2. Вторичные источники питания

Практические занятия этого модуля проводятся по разделам курса:

«Однотактные преобразователи постоянного напряжения», «Двухтактные преобразователи постоянного напряжения», «Прямоходовые и обратноходовые однотактные преобразователи»

Содержание этого модуля изложено в [3] и в конспектах лекций.

3.1.Основные параметры, характеризующие работу однотактного преобразователя постоянного напряжения с последовательным ключевым элементом ОППН-I

На рис.16 приведена схема ОППН-I с обратной связью по напряжению.

Рис.16. Схема ОППН-I с обратной связью по напряжению

Расчет загрузки элементов схемы и их выбор

Величина напряжения нагрузки ОППН-I без учета падения напряжения на элементах схемы:

U_нг=U_вх t_и/T= U_вхD,

где D = t_и/T – коэффициент заполнения импульса;

t_и – длительность импульса;

T = 1/f_p – период следования импульсов управления.

Определим в первом приближении минимальное, максимальное и номинальное значения коэффициента заполнения импульса D_min, D_max, D_N соответственно с учетом падения напряжения на элементах схемы и отклонений входного напряжения:

D_max = (U_{нг N} + ΔU_RL2)/(U_{вх min} - ΔU_RL1 - ΔU_кэ.нас); 164)

D_min = (U_{нг N} + ΔU_RL2)/(U_{вх max} - ΔU_RL1 - ΔU_кэ.нас) ; (165)

D_N = (U_{нг N} + ΔU_RL2)/(U_{вх N} - ΔU_RL1 - ΔU_кэ.нас). (166)

Поскольку дроссель сглаживающего фильтра и транзистор еще не выбраны, примем падение напряжения на активном сопротивлении обмотки дросселя L_ф, ΔU_RL, исходя из общепринятых рекомендаций [3]:

ΔU_RL = (0,01 – 0,04)U_{вх N};

а ΔU_кэ.нас примем в пределах 1,5-2 В.

Далее необходимо рассчитать коэффициента пульсаций k_п1 на входе фильтра L_ф -С₂ при двух значениях коэффициента заполнения импульса D_max и D_min.

k_п1 = [2/(πD)]sin (180^оD). (167)

Расчет параметров фильтра следует вести для режима работы ОППН I при том значении D, при котором коэффициент пульсаций k_п1 принимает наибольшее значение.

Расчет критического значения индуктивности дросселя L_кр:

L_кр = U_вхD(1 - D)/(2I_нгƒ_р). (168)

Для гарантированного обеспечения непрепывности тока нагрузки индуктивность дросселя L_ф должна быть в 1,5-2 раза больше рассчитанного значения индуктивности L_кр

Рабочая частота переключения транзистора f_р выбирается исходя из условия минимизации массы и габаритов проектируемого ОППН I с учетом частотных характеристик транзисторов, которые могут быть применены при реализации проектируемого ОППН I.

При значениях f_р = 1 – 5 кГц возможно применение биполярных транзисторов, при значениях f_р = 5 – 15 кГц возможно применение транзисторов IGBT, а при f_р = 15 – 100 кГц следует применять полевые транзисторы (MOSFET).

Определим величину максимального отклонения тока цепи нагрузки ΔI_L2:

ΔI_L2=I_max-I_min=(U_вх-U_нг)D_min/(L_фf),

а действующее значение этого тока

Для расчета требуемого значения емкости конденсатора С₂ необходимо рассчитать интегральный параметр фильтра L_фC₂

L_фC₂=(1- D)/8k_п2f²), Гн•Ф. (169)

Требуемую величину емкости конденсатора C₂ определим, разделив интегральный параметр L_фC₂ на индуктивность выбранного дросселя L_ф.

C₂ = (L_фC₂)/L_ф, мкФ. ( 170)

Конденсатор можно выбрать по справочным данным, приведенным в таблицах 60-62. Емкость которого должна быть не менее рассчитанного значения С₂, а рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 2U_нг. Записать параметры:

- номинальное значение емкости С_N;

- номинальное значение напряжения U_{С N};

- допустимое максимальное значение тока переменной составляющей

I_{пер max};

- внутреннее сопротивление конденсатора r_С.

Если I_{пер. д.з}> ΔI_{L2 д.з}, то условие выбора конденсатора фильтра выполнено.

Далее необходимо провести проверку фильтра на резонанс. Для отсутствия резонанса необходимо, чтобы частота собственных колебаний фильтра ω_с.к была бы меньше половины частоты пульсаций напряжения ω_п, т.е.:

ω_с.к < 0,5ω_п.

ω_п = 2πf_р.

От параметров выбранного конденсатора зависит величина коэффициента пульсаций напряжения нагрузки k_п2.

Определим полный размах пульсации выходного напряжения на полном сопротивлении конденсатора

(171) где ΔI_L2=I_max-I_min=(U_вх-U_нг)D_min/(L_фf),

а коэффициент пульсаций напряжения нагрузки k_п2= U_{п 2}/(2U_нг).

Полученное значение k_п2 необходимо сравнить с коэффициентом k_п2, указанном в задании. Если рассчитанное значение коэффициента k_п2 меньше заданного, то параметры фильтра выбраны правильно.

Определим загрузку транзистора VT по току и напряжению.

Максимальное значение тока коллектора I_{к max} определим по формуле

I_{к max} = I₂ + (t_иU_Lи)/(2L_ф ), (172)

где I₂– среднее значение тока нагрузки;

t_и – длительность импульса тока;

U_Lи – напряжение на дросселе L_ф на интервале импульса;

L_ф – индуктивность дросселя L_ф.

U_Lи= U_{вх N}-U_{нг N}- ΔU_кэ.нас – ΔU_RL1, (173)

t_и= D_maxТ.

Напряжение на закрытом транзисторе U_кэ и на закрытом диоде U_VD определяем по формуле (174):

U_кэ = U_VD = U_вх. (174)

Выбираем по таблицам 63-68 транзистор с двоиным запасом по току и напряжению. Следует записать номинальные значения параметров выбранного транзистора:

I_{к. и max}= ; U_{кэ N}= В; ΔU_кэ.нас = В; t_вкл= мкс, t_выкл= мкс, коэффициент передачи по току h_21Э, максимальная рассеиваемая мощность P_max= Вт, граничная частота f_гр= мГц, тепловое сопротивление р-n переход – корпус транзистора R_п.к = ºС/Вт.

Загрузка диода по току определяется по формуле (175):

(175)

Выбираем по таблице 54 диод с двойным запасом по току и напряжению.

Выбираем диод, номинальные значения параметров которого:

U_{обр max}= В, I_N= А, ΔU_в.пр= В, t_восст= нс.

Внешняя характеристика. Внешней характеристикой ОППН-I принято называть зависимость U_н = f(I_н) при U_вх = const, f = const, D = const.

U_н=(U_вх- ∆U_VТ)D-I_нR_сх , (176)

где ΔU_VТ – падение напряжения на открытом транзисторе;

R_CX = R_L + R_пр– активные сопротивления обмотки дросселя R_L и соединительных проводников R_пр.

Регулировочная характеристика. Регулировочной характеристикой ОППН-I принято называть зависимость U_н = f(D) при U_вх = const, f = const, I_н= I_нN= const. Расчет регулировочной характеристики выполняется по формуле (176).