керованому стабілітроні TL431.

       Знайдемо величину опору резистору R56:

,

де R57=4,99кОм, а R58=5кОм – рекомендовані значення з таблиці характеристик TL431.

       Визначимо опір резистора R54:

,;

Рис. 1.5.3. Структурна схема всієї ланки зв’язку.

Розрахуємо перехідні характеристики схеми.

       Внутрішній коефіцієнт передачі DA2:

;

       Внутрішній коефіцієнт передачі дільника ланки зворотнього зв’язку :

;

       Знайдемо коефіцієнт передачі силової частини:

;

,

де ZPWM – крутизна характеристики  ΔVFB / ΔlD;

       Коефіцієнт передачі вихідного фільтра:

,

де RESR – ємнісний опір конденсатора.

       Коефіцієнт передачі ланки регулятора:

;

       Перехідні характеристики при мінімальному та максимальному навантаженні :

       Визначимо вихідний опір блока живлення при максимальному навантаженні:

;

       Визначимо вихідний опір блока живлення при мінімальному навантаженні:

;

       Знайдемо частоту зрізу при максимальному навантаженні:

,

       а також мінімальному навантаженні:

;

       Коефіцієнт передачі ланки зворотнього зв’язку :

, ;

       Коефіцієнт передачі дільника ланки зворотнього зв’язку:

 ;

       Вихідний імпеданс на відрізку часу t­on:

;

;

       Коефіцієнт передачі на граничній частоті:

,

де: RL=3,6Ом – вихідний індуктивний опір, LP=12,6мкГн – індуктивність первинної обмотки трансформатора, fg=3000Гц – частота на якій проводиться розрахунок, f0=76,18 – гранична частота при максимальному навантаженні .

;

;

       Загальний коефіцієнт передачі:

;

Оскільки GS(ω)+Gr(ω)=0, то:

;

       Звідси знайдемо коефіцієнт передачі ланки регулятора:

Gr(ω)=0-(- GS(ω))=17,2дБ;

       Коефіцієнт передачі регулятора:

;

;

       Звідси знайдемо опір резистора R55:

       Нижня частота передачі ланки зворотнього зв’язку при C37=0:

;

       Знайдемо ємність конденсатора C37:

;

1.5.2. Електричний розрахунок схеми імпульсного стабілізатора.

Імпульсний стабілізатор напруги побудуємо по однотактній підвищуючій схемі без гальванічної розвязки -  rising transducer.

Схему керування побудуємо на контролері UC3842. Його внутрішня структура показана на рис.4.1.

UC3842 - інтегральна схема, яка призначена для  управління и контролю роботи імпульсних стабілізаторів напруги побудованих по різноманітних однотактних схемах: з гальванічною розвязкою  - однотактній зворотньоходовій та прямоходовій схемах, без гальванічної розвязки – понижаючого , повишаючого та інвертуючого перетворювачів. Мікроконтролер може безпосередньо керувати роботою силового ключа, контролювати вихідну напругу (стабілізувати її при зміні вхідної напруги.)

Рис. 1.5.4. - Структура контролера UC3842.

Дана мікросхема  має наступні можливості:

- блокування роботи при перенапрузі;

- запуск роботи при малому рівні потужності;

-                     стійкий підсилювач помилки;

-                     захист від перенапруги на виході;

-                     перехідний спосіб функціонування;

-                     схема вимірювання струму та напруги;

-                     внутрішній генератор.

Організація живлення мікроконтролера

Прецензійна ширини забороненої межі напруги та струму побудована в середині контролера, щоб  гарантувати добре регулювання. Компаратор перенапруження з  гістерезисом и дуже низьким струмом живлення дозволяє мінімізувати схему запуску та живлення рис.4.2а. Живлення ІМС  береться з вторинної обмотки трансформатора Т3 та стабілізується стабілітроном  до рівня  12В рис.4.2б.

а) внутрішній компаратор по живленні.

б) схема підключення по живленні.

Рис. 1.5.5. Схема організації живлення ІМС UC3842.

Тактовий генератор

Тактовий генератор UC3842  (рис. 4.3 ) розрахований на роботу в частотному діапазоні від 10кГц до 1Мгц. В нашому випадку він працюватиме на частоті 100кГц, так як це оптимальна частота для роботи всього перетворювача.

Рис. 1.5.6. Тактовий генератор, форма напруги та робочий цикл.

Розрахуємо значення Rt та Ct:

                                                          (4.1.2)

                                                          (4.1.2)

де:  f=100кГц,  - задана робоча частота.

       Ct = 0.01мкФ, - рекомендоване значення ємності, вибирається в межах 0.001…0.1 мкФ.

Підсилювач помилки і блок датчика перенапруги.

Вхід підсилювача помилки, через відношення двох зовнішніх резисторів, зв'язаних з вихідною шиною, що дозволяє за рахунок зворотного зв'язку підвищувати вихідну постійну напругу тим самим здійснювати  регулювання напруги.

Пристрій забезпечено ефективним захистом від перенапруження, реалізовано на тому ж виводі що й  регулятор напруги постійного струму.

Коли збільшиться  вихідна напруга, відповідно і збільшиться напруга на виводі 2 IMC. Різницеве значення струму протікає  через конденсатор. Величина струму визначається всередині мікроконтролера і порівнюється з еталонним значенням 40 мкА. Якщо значення буде перевищено то відповідно це відобразиться на керуванні роботою силового ключа, тривалість імпульсів відкритого стану ключа стає меншим, що призводить до зниження вихідної напруги.

Рис. 1.5.7. Підсилювач помилки.

Компаратор струму  и тригер який керує модуляцією перемикань

                               Рис. 1.5.8. Схема компаратора струму.

Компаратор струму постійно слідкує за напругою на резисторі Rs і порівнює її з опорною напругою (1В) на іншому вході компаратора.

;

;

Вихідний буфер ІМС UC3842.

Схема керування являє собою вихідний буферний каскад, вихідний струм цього каскаду  - ±1А. Цей каскад може керувати роботою силового ключа  на великій частоті.

Рис. 1.5.9. Вихідний буфер UC3842

Розрахунок елементів імпульсного стабілізатора.

Оскільки імпульсний стабілізатор складається з двох однакових пів плеч (стабілізатор додатної напруги та стабілізатор відємної напруги )то доцільно буде порахувати тільки  один із них, розраховані значення елементів перенести на інший. Для розрахунку виберемо стабілізатор додатної напруги.

Вихідні дані для розрахунку для електричного розрахунку:

- Вхідна напруга Uвх = 65...150 В;

          - Вихідна напруга Uвих = 150 В;

         - Зміна вихідної напруги DU = 5В;

- Вихідна потужність Рвих = 300 Вт;

- Частота перемикання силового ключа fs = 100 кГц.

Схема коректора потужності приведена на рис.4.8.

Рис. 1.5.10. Схема імпульсного стабіліатора

Розрахунок ємності вхідного конденсатора

Визначимо мінімальну ємність вхідного конденсатора С2:

Сin LF ³ Р0 /(2·p·f ·V0·η)                                                  (4.10)

де - f – частота перемикання силового ключа (100 кГц)

     - V0  - вихідна напруга (150 В)

     - η=0.9 - прогнозований ККД перетворювача

     - Р0 – вихідна потужність – 300 Вт

                                  Сin LF  = 300 / (2·3,14·25000·0.9·150) =82.7 мкФ

Вибираємо в якості вхідного конденсатора конденсатор ємністю 330мкФ і робочою напругою 400В

Розрахунок ємності  вхідного високочастотного  конденсатора

Вхідний високочастотний конденсатор фільтра (C4) повинен зменшити шуми, які виникають при високочастотних перемиканнях силового ключа, що в свою чергу викликає імпульси струму в індуктивності.

Cin HF = Irms /(2·p·f·r·Vin min)                                                 (4.7)

      де  - f - частота перемикання (100 кГц);

           - Іrms  - вхідний високочастотний  струм;

- Vin min – мінімальна вхідна напруга (65 В);

- r – коефіцієнт високочастотних пульсацій вхідної напруги, який знаходиться між 3 і 9 %. Приймаємо r = 7%.

Іrms = Рout / Uin min;                                                         (4.8)

Іrms = 300 / 65 = 4,64 А;

        Сin = 4,64/(2×3,14×100000×7×65) = 0.0065 мкФ.     

Вибираємо в якості вхідного високочастотного конденсатора конденсатор ємністю 0.01мкФ і робочою напругою 400В

Вихідний конденсатор

Визначимо значення ємності вихідного конденсатора:

С0 ³ Р0 /(4·p·V0 ·DV0)                                                  (4.10)

де - DV0 – зміна вихідної напруги (5 В)

     - f – частота перемикання силового ключа ( 100 кГц)

     - V0  - вихідна напруга (150 В)

     - Р0 – вихідна потужність – 300 Вт

                                  С0 = 300 / 4·3,14·100000·5·150 =63.7 мкФ

Вибираємо в якості вихідного конденсатор ємністю 220мкФ і робочою напругою 400В

Розрахунок котушки індуктивності

Значення індуктивності котушки розраховується з необхідної потужності яка протікає через останню, і значенню струму пульсацій.

                                                                   (4.11)

                                  (4.12)

де - s - тривалість циклу відкриття, закриття силового ключа;

     - ІLpk -  піковий струм котушки індуктивності;

     - f - частота перемикання силового ключа;

     - V0 – вихідна напруга.

Тривалість циклу ми можемо визначити за формулою

                                                                           (4.13)

Значення пікового струму який протікає через індуктивність можемо визначити за формулою:

                                                                          (4.14)

де - Vin min – мінімальне значення  вхідної напруги (65В),

Отже значення s дорівнює

                  s = (150 – 1,41·65)/150 = 0,389 сек

Значення пікового струму становитиме:

              ІLpk = (2×1,41×300) / 65 = 13 А

Тоді значення індуктивності яка необхідна для роботи перетворювача напруги:

L = (2·300·0,389)/(132·100000) = 15 мкГн.

Розрахунок силового ключа.

Вибір керуючого ключа зумовлюється максимальним струмом колектора, робочою напругою та граничною частотою перемикання.

Так як в нас максимальний струм який протікатиме через транзистор складає 13 А, робоча напруга до 200 В, а частота перемикань складає 100 кГц в  якості силового ключа обираємо польовийтранзистор К1531.

Його параметри наступні:

- Максимальна напруга Uсе  - 400 В;

- Постійний струм колектора при Т = 1000С  Іс – 27 А;

- Падіння напруги в відкритому стані Uсе – 1,65 В;

- Максимальна частота перемикань – 160 кГц.

Розрахуємо яка ж потужність буде розсіюватись на транзисторі.

Формула розрахунку втрат наступна    

Р = Іс 2·Rсе                                                  (4.15)

Rсе – падіння напруги транзистора в відкритому стані (0.14 Ом)

Іс – струм який протікає через транзистор (13А – з розрахунку максимального пульсуючого струму в котушці індуктивності).

Отже втрати транзистора в відкритому стані становлять

РIGBT = 13·0.14 = 23.6 Вт.

Розрахунок вихідних діодів.

Максимальне значення середнього струму виходячи з значення потужності яка має передаватися в навантаження – 300 Вт.

Можна розрахувати:

І =  P/U 

І = 300/150 = 2A

Діоди вибираємо з наступних умов, що гарантують надійну роботу

ІDm ≥ 1,2Імакс

UDm ≥ 1,2Uмакс

Отже виходячи з цих розрахунків обираємо в якості вихідних діодів діод типу MUR860. Параметри діода наступні:

Максимальна зворотна напруга – 500 В;

Максимальний робочий струм – 8 А;

Максимальна допустима температура діода – 1500С.

1.5.3. Електричний розрахунок вхідного та вихідного фільтрів.

Природа та джерела електричного шуму.

          Боротьба з генеруванням та випромінюванням високочастотного шуму – один із загадкових „чорних ящиків” в проектуванні імпульсних джерел живлення та кінцевого виробу.

          Шум створюється всюди, де мають місце швидкі переходи в сигналах напруги чи струму. Багато сигналів, особливо в імпульсних перетворювачах напруги, є періодичними, тобто, сигнал, що містить імпульси з ВЧ фронтами, повторюється з передбачуваною частотою слідування імпульсів (pulse repetition frequency, PRF). Для імпульсів прямокутної форми значення цього періоду визначає основну частоту самої хвилі. Перетворення Фур’є хвилі прямокутної форми створює множину гармонік цієї основної частоти подвійного значення часу переднього чи заднього фронту імпульсів. Це типово в мегагерцовому діапазоні, і гармоніки можуть досягнути дуже високих частот.

          В імпульсних перетворювачах напруги з ШІМ ширина імпульсів постійно змінюється у відповідь на вихідне навантаження та вхідну напругу. В результаті отримуємо майже розподіл енергії білого шуму з окремими піками і зменшенням амплітуди з підвищенням частоти.

          Кондуктивний шум (тобто, шумові струми, що виходять з корпусу приладу через лінії живлення ) може появлятись у двох формах: синфазних завад (common-mode) і завад при диференціальному включенні (differential-mode). Синфазні завади – це шум, який виходить із корпусу тільки по лініям електроживлення, а не лініях заземлення. Завади, при диференціальному включенні – це шум, який можна виміряти тільки між лінією і одним із виводів живлення. Шумові струми фактично витікають через вивід заземлення.

Типові джерела шуму.

          Існує декілька основних джерел шуму всередині імпульсного перетворювача напруги з ШІМ, що і створюють більшу частину випромінюваного і кондуктивного шуму.

          Джерела шуму є частиною щумових контурів, що представляють собою з’єднання на друкованій платі між споживачами ВЧ струму і джерелами струму. Головним джерелом шуму є вхідна схема живлення, що включає в себе ключ, первинну обмотку трансформатора  та комденсатор вхідного фільтра. Конденсатор вхідного фільтра забезпечує трапецеїдальні сигнали струму, необхідні для перетворення напруги, оскільки вхідна лінія завжди добре фільтрується з смугою пропускання , яка набагато нижча робочої частоти перетворювача напруги. Конденсатор вхідного фільтра та ключ повинні розміщуватися близько біля трансформатора, щоб мінізувати дожину з’єднань. Крім цього, оскільки електролітичні конденсатори мають погані ВЧ характеристики, паралельно їм повинний бути включений керамічний чи плівковий.

          Чим гірші характеристики конденсатора вхідного фільтра, тим  більше енергію ВЧ струму буде забирати блок із силової лінії, що приведе до виникнення кондуктивних синфазних електормагнітних завад.

          Другим основним джерелом шуму є контур, що складається з вихідних діодів, конденсатора вихідного фільтра і вторинних обмоток трансформатора. Між цими компонентами протікають трапецеподібні струми великої амплітуди. Конденсатор вихідного фільтра і випрямляч необхідно розміщувати як можна ближче до трансформатора; для мінімалізації випромінюваного струму. Це джерело також створює синфазні кондуктивні завади, головним чином, на вихідних лініях джерела живлення.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14