Тема 5. Преобразователи постоянного напряжения
Назначение преобразователей напряжения (роль и место в источниках электропитания), структурные схемы, классификация, требования и возможные пути их выполнения следует изучать по /1,3/.
Инверторы с самовозбуждением и способы их надежного начального запуска можно изучать по /1,2,3/. Двухтактные инверторы с внешним возбуждением лучше изложены в /1,3/, а однотактные – в /2,3/.
Однотактные и двухтактные преобразователи напряжения (конверторы), особенности работы выпрямителя в преобразователе следует изучать по /3/. Методика расчета преобразователя на базе двухтактного инвертора изложена ниже.
Проверкой готовности к выполнению лабораторной работы №8 «Исследование источника электропитания с двухтактным инвертором» являются выполненное домашнее задание и (или) результаты тестирования по этой теме.
Методические указания по расчету преобразователя
Составьте принципиальную схему преобразователя, состоящего из инвертора, выпрямителя и сглаживающего фильтра (см. «Домашнее задание к лабораторной работе №8»).
Расчет
преобразователя начните с выбора диодов
выпрямителя. Определите среднее
,
действующее
и
амплитудное значение
тока диода, обратное напряжение диода
по табл. 8.1.
Таблица 8.1
Формулы для расчета нерегулируемых выпрямителей напряжения прямоугольной формы
|
Параметр |
Двухполупериодная схема со средней точкой |
Мостовая схема |
|
Обратное
напряжение диода
Ток диода: Средний
Действующий
Максимальный
Действующее значение тока вторичной обмотки Действующее значение тока первичной обмотки |
|
|
или
или ≈
В
источниках электропитания с высокочастотным
преобразованием энергии используются
импульсные или высокочастотные силовые
диоды, которые кроме статических
параметров характеризуются параметрами,
определяющими их инерционные свойства
при переключении диода из открытого
состояния в закрытое. Время обратного
восстановления диода
является основным параметром выпрямительных
диодов, характеризующим их инерционные
свойства. Для ряда силовых диодов в
справочниках указывается максимальная
частота, выше которой диоды использовать
не рекомендуется.
Выберите диоды по табл. П2.1 Приложения 2.
Напряжение на одной из вторичных полуобмоток трансформатора в двухполупериодной схеме выпрямления с нулевым выводом определяется по формуле
.
Напряжение на вторичной обмотке трансформатора в мостовом выпрямителе определяется с учетом того, что ток нагрузки протекает через два последовательно соединенных диода:
.
Мощность вторичной обмотки трансформатора
,
где
−
действующее значение тока вторичной
обмотки, определяемое по формуле из
табл. 8.1.
Ориентировочное значение тока коллектора в режиме насыщения
,
где
−
КПД трансформатора.
КПД трансформатора лежит в пределах 0,85-0,95 и зависит от суммарной выходной мощности: чем больше мощность трансформатора, тем выше его КПД.
Напряжение, которое прикладывается к переходу коллектор-эмиттер в режиме отсечки в преобразователе, имеющем отвод от средней точки первичной обмотки трансформатора,
.
Эта формула учитывает возможность возникновения перенапряжения.
В
мостовой и полумостовой схемах инверторов
в два раза меньше.
При
выборе транзисторов по табл. 2.2 Приложения
2 необходимо помнить, что во всех схемах,
за исключением инвертора с переключающим
трансформатором, наблюдаются выбросы
коллекторного тока. Если не будет
применено специальных мер по уменьшению
или устранению этих выбросов, то следует
выбрать этот транзистор с
.
Напряжение на первичной полуобмотке трансформатора в двухтактном инверторе
,
где
− напряжение между коллектором и
эмиттером в режиме насыщения.
В мостовом инверторе ток протекает через два последовательно соединенных транзистора, поэтому напряжение на первичной обмотке трансформатора определяется по формуле
.
В полумостовом инверторе
.
Коэффициент трансформации силового трансформатора
.
Уточненное значение коллекторного тока
.
Для
обеспечения надежного насыщения
транзисторов, имеющих минимальный
коэффициент передачи
,
ток базы выбирается с запасом:
,
где
– коэффициент насыщения (
).
Напряжение на базовой обмотке выбирается из условия
,
где
–
напряжение база-эмиттер в режиме
насыщения.
При
ток
базы будет зависеть от разброса напряжения
,
а при
возрастают потери мощности в цепях баз
транзисторов. Если в справочнике не
указано
,
то примите
.
Требуемое значение базового тока
обеспечивается выбором напряжения
и
резистором
в
цепи базы:
.
Мощность, рассеиваемая на резисторе,
.
Фактическая
степень насыщения для транзистора с
максимальным коэффициентом передачи
.
Амплитуда коммутационного тока коллектора в инверторе с самовозбуждением
,
в инверторе с независимым возбуждением
.
Если
величина
получилась большей, чем допускается
для выбранного транзистора, необходимо
облегчить его условия работы, применив
какую-либо из схем с облегченными
коммутационными процессами /Л1, рис.12.13,
12.15, 12.16, 12,17/.
В преобразователе с переключающим трансформатором коммутационные всплески коллекторных токов устранены. Сопротивление ограничительного резистора в первичной обмотке переключающего трансформатора в этой схеме
.
Коэффициент
трансформации переключающего
трансформатора
рекомендуется выбирать меньше единицы,
так как при этом резисторы в цепи базы
имеют достаточное сопротивление, а
длительность переходного процесса
переключения существенно уменьшается.
Напряжение на первичной обмотке переключающего трансформатора
.
Ток,
протекающий по этой обмотке, ограничительному
резистору и обмотке обратной связи
силового трансформатора
.
Напряжение на обмотке обратной связи силового трансформатора
.
Типовая мощность силового трансформатора
,
где
и
– число первичных и вторичных обмоток
(или полуобмоток);
–
КПД трансформатора.
Определяя
типовую мощность насыщающегося
трансформатора в самовозбуждающемся
инверторе, необходимо учесть мощности
базовых обмоток
,
а при определении типовой мощности
силового трансформатора в самовозбуждающемся
инверторе с переключающим трансформатором
следует учесть мощность обмотки
возбуждения (обратной связи)
.
В качестве фильтра выпрямителя напряжения прямоугольной формы, работающего с самовозбуждающимся инвертором, следует применить конденсатор, емкость которого
,
где
– длительность фронта напряжения
прямоугольной формы (следует принять
);
коэффициент пульсаций выходного
напряжения (в относительных единицах).
Фильтром, сглаживающим пульсации выпрямителя напряжения прямоугольной формы, работающего с инвертором с независимым возбуждением, также может быть емкостной фильтр, но чаще применяют LC-фильтр. Порядок расчета такого фильтра следующий.
Критическое значение индуктивности дросселя фильтра
.
Стандартный
дроссель с
и максимальным током подмагничивания
больше
выбирают по табл. П1.1, П1.2 Приложения 2.
Исходя
из заданного
и допустимого выброса выходного
напряжения
при скачке тока нагрузки от
до
определяют значение емкостей:
,
,
где
.
Значение емкости конденсатора принимают равным большему из полученных значений.