Расчет импульсного источника вторичного электропитания

Введение
1. Теоретические сведения
1.1. Обобщенная структурная схема «безтрансформаторного» ИВЭП
1.2. Функциональная схема практического «безтрансформаторного» ИВЭП
1.3. Сетевой выпрямитель с фильтрами
1.4. Силовой каскад ОПНО
1.5. Работа магнитопровода силового трансформатора
1.6. Работа схемы сравнения
1.7. Схема управления силовым транзистором
2. Расчет "безтрансформаторного" ИВЭП
2.1. Определение максимального и минимального значений постоянного напряжения питания силового каскада
2.2. Выбор типа диодов VDc1…VDc4 сетевого выпрямителя
2.3. Определение емкости сглаживающего конденсатора сетевого выпрямителя конденсатора Снч деление максимальной скважности управляющих импульсов
2.5. Расчёт силового трансформатора
2.6. Выбор выпрямительного диода VDв
2.7. Определение параметров элементов схем управления
2.8. Определение параметров элементов демпфирующей цепи силового каскада
2.9. Определение КПД источника вторичного питания
Заключение
Список используемой литературы

Введение

Источник вторичного электропитания (ИВЭП) является обязательным функциональным узлом практически любой электронной аппаратуры. Как электротехническое устройство он обеспечивает постоянными питающими напряжениями от единиц до десятков-сотен вольт транзисторные устройства и интегральные схемы.
До настоящего времени большая часть источников электропитания представляет собой громоздкие электротехнические устройства, осуществляющие силовое преобразование энергии напряжения на относительно низкой частоте - 50Гц, а регулирование или стабилизация выходного напряжения производится линейными методами. Это обстоятельство приводит к большой материалоемкости и низкой эффективности ИВЭП.
В настоящее время в современной электронной аппаратуре практически отсутствуют подобные низкоэффективные источники электропитания.
...

1. Теоретические сведения:
1.1. Обобщенная структурная схема "бестрансформаторного" ИВЭП:
Под "бестрансформаторным" понимается ИВЭП, первичным у которо­го является переменное напряжение низкой частоты, а выходными (напряже­ниями нагрузки) являются постоянные напряжения, требующиеся для пита­ния электронной аппаратуры.
Обобщенная структурная схема "бестрансформаторного" ИВЭП приве­дена на рис. 1.

Рис. 1: Обобщенная структурная схема "бестрансформаторного" ИВЭП.

Здесь обозначения соответствуют: - действующее значение пере­менного напряжения, выражаемого функцией , где -максимальное значение функции, , Сет.В- сетевой выпрямитель с выходным напряжением ; Сгл.Ф- низкочастотный сглаживающий фильтр; ИПН - импульсный преобразователь постоянного напряжения, на вход кото­рого подается постоянное напряжение . Выходные постоянные напряжения ИПН: , поступают в приборы-потребители (электронные приборы - нагрузка для ИВЭП).
...

1.3. Сетевой выпрямитель с фильтрами:
На рис.3 приведена схема сетевого выпрямителя ФВФ с фильтрующими элементами.

Рис.3 Схема сетевого выпрямителя ФВФ.

Мостовой выпрямитель напряжения сети выполнен на диодах . На его выходе включен емкостной фильтр, в качестве которого используется конденсатор , сглаживающий низкочастотные пульсации выпрямленного напряжения. Резистор является нелинейным сопротив­лением, ограничивающим пусковой ток заряда конденсатора при перво­начальном подключении ИВЭП к сети . Необходимость введения этого ре­зистора в схему ИВЭП вызвана тем, что емкость конденсатора велика (составляет десятки-сотни микрофарад), и его заряд, например, в момент времени, когда мгновенное значение синусоиды сетевого напряжения равно максимальному значению обусловит появление импульса тока большой амплитуды.
...

1.4. Силовой каскад ОПНО:
Принципиальная схема силового каскада ОПНО "бестрансформаторно­го" ИВЭП приведена на рис. 4.

Рис. 4: Схема силового каскада ОПНО "бестрансформаторно­го" ИВЭП.
Здесь функции силового ключа S (см. схему рис. 2) выполняет МДП-транзистор . Полевой транзистор с изолированным затвором индуцированным каналом n-типа. Временные диаграммы его работы показаны на рис.5.

Рис. 5: Временные диаграммы работы силового каскада.

Режим работы силового каскада по заданию - режим прерывистых токов (ПТ), характеризуется наличием нулевого значения тока в индуктивности на определенных интервалах времени функционирования преобразователя, что показано на временных диаграммах рис. 5.
Как видно из временных диаграмм , на рис. 5, в режиме ПТ разряд индуктивности вторичной обмотки трансформатора TV происходит за время
(1.1)
На интервале времени ток обмотки равен нулю.
...

1.5. Работа магнитопровода силового трансформатора.

Трансформатор силового каскада является специфическим индуктив­ным элементом, характерные особенности работы которого определяются выбранным типом импульсного преобразователя - ОПНО.
С точки зрения трансформации напряжений и токов из первичной обмотки во вторичную трансформатор TV схемы рис. 4 представляется классическим трансформатором, к которому применимы рассматриваемые в курсе ТОЭ формулы приведения.
В классическом трансформаторе тока или напряжения, включая им­пульсный, индуктивность намагничивания является паразитной и для по­вышения энергетической эффективности трансформатора она должна быть максимальной, так как при этом уменьшается бесполезный ток холостого хо­да.
Магнитопровод трансформатора силового каскада ОПНО работает в режиме однополярного намагничивания, как и импульсный трансформатор. Одновременно с этим, индуктивность его намагничивания должна быть не максимально возможной, а иметь строго определенную величину.
...

1.6. Работа схемы сравнения.
Как видно из схемы рис. 4, напряжение вторичной обмотки , вы­прямленное диодом через сглаживающий фильтр поступает в нагрузку . Одновременно с этим напряжение с конденсатора посту­пает на вход аналоговой схемы сравнения . Функционально она пред­ставляет собой операционный усилитель, на один из входов которого посту­пает опорное напряжение, а на другой напряжение с выхода делителя напря­жения . К выходу подключен светодиод первой части оптоэлектронной пары "светодиод-фототранзистор" микросхемы устройст­ва гальванической развязки. Работа схемы сравнения с оптоэлектронной па­рой заключается в том, что при изменении выходного напряжения ИВЭП из­меняется яркость свечения светодиода, что приводит к изменению светового потока, передаваемого на последующие функциональные узлы ИВЭП.
При отсутствии выходного напряжения в момент первоначально пуска ИВЭП яркость свечения светодиода равна нулю, а при последующем увеличении яркость свечения увеличивается.
...

1.7. Схема управления силовым транзистором
Схема управления силовым транзистором с применением специализированной ИМС, приведена на рис. 10. Схема содержит следующие элементы с указанием их соответствующего функционального назначения специализированной ИМС типа КР1033ЕУ15А (вывод 7 ИМС) осуществляется от стабилитрона . Существует два режима элек­тропитания ИМС.
Первый режим используется для первоначального пуска ИВЭП. При наличии напряжения ток через стабилитрон задается резистором . В установившемся режиме ток в через резистор поступает от обмот­ки трансформатора TV схемы силового каскада (см. схему рис. 4, напря­жение ). Сглаживание высокочастотных и низкочастотных пульсаций на­пряжения питания осуществляется конденсаторами и , первый из которых является керамическим, а второй - электролитическим. Общим для входных и выходных сигналов, а также для питания является вывод 5 .

Рис. 11. Схема управления силовым транзистором.
...

2.1. Определение максимального и минимального значений постоянного напряжения питания силового каскада:

Определяем максимальное и минимальное значение постоянного напряжения питания силового каскада, В:

,
где - падение напряжения на диоде сетевого выпрямителя, где принято, что .

2.2. Выбор типа диодов VDc1…VDc4 сетевого выпрямителя:

Максимальное обратное напряжение на диодах равно максимальному выпрямительному напряжению, В:

Средний ток, протекающий через каждый из диодов, А:

Диоды выбираются таким образом, чтобы для этих расчетных значений напряжений и токов выполнялся коэффициент запаса >0,7. Кроме того, необходимо учитывать наличие в сети возможных импульсных низкочастотных и высокочастотных перенапряжений, поэтому для сетевых выпрямителей желательно, чтобы допускаемые напряжения превышали расчетные в 2…3 раза по отношению к расчетным.
Воспользуемся справочными данными по некоторым типам выпрямительных и импульсных диодов, приведенными в приложении 2 {1}.
...

2.5. Расчёт силового трансформатора TV:

Максимальный ток первичной обмотки , А:

Действующее значение тока обмотки , А:

Коэффициент трансформации силового трансформатора:

Действующее значение тока вторичной обмотки и диода VDв, А:


Индуктивность первичной обмотки трансформатора TV, мГн:

Определяем число витков первичной обмотки . Из данных приложения 1 {1} предварительно выбираем магнитопровод . Для него средняя длина силовой линии , площадь поперечного сечения сердечника , магнитная проницаемость :


Полученный результат следует округлить до ближайшего целого и желательно четного числа, поэтому .
Приращение магнитной индукции в сердечнике магнитопровода за время действия импульса тока первичной обмотки, Тл:


Индукция насыщения материала сердечника МП140 равна . Она больше, чем рассчитанное приращение , поэтому можно сделать вывод о том, что типоразмер магнитопровода выбран верно.
...

2.6. Выбор выпрямительного диода VDв:

Действующее значение тока диода равно току вторичной обмотки .
Обратное напряжение на диоде, В:

Критерии выбора диода те же, что и для транзистора. Поскольку через диод протекает значительный ток, то его следует выбирать с большим запасом. Это позволит уменьшить размеры теплоотвода. Руководствуясь этим, выбираем диодную сборку КДС636ВС, которая представляет собой два диода Шоттки с общим катодом. Она имеет: обратное напряжение и максимальный прямой ток - . Время восстановления обратного сопротивления - . Падение напряжения на этой диодной сборке равно: .
Статические потери мощности на диоде VDв:

Поскольку преобразователь работает в режиме ПТ, то коммутационными потерями мощности, вызванными наличием импульса тока в режиме НТ, можно пренебречь. Поэтому полные потери мощности диода равны .

Определим параметры элементов схемы управления на рис.11.{1}

Рассчитаем сопротивление резистора запуска ИВЭП- .
...

2.7. Определение параметров элементов схем управления:

Определяем параметры элементов цепи защиты силового транзистора VTs от перегрузки по току.
При определении параметров элементов цепи защиты по току целесообразнее руководствоваться типовым значением сопротивления, которое, как правило, лежит в пределах от максимального. Напряжение на выводе 3 ИМС- , равно падению напряжения на сопротивлении резистора , при котором начинается ограничение длительности импульса , составляет 1В. Исходя из того, что амплитуда импульса тока, протекающего через резистор , должна находиться в пределах , выбираем его сопротивление равным 1,2кОм. Считая прямое падение напряжение на диоде VDt, равным 0,6 В.
...

1. Сергеев Б.С., Чечулина А.Н., Курченкова Н.Б. Расчёт импульсного источника вторичного электропитания: Учебное пособие для курсового проектирования. Екатеринбург, 2002г.
2. Воробьев Н.И. Проектирование электронных устройств: Учебное пособие для вузов. Москва,1989г.
3. Гусев В.Г.,Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника:Учебник для вузов, Москва,2004г.
4. Транзисторы для аппаратуры широкого применения:Справочник / К.М.Брежнева, Е.И.Гантман, Т.И.Давыдова и др. Москва,1992г.
5. Сидоров Н.Н и др. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники: Справочник.-Москва,1989г.