Проектирование дросселя чопперной схемы DC - DC преобразователя

 

    ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

    Российской  Федерации 

Воронежский государственный  технический университет 
 
 

    Кафедра радиоэлектронных устройств и систем 
 
 
 
 

    КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ  

    по  дисциплине «элементы РЭС» 

Тема    ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДРОССЕЛЯ ЧОППЕРНОЙ СХЕМЫ

DC - DC ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ. 
 
 
 
 
 

    Разработал  студентка _______________________________________

                                             (группа, подпись, дата, инициалы, фамилия)

    Руководитель _______________________________________________

                                                   (подпись, дата, инициалы, фамилия)

    Члены  комиссии ___________________________________

                                      (подпись, дата, инициалы, фамилия) 

    Нормоконтролер ___________________________________

                                     (подпись, дата, инициалы, фамилия) 

    Проект  защищен______________                     Оценка _____________ 
 
 
 
 
 

    Воронеж 2009

 

Воронежский государственный  технический университет 
 
 

    Кафедра радиоэлектронных устройств и систем 
 

Задание 
 

на курсовое проектирование по курсу «Элементная база РЭС»

студентке Козловой В.В. группы РК-061 

  1.Объект проектирования: дроссель фильтра чопперной схемы

    преобразователя  DC – DC.

  2.Исходные данные к проекту:

  2.1 Электрические параметры: 

Входное напряжение – 30 В

Выходное  напряжение – 10 В

Ток нагрузки - 0,5 А

Частота преобразования – 100 кГц

Ослабление  первой гармоники    q = 200

2.2 Конструктивные: минимальные габаритные размеры

2.3 Технические  требования

2.4 Условия  эксплуатации: группа 3 ГОСТ 16019

2.5 Производство: серийное

Ослабление  первой гармоники – 200 раз 
 
 

Срок  выполнения этапов и срок защиты курсового  проекта – по плану

руководителя. 
 
 
 

Руководитель                                 Худяков Ю. В.

 

Задания принял студентка                Козлова В.В. 

 
 
 

Оглавление:

    Введение                                                                                                   4

  1. Анализ технического задания                                                                       5
  2. Расчет электрических параметров                                                                 6
  3. Расчет индуктивности                                                                               6
  4. Определение емкости конденсатора фильтра                                               6

3 Выбор эскиза                                                                                              8

4 Конструктивный расчет дросселя                                                                   9

  1. Определение минимального объема магнитопровода                                    9
  2. Определение числа витков на обмотки дросселя                                         10
  3. Проверка сердечника по условию максимальной магнитной индукции       .10
  4. Проверка на вместимость меди в окно сердечника                                      11

5 Выбор материалов и покрытий                                                                    12

6 Метрологическое обеспечение разработки и изготовления дросселя

фильтра чопперной схемы                                                                            13

Заключение                                                                                                14

Приложение А                                                                                           15

Список  литературы                                                                                      16

 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение

     Целью курсового проектирования является разработка дросселя фильтра  чопперной схемы преобразователя DC-DC.

     В общем, известно три способа понижения  величины постоянного напряжения. А именно:

     понижение при помощи гасящего резистора R с очень большими

       потерями на R;

- чопперная схема с использованием ШИМ;

- с помощью преобразования постоянного напряжения в переменное и с использованием понижающего трансформатора.

     Чопперная схема - это наиболее распространенная схема в семействе импульсных    преобразователей. Она используется во всех вторичных источниках питания, где не требуется гальваническая развязка. Пример чопперной схемы приведен на рисунке 1.

 

Рисунок 1. Чопперная схема с использованием ШИМ.

 
 
 
 
 
    1. Анализ  технического задания

Катушки индуктивности  в отличие от резисторов и конденсаторов являются недостаточно стандартизированы и изготавливаются для конкретных целей. Одним из таких конструктивных элементов приведен на рисунке 1 - это дроссель. Его электрические и, следовательно, конструктивные параметры зависят от других элементов приведенной схемы, а именно: UBX, UH, Iн, f, q и γ. Кроме указанных выше электрических параметров, конструктивные характеристики дросселя будут также зависеть от условий эксплуатации (в нашем случае группы III) и типа производства.

         Анализ  литературных источников в [1] показывает, что заданный в техническом задании  интервал входных и выходных построений и токов, возможно, рассматривать с использованием известных технических

         решений в частности в диапазоне от 10 до 200КГц.

    Uвх = 30 B,   Uвых= 10 B,  Iн = 0,5 A .

    Необходимо передать мощность Р=UвыхIн= 5Вт.

    Коэффициент заполнения γ = 0,125.

    Рисунок 2. Импульсы напряжения.

      Данные  условия  можно реализовать  с  использованием  известных

        технических решений.

 
 
 
 

      2 Электрические  расчеты

      2.1  Расчет индуктивности

     Для начала произведем расчет минимального значения индуктивности Lкр, (мкГн) 

    по  формуле: (2.1)

                     (2.1)

    Где:     Uн – напряжение нагрузки  [В]

                 Ιн – ток нагрузки   [А]

                 γ – коэффициент заполнения

              ƒ – частота преобразования  [Гц]

 

    Итак,       

                                                                          

    Так как группа эксплуатации -3 (оборудование, находящееся в

    помещении), то увеличим индуктивность в 4 раза.

               

    2.2 Определение емкости конденсатора фильтра

     
    Емкость конденсатора фильтра можно найти  из соотношения  (2.2)

 

 

То  есть:

    Рассчитаем емкость по выведенной формуле:

 
 

      Выбираем  конденсатор типа К53-14: С = 47мкФ, UH0M =16B.

      Теперь, необходимо провести проверку данного  фильтра на устойчивость колебаний к паразитным колебаниям, исходя из условия: ρ > 2RH , где ρ - это волновое сопротивление, которое находится по формуле:

    Подставив в формулу данные, получим:                  

     

    A Rн находится по формуле , а значит Rн = = 20 0м   

 

      Итак, 20 0м >  6 0м, а, следовательно, условие соблюдается и фильтр устойчив к паразитным колебаниям.

 
 
 
 
 
 
 
 

      3 Выбор эскиза

     Реализовать дроссель можно разными конструктивными  приемами с использованием:

    - катушки индуктивности без сердечника;

      - катушки индуктивности с кольцевым сердечником;

      - катушки индуктивности с броневым сердечником; и т.д.

         Реализовать конструкцию катушки индуктивность порядка 1мГн без сердечника возможно. Но она будет велика по массогабаритным параметрам [1].

         Получить  дроссель с использованием кольцевого сердечника с индуктивность порядка 1мГн также возможно. Но должно выполняться условие H=WI > 100 (А/м). Если это соотношение не выполняется, то сердечник перенасыщается.

     Самые лучшие дроссели те, которые изготовлены на сердечниках с магнитным зазором (броневой, стержневой).

     

     Из  броневых сердечников наиболее распространенными  являются Ш - образные сердечники. И поэтому свой выбор мы останавливаем на нем. Типовая конструкция с использованием сердечника представлена на рисунке 2.

     1-магнитопровод,  2- каркас, 3 - обмотка, 4 -немагнитный зазор .

    Рисунок 3 - Эскиз дросселя фильтра чопперной схемы..

 

    4. Конструктивный  расчет дросселя .

4.1 Определение  минимального объема магнитопровода.

Для расчета  минимального возможного объёма магнитопровода, определяемого тепловым режимом, вводится понятие энергоёмкости дросселя.

Получим, что

      

    

Энергоёмкость дросселя связана с объёмом, занимаемым ферромагнетиком, следующим соотношением:

где температура  перегрева для первой группы эксплуатации ∆Т=30°С; действующая проницаемость  сердечника µs=100, коэффициент теплоотдачи α=1.2x10-3

Подставив данные в вышеприведенную формулу, получим:

 

                

Выбираем  из стандартного ряда ШИМ сердечник Ш 3х3 из магнитомягкого феррита 1500НМЗ из стандартного ряда по ГОСТ 18614-79,:

- L=12 мм 

-Н=6мм

- S=3 мм

-  lо=3мм5

- l1=2,5мм

- h=4мм

- длина магнитной линии 1с=26,4мм;        

- Площадь поперечного сечения Sc=10,5 мм 2. Из этих данных найдем площадь окна: SOK = 2hl1 = 2 х 6,5 х 4 = 20 мм 2      

    Вычислим  объем магнитопровода по формуле:

     

    Получим, что Vш = l,147 см3

    Магнитопровод подходит по тепловому условию. Определим величину

зазора:            

     
    4.2 Определение числа витков на обмотке дросселя

     
    Число витков определяется по формуле:

    Подставив данные в формулу и, просчитав, получим:

          

     
    4.3 Проверка сердечника по условию максимальной магнитной индукции

      Проверяем сердечник по условию максимальной магнитной индукции:                В < 0,9 Вmах , где В рассчитывается по следующей формуле:

Получим,    

     Для выбранного феррита значение индукции насыщения для частоты 10кГц Вmах=0.38Тл.

      Из  этого неравенства можно сделать  вывод, что сердечник проходит по условию максимальной магнитной индукции.

 
 

    4.4 Проверка  на вместимость меди в окно сердечника

 
Площадь сетки: SM =Snp × W

     Исходя  из условия что максимальная плотность  тока j=5 А/мм2, найдем диаметр провода:    

Площадь сетки:     

 

  Площадь окна S0=20 мм2,             

SM < S0 , следовательно условие прохождения выполняется.

 
 
 
 
 
 
 
 

    5   Выбор  материалов и покрытий

     
    Конструкция дросселя состоит из деталей, материалы  которых имеют

предельные  температуры эксплуатации: подходящие по условию работы дросселя. Так как в данной работе необходимо спроектировать дроссель для серийного назначения, то каркас для данного изделия необходимо изготовить методом горячего литья под  давлением из термореактивной пластмассы.

     Для надёжности эксплуатации катушку индуктивности нужно обернуть двумя слоями пленки, защитив провод от внешних механических воздействий.

    Для крепления дросселя на печатной плате  необходимо при изготовлении каркаса вставить 4 вывода из провода МТ-1,0. К этим же

    выводам  будут припаиваться и проводники дросселя.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    6.  Метрологическое  обеспечение разработки и изготовления  дросселя фильтра чопперной схемы.

     Технологическое приспособление (ТП) служит для измерения  входных и выходных токов и напряжений, а также коэффициент пульсации. ТП представляет собой нестандартный измерительный прибор, в состав которого входит генератор прямоугольных импульсов и серию измерительных приборов, функционально объединенных в электрическую схему и конструктивно выполненных в виде измерительного блока. В данной работе предусмотрены контактные устройства для подключения выводов дросселя, адаптированные под конструкцию к разработанному прибору.

     В процессе выполнения опытных конструкторских  работ проверка параметров разработанного изделия производилась в программе Electronics Workbench. Результаты проведенных опытов приведены в Приложении А.

    Контроль  геометрических параметров осуществляется замером габаритных размеров с помощью штангельциркуля ГОСТ 166-73. При увеличенных размерах конструкции детали следует обработать дополнительно. При уменьшенных размерах деталь относят к браку, и ее следует переделать.   

  1. Схема контроля при разработке.
  2. Метрология при производстве.
 
 
 
 
 
 
 
 

    Заключение

     В результате проделанной работы был разработан дроссель фильтра чопперной схемы. В процессе работы был рассмотрен метод понижения напряжения при помощи чопперной схемы с использованием ШИМ, а также дроссель фильтра был проверен на устойчивость работы, на условие максимальной магнитной индукции и на вместимость меди в окно. Данный элемент прошел проверку по всем показателям. Из этого можно сделать вывод, что дроссель, изготовленный по данным, приведенным в ТЗ рабочий и готов к эксплуатации.

     Выбор материалов производился исходя из экономической целесообразности в условиях серийного производства. Все выбранные материалы отвечают техническим требованиям и требованиям группы эксплуатации.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Приложение  А

 

Схема метрологического контроля  изделия ЗБАТ.712456.003

на состветствие ТУ в производственных условиях.

 
 
 
 
 
 
 
 

1. Изделия  прошедшие метрологический контроль следует считать годными к

эксплуатации, и подлежат дальнейшей установке  в РЭС.

2. Изделия не прошедшие метрологический контроль следует отправить в изолятор

брака, для выяснения причин несоответствия ТУ.

 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы

    1. «Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры»/ Под ред. Т. С. Найвельта. - М: Радио и связь, 1985. - 412 с.
    2. Куневич А. В., Сидоров И. Н. «Индуктивные элементы на ферритах». -СПб: Лениздат,1997. - 475 с.
    3. Северис Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. - М: Энергоатомиздат, 1988. - 432 с.
    4. Куневич А. В., Сидоров И. Н. «Индуктивные элементы на ферритах». -СПб: Лениздат,1997. - 475 с.
    5. Северис Р., Блум Г. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания. - М: Энергоатомиздат, 1988. - 432 с.
Проектирование дросселя чопперной схемы DC - DC преобразователя