Двухтактный преобразователь

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СХЕМЫ  И НАЗНАЧЕНИЕ ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ

 

На рисунке 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 (рисунок 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.

 

 

 

Рисунок 1. Двухтактный преобразователь.

 

 

 

Рисунок 2. Петля гистерезиса.

 

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.

 

Рисунок 2. Принцип действия двухтактного преобразователя напряжения

 

 

 

 

 

 

 

 

2 РАСЧЕТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

2.1 Исходные данные

Напряжение питания  – U₁ = ±5B±10%

Напряжение выходное – U_н = ±15B±1%

Мощность нагрузки – P_н = 10Вт

Допустимая амплитуда  пульсаций – к_п = 0,05

 

2.2 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:

В качестве материала высокочастотных  трансформаторов (до сотен кГц) в  настоящее время могут быть использованы ферриты.

Для данной частоты (20 кГц) рекомендуется  выбрать сердечник типа К из феррита  марки 2000НМ3.

 

Расчет элементов  схемы:

1. Для расчета трансформатора необходимо задаться КПД - h, значениями электромагнитных нагрузок: магнитной индукции - B_s (Тл) и плотностью тока в обмотках -  j(А/мм²), 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/мм²;
• к_o = 0,13;
• к_с = 1;
• к_ф = 1.

2. Определяем расчетную мощность трансформатора по формуле S_рас (Вт):

 

S_рас = 1/2Ö`2h[2(1+Ö`2h)Р_н] = 0,601*44,042 = 26,469 Вт                 (2.1)

 

3. Для выбора типоразмера магнитопровода следует рассчитать произведение, где S_c - площадь поперечного сечения стержня трансформатора, S_o - площадь окна магнитопровода:

 

S_cS_o = S_рас10²/2к_фfBjk_ck_o = 2646,9/2*20*10³*0,2*12,5*0,13

= 0,2036 см⁴.                                                                                 (2.2)

 

Ближайшее, большее к расчетному значение S_cS_o – 0,271 см⁴.

По нему выбираем типоразмер магнитопровода: К 20´10´6

 

 

   b                           a      d

                                   

                                       D

 

Размеры магнитопровода К 20´10´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 = 1,13см².

Площадь поперечного сечения стержня  трансформатора S_c = 0,24см².

4. Действующее значение тока холостого хода - I₀ (А):

I₀ = Ö I²_0p + I²_0a    = 0,123А,                                                        (2.3)

где I_0a - действующее значение активной составляющей тока холостого хода (А),

I_0a = Р_ст/ U₁*(1- 0,5*DU) = 0,201/5*(1-0,5*0,035)

= 0,201/4,9125 =0,041А                                                                   (2.4)

а  I_0p - действующее значение реактивной составляющей тока холостого хода (А),

I_0p = Ö`2Нl<sub>c</sub>*10<sup>-2</sup>/w<sub>1</sub> = Ö`2*40*0,0267/13 = 1,51/13 = 0,116А        (2.5)

где Н – эффективное значение напряженности магнитного поля (А/м),

Н = 40А.

5. Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора - I₁ (А); расчет транзисторов и резисторов:

I₁ = Ö0,5*(2*( I_б*w_б/w₁)²+(I₂*w₂/w₁)²+I₀²) = Ö0,5*(2*(0,969*11/13)² + (0,89*50/13)² + 0,0151) = Ö13,077 = 3,616А                                              (2.6)

Где I₂ - тока вторичной обмотки трансформатора (А),

I₂ = 0,89А,

I_б - тока базовой обмотки трансформатора (А),

I_б = I_{б нас}/Ö`2 = 1,37/Ö`2 = 0,969А,                                                     (2.7)

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,                                   (2.8)

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} = U₂*I₂/h( U_{1 min} – U_{кэ нас} ) = 18,75*0,89/0,85*(4,5-2,5) = 16,69/1,7 = 9,82А                                                                                                           (2.9)

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                                                (2.10)

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   f_гр = 20Мгц

I_{к max} = 5А         h_{21 э} = 15          

I_{с max} = 150А     P_{к max} = 15Вт

 

 

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                         (2.11)

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*10³*0,5 =

= 12,275 + 0,006 = 12,281Вт                                                           (2.12)

Коэффициент динамических потерь - к_д = 0,5

t_т = 1/(2*p*f_гр) = 7,96*10^-9                                                                                                         (2.13)

Сопротивление резисторов R_б (Ом):

R_б = (U_б - U_{бэ нас})/ I_{б нас} = (4-1)/1,37 = 2,19 Ом                                 (2.14)

Выбираем постоянный непроволочный  резистор марки «С2-13-025», пределы  сопротивления которого от 1 Ом до 1Мом, наибольшее рабочее напряжение – 250В.

6. Определяем емкость конденсатора С (мкФ):

С = Н/ к_пr = 88/0,05*7,37 = 238,81 мкФ                                        (2.15)

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                                                   (2.16)

, т.е. пульсация менее заданного  значения.

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемых источников

 

1. Моин В.С., Лаптев Н.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи.- М.: Энергия, 1972г.

2.   Глебов Б.А. Магнитно-транзисторные преобразователи напряжения для питания РЭА.-М.: Радио и связь, 1981г.-251 с.

3. В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф. Колканов Расчет источников электропитания устройств связи – М.: Радио и связь, 1993г.