Министерствообразования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕАГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Казанскийгосударственный технический университет им. А.Н. Туполева
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине: Источники вторичного электропитания
Тема: ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Казань 2010
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Принцип действия ИСН
2. Расчет элементов преобразователя
3. Схема управления
4. Конструкция устройства
Вывод
Список используемых источников
Введение
Источники вторичного электропитания (ИВЭП) по своейфизической сущности это преобразователи вида и качества электрической энергиипервичных источников питания (химических, топливных, электромеханическиехядерных и других). ИВЭП являются одним из основных электронных компонентовлюбой функциональной аппаратуры. Они применяются во всех сферах современнойиндустрии: в различных областях промышленности, связи, электроприводе,автотранспорте, бытовых приборах, телекоммуникационной, военно–космической,компьютерной технике.
Современным генеральным направлением развития ИВЭП в мирепопрежнему остается дальнейшее улучшение массогабаритных характеристик приснижении стоимости и обязательном выполнении требований надежности и качестваэлектроэнергии.
По заданию КП мной долженбыть разработан импульсный стабилизатор напряжения (ИСН) – наиболее известная всемействе импульсных преобразователей схема.
1. Принцип действия ИСН
/>
Рис. 1 Базовая схема ИСН
Входное напряжения Uinподается на входной фильтрующий конденсатор Cin. Ключевой элемент VT, вкачестве которого может быть использован транзистор любого типа (биполярный,MOSFET, IGBT), осуществляет высокочастотную коммутацию тока. Кроме этого, всоставе преобразователя должны быть разрядный диод VD, дроссель L, конденсаторСout, образующие выходной LC-фильтр, атакже схема управления, осуществляющая стабилизацию напряжения или токанагрузки с сопротивлением Rн. Как видно из рисунка, ключевой элемент VT,дроссель и нагрузка включены последовательно, поэтому этот стабилизатор относятк классу последовательных схем.
Ключевой элемент можетстабильно находиться только в двух состояниях — полной проводимости и отсечки.Если указанные состояния сменяют друг друга с постоянной периодичностью, равнойТ, то, обозначив время нахождения ключа в проводящем состоянии — как времяпроводимости (tu), а время нахождения ключа в состоянии отсечки —как время паузы (tn,можно ввести понятие коэффициента заполнения, равного:
/>
где f — частота коммутации.
/>
Рис. 2
На рис. 2 показанавременная диаграмма для определения коэффициента заполнения. Нулевое значение Dхарактеризует постоянное нахождение ключевого элемента в состоянии иотсечки, в го время как равенство его единице показывает режим постояннойпроводимости. В состоянии отсечки напряжение на нагрузке равно нулю, всостоянии полной проводимости наблюдается равенство входного и выходногонапряжений. В промежутке между «нулем» и «единицей» работапреобразователя складывается из двух фаз: набор энергии и разряда. Рассмотримэти фазы подробнее:
/>
Рис. 3
Итак, фаза накачкиэнергии протекает на протяжении времени tu, когда ключевой элементVT открыт, то есть проводит ток (рис. 3, а). Этот ток далее проходит черездроссель L к нагрузке, шунтированной конденсатором Сout. Накопление энергии происходит как в дросселе, так ив конденсаторе. Ток iL увеличивается.
После того, как ключевойэлемент VT переходит в состояние отсечки, наступает фаза разряда (рис. 3, б),продолжающаяся время tn. Поскольку любой индуктивный элементстремится воспрепятствовать изменению направления и величины тока, протекающегочерез его обмотку, в данном случае ток дросселя iL мгновенноуменьшиться до нуля не может, и он замыкается через разрядный диод VD. Источникпитания в фазе разряда отключен, и дросселю неоткуда пополнять убыль энергии,поэтому разряд происходит по цепи «диод-нагрузка». По истечениивремени Т процесс повторяется — вновь наступает фаза накачки энергии.
2. Расчет элементовпреобразователя
Алгоритм расчетаэлементов СПН проводился по методике указанной в [1]. Базовая схема НПНпоказана на рис. 1.
1. Выбираем схемувыпрямителя однофазную мостовую, />= 2,тогда:
/>= 1,41 × 220 = 310,2 В.
2. Мощность на выходе выпрямителя (на входе преобразователя),Вт:
/>
где /> при />= 10...100 Вт.
3. Коэффициентом пульсацийна выходе выпрямителя
/> = 0,5 (0,1 + 0,1) = 0,1
/> = 310,2 (1 – 0,1) = 217,8 В.
4. Среднее значениевыпрямленного тока /> и сопротивлениянагрузки входного выпрямителя />:
/> = /> =0,41 А; />= /> = 531 Ом.
5. Минимальное значениевыпрямленного напряжения, В:
/> = 310,2×(1 – 2×0,1) = 217
6. Угол отсечки />, при котором через диодыначинает протекать ток:
/> = 0,9, /> 26°.
7. Угол/>, при котором прерываетсяток через диоды выпрямителя:
/>, />= 2,3 град.
Угол />можно также определить,пользуясь графиком.
8. Ёмкость конденсаторавходного фильтра, мкФ:
/>=/>= 105,
где />, здесь />– частота тока сетевогонапряжения.
9. Рабочее напряжение наконденсаторе />, В:
/> = 310,2×(1+0,1) = 341,22.
Выбираем из [3,5]конденсатор К50–28.
10. Действующее значениетока (А) через диоды мостовых схем выпрямителей />:
/> = 11 .
11. Амплитудное значение тока через диоды входного напряжения,А ^
/>= 4,92.
12. Среднее значение токачерез диоды, А:
/> = /> =0,205.
13. Обратное напряжение, В:
/> = 310,2(1 + 0,1) = 341,22.
14. Выбираем изсправочника [2] диодный мост:
W04M />= 400 В, />=1,5 А.
15. Коэффициентызаполнения импульсов:
/>;
/>;
/>.
16. Ориентировочныезначения сопротивления обмотки дросселя и открытого диода, Ом:
/>.
17. Произведение />, Гн.Ф:
18.
/>
19. Критическоезначение индуктивности />, Гн:
/>.
20. Индуктивностьдросселя />, Гн (окончательно):
/>.
21. Переменнаясоставляющая тока дросселя />, А:
/>.
22. Максимальный токчерез дроссель />, А:
/>.
23. Мощность потерь в дросселе, Вт:
/>.
24. Объём сердечника, см3:
/>,
где />, мкГн; />, А.
25. По величине /> из [3] выбираетсясердечник дросселя из феррита марки 2000НМ К40х25х11 (ближайший больший).
/>, мм2; />, мм; />.
26. Число витков обмотки дросселя:
/>,
где />, мГн.
26. Габаритная мощность дросселя, Вт:
/>.
27. По величине /> и /> определяем плотность тока:j=8, А/мм2.
14. Диаметр провода, мм:
/>.
Выбирается из [3] медныйпровод d=0,55, dизол=0,62.
28. Средняя линияобмотки, мм:
/>,
где a, b, c – размерысердечника, мм
29. Площадь сеченияобмотки, мм2:
/>.
30. Активноесопротивление обмотки дросселя, Ом:
/>,
где />, м; />, мм2.
/>.
31. Ёмкость конденсаторафильтра, мкФ:
/>.
32. Напряжение наконденсаторе, В:
/>.
33. По значениям /> и /> из [5] выбран конденсатортипа К71-5 с номинальным напряжением 160 В и диапазоном рабочих температур винтервале от –60 до +60 °С, tgd = 0,01, а емкость его равна 150 мкФ.
34. Обратное напряжениена диоде, В:
/>.
35. Максимальный токчерез диод, А:
/>.
36. Средний ток черездиод, А:
/>.
37. Действующее значениетока через диод, А:
/>.
38. С учетом частоты /> из [6] выберем диод типа 2Д220А.Постоянное прямое напряжение 1,2 В. Импульсный прямой ток (tи/> 10 мкс)3 А. Время восстановления обратного сопротивления 0,5 мкс. Напряжение отсечки Uотс= 1 В. Постоянное обратное напряжение Uобр = 400 В.
Дифференциальноесопротивление, Ом:
/> Ом.
39. Осуществим проверку
/> /> В;
/> /> мА/> А.
40. Максимальный токколлектора транзистора, А:
/>.
41. Максимальноенапряжение на запертом транзисторе, В:
/>.
42. Из [2] выберемтранзистор типа КП751В, N–МОП.
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
43. Мощностьстатических потерь в транзисторе, Вт:
/> 1,33×3,99×0,0003×20000 = 31,8402
/>
44. Мощностькоммутационных потерь в транзисторе, Вт:
/>
/>
45. Суммарнаямощность потерь в транзисторах, Вт:
/>=31,8402+0,118 =31,958
46. Так как />, то транзистор выбран правильно, итеплоотвод не нужен, поскольку />Вт.
47. Мощностькоммутационных потерь в диодах, Вт:
/>
48. Мощностьстатических потерь в диодах, Вт:
/>
49. Суммарнаямощность потерь в диодах, Вт:
/>= 0,0013+0,708 = 0,7093
50. Мощность потерь всхеме управления транзисторами, Вт:
/>= 0,02×1,33×100 = 2,66
51. КПДстабилизирующего преобразователя:
/> =
/>
52. Входной токстабилизирующего преобразователя, А:
/>
53. Индуктивностьдросселя входного фильтра, Гн:
/>=/>
электрическийплата импульсный преобразователь
54. Критическоезначение индуктивности />, Гн:
/>.
55. Индуктивностьдросселя />, Гн (окончательно):
/>.
56. Переменнаясоставляющая тока дросселя />, А:
/>.
57. Максимальный токчерез дроссель />, А:
/>.
58. Мощность потерь вдросселе, Вт:
/>.
59. Объём сердечника,см3:
/>,
где />, мкГн; />, А.
60. По величине /> из [3] выбираетсясердечник дросселя из феррита марки 2000НМ К40х25х7,5 (ближайший больший).
/>, мм2; />, мм; />.
61. Число витковобмотки дросселя:
/>,
где />, мГн.
53. Габаритная мощность дросселя, Вт:
/>.
54. По величине /> и /> определяем плотность тока:j=9, А/мм2.
62. Диаметр провода, мм:
/>.
Выбирается из [3] медныйпровод d=0,35, dизол=0,41.
63. Средняя линияобмотки, мм:
/>,
где a, b, c – размерысердечника, мм
64. Площадь сеченияобмотки, мм2:
/>.
65. Активноесопротивление обмотки дросселя, Ом:
/>,
где />, м; />, мм2.
3. Схема управления
Для управлениятранзистором была выбрана микросхема TL494, которая выпускается фирмой Texas Instruments ишироко применяется для управления блоками питания компьютеров типа IMB-PC. Микросхема TL494представляет из себя ШИМ — контролер импульсного источника питания, работающийна фиксированной частоте, и включает в себя все необходимые для этого блоки.Встроенный генератор пилообразного напряжения требует для установке частотытолько двух внешних компонентов R и С.
/>
Рис. 4 Структурная схема TL494
Наструктурной схеме TL494 (рис. 4)видно, что микросхема включает в себя усилитель ошибки, встроенный регулируемыйгенератор, компаратор регулировки мертвого времени, триггер управления,прецизионный ИОН на 5В и схему управления выходным каскадом. Усилитель ошибкивыдает синфазное напряжение в диапазоне от –0,3…(Vcc-2) В. Компараторрегулировки мертвого времени имеет постоянное смещение, которое ограничиваетминимальную длительность мертвого времени величиной порядка 5%. Допускаетсясинхронизация встроенного генератора, при помощи подключения вывода R к выходуопорного напряжения и подачи входного пилообразного напряжения на вывод С, чтоиспользуется при синхронной работе нескольких схем ИВП. Независимые выходныеформирователи на транзисторах обеспечивают возможность работы выходного каскадапо схеме с общим эмиттером либо по схеме эмиттерного повторителя. Выходнойкаскад микросхемы TL495 работает в однотактном или двухтактном режиме свозможностью выбора режима с помощью специального входа. Встроенная схемаконтролирует каждый выход и запрещает выдачу сдвоенного импульса в двухтактномрежиме.
Микросхема выпускается в корпусе DIP-16 и имеет следующие характеристики:
· Напряжение питания — 41В
· Входное напряжение усилителя — (Vcc+0.3) В
· Выходное напряжение коллектора — 41В
· Выходной ток коллектора — 250мА
· Общая мощность рассеивания в непрерывном режиме — 1Вт
Частота генератораопределяется по формуле:
/>
/>
Рис. 5
Время паузы можнорегулировать, выбирая соответствующий номинал времязадающего конденсатора Ст.Частота работы задающего генератора определяется соотношением Rт и Ст (выбор этих элементовчастотозадающей цепи, показанных на рис. 5, осуществляется из графика на рис. 6).Ощутимые значения времени паузы получается при достаточно больших номиналах емкостиСт.
Модуляция ширины выходныхимпульсов достигается сравнением положительного пилообразного напряжения,получаемого на конденсаторе С, с двумя управляющими сигналами. Логическиеэлементы ИЛИ-НЕ возбуждает выходные транзисторы Q1 и Q2 только тогда, когдалиния тактирования встроенного триггера находится в НИЗКОМ логическомсостоянии. Это происходит только в течение того времени, когда амплитудапилообразного напряжения выше амплитуды управляющих сигналов. Следовательно,повышение амплитуды управляющих сигналов вызывает соответствующее линейноеуменьшение ширины выходных импульсов. Под управляющими сигналами понимаютсянапряжения производимые схемой регулировки мёртвого времени (вывод 4),усилители ошибки (выводы 1, 2, 15, 16) и цепью обратной связи (вывод 3).
Вход компараторарегулировки мертвого времени имеет смещение 120 мВ, что ограничиваетминимальное мертвое время на выходе первыми 4% длительности цикла пилообразнонапряжения. В результате максимальная длительность рабочего цикла составляет96% в том случае, если вывод 13 заземлен, и 48% в том случае, если на вывод 13подано опорное напряжение.
Увеличить длительностьмертвого времени на выходе, можно подавая на вход регулировки мертвого времени(вывод 4) постоянное напряжение в диапазоне 0..3,3 В. ШИМ — компараторрегулирует ширину выходных импульсов от максимального значения, определяемоговходом регулировки мертвого времени до нуля, когда напряжение обратной связиизменяется от 0,5 до 3,5В. Оба усилителя ошибки имеют входной диапазонсинфазного сигнала от –0,3 до (Vcc-2,0) В и могут использоваться для считываниязначений напряжения или тока с выхода источника питания. Выходы усилителейошибки имеют активный ВЫСОКИЙ уровень напряжения и объединены функцией ИЛИ нане инвертирующем входе ШИМ — компаратора. В такой конфигурации усилитель,требующий минимального времени для включения выхода, является доминирующим впетле управления. Во время разряда конденсатора С на выходе компараторарегулировки мертвого времени генерируется положительный импульс, которыйтактирует триггер и блокирует выходные транзисторы Q1 и Q2. Если на вход выборарежима работы подается опорное напряжение (вывод 13), триггер непосредственноуправляет двумя выходными транзисторами в противофазе (двухтактный режим), авыходная частота равна половине частоты генератора. Выходной формировательможет также работать в однотактном режиме, когда оба транзистора открываются изакрываются одновременно, и когда требуется максимальный рабочий цикл, непревышающий 50%. Это желательно, когда трансформатор имеет звенящую обмотку сограничительным диодом, используемым для подавления переходных процессов. Еслив однотактном режиме требуются большие токи, выходные транзисторы могутработать параллельно. Для этого требуется замкнуть на землю вход выбора режимаработы ОТС, что блокирует выходной сигнал от триггера. Выходная частота в этомслучае будет равна частоте генератора.
/>
Для управления полевым транзистором необходим драйвер. Для даннойсхемы применена микросхема МАХ4429, производимая фирмой MAXIM. Микросхема выпускается в корпусе DIP-8 и имеет следующие характеристики:
• напряжение питания (VDD)— 4,5… 18 В;
• напряжение «логическойединицы» по входу (VIH) — 2,4 В;
• напряжение «логическогонуля» по входу (VIL) — 0,8 В;
• максимальный выходнойток (iout) — 6 А;
• время включения (tr) — 25 нсек;
• время выключения (tf) — 25 нсек.
Чтобы получить высокиехарактеристики стабильности и быструю реакцию на изменение характера нагрузкиявляется способ, который сравнительно легко и надежно позволит обеспечитьуказанные условия, — оптическая развязка. Она позволяет ввести гальваническуюизоляцию и достаточно точно отслеживать состояние напряжения на нагрузке.
Иногда разработчика можетне удовлетворить линейность передачи сигнала обратной связи. Такой случай,может встретиться при проектировании высокоточных мощных следящих системрегулирования тока. Поэтому в таких системах применяется гальваническиразвязанные датчики тока, основанные на эффекте Холла, или более древниемагнитные усилители. Датчик тока с элементом Холла представляет собой небольшуюкоробочку с отверстием посредине, через которую проматывается нужное количествовитков силового провода нагрузки. Второй путь повышения точности передачисигнала обратной связи – использование операционных усилителей с гальваническойизоляцией. Постоянное напряжение преобразуется в таком усилителе в переменноенапряжение высокой частоты (сотни килогерц), передается через развязывающийтрансформатор и детектируется на выходе. Предложение прецизионных операционныхусилителей с гальванической развязкой невелико, да и стоят они дорого. Поэтомуиспользование данных методов гальванической развязки сигнала обратной связидолжно быть продиктовано исключительной необходимостью. В типовых источникахпитания лучшим является оптоэлектронный способ гальванической развязки обратнойсвязи.
/>
Для данной конструкциииспользована транзисторная оптопара 4N25 [7, 8]. Оптопара, условное обозначение и расположение выводов которойпоказаны на рис. 7 и рис. 8.
Оптопара 4N25 имеет следующие параметры:
- Max обратное напряжение светоизлучающегодиода (VR) – 5 В;
- Max постоянный ток диода (if) – 60 мА;
- Max импульсный ток светодиода (ifsm) – 3 А;
- Max температура кристалла (Tj) – 125 єC;
- Max напряжение «коллектор-эмиттер»(Uceo) – 30 В;
- Max импульсный ток коллектора (icm) – 100 мА;
- Max постоянный ток коллектора (ic) – 50 мА;
- Напряжениеизоляции (Uio)– 3,75 кВ.
Оптопара выпускается встандартном корпусе DIP-6.
Из графиков рис. 9 и рис.10 хорошо видно, что для светодиода в области тока 0,1…10 мА зависимости между ifи icпрактически линейна.
/>
Рис. 9
В качестве прецизионногодатчика напряжения нагрузки до недавнего времени использовались операционныеусилители, охваченные частотно зависимыми обратными связями. Однако в последнеевремя появился более компактный способ отслеживания напряжения на нагрузке.Заключается он в использовании трехвыводного опорного регулируемогостабилизатора VD3 типа TL431 [7, 8]. Этот стабилизатор проще назвать управляемымстабилитроном, напряжение стабилизации которого меняется в зависимости от того,какое напряжение подано на управляющий электрод. Функциональная схемауправляемого стабилитрона показана на рис. 11, а условное обозначение на рис.12.
Основные электрическиепараметры программируемого стабилитрона:
- Max напряжение «катод-анод» (Uka) – 37 В;
- Max ток катода (ika) – 150 мА;
- Min напряжение стабилизации (Uref= Uka) – 2,5 В.
/>
Рис. 11
Получение сигналаобратной связи стабилитрона осуществляется на рис. 13 следующим образом.Предположим, что резисторы R2=R3 являются делителем напряжения Uн, через оптронный светодиод вноминальном режиме будет протекать совершенно конкретный ток, определяемыйпадением напряжения на светодиоде и токоограничивающем резисторе R1. В номинальном режиме напряжениепитания цепи светодиода составляет 2,5 В. Изменение напряжения на нагрузке в 2раза приведет к тому, что напряжение питания светодиодной цепи возрастает до 5вольт, увеличится ток через светодиод, транзистор оптопары приоткроется и схемауправления получит информацию об изменении напряжения нагрузки.
/>
Рис. 13
Для служебного питаниямикросхем DA1 и DA2 выбирается стабилитрон КС515Г [2], его основные параметры:
- Мощностьрассеяния — ,5 Вт;
- Минимальноенапряжение стабилизации – 14 В;
- Номинальноенапряжение стабилизации – 15 В;
- Максимальноенапряжение стабилизации – 16 В;
- Статическоесопротивление (Rст) – 25 Ом, при токе (Iст) – 5 мА;
- Минимальный токстабилизации (Iст.мин). – 3 мА;
- Максимальный токстабилизации (Iст.макс). – 31 мА.
4. Конструкция устройства
Корпус выполнен изпластмассы.
Трансформатор TV закреплен винтом с шайбу к корпусу-платформе, к нему жеприкреплено шасси из листовой стали для крепления винтом с шайбой выходногодросселя L2. Входной дроссель L1 имеет 4 отверстия для креплениявинтами. Оба радиатора охлаждения для транзисторов и диодов закреплены на одномшасси двумя винтами, печатная плата закреплена на двух шасси четырьмя винтами.
Печатная плата изфольгилированого стеклотекстолита.
Для изоляции междурадиатором и транзисторами использованы теплопроводящие изолирующие подложки.
Клеммы Х1 и Х2 приклеенык корпусу-платформе. Они могут принять провод диаметром до 3,5 мм, которыйзакрепляется прижимным винтом.
Вывод
Были получены навыкиразработки и конструирования структурной электрической схемы ИВЭП, схемыэлектрической принципиальной, расчета и выбора из справочных источниковэлементов схемы электрической принципиальной, построения временных диаграмм,отражающих принцип действия ИВЭП, а так же разработки печатной платы иконструкции импульсного преобразователя напряжения.
Результатом работыявляется довольно компактный стабилизирующий преобразователь напряжения,габариты его корпуса следующие 125х80х60.
Он обеспечивает понижениевходного постоянного напряжения 220 В в выходное постоянное напряжение 100 В смаксимальным током нагрузки 2А.
Список использованныхисточников
1. Цокур Е.И.Алгоритмы расчета силовых частей ИСН. – Казань: КАИ, 1987. – 32с.
2. Найтвель Г.С.Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Издательство «Радиои связь», 1985. – 576с.
3. Сидоров И.Н. Малогабаритныетрансформаторы и дроссели. – М.: Издательство «Радио и связь», 1985.– 416с.
4. Дьяконов М.Н. Справочникпо электрическим конденсаторам – М.: Издательство «Радио и связь»,1983. – 576с.
5. Баюков А.В. Полупроводниковыеприборы: диоды и тиристоры – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 744с.
6. Семенов Б.Ю.Силовая электроника для любителей и профессионалов – М.: САЛОН-Пресс, 2001. –327с.
7. Семенов Б.Ю.Силовая электроника: от простого к сложному – М.: САЛОН-Пресс, 2005. – 416с.