Разработка транзисторных преобразователей

— 20 ;

Аннотация

трансформатор преобразователь напряжение

Разработка транзисторных преобразователей начинается с анализа требований, которые предъявляются к проектируемому прибору. Основными из них являются: технические, определяющие параметры и качество выходных напряжений преобразователя с учетом характеристик напряжения первичного электропитания; эксплуатационные, определяющие условия работы преобразователя в составе комплекса аппаратуры и требуемую надежность при заданном времени работы и хранения; экономические, определяющие стоимость прибора.

Большинство из предъявляемых требований являются противоречивыми, например, требования минимальной массы и высокой надежности в течение длительного времени работы, минимальных габаритов и стоимости и т. п. Поэтому из предъявляемых требований выделяются основные и принимаются компромиссные решения. Выбор структурной схемы преобразователя проводится в основном по результатам анализа технических требований к параметрам выходных напряжений, их количества и качества.

При электрическом расчете преобразователя необходимо определить режим работы и выбрать транзисторы, рассчитать цепи смещения и определить основные параметры трансформатора. Расчет режима работы транзисторов включает определение токов и напряжений коллекторной и базовой цепей, а также мощность потерь, определяющую температуру нагрева транзистора.

Транзисторы для преобразователя выбираются из условия, что расчетные значения максимального тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер не превышают соответствующих максимально допустимых значений по техническим условиям на данный тип транзистора.

В устройствах питания большое распространение получили транзисторные преобразователи постоянного напряжения, предназначенные для преобразования энергии источника постоянного тока одного напряжения в постоянный (конвертирование) или переменный (инвертирование) ток другого напряжения.

Преобразователи постоянного напряжения, структурные схемы, которых приведены на рисунке, можно разделить на два типа: преобразователи с самовозбуждением — автогенераторы (рис. 1, а) и усилители мощности (рис. 1, б). Здесь: АГ — автогенераторы, ЗГ — задающий генератор, УМ — усилитель мощности, В — выпрямитель, Ф — фильтр.

Автогенераторы применяются в источниках электропитания небольших мощностей (до 30 … 50 Вт) или в качестве задающих генераторов в усилителях мощности. С целью повышения КПД автогенераторов за счёт снижения потерь в сердечнике применяются схемы с коммутирующими промежуточными трансформаторами, с RC — или LC — времязадающими цепями.

Усилители мощности выполняются на мощности 30…50 Вт и выше. В случае выхода на постоянном токе на выходе преобразователя устанавливаются выпрямитель и фильтр.

Транзисторы в преобразователях напряжения могут быть включены по схеме с ОБ (общей базой), ОЭ (общим эмиттером) и ОК (общим коллектором). Преимущественное распространение получила схема с ОЭ, как обладающая наибольшим КПД.

1. Расчет выпрямителя

Полупроводниковые диоды малой мощности выбираются соответственно с отраслевым стандартом ОСТ 11 336.919−81. По заданному току нагрузки, частоте преобразования, выпрямленному напряжению выбираем для выпрямителя диоды Д7Б. Диоды обладают следующими параметрами: максимально допустимый средний ток, прямое падение напряжения, максимально допустимое обратное напряжение, рабочие частоты кГц.

Поскольку в мостовом выпрямителе ток нагрузки протекает через два последовательно соединенных диода, то напряжение на вторичной обмотке трансформатора

.

При питании выпрямителей от прямоугольного напряжения повышенной частоты существенно проявляются инерционные свойства полупроводниковых диодов. В момент коммутации напряжения диоды теряют вентильные свойства, что приводит к изменению характеристик выпрямителей и влияет на процессы, происходящие в транзисторных инверторах, к которым подключены выпрямители.

Для сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяются фильтры. Из-за сложности процессов, происходящих в преобразователе на интервале коммутации, для расчёта фильтров применяем упрощенную методику, основанную на экспериментальных данных.

Определяем расчётное значение ёмкости чисто ёмкостного фильтра:

=

С учётом возможного снижения ёмкости конденсатора при повышении частоты переменной составляющей приложенного к ним напряжения, понижения температуры окружающей среды и за счёт технологического разброса номинального значения ёмкости конденсатора фильтра по сравнению с её расчётным значением

где

.

Для полиэтилентерефталатных (металлоплёночных органических) конденсаторов

, .

.

Выбираем полиэтилентерефталатный конденсатор К73−11 с номинальными напряжением 63 В и ёмкостью 12 мкФ.

Выпрямитель нагружен на активную нагрузку. Из стандартного ряда выбираем проволочный нагрузочный постоянный резистор С5−37 номинальным сопротивлением 180 Ом и номинальной мощностью 5 Вт. Допустимые отклонения составляют .

2. Расчет преобразователя

Мощность вторичной обмотки трансформатора. В соответствии с рекомендациями для преобразователя с f = 5 кГц выбираем для трансформатора тороидальный ленточный магнитопровод из стали 3423(Э360) с толщиной ленты 0.05 мм.

По графику

определяем КПД трансформатора .

Ток, коммутируемый транзисторами, ориентировочно, не учитывая, определяется по формуле:

Определяем амплитуду напряжения на запертом транзисторе. Для двухтактной схемы преобразователя

Полученным расчетном значениям тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер удовлетворяет транзистор П214, для которого из справочных данных находим:

;; ;

; ;

С учетом выбранного типа транзистора уточним ток коллектора в соответствии с формулой:

Рассчитаем цепи смещения преобразователя. Для обеспечения надёжного насыщения транзисторов при минимальном коэффициенте передачи ток базы выберем с запасом. Зададимся и определим ток базы:

Для германиевых транзисторов коэффициент запаса по насыщению составляет 1,1…1,3. Зададимся =1,2.

Определяем максимально возможное значение тока коллектора:

Зададимся исходя из того, что напряжение на базовой обмотке равно .

Значение выбираем из графика Тогда согласно формуле:

Ом Выбираем резистор сопротивлением 82 Ом и уточняем базы в соответствии:

Мощность, выделяемая на резисторах, Выбираем резисторы С2−23 номинальной мощностью 0,25 Вт .

Падение напряжения на базовом резисторе

Сопротивление резистора смещения определяем по формуле

.

Выбираем резистор сопротивлением 390 Ом и определяем ток, протекающий через резистор :

.

Определяем мощность, выделяемую на резисторе смещения:

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения на выходе преобразователя необходимо, чтобы фронты переменного прямоугольного напряжения имели минимальную длительность. Это можно достичь шунтированием резистора конденсатором. Ёмкость конденсатора выбираем из условия

Выбираем поликарбонатный конденсатор К77−1-0.22 мкФ5% номинальным напряжением 63 В.

Выбираем резистор С2−24 номинальной мощностью 1 Вт.

Определяем напряжение на половине коллекторной обмотки трансформатора с учетом падения напряжения на транзисторе в режиме насыщения Полученные значения напряжений и токов используются для расчета трансформатора.

Исходные данные для расчета:; электрические данные обмоток: коллекторной, , базовой, , вторичной, А.

Для определения температуры нагрева транзисторов необходимо вычислить потери мощности в них. В режиме отсечки мощность потерь определяется по формуле:

=

В режиме насыщения мощность потерь определяется по формуле:

= Вт Для преобразователя с насыщающимися трансформатором коэффициент динамических потерь = 0,5.

Тогда:

Общие потери мощности в транзисторе:

Полученная мощность потерь используется для расчета теплового режима транзисторов и выбора радиатора.

Расчет трансформатора

Рассчитаем габаритную мощность трансформатора:

Определяем произведение площади поперечного сечения стержня на площадь окна трансформатора:

где, , выбираем из графиков

Коэффициент заполнения при толщине ленты в 0.05 мм составляет

Магнитопровод из стали Э360 типоразмера ОЛ8/10−2.5 удовлетворяет полученному значению, и имеет следующие параметры: активное сечении стали, площадь окна, масса магнитопровода г, коэффициент заполнения .

Рассчитаем количество витков на вольт-ЭДС, индуцируемой в обмотке трансформатора:

Вит./В

Рассчитаем количество витков:

Вит.

Вит.

Вит.

Определяем диаметр проводов обмоток ;

мм, выбираем ПЭВ-2−0.17мм;

мм, выбираем ПЭВ-2−0.25мм;

мм, выбираем ПЭВ-2−0,06 мм;

Укладку провода начинаем с обмотки, содержащей большее количество витков, т. е. с 2-ой, затем наматываем коллекторные и базовые. До намотки сердечник необходимо изолировать миколентой ЛМС-1 толщиной 0.01 мм. Внутренний и наружный диаметр магнитопровода с изоляцией определяем из формул:

;

;

— коэффициент перекрытия ленты;

— толщина изоляции;

D — наружный диаметр до намотки изоляции;

d — внутренний диаметр до намотки изоляции;

мм;

мм;

Рассчитаем число слоев для вторичной обмотки по наружному диаметру:

;

;

;

;

;

Определяем число слоев для вторичной обмотки по внутреннему диаметру:

;

мм;

По формулам определяем диаметры трансформатора после укладки провода:

Рассчитаем число слоев для двух коллекторных обмоток по внутреннему диаметру :

;

;

;

;

;

Так как, то есть возможность уложить базовые обмотки в этот же слой, тогда диаметры трансформатора после укладки провода:

3.Тепловой расчет тороидального трансформатора

Температура окружающей среды t_о = 50 °C.

1. Находим коэффициент А

;

где

;

2. Определяем Т_о.с =50+273=323 °К. Задаемся величиной. Определяем Т=50+323 = 373 °К.

3. Пользуясь рисунком для и находим и .

Определяем суммарный коэффициент теплоотдачи

;

4. Определяем тепловую проводимость от поверхности обмотки к окружающей среде

;

5. Задаемся величиной и определяем поверхностное превышение температуры

;

;

;

;

6. Определяем толщину межслоевой изоляции, мм:

Принимаем по таблице 1:

=0.63;

=0.6;

=0.3;

Таблица1

7. Определяем объем катушки трансформатора и радиус эквивалентной катушки

;

8. Определяем максимальное () и среднеобъемное превышение температуры обмотки

;

;

9. Определяем величину

;

10. Таким образом, окончательно принимаем

= 48.9;

= 48.7 ;

48.6;

Максимальная температура провода равна:

что допустима для выбранной марки провода ПЭВ-2.

1. Г. С. Найвельт Источники электропитания РЭА. М.:Радио и связь. 1985.

2. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов. М.: «Энергия» 1976.