любой функциональной аппаратуры. Они применяются во всех сферах современной индустрии: в различных областях промышленности, связи, электроприводе, автотранспорте, бытовых приборах, телекоммуникационной, военно–космической, компьютерной технике.
Современным генеральным направлением развития ИВЭП в мире попрежнему остается дальнейшее улучшение массогабаритных характеристик при снижении стоимости и обязательном выполнении требований надежности и качества электроэнергии.
По заданию КП мной должен быть разработан импульсный стабилизатор напряжения (ИСН) – наиболее известная в семействе импульсных преобразователей схема.
1. Принцип действия ИСН
Рис. 1 Базовая схема ИСН
Входное напряжения Uin подается на входной фильтрующий конденсатор Cin. Ключевой элемент VT, в качестве которого может быть использован транзистор любого типа (биполярный, MOSFET, IGBT), осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Кроме этого, в составе преобразователя должны быть разрядный диод VD, дроссель L, конденсатор Сout, образующие выходной LC-фильтр, а также схема управления, осуществляющая стабилизацию напряжения или тока нагрузки с сопротивлением Rн. Как видно из рисунка, ключевой элемент VT, дроссель и нагрузка включены последовательно, поэтому этот стабилизатор относят к классу последовательных схем.
Ключевой элемент может стабильно находиться только в двух состояниях — полной проводимости и отсечки. Если указанные состояния сменяют друг друга с постоянной периодичностью, равной Т, то, обозначив время нахождения ключа в проводящем состоянии — как время проводимости (tu), а время нахождения ключа в состоянии отсечки — как время паузы (tn, можно ввести понятие коэффициента заполнения, равного:
где f — частота коммутации.
Рис. 2
На рис. 2 показана временная диаграмма для определения коэффициента заполнения. Нулевое значение D характеризует постоянное нахождение ключевого элемента в состоянии и отсечки, в го время как равенство его единице показывает режим постоянной проводимости. В состоянии отсечки напряжение на нагрузке равно нулю, в состоянии полной проводимости наблюдается равенство входного и выходного напряжений. В промежутке между "нулем" и "единицей" работа преобразователя складывается из двух фаз: набор энергии и разряда. Рассмотрим эти фазы подробнее:
Рис. 3
Итак, фаза накачки энергии протекает на протяжении времени tu, когда ключевой элемент VT открыт, то есть проводит ток (рис. 3, а). Этот ток далее проходит через дроссель L к нагрузке, шунтированной конденсатором Сout. Накопление энергии происходит как в дросселе, так и в конденсаторе. Ток iL увеличивается.
После того, как ключевой элемент VT переходит в состояние отсечки, наступает фаза разряда (рис. 3, б), продолжающаяся время tn. Поскольку любой индуктивный элемент стремится воспрепятствовать изменению направления и величины тока, протекающего через его обмотку, в данном случае ток дросселя iL мгновенно уменьшиться до нуля не может, и он замыкается через разрядный диод VD. Источник питания в фазе разряда отключен, и дросселю неоткуда пополнять убыль энергии, поэтому разряд происходит по цепи "диод-нагрузка". По истечении времени Т процесс повторяется — вновь наступает фаза накачки энергии.
2. Расчет элементов преобразователя
Алгоритм расчета элементов СПН проводился по методике указанной в [1]. Базовая схема НПН показана на рис. 1.
1. Выбираем
схему выпрямителя
однофазную
мостовую,
=
2, тогда:
=
1,41 Ч
220 = 310,2 В.
2. Мощность на выходе выпрямителя (на входе преобразователя), Вт:
где
при
=
10...100 Вт.
3. Коэффициентом пульсаций на выходе выпрямителя
= 0,5 (0,1 + 0,1) = 0,1
= 310,2 (1 – 0,1) = 217,8 В.
4. Среднее
значение
выпрямленного
тока
и сопротивления
нагрузки входного
выпрямителя
:
=
= 0,41 А;
=
= 531 Ом.
5. Минимальное значение выпрямленного напряжения, В:
= 310,2Ч(1 –
2Ч0,1) = 217
6. Угол отсечки
,
при котором
через диоды
начинает протекать
ток:
= 0,9,
26°.
7. Угол
,
при котором
прерывается
ток через диоды
выпрямителя:
,
=
2,3 град.
Угол
можно
также определить,
пользуясь
графиком.
8. Ёмкость конденсатора входного фильтра, мкФ:
=
=
105,
где
,
здесь
–
частота тока
сетевого напряжения.
9. Рабочее
напряжение
на конденсаторе
,
В:
= 310,2Ч(1+0,1)
= 341,22.
Выбираем из [3,5] конденсатор К50–28.
10. Действующее
значение тока
(А) через диоды
мостовых схем
выпрямителей
:
= 11 .
11. Амплитудное значение тока через диоды входного напряжения, А ^
=
4,92.
12. Среднее значение тока через диоды, А:
=
= 0,205.
13. Обратное напряжение, В:
= 310,2(1 + 0,1) = 341,22.
14. Выбираем из справочника [2] диодный мост:
W04M
=
400 В,
=
1,5 А.
Коэффициенты заполнения импульсов:
;
;
.
Ориентировочные значения сопротивления обмотки дросселя и открытого диода, Ом:
.
Произведение
,
Гн.Ф:
Критическое
значение
индуктивности
,
Гн:
.
Индуктивность
дросселя
,
Гн (окончательно):
.
Переменная
составляющая
тока дросселя
,
А:
.
Максимальный
ток через дроссель
,
А:
.
Мощность потерь в дросселе, Вт:
.
Объём сердечника, см3:
,
где
,
мкГн;
,
А.
По
величине
из [3] выбирается
сердечник
дросселя из
феррита марки
2000НМ К40х25х11 (ближайший
больший).
,
мм2;
,
мм;
.
Число витков обмотки дросселя:
,
где
,
мГн.
26. Габаритная мощность дросселя, Вт:
.
27. По величине
и
определяем
плотность тока:
j=8, А/мм2.
14. Диаметр провода, мм:
.
Выбирается из [3] медный провод d=0,55, dизол=0,62.
28. Средняя линия обмотки, мм:
,
где a, b, c – размеры сердечника, мм
29. Площадь сечения обмотки, мм2:
.
30. Активное сопротивление обмотки дросселя, Ом:
,
где
,
м;
,
мм2.
.
31. Ёмкость конденсатора фильтра, мкФ:
.
32. Напряжение на конденсаторе, В:
.
33. По значениям
и
из [5] выбран
конденсатор
типа К71-5 с номинальным
напряжением
160 В и диапазоном
рабочих температур
в интервале
от –60 до +60 °С,
tg d = 0,01, а емкость
его равна 150 мкФ.
34. Обратное напряжение на диоде, В:
.
35. Максимальный ток через диод, А:
.
36. Средний ток через диод, А:
.
37. Действующее значение тока через диод, А:
.
38. С учетом
частоты
из [6] выберем
диод типа 2Д220А.
Постоянное
прямое напряжение
1,2 В. Импульсный
прямой ток (tи
10 мкс) 3 А. Время
восстановления
обратного
сопротивления
0,5 мкс. Напряжение
отсечки Uотс
= 1 В. Постоянное
обратное напряжение
Uобр = 400 В.
Дифференциальное сопротивление, Ом:
Ом.
39. Осуществим проверку
В;
мА
А.
40. Максимальный ток коллектора транзистора, А:
.
41. Максимальное напряжение на запертом транзисторе, В:
.
42. Из [2] выберем транзистор типа КП751В, N–МОП.
Мощность статических потерь в транзисторе, Вт:
1,33Ч3,99Ч0,0003Ч20000
= 31,8402
Мощность коммутационных потерь в транзисторе, Вт:
Суммарная мощность потерь в транзисторах, Вт:
=31,8402+0,118
=31,958
Так
как
,
то транзистор
выбран правильно,
и теплоотвод
не нужен, поскольку
Вт.
Мощность коммутационных потерь в диодах, Вт:
Мощность статических потерь в диодах, Вт:
Суммарная мощность потерь в диодах, Вт:
=
0,0013+0,708 = 0,7093
Мощность потерь в схеме управления транзисторами, Вт:
=
0,02Ч1,33Ч100
= 2,66
КПД стабилизирующего преобразователя:
=
Входной ток стабилизирующего преобразователя, А:
Индуктивность дросселя входного фильтра, Гн:
=
электрический плата импульсный преобразователь
Критическое
значение
индуктивности
,
Гн:
.
Индуктивность
дросселя
,
Гн (окончательно):
.
Переменная
составляющая
тока дросселя
,
А:
.
Максимальный
ток через дроссель
,
А:
.
Мощность потерь в дросселе, Вт:
.
Объём сердечника, см3:
,
где
,
мкГн;
,
А.
По
величине
из [3] выбирается
сердечник
дросселя из
феррита марки
2000НМ К40х25х7,5 (ближайший
больший).
,
мм2;
,
мм;
.
Число витков обмотки дросселя:
,
где
,
мГн.
53. Габаритная мощность дросселя, Вт:
.
54. По величине
и
определяем
плотность тока:
j=9, А/мм2.
62. Диаметр провода, мм:
.
Выбирается из [3] медный провод d=0,35, dизол=0,41.
63. Средняя линия обмотки, мм:
,
где a, b, c – размеры сердечника, мм
64. Площадь сечения обмотки, мм2:
.
65. Активное сопротивление обмотки дросселя, Ом:
,
где
,
м;
,
мм2.
3. Схема управления
Для управления транзистором была выбрана микросхема TL494, которая выпускается фирмой Texas Instruments и широко применяется для управления блоками питания компьютеров типа IMB-PC. Микросхема TL494 представляет из себя ШИМ - контролер импульсного источника питания, работающий на фиксированной частоте, и включает в себя все необходимые для этого блоки. Встроенный генератор пилообразного напряжения требует для установке частоты только двух внешних компонентов R и С.
Рис. 4 Структурная схема TL494
На структурной схеме TL494 (рис. 4) видно, что микросхема включает в себя усилитель ошибки, встроенный регулируемый генератор, компаратор регулировки мертвого времени, триггер управления, прецизионный ИОН на 5В и схему управления выходным каскадом. Усилитель ошибки выдает синфазное напряжение в диапазоне от –0,3…(Vcc-2) В. Компаратор регулировки мертвого времени имеет постоянное смещение, которое ограничивает минимальную длительность мертвого времени величиной порядка 5%. Допускается синхронизация встроенного генератора, при помощи подключения вывода R к выходу опорного напряжения и