Проектирование импульсных полупроводниковых преобразователей постоянного напряжения в постоянное напряжение. Проектирование импульсных полупроводниковых преобразователей пос. Вторичные источники питания (вип)
 Скачать 7.27 Mb.
|
 Частота импульсов входного тока: щп=6,28∙50 000=314 000 c-1. щс.к<0,5щп 25 820 < 157 000 Таким образом: – фильтр удовлетворяет требованию на отсутствие резонанса; – параметры входного фильтра удовлетворяют требованию задания на подавление гармонических составляющих входного тока в полном объеме. 3. Схема управления В качестве схемы управления используем универсальную микросхему К1114ЕУ3. Микросхема представляет собой схему управления импульсными источниками питания на коммутируемые мощности 8...10 Вт. ИС выполняет следующие функции: формирование опорного напряжения, усиление сигнала рассогласования, формирование пилообразного напряжения, широтно-импульсную модуляцию, формирование двухтактного и однотактного выхода, защиту от сквозных токов, усиление сигнала датчика тока или напряжения, обеспечение "мягкого" запуска. Корпус типа 4112.16-15.01, масса не более 1,4 г. Внешний вид представлен на рис. 9.  Рисунок 9 — Внешний вид микросхемы К1114ЕУ3 Функциональная схема представлена на рис. 10.  Рисунок 10 — Функциональная схема микросхемы К1114ЕУ3 Назначение выводов. 1 - опорное напряжение;2,5 - инвертирующие входы; 3,4 - неинвертирующие входы; 6 - частотная коррекция;7 - регулировка паузы;8 - вывод задания частоты (C);9 - вывод задания частоты (R);10 - коллектор VT1;11 - эмиттер VT1;12 - эмиттер VT2;13 - коллектор VT2; 14 - напряжение питания; 15 - общий; 16 - блокировка фазорасщепителя; Для проектируемого преобразователя допускаем следующие изменения. Не используем фазорасщепитель и транзистор VT1. Электрические параметры микросхемы: - напряжение питания: 9...36 В; - опорное напряжение при UП=9 В, Uком.вх.=10 В, Iвых=0: 4,7...5,3 В; -остаточное напряжение при Uп=9 В, Uком.вх.=10 В, Iвых=0, fком=10 кГц: не более 1,5 В; - ток закрытой микросхемы при Uп=9 В, Uком.вх.=40 В, Iвых=0: не более 50 мкА; - ток потребления при Uп=36 В, Uком.вх.=10 В, Iвых=0: не более 15 мА; - температурный коэффициент опорного напряжения: не более 0,01 %C; - нестабильность по напряжению ИОП при Uп=36 В, Uком.вх.=10 В, Iвых=0: не более 0,05 %; - Длительность фронта (среза) импульса выходного тока: не более 200 нс. Предельно допустимые режимы эксплуатации: - напряжение питания в предельном режиме: 9...36 В; - входное коммутируемое напряжение в предельном режиме: 2...40 В; - входной то в предельном режиме: не более 200 мА; - рассеиваемая мощность: не более 0,8 Вт; - частота коммутации в предельном режиме: 4...400 кГц; - температура окружающей среды: -10...+100 ° C. Расчет и выбор элементов: Схема включения представлена на рис.11. тип резисторов: C1-4; тип конденсаторов: К50-24; тип диодов: 2Д201А.  Рисунок 11 — Схема включения микросхемы К1114ЕУ3 Частота генератора пилообразного генератора напряжения:  где резистор задания частоты  конденсатор задания частоты  -  -  -  -  -  -  -  -  -  .Допускается подключение нагрузки в цепь коллектора или эмиттера выходных транзисторов. При включении нагрузки в цепь эмиттера выходных транзисторов остаточное напряжение не превышает 3 В при Iвых=200 мА. Допускается параллельная работа выходных транзисторов на общую нагрузку. Для осуществления синхронной работы выходных транзисторов и увеличения выходного тока до 0,4 А необходимо соединить вывод 16 с общей шиной. Допускается использовать источник опорного напряжения в качестве маломощного стабилизатора фиксированного напряжения с выходным током до 5 мА. Допускается изменение коэффициентов усиления и частотной коррекции с помощью резисторов и конденсаторов, включаемых между выходом усилителей (вывод 6) и их входами (выводы 4,5 и 2,3). При этом выходной ток усилителей не должен превышать 1 мА, а входной 0,3 мА. Напряжение на выводах 4,5,2,3 и 7 должно находиться в пределах 0...5 В. Суммарная емкость радиокомпонентов и монтажа, подключенных к выходным транзисторам, не должна превышать 510 пФ. Допускается монтаж ИС в аппаратуру 2 раза, демонтаж 1 раз. Допустимое значение статического потенциала 500 В. 4. Защита преобразователя от сверхтоков и перенапряжений Ввиду чувствительности полупроводниковых приборов к перегрузкам, коротким замыканиям и перенапряжениям для обеспечения надежной работы преобразователей к системам защиты предъявляются следующие основные требования: – максимальное быстродействие в целях ограничения аварийных токов по длительности и амплитуде значениями, определяемыми перегрузочной способностью полупроводниковых приборов; – ограничение всех видов внешних и внутренних перенапряжений допустимыми значениями; – безотказность в работе при всех видах повреждений; – отключение поврежденного участка без дополнительной нагрузки на оставшиеся в работе полупроводниковые приборы и недопустимого перенапряжения на них; – возможность применения автоматического повторного включения. 4.1 Защита преобразователя от сверхтока Принципиальная электрическая схема защиты преобразователя от сверхтоков с помощью короткозамыкателя показана на рис. 12.  Рисунок 12 — Схема электронной защиты Выполним расчет защиты с помощью короткозамыкателя. Среднее значение входного тока преобразователя Iвх.ср= 75,46 А. Амплитудное значение входного тока преобразователя Iвх m=150,91 А. Допустимое значение тока стока транзистора Icт m= 302 А. Входное напряжение преобразователя 24 В ± 10℅. Зададимся амплитудным значением тока срабатывания защиты Im ср. Im ср=1,2Iвх m=1,2∙150,91 = 181,1 А Расчетное сопротивление шунта Rш=R13=∆Uв.пр/ Iвх.ср Выбираем диод VD4: тип диода – SF54. Параметры диода: Iв.ср N = 5 А; ∆Uв.пр = 0,95 В; Uв.обр.max = 200 В. Сопротивления шунта: Rш =R13=0,95/75,46 =0,0126 Ом. Шунт изготавливаем из высокоомного манганинового провода. Примем плотность тока провода шунта равной 6 А/мм2. Необходимое сечение провода определим, разделив значение тока, протекающего через шунт на плотность тока: q= Iвх.ср /j=75,46 /6=12,58 мм2. По справочным данным выбираем провод диаметром d =2,2 мм. Сечение провода q = рd2/4 = 3,8 мм2. Сопротивление 1метра длины этого провода равно 0,14 Ом. Нетрудно рассчитать, что для того, чтобы шунт обладал бы сопротивлением равным 0,0126 Ом необходимо 0,0126/0,14=0,09 м длины этого провода. Скрутим этот провод в виде спирали диаметром 1 см. Шунт будет содержать 3 витка. Выбираем транзистор VT2. Тип транзистора – КТ704, параметры которого: Iк N=2,5 А; Iк.и=4,0 А; Uкэ N=600 В; h21Э=10– 100. Сопротивление резистора R14, шунтирующего цепь управляющий переход – катод тиристора VS1, выбираем равным 20 Ом. Выбираем тиристор VS1. Тип тиристора – ТЧ100-3,паспортные данные которого: среднее значение тока в открытом состоянии 100 А; ударный ток в открытом состоянии Iуд=3100 А; допустимое повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии 300 В; время включения – не более 5мкс. В цепь постоянного тока установим предохранитель типа UAF на рабочий ток IN=25 А . Время срабатывания tср при токе, равном 10IN=10∙25А, составляет от 0,1с. Интеграл плавления предохранителя Wп =3502∙tср=12250А2с. Определим допустимый интеграл перегрузки тиристора ТЧ100-3: Wт=I2удtп=31002∙0,01=96100А2c. Допустимое время перегрузки тиристора ударным током принято равным 0,01 с. Поскольку Wп< Wт, (12 250<96 100), то при прохождении сверхтока по цепи постоянного тока раньше сработает предохранитель, а тиристор защиты останется в работоспособном состоянии. 4.2 Защита цепей преобразователя от электромагнитных импульсов (перенапряжений) Защитные диоды имеют весьма высокое быстродействие (до 1 пс) и пропускают большие токи в импульсе, при этом мощность, рассеиваемая диодом в импульсе, может достигать 1,5 кВт и более. Однако защитные диоды обладают малой теплоемкостью и относительно низкой предельной температурой кристалла, что обуславливает сравнительно небольшую энергию, которую он может поглотить без разрушения. В качестве защитного диода выберем диод с двухсторонней проводимостью SM6T 68CA, обладающий следующими характеристиками: напряжение закрывающее (обратное), Urm =58.1 В максимальный ток утечки, Irm=5 мкА напряжение открывающее, Uвr=68 В максимальное напряжение, Uи m=92 В максимальный, импульсный ток, Iи m=6.5 А Выбор данного диода в полной мере обеспечит защиту от перенапряжения. 5. Проверка системы на устойчивость к возмущающим воздействиям Определим постоянные времени входного и сглаживающего фильтров. Сглаживающий фильтр выполнен по схеме С-фильтра, постоянная времени которого: TC2=С2Rнг=4700∙10-6∙4,5=2,2∙10-4 с. Сопротивление нагрузки: Rнг =Uнг N/Iнг N = 36 / 8 = 4,5 Ом. Определим постоянные времени входного фильтра: TL1=L1/Rвх=0,375 ∙ 10-6/0,32=1,17 ∙10-6 c, TC1=С1 Rвх=40 ∙ 10-6 ∙ 0,32=12,8 ∙ 10-6 с. Rвх=Uвх/Iвх=24/75,46=0,32 Ом – входное сопротивление преобразователя. Для оценки динамических характеристик спроектированного преобразователя воспользуемся пакетом Simulink. Кроме постоянных времени сглаживающего и входного фильтров, необходимо использовать и коэффициенты, рассчитанные ранее при выполнении статического расчета: kп.у=8,312; kпр=14,744; kд.н=0,131. Передаточные функции фильтров: – cглаживающего фильтра: W(p)2=1/(TС2∙p+1)=1/(2,2∙10-4 ∙ p+1); – входного фильтра: W(p)1=1/(TL1TC1p2+ TL1p+1)=1/(14,976∙10-6∙p2+1,17 ∙10-6 ∙p+1). Поведение системы при двух возмущениях: 1) при возмущении по управляющему воздействию (рис.13);  Рисунок 13 — Модель системы для исследования реакции на возмущение по управлению 2) при возмущении по цепи нагрузки типа «скачок тока нагрузки» (рис. 14).  Рисунок 14 — Модель системы для исследования реакции на скачок нагрузки Результаты исследования поведения системы при двух возмущениях приведены на рисунках 15 и 16.  Рисунок 15 — Реакция системы на возмущение по управлению  Рисунок 16 — Реакция системы на скачок нагрузки Заключение преобразователь амплитудный индуктивность В данном курсовом проекте был произведен полный расчет ОПП – однотактного прямоходового преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение (рассчитаны входной и сглаживающий фильтры, трансформатор, защита по току и напряжению). Так же была произведена оценка статических и динамических свойств преобразователя. Было показано, что спроектированный ОПП соответствует предъявляемым в техническом задании требованиям, а так же устойчив к возмущающим воздействиям. Литература 1. А.А. Мартынов. Проектирование импульсных полупроводниковых преобразователей постоянного напряжения в постоянное напряжение. Учебное пособие/ СПб.:ГУАП, 2011—216 с:ил. 2. А.А. Мартынов. Проектирование вторичных источников питания. — СПб.:CПбГУАП, 2000.—107 c. 3. Мартынов А.А Трансформатор для вторичных источников питания. — СПб.:ГУАП, 2001. - 50 с. Приложение  Рисунок 17 — Схема подключения ОПП, драйвера и микросхемы |