Расчет потерь мощности и кпд преобразователя

В этой схеме потери мощности выделяются на дросселе, ΔР_др, на транзисторе, ΔР_VT, и на диоде, ΔР_VD.

При номинальном токе нагрузки и номинальном коэффициенте скважности, γ_N, потери мощности на активном сопротивлении обмотки дросселя составят:

ΔР_др = I_др² R_L =[I_нг/(1- γ_N)] ² R_L =[8/(1-0,55)] ² •0,008= 2,53 Вт.

Потери на транзисторе имеют две составляющие – статические потери,

ΔР_{VT ст}, и динамические, ΔР_{VT дин}:

ΔР_{VT ст} = ΔU_кэ.нас I_{VT ср} = ΔU_кэ.нас [(I_нг γ_N)/( 1- γ_N)]= 1•9,77=9,77 Вт;

ΔР_{VT дин} = U_НГ I_{VT ср}f_р(t_вкл+t_выкл)/2=24•9,77 •5000•5,7•10^-6/2=3,34 Вт.

Итак, суммарные потери мощности на транзисторе ΔР_VT =13,1 Вт.

Потери мощности на диоде

ΔР_VD=ΔU_в.пр I_VD =1•8= 8 Вт.

Итак, суммарные потери мощности равны 23,64 Вт.

Определим КПД η спроектированного преобразователя при номинальном режиме работы:

η=192/(192+23,64)=0,89.

Расчет площади радиатора для отвода тепла, выделяемого транзистором, проводится по методике, приведенной в подразд. 1.5.

Расчет величины емкости фильтра

Амплитуду пульсаций напряжения нагрузки U_п определим по формуле (54)

ΔU_С = U_п = (I_нгγ)/(f С_ф),

откуда емкость фильтра

C_ф= I_нгγ/( f U_п).

Допустимую величину амплитуды пульсаций напряжения нагрузки определим по данным задания на проектирование:

U_п=k_п2U_нг=0,005•24=0,12 В.

Определим требуемую величину емкости фильтра

С_ф =8•0,55/(5000•0,12)=7333 мкФ.

Размах отклонения тока дросселя ΔI_L равен размаху отклонения тока конденсатора ΔI_C.

Определим, воспользовавшись формулой (39), размах отклонения тока дросселя ΔI_L с учетом индуктивности выбранного дросселя и коэффициента скважности γ=γ_N и номинального значения входного напряжения U_{вх N}=12 В:

ΔI_L=I_max-I_min=(U_вх γ)/(Lf)=12•0,55/(100•10^-6•5000)=13,2 А.

Действующее значение этого тока согласно [4]:

Выбираем конденсатор С_ф по справочным данным табл.32 – четыре конденсатора типа EXR, параметры каждого из которых:

номинальное значение емкости С_N= 2200 мкФ;

номинальное значение напряжения U_N=50 В;

допустимое действующее значение переменной составляющей тока I_пер.д.з=3,32/1,41=2,35А;

r_С=0,037 Ом.

При параллельном соединении четырех конденсаторов получим:

результирующую емкость С=8800 мкФ;

результирующее допустимое действующее значение переменной составляющей тока I_{С пер.д.з}=2,35•4=9,41 А;

результирующее внутреннее активное сопротивление конденсатора

r_{С 2}=0,037/4=0,0092 Ом.

Сравнивая значения I_пер.д.з и ΔI_Lд.з между собой, можно видеть, что выбранный конденсатор имеет достаточный запас по току.

Определим величину падения напряжения на внутреннем активном сопротивлении конденсатора от переменной составляющей тока ΔI_L

ΔU_{С2 пар}= ΔI_L r_{С 2} =13,2•0,0092=0,122 В,

а полный размах пульсации выходного напряжения на полном сопротивлении конденсатора

ххх

Амплитуда полуволны пульсаций напряжения U_п2/2=0,065 В. Коэффициент пульсации напряжения нагрузки, k_п2, определяется отношением U_п2/2 к среднему значению напряжения нагрузки, т.е.

k_п2= U_п2/(2U_нг)=0,065/24=2,7•10^-3= 0,0027.

Заданием на проект величина k_п2 определена равной 0,005. Величина коэффициента пульсации рассчитанного фильтра меньше требуемой величины k_п2. Следовательно, фильтр полностью удовлетворяет требование задания по ограничению пульсаций выходного напряжения.

Проведем проверку фильтра на резонанс. Необходимо, чтобы частота собственных колебаний фильтра ω_с.к была бы меньше половины частоты пульсаций напряжения ω_п, т.е.

ω_с.к < ½ ω_п.

ω_п = 2πf_р = 6,28•5000 = 31400 с^-1;

1066 с^-1 < 15700 с^-1 .

Условие отсутствия резонанса выполнено. Параметры фильтра выбраны правильно.

Построим регулировочную характеристику спроектированного преобразователя с учетом сопротивления схемы:

R_сх = R_L = 0,008 Ом; R_нг = 3 Ом; U_вх = 12 В.

Расчет проведем по формуле (50), в которой учтены падения напряжения на обмотке дросселя, ΔU_RL, и на открытом диоде, ΔU_в.пр,

U_нг=(U_вх- ΔU_RL- ΔU_в.пр)(1-γ_N)/[(1-γ_N)²+(R_сх/R_нг)].

Рис. 24. Регулировочная характеристика преобразователя

Статический расчет системы выполняется по методике, приведенной в подразд. 1.4.

Расчет входного фильтра следует провести по методике, изложенной в разд. 7.

Вопросы для самоконтроля

1. Напишите соотношения для расчета:

– напряжения нагрузки;

– среднего значения тока нагрузки; – максимального значения коллекторного тока транзистора;

– максимального значения напряжения на закрытом транзисторе и диоде.

2. По каким параметрам следует выбирать транзистор?

3. По каким параметрам следует выбирать диод?

4. Как рассчитать требуемую величину индуктивности ОППН II?

5. Как рассчитать требуемую величину емкости конденсатора фильтра?

6. Как рассчитать потери мощности ОППН II?