Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

В пристроях та системах електроживлення будь-якого призначення основними елементами є напівпровідникові прилади, які в основному виконують роль ключів, а також трансформатори, дроселі та конденсатори, які виконують гальванічну розв'язку електричних кіл та фільтрацію струму. Тому складна, комплексна проблема мініатюризації джерел вторинного електроживлення успішно може бути ров'язана, якщо використовувати сучасні мікросхеми, малогабаритні напівпровідникові потужні високочастотні прилади та інші елементи, а також використовувати проміжне підвищення частоти напруги живлення трансформаторів та дроселів.

Джерела вторинного електроживлення забеспечують перетворення вхідної постійної або змінної напруги одного рівня до постійної або змінної напруги іншого рівня, або до декількох різних рівнів. А також здійснюють регулювання та стабілізацію вхідних електричних параметрів.

В даній роботі розраховано імпульсний стабілізатор напруги понижуючого типу, створено математичну модель, розраховано стійкість у «малому» для усталеного режиму.

1. Стислий опис принципу дії пристрою та його системи керування

Імпульсний стабілізатор понижувального типу реалізується по структурній схемі, яка приведена на (рис.1-а). В якості РЕ використовується тиристор або транзистор, що працює в ключовому режимі. Під час відкритого стану транзистора tі (рис. 1-б) енергія від вхідного джерела постійного струму Uвх передається в навантаження через дросель L, в якому накопичується залишкова енергія.

Рис. 1 а) Функціональна схема ІСН понижувального типу

б) Залежність напруги на вході фільтра Uп від часу t.

Під час закритого стану транзистора (tп рис 1.-б) накопичена енергія через діод VD передається до навантаження. Форма напруги на виході LC - фільтра має вигляд показаний на рис. 1-б.

Період комутації дорівнює:

T=ti+tп,

та визначається задаючим генератором, що входить до складу системи керування (СК).

Частота комутації:



Відношення часу відкритого стану транзистора, при якому генерується імпульс напруги тривалістю tu до періоду комутації T називається коефіцієнтом заповнення:

Середнє значення вихідної напруги стабілізатора понижувального типу (при ідеальних елементах схеми):

В імпульсному стабілізаторі регулюючий елемент РЕ перетворює вхідну постійну напругу Uвх в серію послідовних імпульсів визначеної тривалості і частоти, а згладжувальний фільтр, який складається, дроселя L і конденсатора C згладжує їх в постійну напругу Uвих. При зміні вхідної напруги Uвх або струму в навантаженні в імпульсному стабілізаторі за допомогою кола зворотного зв'язку (рис. 1 а), яке включає в себе схему керування і формує напругу керування Uк, довжина імпульсів змінюється таким чином, що вихідна напруга Uвих залишається стабільною з певною точністю.

Імпульсний режим роботи дозволяє значно зменшити потужність втрат в регулюючому елементі і тим самим підвищити ККД джерела живлення, зменшити його масу і габарити. В цьому полягає основна перевага імпульсних стабілізаторів у порівнянні з неперервними стабілізаторами.

Система керування імпульсним перетворювачем виконана на операційних підсилювачах. Напруга з виходу перетворювача подається на дільник, а з нього на підсилювач помилки, де вона порівнюється з опорною напругою. На входи компаратора приходять сигнали з генератору пилкоподібної напруги і підсилювача помилки, після чого на його виході формуюється ШИМ сигнал керування силовим ключем.

Рис. 2 Система керування перетворювача

Рис. 3 Діаграми роботи системи керування

2. Розрахунок та вибір елементів силової частини та вихідних каскадів системи керування

Визначаємо мінімальне, номінальне та максимальне значення коефіцієнта заповнення імпульсів г з регулювальної характеристики :

З умови, збереження режиму безперервності струму дроселя, визначається його мінімальна індуктивність Lmin:

де f - робоча частота

Розрахуємо значення добутку на заданий коефіцієнт пульсацій :

Обираємо дросель 5100Series фірми Murata Power Solutions, що включені паралельно з параметрами: L=0,5мГн; IL=4.1A Rl=27мОм.

Визначимо значення ємності конденсатора фільтра виходячи зі значення добутку та значення індуктивності:



Оберемо електролітичний конденсатор EPCOS B41866 з ємністю С=40мкФ і максимальною напругою UС=50В.

Обираємо MOSFET транзистор, виходячи з того, що напруга стік-витік Uсв?Uвх_max=31.05 В; струм стоку Ic>Iнmax=2,5A; мінімальна частота перемикання f=50кГц. Виберемо транзистор STMicroelectronics STL8DN4LLF6 Uсв=40В, Ic=8A RVT=0,03Ом.

Знайдемо середній струм через діод IVD:

Зворотня напруга на діоді. UVD?Uвх_max =31.05В, максимальний струм через діод близький до максимальному струму через навантаження IVD=Iнmax=2,5A. Оберемо діод STMicroelectronics STPS5L40 з параметрами UVD =40В, IVD=5A, RVD=0,01Ом.

Для керування транзистором використовується драйвер верхнього рівня для силових ключів IR2117. Живлення мікросхем здійснюється від лінійного стабілізатора напруги L7812.

3. Розробка математичної моделі, алгоритму розрахунку та аналіз пускового режиму

Для розрахунку електромагнітних процесів складаємо еквівалентні схеми заміщення силової частини імпульсного перетворювача напруги на різних інтервалах роботи. При цьому напівпровідникові вентилі замінюємо RS-моделями, що враховують кінцеве значення опору вентиля у відкритому стані. Інші елементи силової частини перетворювача (дросель, конденсатор, резистори) вважаємо лінійними. Дросель має внутрішній опір.

Еквівалентна схема заміщення силової частини ІСН для відкритого стану транзистора VT1 показана на рис. 3a, для закритого стану - на рис. 3б.

Рис. 4. Еквівалентна схема заміщення силової частини ІСН для відкритого стану ключа VT1 (а) і закритого (б)

Електромагнітні процеси в схемі рис. 3а описуються системою диференціальних рівняннянь:

Для схеми (рис 3б) система матиме вигляд:

В залежності від параметрів L,C в перехідному режимі можливе спадання струму дроселя до нуля. В цьому випадку комутуючий діод VD вимикається. Еквівалентна схема заміщення являє собою звичайний RC-контур. Відбувається розряд конденсатора С на навантаження R.

Об'єднаємо рівняння двох інтервалів постійності структури в одну спільну систему за допомогою функції перемикання г. Приймемо г=1 для випадку відкритого стану силового транзистора рис (3а) і г=0 закритий стан силового ключа. Враховуючи це, диференційні рівняння для обох інтервалів постійності структури записуються у вигляді:

З останньої системи виразимо похідні від змінних стану, та перетворимо диференційні рівняння на різницеві:

В системі керування процеси описуються наступною системою рівнянь:

де Uпом - сигнал помилки; kділ - коефіцієнт передачі дільника; UГОН - напруга генератора опорної напруги; kпідс. - коефіцієнт підсилення підсилювача сигналу помилки; UК - напруга зворотнього звязку; UГПН - напруга генератора пилкоподібної напруги; г - функція перемикання (г =0 при UК > 0; г =1 при UК ? 0).

Модель розроблялась в програмному середовищі Borland C++ Builder. На рис.4 зображено спрощений алгоритм роботи програми.

Рис. 5. Алгоритм роботи програми

На рис 6-8 показані результати моделювання



Рис. 6. Пусковий режим

Рис. 7. Система керування



Рис. 8. Напруга на ємності, струм індуктивності та сигнали керування.

Розрахунок стійкості у «малому» усталеного режиму

Перенесемо початок координат у точку зміни стану ключового елемента із закритого на відкритий і скористаємось системою рівнянь для опису процесів у перетворювачі, що отримана в попередньому пункті:

Представимо дану систему рівнянь у матричній формі:

,

де , , ;

Лінеаризуємо отриману систему в «малому». Знайдем диференціали по змінним стану від правої і лівої частин системи. Ввівши позначення , , отримаємо рівняння

,

де , , ;

Оскільки матриця A(г) та F(г) не залежить від змінної стану i, то , .

,

,

де - -функція Дірака

Використаємо наступну властивість -функції

, ,

,



, ,

оскільки , то можемо записати

, ;

Використовуючи властивість -функції

,

визначимо значення добутку

, ;

Оскільки

,

то отримаємо

,

де ;

Введемо позначення

,

Із врахуванням отриманих виразів перепишемо рівняння

;

В уставленному режимі системи рівнянь можна представити у виді:

при ;

при ,

,

;

Знайдемо розв'язок рівняння на інтервалі постійності структури з використанням неперервного перетворення Лапласа на інтервалі .

,

де

Застосуємо неперервне перетворення Лапласа до лівої і правої частини рівняня:

Розв'язуючи отримане матричне рівняння отримаємо:

,

де - зворотня матриця,

, .

Для переходу в часову область використаємо зворотнє перетворення Лапласа, в результаті чого отримаємо

,

де .

Знайдемо розв'язок рівняння на інтервалі постійності структури з використанням неперервного перетворення Лапласа на інтервалі :

,

де .

Застосуємо неперервне перетворення Лапласа до лівої і правої частини рівняня:

.

Розв'язуючи отримане матричне рівняння отримаємо:

,

де - зворотня матриця.

Для переходу в часову область використаємо зворотнє перетворення Лапласа, в результаті чого отримаємо

,

де ;

Підставимо в рівняння для інтервалу значення часу , а в рівняння для інтервалу - значення часу , після чого підставимо перше рівння у друге

.

Отримане рівняння визначає стійкість у «малому» початкової нелінійної системи в околі усталеного режиму .

Застосуємо дискретне перетворення Лапласа до отриманого рівняння:

,

де - дискретне зображення Лапласа ; - початкове значення вектору : . Перетворивши отримане рівняння отримаємо:

.

Обчислюємо матрицю Н:

.

В результаті відкриття визначника , знаходимо характеристичний многочлен:

,

.

Зробимо заміну

,

, .

Оскільки обидва корені характеристичного многочлена знаходяться всередині кола одиничного радіусу, то система описана даним рівнянням є стійкою.

Висновки

імпульсний перетворювач пусковий понижувальний

При виконанні курсової роботи проведений розрахунок елементів понижувального перетворювача постійної напруги з ШИМ-ІІ переднього фронту, змодельована його робота, та досліджений перехідний процес, що виникає при вмиканні пристрою. Також був проведений аналіз стійкості в «малому» в усталеному режимі.

Для моделювання використовувалось програмне середовище Borland C++ Builder. Різницеві рівняння вирішувались за допомогою явного методу Ейлера. Аналіз стійкості у «малому» проведено за допомогою методу Ляпунова. Аналіз показав, що система є стійкою в околі усталеного режиму.

Література

1. Перетворювальна техніка. Частина 1: Підручник./ В.С. Руденко, В.Я. Ромашко, В.Г. Морозов. - К.: ІСДО, 1996.- 262 с.

2. Г.С. Найвельт та ін. «Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник». М.: Радио и связь, 1985.

3. Методичні вказівки до курсової роботи з курсу «Перетворювальна техніка». Розділ «Стабилизированные источники питания» / Сост.: В.С. Руденко, В.Г. Морозов, В.Я. Ромашко. - Киев: КПИ, 1984. - 56 с.

4. Методичні вказівки до виконання контрольних завдань з курсу «Системиперетворювальної техніки». / Сост. В.Я. Жуйков, И.Е. Коротеев, В.В. Рогаль, М.П. Ковальський.

Размещено на Allbest.ru

...