Разработка транзисторных преобразователей
Аннотация
трансформатор преобразователь напряжение
Разработка транзисторных преобразователей начинается с
анализа требований, которые предъявляются к проектируемому прибору. Основными
из них являются: технические, определяющие параметры и качество выходных
напряжений преобразователя с учетом характеристик напряжения первичного
электропитания; эксплуатационные, определяющие условия работы преобразователя в
составе комплекса аппаратуры и требуемую надежность при заданном времени работы
и хранения; экономические, определяющие стоимость прибора.
Большинство из предъявляемых требований являются
противоречивыми, например, требования минимальной массы и высокой надежности в
течение длительного времени работы, минимальных габаритов и стоимости и т. п.
Поэтому из предъявляемых требований выделяются основные и принимаются
компромиссные решения. Выбор структурной схемы преобразователя проводится в
основном по результатам анализа технических требований к параметрам выходных
напряжений, их количества и качества.
При электрическом расчете преобразователя необходимо
определить режим работы и выбрать транзисторы, рассчитать цепи смещения и
определить основные параметры трансформатора. Расчет режима работы транзисторов
включает определение токов и напряжений коллекторной и базовой цепей, а также
мощность потерь, определяющую температуру нагрева транзистора.
Транзисторы для преобразователя выбираются из условия,
что расчетные значения максимального тока коллектора и напряжения
коллектор-эмиттер не превышают соответствующих максимально допустимых значений
по техническим условиям на данный тип транзистора.
Введение
В устройствах питания большое распространение получили
транзисторные преобразователи постоянного напряжения, предназначенные для
преобразования энергии источника постоянного тока одного напряжения в
постоянный (конвертирование) или переменный (инвертирование) ток другого
напряжения.
Преобразователи постоянного напряжения, структурные
схемы, которых приведены на рисунке, можно разделить на два типа:
преобразователи с самовозбуждением - автогенераторы (рис. 1, а) и усилители
мощности (рис. 1, б). Здесь: АГ - автогенераторы, ЗГ - задающий генератор, УМ -
усилитель мощности, В - выпрямитель, Ф - фильтр.
Автогенераторы применяются в источниках электропитания
небольших мощностей (до 30 ... 50 Вт) или в качестве задающих генераторов в
усилителях мощности. С целью повышения КПД автогенераторов за счёт снижения
потерь в сердечнике применяются схемы с коммутирующими промежуточными
трансформаторами, с RC - или LC - времязадающими цепями.
Усилители мощности выполняются на мощности 30…50 Вт и
выше. В случае выхода на постоянном токе на выходе преобразователя
устанавливаются выпрямитель и фильтр.
Транзисторы в преобразователях напряжения могут быть включены по схеме с
ОБ (общей базой), ОЭ (общим эмиттером) и ОК (общим коллектором).
Преимущественное распространение получила схема с ОЭ, как обладающая наибольшим
КПД.
1. Расчет
выпрямителя
Полупроводниковые диоды малой мощности выбираются соответственно с
отраслевым стандартом ОСТ 11 336.919-81. По заданному току нагрузки , частоте преобразования , выпрямленному напряжению выбираем для выпрямителя диоды Д7Б.
Диоды обладают следующими параметрами: максимально допустимый средний ток , прямое падение напряжения , максимально допустимое обратное
напряжение , рабочие частоты кГц.
Поскольку в мостовом выпрямителе ток нагрузки протекает через два
последовательно соединенных диода, то напряжение на вторичной обмотке
трансформатора
.
При питании выпрямителей от прямоугольного напряжения повышенной частоты
существенно проявляются инерционные свойства полупроводниковых диодов. В момент
коммутации напряжения диоды теряют вентильные свойства, что приводит к
изменению характеристик выпрямителей и влияет на процессы, происходящие в
транзисторных инверторах, к которым подключены выпрямители.
Для сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяются фильтры.
Из-за сложности процессов, происходящих в преобразователе на интервале
коммутации, для расчёта фильтров применяем упрощенную методику, основанную на
экспериментальных данных.
Определяем расчётное значение ёмкости чисто ёмкостного фильтра:
=
С учётом возможного снижения ёмкости конденсатора при повышении частоты
переменной составляющей приложенного к ним напряжения, понижения температуры
окружающей среды и за счёт технологического разброса номинального значения
ёмкости конденсатора фильтра по сравнению с её расчётным значением
,
где
.
Для полиэтилентерефталатных (металлоплёночных органических) конденсаторов
, , .
, .
Выбираем полиэтилентерефталатный конденсатор К73-11 с номинальными
напряжением 63 В и ёмкостью 12 мкФ.
Выпрямитель нагружен на активную нагрузку . Из стандартного ряда выбираем
проволочный нагрузочный постоянный резистор С5-37 номинальным сопротивлением
180 Ом и номинальной мощностью 5 Вт. Допустимые отклонения составляют .
. Расчет
преобразователя
Мощность вторичной обмотки трансформатора . В соответствии с рекомендациями для
преобразователя с f = 5 кГц выбираем
для трансформатора тороидальный ленточный магнитопровод из стали 3423(Э360) с
толщиной ленты 0.05 мм.
По графику
определяем КПД трансформатора .
Ток, коммутируемый транзисторами, ориентировочно, не учитывая , определяется по формуле:
Определяем амплитуду напряжения на запертом транзисторе. Для двухтактной
схемы преобразователя
Полученным расчетном значениям тока коллектора и напряжения
коллектор-эмиттер удовлетворяет транзистор П214, для которого из справочных
данных находим:
; ; ;
; ;
С учетом выбранного типа транзистора уточним ток коллектора в
соответствии с формулой:
Рассчитаем цепи смещения преобразователя. Для обеспечения надёжного
насыщения транзисторов при минимальном коэффициенте передачи ток базы выберем с
запасом. Зададимся и определим ток базы:
Для германиевых транзисторов коэффициент запаса по насыщению составляет 1,1…1,3. Зададимся =1,2.
Определяем максимально возможное значение тока коллектора:
Зададимся исходя из того, что напряжение на базовой обмотке равно .
Значение выбираем из графика
Тогда согласно формуле:
Ом
Выбираем резистор сопротивлением 82 Ом и уточняем базы в соответствии:
Мощность, выделяемая на резисторах,
Выбираем резисторы С2-23 номинальной мощностью 0,25 Вт .
Падение напряжения на базовом резисторе
Сопротивление резистора смещения определяем по формуле
.
Выбираем резистор сопротивлением 390 Ом и определяем ток, протекающий
через резистор :
.
Определяем мощность, выделяемую на резисторе смещения:
Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения на выходе
преобразователя необходимо, чтобы фронты переменного прямоугольного напряжения
имели минимальную длительность. Это можно достичь шунтированием резистора конденсатором . Ёмкость конденсатора выбираем из
условия
Выбираем поликарбонатный конденсатор К77-1-0.22 мкФ5% номинальным напряжением 63 В.
Выбираем резистор С2-24 номинальной мощностью 1 Вт.
Определяем напряжение на половине коллекторной обмотки трансформатора с
учетом падения напряжения на транзисторе в режиме насыщения
Полученные значения напряжений и токов используются для расчета
трансформатора.
Исходные данные для расчета:; электрические данные обмоток:
коллекторной , , базовой , , вторичной , А.
Для определения температуры нагрева транзисторов необходимо вычислить
потери мощности в них. В режиме отсечки мощность потерь определяется по
формуле:
=
В режиме насыщения мощность потерь определяется по формуле:
= Вт
Для преобразователя с насыщающимися трансформатором коэффициент
динамических потерь = 0,5.
Тогда:
Общие потери мощности в транзисторе:
Полученная мощность потерь используется для расчета теплового режима
транзисторов и выбора радиатора.
Расчет
трансформатора
Рассчитаем габаритную мощность трансформатора:
Определяем произведение площади поперечного сечения стержня на площадь
окна трансформатора:
где , , выбираем из графиков
Коэффициент заполнения при толщине ленты в 0.05 мм составляет
Магнитопровод из стали Э360 типоразмера ОЛ8/10-2.5 удовлетворяет
полученному значению, и имеет следующие параметры: активное сечении стали , площадь окна , масса магнитопровода г, коэффициент заполнения .
Рассчитаем количество витков на вольт-ЭДС, индуцируемой в обмотке
трансформатора:
Вит./В
Рассчитаем количество витков:
Вит.
Вит.
Вит.
Определяем диаметр проводов обмоток ;
мм, выбираем ПЭВ-2-0.17мм;
мм, выбираем ПЭВ-2-0.25мм;
мм, выбираем ПЭВ-2-0,06мм;
Укладку провода начинаем с обмотки, содержащей большее количество витков,
т. е. с 2-ой, затем наматываем коллекторные и базовые. До намотки сердечник
необходимо изолировать миколентой ЛМС-1 толщиной 0.01 мм. Внутренний и наружный
диаметр магнитопровода с изоляцией определяем из формул:
;
;
- коэффициент перекрытия ленты;
- толщина изоляции;
D -
наружный диаметр до намотки изоляции;
d -
внутренний диаметр до намотки изоляции;
мм;
мм;
Рассчитаем число слоев для вторичной обмотки по наружному диаметру:
;
;
;
;
;
Определяем число слоев для вторичной обмотки по внутреннему диаметру:
;
мм;
По формулам определяем диаметры трансформатора после укладки провода:
Рассчитаем число слоев для двух коллекторных обмоток по внутреннему
диаметру :
;
;
;
;
;
Так как , то есть возможность уложить базовые обмотки в этот же слой,
тогда диаметры трансформатора после укладки провода:
3.Тепловой
расчет тороидального трансформатора
Температура окружающей среды tо = 50°С.
. Находим коэффициент А
;
где
;
. Определяем То.с =50+273=323 °К. Задаемся
величиной . Определяем Т=50+323 = 373 °К.
. Пользуясь рисунком для и находим и .
Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи
;
. Определяем тепловую проводимость от поверхности
обмотки к окружающей среде
;
. Задаемся величиной и определяем поверхностное
превышение температуры
;
;
;
;
. Определяем толщину межслоевой изоляции, мм:
Принимаем по таблице 1:
=0.63;
=0.6;
=0.3;
Таблица1
. Определяем объем катушки трансформатора и радиус эквивалентной катушки
;
. Определяем максимальное () и среднеобъемное превышение
температуры обмотки
;
;
9. Определяем величину
;
. Таким образом, окончательно принимаем
= 48.9;
= 48.7 ;
48.6;
Максимальная температура провода равна:
,
что допустима для выбранной марки провода ПЭВ-2.
Список
литературы
1. Г.С. Найвельт Источники электропитания РЭА. М.:Радио
и связь. 1985.
2. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М.: «Энергия»
1976.