Разработка транзисторных преобразователей
Работа из раздела: «
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника»
- 20 -
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 .
2. 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.
1. Находим коэффициент А
;
где
;
2. Определяем То.с =50+273=323 °К. Задаемся величиной . Определяем Т=50+323 = 373 °К.
3. Пользуясь рисунком для и находим и .
Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи
;
4. Определяем тепловую проводимость от поверхности обмотки к окружающей среде
;
5. Задаемся величиной и определяем поверхностное превышение температуры
;
;
;
;
6. Определяем толщину межслоевой изоляции, мм:
Принимаем по таблице 1:
=0.63;
=0.6;
=0.3;
Таблица1
7. Определяем объем катушки трансформатора и радиус эквивалентной катушки
;
8. Определяем максимальное () и среднеобъемное превышение температуры обмотки
;
;
9. Определяем величину
;
10. 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.
