Реферат – Преобразователь постоянного напряжения – скачать бесплатно

B = 0,9; D = 2,15.

Максимальное выпрямленное напряжение U_н max = 15,15 В.

Ориентировочно определяем параметры однофазной мостовой схемы при работе на активно-емкостную нагрузку (ток нагрузки — I_н = P_н/U_н = 0,66А):

U_обр = Ц ` 2ВU<sub>н max</sub> = Ц ` 2*0,9*15,15 = 19,28В

I_пр ср = 0,5I_н = 0,5*0,66 = 0,33А

I_пр = 0,5DI_н = 0,5*2,15*0,66 = 0,71А

S_тр = 0,707DBP_н = 0,707*2,15*0,9*10 = 13,68Вт

U_обр — обратное напряжение вентиля (В), I_пр ср, I_пр, I_{пр m} — действующее и амплитудное значение тока вентиля (А), S_тр — габаритная мощность трансформатора (Вт),

По вычисленным значениям U_обр и I_пр ср выбираем диодную сборку типа «КЦ412А», для которых U_обр = 50 В > 19,28В; I_{пр ср max} = 1А > 0,33А; 1,57 I_{пр ср max} = 1,57А > 0,72А; U_пр = 1,2 В.

Определяем сопротивление вентиля в прямом направлении r_пр (Ом):

r_пр = U_пр/I_пр ср = 1,2/0,33 = 3,64Ом.

Определяем сопротивление обмоток трансформатора r_тр (Ом):

r_тр = k_rU_н ^4Ц SfB_s/Р_н /I_нfB_s = 3,5*15*^4Ц 20 000*0,2/10 /0,66*20 000*0,2 = 52,5*4,474/2640 = 52,5/11 811,36 = 0,09Ом,

при k_r = 3,5; S = 1.

k_r — коэффициент, зависящий от схемы выпрямления; S — число стержней трансформатора, на которых помещены его обмотки.

Сопротивление фазы r (Ом):

r = r_тр 2r_пр = 0,09 2*3,64 = 7,37Ом.

Определяем коэффициент А:

A = I_нp r/mU_н = 0,66*3,14*7,37/2*15= 0,51

По коэффициенту, А определяем коэффициенты:

В = 1,25; D = 1,9; F = 4,8.

Определяем параметры трансформатора и вентелей:

U₂, I₂ — напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора; I₁, U₁ — напряжение и ток первичной обмотки трансформатора.

Е₂ = U₂ = BU_н = 1,25*15 = 18,75В

I₂ = 0,707DI_н = 0,707*1,9*0,66 = 0,89А

Е₁ = U₁ = 5В

I₁ = 0,707DI_нU₂/U₁ = 0,707*1,9*0,66*18,75/5= 3,32А

S₂ = S₁‘ = S_тр‘ = 0,707BDP_н = 0,707*1,25*1,9*10 = 16,79Вт

I_пр = 0,5DI_н = 0,5*1,9*0,66 = 0,63А < 1,57 I_{пр ср max} = 1,57А

U_обр = Ц ` 2ВUн<sub>max</sub> = Ц ` 2*1,25*15,15 = 26,78В

I_{пр m} = 0,5FI_н = 0,5*4,8*0,66 = 1,58А

Таким образом, выбранная предварительно диодная сборка типа «КЦ412А» пригодна для работы в схеме выпрямления.

Определяем при, А = 0,51 коэффициент Н = 88

Определяем емкость конденсатора С (мкФ):

С = Н/ к_пr = 88/0,05*7,37 = 238,81 мкФ

Выбираем конденсатор типа «К 50−20» на номинальное напряжение 25 В номинальной емкости 500мкФ.

Уточняем величину пульсаций к_п = Н/ Сr = 88/500*7,37 = 0,02, т. е. пульсация менее заданного значения.

Расчет трансформатора и остальных элементов схемы:

1. Для расчета необходимо задаться КПД трансформатора — h, значениями электромагнитных нагрузок: магнитной индукции — B_s (Тл) и плотностью тока в обмотках — j (А/мм²), коэффициентом заполнения медью магнитопровода — к_o, коэффициентом заполнения сталью/сплавом сечения магнитопровода — к_с, коэффициентом длительности импульса — к_ф. Значения вышеперечисленных расчетных данных примем по рекомендациям для данного типа сердечника:

1. Определяем расчетную мощность трансформатора по формуле S_рас (Вт):

S_рас = ½Ц ` 2h [ 2(1 Ц ` 2h) Р_н] = 0,601*44,042 = 26,469 Вт

3. Для выбора типоразмера магнитопровода следует рассчитать произведение, где S_c — площадь поперечного сечения стержня трансформатора, S_o — площадь окна магнитопровода:

S_cS_o = S_рас10²/2к_фfBjk_ck_o = 2646,9/2*20*10³*0,2*12,5*0,13 = 0,2036 см⁴.

Ближайшее, большее к расчетному значение S_cS_o — 0,271 см⁴.

По нему выбираем типоразмер магнитопровода: К 20ґ 10ґ 6

b a d

D

Размеры магнитопровода К 20ґ 10ґ 6:

a = 5 мм, b = 6 мм, d = 10 мм, D = 20 мм.

Средняя длина магнитной силовой линии l_c = 5,03 см.

Масса магнитопровода G_ст = 6,7 г.

Площадь окна магнитопровода S_o = 1,13 см².

Площадь поперечного сечения стержня трансформатора S_c = 0,24 см².

2. Потери в магнитопроводе трансформатора Р_ст (Вт):

Р_ст = Р_удG_ст , где Р_уд — удельные потери в 1 кг материала магнитопровода при нормированных значениях магнитной индукции и частоты (Вт/кг);

Р_уд = 30 Вт/кг, G_ст = 6,7 г = 0,0067 кг.

Р_ст = 30*0,0067 = 0,201 Вт.

4. Число витков первичной вторичной и базовой обмоток трансформатора:

w₁ = U₁(1−0,5D U)10⁴/4k_фfB_sS_ck_c

w₂ = U₂(1 0,5D U)10⁴/4k_фfB_sS_ck_c

w_б = U_б(1 0,5D U)10⁴/4k_фfB_sS_ck_c

D U — относительное изменение напряжения на выходе трансформатора (В)

D U = 0,035 B.

w₁ = 5*(1−0,5*0,035)* 10⁴/4*20 000*0,2*0,24 = 49 125/3840 = 12,79 «13

w₂ = 18,75*(1 0,5*0,035)* 10⁴/4*20 000*0,2*0,24 = 190 781,25/3840 = 49,68 «50

w_б = 4*(1 0,5*0,035)*10⁴/4*20 000*0,2*0,24 = 40 700/3840 = 10,59 «11

(U_б = 4* U_бэ нас = 4 В, т.к. U_бэ нас = 1В)

1. Действующее значение тока холостого хода — I₀ (А):

I₀ = Ц I²_0p I²_0a = 0,123А,

где I_0a — действующее значение активной составляющей тока холостого хода (А),

I_0a = Р_ст/ U₁*(1- 0,5*D U) = 0,201/5*(1−0,5*0,035) = 0,201/4,9125 =0,041А

а I_0p — действующее значение реактивной составляющей тока холостого хода (А),

I_0p = Ц ` 2Нl<sub>c</sub>*10<sup>-2</sup>/w<sub>1</sub> = Ц ` 2*40*0,0267/13 = 1,51/13 = 0,116А

где Н — эффективное значение напряженности магнитного поля (А/м),

Н = 40А.

6. Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора — I₁ (А); расчет транзисторов и резисторов:

I₁ = Ц 0,5*(2*(I_б*w_б/w₁)² (I₂*w₂/w₁)² I₀²) = Ц 0,5*(2*(0,969*11/13)² (0,89*50/13)² 0,0151) = Ц 13,077 = 3,616А

Где I₂ — тока вторичной обмотки трансформатора (А),

I₂ = 0,89А,

I_б — тока базовой обмотки трансформатора (А),

I_б = I_б нас/Ц ` 2 = 1,37/Ц ` 2 = 0,969А,

I_б нас — ток базы, необходимый для насыщения транзистора (А),

I_б нас = I_к нас*k_нас/h_{21 э min} = 9,82*1,4/12 = 1,37А,

k_нас — минимальный коэффициент насыщения транзистора,

I_к нас — значение тока коллектора открытого транзистора,

h_{21 э min} — минимальный коэффициент передачи тока.

Принимаем

k_нас = 1,4

I_к нас = U₂*I₂/h (U_{1 min} — U_кэ нас ) = 18,75*0,89/0,85*(4,5−2,5) = 16,69/1,7 = 9,82А

U_кэ нас = 2,5В

U_кэ max — максимальное напряжение на закрытом транзисторе преобразователя (В),

U_кэ max = 2,4* U_{1 max} = 2,4*5,5 = 13,2В

По значениям тока I_к нас и напряжения U_кэ max из справочника выбираем тип транзистора и определяем его основные параметры:

Выбираем транзистор марки «КТ 805 А»

U_кэ max = 160В

I_к max = 5А

P_к max = 15Вт

h_{21 э} = 15

I_с max = 150А

f_гр = 20Мгц

Проверяем, не превышает ли максимально допустимый ток коллектора выбранного транзистора значение I_к max.

I_к max = I_к нас*k_нас * h_{21 э max}/h_{21 э min} = 9,82*1,4 = 13,75А

Определяем значение мощности Р_к (Вт), рассеиваемой транзистором преобразователя:

Р_к = 0,5* U_кэ нас* I_к нас U_{1 max}* I_к max*t _т*f*к_д = 0,5*2,5*9,82 5,5*13,75*7,96*10^-9*20*10³*0,5 = 12,275 0,006 = 12,281Вт

Коэффициент динамических потерь — к_д = 0,5

t _т = 1/(2*p *f_гр) = 7,96*10^-9

Сопротивление резисторов R_б (Ом):

R_б = (U_б — U_бэ нас)/ I_б нас = (4−1)/1,37 = 2,19 Ом

Выбираем постоянный непроволочный резистор марки «С2−13−025», пределы сопротивления которого от 1 Ом до 1Мом, наибольшее рабочее напряжение — 250 В.

7. Поперечные сечения проводов первичной, вторичной и базовой обмоток:

q’₁ = I₁/j = 3,616/12,5 = 0,2893 мм²

q’₂ = I₂/j = 0,89/12,5 = 0,0712 мм²

q’_б = I_б/j = 0,969/12,5 = 0,7 752 мм²

Выбираем обмоточный провод круглого поперечного сечения марки ПЭВ — 1.

Поперечное сечение:

q₁ = 0,1886 мм²

q₂ = q_б = 0,6 605 мм²

Диаметры проводов без изоляции:

d₁ = 0,49 мм

d₂ = d_б = 0,29 мм

Диаметры проводов с изоляцией:

d_и1 = 0,53 мм

d_и2 = d_иб = 0,33 мм

Уточняем плотность тока в обмотках:

j₁ = I₁/ q₁ = 3,616/0,1886 = 19,17 А/мм²

j₂ = I₂/ q₂ = 0,89/0,6 605 = 13,47 А/мм²

j_б = I_б/ q_б = 0,969/0,6 605 = 14,67 А/мм²

Средняя плотность тока в обмотках:

j = ^4Ц j₁ * j₂ * j_б «7,2106 А/мм²

1. Конструктивный расчет трансформатора:

Среднее значение высоты (длины) намоточного слоя первичной обмотки h _об 1 (мм):

h _об 1 = (p /2)*[ 3*(d/2-d _г) d_ост/2] = 1,57*(3*(5−0,5) 1,55) = 23,6285 мм

d_ост — остаточный диаметр = 3,1 мм

d _г — толщина изоляции магнитопровода = 0,5 мм

Число витков в одном слое первичной обмотки w_сл 1 при k_у = 0,75:

w_сл 1 = h _об 1*k_у/d_и1 = 23,6285*0,75/0,53 = 33,4365

Число слоев первичной обмотки n_сл 1:

n_сл 1 = w₁/ w_сл 1 = 13/33,4365 = 0,389 «1

Радиальный размер первичной обмотки катушки d ₁ (мм):

d ₁ = 1,2* n_сл 1*d_и1 = 1,2*1*0,53 = 0,636 мм

Внутренний диаметр после намотки первичной обмотки d_вн 1 (мм):

d_вн 1 = d-2d ₁ = 10−1,272 = 8,728 мм

Средняя высота слоя базовой обмотки h _{об б} (мм):

h _{об б} = p [ d_вн 1-d _б пр] = 3,14*[ 8,728−1,272] = 23,412 мм

Радиальный размер базовой обмотки катушки d _б пр (мм):

d _б пр = (d ₁*S_б)/S_б* = (0,636*7,752)/3,876 = 1,272 мм

Расчетная габаритная мощность базовой обмотки S_б (Вт):

S_б = 2 U_б I_б = 2*4*0,969 = 7,752 Вт

Расчетная мощность базовой обмотки S_б (Вт):

S_б* = U_б I_б = 4*0,969 = 3,876 Вт

Число витков в одном слое базовой обмотки w_сл б при k_у = 0,75:

w_сл б = h _{об б}*k_у/d_иб = 23,412*0,75/0,33 = 53,209

Число слоев базовой обмотки n_{сл б}:

n_{сл б} = w_б/ w_{сл б} = 11/53,209 = 0,206 «1

Радиальный размер базовой обмотки катушки d _б (мм):

d _б = 1,2* n_{сл б}*d_иб = 1,2*1*0,33 = 0,396 мм

Средняя высота слоя вторичной обмотки h _об 2 (мм):

h _об 2 = p [ d_вн 1-d _{2 пр]} = 3,14*[ 8,728−1,272] = 23,412 мм

Радиальный размер вторичной обмотки катушки d _{2 пр} (мм):

d _{2 пр} = (d ₁*S₂)/S_2* = (0,636*33,375)/16,688 = 1,272 мм

Расчетная габаритная мощность вторичной обмотки S₂ (Вт):

S₂ = 2 U₂ I₂ = 2*18,75*0,89 = 33,375 Вт

Расчетная мощность вторичной обмотки S₂ (Вт):

S_2* = U₂ I₂ = 18,75*0,89 = 16,688 Вт

Число витков в одном слое вторичной обмотки w_сл 2 при k_у = 0,75:

w_сл 2 = h _об 2*k_у/d_и2 = 23,412*0,75/0,33 = 53,209

Число слоев вторичной обмотки n_сл 2:

n_сл 2 = w₂/ w_сл 2 = 50/53,209 = 0,94 «1

Радиальный размер вторичной обмотки катушки d ₂ (мм):

d ₂ = 1,2* n_сл 2*d_и2 = 1,2*1*0,33 = 0,396 мм

Остаточный диаметр после намотки обмоток d_ост (мм):

d_ост = d — (d ₁ d _б d ₂) = 10 — (0,636 0,396 0,396) = 8,572 мм

9. Проверочный расчет трансформатора:

Средняя длина витка обмотки трансформатора l_ср (мм):

l_ср = 2*(a b p r_ср)*10^-3 = 2*(5 6 3,14*0,318)* 10^-3 =0,024 мм

а = (D — d)/2 = (20−10)/2 = 5 мм

r_ср = d ₁ /2 = 0,636/2 = 0,318

Масса меди всех обмоток G_м (г):

G_м = G_м1 G_м2 G_мб = 0,5242 0,7044 0,1291 = 1,3577 г

Масса меди первичной обмотки G_м1 (г):

G_м1 = w₁* l_ср *g₁ = 13*0,024*1,68 = 0,5242 г

Масса меди вторичной обмотки G_м2 (г):

G_м2 = w₂* l_ср *g₂ = 50*0,024*0,587 = 0,7044 г

Масса меди базовой обмотки G_мб (г):

G_мб = w_б* l_ср *g_б = 11*0,024*0,587 = 0,1291 г

Коэффициент заполнения окна магнитопровода медью k₀:

k₀ = (q₁ * w₁ q₂ * w₂ q_б * w_б)*10^-2/S₀ = (0,1886*13 0,6 605*50 0,6 605*11)* 10^-2/1,13 = 0,065/1,13 = 0,058

Масса изоляции G_из (г):

G_из = (1 — k₀ )* G_м * g _из * k_из/ 8,9*k₀ = (1−0,058)*1,3577*0,7/8,9*0,058 = 0,895/0,5162 = 1,734 г

Удельная масса изоляции g _из (г/см³):

g _из = 1 г/см³

Коэффициент укладки изоляции k_из:

k_из = 0,7

Масса трансформатора G_т (г):

G_т = G_м G_из G_ст = 1,3577 1,734 6,7 = 9,7917 г

Активное сопротивление обмоток при максимальной температуре окружающей среды:

r₁ = w₁* l_ср *k_t * k_j/ 57*q₁ = 13*0,024*1,24/57*0,1886 = 0,3869/10,7502 = 0,0359

r₂ = w₂* l_ср *k_t * k_j/ 57*q₂ = 50*0,024*1,24/57*0,6 605 = 1,488/3,7649 = 0,3952

r_б = w_б* l_ср *k_t * k_j/ 57*q_б = 11*0,024*1,24/57*0,6 605 = 0,3274/3,7649 = 0,0869

Коэффициент, учитывающий увеличение удельного сопротивления меди с повышением температуры:

k_t = 1 0,004*(Т_с D Т-20) = 1 0,004*(30 50−20) = 1,24

k_j = 1 (коэффициент увеличения сопротивления провода в зависимости от частоты тока питающей сети), Т_с = 30° С (макс. Температура окружающей среды), D Т = 50° С (температура перегрева обмоток).

Относительное значение активной составляющей напряжения короткого замыкания U_к.а:

U_к.а = (I₁/U₁)*(r₁ * r₂‘) = (2,58/5)*(0,0359 0,103) = 0,516*0,1389 = 0,0717

Приведенное к первичной обмотке, активное сопротивление вторичной обмотки:

r₂‘ = r₂*(w₁/ w₂) = 0,3952*(13/50) = 0,103

Относительное значение реактивной составляющей напряжения короткого замыкания U_к.р:

U_к.р = [ 2*p *m ₀*f* I₁* w₁²/ U₁*(D 2*d ₂)] *(d ₁ d _б d ₂)/3* l_ср² /4 = [ 2*3,14*3,4*10^-7*20 000*3,616* 169/ 5*(20 0,792)] *1,428/3* 0,58/4 = 26,097/103,96*0,476*0,145 = 17,33*10^-6

Магнитная постоянная m ₀ (Гн/м):

m ₀ = 4h *10^-7 = 3,4*10^-7 Гн/м

Относительное значение напряжения короткого замыкания U_к:

U_к = Ц U²_к.а U²_к.р = 0,0717

Потери в меди обмоток:

Р_м1 = I₁² *r₁ = 13,075*0,0359 = 0,469

Р_мб = I_б² *r_б = 0,939*0,0869 = 0,0816

Р_м2 = I₂² *r₂ = 0,7921*0,3952 = 0,313

Суммарные потери в меди всех обмоток:

Р_м = Р_м1 Р_м2 Р_мб = 0,469 0,0816 0,313 = 0,8636

Коэффициент полезного действия трансформатора:

h = 1-(Р_м Р_ст)/ (Р_м Р_ст Р_н) = 1-(0,8636 0,201)/(0,8636 0,201 10) = 1−0,096 = 0,904

10. Тепловой расчет трансформатора:

Температура перегрева обмоток относительно окружающей среды D Т:

D Т «(Р_м Р_ст)/ a _m*S_охл = (0,8636 0,201)/12*1214,03 = 1,0646/14 568,384 = 73,08*10^-6

Коэффициент теплоотдачи трансформатора a _m (Вт/м²*° С):

a _m = 12 Вт/м²*° С

Общая поверхность охлаждения для тороидального трансформатора S_охл:

S_охл = [ p *(D 2d ₁ 2d _б 2d ₂) ²-p *d²_ост] /2 p *(D 2d ₁ 2d _б 2d ₂)*b = 1214,03 м²

Описание работы схемы и назначение ее элементов

Схема работает следующим образом. При открытом транзисторе VT1, напряжение источника питания приложено (если пренебречь относительно малым напряжением на открытом транзисторе) к первичной полуобмотке W1, и создает на базовых обмотках напряжение с полярностью, поддерживающей транзистор VT1 в открытом, а транзистор VT2 в закрытом состоянии.

Под действием напряжения, приложенного к первичной полуобмотке, магнитопровод трансформатора перемагничивается по участку 1−2 петли гистерезиса, резко возрастает его намагничивающий ток (ток коллектора VT1). При достижении коллекторным током значения I_кмакс=B*I_б, транзистор VT1 выходит из состояния насыщения, падение напряжения на нем увеличивается, а напряжение на всех обмотках трансформатора уменьшается. Последнее приводит к уменьшению коллекторного тока открытого транзистора. При этом рабочая точка движется по участку 3−2 петли гистерезиса, и напряжения на обмотках трансформатора меняют знак; транзистор VT1 закрывается, открывается транзистор VT2. После этого магнитопровод трансформатора перемагничивается по участку 2′-1′ петли гистерезиса, и все процессы в схеме повторяются. Ток коллектора открытого транзистора складывается из приведенных к первичной обмотке тока нагрузки I_Н’, базового I_Б’. Так как петля гистерезиса прямоугольная, ток коллектора имеет прямоугольную форму со «всплеском» в конце полупериода.

Ток закрытого транзистора примерно равен обратному току коллектора. Напряжение на обмотках трансформатора имеет вид симметричных импульсов прямоугольной формы. Напряжение на нагрузке постоянно. Максимальная магнитная индукция в трансформаторе равна индукции насыщения Bs материала магнитопровода. В течение полупериода индукция в трансформаторе изменяется по линейному закону от -B_S до B_S.

Принцип действия двухтактного преобразователя напряжения

Двухтактные преобразователи с насыщающимся трансформатором используются как задающие генераторы для усилителей мощности и автономные маломощные источники электропитания. Их основные достоинства — простота схемы, а также нечувствительность к коротким замыканиям в цепи нагрузки. При коротком замыкании в цепи нагрузки срываются автоколебания преобразователя и транзисторы закрываются. Недостатком преобразователей с насыщающимся трансформатором является наличие выбросов коллекторного тока в момент переключения транзисторов, что ведет к увеличению потерь в преобразователе.

Спецификация элементов

Список используемой литературы

Ссылки в интернет

1. http://www.mcu.ru/ – Мир силовой электроники.
2. http://zpostbox.chat.ru/index.htm — Узлы электронных схем.
3. http://students.nizhny.ru/ – Схемотехника.