Импульсные стабилизаторы напряжения

Введение

Вторичные источники питания (ИВЭП) по своей физической сущности представляют собой преобразователи типа и качества электрической энергии первичных источников энергии (химических, топливных, электромеханических и других ядерных). ИВЭП является одним из основных электронных компонентов любого функционального оборудования. Они используются во всех областях современной промышленности: в различных областях: Коммуникации, электричество, транспортные средства, бытовая техника, Телекоммуникации, военное пространство, компьютерное оборудование.
Современное общее направление развития ИВЭП в мире по-прежнему заключается в дальнейшем повышении массы и размеров характеристик при одновременном снижении затрат и соблюдении требований к надежности и качеству энергии.
В зависимости от назначения КП мне нужно разработать стабилизатор импульсного напряжения (ИСН), самую известную схему в семействе преобразователей импульсов.


Принцип действия ИСН

Рисунок 1. Схема ИСН(базовая).

Входное напряжение Uin подается на входной фильтрующий конденсатор Cin. Ключевой элемент VT, который может использоваться как транзистор любого типа (биполярный, MOSFET, IGBT), выполняет высокочастотный ток переключения. Кроме того, конвертер должен включать диод разряда VD, индуктивность L, конденсатор Cout, которые образуют выходной фильтр LC, а также схему управления, которая стабилизирует напряжение или ток нагрузки с резистором Rн. Как видно на рисунке, ключевой элемент VT, бабочка и нагрузка подключены последовательно. Таким образом, этот стабилизатор относится к классу последовательных цепей.
Ключевой элемент может быть стабильным только в двух состояниях: общая проводимость и порог. Если эти состояния заменяются с постоянной периодичностью, равной T, обозначая ключ в проводящем состоянии время проводимости (tu) и ключ в состоянии среза как равное время паузы (tn):


Где f – частота коммутации.

Рисунок 2.

На рисунке 2, показывает хронограмму для определения коэффициента заполнения. Нулевое значение D характеризует постоянный поиск ключевого элемента в состоянии и разрыве, а его равенство в единице указывает на режим постоянной проводимости. В состоянии отключения напряжение при нагрузке равно нулю, в состоянии максимальной проводимости входное и выходное напряжения равны. В промежутке между "нулем" и "единицей" работа преобразователя состоит из двух фаз: усиления энергии и разряда. Рассмотрим эти фазы более подробно:

Рисунок 3.

И так, фаза накачки энергии протекает на протяжении времени tu, когда открыт ключевой элемент VT, то есть он ведет ток (фиг

. 3, а). Затем этот ток проходит через дроссель L до нагрузки, шунтируемой конденсатором Cout. Накопление энергии происходит как в стартере, так и в конденсаторе. Текущий ток увеличивается.
После ввода ключевого элемента VT в состояние разреза начинается фаза разряда (рис. 3, б), продолжительность времени ТН. Поскольку любой индуктивный элемент имеет тенденцию предотвращать изменение направления и величины тока, протекающего в его обмотке, в этом случае ток индуктора он не может мгновенно уменьшаться до нуля и закрывается диодом разряда VD. Источник питания в фазе разряда отключен, и индуктору негде пополнить потерю энергии. Таким образом, разряд происходит через диодную цепь зарядки. Как только время Т истекло, процесс повторяется - фаза перекачки энергии начинается снова.


Расчёт элементов конвертера

Алгоритм вычисления элементов СПН был выполнен по методу, указанному в [1]. Базовая схема НПН показана на Рисунке 1.
Выбераем однофазную мостовую схему выпрямителя, m = 2, тогда:
= 1,41 220 = 310,2 В.
Мощность на выходе выпрямителя (на входе преобразователя), Вт:

Где при = 10...100 Вт.
Коэффициент пульсации на выходе выпрямителя
= 0,5 (0,1 + 0,1) = 0,1
= 310,2 (1 – 0,1) = 217,8 В.
Среднее значение выпрямленного тока и резистора нагрузки входного выпрямителя :
= = 0,41 А; = = 531 Ом.
Минимальное значение выпрямленного напряжения, V:
= 310,2(1 – 20,1) = 217
Угол среза, при котором ток начинает течь в диодах:
= 0,9, 26.
Угол, при котором ток, проходящий через выпрямительные диоды, прерывается:
, = 2,3 град.
Угол также можно определить с помощью диаграммы
Емкость входного фильтрующего конденсатора, мкФ:
== 105,
Где , здесь - частота текущего напряжения сети.
Рабочее напряжение на конденсаторе , В:
= 310,2(1+0,1) = 341,22.
Выберите из [3,5] конденсатор К50-28.
Эффективное значение тока (а) через диоды выпрямительного моста :
= 11
Значение амплитуды тока через диоды входного напряжения, А ^
= 4,92.
Среднее значение тока через диоды А, имеет:
= = 0,205.
Обратное напряжение, В:
= 310,2(1 + 0,1) = 341,22.
Выберите из каталога [2] диодный мост:
W04M = 400 В, = 1,5 А.
Коэффициенты заполнения импульсов:
;
;
.
Приблизительные значения сопротивления обмотки индуктивности и открытого диода, Ом:
.
Произведение , Гн.Ф:

Критическое значение индуктивности , Гн:
.
Индуктивность дросселя , Гн (окончательно):
.
Переменный компонент тока удушья , а:
.
Максимальный ток через дроссель , А:
.
Мощность потерь в дросселе, Вт:
.

Базовый объем, см3:
,
где , мкГн; , А.
В зависимости от значения из [3] стартер выбирается из феррита класса 2000HM K40x25x11 (ближайший).
, мм2; , мм; .
Количество оборотов намотки дросселя:
,
где , мГн.
Общая мощность газа, Вт:
.
В зависимости от величины и определить плотность тока: j = 8, A / мм2.
.
Медный провод выбирается из [3] d = 0,55, disol = 0,62.
Средняя линия намотки, мм:
,
где a, b, c – размеры сердечника, мм
Поверхность поперечного сечения намотки, в мм2:
.


Активное сопротивление обмотки дроссельной заслонки, ом:
,
где , м; , мм2.
.
Емкость конденсатора фильтра, мкф:
.
Напряжение на конденсаторе, В:
.
В зависимости от значений и от [5] был выбран конденсатор типа K71-5 с номинальным напряжением 160 В и диапазоном рабочих температур в диапазоне от -60 до +60 ° C, tg = 0,01, а его емкость составляет 150 МКФ.
Обратное напряжение на диоде, V:
.
Максимальный ток через диод, а:
.
Средний ток через диод, имеет:
.
Эффективное значение тока через диод, имеет:
.
Принимая во внимание частоту [6], мы выбираем диод типа 2D220A