Проектирование источника питания с бестрансформаторным входом

Содержание Введение

1. Экскизный расчёт

2. Расчёт сетевого выпрямителя

2.1 Выбор типа диодов

2.2 Выбор номинала токоограничивающего резистора

2.3 Определение параметров выпрямителя

2.4 Выбор емкости выходного конденсатора

3. Расчёт стабилизатора напряжения

4. Расчёт ОПН

4.1 Расчёт трансформатора

4.2 Выбор выпрямительного диода основного канала

4.3 Выбор выпрямительного диода дополнительного канала

4.4. Выбор силового транзистора ОПН

4.5 Выбор сглаживающих конденсаторов

5. Расчёт схемы управления

5.1 Расчет элементов частотозадающей цепи

5.2 Расчет элементов цепи датчика тока

5.3 Расчет элементов цепи обратной связи по напряжению

5.4 Организация запуска и питания схемы управления

Выводы

Неотъемлемой частью любого электронного устройства или аппаратуры являются источники вторичного электропитания, назначение которых обеспечивать ее бесперебойным снабжением электрической энергии требуемого качества. В настоящее время основное внимание специалистов сосредоточено на создании высокоэффективных блоков питания, построенных на основе высокочастотных регулируемых преобразователей. Рабочие частоты преобразования в пределах от 20 до 150 кГц позволяют получить малогабаритные сетевые блоки питания с высокими удельными массогабаритными показателями. Широкое использование импульсных источников вторичного электропитания позволяет решить проблему снижения материалоемкости и энергопотребления радиоэлектронной аппаратуры. Одной из самых распространенных топологий импульсных источников питания является преобразователь с передачей энергии на обратном ходу. Уступая другим топологиям по энергетическим характеристикам, он является выигрышным в части простоты построения схемы и дешевизны практической реализации, являясь оптимальным решением для построения источников питания мощностью до 200 Вт.

В данном проекте будет рассмотрен расчет источника питания на основе обратноходового преобразователя напряжения с суммарной выходной мощностью 65 Вт. Структурная схема разрабатываемого источника питания представлена на рис. 1.1

Рисунок 1.1 — Структурная схема источника питания

1. Экскизный расчёт Напряжение и токи каналов на выходе источника:

· основной канал: U₀₁ = 24 B, I₀₁ = 1.5 A;

· дополнительный канал: U₀₂ = 5 B, I₀₂ = 0.15 A.

Мощность на выходе основного канала источника питания определяется выражением:

.

Для получения необходимой нестабильности выходное напряжение основного канала снимается с компенсационного стабилизатора напряжения (КСН). Предполагается выполнить такой КСН на основе стабилизатора в интегральном исполнении, поэтому его КПД составит порядка 90%:

Таким образом, мощность на входе КСН составит:

Мощность дополнительного канала

.

Выходная мощность однотактного преобразователя напряжения (ОПН) составит:

Примем КПД ОПН (з_ОПН) равным 95%:

Таким образом, мощность на входе ОПН составит:

Мощность на входе ОПН является мощностью на выходе сетевого выпрямителя. Номинальное напряжение питающей сети переменного тока составляет 127 В:

.

Номинальное напряжение на выходе мостового сетевого выпрямителя:

Напряжение на выходе мостового сетевого выпрямителя с учетом отклонений напряжения питающей сети переменного тока составит:

· Напряжение на выходе СВ при + 20%:

· Напряжение на выходе СВ при — 30%:

Мощность на входе ОПН является мощностью на выходе сетевого выпрямителя. Поэтому ток, обеспечиваемый выпрямителем, определяется выражением:

Сопротивление нагрузки выпрямителя определяется выражением:

2. Расчёт сетевого выпрямителя

Используем для разрабатываемого источника питания сетевой выпрямитель, схема которого представлена на рис. 2.1

Рисунок 2.1 — Схема сетевого выпрямителя

2.1 Выбор типа диодов

Диоды для сетевого выпрямителя выбираем согласно следующих условий:

· Диод должен быть рассчитан на средний ток не менее половины тока нагрузки:

· Обратное напряжение на диоде составляет:

Выбираем диоды 2Д 202 Р, которые имеют следующие параметры:

· предельно допустимый средний ток: I_cp = 3.5 (A);

· предельно допустимое обратное напряжение: U_обр = 600 (В);

· импульсный ток: I_им пр = 30 (A);

· прямое падение напряжение: U_д пр = 1 (В).

Сопротивление диода определяется выражением:

где Е_отс = 0.6 (В) — напряжение отсечки диода.

2.2 Выбор номинала токоограничивающего резистора

Номинал резистора, ограничивающего ток заряда выходного конденсатора, найдем из условия:

где максимально возможная амплитуда напряжения питающей сети переменного тока;

— допустимая амплитуда импульса тока для выбранного типа диодов.

Ограничиваем импульс тока заряда конденсатора на уровне 25 А.

Из стандартного ряда сопротивлений выбираем ближайшее большее значение: R_огр = 9.1 (Ом).

Мощность, выделяемая на токоограничивающем резисторе, составит:

2.3 Определение параметров выпрямителя

· определим параметр, А из выражения:

·

где

р = 2,

;

· Угол отсечки находим из зависимости

.

Т.к. это уравнение не имеет решений, найдем графически, для этого построим зависимость напряжение ток резистор конденсатор

рис. 2.2

Рисунок 2.2 — Зависимость

Из графика находим, что для угол отсечки будет равен:

.

· параметр B определяется выражением:

· параметр D определяется выражением:

·

Действующее значение тока вентиля определяется из выражения:

· параметр F определяется выражением:

Амплитудное значение тока вентиля определим из выражения:

· параметр H определяется выражением:

2.4 Выбор емкости выходного конденсатора Примем коэффициент пульсации (k_p) на выходе равным 3%, тогда емкость конденсатора на выходе выпрямителя равна Из стандартного ряда емкостей выберем емкость на выходе сетевого выпрямителя с запасом: С = 180мкФ100 В.

3. Расчёт стабилизатора напряжения

Рисунок 3 — Принципиальная схема стабилизатора напряжения

Номиналы резисторов и образуют внешний делитель напряжения, входящий в измерительный элемент стабилизатора.

Значения сопротивлений резисторов связаны выражением:

где — минимальное напряжение стабилизации микросхемы данного типа,

— ток потребления микросхемы :.

Номиналов сопротивлений резисторов и рассчитаем исходя из того, что микросхема стабилизатора не может работать без нагрузки. В данном случае нагрузкой для микросхемы будет делитель, образуемый резисторами и :

Значение тока нагрузки должно быть более: .

Определим сопротивление делителя исходя из следующей формулы:

Тогда получим:

где .

Преобразуем, полученное выражение:

.

Решая это уравнение, получим значения сопротивления резистора :

Поскольку корень уравнения не имеет физического смысла, то сопротивление резистора выбираем согласно стандартному ряду сопротивлений:

Тогда сопротивление резистора будет равно:

Выберем сопротивление резистора согласно стандартному ряду сопротивлений:

Мощность, рассеиваемая на резисторах и, составит:

Емкости конденсаторов, выбираем согласно рекомендациям изготовителя микросхемы:

4. Расчёт ОПН

Силовая часть разрабатываемого источника питания построена на основе однотактного преобразователя напряжения. Схема данного преобразователя изображена на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 — Схема однотактного преобразователя напряжения с обратным включением диода

где — выходное напряжение основного канала,

— выходное напряжение дополнительного канала.

4.1 Расчет трансформатора

Рассчитаем минимальное амплитудное значение напряжения, на первичной обмотке трансформатора, исходя из следующего выражения:

где

— прямое падение напряжения на открытом транзисторе, принимаем его равным .

Рассчитаем минимальное амплитудное значение напряжения, на вторичной обмотке трансформатора, исходя из следующего выражения:

где — напряжение на выходе ОПН (входе КСН);

— прямое падение напряжения на диоде высокочастотного выпрямителя, принимаем его равным ;

— максимальный коэффициент заполнения при минимальном напряжении питающей сети переменного тока.

.

Рассчитаем вторичную обмотку дополнительного канала:

Коэффициент трансформации:

где i — номер вторичной обмотки.

Рассчитаем максимальное амплитудное значение напряжения, на первичной обмотке трансформатора, исходя из следующего выражения:

где

Рассчитаем максимальное амплитудное значение напряжения, на вторичной обмотке трансформатора, исходя из следующего выражения:

Эффективные значения напряжений на первичной и вторичных обмотках трансформатора определяются выражением:

Эффективные значения токов вторичных обмоток трансформатора определяются выражением:

Эффективное значение тока в первичной обмотке трансформатора определяется выражением:

Определим габаритную мощность трансформатора:

Для сердечника трансформатора в качестве материала выберем феррит марки М3000НМ1-А.

Для выбора типа и номинала сердечника трансформатора определим произведение площади окна сердечника на активное поперечное сечение магнитопровода:

где — диапазон изменения магнитной индукции в магнитопроводе за время, для феррита марки М3000НМ1-А

— плотность тока в обмотках,

— КПД трансформатора, принимаем ;

— коэффициент заполнения площади поперечного сечения магнитопровода материалом, для феррита

— коэффициент заполнения окна сердечника медью, принимаем

— частота преобразования, выбираем .

Габаритную мощность берем с запасом в 3.5 раза. Тогда:

Выбираем магнитопровод кольцевой формы типономинала. Параметры данного сердечника:

· средняя длина магнитной силовой линии

· активное поперечное сечение магнитопровода

· внешний диаметр сердечника

· внутренний диаметр сердечника

· высота сердечника

Для определения числа витков обмоток трансформатора, определим индуктивность вторичной обмотки основного канала трансформатора. Номинальное напряжение на вторичной обмотке основного канала трансформатора определяется выражением:

где

Тогда

· номинальный коэффициент заполнения будет равен:

· минимальный коэффициент заполнения будет равен:

Значение принимаем равным величине тока нагрузки основного канала: .

Тогда номинальная длительность импульса будет равна:

где — период преобразования,

Индуктивность вторичной обмотки основного канала трансформатора определяется выражением:

где

тогда:

Число витков обмотки и индуктивность связаны:

Определяем число витков вторичной обмотки основного канала трансформатора:

Принимаем витков.

Тогда число витков первичной обмотки трансформатора определится соотношением:

Принимаем витка.

Число витков вторичной обмотки дополнительного канала трансформатора определяется соотношением:

Принимаем витка.

Диаметры меди проводов обмоток определим из выражения:

где i — номер обмотки.

Для обмоточных проводов типа ПЭТВ-2 из справочных данных выбираем провода, ближайшие по значению диаметра, и выписываем сопротивление одного метра провода по постоянному току и диаметры проводов с учетом изоляции :

Толщину изоляции сердечника принимаем равной .

Проверим возможность размещения обмоток трансформатора в один слой. Длина линии, по которой будут уложены диаметры провода всех витков первичной обмотки, составит:

Длину внутренней стороны сердечника определим по формуле:

Таким образом, внутреннего диаметра сердечника хватает для укладки первичной обмотки в один слой. Так как витков вторичных обмоток основного и дополнительного каналов меньше числа витков первичной обмотки, то каждая из них также будет уложена в один слой.

Длина витка первичной обмотки составит:

Толщину межслойной изоляции примем равной :

Тогда длина витка вторичной обмотки основного канала составит:

Длину витка вторичной обмотки дополнительного канала определим по формуле:

Длина меди обмотки определим из следующего выражения:

где i — номер обмотки.

Сопротивление меди каждой обмотки постоянному току определяется выражением:

где i — номер обмотки.

4.2 Выбор выпрямительного диода основного канала

Выходной диод обратноходового преобразователя выбираем по току и напряжению.

Амплитуду напряжения на запертом диоде определим из выражения:

Прямой ток через диод определим из выражением:

Выбираем диод КД212Б. Эксплуатационные параметры этого диода:

· прямое падение напряжения

· предельно допустимый средний ток

· предельно допустимое обратное напряжение

4.3 Выбор выпрямительного диода дополнительного канала

Амплитуда напряжения на запертом диоде составит:

Прямой ток через диод составит:

Выбираем диод Шоттки 11DQ09. Эксплуатационные параметры этого диода:

· прямое падение напряжения

· предельно допустимый средний ток

· предельно допустимое обратное напряжение

4.4 Выбор силового транзистора ОПН

В качестве силового ключа используем мощный полевой транзистор, выбор которого осуществляется по допустимому напряжению сток-исток и току стока .

Амплитуда напряжения на стоке запертого транзистора равна:

Амплитуда тока через транзистор зависит от мощности в нагрузке ОПН:

Выбираем транзистор IRFUC20 производства фирмы International Rectifier. Параметры этого транзистора:

· сопротивление постоянному току открытого транзистора ;

· предельно допустимый ток стока ;

· предельно допустимое напряжение сток-исток .

Справочные данные этого транзистора представленны в приложении 1.

4.5 Выбор сглаживающих конденсаторов

Выбор емкостей сглаживающих конденсаторов произведем исходя из следующей формулы:

Допустимый коэффициент пульсаций установим на уровне 0.1%.

· для основного канала получим:

· для дополнительного канала величину установим равной величине тока нагрузки:

Выберем номиналы емкостей, из стандартного ряда емкостей:

5. Расчёт схемы управления

Схему управления выполним по схеме, представленной на рис. 5.1. В основе устройства лежит специализированная микросхема ШИМ-контроллера UC3845. Данная микросхема предназначена для выполнения однотактных преобразователей и имеет в своем составе все необходимые узлы для реализации ШИМ, этот факт позволяет сократить число внешних элементов. Микросхема имеет сильноточный квазикомплементарный выходной каскад, предназначенный для непосредственного управления мощным N-канальным полевым транзистором с изолированным затвором.

Параметры, технические характеристики, структурная схема и цоколевка микросхемы представлены в приложении 2.

Рисунок 5.1 — Схема управления

5.1 Расчет элементов частотозадающей цепи

Микросхема содержит задающий генератор, работа которого реализована следующим образом: конденсатор заряжается через резистор от внутреннего источника опорного напряжения, затем он разряжается внутренним ключом микросхемы с фиксированным током разряда величиной. Время разряда конденсатора определяет время паузы — время, в течение которого силовой транзистор закрыт.

Время паузы при номинальном коэффициенте заполнения определяется выражением:

Из справочных данных микросхемы видим, что данному времени соответствует величина порядка

Выберем емкость из стандартного ряда емкостей:

Сопротивление резистора определим из следующего выражения:

откуда

Выбираем сопротивление из стандартного ряда сопротивлений:

5.2 Расчет элементов цепи датчика тока

Датчик тока необходимо выбирать таким образом, чтоб с одной стороны гарантировать нормальную работу блока при номинальной нагрузке, а с другой — начать ограничивать ток при как можно меньшей перегрузке.

Максимальный ток первичной цепи преобразователя при номинальной нагрузке составляет При таком токе напряжение на входе ограничения тока (вывод 3) контроллера не должно превышать порогового уровня срабатывания токовой защиты. Для микросхемы UC3845 величина данного уровня составляет .

Таким образом, сопротивление резистора определим из условия:

Выберем сопротивление из стандартного ряда сопротивлений: В номинальном режиме на резисторе будет рассеиваться мощность:

Цепочка служит для подавления выброса на токовом сигнале от форсированного заряда паразитной емкости конденсатора. Постоянная времени данной цепочки выбирается равной времени заряда паразитной емкости трансформатора:

где — оценка паразитной емкости трансформатора, примем ее величину равной .

Величину рекомендуется выбирать в пределах 300 Ом — 1 кОм. Выбираем сопротивление из стандартного ряда сопротивлений:

Тогда емкость конденсатора составит:

Выбираем емкость из стандартного ряда емкостей:

5.3 Расчет элементов цепи обратной связи по напряжению

Цепь обратной связи по напряжению включает в себя делитель напряжения на элементах. Вход звена обратной связи подключается к выходу основного канала ОПН. Конденсатор служит для повышения устойчивости ШИМ-контроллера к помехам, его емкость выбирают в диапазоне от до. Выберем емкость из стандартного ряда емкостей:

Выход звена обратной связи подключается ко входу усилителя ошибки ШИМ-контроллера. Номинальное напряжение на входе усилителя ошибки: Выбираем ток считывания делителя напряжения

Сопротивление эквивалентного резистора в нижнем плече делителя определим из выражения:

Выбираем сопротивление из стандартного ряда сопротивлений:

Выбираем сопротивление из стандартного ряда сопротивлений с некоторым запасом :

Уточним ток считывания делителя напряжения:

Сопротивление резистора в верхнем плече делителя определяется выражением:

где — напряжение на выходе основного канала ОПН.

Выбираем сопротивление из стандартного ряда сопротивлений:

Рассчитаем мощности, рассеиваемые на резисторах, , :

5.4 Организация запуска и питания схемы управления

При запуске устройства питание схемы управления осуществляется от выходного напряжения сетевого выпрямителя. После выхода схемы на номинальный режим работы схема управления питается от выходного напряжения дополнительного канала ОПН. Схема запуска и питания показана на рис. 5.2

Рисунок 5.2 — Организация запуска и питания схемы управления

При подаче входного напряжения питания конденсатор начинает заряжаться через резисторы и. В этот момент контроллер потребляет незначительный ток, поскольку все его внутренние схемы отключены внутренней схемой UVLO (Under Voltage Lock Out). Необходимо так выбрать резисторы запуска и, чтобы гарантированно обеспечить этот первоначальный ток. При минимальном входном напряжении сумма этих резисторов должна обеспечить ток запуска контроллера, который для микросхемы UC3845 составляет: .

Напряжение на выводе питания микросхемы должно достичь уровня, при котором происходит запуск контроллера. Для микросхемы UC3845 максимальное напряжение запуска, а минимальное напряжение запуска

Исходя из этого, сопротивление резисторов и определяется выражением:

Выбираем сопротивления и из стандартного ряда сопротивлений:

Максимальная мощность, рассеиваемая на этих резисторах, будет при максимальном входном напряжении питания и определится выражением:

После того, как напряжение на выводе 7 контроллера достигает порогового уровня, подключаются все его внутренние схемы. При этом потребляемый ток резко возрастает. Контроллер начинает подавать импульсы на затвор силового транзистора, для перезаряда его емкости потребляется дополнительный ток. Выходное напряжение дополнительного канала ОПН, от которого осуществляется питание схемы управления в стационарном режиме, в начальный момент равно нулю и начинает плавно увеличиваться по мере заряда выходного конденсатора (на рис. 4.1). Поэтому в начальный момент контроллер питается от энергии, запасенной в конденсаторе (см. рис. 5.1).

Ток, потребляемый контроллером от конденсатора, складывается из собственного тока потребления контроллера, максимальное значение которого для микросхемы UC3845 составляет, и тока на переключение силового транзистора, который состоит из тока включения транзистора и тока его выключения :

Ток включения транзистора определяется выражением:

где — суммарный заряд переключения транзистора. Из справочных данных транзистора определим, что при напряжении на стоке транзистора, равном входному максимальному напряжению, суммарный заряд на переключение транзистора .

Для определения тока выключения транзистора важен заряд переключения затвора. Тогда ток выключения транзистора определяется из выражения:

Таким образом, суммарный ток на переключение транзистора составит:

Максимальный ток, потребляемый контроллером от конденсатора, составит:

Время, в течение которого будет заряжаться выходной конденсатор, определит время запуска устройства. Оно определяется выражением:

Для микросхемы UC3845 максимальное напряжение отключения: а минимальное напряжение отключения:

Таким образом, гистерезис питающего напряжения постоянен и составляет:

Тогда минимально возможная емкость конденсатора, при которой гарантированно произойдет запуск устройства, определится выражением:

Из стандартного ряда емкостей выбираем емкость с запасом:

После того, как выходное напряжение дополнительного канала ОПН, от которого осуществляется питание схемы управления в стационарном режиме, достигает номинального значения диод открывается, а диод закрывается, отключая контроллер от входного напряжения. Ввиду малой величины прямых токов, протекающих через диод, и обратных напряжений, приложенных к диодам, основным требованием к их выбору являются массогабаритные показатели и минимальное прямое падение напряжения. Выберем диоды типа КД105А со следующими эксплуатационными параметрами:

· прямое падение напряжения

· предельно допустимый средний ток

· предельно допустимое обратное напряжение

Выводы

В данной курсовой работе был разработан источник вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. Источник построен на основе обратноходового преобразователя напряжения. Схема управления источника реализована с использованием ШИМ — контроллера в интегральном исполнении. Такая концепция построения источника питания позволяет добиться высокой надежности устройства и хороших массогабаритных показателей за счет простоты схемы и сравнительно малого количества элементов. Спроектированный источник имеет два выхода и обеспечивает суммарную мощность нагрузки 65 Вт.