Полумостовой преобразователь

 

При проектировании преобразователя использован фильтр синфазных помех второго порядка. Его рабочая частота составляет f = 50 кГц.

Предположим, что затухание помех, проходящих через фильтр, составляет Att = -24 дБ. Определим частоту излома характеристики фильтра:

 

 

 

Примем, что коэффициент затухания , равный 0,707, обеспечит затухание -3 дБ при заданной частоте излома и не будет создавать помех, обусловленных «звоном». Примем также, что импеданс входной линии составляет 50 Ом.

Двухобмоточная  индуктивность L₁ вычисляются следующим образом:

 

 

 

Найдем  емкости конденсаторов С₁, С₄, С₅, значения которых равны между собой.

 

 

Емкость конденсатора фильтра можно определить:

 

 

 

где – минимальная величина выпрямленного напряжения;

 –величина размаха напряжения пульсаций на выходе.

 

Емкость конденсаторов , :

 

 

 

 

На рисунке 2.2 изображена электрическая схема  выходного фильтра (С₁₃, L₃) и звена обратной связи по напряжению(R₅, R₁₄, R₁₈, R₁₉, R₂₀, R₂₁, C₁₅, C₁₄, DA₃, U₁).

Рисунок 2.2 – Электрическая схема выходного  фильтра и звена обратной связи  по напряжению

 

 

Емкость фильтров:

 

 

 

где – наименьший оценочный рабочий цикл при высоковольтной входной линии и малой нагрузке.

Индуктивность фильтров:

 

 Гн

 

где – наибольшее пиковое напряжение после выходного выпрямителя;

 – оценочное  время, когда ключи замкнуты (примерно 30% от величины 1/f).

Контур обратной связи по напряжению должен быть развязан от первичной обмотки к вторичной. Сделаем это с помощью оптрона.

Начиная со вторичной стороны источника  питания, назначим считываемый ток  через резисторный делитель считывания напряжения равным приблизительно 1 мА (1 кОм на 1 В). Ближайшее значение для резистора R₁₉ составляет 2,7 кОм, а фактический ток считывания будет иметь силу 0,926 мА. Можно сразу же вычислить сопротивление резистора R₁₈:

 

 

 

Сопротивление резистора, который обеспечивал  бы ток смещения через оптрон и стабилизатор TL431, определяется по требованиям, предъявляемым к минимальному току через TL431. Этот ток составляет минимум 1 мА. Примем, что максимальный ток через эту ветвь имеет силу 6 мА, тогда сопротивление резистора смещения R₂₁:

 

 

 

Сопротивления R₅ и R₁₄ равны и вычисляются по формуле:

 

 

 

где – напряжение питания широтно-импульсного модулятора.

Рассчитаем  схему компенсации обратной связи по напряжению с одним полюсом и одним «нулем».

Внутреннее  усиление источника питания с  разомкнутым контуром составляет:

 

 

 

Если  это выразить в децибелах, смещение по постоянному току источника питания будет равно:

 

 

Эквивалентные сопротивления малых нагрузок:

 

 

 

Положение самого нижнего полюса вычисляем по формуле:

 

 

 

Выбираем  полосу пропускания закрытого контура из условия:

 

 

 

 

Для достижения требуемой полосы пропускания закрытого  контура усилитель ошибки должен добавлять усиление к конечной функции  этого контура. Это усиление составляет:

 

 

 

Преобразовав  это значение к абсолютному виду, получим:

 

 

 

Значения  для компонентов обратной связи:

 

 

 

 

 

 

 

Полная  электрическая схема преобразователя  изображена в приложении Б графической документации.

 

 

 

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ И КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ ИНДУКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА

 

Один  из основных элементов импульсного  источника питания является импульсный трансформатор. От точности его расчета  и качества изготовления зависят  важнейшие параметры преобразователя: КПД, масса, габариты, надежность.

Исходными данными для расчета являются:

• U_{ПИТ MIN}, U_{ПИТ MAX} – соответственно минимальное, номинальное и максимальное напряжение питания преобразователя.

Так как используется мостовой выпрямитель, то:

 

 

 

 

• В_НАС, µ_ЭФФ– индукция насыщения и эффективная магнитная проницаемость магнитопровода.

Для материала магнитопровода N30:

 

В_НАС = 0,38 Тл  µ_ЭФФ = 4300

 

• F – частота преобразования

 

F = 50 кГц

 

• U_Н, I_Н – напряжение и ток нагрузки

 

U_Н = 2х30 В   I_Н = 3 А

 

• D, d, h – внешний диаметр, внутренний диаметр и высота кольцевого магнитопровода для сердечника EPCOS B64290-A674-X830:

 

D = 36 мм

d = 23 мм

h = 15 мм

Методика  расчета:

 

1. Мощность, потребляемая нагрузкой:

 

 

 

2. Определяем возможный КПД трансформатора:

 

 

 

3.Используемая  мощность трансформатора:

 

 

 

4. Площадь  сечения магнитопровода:

 

 

 

5. Площадь  окна магнитопровода:

 

 

6. Длина  средней линии магнитопровода:

 

 

 

7. Принимаем  значение максимальной индукции  для частотного цикла петли гистерезиса:

 

 

 

Известно, что принимать значение меньше не рационально, так как необоснованно увеличиваются размеры трансформатора, а больше запрещается, так как повышается вероятность насыщения магнитопровода. Принимаем:

 

 

 

8. Габаритная мощность трансформатора:

 

 

 

9. Проверяем,  если , значит выбранный кольцевой магнитопровод можно использовать.

 

 

 

 

Условие выполняется, следовательно, продолжаем расчет.

 

10. Наибольшее  напряжение первичной обмотки  трансформатора:

 

 

 

11. Определяем  число витков первичной обмотки  трансформатора:

 

 

 

где – коэффициент заполнения ферромагнитным материалом площади поперечного сечения магнитопровода, для ферритов равен 1;

 – коэффициент  формы преобразуемого напряжения, для прямоугольной формы импульсов  равен 1.

 

12. Рассчитываем  индуктивность первичной обмотки  трансформатора:

 

 

13. Определяем  амплитуду прямоугольной составляющей  тока первичной обмотки трансформатора:

 

 

 

14. Амплитуда треугольной составляющей тока первичной обмотки трансформатора:

 

 

 

15. Если  выполняется неравенство , пологаем что форма тока первичной обмотки близка к прямоугольной. В противном случае желательно применить магнитопровод с иными параметрами.

 

 

 

 

16. Амплитуда  полного тока первичной обмотки:

 

 

 

17. Диаметр провода первичной обмотки:

 

 

 

Для намотки  используем провод ПЭВ-2. Диаметр провода 1,22 мм. Погонное сопротивление . Сечение провода 0,9852 мм².

 

18. Число  витков вторичной обмотки:

 

 

 

19. Диаметр  провода вторичной обмотки:

 

 

 

Для намотки  используем провод ПЭВ-2. Диаметр провода 1,51 мм. Погонное сопротивление . Сечение провода 1,767 мм².

 

20. Коэффициент  трансформации:

 

 

 

 

4. ВРЕМЕННЫЕ ДИАГРАММЫ РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

 

 

Рисунок 4.1 –  Временные диаграммы работы полумостового преобразователя. 

5. РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКИХ  ПОТЕРЬ И КПД 

 

КПД преобразователя  вычисляется по формуле:

 

 

 

где – мощность потребляемая нагрузкой

 – мощность  потерь в схеме

Мощность  потерь складывается из мощности силовых  ключей, силового трансформатора, выходного  выпрямителя, управляющей микросхемы.

Так как  два силовых ключа и четыре выпрямительных диода полностью идентичны и работают только на половине периода цикла преобразования, то мощность потерь можно рассчитывать только для одного транзистора и двух диодов приняв, что они работают в течение всего цикла преобразования.

Полная  мощность потерь на транзисторе состоит  из статических и динамических потерь.

Статические потери на транзисторе:

 

 

 

где – сопротивление сток-исток открытого транзистора

 – ток, протекающий  через транзистор, он равен току  первичной обмотки трансформатора.

Динамические потери транзистора состоят из потерь на замыкание и размыкание транзистора. Так как потери на замыкание транзистора очень малы, то ими можно пренебречь.

Динамические  потери на размыкание транзистора:

 

 

 

где – напряжение сток-исток разомкнутого транзистора, оно равно напряжению на разделительном конденсаторе и равно напряжению на первичной обмотке трансформатора.

 – время  спада импульса.

 

 

 

Полная  мощность потерь на транзисторе:

 

 

 

Мощность  потерь трансформатора включает в себя мощность потерь в первичной и вторичной обмотках.

Длина провода  первичной обмотки:

 

 

 

Потери  в первичной обмотке трансформатора:

 

 

 

Длина провода  вторичной обмотки:

 

 

 

Потери  во вторичной обмотке трансформатора:

 

 

 

где – ток вторичной обмотки трансформатора, он равен току нагрузки.

 

Полная  мощность потерь в трансформаторе:

 

 

 

Мощность  потерь на выпрямительном диоде состоит  из статических и динамических потерь.

Статические потери на диодах:

 

 

 

где – падение напряжения на диоде в проводящем состоянии.

Ввиду малости  динамических потерь ими можно пренебречь, следовательно, мощность потерь на диоде  будет равна мощности статических потерь.

 

 

 

Потери  на управляющей микросхеме:

 

 

 

где  – ток, потребляемый микросхемой во включенном состоянии.

 

Полная  мощность потерь преобразователя:

 

 

 

КПД преобразователя:

 

 

 

 

6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

 

Для моделирования процессов преобразователя собрана модель разработанного устройства в программе Multisim 11 и сняты следующие характеристики:

• Напряжение на первичной обмотке трансформатора (рисунок 6.1);
• Напряжение на половине вторичной обмотки трансформатора (рисунок 6.2);
• Постоянная (рисунок 6.3) и переменная (рисунок 6.4) составляющая напряжение нагрузки;
• Ток нагрузки (рисунок 6.5). Так как на резисторе номиналом 1 Ом напряжение и ток совпадают по форме и значению, для снятия тока сопротивление нагрузки R_Н = 10 Ом было заменено на два последовательно соединённых резистора R_Н1 = 9 Ом и R_Н2 = 1 Ом. Напряжение снималось на резисторе R_Н2.

 

 

Рисунок 6.1 – Напряжение на первичной обмотке  трансформатора

Рисунок 6.2 – Напряжение на половине вторичной обмотке трансформатора

 

 

 

Рисунок 6.3 – Постоянная составляющая напряжения нагрузки

 

Рисунок 6.4 – Переменная составляющая напряжения нагрузки в установившемся режиме

 

 

Рисунок 6.5 – Ток нагрузки

 

Из снятых осциллограмм видно, что выходное напряжение соответствует заданному в техническом задании и составляет 30 В, переменная составляющая напряжения не превышает заданных 0,5 %, выходной ток составляет 3 А.

Результаты  моделирования схемы подтвердили  правильность расчета.

Как видно  из графиков напряжения и тока нагрузки, время установления выходных параметров устройства составляет 45 мс.

Напряжение  обратной полярности симметрично относительно оси времени.