Решение

1. Выбор транзистора VT2 по допустимому напряжению выполняется на основании выражения

,

где – коэффициент трансформации импульсного трансформатора (принят ориентировочно).

Принимается U_П = 20 В, поэтому U_Кбmax> 2·U_П = 2·20 = 40 В. Так как длительность импульсов управления t_и = 30 мкС и t_ф> 0,5 мкС, то можно выбрать низкочастотный транзистор. Предельная частота транзистора рассчитывается по формуле

.

По рассчитанным величинам U_КБmax> 40 В, f > 0,34 МГц выбирается из таблицы 1П (приложение) [2,12] транзистор ГТ905А, у которого U_Кбдоп= 75 В, U_Кэдоп= 75 В, U_Эбmax= 60 В, I_Кдоп= 3 А, f = 20 МГц, h_21Э= 35, R_Б = 50 Ом, С_К = 85 пФ.

2. Оптимальное значение коэффициента трансформации импульсного трансформатора:

,

где – постоянная времени транзистора;

, С_о= 2·n·C_H = 0, так как С_Н = 0.

С конструктивной точки зрения удобно принять n = 1.

3. Емкость времязадающего конденсатора выбирается по условию

.

Выполняется проверка условия:

где ;

;

;

.

Условие выполняется, так как 0,6 мкФ > 0,0026 мкФ.

Постоянную времени заряда конденсатора можно определить, если из таблицы 2.7 выбрать стандартное значение емкости конденсатора С=0,68мкФ: Из таблицы 6.1П [2] выбирается конденсатор К10У5 емкостью 0,68 мкФ с рабочим напряжением U_Р = 25 В, К10У5-25-0,68±20%.

.

4. Рассчитывается индуктивность намагничивания L_μ импульсного трансформатора.

Для выбранного транзистора принимаем

,

.

5. Максимальный ток коллектора транзистора VT2

.

Проверка выполнения условия I_Kmax < I_Kдоп , 1,828 А < 3 А.

6. Рассчитывается длительность фронта импульсов t_Ф :

,

Расчетное значение длительности фронта и среза импульсов t_Ф = t_C = =0,051мкС меньше заданного в условии t_Ф > 0,5 мкС, то есть удовлетворяет заданному требованию.

7. Рассчитывается сопротивление резистора R₁ :

,

где t_восст= Т – t_и = 20 000·10^-6 - 30·10^-6 = 19 970·10^-6 С.

Из таблицы 2.7 выбирается резистор, номинальное сопротивление которого 8,2 кОм.

Максимальная мощность, которая может быть выделена в резисторе, при работе транзистора в режиме насыщения равна

.

Из таблицы 5.2П [2] выбирается резистор типа МЛТ-0,125-8,2кОм±10%.

8. Расчет параметров и выбор диода VD2.

Рассчитывается обратный выброс напряжения на коллекторе транзистора:

.

Данный выброс напряжения допустим для коллекторных и базовых p-n переходов транзистора ГТ905А.

Выбирается диод VD2, у которого среднее значение прямого допустимого тока удовлетворяет условию

.

Допустимое обратное напряжение на диоде VD2 должно удовлетворять условию

.

Из таблицы 7.П [2,12] выбирается диод типа КД202А, у которого предельный ток I_П = 3 А, обратное напряжение U_обр = 50 В.

9. Расчет и выбор транзистора VT1.

Рассчитывается амплитуда тока эмиттера:

где - ток базы транзистора VT2 типа ГТ905А.

Постоянная составляющая тока эмиттера

,

где К_З = 0,95 – коэффициент запаса.

Полагая I_кп ≈ I_эп , рассчитывается мощность рассеяния:

,

где U_кэmin= 1 В – напряжение на переходе коллектор-эмиттер в режиме насыщения.

Из таблицы 2П [2,12] выбирается транзистор ГТ402Г, у которого Р_кдоп=0,6 Вт, Т_пmax= 85 ⁰C, I_кдоп= 0,5 А, U_кэдоп= 40 В, h_21э= 60.

Допустимая мощность, рассеиваемая коллектором транзистора при температуре окружающей среды Т_m, равна

0,4 Вт > 0,0575 Вт,

где Т_о = +25 ^оС – температура окружающей среды, при которой нормируется Р_кдоп;

Т_m = +40 ^оС – наибольшая температура окружающей среды, указанная в задании на проектирование.

Постоянная составляющая тока коллектора равна

.

Для получения тока I_кп = 0,0565 А в цепь коллектора транзистора VT1 необходимо включить резистор R₄ с сопротивлением

где .

По таблице 2.7 принимается стандартное сопротивление R₄ = 300 Ом.

Мощность, рассеиваемая в резисторе, равна

.

Из таблицы 5.2П [2] выбирается резистор типа МЛТ-1-300 Ом±10%.

Постоянная составляющая тока базы

I_БП = I_ЭП – I_КП = 0,0575 – 0,0565 = 0,001 А.

По входной характеристике транзистора (рис.2П [2]) для ΔI_Б = 1 мА определяется приращение напряжения ΔU_БЭ = 0,08 В, достаточное для перевода транзистора из режима отсечки в режим насыщения, и наоборот.

Сопротивление перехода база-эмиттер транзистора R_БЭ

.

Входное сопротивление БВУ (эмиттерного повторителя) равно

.

Напряжение на входе блока БВУ

U_вх = I_эп·R_н + 0,6 = 0,0575·49,7 + 0,6 = 3,46 В .

10. Расчет параметров и выбор диода VD1.

Предельный ток диода I_п должен быть больше среднего значения прямого тока, протекающего через диод I_БП:

I_п > I_БП = 1 мА.

Максимально допустимое периодически повторяющееся мгновенное значение обратного напряжения U_обр > U_вх = 3,46 В.

Из таблицы 7П [2, 12] выбирается диод типа Д2Б, у которого I_п = 16 мА, U_обр = 30 В.

10. Расчет импульсного трансформатора.

Импульсные трансформаторы обеспечивают гальваническую развязку электрических цепей и передачу импульсов управления с минимальными искажениями. Материалом трансформаторов являются магнитопроводы, обмоточные провода, герметизирующие компаунды и каркасы обмоток. Материалами сердечников импульсных трансформаторов служат железоникелиевые сплавы (пермаллой), ферриты и альсиферы. Магнитоводы Ш и ШЛМ навивают из лент толщиной 0,05–0,35 мм. Каждый магнитовод собирают из четырех П-образных частей (рис. 2.7а), получаемых после деления каждой заготовки на две половины. Так как слои ленты проклеены, а поверхности стыков половин пришлифованы друг к другу, то в собранном сердечнике зазоры отсутствуют. Магнитоводы этого типа насчитывают 46 типоразмеров, различающихся площадью сечения сердечника, которая колеблется от 8х8 мм, до 40х80 мм, а его габаритные размеры Н х А при этом пропорционально увеличиваются от 21х26 мм до 140х160 мм. Аналогичную геометрию имеют ленточные разрезные магнитоводы типа ПЛ и ПЛМ.

Кольцевые магнитоводы типа ОЛ также изготавливают навивкой ленты (рис. 2.7в), они насчитывают 21 типоразмер. Внешний D, внутренний d диаметры и высота сердечника h D x d x h от 16х10х5 до 80х50х25 мм.

Рис. 2.7. Магнитовод ленточный разрезной (а), кольцевой (в)

и Ш-образный (с)

Широкое применение находят шихтованные магнитопроводы из П-образных и из Ш-образных пластин. Пластины вырубаются из листовой электротехнической стали (стали с повышенным содержанием кремния) или из пермаллоя (рис. 2.7с), которые собирают встык или внахлест толщиной набора h. Магнитоводы имеют семь типоразмеров: Ш5, Ш7, Ш12, Ш13, Ш18, Ш25, Ш40, определяемые шириной сердечника в миллиметрах.

В используемой для изготовления магнитопроводов электротехнической стали (например Э43 или Э46) начальная магнитная проницаемость μ_о=600, а максимальная – μ_max = 6000, индукция насыщения 1,8 – 2 Тл. В отличие от электротехнической стали пермаллой обладает более высокими магнитными характеристиками. Например, у железоникелиевого сплава 70НИ-У при толщине ленты 0,35 – 1,0 мм μ_о = 30 000, а μ_max = 220 000. железоникелиевые сплавы (их около 10 марок) поставляют в виде холодокатанных лент или горячекатанных листов.

Для магнитоводов импульсных трансформаторов широко используют кольцевые (тороидальные), Ш-образные и броневые сердечники из пресс-порошков. Номенклатура магнитоводов многообразна. Так, кольцевые сердечники Dxdxh из термостабильных марганец-цинковых ферритов марок 200НМ3, 2000НМ1, 150НМ3, 1500НМ1, 1000НМ3 и 700НМ насчитывают 24 типоразмера. Кольца (рис. 2.7в) имеют размеры от 4х2,5х1,2 мм до 45х28х12 мм. Начальная магнитная проницаемость совпадает с номером марки феррита.

Магнитоводы из прессованного порошкообразного альсифера выпускают в виде тороидальных полуколец, 17 типоразмеров которых от 15х7х4,8 мм до 75х46х16,8 мм позволяют реализовать все требуемые индуктивности обмоток.

Весьма удобны Ш-образные и броневые магнитоводы из марганец-цинковых ферритов. Число типоразмеров Ш-образных магнитоводов 11, от 2,5х2,5 мм до 20х28 мм. Магнитопровод состоит из двух Ш-образных частей со шлифованными плоскостями стыка. Габаритные размеры (рис. 2.7с) НхА в зависимости от типоразмера могут быть от 5х10 мм до 32х65 мм. Размеры а и h у сердечников этого типа совпадают и лежат в пределах от 2,5 до 20 мм.

Для получения неискаженной формы импульса максимально уменьшают паразитную емкость и индуктивность рассеяния обмоток импульсных трансформаторов путем уменьшения размеров сердечника и числа витков обмоток.

Сечение сердечника S_c импульсного трансформатора можно рассчитать по формуле

, см²,

где f – частота следования импульсов, Гц;

λ = 0,1 – коэффициент, учитывающий соотношение геометрических размеров магнитопроводов;

ΔВ = 0,2 Тл –магнитная индукция в сердечнике магнитопровода;

Р_У – мощность управления (нагрузки трансформатора).

Стандартное сечение сердечника магнитовода должно удовлетворять условию

S_{с станд} ≥ S_c .

Число витков первичной обмотки импульсного трансформатора

.

Число витков вторичной обмотки равно

w₂ = n∙w₁ .

Для изготовления обмоток можно использовать эмалированные обмоточные провода на синтетических лаках. Основными типами высокопрочных эмалированных проводов являются поливинилацетиловые провода ПЭВ-1 и с утолщенной изоляцией ПЭВ-2. Выпуск обмоточных проводов марки ПЭЛ на масляно-смоляных лаках в последние годы сократился. Изоляция данных обмоточных проводов по нагревостойкости относится к классу А с допустимой температурой нагрева 105 ⁰С.

Стандартные размеры обмоточных эмалированных круглых медных проводов приведены в таблице 8П [2]. Диаметр медных проводов первичной обмотки d₁ и вторичной обмотки d₂ можно определить по формулам:

, мм,

, мм,

где I_Kmax , I_У – токи в первичной и во вторичной обмотках, мА.

По расчетным значениям диаметра обмоточных проводов из таблицы 8П [2] выбирается ближайший диаметр проводов, изготавливаемых заводами. Выбор минимального значения диаметра ограничен d > 0,05 мм условием механической прочности проволоки при намотке провода на каркас катушки. В процессе изготовления импульсных трансформаторов особое значение имеет изоляция первичной обмотки от вторичной. Для исключения межвиткового и межобмоточного пробоя применяется дополнительная изоляция слоев обмоток, например, с помощью конденсаторной бумаги.

Для рассматриваемого примера определяется сечение сердечника:

см²,

где Р_у = U_у·I_у = 16 · 0,3 = 4,8 Вт – мощность управления.

Выбирается Ш-образный магнитопровод из марганец-цинкового феррита с размером сердечника S_станд = а·h = 10х10 мм = 1 см².

Рассчитывается число витков первичной обмотки

витков.

Число витков вторичной обмотки равно

витков.

Определяется диаметр провода обмоток:

мм.

мм.

Из таблицы 8П [2] выбираются обмоточные эмалированные медные провода марки ПЭВ-2 диаметром d₁ = 0,35 мм и d₂ = 0,14 мм.