Особенности работы импульсного преобразователя

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

1. Электрический расчет

2. Выбор и обоснование эскизного проекта и материалов

3. Конструктивный расчет дросселя

4. Выбор материалов и покрытий

5. Метрологическое обеспечение разработки и изготовления дросселя фильтра чопперной схемы

Заключение

Список литературы



Введение

Chopper (прерыватель) - импульсный последовательный источник питания понижающего типа.

Чопперная схема - это наиболее распространенная схема в семействе импульсных преобразователей. Она используется во всех вторичных источниках питания, где не требуется гальваническая развязка.

Эта схема DC/DC-конвертора (постоянный ток/постоянный ток) обычно применяется для замены обычных аналоговых стабилизаторов, когда последние не могут обеспечить передачу больших значений токов, сохраняя при этом малые габариты.

Чоппер обычно подключается к нестабилизированному источнику напряжения, величина Uin может изменяться. Чтобы сохранить постоянство напряжения на выходе, схема управления в соответствии с выражением будет изменять коэффициент заполнения. Собственно, минимальный коэффициент заполнения установится при максимальном входном напряжении.

импульсный преобразователь дроссель чопперный



1. Электрический расчет

Определяем величину сопротивления нагрузки , Ом

, (1)

где - напряжение на нагрузке, В;

- ток, протекающий через нагрузку, А.

Определяем коэффициент заполнения

, (2)

где - напряжение на входе схемы, В.

Определим критическое значение индуктивности дросселя , ниже которого начинается режим разрывных токов

, (3)

где - рабочая частота DC-DC преобразователя, Гц.

Определим значение емкости конденсатора ,Ф НЧ фильтра, частота среза которого ниже в раз .



,

где - коэффициентом сглаживания.

Коэффициент сглаживания определяется как отношение первых гармоник от импульсов до и после фильтра.

Условие устойчивости работы фильтра определяется следующим выражением

. (4)

Подставляя соответствующие числовые значения в неравенство, то есть условие устойчивости фильтра не выполняется.

Если это условие не выполняется, то необходимо увеличить индуктивность дросселя, не меняя или уменьшая величину емкости. Увеличение индуктивности дросселя по конструктивно-технологическим, а также экономическим соображениям является нежелательным, хотя при этом уменьшаются пульсации на выходе схемы DC-DC преобразователя, режим работы перемещается в область безразрывных токов дросселя, но при этом в нем растут активные потери, что снижает К.П.Д. преобразователя.

Поэтому необходимо оптимизировать выбор параметров дросселя и конденсатора путем минимизации прироста индуктивности за счет максимально возможного уменьшения емкости фильтра с учетом обеспечения устойчивости работы фильтра и выполнения требований по сглаживанию пульсаций. Минимальный коэффициент изменения индуктивности и емкости определяется согласно



. (5)

Подставляя соответствующие числовые значения в (5) получаем

Определим минимально возможную индуктивность дросселя , Гн

. (6)

Подставляя соответствующие числовые значения в (6) получаем

Гн или 191 мкГн

Определим минимально возможную расчетную емкость фильтра

. (7)

Подставляя соответствующие числовые значения в () получаем

Ф

Выбираем номинальное значение емкости С конденсатора, ближайшее в сторону увеличения от расчетного значения согласно ряда Е6. Выбираем номинальное значение емкости 6,8 · 10^-6 Ф или 6,8 мкФ.

Проводим моделирование электрической схемы с помощью программы EWB32. Определяем из электрической модели отношение действующих значений напряжений первой гармоники коммутационного сигнала до и после фильтра



, (8)

где - показание вольтметра PV1;

- показание вольтметра PV2;

- коэффициент передачи резонансного делителя.

Рисунок 1 - Результаты моделирования чопперной схемы DC-DC преобразователя

Коэффициент передачи резонансного делителя определяется как

,

- эквивалентное сопротивление контура L1,C1 или L2,C2 на резонансной частоте, равной частоте преобразования, Ом;

- резистор делителя.

Так L1,C1 и L2,C2 являются идеальными элементами, то равно внутреннему сопротивлению вольметров PV1 и PV2 (по умолчанию 1 МОм), а величина сопротивления составляет единицы кОм. Поэтому , а показания вольтметров PV1 и PV2 соответствуют действующим значениям напряжений первой гармоники частоты преобразования на входе и выходе фильтра.

Подставляя значения показаний вольтметров PV1 и PV2 в (8) получаем

.

Полученное значение в тринадцать раз превышает заданное в ТЗ значение, что вполне оправдано, так как при выборе номинального значения емкости конденсатора фильтра нам пришлось увеличить расчетное значение почти в семь раз.

Выбирать конденсатор фильтра необходимо и по величине сопротивления потерь или по принятой международной терминологии ESR (последовательного активного сопротивления). Рекомендуется придерживаться следующего соотношения

, (9)

где - амплитуда первой гармоники на сопротивлении нагрузки, В.

Амплитуда первой гармоники на сопротивлении нагрузки для синусоидальной формы сигнала в 1,41 раза больше его действующего значения, то есть показания вольтметра PV2 надо умножить на это число : 7,494 мВ · 1,41 = 10,56 мВ, что подтверждается измерением амплитуды с помощью осциллографа (см. рисунок 1).

Определим максимально допустимое значение , которое может иметь конденсатор фильтра С₃

Выберем, предназначенных для монтажа на поверхность с рабочим напряжением, наиболее близким к выходному напряжению нашей схемы, то есть к 6 В, а также с минимальной стоимостью и высокой доступностью. По этим параметрам в наибольшей степени нам подходит конденсатор фирмы Murata Manufacturing Co (Япония):

ECASD41C685M070K00

С номинальным напряжением 16В

Номинальной емкостью 6,8 мкФ

Максимальным ESR при 100 кГц 70мОм

Габаритные размеры 7.30mm x 4.30mm х 1.90mm

Рабочая температура -40°C ~ 105°C

2. Выбор и обоснование эскизного проекта и материалов

По виду размещения обмоток на магнитопроводе электромагнитные компоненты в том числе и дроссели, подразделяются на броневую конструкцию, когда обмотки размещаются на среднем стержне Ш - образного магнитопровода, и стержневую конструкцию, когда обмотки размещаются на одном или двух стержнях П - образного магнитопровода, а также кольцевую.

Основными параметрами, которыми должны обладать материалы магнитопровода, таковы:

- материал должен легко намагничиваться и размагничиваться, то есть обладать узкой петлей гистерезиса, малой коэрцитивной силой, большими значениями начальной и максимальной магнитной проницаемости;

- материал должен обладать большой индукцией насыщения, что позволит уменьшить габариты и массу электротехнических изделий;

- материал должен иметь слабую зависимость магнитных свойств от механических напряжений растяжения и сжатия;

- материал должен иметь стабильные магнитные характеристики при изменении температуры, влажности с течением времени;

При изготовлении электромагнитных приборов работающих на частотах от нескольких килогерц и выше используются ферриты и магнитодиэлектрики.

Выводы обмоток будут припаиваться к контактам, которые в свою очередь будут вставляться на печатную плату в специальные гнезда. Это даст возможность легко прикрепить дроссель к плате, и в случае выхода его из строя позволит легко его заменить, не перепаивая контакты на печатной плате. Дополнительное крепление дросселя к плате будем производить с помощью болта с втулкой и гайкой, а также стеклотекстолитовой пластиной. Такой вид крепления достаточно надежный и простой, и не требует специального сложного оборудования. Эскиз разрабатываемого дросселя приведен на рисунке 2.

Рисунок 2 - Эскиз разрабатываемого дросселя: 1-болт, 2-стеклотекстолитовая пластина, 3-выводы, 4-магнитопровод, 5-сердечник, 6-плата, 7-гайка



3. Конструктивный расчет дросселя

Для расчета минимального возможного объема магнитопровода, определяемого тепловым режимом, вводится понятие энергоемкости дросселя.

Получим, что:

(10)

Подставив значения в формулу (10) получим:

Энергоемкость дросселя связана с объемом, занимаемым ферромагнетиком, следующим соотношением:

(11)

где температура перегрева эксплуатации действующая проницаемость сердечника , коэффициент теплопередачи

Подставив данные в вышеприведенную формулу, получим:



Поскольку обмоточные провода имеют пусть и небольшое, но активное сопротивление, ток, протекающий по ним, выделяет на активном сопротивлении тепло, разогревая провода. Чтобы не происходил разогрев обмоток выше допустимых норм, плотность тока нужно ограничить на уровне 4 - 5 А/.

В качестве материала обмоточных проводов может быть медь или алюминий .

Если намотка будет производиться медным проводом, то масса обмоточных проводов возрастет, т.к.плотность меди больше, чем у алюминия ; ). Но с другой стороны при намотке алюминиевым проводом возрастут габариты сердечника, т.к. плотность тока будет меньше. Для медного провода плотность тока j = 5 А/.

Исходя из технического задания: 1 группа эксплуатации и серийный выпуск, по экономическим, технологическим и конструктивным параметрам нам подходит кольцевой сердечник DT68-52, производящийся фирмой «Magnetics» (США).

Площадь поперечного сечения:

Площадь окна:

При условии, что коэффициент заполнения k = 0,3, то максимальная площадь которую может занять провод в окне сердечника:

(12)

Подставив значения в формулу (12) получим:

Вычисляем объем магнитопровода по формуле:



(13)

Подставив в формулу, получим:

Магнитопровод подходит по тепловому условию. Определим величину зазора:

Число витков определяется по формуле:

где для данного сердечника по таблице равно 40 нГн.

Подставив данные в формулу и, просчитав, получим:

Проверка сердечника по условию максимальной индукции

Проверяем сердечник по условию максимальной магнитной индукции: , где B рассчитывается по следующей формуле

Получим,

Для выбранного сердечника значения индукции насыщения для частоты 10кГц .

Из этого неравенства можно сделать вывод, что сердечник проходит по условию максимальной индукции. Проверка на вместимость меди в окно сердечника. Исходя из условия, что максимальная плотность тока j=5 A/, найдем диаметр провода:

Найдем площадь, которую занимает провод в сечении окна, подставив данные в формулу (15):

Площадь окна:

, следовательно, условие прохождения выполняется.

4. Выбор материалов и покрытий

Конструкция дросселя состоит из деталей, материалы которых имеют предельные температурные эксплуатации: подходящие по условию работы дросселя. Так как в данной работе необходимо спроектировать дроссель для единичного назначения, то каркас для данного изделия необходимо изготовить из стеклотекстолита.

Для надежности эксплуатации катушку индуктивности можно обернуть двумя слоями пленки, или залить лаком для защиты провода от внешних механических воздействий.

5. Метрологическое обеспечение разработки и изготовления дросселя фильтра чопперной схемы

Технологическое приспособление (ТП) служит для измерения входных и выходных токов и напряжений, а также коэффициент пульсации. ТП представляет собой нестандартным измерительный прибор, в состав которого входит генератор прямоугольных импульсов и серию измерительных приборов, функционально объединенных в электрическую схему и конструктивно выполненных в виде измерительного блока. В данной работе предусмотрены контактные устройства для подключения выводов дросселя, адаптированные под конструкцию к разработанному прибору.

Контроль геометрических параметров осуществляется замеров габаритных размеров с помощью штангенциркуля ГОСТ 166-73. При увеличенных размерах конструкции детали следует обрабатывать дополнительно. При уменьшенных размерах конструкции детали следует обработать дополнительно. При уменьшенных размерах деталь относят к браку, и ее следует переделать.



Заключение

В результате проделанной работы был разработан дроссель фильтра чопперной схемы. В процессе работы был рассмотрен метод понижения напряжения при помощи чопперной с использованием ШИМ, а также дроссель фильтра был проверен на устойчивость работы. Данный элемент прошел проверку по всем показателям. Из этого можно сделать вывод, что дроссель, изготовленный по данным, приведенным в ТЗ рабочий и готов к эксплуатации.

Выбор материалов производится исходя из экономической целесообразности в условиях единичного производства. Все выбранные материалы отвечают техническим требованиям и требованиям группы эксплуатации.



Список литературы

1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов/ Б.Ю. Семенов. - М: СОЛОНОР-Р, 2001. - 333 с.

2. Найвельт Т.С. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры/ Т.С. Найвельт. - М: Радио и связь, 1985.- 412 с.

3. Куневич А.В. Индуктивные элементы на ферритах/ А.В. Куневич, И.Н.Сидоров. - СПб: Лениздат,1997. - 475 с.

4. Северис Р. Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания/ Р. Северис, Г. Блум. - М: Энергоатомиздат, 1998. - 432 с.

Размещено на Allbest.ru

...