Электрический расчет преобразователей постоянного напряжения

электропитание телекоммуникационный аккумулятор батарея При мощностях свыше 30…50 Вт применяются одно и двухтактные преобразователи с независимым возбуждением, выполняемые по структурной схеме рисунке 3. Задающий генератор схемы, в качестве которого используется преобразователь напряжения с самовозбуждением или специализированная управляющая схема (контроллер), которая управляет транзисторами усилителя мощности.

Рис. 3. Структурная схема преобразователя постоянного напряжения.

Однотактный преобразователь постоянного напряжения (ОППН) с обратным включением выпрямительного диода

На рисунке 4а изображена схема ОППН с обратным включением выпрямительного диода, а на рисунке 4 В формы токов и напряжений в различных сечениях схемы. Транзистор VT работает в импульсном режиме и периодически подключает первичную обмотку (с числом витков W₁) трансформатора ТV к источнику напряжения U_п постоянного тока в течение длительности t_и отпирающего импульса u_у прямоугольной формы; в течение паузы T-t_и (где Tпериод повторения отпирающих импульсов) транзистор VT закрыт. За время t_и трансформатор выполняет функцию индуктивного накопителя энергии. Диод VD при этом заперт, конденсатор С сглаживающего фильтра и нагрузки R_н от источника U_п отключены. На этом этапе работы конденсатор частично разряжается на сопротивление нагрузки. При запирании транзистора происходит мгновенное изменение полярности электродвижущих сил на обмотках трансформатора; накопленная энергия через диод поступает в конденсатор и нагрузку. Трансформатор в течение T-t_и выполняет функцию дросселя в цепи постоянного тока. Для предотвращения насыщения магнитопровод трансформатора выполняется с немагнитным зазором.

На рисунке 4б представлена эквивалентная схема ОППН; все элементы, изображенные на схеме, принято считать идеальными. Сопротивление нагрузки и емкость конденсатора приведены к первичной обмотке трансформатора; если n= W₁/W₂, где W₂ — число витков вторичной обмотки трансформатора, то R_н пр = n² R_н и Cпр = C/n. Среднее значение напряжения на R_н пр равно nU₀, где U₀ — среднее значение напряжения на R_н. На рисунке 4б L — индуктивность первичной обмотки трансформатора.

Существуют два характерных режима работы ОППН: непрерывных и прерывистых токов в индуктивности L. Если значение L достаточно велико (больше некоторого критического L_кр) и поэтому накопленная за время t_и в трансформаторе энергия передается в нагрузку в течение всего интервала T-t_и, то имеет место режим непрерывных токов. При L L_кр ток в индуктивности L протекает лишь в течение части интервала T-t_и; возникает режим прерывистых токов, в котором импульсные токи через транзистор и диод больше чем в режиме непрерывных токов (при одинаковой мощности в нагрузке и равных средних значений токов нагрузки). Поэтому обычно используют режим непрерывных токов. Графики на рисунке 4 В приведены для этого режима.

Основные расчетные соотношения для ОППН приведены в таблице 5.

Ниже приводится порядок расчета.

Выбор значения частоты f производится комплексно, с учетом массы, габаритов и коэффициента полезного действия (кпд) ОППН, а также параметров элементной базы, имеющийся в распоряжении. При увеличении частоты уменьшаются габариты, масса и пульсации выходного напряжения, улучшаются динамические свойства стабилизации; одновременно снижается кпд.

Точное определение оптимального значения частоты f является очень сложной задачей. В настоящее время наиболее употребительные значения частот находятся в диапазоне свыше 20 кГц.

Выбираем максимальное значение D_max относительной длительности отпирающих транзистор импульсов, которое зависит от величины T=1/f и длительности неуправляемых переходных процессов в современных мощных высоковольтных биполярных транзисторах при их переключении. Сумма типовых времен рассасывания, спада и нарастания тока коллектора равна примерно 10 мкс, что составляет (0,2…0,3)T в диапазоне частот f= 20…30 кГц. На практике принимают D_max 0,5.

Производится расчет параметров по формулам (1…6) таблицы 5. В формулах приняты следующие обозначения:

U_С2min, U_С2н, U_С2max — минимальное, номинальное и максимальное значения входного напряжения ОППН;

D_н, D_min — номинальное и минимальное значения относительной длительности импульсов, отпирающих транзистор;

U_0min, U_0н, U_{0 max} — минимальный, номинальный и максимальный уровни стабилизируемого выходного напряжения постоянного тока;

I_0min, I_0max — минимальное и максимальное значения среднего тока в нагрузке;

I_1max — амплитудное значение тока в первичной обмотке трансформатора.

Производится расчет трансформатора по формулам (7…10) таблицы 5.

В формулах приняты следующие обозначения:

S_м — площадь сечения сердечника магнитопровода, (м²);

S_ок — площадь окна магнитопровода (м²);

_тр = 0,85 — кпд трансформатора;

К_ок = 0,25 — коэффициент заполнения окна магнитопровода обмотками;

j — удельная плотность тока в обмотках трансформатора (А/м²);

В — циклическое изменение магнитной индукции, равное разности максимального и минимального значений индукции (Тл);

I₂-максимальное значение действующего тока вторичной обмотки трансформатора (А);

• -величина немагнитного зазора в магнитопроводе (м);
• 0 = 4 10^-7 — магнитная постоянная, (Гн/м).

Таблица 5 — Расчетные соотношения для ОППН с обратным включением диода.

Параметр	Формула расчета.
	n.
	Dн
	Dmin
	Lкр
	L.	1,2 Lкр
	I1max
	Sм Sок
	W1
	I2
	C.
	Iсmax	I0max
	Uкэmax
	Iк max
	UVDобр
	IVDmax	nI1max

Определяем приближенную величину расчетной (габаритной) мощности трансформатора:

P_тр=1,2 U_01max I_01max= Вт.

P_тр=1,2 U_02max I_02max= Вт В трансформаторах обычно используют ферритовые магнитопроводы, получившие распространение вследствие их малой стоимости и небольших потерь мощности от вихревых токов на высоких частотах. Однако индукция насыщения и магнитная проницаемость у ферритов значительно меньше, чем у металлических ферромагнетиков. В процессе работы ОППН изменение индукции В в магнитопроводе трансформатора происходит по асимметричным (частным) циклам гистерезиса. Важно правильно выбрать значения В для расчета. Указанные в справочной литературе значения В_m, при которых ферриты близки к насыщению, изготовителями сердечников не проверяются и не гарантируются. Изменения В_m от одного магнитопровода к другому составляют 30% от указанного в справочнике номинального значения В_m. Поэтому рекомендуется принимать В = 0,15 Тл.

В случае насыщения магнитопровода трансформатора индуктивность первичной обмотки значительно уменьшается, а ток коллектора транзистора может превысить предельно допустимые нормы. Для предотвращения насыщения в магнитопровод вводят немагнитный зазор. Поэтому целесообразно использовать Ш-образные замкнутые магнитопроводы из высокопроницаемых магнитомягких ферритов и обеспечивать необходимый зазор при сборке трансформатора путем введения немагнитной прокладки между двумя половинами магнитопровода. Можно также использовать магнитопровод Ш-образный замкнутый с зазором, полученным при изготовлении магнитопровода.

Возьмем частоту f=25 кГц.

Удельную плотность тока в обмотках трансформатора для 1-го канала выбирают зависимости от соотношения f/P_тр из таблицы.

При расчете трансформатора действующее значение тока в первичной обмотке принято равным амплитудному значению.

Формулы (11…12) таблицы 5.2 дают возможность рассчитать емкость С конденсатора фильтра и выбрать тип конденсатора. В этих формулах приняты следующие обозначения:

U_m2 — амплитуда переменной составляющей напряжения на конденсаторе;

I_с max — максимальное значение действующего тока в конденсаторе.

Чтобы улучшить точность стабилизации выходного напряжения при широком диапазоне изменения тока нагрузки, необходимо емкость С выбирать достаточно большой т. е. U_0min C/I_0max D_maxT.

В формулах (13…14):

U_кэ max — амплитуда напряжения коллектор-эмиттер транзистора;

I_кmax — максимальный средний ток коллектора транзистора;

_пр = 0,75 — кпд ОППН.

Потери мощности в транзисторе можно принять равными примерно 0,1 U_0max I_0max.

На основании полученных значений U_кэ max, I_к max, I_ок и потерь мощности выбирается транзистор.

В формулах (15…16):

U_VD обр — амплитуда обратного напряжения на выпрямительном диоде;

I_VDmax — амплитудное значение тока в диоде. Максимальный средний ток в диоде равен максимальному току нагрузки.

Выбираем тип диода по справочным данным таблиц ПВ10,12,13. 1,18].