Контрольная работа: Разработка транзисторных преобразователей

Разработка транзисторных преобразователей

Аннотация

трансформатор преобразователь напряжение

Разработка транзисторных преобразователей начинается с анализа требований, которые предъявляются к проектируемому прибору. Основными из них являются: технические, определяющие параметры и качество выходных напряжений преобразователя с учетом характеристик напряжения первичного электропитания; эксплуатационные, определяющие условия работы преобразователя в составе комплекса аппаратуры и требуемую надежность при заданном времени работы и хранения; экономические, определяющие стоимость прибора.

Большинство из предъявляемых требований являются противоречивыми, например, требования минимальной массы и высокой надежности в течение длительного времени работы, минимальных габаритов и стоимости и т. п. Поэтому из предъявляемых требований выделяются основные и принимаются компромиссные решения. Выбор структурной схемы преобразователя проводится в основном по результатам анализа технических требований к параметрам выходных напряжений, их количества и качества.

При электрическом расчете преобразователя необходимо определить режим работы и выбрать транзисторы, рассчитать цепи смещения и определить основные параметры трансформатора. Расчет режима работы транзисторов включает определение токов и напряжений коллекторной и базовой цепей, а также мощность потерь, определяющую температуру нагрева транзистора.

Транзисторы для преобразователя выбираются из условия, что расчетные значения максимального тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер не превышают соответствующих максимально допустимых значений по техническим условиям на данный тип транзистора.

Введение

В устройствах питания большое распространение получили транзисторные преобразователи постоянного напряжения, предназначенные для преобразования энергии источника постоянного тока одного напряжения в постоянный (конвертирование) или переменный (инвертирование) ток другого напряжения.

Преобразователи постоянного напряжения, структурные схемы, которых приведены на рисунке, можно разделить на два типа: преобразователи с самовозбуждением - автогенераторы (рис. 1, а) и усилители мощности (рис. 1, б). Здесь: АГ - автогенераторы, ЗГ - задающий генератор, УМ - усилитель мощности, В - выпрямитель, Ф - фильтр.

Автогенераторы применяются в источниках электропитания небольших мощностей (до 30 ... 50 Вт) или в качестве задающих генераторов в усилителях мощности. С целью повышения КПД автогенераторов за счёт снижения потерь в сердечнике применяются схемы с коммутирующими промежуточными трансформаторами, с RC - или LC - времязадающими цепями.

Усилители мощности выполняются на мощности 30…50 Вт и выше. В случае выхода на постоянном токе на выходе преобразователя устанавливаются выпрямитель и фильтр.

Транзисторы в преобразователях напряжения могут быть включены по схеме с ОБ (общей базой), ОЭ (общим эмиттером) и ОК (общим коллектором). Преимущественное распространение получила схема с ОЭ, как обладающая наибольшим КПД.

1. Расчет выпрямителя

Полупроводниковые диоды малой мощности выбираются соответственно с отраслевым стандартом ОСТ 11 336.919-81. По заданному току нагрузки , частоте преобразования , выпрямленному напряжению  выбираем для выпрямителя диоды Д7Б. Диоды обладают следующими параметрами: максимально допустимый средний ток , прямое падение напряжения , максимально допустимое обратное напряжение , рабочие частоты кГц.

Поскольку в мостовом выпрямителе ток нагрузки протекает через два последовательно соединенных диода, то напряжение на вторичной обмотке трансформатора

.

При питании выпрямителей от прямоугольного напряжения повышенной частоты существенно проявляются инерционные свойства полупроводниковых диодов. В момент коммутации напряжения диоды теряют вентильные свойства, что приводит к изменению характеристик выпрямителей и влияет на процессы, происходящие в транзисторных инверторах, к которым подключены выпрямители.

Для сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяются фильтры. Из-за сложности процессов, происходящих в преобразователе на интервале коммутации, для расчёта фильтров применяем упрощенную методику, основанную на экспериментальных данных.

Определяем расчётное значение ёмкости чисто ёмкостного фильтра:

=

С учётом возможного снижения ёмкости конденсатора при повышении частоты переменной составляющей приложенного к ним напряжения, понижения температуры окружающей среды и за счёт технологического разброса номинального значения ёмкости конденсатора фильтра по сравнению с её расчётным значением

,

где

.

Для полиэтилентерефталатных (металлоплёночных органических) конденсаторов

, , .

, .

Выбираем полиэтилентерефталатный конденсатор К73-11 с номинальными напряжением 63 В и ёмкостью 12 мкФ.

Выпрямитель нагружен на активную нагрузку . Из стандартного ряда выбираем проволочный нагрузочный постоянный резистор С5-37 номинальным сопротивлением 180 Ом и номинальной мощностью 5 Вт. Допустимые отклонения составляют  .

. Расчет преобразователя

Мощность вторичной обмотки трансформатора . В соответствии с рекомендациями для преобразователя с f = 5 кГц выбираем для трансформатора тороидальный ленточный магнитопровод из стали 3423(Э360) с толщиной ленты 0.05 мм.

По графику

определяем КПД трансформатора .

Ток, коммутируемый транзисторами, ориентировочно, не учитывая , определяется по формуле:

Определяем амплитуду напряжения на запертом транзисторе. Для двухтактной схемы преобразователя  

Полученным расчетном значениям тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер удовлетворяет транзистор П214, для которого из справочных данных находим:

;  ;  ;

; ;

С учетом выбранного типа транзистора уточним ток коллектора в соответствии с формулой:

Рассчитаем цепи смещения преобразователя. Для обеспечения надёжного насыщения транзисторов при минимальном коэффициенте передачи ток базы выберем с запасом. Зададимся  и определим ток базы:

Для германиевых транзисторов коэффициент запаса по насыщению  составляет 1,1…1,3. Зададимся =1,2.

Определяем максимально возможное значение тока коллектора:

Зададимся  исходя из того, что напряжение на базовой обмотке равно .

Значение  выбираем из графика

Тогда согласно формуле:

Ом

Выбираем резистор сопротивлением 82 Ом и уточняем  базы в соответствии:

Мощность, выделяемая на резисторах,

Выбираем резисторы С2-23 номинальной мощностью 0,25 Вт .

Падение напряжения на базовом резисторе

Сопротивление резистора смещения определяем по формуле

.

Выбираем резистор сопротивлением 390 Ом и определяем ток, протекающий через резистор :

.

Определяем мощность, выделяемую на резисторе смещения:

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения на выходе преобразователя необходимо, чтобы фронты переменного прямоугольного напряжения имели минимальную длительность. Это можно достичь шунтированием резистора  конденсатором . Ёмкость конденсатора выбираем из условия

Выбираем поликарбонатный конденсатор К77-1-0.22 мкФ5% номинальным напряжением 63 В.

Выбираем резистор С2-24 номинальной мощностью 1 Вт.

Определяем напряжение на половине коллекторной обмотки трансформатора с учетом падения напряжения на транзисторе в режиме насыщения

Полученные значения напряжений и токов используются для расчета трансформатора.

Исходные данные для расчета:; электрические данные обмоток: коллекторной , , базовой , , вторичной , А.

Для определения температуры нагрева транзисторов необходимо вычислить потери мощности в них. В режиме отсечки мощность потерь определяется по формуле:

=

В режиме насыщения мощность потерь определяется по формуле:

= Вт

Для преобразователя с насыщающимися трансформатором коэффициент динамических потерь = 0,5.

Тогда:

Общие потери мощности в транзисторе:

Полученная мощность потерь используется для расчета теплового режима транзисторов и выбора радиатора.

Расчет трансформатора

Рассчитаем габаритную мощность трансформатора:

Определяем произведение площади поперечного сечения стержня на площадь окна трансформатора:

где , ,  выбираем из графиков

Коэффициент заполнения при толщине ленты в 0.05 мм составляет

Магнитопровод из стали Э360 типоразмера ОЛ8/10-2.5 удовлетворяет полученному значению,  и имеет следующие параметры: активное сечении стали , площадь окна , масса магнитопровода  г, коэффициент заполнения .

Рассчитаем количество витков на вольт-ЭДС, индуцируемой в обмотке трансформатора:

Вит./В

Рассчитаем количество витков:

Вит.