Полумостовой преобразователь

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

 

Факультет     информационных технологий и управления

Кафедра     теоретических основ электротехники

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ  ЗАПИСКА

к курсовой  работе

на  тему:

 

 

 

Полумостовой преобразователь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Минск 2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение..........................................................................................................................................................4

  1. Выбор функциональной схемы и элементной базы.................................................5
  2. Разработка принципиальной электрической схемы..............................................10
  3. Электрический и конструктивный расчет индуктивного элемента..........15
  4. Временные диаграммы работы преобразователя....................................................20
  5. Расчет статических и динамических потерь и КПД.............................................21
  6. Моделирование процессов в силовой части преобразователя .................... 24

Заключение.................................................................................................................................................28

Список использованных источников......................................................................................29

Приложения……………………………………………………………………..…………………………...

Приложение А. Функциональная схема………………………………………..………….31

Приложение Б. Схема электрическая  принципиальная.………………..………….32

Приложение В. Перечень элементов.......................................................................................33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Электропитание  радиоаппаратуры осуществляется источниками  вторичного электропитания (ИВЭП), которые  подключаются к источникам первичного электропитания и преобразуют их переменное или постоянное напряжение в требуемые выходные напряжения различных номиналов как постоянного, так и переменного тока, с характеристиками, обеспечивающими нормальную работу радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) в  заданных режимах.

В настоящее  время всё большее применение находят импульсные источники питания (ИИП), ввиду их меньших массогабаритных показателей, высокого КПД (до 90% – 98%) и широкого диапазона питающего напряжения и частоты.

Импульсные  источники питания являются инверторной системой. В ИИП переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определенной скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае ИИП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной ФНЧ (в ИИП без гальванической развязки). В ИИП могут применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.

В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной  обратной связи. Обратная связь позволяет  поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне  зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными  способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространенными способами  являются использование связи посредством  одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. В зависимости  от величины сигнала обратной связи (зависящему от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение. 

  1. ВЫБОР ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ И ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

 

На рисунке 1.1 приведена базовая схема полумостового  преобразователя.

Рисунок 1.1 –  Базовая схема полумостового  преобразователя

 

Транзисторы VT1 и VT2 образуют полумостовой каскад, который коммутирует нижний вывод первичной обмотки трансформатора TV1 то к шине напряжения питания, то к «общему» выводу схемы. Конденсаторы С1 и С2 обычно имеют одинаковую емкость и задают «среднюю потенциальную точку» для верхнего вывода первичной обмотки трансформатора. Во вторичной обмотке трансформатора включен выпрямитель VD1, VD2 и LC-фильтр, на выходе которого снимается напряжение UOUT.

В зависимости  от требований технического задания  к базовой схеме могут подключаться дополнительные функциональные элементы.

Для защиты устройства дополнительно применим ограничитель входного тока.

Так как  преобразователь питается от переменного  сетевого напряжения, то необходимо дополнительно  использовать сетевой фильтр (для  защиты сети от электромагнитных помех) и сетевой выпрямитель (для преобразования сетевого переменного напряжения в  постоянное).

Для управления силовыми ключами используем широтно-импульсный модулятор (ШИМ) с двумя обратными связями (по току и по напряжению). Для питания микросхемы дополнительно необходимо использовать выпрямитель и стабилизатор.

Исходя  из вышесказанного, функциональная схема  будет включать в себя следующие элементы:

    • ограничитель входного тока
    • сетевой фильтр
    • сетевой выпрямитель
    • инвертор
    • силовой трансформатор
    • 2 выходных выпрямителя с L-C фильтрами
    • выходной стабилизатор
    • широтно-импульсный модулятор
    • выпрямитель и параметрический стабилизатор питания ШИМ
    • звенья обратной связи

Функциональная схема преобразователя приведена в приложении А графической документации.

В качестве ограничителя входного тока использован  терморезистор SCK103, основные характеристики которого приведены в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1 – Технические характеристики SCK103:

 

Максимальный ток, IMAX

3А

Сопротивление (при T = 25 ˚С), R

10 Ом

Диапазон рабочих температур

-40˚C ÷ +170˚C


 

Сетевой выпрямитель построен на базе диодного моста MDA970A6.

 

Таблица 1.2 – Технические характеристики MDA970A6:

 

Максимальное постоянное блокируемое напряжение, URM

600 В

Максимальное обратное напряжение, UR

420 B

Средневыпрямленный прямой ток, IО

4 А


 

В качестве силовых ключей использованы n-канальные MOSFET транзисторы IRF821.

 

Таблица 1.3 – Технические характеристики IRF821:

 

Напряжение сток-исток, UDSS

450 В

Напряжение затвор-исток, UGS

±20 B

Непрерывный ток стока(при T = 25 ˚С), ID

4 А

Диапазон рабочих температур

-55˚C ÷ +150˚C


 

В качестве сердечника трансформатора выберем  кольцевой ферритовый магнитопровод EPCOS B64290-A674-X830.

 

Таблица 1.4 –  Технические характеристики EPCOS B64290-A674-X830:

 

Материал

N30

Индукция насыщения магнитопровода, ВНАС

380 мТл

Эффективная магнитная проницаемость  магнитопровода,µЭФФ

4300

Внешний диаметр, D

36 мм

Внутренний диаметр, d

23 мм

Высота, h

15 мм


 

Выходной  стабилизатор построен на микросхеме TL431.

 

Таблица 1.5 – Технические характеристики TL431:

 

Напряжение катода, UKA

37 В

Непрерывный ток катода, IКА

-100 мА÷ +150 мА

Диапазон входного тока

-50 мкА÷ +10 мА

Диапазон рабочих температур

-65˚C ÷ +150˚C


 

В качестве устройства управления использован  широтно-импульсный модулятор TL494.

 

Таблица 1.6 – Технические характеристики TL494:

 

Напряжение питания, UСС

7÷ 40 В

Входное напряжение усилителя

-0,3 ÷ (UСС – 2), В

Выходное напряжение коллектора

40 В

Выходной ток коллектора

200 мА

Ток через вывод обратной связи

0,3 мА

Частота генератора

1 ÷ 300, кГц


 

Схема выпрямителя вспомогательного источника питания построена на базе диодного моста 3N257.

 

Таблица 1.7 – Технические характеристики 3N257:

 

Максимальное повторяющееся обратное пиковое напряжение, URRM

600 В

Максимальное среднеквадратическое напряжение, URMS

420 B

Средневыпрямленный прямой ток, IО

2 А


 

Стабилизатор  вспомогательного источника питания  построен на основе стабилитрона BZV85-C15 и компенсационного стабилизатора MC7815.

 

Таблица 1.8 – Технические характеристики BZV85-C15:

 

Напряжение стабилизации, UZ nom

15 В

Ток стабилизации, IZT

15 мА

Обратный ток утечки, IR

5 мкА

Диапазон рабочих температур

-65˚C ÷ +200˚C


 

Таблица 1.9 – Технические характеристики MC7815:

 

Выходное напряжение, UO

15 В

Ток, IQ

5,2 мА

Тока короткого замыкания, ISC

250 мА

Диапазон рабочих температур

-65˚C ÷ +150˚C


 

Для построения выходных выпрямителей использованы диоды MUR1540.

 

 

Таблица 1.10 – Технические характеристики MUR1540:

 

Максимальное постоянное блокируемое  напряжение, UR

400 В

Максимальное повторяющееся обратное пиковое напряжение, URRM

400 В

Диапазон рабочих температур

-55˚C ÷ +175˚C


 

 

 

  1. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

 

На рисунке 2.1 приведена электрическая схема  сетевого фильтра (L1, L2, С1, С4, С5) и сетевого выпрямителя с фильтром (VD3, С9).

Рисунок 2.1 – Электрическая схема сетевого фильтра и сетевого выпрямителя с фильтром

 

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.

 

 

 

  1. 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:

    • UПИТ MIN, UПИТ MAX – соответственно минимальное, номинальное и максимальное напряжение питания преобразователя.

Так как используется мостовой выпрямитель, то:

 

 

 

 

    • ВНАС, µЭФФ– индукция насыщения и эффективная магнитная проницаемость магнитопровода.

Для материала магнитопровода N30:

 

ВНАС = 0,38 Тл  µЭФФ = 4300

 

    • F – частота преобразования

 

F = 50 кГц

 

    • UН, IН – напряжение и ток нагрузки

 

UН = 2х30 В   IН = 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 RН = 10 Ом было заменено на два последовательно соединённых резистора RН1 = 9 Ом и RН2 = 1 Ом. Напряжение снималось на резисторе RН2.

 

 

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.

 

 

 

Полумостовой преобразователь