Проект транзисторного преобразователя

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Разработка функциональной схемы системы управления преобразователем

Функциональная схема системы управления преобразователем представлена на рисунке: транзисторный преобразователь компаратор

Рис. 1

F - предохранитель;

S - выключатель;

БП - блок питания, который содержит:

Т - Трансформатор;

В - выпрямитель;

Ф1 - сглаживающий L₁C₁?фильтр;

ТП - транзисторный преобразователь;

Схема управления включает:

ГПН - генератор пилообразного напряжения;

ПЭ - пороговый элемент;

БК - буферный (согласующий) каскад;

схему сравнения сигналов задания U_зад и обратной связи U_ос.

Функцию схемы управления может выполнять серийный интегральный ШИМ? контроллер.

Напряжение сети U_сет подключается к первичной обмотке трансформатора Т выключателем S; предохранитель F обеспечивает защиту силовой цепи от перегрузок по току или короткого замыкания.

Трансформатор Т, подключенный первичной обмоткой к сети, позволяет понизить (повысить) напряжение на вторичной обмотке до требуемого значения. Кроме того Т обеспечивает гальваническую развязку силовой цепи ТП от питающей сети.

Выпрямитель В преобразует переменное напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора в постоянное (точнее выпрямленное) с большим уровнем пульсации.

Фильтр Ф1 предназначен для сглаживания выпрямленного напряжения U₁ на выходе БП, или снижения уровня пульсаций. U₁ ? напряжение питания цепи коллектора или стока силового триода ТП.

ТП ? это, по существу, мощный триод, работающий в режиме ключа, который совместно со сглаживающим фильтром L₀C₀ преобразует постоянное напряжение U₁ в управляемое постоянное U₀ .

ШИМ - контроллер используется для управления силовыми приборами. В зависимости от напряжения задающего сигнала U_зад вырабатывает импульсы определённой длительности.

1.1 Полевой триод. Краткая характеристика, УГО, принцип управления

Полевой триод - это универсальный полупроводниковый прибор, который может работать в режимах ключа, управляемого сопротивления, усилителя сигналов. Выходным током в ПТ управляют с помощью электрического поля (в отличие от БПТ, где выходной ток управляется входным током).

Различают два вида ПТ: с управляющим переходом и с изолированным затвором. ПТИЗ также бывают двух видов: с индуцированным и с встроенным каналом. ПТ изготавливаются с n- или p-каналом. Канал представляет собой область между истоком и стоком, по которой протекают подвижные заряды (ток).

В общем случае полевые триоды имеют три электрода: затвор, исток и сток. У ПТИЗ имеется четвёртый электрод - подложка. Напряжение U_зи - управляющее (входное), напряжение U_си - управляемое (силовое).

УГО ПТ:

ПТИЗ с индуцированным каналом:

ПТИЗ со встроенным каналом:

ПТ с управляющим p-n переходом:

Через исток подвижные заряды вводятся в канал, через сток уходят во внешнюю среду. Меняя напряжение затвор-исток U_зи, можно изменять ширину сечения канала, т.е. изменять величину I_с - ток стока.

1.2 Транзисторный преобразователь. Описание работы, характеристики, графики

Блок ? схема силовой цепи питания транзисторного преобразователя представлена на рисунке 2:

Рис. 2

Она включает в себя силовой трансформатор Т, выпрямитель сглаживающий фильтр Ф1, импульсный транзисторный преобразователь ТП и нагрузку Н. Питающая сеть и, соответственно, трансформатор могут быть однофазными и трехфазными, выпрямители ? однополупериодными и двухполупериодными.

На рис. 3 показана схема транзисторного преобразователя. ТП состоит из мощного триода V, высокочастотного сглаживающего фильтра L₀C₀ и обратного диода V₀ . Триод работает в режиме ключа (режим D), выполняет функцию регулирующего элемента. Управление триодом осуществляется от серийного ШИМ?контроллера. Обратный диод служит для защиты триода от пробоя при коммутации последнего в процессе работы ТП.

Рис. 3

Триод V перключается с высокой и постоянной частотой f (периодом T) из состояния отсечки (выключен) в состояние насыщения (включен). Интервал периода, в течение которого триод включен называют интервалом импульса или проводимости T_и , интервал выключенного состояния ? паузы T_п .

Рис. 4

В интервале импульса напряжение U₁ практически полностью прикладывается к цепи нагрузки, которая состоит из сглаживающего фильтра L₀C₀ и собственно нагрузки Н. В интервале импульса V₀ смещен обратно и, следовательно, закрыт, а U_v0 ? U₁. При этом в элементах фильтра запасается энергия, а напряжение на нагрузке U₀ постепенно нарастает.

В интервале паузы T_п триод выключен и цепь нагрузки отсечена от источника питания. Теперь функцию источника питания выполняют элементы фильтра. За счет запасенной в L₀ и C₀ энергии диод V₀ смещается прямо, напряжение U_v0 падает практически до нуля , а запасенная энергия поступает в нагрузку , поддерживая постепенно уменьшающееся напряжение U₀. Если частота переключения триода достаточно велика, а фильтр L₀C₀ рассчитан правильно, то уровень пульсации напряжения на нагрузке U₀ небольшой.

Напряжением U₀, током I₀ и мощностью P₀ в нагрузке можно уп ? равлять, изменяя длительность импульсов T_и (рис. 6) . Например, чем больше T_и, или относительная длительность T_и ? T , тем больше U₀, I₀, P₀. Относительную длительность называют коэффициентом заполнения и обозначают K_з = T_и ? T .

2. Разработка и выбор узлов принципиальной схемы системы управления

При выборе триода и диода необходимо обеспечить запас по напряжению и току примерно в 1,5…2 раза относительно максимальных их значений по условию задания. Ориентиром при выборе по напряжению примем U₁ ? 1,1E₁ (выходное напряжение БП по заданию может быть на 10% больше номинального). В свою очередь импульсное значение тока I₁ может быть намного больше среднего значения тока нагрузки I₀ особенно при малых величинах коэффициента заполнения K_з.

2.1 Расчёт элементов и узлов принципиальной схемы управления

2.1.1 Выбор MOSFET

Триод выбираем исходя из условий: максимально допустимое прямое напряжение на триоде U_си ? (1,5…2)•1,1U_ном, максимальный прямой ток I_c ? (1,5…2)•I_ном, частота переключения триода f ? 20кГц.

Заданным параметрам соответствует MOSFET IRF540, производимый несколькими компаниями, в числе которых International Rectifier. Корпус ТО-220. Параметры выбранного полевого триода указаны в таблице:

2.1.2 Выбор обратного диода

В качестве обратного диода выбран диод КД213А. Параметры диода:

В;

А;

;

мА;

1,0 В при А;

2.1.3 Расчёт выходного фильтра

Определяем минимальное значение индуктивности дросселя выходного фильтра. Коэффициент заполнения К_З изменяется в диапазоне 0,5…0,95, поэтому на границе режима разрывных токов примем К_З = 0,5. Пульсация тока при этом ДI_L0 = 2I₀.

Максимальное значение пульсаций на выходе фильтра принимаем равным 1В (ДU₀?1В). Рассчитываем значение ёмкости конденсатора фильтра.

2.2 Описание работы схемы источника питания

В качестве источника питания используется блок питания, который включает в себя трансформатор, однофазный двухполупериодный выпрямитель (диодный мост), сглаживающий фильтр. Трансформатор позволяет понизить (повысить) напряжение до требуемого значения. Выпрямитель преобразует переменное напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора в постоянное (точнее выпрямленное) с большим уровнем пульсации. Фильтр предназначен для сглаживания выпрямленного напряжения.

Напряжение источника питания подаётся как на ТП, так и на схему управления (ШИМ-контроллер). Допустимые пределы напряжения питания ШИМ-контроллера, используемого в схеме +(7…40) В, поэтому для него не требуется дополнительного блока питания.

Схема источника питания приведена на рисунке:

3. Расчёт и построение характеристик ТП проекта

3.1 Расчёт и построение нагрузочных характеристик

Нагрузочные характеристики U₀=f(I₀) строятся по формуле:

Расчёт производится для трёх значений К_З: 0,4; 0,6; 0,8; r_ВН - внутреннее сопротивление источника питания r_ВН=0,5 Ом; R_{СИ. Н} =0,077 Ом - сопротивление триода, R_V0 = 0,1 Ом - сопротивление обратного диода. Результаты вычислений заносим в таблицу:

Строим графики зависимости в одной системе координат:

3.2 Расчёт и построение регулировочной характеристики

Регулировочная характеристика представляет собой зависимость напряжения на нагрузке U₀ от коэффициента заполнения К_З и рассчитывается по формуле:

Результаты вычислений записываем в таблицу:

По таблице строим график нагрузочной характеристики:

4. Перечень элементов схемы управления

Работу схемы управления в проекте выполняет ШИМ-контроллер TL598. Устройство предназначено для управления силовыми приборами с полевым входом. В отличие от TL494 данная модель не требует наличие дополнительного буферного каскада и способна блокировать работу микросхемы при понижении напряжения питания ниже критического уровня (+7В). Функциональная схема контроллера представлена на рисунке:

Питание ШИМ-контроллера подводится к выводам 12 (V_cc) и 7 (GND). Положительный полюс источника подключается к выводу 12, отрицательный -- к выводу 7, общая шина. Допустимые пределы напряжения питания +(7…40) В. При пониженном напряжении за работу контроллера отвечает элемент DA3. В составе функциональной схемы имеется источник опорного напряжения (ИОН) 5 ± 0,25 В, соединенный с выводом 14 (V_REF). Нагрузочная способность ИОН не более 10 мА.

Генератор «пилы» G вырабатывает на внешнем времязадающем конденсаторе C_t, подключенном к выводу 5, напряжение пилообразной формы (пилу) с амплитудой ?3 В. Для дистанционного выключения генератора можно внешним ключом замкнуть вывод 6 на ИОН (вывод 14), или замкнуть вывод 5 на общую шину (GND).

DA1, DA2 - Операционные усилители сигналов ошибки. Входы ОУ, инвертирующие и прямые, соединены с выводами микросхемы 2, 1 (, IN1) и 15, 16 (, IN2) соответственно. Выходы усилителей объединены диодным ИЛИ. Напряжение на объединенном выходе ОУ изменяется в области положительных значений, не превышает обычно 3,5 В. Объединенный выход соединен с выводом 3 (FB) и входом компаратора ошибки СА2.

С помощью вывода 3 (FB) на практике строят цепь общей линейной обратной связи устройства, в котором работает контроллер. Причем, петлей обратной связи будет замкнут только один из ОУ, т. к. выходной сигнал другого блокируется закрытым диодом.

Источник опорного напряжения V_REF (вывод 14), который не показан на функциональной схеме, соединен с входом компаратора DA3. Если в ходе работы напряжение питания микросхемы станет меньше порогового напряжения, равного 6 В, то на выходе DA3 появится сигнал с уровнем логической единицы «лог. 1». Выход DA3 соединен с входами DD4.1, DD4.2, которые реализуют логическую функцию «ИЛИ-НЕ». Если на входах DD4 действует хотя бы один сигнал «лог. 1», то на выходах, при любых сочетаниях логических сигналов на других входах, всегда будет действовать «лог. 0». Низкие уровни напряжения на базах триодов VT1, VT3 переводят последние в состояние отсечки. Таким образом, с помощью DA3 осуществляется блокировка работы выходных каскадов контроллера.

CA1 -- компаратор регулировки «мертвого времени» (t_м.в). На входах СА1 сравниваются напряжение «пилы» U_п и напряжения с вывода регулировки «мертвого времени» DTC (4). Если этот вывод заземлен (замкнут на общую шину, 7), то на прямом входе СА1 действует небольшое, порядка 0,1 В, постоянное напряжение смещения U_см. Сравниваемые напряжения имеют одинаковые знаки.

На прямом и инвертирующем входах компаратора СА2 сравниваются соответственно напряжения ошибки U_c, поступающее с выхода одного из операционных усилителей, и напряжение пилы U_п. Диапазон изменения U_c (0…3,5) В перекрывает амплитуду пилы, поэтому ширина импульса на выходе СА2 может меняться от 0 до Т.

Графики, поясняющие работу компараторов:

DD1, логический элемент «ИЛИ» выполняет функцию логического суммирования выходных сигналов компараторов СА1 и СА2.

DD2 -- Т-триггер (счетный), построенный на основе D-триггера с обратной связью. Является делителем на 2 частоты импульсов, поступающих на счетный вход С. DD3.1, DD3.2 -- двухвходовые ЛЭ «И». Верхние выводы ЛЭ соединены с выводом 13 (выбор режима работы, ОТС). DD4.1, DD4.2 -- трехвходовые ЛЭ «ИЛИ-НЕ». Пара нижних входов, как и счетный вход триггера делителя частоты, соединены с выходом логического сумматора DD1. Пара средних входов соединена с выходами DD3.1, DD3.2. Наконец, пара верхних входов соединена с выходами DA3, который осуществляет блокировку работы микросхемы при чрезмерно низком напряжении питания.

DD5.1, DD5.2 -- логические инверторы «НЕ» реализуют функцию инвертирования логического уровня сигнала поступающего с выходов DD4.1, DD4.2 на базы триодов VT2, VT4 соответственно.

Триоды VT1, VT2 и VT3, VT4 образуют так называемые драйверы внешних ключей. Они оптимизированы для управления внешним биполярным или полевым триодом. Один из триодов драйвера VT1 (VT3) обеспечивает ток управления в открытом состоянии силового ключа, а второй VT2 (VT4) создает низкоомную цепь сброса заряда при закрытии ключа.

Размещено на Allbest.ru