Электрический расчет схемы импульсного стабилизатора

1.5.2. Электрический расчет схемы импульсного стабилизатора.

Импульсный стабилизатор напряжения построим по однотактной повышающей схеме без гальванической развязки - rising transducer.

Схему управления построим на контролере UC3842. Его внутренняя структура показана на рис.4.1.

UC3842 — интегральная схема, которая предназначена для управления и контроля работы импульсных стабилизаторов напряжения, построенных по разнообразным однотактным схемам: с гальванической развязкой — однотактной обратно-ходовой и прямоходной схемах, без гальванической развязки — снижающего, повышающего и инвертирующего преобразователей. Микроконтроллер может непосредственно руководить работой силового ключа, контролировать выходное напряжение (стабилизировать его при изменении входного напряжения.)

Рис. 1.5.4. - Структура контролера UC3842.

Данная микросхема имеет следующие возможности:

блокировка работы при перенапряжении;

запуск работы при малых уровнях мощности;

помехоустойчивый усилитель ошибки;

защита от перенапряжения на выходе;

переходный способ функционирования;

схема измерения тока и напряжения;

внутренний генератор.

Организация питания микроконтроллера

Прецензионная ширина запрещенной границы напряжения и тока построена на базе контролера, предназначена, чтобы обеспечить добротную регуляцию. Компаратор перенапряжения с гистерезисом и очень низким током питания позволяет минимизировать схему запуска и питания (рис.4.2а). Питание ИМС берется из вторичной обмотки трансформатора Т3 и стабилизируется стабилитроном до уровня 12В (рис.4.2б).

а) внутренний компаратор по питанию.

б) схема подключения по питанию.

Рис. 1.5.5. Схема организации питания ІМС UC3842.

Тактовый генератор

Тактовый генератор UC3842 (рис. 4.3) рассчитан на работу в частотном диапазоне от 10кГц до 1Мгц. В нашем случае он будет работать на частоте 100кГц, так как это оптимальная частота для работы всего преобразователя.

Рис. 1.5.6. Тактовый генератор, форма напряжения и рабочий цикл.

Рассчитаем значения Rt та Ct:

 (4.1.2)

 (4.1.2)

где: f=100кГц, - заданная рабочая частота.

Ct = 0.01мкФ, - рекомендованное значение емкость, выбирается в пределах 0.001…0.1 мкФ.

Усилитель ошибки и блок датчика перенапряжения.

Вход усилителя ошибки, через отношение двух внешних резисторов, связанных с выходной шиной, что позволяет за счет обратной связи повышать выходное постоянное напряжение, тем самым осуществлять регуляцию напряжения.

Устройство обеспечено эффективной защитой от перенапряжения, реализовано на том же выводе что и регулятор напряжения постоянного тока.

Когда увеличится выходное напряжение, соответственно и увеличится напряжение на выводе 2 IMC. Разностное значение тока протекает через конденсатор. Величина тока определяется внутри микроконтроллера и сравнивается с эталонным значением 40 мкА. Если это значение будет превышено, соответственно это отобразится на управлении работой силового ключа — длительность импульсов открытого состояния ключа становится меньшей, что приводит к снижению выходного напряжения.

Рис. 1.5.7. Усилитель ошибки.

Компаратор тока струму и триггер, который управляет модуляцией переключений

Рис. 1.5.8. Схема компаратора тока.

Компаратор тока постоянно следит за напряжением на резисторе Rs и сравнивает его с опорным напряжением (1В) на другом входе компаратора.

;

;

Выходной буфер ІМС UC3842.

Схема управления являет собой собою выходной буферный каскад, выходной ток этого каскада — ±1А. Этот каскад может управлять работой силового ключа на большой частоте.

Рис. 1.5.9. Выходной буфер UC3842

Расчет элементов импульсного стабилизатора.

Поскольку импульсный стабилизатор состоит из двух одинаковых полуплеч (стабилизатор положительного напряжения и стабилизатор отрицательного напряжения), целесообразно будет посчитать только один из них, и рассчитанные значения элементов перенести на другой. Для расчета выберем стабилизатор положительного напряжения.

Исходные данные для электрического расчета:

- Входное напряжение Uвх = 65...150 В;

- Выходное напряжение Uвых = 150 В;

- Изменение выходного напряжения DU = 5В;

- Выходная мощность Рвых = 300 Вт;

- Частота переключения силового ключа fs = 100 кГц.

Схема корректора мощности приведена на рис.4.8.

Рис. 1.5.10. Схема импульсного стабилизатора

Расчет емкости входного конденсатора

Определим минимальную емкость входного конденсатора С2:

Сin LF ³ Р0 /(2·p·f ·V0·η) (4.10)

где – f – частота переключения силового ключа (100 кГц)

– V0 – выходного напряжение (150 В)

– η=0.9 – прогнозированный КПД преобразователя

– Р0 – выходная мощность – 300 Вт

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

Выбираем к качестве входного конденсатора конденсатор емкостью 330мкФ и рабочим напряжением 400В.

Расчет емкости входного высокочастотного конденсатора

Входной высокочастотный конденсатор фильтра (C4) должен уменьшить шумы, которые возникают при высокочастотных переключениях силового ключа, что в свою очередь вызывает импульсы тока в индуктивности.

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

где – f – частота переключения (100 кГц);

– Іrms – входной высокочастотный ток;

– Vin min – минимальное входное напряжение (65 В);

– r – коэффициент высокочастотных пульсаций входного напряжения, который находится между 3 і 9 %. Принимаем 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.

Выбираем в качестве входного высокочастотного конденсатора конденсатор емкостью 0.01мкФ и рабочим напряжением 400В.

Выходной конденсатор

Определим значение емкости выходного конденсатора:

С0 ³ Р0 /(4·p·V0 ·DV0) (4.10)

где –DV0 – изменение выходного напряжения (5 В)

–f – частота переключения силового ключа ( 100 кГц)

–V0 – выходное напряжение (150 В)

–Р0 – выходная мощность – 300 Вт

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

Выбираем в качестве выходного — конденсатор емкостью 220мкФ и рабочим напряжением 400В.

Расчет катушки индуктивности

Значение индуктивности катушки рассчитывается исходя их необходимой мощности, которая протекает через последнюю, и значения тока пульсаций.

 (4.11)

 (4.12)

где - s - длительность цикла открытия/закрытия силового ключа;

- ІLpk - пиковый токи катушки индуктивности;

- f - частота переключения силового ключа;

- V0 – выходное напряжение.

Длительность цикла ми можем определить по формуле:

 (4.13)

Значение пикового тока, которое протекает через индуктивность можем определить по формуле:

 (4.14)

где - Vin min – минимальное значение входного напряжения (65В),

Следовательно, значение s равняется

s = (150 – 1,41·65)/150 = 0,389 сек

Значение пикового тока:

ІLpk = (2×1,41×300) / 65 = 13 А

Тогда значение индуктивности, которая необходима для работы преобразователя напряжения:

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

Расчет силового ключа.

Выбор управляющего ключа предопределяется максимальным током коллектора, рабочим напряжением и предельной частотой переключения.

Так как у нас максимальный ток, который будет протекать через транзистор составляет 13 А, рабочее напряжение до 200 В, а частота переключений составляет 100 кГц, в качестве силового ключа выбираем полевой транзистор К1531.

Его параметры следующие:

- Максимальное напряжение Uсе – 400 В;

- Постоянный ток коллектора при Т = 1000С Iс – 27 А;

- Падение напряжения в открытом состоянии Uсе – 1,65 В;

- Максимальна частота переключений – 160 кГц.

Рассчитаем, какая же мощность будет рассеваться на транзисторе.

Формула расчета потерь следующая:

Р = Iс2·Rсе (4.15)

Rсе – падение напряжения транзистора в открытом состоянии (0.14 Ом)

Iс – ток, который протекает через транзистор (13А – из расчета максимального пульсирующего тока в катушке индуктивности).

Следовательно, потери транзистора в открытом состоянии составляют

РIGBT = 13·0.14 = 23.6 Вт.

Расчет выходных диодов.

Максимальное значение среднего тока, исходя из значения мощности, которая должна передаваться в нагрузку – 300 Вт.

Можно рассчитать:

І = P/U

І = 300/150 = 2A

Диоды выбираем из следующих условий, которые гарантируют надежную работу

ІDm ≥ 1,2Імакс

UDm ≥ 1,2Uмакс

Следовательно, исходя из этих расчетов, выбираем в качестве выходных диодов, диод типа MUR860. Параметры диода следующие:

Максимальное обратное напряжение – 500 В;

Максимальный рабочий ток – 8 А;

Максимальная допустимая температура диода – 150 0С.

Похожие работы

Интеллектуальные UPS (Источники бесперебойного питания)

Скачать

23546

4

21

... уменьшению ресурса этих частей ИБП, усложнению схемы и бесполезному расходу энергии (ведь стопроцентного КПД не бывает). -Не беда - скажем мы, и придумаем другую схему источника бесперебойного питания. ИБП с переключением (англ. – standby UPS или off-line UPS) Попытаемся использовать приятные моменты, когда напряжение в электрической сети "нормальное" (не разбираясь сейчас, что это значит). В это ...

Назначение источников бесперебойного питания

Скачать

37849

4

0

... при проведении ремонтов и регулировок без от­ключения питания электроприемников; ·           перевод нагрузки с инвертора на байпас при возникновении перегрузок и ко­ротких замыканий на выходе источника бесперебойного питания; ·           перевод нагрузки с инвертора на байпас при удовлетворительном КЭ в питаю­щей сети с целью снижения потерь электроэнергии в ИБП (econom mode - экономичный ...

Источник бесперебойного питания мощностью 600 Вт

Скачать

131229

42

32

... і вказівки до дипломного проектування для студентів спеціальності “Радіотехніка” /Укл. В.О.Дмитрук, В.В.Лисак, С.М.Савченко, В.І.Правда. – К.: КПІ, 1993. – 20 с. 8.   Костиков В.Г., Парфенов Е.М., Шахнов В.А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для вузов. – 2-е изд. – М.: Горячая линия – Телеком, 2001. – 344 с.: ил. 9.   Перельман Б.Л. ...

Источник бесперебойного питания с двойным преобразованием

Скачать

38797

4

12

... исключительное качество и надежность питания цепей нагрузки, превосходит аналоги по параметрам, надежности и окупаемости капиталовложений. Liebert NX источник бесперебойный питание энергия Характеристики модели: Система Liebert NX – ИБП нового поколения с двойным преобразованием и цифровым управлением, работающая в режиме "True On–Line". Имеет нулевое время переключения в режим работы от ...