Понижающий преобразователь

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Понижающий преобразователь

Студент гр. 365-М1

В.Е. Вишняков

Руководитель проекта:

В.Д. Семенов



Содержание

1. Описание работы силовой части

2. Разработка структурной схемы преобразователя

3. Регулировочная характеристика преобразователя

4. Разработка схемы электрической принципиальной

4.1 Расчет системы управления

4.2 Расчет и выбор драйвера

4.3 Расчет источников питания

5. Разработка виртуальных моделей

5.1 Моделирование в программе Mathcad

5.2 Моделирование в программе Matlab

Заключение

Список использованных источников



1. Описание работы силовой части

Понижающий импульсный регулятор напряжения.

У транзистора 2 состояния и в зависимости от этого контур по которому протекает ток изменяется:

1)Включен(режим насыщения)

2)Выключен(режим отсечки)

Рис. 1.1 НПН понижающего типа

Режим насыщения.

Под воздействием разности входного напряжения и напряжения на конденсаторе) начинает нарастать ток дросселя . Пренебрегая пульсацией напряжения на конденсаторе, которая в реальных схемах достаточно мала, получаем уравнение:

Из последнего следует, что ток IL будет нарастать по линейному закону:



где - ток, протекающий через дроссель в момент включения транзистора. На временной диаграмме рис 4 ток дросселя возрастает по линейному закону, как было описано выше.

Рис. 1.2 токи, протекающие по контуру НПН в режиме насыщения транзистора

Режим отсечки.

Транзистор выключается и включается диод, через который начинает протекать ток . К дросселю прикладывается только напряжение Uвых в направлении, уменьшающем ток, что можно выразить уравнением:

Следовательно, ток в дросселе начнет убывать по линейному закону:

где -- ток в момент выключения транзистора. Затем снова включается транзистор, и процессы начнут повторяться. Процесс убывания тока дросселя можно увидеть на временной диаграмме рис4.



Рис.1.3 токи протекающие по контуру НПН в режиме насыщения.

Если к концу разомкнутого состояния транзистора ток -не успевает снизиться до нуля, то такой режим работы называют режимом непрерывного тока, его можно увидеть на временной диаграмме рис 4.

Временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя представлены на рисунке 1.4.

Рис1.4 Временные диаграммы токов и напряжений

преобразователь ток напряжение электрический



2. Разработка структурной схемы преобразователя

Из технического задания, структурная схема преобразователя понижающего типа имеет следующий вид, изображенный на рисунке 2.1.

Рис. 2.1 структурная схема преобразователя ДР - драйвер; ИП - источник питания; СУ - система управления; ГСИ - генератор синусоидальных импульсов; ШИМ - контроллер широтно-импульсной модуляции

Рассмотрим формирование импульсов управления, подаваемых на базу ключа VT. Управление работой преобразователя осуществляется посредством сигналов с различной длительностью - синусоидальным ШИМом. Эти сигналы формируются в системе управления СУ.

Система управления включает в себя генератор синусоидальных импульсов ГСИ и ШИМ-контроллер. На генераторе ГСИ формируется синусоидальный сигнал x(t) с частотой fмод, который подается на ШИМ-контроллер и складывается с пилообразным сигналом f(x), генерируемым встроенным в контроллер генератором пилы. Также полученный сигнал суммируется с постоянным напряжением U0, сформированным на ШИМ-контроллере. В результате такого наложения формируются прямоугольные сигналы разной длительности Y(t) (рис. 3.2)

Рис. 2.2 формирование синусоидального ШИМа

Далее сигнал Y(t) поступает на драйвер ДР, который усиливает его в несколько раз и подает на базу ключа VT силовой части преобразователя.

Источник питания ИП предназначен для формирования постоянного стабилизированного двухполярного напряжения ±12В для питания системы управления (питание операционных усилителей) и для формирования двухполярного напряжения номиналом ±15В, для питания драйвера ключа.



3. Регулировочная характеристика преобразователя

Выведем регулировочную характеристику для идеального и реального случая. Примем допущение, что напряжение на конденсаторах U_C и мало пульсирует. Исходя из уравнений 1.1 - 2.3 напряжений на дросселе L и при замкнутом и разомкнутом ключе, запишем эти уравнения в режиме непрерывного тока РНП, учитывая равенство вольтсекунд S1=S2 (рис. 4.1):

Рис. 3.1 диаграмма напряжения на дросселе L

Раскрыв скобки и сократив выражения, а также выразив напряжения получим:

Рис. 3.2 идеальная регулировочная характеристика преобразователя

Для вывода реальной регулировочной характеристики необходимо учитывать токи и сопротивления реального дросселя L . Тогда уравнение 3.2 примет следующий вид:

Раскрыв скобки и сократив выражения получим:

Для построения реальной регулировочной характеристики необходимо выбрать дроссели, рассчитав силовую часть схемы преобразователя.



4. Разработка схемы электрической принципиальной

Рис. 4.1.1 схема понижающего преобразователя.

Рассчитаем относительную длительность включенного состояния транзистора:

Рассчитаем ток через нагрузку:

Рассчитаем сопротивление нагрузки:

Рассчитаем и выберем диод:

В момент времени когда открыт транзистор VT1 к диоду прикладывается обратное напряжение сети равное 300В,при открытом же состоянии VT1 падение напряжение на диоде очень маленькое, которым можно пренебречь.

Значит что выбираемый диод должен выдержать напряжение 300В. Максимальный ток диода Id=Iн. Исходя из этого выберем диод 2Д253Д с характеристиками:

Uобр=400В;Iпр=Iн;Uпр=1.5В

Рассчитаем и выберем дроссель:

Что бы рассчитать дроссель нам необходимо задать ток пульсаций на дросселе и знать частоту коммутации, зададимся током пульсаций, а частота коммутации указана в ТЗ:

Из выражения 4.4 найдем:

Для того, чтобы выбрать реальный дроссель, необходимо знать максимальный ток, протекающий через него, воспользуемся диаграммой тока через дроссель, полученной в среде моделирования Matlab, при индуктивности. На рисунке 5.1.4 представлена диаграмма работы дросселя L2.

Рис. 4.1.2 ток в дросселе L

Как видно из диаграммы, максимальный ток не превышает 3 А.

Выберем дроссель Д140:

-типоразмер магнитопровода - ШЛ10*20,5;

-индуктивность - 6мГн;

-номинальный ток - 3,2 А.

Конденсатор С1 примем равным 1 мкФ.

4.1 Расчет системы управления

ШИМ - контроллер

В качестве ШИМ - контроллера выберем микросхему TL494 производства Texas Instruments. Структурная схема и технические характеристики данного контроллера приведены на рисунках 5.2.1 и 5.2.2:

Рис. 4.2.1 структурная схема контроллера



Рис. 4.2.2 технические характеристики драйвера

Микросхема TL494 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 R и С. Частота генератора определяется по формуле:

, (4.2.1)

Рассчитаем величину R=R11 и С=С4 (см. рис. 4.2.3) для заданной частоты генерации:

Тогда, исходя из формулы 5.2.1 величина R*C будет равна:

Выберем значение R=1.1Ом и С=100мкФ.

Электрическая схема включения ШИМ - контроллера TL494 представлена на рис. 4.2.3.



Рис. 4.2.3 электрическая схема драйвера

Рассчитаем остальные элементы схемы.

Делитель напряжения R5, R6 рассчитаем по формуле:

, где (4.2.2)

- напряжение +5 В, приложенное к делителю;

- напряжение на выходе делителя.

, отсюда

Примем резистор R5 равным 1 кОм, тогда сопротивление резистора R6 будет равно .

Рассчитаем балластное сопротивление R17:



Мощность резистора R17:

Для резисторов R7 =R8=R9=R10 выберем номинал 20 кОм.

В качестве выбираем резистор С2-29В-0,125-2,32 Ом - 1%;

В качестве выбираем резистор SQP 5 Вт 50 кОм, 5%;

В качестве выбираем резистор С2-33Н-0,125-20 кОм ±5%;

В качестве выбираем резистор CF-100 (С1-4) 1 Вт, 1.1 Ом, 5%

В качестве выберем конденсатор MCEEL50V107M10X10.5, SMD, 100 мкФ, 50 В.

Генератор синусоидальных импульсов (ГСИ)

Схема генератора синусоидальных колебаний основана на ОУ, в цепь обратной связи которого включены фазовращающие RC-цепочки (рис 5.2.4).

Рис. 4.2.4 электрическая схема генератора

Резисторы и конденсаторы в данной схеме должны быть подобраны так, чтобы на выходе схемы был синусоидальный сигнал с частотой, равной частоте модуляции ( Гц).

Рассчитаем входную RC-цепочку по формуле:

(4.2.3)

Отсюда RC будет равно:

(4.2.4)

Величина RC будет равна:

Выберем конденсатор номиналом 0,15мкФ, тогда резистор будет равен:

Выберем элементы схемы.

В качестве выбираем резистор С2-33Н -0,125-1 кОм ±5%;

В качестве выбираем резистор С2-33Н-0,125-1 кОм ±5%;

В качестве выбираем резистор С2-33Н-0,125-220 кОм ±5%;

В качестве выбираем резистор С2-33Н-0,125-100 Ом ±5%;

В качестве выберем конденсатор К10-17А- 0,15 мкФ- 50В;

В качестве выберем конденсатор К10-17А- 3900 пкФ- 50В;

В качестве выберем конденсатор К10-17А- 1200 пкФ- 50В.

4.2 Расчет и выбор драйвера

В качестве драйвера выберем драйвер HCPL-J314 фирмы Avago Technologies, в составе которого лежит мощная оптопара. Именно она обеспечивает развязку между системой управления и силовой частью схемы. Схема включения из документации драйвера и представлена на рисунке 4.3.1.



Рис. 4.3.1 схема подключения драйвера

Технические характеристики данного драйвера приведены на рисунке 4.3.2.

Рис. 4.3.2 технические характеристики драйвера

Электрическая схема драйвера представлена на рисунке 4.3.3.

Рис. 4.3.3 электрическая схема драйвера

Выберем элементы схемы:

, где (4.3.1)

- напряжение питания, 12В;

- напряжение, падающее на диодах;

- потребляемый ток.

Тогда, исходя из этой формулы резистор будет равен:

Резистор примем равным 15 кОм, - 82 кОм. Конденсаторы С1 и С2 равны, С1=С2=1мкФ.

В качестве выбираем резистор С2-33Н-0,125-1 кОм ±5%;

В качестве выбираем резистор С2-33Н-0,125-15 кОм ±5%;

В качестве выбираем резистор С2-33Н-0,125-82 кОм ±5%;

В качестве и выберем конденсаторы К10-17А- 0,1 мкФ- 50В.

4.3 Расчет источников питания

Трансформатор

Для начала необходимо рассчитать потребляемую мощность. В нашей схеме питание потребляет ШИМ контроллер, имеющий ток потребления , два операционных усилителя ГСИ, каждый из которых имеет ток потребления , а также микросхема драйвера, имеющая ток потребления при и ток потребления при .

По формуле 5.5 найдена габаритная мощность P_г трансформатора:

Произведем расчет при с учетом запаса.

Найдем мощность с учетом КПД:

(4.4.1)

Ток первичной обмотки будет равен:

(4.4.2)

Ток обмоток будет равен:

Ток обмоток будет равен:

Определяем величину S_c·S₀:

, (4.4.3)

где - коэффициент заполнения сердечника;

- коэффициент заполнения окна;

- коэффициент формы напряжения;

S_с - площадь сечения сердечника;

- площадь сечения окна;

- плотность тока;

- максимальное значение индукции в сердечнике;

- частота;

Был выбран кольцевой сердечник феррит ОЛ 40Х64Х25 .

Для него , .

По формуле 6.1.10 найдём число витков на вольт W₀:

=0,375 . (4.4.4)

Приняв падение напряжения на обмотках равным 2%, рассчитаем количество витков на обмотках.

На первичной обмотке :

. (4.4.5)

На вторичных обмотках :

. (4.4.6)

Сечение проводов будет равно отношению тока обмоток к плотности тока :

. (4.4.7)

Тогда, диаметр проводов будет равен:

. (4.4.8)



= 0,024 мм;

= 0,12 мм;

= 0,107 мм;

Необходимо провести проверку сечений обмоток, чтобы судить о пригодности данного типоразмера магнитопровода.

Сечение обмоток… вычислим по формуле:

. (4.4.9)

= 0,123 ;

= 0,142 ;

= 0,136 .

определяется по выражению:

(4.4.10)

Площадь окна выбранного магнитопровода . Так как , , то можно сделать вывод, что данный типоразмер сердечника с сечением окна 13 выбран правильно.

Выбрана марка проводов ПЭВ, результаты расчетов сведем в таблицу 5.4.1:



Таблица 4.4.1 результаты расчетов

№ обм.	W, витков	,	d , мм	Марка провода
1	111	0,05726	0,1	ПЭТВ-2 0,32
2, 3	5	0,01131	0,12	ПЭВ-2 0,15
4, 5	6	0,00950	0,11	ПЭВ-2 0,14

Выпрямители

Выпрямители В1 и В2 одинаковые, поэтому достаточно рассчитать один выпрямитель.

В качестве выпрямителя выбрана однофазная мостовая схема Греца (рис. 4.3).

Рисунок 4.4.1 схема Греца

При , Ток нагрузки

Обратное максимальное напряжение диода будет равно:

.

Ток диода будет равен:

. (4.4.11)



Для выпрямителей В1 и В2 выбраны диоды 2Д510А. (50В, 0,2А)

Выпрямители В3 и В4 также одинаковые, поэтому достаточно рассчитать один выпрямитель. В качестве выпрямителя используем ту же однофазную мостовую схему Греца.

При , Ток нагрузки

Обратное максимальное напряжение диода будет равно:

.

Ток диода будет равен по формуле 5.4.10:

.

Для выпрямителей В3 и В4 выбраны диоды 2Д510А.

Фильтры

В качестве фильтров Ф1 - Ф4 выбираем фильтр емкостного типа. Он применим для неуправляемых выпрямителей малой мощности, имеющих относительно большое внутреннее сопротивление.

Конденсатор фильтра, подключенный параллельно нагрузке, периодически заряжается до амплитудного значения и разряжается на нагрузке до минимального значения напряжения. Как только напряжение на выходе выпрямителя станет больше напряжения на конденсаторе, он вновь начнет заряжаться. Зададим размах пульсаций равным , тогда амплитуда переменной составляющей будет равна :

. (4.4.12)

Произведем расчет фильтра Ф1.

Круговая частота фильтра будет равна:



, (4.4.13)

Сопротивление нагрузки при токе нагрузки равно:

.

где -

частота пульсаций, равная (при )

Угол отсечки рассчитывается по формуле:

(4.4.14)

Логарифм коэффициента пульсаций будет равен:

. (4.4.15)

Емкость конденсатора будет рассчитываться по формуле:

(4.4.16)

Исходя из расчетов, в качестве фильтров Ф1-Ф4 были выбраны конденсаторы К73-17имп, 6800 пФ, 630 В, 5%,

Стабилизаторы

Рассчитаем стабилизаторы СТ1, имеющий следующие параметры:



, , .

Схема стабилизатора приведена на рис. 4.4.3.

Рисунок 4.4.2 схема стабилизатора СТ1

Примем ток, протекающий через стабилитрон СТ2 при минимальном значении напряжения равным . Тогда падение напряжения на R1 будет составлять 1В.

Сопротивления R1 рассчитаем по формуле:

. (4.4.17)

По формуле 5.34 определим величину тока при . Падение напряжения на резисторе R1 будет равно:

.

Ток через стабилитроны при этом будет равен:

, что меньше, чем .

Выбираем резистор С2-33Н-0,125-180 Ом.

В качестве VT1 выберем транзистор n-p-n 2Т831А со следующими параметрами:

, .

В качестве диодов VD1 и VD2 выберем диод 2Д510А.

Расчет стабилизатора СТ2, выходное напряжение которого

, при выходном токе производится аналогичным образом.

Резистор R1, стабилитрон VD1 и диод VD2 выбираем такие же, как и для стабилизатора СТ2.

В качестве VT1 возьмем p-n-p транзистор 2Т830А со следующими параметрами:

, .



5. Моделирование в программе Mathcad

Смоделируем работу схемы.

В результате создания математической модели был получен модулирующий сигнал с ГСИ и пилообразный сигнал системы управления:

Рис. 5.1.3 сигналы системы управления

После наложения с сравнения этих сигналов, на выходе ШИМ-контроллера получим:

Рис. 5.1.4 сигналы системы управления

Разложив этот сигнал в спектр, получим:



Рис. 5.1.5 спектр входного сигнала

Смоделируем выходной фильтр:

Рис. 5.1.6 ЛАЧХ и АЧХ фильтра



Рис. 5.1.7 спектр сигнала до и после прохождения фильтра

Рис. 5.1.8 восстановленный выходной сигнал преобразователя



6. Моделирование в программе Matlab

Рис. 6.2.1 схема преобразователя в Matlab

В этой схеме системой управления являются:

– Sine Wave - генератор синусоидальных импульсов;

– Repeating Sequence - генератор пилы;

– Relational Operator - звено, которое сравнивает сигналы.

Снимем временные диаграммы системы управления с виртуального осциллографа Scope:

Рис. 6.2.2 осциллограммы сигнала управления в Matlab

Снимем диаграмму выходного сигнала с виртуального осциллографа Scope1:



Рис. 6.2.3 осциллограмма выходного сигнала в Matlab

Таким образом, сравнив полученные модели в Mathcad и Matlab, можно сделать вывод о том, что расчет схемы произведен правильно.



Заключение

В результате работы была спроектирована и рассчитана схема понижающего преобразователя, а также создана математическая модель этого преобразователя. Также была разработана схема электрическая принципиальная и перечень элементов к ней. Результаты моделирования и математическая модель, полученные в ходе работы, полностью совпали, поэтому можно сделать вывод о том, что расчет схемы произведен правильно.



Список используемой литературы

1. Кобзев А.В., Михальченко Г.Я., Андриянов А.А., Михальченко С.Г. Нелинейная динамика преобразовательной техники. -- Томск: Изд-во ТУСУР, 2007. -- 300 с.

2. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемjтехника и расчет. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. - 448 с. - Электронное издание.-УМО.-Режим доступа: http://ibooks.ru/reading.php?productid=335508

3. Слепов Н.Н., Дроздов Б.В. Широтно-импульсная модуля-ция. -- М.: Энергия, 1978, -- 192 с.

4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное

пособие для вузов / В.М. Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. -

М.: Горячая линия - Телеком, 2011. - 384 с.: ил. - Режим доступа:

http://ibooks.ru/reading.php?productid=333374

5. Модульные источники питания. Каталог и рекомендации по применение. - М.: Серия «Библиотека Компэла». ЗАО «Компэл», 2005. - 240 с.

6.Силоые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение.-М Издадательский дом Дэдэка-ХХI.2001.-384 стр. П.А Воронин С

Размещено на Аllbest.ru

...