Расчет преобразователя напряжения

Первая проблема, с которой при конструировании любых устройств сталкиваются и начинающие и опытные радиолюбители — это проблема электропитания. При выборе и разработке источника питания (далее ИП) необходимо учитывать ряд факторов, определяемых условиями эксплуатации, свойствами нагрузки, требованиями к безопасности и т. д.

В первую очередь, конечно, следует обратить внимание на соответствие электрических параметров ИП требованиям питаемого устройства, а именно:

* напряжение питания;

* потребляемый ток;

* требуемый уровень стабилизации напряжения питания;

* допустимый уровень пульсации напряжения питания.

Немаловажны и характеристики ИП. влияющие на его эксплуатационные качества:

* наличие систем защиты;

* массогабаритные размеры.

В последнее время получили достаточно широкое распространение импульсные ИП, построенные на основе высокочастотного преобразователя с бестрансформаторным входом.

1. Выбор микросхемы

Исходя из задания выбираем соответствующую микросхему — TL494.

Структурная схема:

Общее описание:

Специально созданная для управления ИВП, микросхема TL494 обеспечивает разработчику расширенные возможности при конструировании схем управления ИВП. Прибор TL494 включает в себя усилитель ошибки, встроенный регулируемый генератор, компаратор регулировки «мертвого» времени, триггер управления, прецизионный ИОН на 5 В и схему управления выходным каскадом. Усилитель ошибки выдает синфазное напряжение в диапазоне -0.3… (Vcc-2) В. Компаратор регулировки «мертвого» времени имеет постоянное смещение, которое ограничивает минимальную длительность «мертвого» времени величиной порядка 5%.

Допускается синхронизация встроенного генератора, при помощи подключения вывода R_T к выходу опорного напряжения и подачи входного пилообразного напряжения на вывод Ст. что используется при синхронной работе нескольких схем ИВП.

Независимые выходные формирователи на транзисторах обеспечивают возможность работы выходного каскада по схеме с общим эмиттером либо по схеме эмиттерного повторителя. Выходной каскад микросхемы TL494 работает в однотактном или двухтактном режиме с возможностью выбора режима с помощью специального входа. Встроенная схема контролирует каждый выход и запрещает выдачу сдвоенного импульса в двухтактном режиме.

Прибор гарантирует нормальную работу в диапазоне температур −25…−85С.

Рекомендуемые значения параметров и режимов:

· Напряжение питания, Ucc…7…40 В

· Входное напряжение усилителя… — 0.3… (Vсc — 2) В

· Выходное напряжение коллектора…40 В

· Выходной ток коллектора (каждого транзистора)…200 мА

· Ток через вывод обратной связи…0.3 мА

· Емкость времязадающего конденсатора Ст…0.047…10 000 нф

· Сопротивление времязадающего резистора RT…1.8…500 кОм

· Частота генератора…1…300 кГц Функциональное описание:

Микросхема Т494 представляет из себя ШИМ-контролер импульсного источника питания, работающий на фиксированной частоте, и включает в себя все необходимые для этого блоки. Встроенный генератор пилообразного напряжения требует для установки частоты только двух внешних компонентов Rт и Ст. Частота генератора определяется по формуле:

Модуляция ширины выходных импульсов достигается сравнением положительного пилообразного напряжения, получаемого на конденсаторе Ст, с двумя управляющими сигналами.

Логический элемент ИЛИ-НЕ возбуждает выходные транзисторы Q1 и Q2 только тогда, когда линия тактирования встроенного триггера находится в НИЗКОМ логическом состоянии. Это происходит только в течение того времени, когда амплитуда пилообразного напряжения выше амплитуды управляющих сигналов. Следовательно, повышение амплитуды управляющих сигналов вызывает соответствующее линейное уменьшение ширины выходных импульсов. Под управляющими сигналами понимаются напряжения производимые схемой регулировки «мертвого» времени (вывод 4), усилителем ошибки (выводы 1, 2, 15, 16) и цепью обратной связи (вывод 3). Вход компаратора регулировки «мертвого» времени имеет смещение 120 мВ, что ограничивает минимальное «мертвое» время на выходе первыми 4% длительности цикла пилообразного напряжения. В результате максимальная длительность рабочего цикла составляет 96% в том случае, если вывод 13 заземлен, и 48% в том случае, если на вывод 13 подано опорное напряжение. Увеличить длительность «мертвого» времени на выходе, можно подавая на вход регулировки «мертвого» времени (вывод 4) постоянное напряжение в диапазоне 0…3.3 В. ШИМ-компаратор регулирует ширину выходных импульсов от максимального значения, определяемого входом регулировки «мертвого» времени, до нуля, когда напряжение обратной связи изменяется от 0.5 до 3.5 В. Оба усилителя ошибки имеют входной диапазон синфазного сигнала от -0.3 до (Vcc — 2.0) В и могут использоваться для считывания значений напряжения или тока с выхода источника питания. Выходы усилителей ошибки имеют активный ВЫСОКИЙ уровень напряжения и объединены функцией ИЛИ на неинвертирующем входе ШИМ-компаратора. В такой конфигурации усилитель, требующий минимального времени для включения выхода, является доминирующим в петле управления. Во время разряда конденсатора Ст на выходе компаратора регулировки «мертвого» времени генерируется положительный импульс, который тактирует триггер и блокирует выходные транзисторы Q1 и Q2. Если на вход выбора режима работы подается опорное напряжение (вывод СШ), триггер непосредственно управляет двумя выходными транзисторами в противофазе (двухтактный режим), а выходная частота равна половине частоты генератора. Выходной формирователь может также работать в однотактном режиме, когда оба транзистора открываются и закрываются одновременно, и когда требуется максимальный рабочий цикл не превышающий 50%. Это желательно, когда трансформатор имеет «звенящую» обмотку с ограничительным диодом, используемым для подавления переходных процессов. Если в однотактном режиме требуются большие токи, выходные транзисторы могут работать параллельно. Для этого требуется замкнуть на землю вход выбора режима работы ОТС, что блокирует выходной сигнал от триггера. Выходная частота в этом случае будет равна частоте генератора.

Микросхема TL494 имеет встроенный источник опорного напряжения на 5.0 В, способный обеспечить вытекающий ток до 10 мА для смещения внешних компонентов схемы. Опорное напряжение имеет погрешность ±5% в диапазоне рабочих температур от 0 до 70? С.

2. Расчет устройства

2.1 Выбор сопротивлений выходного делителя R₄, R₇

I_д=0,5 А

I_д(R₄+R₇)=U_d

R₇=10 Ом (KNP-200 2 Вт, 10 Ом, 5%)

U_d=15 — 20 В, откуда

R₄=20 — 30 Ом (3314J-1)

2.2 Расчет LC — фильтра

Коэффициент сглаживания пульсаций равен

отсюда коэффициент пульсации равен

q=K_ст=85

=0,001

=0,085

напряжение сопротивление преобразователь микросхема Индуктивность: 0805LS-103XJLB, 10UH, 2%.

Ёмкость: К73−17 имп, 3.3 мкФ.

2.3 Расчет выпрямителя и выбор диодов

Двухполупериодный выпрямитель с выводом нулевой точки может работать на любой вид нагрузки.

Из-за малости падения напряжения на индуктивности фильтра, можно для расчета взят напряжение U_d=20В

I_2m=0,8 A

Мной был выбран FR202.

На вторичной обмотке:

U₂=E_2m/v2=22,2 В

2.4 Задание частоты генератора микросхемы

R_т=1 кОм

f=1/(R_тС_т),

откуда С_т=0,22 мкФ К10−17Б имп. 0.22мкФ X7R, 10%.

2.5 Расчет трансформатора

В качестве материала сердечника я взял Ferroxcube 3C98,.

Потери при переключении транзисторов:

P_SW=0,02 Вт [2], стр. 90, рис. 3.17;

Потери в выпрямителе и транзисторе во включенном состоянии:

P_v=0,035 Вт [2], стр. 90, рис. 3.18;

Потери в трансформаторе:

P_TRF=0,18 Вт [2], стр. 91, рис. 3.19.

Общая потеря: P=0,235 Вт.

Или 23,5% от общей входной мощности.

Полный кпд схемы равен: з=100−23,5=76,5%.

P_ВХ=10 Вт/0,765=13,07 Вт.

I_ВХ= P_ВХ /U_ВХ=13,07/20=0,65 А.

Скважность равна 0,5, так как каждая половина обмотки работает половину времени.

A_W=243,75 кр. мил=0,1235 мм², номинальный диаметр проволоки по меди 0,38 мм, 0,1134 мм².

Для вторичной обмотки.

A_W=300 кр. мил=0,152 мм², номинальный диаметр проволоки по меди 0,44 мм, 0,1521 мм².

Поправочный коэффициент К=92.

Полная мощность, с которой работает трансформатор.

P'=10+0,035· 13,07+0,2·13,07=12,8 Вт

Pp=P'

Число витков.

В одной полуобмотке.

В обоих: 182 витков.

Ns=296

Площадь окна.

S=(Np· Awp+Ns·Aws)/0,7=93,8 мм²

Анализируя полученный результат, можно сказать, что обмотка полностью разместится.

Потери в сердечнике составляют не более 3 Вт.

Потери в трансформаторе определяются потерями в сердечнике и в меди, составляют 16%.

2.6 Выбор транзисторов VT1, VT2

Определил максимальное и минимальное значение напряжения питания преобразователя:

U_01max=U_ВХ(1+0,05)=21В

U_02min=U_ВХ(1−0,15)=17 В

I_к.нас=I₂· U_d/з·(U_02min — U_кэ.нас)=1,3 А.

U_кэ.max=2,4· U_01max=50,4 В Выбираем транзистор: КТ626А.

I_б.нас=0,05 А. R_б=(2ч3)· R_вх.нас==(2ч3)· U_кэ.нас/ I_б.нас=40 Ом.

U_Rб=3 В.

Исходя из максимального тока

I_ВХ=0,65 А, протекающего через переход коллектор — эмиттер выбираем КТ626А.