Расчет импульсного источника вторичного электропитания

                          

где m = 2 для однофазной сети переменного напряжения.

Учитывая, что обычно емкость электролитических  конденсаторов имеет технологический  разброс 20%, из номинального ряда емкостей выбираем: С_нч =47 мкФ.

Максимальное напряжение на этом конденсаторе:

                                          U_{с нч макс} = Е_{п макс} = 353 В

Из номинального ряда напряжений выбираем конденсатор с максимально допустимым напряжением 450 В, а по справочнику  выбираем тип конденсатора: К50-26, U_н = 450 В, С_н = 47 мкФ.

4) Рассчитываем максимальную скважность g_макс импульсов U_у, управляющих работой МДП транзистора VT_s:

                             

где U_{си откр} – падение напряжения на открытом транзисторе VT_s, принимается равным U_{си откр} = 2…5 В

5) Рассчитываем силовой трансформатор TV.

а) Максимальный ток первичной обмотки w₁:

                                            

б) Действующее значение тока обмотки w₁:

                                                   

в) Коэффициент трансформации силового трансформатора:

                     

где U_{д пр} – прямое падение напряжения на диоде VD_в.

г) Действующее значение тока вторичной  обмотки w₂ и диода VD_в:

                                           

Действующее значение тока в обмотке  управления w_су не рассчитывается в силу его малости.

д) Индуктивность первичной обмотки w₁ трансформатора TV:

                                                     

е) Определяем число витков первичной  обмотки w₁. Из данных прил. 1  предварительно выбираем магнитопровод МП140 2´(К24´13´7). Для него средняя длина силовой линии l_ср = 5,8 см, площадь поперечного сечения сердечника равна S_с = 0,385 см², магнитная проницаемость m = 140 .

                               

Полученный результат следует  округлить до ближайшего целого и  желательно четного числа, поэтому w₁ = 48 вит.

Приращение рабочей индукции в  сердечнике магнитопровода за время  действия импульса тока первичной обмотки:

                      

Индукция насыщения материала  сердечника МП140 равна В_нас = 0,65 Тл. Она больше, чем рассчитанное приращение DВ, поэтому можно сделать вывод о том, что типоразмер магнитопровода выбран верно. Тем не менее величина индукции весьма велика (более, чем 0,3 Тл), поэтому при макетировании схемы потребуется экспериментальная проверка теплового режима работы трансформатора TV из-за увеличенных потерь на гистерезис.

 

ж) Определяем коэффициент трансформации  обмотки w_су питания схемы управления по отношению к обмотке w₁.

               

где U_су = 14 В – напряжение питания DA_су; U_{д су} – прямое падение напряжения на диоде VD_су.

и) Определяем число витков обмоток  трансформатора TV.

                                                                

Выбираем w₂ = 11 витков.

                                                               

Выбираем w_су = 10 витков.

к) Определяем диаметр проводов обмоток  и потери мощности в обмотках трансформатора.

Для уменьшения индуктивности рассеяния L_s необходимо равномерное распределение обмоток по поверхности тороидального магнитопровода и расположение их друг над другом с минимальным расстоянием. То есть толщина изоляции между обмотками должна быть минимальной. В рассматриваемом случае обмотку w₁ наматывают первой и далее наматывают обмотку w₂:

– диаметр провода с изоляцией  определяют исходя из условия расположения обмотки w₁ виток к витку по внутренней окружности сердечника в один слой:

                                                              

где d – внутренний диаметр выбранного сердечника магнитопровода. Геометрические и электрические параметры тороидальных магнитопроводов типа МП приведены в Приложении 1.

Справочные данные по обмоточным проводам приведены в Приложении 3, откуда выбираем провод ПЭТВ-2 первичной обмотки. Его диаметр без изоляции равен d_1пр = 0,86 мм, сечение провода S_1пр = 0,5809 мм², а сопротивление 1 м провода (погонное сопротивление) – r_1пог = 0,0297 Ом/м;

– определяем плотность тока в  проводе обмотки w₁:

                                                               

что удовлетворяет требуемой общепринятой норме:  j_макс = 4 А/мм².

– длина провода первичной обмотки

                      

то  есть l_1пр = 1,2 м;

– потери мощности в проводе обмотки w₁:

                                  

Очевидно, что столь малыми потерями мощности можно пренебречь;

– диаметр провода без изоляции вторичной обмотки

                                                 

Из данных таблицы Приложения 3 по диаметру d_2пр выбираем провод ПЭТВ-2 – 2,39мм. Его поперечное сечение S_2пр =4,012мм², а погонное сопротивление r_2пог = 0,00437Ом/м;

– с учетом наличия на сердечнике обмотки w₁ и межобмоточной изоляции длина провода вторичной обмотки находится

                                 

то  есть l_2пр = 0,594 м;

– потери мощности в проводе вторичной  обмотки

             ;           

– так как ток, протекающий по обмотке w_су, не превышает 10…20 миллиампер, то есть весьма мал, то для нее из таблицы Приложения 3 выбираем провод ПЭТВ-2 – 0,1 и расчета потерь мощности не делаем;

– вычисление потерь мощности в магнитопроводе является довольно сложной задачей. На этапе расчета эти потери считают  равными потерями в проводах обмоток, то есть полные потери мощности в трансформаторе равны

                  Р_TV = 2(Р_1пр + Р_2пр) = 2´(0,083 + 0,65) = 1,466 Вт.

6) Выбираем тип транзистора VT_s и его энергетические характеристики.

а) Действующее значение тока стока  транзистора равно току первичной  обмотки w₁: I_w1 = I_с = 1,53 А. Максимум напряжения сток-исток транзистора будет иметь место непосредственно после его запирания.

                    

где U_Ls – напряжение, вызванное накоплением тока в индуктивности рассеяния обмоток TV. На предварительном этапе расчета принимается: U_Ls = 25 В.

На основании расчетов по величинам U_{си макс} и I_с и в соответствии с данными Приложения 4 выбираем транзистор КП726Б, у которого U_{си макс} = 600 В, I_{с макс} = 4,5 А, R_{си откр} = 1,6 Ом, Р_макс = 75 Вт.

б) Статические потери мощности в  транзисторе составляют:

                                     

где R_{си откр} – сопротивление транзистора VT_s  в открытом состоянии при температуре +25^оС; Т_п = 120^оС – максимальная температура перехода транзистора; Т_окр = 50^оС – максимальная температура окружающей среды.

в) Поскольку рассчитываемый преобразователь  предназначен для работы в режиме ПТ, то коммутационными потерями мощности, вызванными наличием импульса тока I_{с макс и}, можно пренебречь.

Потери мощности при выключении транзистора VT_s зависят от времени спада тока стока (t_сп), которое, в свою очередь, определяется временными и амплитудными параметрами сигнала U_у, формируемого схемой управления. Практически для выбранной элементной базы можно принять, что: t_сп = 100…200 нс.

Ориентировочно потери мощности при  выключении транзистора VT_s определяются:

                                

г) Суммарная мощность, рассеиваемая транзистором VT_s :

          Р_{VTs S} = Р_{VTs ст} + Р_{VTs выкл} = 5,4+ 9,19 = 14,6 Вт

7) Выбираем выпрямительный диод VD_в.

а) Действующее значение тока диода VD_в равно току вторичной обмотки: I_w2 = I_в = 13,5 А. Обратное напряжение на диоде:

                                    

б) Критерии выбора диода те же, что  и для транзистора. Поскольку  через диод протекает значительный ток, то его следует выбирать с  бóльшим запасом. Это позволит уменьшить  размеры теплоотвода. Руководствуясь этим, выбираем диодную сборку КДС636БС, которая представляет собой два диода Шоттки с общим катодом. Она имеет: обратное напряжение U_{д обр} = 120 В и максимальный прямой ток – I_{д макс} =15 А. Время восстановления обратного сопротивления – t_восст = 80 нс. Падение напряжения на этой диодной сборке равно: U_{д пр} = 1,2 В.

в) Статические потери мощности на диоде VD_в:

                           Р_{д ст} = U_{д пр}I_w2 = 1,2´15,85 = 19 Вт.                              

Поскольку преобразователь работает в режиме ПТ, то коммутационными  потерями мощности, вызванными наличием импульса тока I_{в обр} в режиме НТ, можно пренебречь. Этому же способствует тот факт, что в качестве VD_в используется сборка из диодов Шоттки. Поэтому полные потери мощности диода равны Р_{д ст}.

8) Определяем параметры элементов  схемы управления.

а) Рассчитываем сопротивление резистора  запуска ИВЭП – R_ст1. Через этот резистор протекает ток заряда конденсаторов С_су1, С_су2, С_су3 и ток запуска ИМС DA_су, равный 0,5 мА. Напряжение запуска ИМС составляет 16 В. Предположим, что требуемый суммарный ток запуска I_зап равен удвоенному току запуска 1,0 мА, тогда схема будет надежно запускаться, если сопротивление резистора R_ст1 равно

                                                   

Ближайшим из стандартного ряда является резистор сопротивлением 91 кОм. Следовательно, R_ст1 = 91 кОм. Мощность, рассеиваемая этим резистором при максимальном напряжении Е_п, составляет

                                         

б) Определяем параметры элементов  цепи защиты силового транзистора VT_s от перегрузки по току: R_т1, R_т2 и R_т3.

Сопротивление открытого транзистора VT_s типа КП726Б, используемое при расчете потерь мощности, приведено для наихудшего случая. При определении параметров элементов цепи защиты по току целесообразнее руководствоваться типовым значением сопротивления, которое, как правило, лежит в пределах 0,5…0,8 от максимального. Напряжение на выводе 3 ИМС – U_{3 ИМС}, равное падению напряжения на сопротивлении резистора R_т3, при котором начинается ограничение длительности импульса U_у, составляет 1 В. Исходя из того, что амплитуда импульса тока, протекающего через резистор R_т3, должна находиться в пределах 0,5…1,0 мА, выбираем его сопротивление равным 1,2 кОм. В качестве диода VD_т применяем широко распространенный диод маломощный диод типа КД522Б. Считая прямое падение напряжения на диоде VD_т, равным 0,6 В, найдем сопротивление резистора R_т2:

                                      

Из номинального ряда сопротивлений  выбираем: R_т2 = 6,2 кОм.

Меньшее значение сопротивления R_т1 рассчитаем исходя из того, что протекающий через него ток I_{т1 макс} не должен превышать 10 мА при номинальном напряжении питания схемы управления и при минимальном падении напряжения на силовом транзисторе VT_s и диоде VD_т. Максимальное сопротивление резистора R_т1 выбирается таким, чтобы при напряжении на выводе 7 ИМС, близком к напряжению её выключения U_выкл = 10 В и при максимальном напряжении на открытом транзисторе VT_s,  диод VD_т был открыт. Следовательно:

                                   

Подстановка численных значений дает:

                                      

и после вычислений получим

                                                                          

Из полученного диапазона и  известного номинального ряда сопротивлений  выбираем резистор R_т1 = 3,3 кОм.

в) Рассчитываем сопротивление резистора R_у в цепи управляющих импульсов U_у (в цепи затвора транзистора VT_s).