Електричний розрахунок схеми імпульсного стабілізатора

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 U_вх = 65...150 В;

- Вихідна напруга U_вих = 150 В;

- Зміна вихідної напруги DU = 5В;

- Вихідна потужність Р_вих = 300 Вт;

- Частота перемикання силового ключа f_s = 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:

С_{in 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

 С_{in 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.

C_{in HF} = I_rms /(2·p·f·r·V_{in min}) (4.7)

де - f - частота перемикання (100 кГц);

- І_rms  - вхідний високочастотний струм;

- V_{in min} – мінімальна вхідна напруга (65 В);

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

І_rms = Р_out / U_{in min}; (4.8)

І_rms = 300 / 65 = 4,64 А;

С_in = 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;

- І_Lpk - 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 - V_{in min} – мінімальне значення вхідної напруги (65В),

Отже значення s дорівнює

s = (150 – 1,41·65)/150 = 0,389 сек

Значення пікового струму становитиме:

 І_Lpk = (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 U_се  - 400 В;

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

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

- Максимальна частота перемикань – 160 кГц.

Розрахуємо яка ж потужність буде розсіюватись на транзисторі.

Формула розрахунку втрат наступна

Р = І_с²·R_се (4.15)

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

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

Отже втрати транзистора в відкритому стані становлять

 

Р_IGBT = 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

І_Dm ≥ 1,2Імакс

U_Dm ≥ 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.