Разработка многоканального источника постоянного напряжения, выполненного на основе прямоходового преобразователя
В данной курсовой работе, был разработан многоканальный источник постоянного напряжения. Разработана аналоговая система управления. В ходе данной курсовой работы мы ознакомились со свойствами ШИМ, произвели расчет трансформатора, выбрали элементную базу. Произвели выбор радиатора. Эффективное значение напряжения первичной обмотки Эффективное значение тока первичной обмотки трансформатора… Читать ещё >
Разработка многоканального источника постоянного напряжения, выполненного на основе прямоходового преобразователя (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «ЭРЭиЭС»
Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине
«Импульсно-модуляционные системы»
БГТУ.210 106.003 ПЗ Руководитель Андриянов А.И.
Студент группы 08-ПЭ Костюченко А.В.
Брянск 2012
1. Расчет входного выпрямителя и фильтра.
2. Расчет прямоходового преобразователя
2.1 Расчет первого прямоходового преобразователя
2.2 Расчет второго прямоходового преобразователя
2.3 Расчет третьего прямоходового преобразователя
2.4 Расчет четвертого прямоходового преобразователя
3. Выбор ключа
4. Моделирование прямоходового преобразователя
5. Расчет трансформатора
6. Расчет потерь
6.1 Рассчитаем потери в сердечнике.
6.2 Мощность потерь в ключе
6.3 Расчет системы охлаждение транзистора
6.4 Мощность потерь в диодах выпрямителя.
6.5 Мощность потерь в обратных диодах.
6.6 Мощность потерь в выпрямительных диодах.
6.7 Мощность потерь в дросселях.
6.8 КПД преобразователя
7. Система управления
6. Заключение
9.Список литературы
Целью данной курсовой работы является разработка многоканального источника постоянного напряжения, выполненного на основе прямоходового преобразователя. В круг задач, решаемых при проектировании, входят расчет и выбор параметров системы с учетом требований технического задания, исследование выбранной схемы преобразователя путем моделирования в OrCAD и оценка энергетической эффективности устройства. Необходимо разработать и описать структуру и элементы системы управления.
1. Расчет входного выпрямителя и фильтра
Рис. 1 Схема выпрямителя
Фильтра заряжен до напряжения, равного амплитуде напряжения питающей сети минус величину падения напряжения на диодах выпрямителя.
Максимальное обратное напряжение на диодах:
=311 В
Среднее значение тока, протекающего через диод:
Выберем диод 1N3940
VRRM=600В
IF (AV)=2A
IR =50мкА
Расчет конденсатора фильтра (Розанов, Основы силовой электроники, 95)
Для однофазной мостовой схемы .
Зададимся коэффициентом пульсаций на выходе фильтра 1%
Ом
Примем Сф=2.2мФ
Выберем конденсатор электролитический алюминиевый ECAP (К50−35).
Рис. 2 Модель выпрямителя в OrCad
выпрямитель транзистор мощность диод
Рис. 3 Напряжение на выходе фильтра
2. Расчет прямоходового преобразователя
Рис. 4 Схема преобразователя
2.1 Расчет по каналу питания +5В
В В
Зададимся коэффициентом заполнения
Найдем коэффициент трансформации Напряжение стабилизации
Примем L=2.2мкГн
Выберем IHLP-5050FD-ER-2R2-M-5A
Номинальный ток | 25.5 А | |
Номинальная индуктивность | 2.2 мкГн | |
Допуск индуктивности | ±20% | |
Примем С=1мФ
Ток дросселя
Iн=20А Среднее значение тока обратного диода
Эффективное значение тока обратного диода
Максимальное мгновенное значение тока обратного диода Максимальное мгновенное напряжение обратного диода
Выберем диод FR803
Среднее значение тока транзистора Эффективное значение тока транзистора Максимальное мгновенное значение тока транзистора:
Максимальное мгновенное напряжение на транзисторе:
Среднее значение тока выпрямительного диода
Максимальное мгновенное значение тока выпрямительного диода Максимальное мгновенное значение напряжения выпрямительного диода
Выберем MBR1645
Эффективное значение напряжения первичной обмотки Эффективное значение тока первичной обмотки трансформатора Эффективное значение напряжения вторичной обмотки Эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора Мощность трансформатора
Расчетная габаритная мощность трансформатора
2.2 Расчет по каналу питания +12В
В В
Зададимся коэффициентом заполнения
Найдем коэффициент трансформации
Примем L=0.47мГн
Выберем MCDR1419NP-471K (SUMIDA):
Номинальный ток | 1.5 А | |
Номинальная индуктивность | 470 мкГн | |
Допуск индуктивности | ±10% | |
Корпус | Radial | |
Магнитное экранирование | нет | |
Размер | 18×18×20 мм | |
Маркировка на корпусе | 471K | |
Примем С=1мкФ Ток дросселя
Iн=1А
Среднее значение тока обратного диода
Эффективное значение тока обратного диода
Максимальное мгновенное значение тока обратного диода Максимальное мгновенное напряжение обратного диода
Выберем диод FR102
Среднее значение тока транзистора Эффективное значение тока транзистора
Максимальное мгновенное значение тока транзистора:
Среднее значение тока выпрямительного диода Максимальное мгновенное значение тока выпрямительного диода Максимальное мгновенное значение напряжения выпрямительного диода
Выберем FR303
Эффективное значение напряжения вторичной обмотки Эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора Мощность трансформатора
Вт
Расчетная габаритная мощность трансформатора
На выходе поставим стабилизатор напряжения LM7812, так как требуется +12 В.
2.3 Расчет по каналу питания +15В
В В
Зададимся коэффициентом заполнения
Найдем коэффициент трансформации
Примем L=120мкГн
Выберем RCR1616NP-121K:
Номинальный ток | 2.5 А | |
Номинальная индуктивность | 120 мкГн | |
Допуск индуктивности | ±10% | |
Ток насыщения при 20°C | 2.5 А | |
Ток перегрева | 2.6 А | |
Корпус | Radial | |
Магнитное экранирование | есть | |
Размер | 16.5×16.5×16.5 мм | |
Маркировка на корпусе | 121K | |
Примем С=4.7мкФ Ток дросселя
Iн=2А
Среднее значение тока обратного диода
Эффективное значение тока обратного диода
Максимальное мгновенное значение тока обратного диода Максимальное мгновенное напряжение обратного диода
Выберем диод FR303.
Среднее значение тока транзистора Эффективное значение тока транзистора Максимальное мгновенное значение тока транзистора:
Среднее значение тока выпрямительного диода Максимальное мгновенное значение тока выпрямительного диода Максимальное мгновенное значение напряжения выпрямительного диода
Выберем диод FR303.
Эффективное значение напряжения вторичной обмотки Эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора Мощность трансформатора Расчетная габаритная мощность трансформатора
На выходе поставим стабилизатор напряжения L78S15CV так, как требуется +15 В.
2.4 Расчет по каналу питания -15В
В В
Расчет аналогичен 2.3
На выходе поставим стабилизатор напряжения L7915ACV так, как требуется -15 В.
3. Выбор ключа
Ток транзистора средний будет равен сумме средних значений тока отдельных прямоходовых преобразователей.
Ток транзистора эффективный:
Максимальное мгновенное напряжение на транзисторе:
Выберем MOSFET транзистор APT1001RBVR со следующими параметрами:
выпрямитель транзистор мощность диод
4. Моделирование прямоходового преобразователя
Рис. 5 Схема преобразователя в Orcad
Рис. 6 напряжение по каналу питания +5В
Рис. 7 по каналу питания +12В
Рис. 8 напряжение по каналу питания +15В
Рис. 9 напряжение по каналу питания -15В
5. Расчет трансформатора
Полная габаритная мощность трансформатора В качестве материала магнитопровода выберем феррит 2000НМ
Для любых ферритов, для расчётов можно принять ,
Полученному значению ScS0 удовлетворяет сердечник 45×28x8
Средняя длина магнитной линии
Число витков:
Примем число витков w1=250, так как 78 витков недостаточнов этом случае во вторичной обмотки получается 2 витка.
принимаем w2=6
Находим действующие значения токов обмоток:
Находим сечения и диаметры проводов обмоток:
Размагничивающая обмотка.
Число витков размагничивающей обмотки w6 равно рассчитаем исходя из времени, которого должно хватить на размагничивание 1 обмотки
Будем использовать провода марки ПЭТВ-2:
d1=0.75мм d1из=0.834мм
d2=2.5мм d2из=2.618мм
d3=0.6мм d3из=0.674мм
d4=0.85мм d4из=0.939мм
d5=0.85мм d5из=0.939мм
d6=0.1мм d6из=0.125мм
В качестве изоляции сердечника и изоляции между обмотками будем использовать стеклолакоткань марки ЛСЭ-105/130 толщиной 0.1мм Первой будем мотать первичную обмотку.
Диаметр первого слоя:
Длина первого слоя:
Максимальное число витков в первом слое:
Первичная обмотка не укладывается в первый слой, рассчитываем второй:
В два слоя также не укладывается
Таким образом, обмотка уложится в 3 слоя.
Поверх обмоток будем ложить межобмоточную изоляцию из стеклолакоткани марки ЛСЭ-105/130 толщиной 0.1мм.
Следующей будем мотать размагничивающую обмотку.
Хватает одного слоя для размагничивающей обмотки.
Следующей будем мотать вторичную w2 обмотку.
Хватает одного слоя для w2 обмотки.
Следующей будем мотать вторичную w3 обмотку.
Хватает одного слоя для w3 обмотки.
Следующей будем мотать вторичную w4 обмотку.
Хватает одного слоя для w4 обмотки.
Следующей будем мотать вторичную w5 обмотку.
Хватает одного слоя для w5 обмотки.
Получился трансформатор с 8 слоями. Поверх последнего слоя наложим внешнюю изоляцию из стеклолакоткани марки ЛСЭ-105/130 толщиной 0.1мм.
6. Расчет потерь
6.1 Рассчитаем потери в сердечнике
б=1.2 в=2.8 Bmax0=1Тл f0=1кГц
Р0=68 Вт/кг
Bаамплитуда переменной составляющей индукции.
Масса сердечника 42.9грамм.
6.2 Мощность потерь в ключе
6.3 Расчет системы охлаждение транзистора
Так как 24.439Вт-это больше, чем может рассеять транзистор, не перегреваясь, значит необходима система охлаждения.
Рис. 10 Тепловые сопротивления
тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом транзистора
Между корпусом транзистора и радиатором нанесем термопасту КПТ-8 толщиной 0.1мм.
тепловое сопротивление между корпусом транзистора и радиатором
S — площадь области теплообмена м2,
h — толщина теплопроводящего слоя м,
л — коэффициент теплопроводности Вт/(м· K).
л=0.7 Вт/(м· K).
Для корпуса TO-247
S=312мм2
Рассчитаем RJa
Рассчитаем необходимое тепловое сопротивление радиатора RSa
Выберем радиатор фирмы aavid thermal technologies 53 3601B02552G
с тепловым сопротивлением 3.8 С/Вт.
Рис. 11 Радиатор 53 3601B02552G
6.4 Мощность потерь в диодах выпрямителя
Потери в диодах выпрямителях переменного тока обусловлены, в основном, статическими потерями при протекании прямых и обратных токов. Коммутационные потери незначительны ввиду малой частоты (50Гц).
Так как диодов 4:
6.5 Мощность потерь в обратных диодах
1) FR803
Рис. 12 Время обратного восстановления диода FR803
Определим пороговое напряжение и дифференциальное сопротивление диода:
Рис. 13 ВАХ диода FR803
2) FR102
Рис. 14 Время обратного восстановления диода FR102
Определим пороговое напряжение и дифференциальное сопротивление диода:
Рис. 15 ВАХ диода FR803
3) FR102
4) Такие же как в 3
Сумма потерь во всех обратных диодах.
6.6 Мощность потерь в выпрямительных диодах
1) MBR1645
Рис. 16 ВАХ диода MBR1645
2) FR303
Рис. 17 Время обратного восстановления диода FR303
Рис. 18 ВАХ диода FR303
3) FR303
4) Потери такие же как в 3 пункте
Сумма потерь во всех выпрямительных диодах.
6.7 Мощность потерь в дросселях
6.8 КПД преобразователя
7. Система управления
В качестве системы управления выберем ШИМ-контроллер TL494.
Рис. 19 Описание выводов TL494
Рис. 20 Блок-схема TL494
Рассчитаем RC-цепочку, для задания частоты ШИМ:
Примем С=0.47нФ,
Рассчитаем сопротивление внутреннее сопротивление r
Рис. 21 Uн (Iн)
Для управления ШИМ будем использовать П-регулятор
Нестабильность напряжения должна быть не более, чем
Выберем б=4.7,Uз=1, в=0.1
Смоделируем П-регулятор в Matlab.
Рис. 22 Модель в Matlab
Рис. 23 Модель в Matlab
Рассчитаем сопротивления усилителя ошибки
Рис. 24 Усилитель ошибки 1
Примем R4=47кОм, R1=100кОм
В качестве ИОН используем встроенный в TL494 ИОН на 5 В (вывод14).
Примем R2=56кОм, тогда решив
получим R3=100кОм
Также смоделируем ШИМ вместе с преобразователем и получим передаточные характеристики.
Рис. 25 Передаточная характеристика при Uвх=340В
Рис. 26 Передаточная характеристика при Uвх=279В
Заключение
В данной курсовой работе, был разработан многоканальный источник постоянного напряжения. Разработана аналоговая система управления. В ходе данной курсовой работы мы ознакомились со свойствами ШИМ, произвели расчет трансформатора, выбрали элементную базу. Произвели выбор радиатора.
1. Мелешин, В. И. Транзисторная преобразовательная техника / В. И. Мелешин. — М.: Техносфера, 2005.
2. Модуляционные источники питания РЭА / А. В. Кобзев, Г. Я. Михальченко, Н. М. Музыченко. — Томск: Радио и связь, Томский отдел, 1990.
3. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники. — М.: Энергоатомиздат, 1992.
4.Андриянов «Транзисторные преобразователи напряжения: Анализ и расчет». Брянск: БГТУ, 2010.-276с
5. Сидоров И. Н. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники: Справочник. М.: Радио и связь, 1989.