Преобразователь постоянного напряжения
Преобразователь постоянного напряжения
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Исходные данные
Проектирование и расчет
Описание работы схемы и назначение ее элементов
Спецификация элементов
Список литературы
Введение
Полупроводниковые преобразователи электрической энергии
Устройства силовой электроники представляют собой очень широкую и быстро развивающуюся область техники. Одним из важнейших объектов изучения в данной области является полупроводниковый преобразователь электрической энергии.
Полупроводниковый преобразователь является основным элементом источников вторичного электропитания, используется в системах электропривода, автотранспорта, связи, в компьютерной и бытовой технике.
В общем виде преобразователем электрической энергии является устройство, которое связывает две (или более) электрические системы с отличающимися друг от друга параметрами и позволяет по заданному закону изменять эти параметры, обеспечивая обмен электрической энергией между связуемыми объектами.
Для преобразования электрической энергии совместно с полупроводниковым преобразователем могут использоваться другие виды преобразователей - трансформаторы, дроссели, конденсаторы.
Основными элементами полупроводникового преобразователя являются: выпрямитель, инвертор и силовой трансформатор.
Исходные данные
ДАНО:
Напряжение питания – U
1 = ± 5B± 10%(пост. тока)
Напряжение выходное – U
н = ± 15B± 1%(пост. тока)
Мощность нагрузки – P
н
= 10Вт
Допустимая амплитуда пульсаций – к
п = 0,05
ВОПРОСЫ:
Разработать функциональную и принципиальную схему преобразователя.
Выбрать и рассчитать элементы схемы.
Определить параметры преобразователя.
Описать работу схемы и назначение ее элементов.
Составить спецификацию элементов.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ:
Принципиальная электрическая схема.
Проектирование и расчет
Схема преобразователя.
На рис. 1 показана схема двухтактного преобразователя с самовозбуждением с выходом на постоянном токе.
Схема содержит работающие в ключевом режиме транзисторы VT1 и VT2, трансформатор TV, магнитопровод которого выполнен из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 2.), выпрямительный мост VD и конденсатор С, сглаживающий пульсации напряжение на нагрузке.
Трансформатор TV имеет три обмотки: первичную (коллекторную W1), вторичную W2 и базовую W
Б
. Первичная и базовая обмотки выполнены из двух полуобмоток с выведенной средней точкой.
Выбор и расчет элементов схемы.
Выбор частоты:
Одним из важнейших параметров полупроводникового преобразователя является частота преобразования инверторного звена. Частота выбирается с учетом множества факторов, таких как необходимые массогабаритные показатели, простота схем управления, схем коммутации и других схемных решений, надежность, устойчивость к перегрузкам и т.п.
Повышение частоты работы преобразователей с 50Гц до нескольких десятков килогерц позволило резко уменьшить массогабаритные показатели устройства за счет уменьшения массы и габаритов силового трансформатора, а также массы и габаритов конденсаторов и дросселей.
В тоже время излишнее повышение частоты преобразования приводит к целому ряду отрицательных последствий. Возрастают потери в ключевых элементах за счет увеличения доли динамических потерь, растут потери в стали магнитопровода трансформатора. На высокой частоте начинают проявляться такие негативные явления, как паразитные индуктивности и емкости соединительных проводов, возникает необходимость учитывать эффект вытеснения тока в обмотках трансформаторов и дросселей.
Таким образом, повышение частоты преобразования полупроводникового преобразователя является действенным способом понижения их массогабаритных показателей.
Исходя из вышеописанного, для расчета данной схемы (двухтактного преобразователя) целесообразно задаться частотой 20кГц.
Частота преобразования напряжения – f = 20 кГц.
Выбор материала и конструкции магнитопровода трансформатора:
Наиболее важными характеристиками материала магнитопровода высокочастотного трансформатора являются удельные потери мощности в материале магнитопровода и значение индукции насыщения B
s
.
В качестве материала высокочастотных трансформаторов (до сотен кГц) в настоящее время могут быть использованы ферриты.
Ферриты обладают низкими значениями удельных потерь, приемлемыми значениями индукции насыщения (B
s
< 0,4 Тл) и высокой магнитной проницаемостью.
Для данной частоты (20 кГц) рекомендуется выбрать сердечник типа К из феррита марки 2000НМ3.
Расчет выпрямителя с активно-емкостной нагрузкой:
Схема выпрямителя – однофазная мостовая (m = 2).
Определяем ориентировочные значения коэффициентов B и D для m = 2:
B = 0,9; D = 2,15.
Максимальное выпрямленное напряжение U
н max = 15,15В.
Ориентировочно определяем параметры однофазной мостовой схемы при работе на активно-емкостную нагрузку (ток нагрузки - I
н = P
н
/U
н = 0,66А):
U
обр = Ц ` 2ВU
н max = Ц ` 2*0,9*15,15 = 19,28В
I
пр ср = 0,5I
н = 0,5*0,66 = 0,33А
I
пр = 0,5DI
н
= 0,5*2,15*0,66 = 0,71А
S
тр = 0,707DBP
н = 0,707*2,15*0,9*10 = 13,68Вт
U
обр – обратное напряжение вентиля (В), I
пр ср
, I
пр
, I
пр m – действующее и амплитудное значение тока вентиля (А), S
тр – габаритная мощность трансформатора (Вт),
По вычисленным значениям U
обр и I
пр ср выбираем диодную сборку типа “КЦ412А” , для которых U
обр = 50В > 19,28В; I
пр ср max = 1А > 0,33А; 1,57 I
пр ср max = 1,57А > 0,72А; U
пр = 1,2В.
Определяем сопротивление вентиля в прямом направлении r
пр (Ом):
r
пр = U
пр
/I
пр ср = 1,2/0,33 = 3,64Ом.
Определяем сопротивление обмоток трансформатора r
тр (Ом):
r
тр = k
r
U
н
4Ц
SfB
s
/Р
н /I
н
fB
s = 3,5*15*
4Ц
20000*0,2/10 /0,66*20000*0,2 = 52,5*4,474/2640 = 52,5/11811,36 = 0,09Ом,
при k
r = 3,5; S = 1.
k
r – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления; S – число стержней трансформатора, на которых помещены его обмотки.
Сопротивление фазы r (Ом):
r = r
тр
+2r
пр = 0,09+2*3,64 = 7,37Ом.
Определяем коэффициент А:
A = I
нp
r/mU
н = 0,66*3,14*7,37/2*15= 0,51
По коэффициенту А определяем коэффициенты:
В = 1,25; D = 1,9; F = 4,8.
Определяем параметры трансформатора и вентелей:
U
2
, I
2 – напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора; I
1
, U
1 - напряжение и ток первичной обмотки трансформатора.
Е
2 = U
2 = BU
н = 1,25*15 = 18,75В
I
2 = 0,707DI
н = 0,707*1,9*0,66 = 0,89А
Е
1 = U
1 = 5В
I
1 = 0,707DI
н
U
2
/U
1 = 0,707*1,9*0,66*18,75/5= 3,32А
S
2 = S
1
= S
тр
= 0,707BDP
н = 0,707*1,25*1,9*10 = 16,79Вт
I
пр = 0,5DI
н = 0,5*1,9*0,66 = 0,63А < 1,57 I
пр ср max = 1,57А
U
обр = Ц ` 2ВUн
max = Ц ` 2*1,25*15,15 = 26,78В
I
пр m = 0,5FI
н = 0,5*4,8*0,66 = 1,58А
Таким образом, выбранная предварительно диодная сборка типа “КЦ412А” пригодна для работы в схеме выпрямления.
Определяем при А = 0,51 коэффициент Н = 88
Определяем емкость конденсатора С (мкФ):
С = Н/ к
п
r = 88/0,05*7,37 = 238,81 мкФ
Выбираем конденсатор типа “К 50-20” на номинальное напряжение 25В номинальной емкости 500мкФ.
Уточняем величину пульсаций к
п = Н/ Сr = 88/500*7,37 = 0,02, т.е. пульсация менее заданного значения.
Расчет трансформатора и остальных элементов схемы:
1. Для расчета необходимо задаться КПД трансформатора - h , значениями электромагнитных нагрузок: магнитной индукции - B
s (Тл) и плотностью тока в обмотках - j(А/мм
2
), коэффициентом заполнения медью магнитопровода - к
o
, коэффициентом заполнения сталью/сплавом сечения магнитопровода - к
с
, коэффициентом длительности импульса - к
ф
. Значения вышеперечисленных расчетных данных примем по рекомендациям для данного типа сердечника:
h = 0,85;
B
s
= 0,2 Тл;
j = 12,5 А/мм
2
;
к
o = 0,13;
к
с = 1;
к
ф = 1.
Определяем расчетную мощность трансформатора по формуле S
рас (Вт):
S
рас = 1/2Ц ` 2h [ 2(1+Ц ` 2h )Р
н]
= 0,601*44,042 = 26,469 Вт
3. Для выбора типоразмера магнитопровода следует рассчитать произведение, где S
c
- площадь поперечного сечения стержня трансформатора, S
o - площадь окна магнитопровода:
S
c
S
o = S
рас
10
2
/2к
ф
fBjk
c
k
o = 2646,9/2*20*10
3
*0,2*12,5*0,13 = 0,2036 см
4
.
Ближайшее, большее к расчетному значение S
c
S
o – 0,271 см
4
.
По нему выбираем типоразмер магнитопровода: К 20ґ 10ґ 6
b a d
D
Размеры магнитопровода К 20ґ 10ґ 6:
a = 5 мм, b = 6 мм, d = 10 мм, D = 20 мм.
Средняя длина магнитной силовой линии l
c = 5,03см.
Масса магнитопровода G
ст = 6,7г.
Площадь окна магнитопровода S
o = 1,13см
2
.
Площадь поперечного сечения стержня трансформатора S
c = 0,24см
2
.
Потери в магнитопроводе трансформатора Р
ст
(Вт):
Р
ст = Р
уд
G
ст
, где Р
уд – удельные потери в 1 кг материала магнитопровода при нормированных значениях магнитной индукции и частоты (Вт/кг);
Р
уд = 30 Вт/кг, G
ст = 6,7г = 0,0067кг.
Р
ст = 30*0,0067 = 0,201 Вт.
4. Число витков первичной вторичной и базовой обмоток трансформатора:
w
1 = U
1
(1-0,5D U)10
4
/4k
ф
fB
s
S
c
k
c
w
2 = U
2
(1+0,5D U)10
4
/4k
ф
fB
s
S
c
k
c
w
б = U
б
(1+0,5D U)10
4
/4k
ф
fB
s
S
c
k
c
D U - относительное изменение напряжения на выходе трансформатора (В)
D U = 0,035 B.
w
1 = 5*(1-0,5*0,035)* 10
4
/4*20000*0,2*0,24 = 49125/3840 = 12,79 ” 13
w
2 = 18,75*(1+0,5*0,035)* 10
4
/4*20000*0,2*0,24 = 190781,25/3840 = 49,68 ” 50
w
б = 4*(1+0,5*0,035)*10
4
/4*20000*0,2*0,24 = 40700/3840 = 10,59 ” 11
(U
б = 4* U
бэ нас = 4В, т.к. U
бэ нас = 1В)
Действующее значение тока холостого хода - I
0 (А):
I
0 = Ц I
2
0p + I
2
0a
= 0,123А,
где I
0a - действующее значение активной составляющей тока холостого хода (А),
I
0a = Р
ст
/ U
1
*(1- 0,5*D U) = 0,201/5*(1-0,5*0,035) = 0,201/4,9125 =0,041А
а I
0p - действующее значение реактивной составляющей тока холостого хода (А),
I
0p = Ц ` 2Нl
c
*10
-2
/w
1 = Ц ` 2*40*0,0267/13 = 1,51/13 = 0,116А
где Н – эффективное значение напряженности магнитного поля (А/м),
Н = 40А.
6. Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора - I
1 (А); расчет транзисторов и резисторов:
I
1 = Ц 0,5*(2*( I
б
*w
б
/w
1
)
2
+(I
2
*w
2
/w
1
)
2
+I
0
2
) = Ц 0,5*(2*(0,969*11/13)
2 + (0,89*50/13)
2 + 0,0151) = Ц 13,077 = 3,616А
Где I
2 - тока вторичной обмотки трансформатора (А),
I
2 = 0,89А,
I
б - тока базовой обмотки трансформатора (А),
I
б = I
б нас
/Ц ` 2 = 1,37/Ц ` 2 = 0,969А,
I
б нас – ток базы, необходимый для насыщения транзистора (А),
I
б нас = I
к нас
*k
нас
/h
21 э min = 9,82*1,4/12 = 1,37А,
k
нас – минимальный коэффициент насыщения транзистора,
I
к нас – значение тока коллектора открытого транзистора,
h
21 э min – минимальный коэффициент передачи тока.
Принимаем
k
нас = 1,4
I
к нас = U
2
*I
2
/h ( U
1 min – U
кэ нас
) = 18,75*0,89/0,85*(4,5-2,5) = 16,69/1,7 = 9,82А
U
кэ нас
= 2,5В
U
кэ max
максимальное напряжение на закрытом транзисторе преобразователя (В),
U
кэ max
= 2,4* U
1 max
= 2,4*5,5 = 13,2В
По значениям тока I
к нас и напряжения U
кэ max
из справочника выбираем тип транзистора и определяем его основные параметры:
Выбираем транзистор марки “КТ 805 А”
U
кэ max
= 160В
I
к max = 5А
P
к max = 15Вт
h
21 э = 15
I
с max = 150А
f
гр = 20Мгц
Проверяем, не превышает ли максимально допустимый ток коллектора выбранного транзистора значение I
к max
.
I
к max = I
к нас
*k
нас
* h
21 э max
/h
21 э min = 9,82*1,4 = 13,75А
Определяем значение мощности Р
к (Вт), рассеиваемой транзистором преобразователя:
Р
к
= 0,5* U
кэ нас
* I
к нас + U
1 max
* I
к max
*t
т
*f*к
д = 0,5*2,5*9,82+5,5*13,75*7,96*10
-9
*20*10
3
*0,5 = 12,275 + 0,006 = 12,281Вт
Коэффициент динамических потерь - к
д = 0,5
t
т = 1/(2*p *f
гр
) = 7,96*10
-9
Сопротивление резисторов R
б (Ом):
R
б = (U
б - U
бэ нас
)/ I
б нас = (4-1)/1,37 = 2,19 Ом
Выбираем постоянный непроволочный резистор марки “С2-13-025”, пределы сопротивления которого от 1 Ом до 1Мом, наибольшее рабочее напряжение – 250В.
7. Поперечные сечения проводов первичной, вторичной и базовой обмоток:
q’
1 = I
1
/j = 3,616/12,5 = 0,2893 мм
2
q’
2 = I
2
/j = 0,89/12,5 = 0,0712 мм
2
q’
б = I
б
/j = 0,969/12,5 = 0,07752 мм
2
Выбираем обмоточный провод круглого поперечного сечения марки ПЭВ – 1.
Поперечное сечение:
q
1 = 0,1886 мм
2
q
2 = q
б = 0,06605 мм
2
Диаметры проводов без изоляции:
d
1 = 0,49 мм
d
2 = d
б = 0,29 мм
Диаметры проводов с изоляцией:
d
и1 = 0,53 мм
d
и2 = d
иб = 0,33 мм
Уточняем плотность тока в обмотках:
j
1 = I
1
/ q
1 = 3,616/0,1886 = 19,17 А/мм
2
j
2 = I
2
/ q
2 = 0,89/0,06605 = 13,47 А/мм
2
j
б = I
б
/ q
б = 0,969/0,06605 = 14,67 А/мм
2
Средняя плотность тока в обмотках:
j =
4Ц
j
1 * j
2 * j
б ” 7,2106 А/мм
2
Конструктивный расчет трансформатора:
Среднее значение высоты (длины) намоточного слоя первичной обмотки h
об 1 (мм):
h
об 1 = (p /2)*[ 3*(d/2-d
г
)+d
ост
/2] = 1,57*(3*(5-0,5)+1,55) = 23,6285 мм
d
ост – остаточный диаметр = 3,1 мм
d
г – толщина изоляции магнитопровода = 0,5 мм
Число витков в одном слое первичной обмотки w
сл 1
при k
у = 0,75:
w
сл 1
= h
об 1
*k
у
/d
и1 = 23,6285*0,75/0,53 = 33,4365
Число слоев первичной обмотки n
сл 1
:
n
сл 1 = w
1
/ w
сл 1 = 13/33,4365 = 0,389 ” 1
Радиальный размер первичной обмотки катушки d
1
(мм):
d
1 = 1,2* n
сл 1
*d
и1 = 1,2*1*0,53 = 0,636мм
Внутренний диаметр после намотки первичной обмотки d
вн 1 (мм):
d
вн 1 = d
2d
1
= 10-1,272 = 8,728мм
Средняя высота слоя базовой обмотки h
об б (мм):
h
об б = p [ d
вн 1
d
б пр]
= 3,14*[ 8,728–1,272] = 23,412 мм
Радиальный размер базовой обмотки катушки d
б пр (мм):
d
б пр = (d
1
*S
б
)/S
б* = (0,636*7,752)/3,876 = 1,272 мм
Расчетная габаритная мощность базовой обмотки S
б (Вт):
S
б = 2 U
б I
б = 2*4*0,969 = 7,752 Вт
Расчетная мощность базовой обмотки S
б (Вт):
S
б* = U
б I
б = 4*0,969 = 3,876 Вт
Число витков в одном слое базовой обмотки w
сл б
при k
у = 0,75:
w
сл б
= h
об б
*k
у
/d
иб = 23,412*0,75/0,33 = 53,209
Число слоев базовой обмотки n
сл б
:
n
сл б = w
б
/ w
сл б = 11/53,209 = 0,206 ” 1
Радиальный размер базовой обмотки катушки d
б (мм):
d
б = 1,2* n
сл б
*d
иб = 1,2*1*0,33 = 0,396 мм
Средняя высота слоя вторичной обмотки h
об 2 (мм):
h
об 2 = p [ d
вн 1
d
2 пр]
= 3,14*[ 8,728–1,272] = 23,412 мм
Радиальный размер вторичной обмотки катушки d
2 пр (мм):
d
2 пр = (d
1
*S
2
)/S
2* = (0,636*33,375)/16,688 = 1,272 мм
Расчетная габаритная мощность вторичной обмотки S
2 (Вт):
S
2 = 2 U
2 I
2 = 2*18,75*0,89 = 33,375 Вт
Расчетная мощность вторичной обмотки S
2 (Вт):
S
2* = U
2 I
2 = 18,75*0,89 = 16,688 Вт
Число витков в одном слое вторичной обмотки w
сл 2
при k
у = 0,75:
w
сл 2
= h
об 2
*k
у
/d
и2 = 23,412*0,75/0,33 = 53,209
Число слоев вторичной обмотки n
сл 2
:
n
сл 2 = w
2
/ w
сл 2 = 50/53,209 = 0,94 ” 1
Радиальный размер вторичной обмотки катушки d
2 (мм):
d
2 = 1,2* n
сл 2
*d
и2 = 1,2*1*0,33 = 0,396 мм
Остаточный диаметр после намотки обмоток d
ост (мм):
d
ост = d – (d
1 + d
б +d
2
) = 10 – (0,636 + 0,396+0,396) = 8,572 мм
9. Проверочный расчет трансформатора:
Средняя длина витка обмотки трансформатора l
ср (мм):
l
ср = 2*(a + b + p r
ср
)*10
-3 = 2*(5 + 6 + 3,14*0,318)* 10
-3 =0,024 мм
а = (D – d)/2 = (20-10)/2 = 5 мм
r
ср = d
1 /2 = 0,636/2 = 0,318
Масса меди всех обмоток G
м (г):
G
м = G
м1 + G
м2 + G
мб = 0,5242+0,7044+0,1291 = 1,3577 г
Масса меди первичной обмотки G
м1 (г):
G
м1 = w
1
* l
ср *g
1 = 13*0,024*1,68 = 0,5242 г
Масса меди вторичной обмотки G
м2 (г):
G
м2 = w
2
* l
ср *g
2 = 50*0,024*0,587 = 0,7044 г
Масса меди базовой обмотки G
мб (г):
G
мб = w
б
* l
ср *g
б = 11*0,024*0,587 = 0,1291 г
Коэффициент заполнения окна магнитопровода медью k
0
:
k
0
= (q
1 * w
1 + q
2 * w
2 + q
б * w
б
)*10
-2
/S
0 = (0,1886*13+0,06605*50+0,06605*11)* 10
-2
/1,13 = 0,065/1,13 = 0,058
Масса изоляции G
из (г):
G
из = (1 - k
0
)* G
м * g
из * k
из
/ 8,9*k
0
= (1-0,058)*1,3577*0,7/8,9*0,058 = 0,895/0,5162 = 1,734 г
Удельная масса изоляции g
из (г/см
3
):
g
из = 1 г/см
3
Коэффициент укладки изоляции k
из
:
k
из = 0,7
Масса трансформатора G
т (г):
G
т = G
м + G
из + G
ст = 1,3577 + 1,734 + 6,7 = 9,7917 г
Активное сопротивление обмоток при максимальной температуре окружающей среды:
r
1 = w
1
* l
ср *k
t * k
j
/ 57*q
1
= 13*0,024*1,24/57*0,1886 = 0,3869/10,7502 = 0,0359
r
2 = w
2
* l
ср *k
t * k
j
/ 57*q
2
= 50*0,024*1,24/57*0,06605 = 1,488/3,7649 = 0,3952
r
б = w
б
* l
ср *k
t * k
j
/ 57*q
б
= 11*0,024*1,24/57*0,06605 = 0,3274/3,7649 = 0,0869
Коэффициент, учитывающий увеличение удельного сопротивления меди с повышением температуры:
k
t = 1+0,004*(Т
с
+D Т-20) = 1+0,004*(30+50-20) = 1,24
k
j = 1 (коэффициент увеличения сопротивления провода в зависимости от частоты тока питающей сети), Т
с = 30° С (макс. Температура окружающей среды), D Т = 50° С (температура перегрева обмоток).
Относительное значение активной составляющей напряжения короткого замыкания U
к.а
:
U
к.а = (I
1
/U
1
)*( r
1 * r
2
) = (2,58/5)*(0,0359+0,103) = 0,516*0,1389 = 0,0717
Приведенное к первичной обмотке, активное сопротивление вторичной обмотки:
r
2
= r
2
*( w
1
/ w
2
) = 0,3952*(13/50) = 0,103
Относительное значение реактивной составляющей напряжения короткого замыкания U
к.р
:
U
к.р = [ 2*p *m
0
*f* I
1
* w
1
2
/ U
1
*(D+2*d
2
)] *(d
1 + d
б +d
2
)/3* l
ср
2
/4 = [ 2*3,14*3,4*10
-7
*20000*3,616* 169/ 5*(20+0,792)] *1,428/3* 0,00058
/4 = 26,097/103,96*0,476*0,000145 = 17,33*10
-6
Магнитная постоянная m
0
(Гн/м):
m
0
= 4h *10
-7 = 3,4*10
-7 Гн/м
Относительное значение напряжения короткого замыкания U
к
:
U
к = Ц U
2
к.а + U
2
к.р = 0,0717
Потери в меди обмоток:
Р
м1 = I
1
2
*
r
1
= 13,075*0,0359 = 0,469
Р
мб = I
б
2
*
r
б
= 0,939*0,0869 = 0,0816
Р
м2 = I
2
2
*
r
2
= 0,7921*0,3952 = 0,313
Суммарные потери в меди всех обмоток:
Р
м = Р
м1 + Р
м2
+ Р
мб
= 0,469+0,0816+0,313 = 0,8636
Коэффициент полезного действия трансформатора:
h = 1-( Р
м + Р
ст
)/ ( Р
м + Р
ст
+ Р
н
) = 1-(0,8636+0,201)/(0,8636+0,201+10) = 1-0,096 = 0,904
10. Тепловой расчет трансформатора:
Температура перегрева обмоток относительно окружающей среды D Т:
D Т ” (Р
м + Р
ст
)/ a
m
*S
охл = (0,8636+0,201)/12*1214,03 = 1,0646/14568,384 = 73,08*10
-6
Коэффициент теплоотдачи трансформатора a
m
(Вт/м
2
*° С):
a
m
= 12 Вт/м
2
*° С
Общая поверхность охлаждения для тороидального трансформатора S
охл
:
S
охл = [ p *(D+2d
1 + 2d
б +2d
2
) 2
-p *d
2
ост]
/2+p *(D+2d
1 + 2d
б +2d
2
)*b = 1214,03 м
2
Описание работы схемы и назначение ее элементов
Схема работает следующим образом. При открытом транзисторе VT1, напряжение источника питания приложено (если пренебречь относительно малым напряжением на открытом транзисторе) к первичной полуобмотке W1, и создает на базовых обмотках напряжение с полярностью, поддерживающей транзистор VT1 в открытом, а транзистор VT2 в закрытом состоянии.
Под действием напряжения, приложенного к первичной полуобмотке, магнитопровод трансформатора перемагничивается по участку 1-2 петли гистерезиса, резко возрастает его намагничивающий ток (ток коллектора VT1). При достижении коллекторным током значения I
кмакс
=B*I
б
, транзистор VT1 выходит из состояния насыщения, падение напряжения на нем увеличивается, а напряжение на всех обмотках трансформатора уменьшается. Последнее приводит к уменьшению коллекторного тока открытого транзистора. При этом рабочая точка движется по участку 3-2 петли гистерезиса, и напряжения на обмотках трансформатора меняют знак; транзистор VT1 закрывается, открывается транзистор VT2. После этого магнитопровод трансформатора перемагничивается по участку 2'-1' петли гистерезиса, и все процессы в схеме повторяются. Ток коллектора открытого транзистора складывается из приведенных к первичной обмотке тока нагрузки I
Н'
, базового I
Б'
. Так как петля гистерезиса прямоугольная, ток коллектора имеет прямоугольную форму со "всплеском" в конце полупериода. Ток закрытого транзистора примерно равен обратному току коллектора. Напряжение на обмотках трансформатора имеет вид симметричных импульсов прямоугольной формы. Напряжение на нагрузке постоянно. Максимальная магнитная индукция в трансформаторе равна индукции насыщения Bs материала магнитопровода. В течение полупериода индукция в трансформаторе изменяется по линейному закону от -B
S до +B
S
.
Принцип действия двухтактного преобразователя напряжения
Двухтактные преобразователи с насыщающимся трансформатором используются как задающие генераторы для усилителей мощности и автономные маломощные источники электропитания. Их основные достоинства – простота схемы, а также нечувствительность к коротким замыканиям в цепи нагрузки. При коротком замыкании в цепи нагрузки срываются автоколебания преобразователя и транзисторы закрываются. Недостатком преобразователей с насыщающимся трансформатором является наличие выбросов коллекторного тока в момент переключения транзисторов, что ведет к увеличению потерь в преобразователе.
Спецификация элементов
N
Обозначение
Наименование
Кол-во
Примечание
1
Транзисторы VT1 и VT2
КТ 805 А
2
биполярные транзисторы p-n-p. U
кэ max
= 160В; I
к max = 5А; P
к max = 15Вт
2
Магнитопровод трансформатора TV
К 20ґ 10ґ 6
1
феррит марки 2000НМ3; средняя длина магнитной силовой линии l
c = 5,03см; масса G
ст
= 6,7г
3
Обмоточный провод трансформатора TV
ПЭВ – 1 номинального диаметра без изоляции: 0,49 мм и 0,29 мм
2
круглого поперечного сечения:
0,1886 мм
2 и 0,06605 мм
2
диаметры проводов с изоляцией: 0,53 мм и 0,33 мм
3
Резисторы R
б
С2-13-025
2
пределы сопротивления которого от 1 Ом до 1Мом, наибольшее рабочее напряжение – 250В
4
Выпрямительный мост VD
КЦ412А
1
средний выпрямляющий ток 1А; U
обр max = 50В
5
Конденсатор С
н
К 50-20
1
номинальное напряжение 25В номинальной емкости 500мкФ.
Список используемой литературы
Моин В.С., Лаптев Н.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи.- М.: Энергия, 1972г.
Глебов Б.А. Магнитно-транзисторные преобразователи напряжения для питания РЭА.-М.: Радио и связь, 1981г.-251 с.
В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф. Колканов Расчет источников электропитания устройств связи – М.: Радио и связь, 1993г.
Ссылки в интернет
http://www.mcu.ru/ - Мир силовой электроники.
http://zpostbox.chat.ru/index.htm - Узлы электронных схем.
http://students.nizhny.ru/ - Схемотехника.
Расчет удельных массогабаритных показателей импульсных преобразователей напряжения. Преобразователи постоянного напряжения в постоянное повышающий преобразователь. Обоснование выбора источника питания для преобразователей информации с. Схемы слаботочных преобразователей напряжения постоянного тока В. Преобразование постоянного напряжения с самовозбуждением Россия. Повышающие преобразователи постоянного напряжения в постоянное. Двухтактные преобразователи напряжения на полевых транзисторах. Схема простейшего преобразователя напряжения постоянного тока. Простой преобразователь постоянного напряжения своими руками. Двухтактный преобразователь напряжения Москва Россия Москве. Схема преобразователя постоянного тока Москва Россия Москве. Преобразователь постоянного напряжения на одном транзисторе. Работа двухтактного преобразователя постоянного напряжения. Схема электрическая Преобразователи напряжения серии ПН Г. Преобразователь постоянного напряжения с самовозбуждением.
|
