Расчет импульсного источника вторичного электропитания

Если принять, что время переключения силового транзистора равно t_сп, то выходной ток ИМС DA_су, требующийся для переключения VT_s, находится:

                                                                      

где Q_з – полный заряд емкости затвор-исток транзистора VT_s. Для современных транзисторов величина Q_з приводится, обычно, в справочных данных. Для нашего случая принимаем Q_з = 60 нКл.

Тогда сопротивление резистора R_у определится

                                                                           

Выбираем R_у = 22 Ом.

г) Определяем параметры цепи R_f и C_f, определяющей частоту преобразования силового каскада f_пр.

Согласно технической документации на ИМС типа КР1033EУ15А, если сопротивление R_f = 20 кОм, то для выбранной частоты f_пр = 40 кГц требуется иметь следующую емкость конденсатора С_f:

                                         

Из номинального ряда емкостей конденсаторов  выбираем С_f = 2,4 пФ.

д) Мощность, рассеиваемая ИМС DA_су.

Потери мощности на управление транзистором VT_s находятся:

                        

Собственные потери мощности ИМС:

                                                         

где I_ИМС – максимальный ток, потребляемый ИМС во включенном состоянии: I_ИМС = 20 мА.

Суммарные потери мощности:

                                              

Эта величина меньше, чем нормативно допускаемая: Р_{S ИМС макс} = 1 Вт.

е) Определяем параметры цепи R_дел1 и R_дел2 обратной связи схемы сравнения по напряжению.

Внутреннее опорное напряжение ИМС схемы сравнения равно U_{оп сс} = 2,5 В. Оно формируется при помощи делителя напряжения R_дел1, R_дел2. Если выбрать ток через делитель I_дел = 10 мА, то сопротивление R_дел2  находится следующим образом

                                                                                                               В соответствии с имеющимся рядом номинальных величин сопротивлений выбираем: R_дел2 = 240 Ом.

Для точной настройки уровня выходного  напряжения U_н резистор R_дел2 должен быть переменным или подборным. Средняя величина этого сопротивления определяется:

                                 

Следовательно, если этот резистор будет  переменным, то с достаточным запасом  можно принять: R_дел1 = 1,5 кОм. Если он будет подборным, то диапазон сопротивлений должен лежать в пределах от 470 Ом до 1,5 кОм.

9) Определяем параметры элементов  демпфирующей цепи VD_д, R_д и С_д силового каскада.

а) В соответствии с законом сохранения энергии магнитного поля можно определить, что Е_Ls = Е_Сд, где Е_Ls – энергия, накопленная в индуктивности рассеяния обмоток силового трансформатора TV на этапе открытого состояния транзистора VT_s, Е_Сд – энергия которую должен "поглотить" демпфирующий конденсатор С_д после выключения VT_s при заданной амплитуде увеличения импульса напряжения сток-исток: DU_си = (U_{си макс и} – U_{си макс}) = 25 В. Так как

                                                                                               

  где DU_сд =DU_си =25 В, то емкость демпфирующего конденсатора определяется

                                        

Выбираем емкость С_д = 0,056 мкФ.

б) Амплитуда импульса напряжения на конденсаторе находится из выражения:

                       

Выбираем конденсатор с емкостью 4,3 пФ и напряжением 200 В.

в) Сопротивление демпфирующего  резистора R_д будем искать исходя из того, что напряжение на конденсаторе С_д уменьшается на величину DU_Сд за период Т = 1/f_пр, чтобы к следующему моменту выключения транзистора конденсатор смог "поглотить" следующий импульс тока, накопленный в индуктивности рассеяния. Закон изменения напряжения на С_д имеет вид:

                                                                     

 Откуда величина максимального  сопротивления демпфирующей цепи  определится выражением

                                      

Для обеспечения заведомо полного  разряда демпфирующего конденсатора С_д во всех режимах работы преобразователя величину сопротивления резистора R_д  выбираем в два раза меньше расчетной, то есть R_д = 7,2 кОм.

г) Напряжение на резисторе R_д демпфирующей цепи:

                                                            

Мощность, рассеиваемая резистором R_д,:

                                                                              

 В соответствии с требуемым  коэффициентом запаса k_з выбираем резистор R_д мощностью 1 Вт.

д) Через включенный диод VD_д демпфирующей цепи протекает импульсный ток I_{с макс}. Обратное напряжение равно максимальному напряжению сток-исток U_{си макс и}. Диод должен обладать повышенным быстродействием. Так как относительная длительность импульса тока, протекающие через него, мала, то можно выбрать диод с допускаемым средним током не более 1 А и с максимальным обратным напряжением 800 В. В соответствии со справочными данными Приложения 2 этими условиям удовлетворяет диод КД247Д.

10) Находим КПД источника электропитания:

                                  

11) Достаточно точное определение  пульсаций выходного напряжения DU_н является сложным процессом и требует использования некоторых параметров сглаживающих конденсаторов С_ф1 и С_ф2, которые не оговариваются справочными данными или иной нормативной документацией. В наиболее значительной степени это относится к режиму ПТ, который принят для рассчитываемого импульсного преобразователя.

Поэтому определение емкости этих конденсаторов может быть сделано  из следующих соображений. Приближенно  пульсации напряжения на выходе силового каскада преобразователя определяются как:

                                                                                         

Выходной фильтр силового каскада  состоит из двух электролитических  конденсаторов С_ф1 и С_ф2, между которыми включен дроссель L_ф. Современные электролитические конденсаторы обладают внутренним эквивалентным сопротивлением R_ЭПС потерь (ЭПС), которое не позволяет получать достаточно малые величины напряжения DU_н. Для исключения негативного влияния ЭПС в схему выходного сглаживающего фильтра ОПНО практически всегда вводятся индуктивные элементы. Величина индуктивности L_ф, обычно, невелика и составляет несколько десятков микрогенри .

Выражение для определения DU_н справедливо для случая, когда R_ЭПС = 0. Тогда приведенная емкость С_ф может быть представлена как сумма емкостей конденсаторов С_ф1 и С_ф2. Для исключения негативного влияния ЭПС в схему введен дроссель L_ф. Поэтому наиболее целесообразным является определение некоторой условной емкости сглаживающих конденсаторов. Эта условная емкость должна быть использована в качестве конденсаторов С_ф1 и С_ф2. Тогда для заданной нормы DU_{н макс} пульсаций выходного напряжения ИВЭП емкости конденсаторов С_ф1 и С_ф2 находятся:

                          

где DU_{н макс} = 0,05 В.

Исходя из соображений соответствующего запаса по емкости выбираем конденсаторы С_ф1 = С_ф2 =5600 мкФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

   В курсовом проекте проектировался "бестрансформаторный" источник  вторичного электропитания (ИВЭП). Проектирование  сводилось к расчету величин  элементов схемы и подбору  стандартных типов этих элементов  по справочным данным. При выборе  элементов было учтено, что для  надежной работы ИВЭП требуется  применение коэффициента запаса  по средним и импульсным электрическим  параметрам  k_з < 0,7.

        Величины емкостей высокочастотных  конденсаторов С_вч1,…С_вч4  выбираются в пределах нескольких десятых-сотых долей микрофарад. Величина индуктивности L_ф  невелика и составляет несколько десятков микрогенри.

          В проекте представлена принципиальная  схема "бестрансформаторного" ИВЭП с указанием величин его  элементов.

           При расчете было получено:

1) -приращение рабочей индукции в сердечнике магнитопровода за время действия импульса тока первичной обмотки. Так как величина индукции весьма велика (более чем 0,3 Тл), то при макетировании схемы потребуется экспериментальная проверка теплового режима работы трансформатора TV из-за увеличенных потерь на гистерезис.

2) КПД h=0,62 , что соответствует заданному в техническом задании ( h не менее 0,6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  используемой литературы.

1. Электропитание устройств железнодорожной  автоматики, телемеханики и связи:  учеб. для вузов ж.-д. транспорта / Вл.В.Сапожников, Н.П. Ковалёв, В.А.  Кононов, А.М. Костроминов, Б.С.  Сергеев.- М. :Маршрут, 2005.-453с.

2. Сергеев Б.С., Чечулина А.Н. Источники  электропитания электронной аппаратуры  железнодорожного транспорта.- М.: Транспорт, 1998.-280.

3. Сергеев Б.С., Чечулина А.Н. Современные  источники электропитания электронной  аппаратуры: Учебное пособие.- Екатеринбург: УрГАПС, 1998.-122с.

4. Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных  узлов источников вторичного  электропитанмя. – М. : Радио и  связь, 1992. – 224с.

5. Сергеев Б.С., Наговицын В.В.  Электропитание электронной аппаратуры // Железнодорожный транспорт.- 2000.- №  3.-С.35-36.

6. Семенов Ю.Разработка однотактных  обратноходовых преобразователей  напряжения // Радио. – 2001.- №10. –  С.34-36, № 11 – С. 43-45.

7. Тюрморезов В.Е. Источники электропитания  устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи.- М.: Транспорт, 1987.-223с.

8. Источники электропитания радиоэлектронной  аппаратуры: справочник / Г.С.Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И.Хусаинов и др. – М. : Радио и связь, 1986. – 576с.

9. Малогабаритные магнитопроводы  и сердечники: Справочник Сидоров  Н.Н, Иванов А.В., Колосов В.А  и др.- М.: Радио и связь, 1989.-236с.

10. Коган Д.А. , Молдавский М.М.  Аппаратура электропитания железнодорожной  автоматики. – М. : ИКЦ Академкнига, 2003.- 438с.