Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

(ВлГУ)

РАСЧЕТ УЗЛОВ СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОННЫХ

СТАБИЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Учебный материал

для курсового проектирования

по дисциплине «Электроника»

Владимир 2011

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

Кафедра управления и информатики

в технических и экономических системах

РАСЧЕТ УЗЛОВ СИЛОВОЙ ЦЕПИ ЭЛЕКТРОННЫХ

СТАБИЛИЗАТОРОВ НА ОСНОВЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ

ИМПУЛЬСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Учебный материал

для курсового проектирования

по дисциплине «Электроника»

Составители

А.С.ГРИБАКИН

В.С.ГРИБАКИН

О.М.КОЧУРОВ

Владимир 2011

УДК 621.311.6(075.32)

ББК

Рецензент

Кандидат технических наук

профессор кафедры Электротехники и электроэнергетики

Г.П. Колесник

Печатается по решению редакционного совета

Владимирского государственного университета

Расчет узлов силовой цепи электронных стабилизаторов на основе транзисторных импульсных преобразователей . Учебный материал для курсового проектирования по дисциплине «Электроника» /Владим.гос.ун-т;сост.:А.С.Грибакин, В.С.Грибакин, О.М.Кочуров. − Владимир: Изд-во Владим. гос.ун-та 2011. − 53 с.

Учебный материал для курсового проектирования по дисциплине «Электроника» содержит сведения о расчете узлов систем стабилизации напряжения и тока на основе импульсных транзисторных транзисторных преобразователей ; даны методики и примеры расчета узлов .

Учебный материал подготовлен для студентов 2 − 3-го курсов очной формы обучения специальностей 220201 − управление и информатика в технических системах и 220200 − бакалавры техники и технологии по направлению автоматизация и управление . Может быть использован студентами других специальностей при выполнении курсовых проектов .

Илл. 31. Табл. 11. Библиогр.: 12 назв.

УДК 621.311.6(075.32)

ББК

Методические указания

к выполнению курсового проекта по дисциплине

«ЭЛЕКТРОНИКА»

Введение

На рис. 1 изображена общая функциональная схема системы ста − билизации напряжения (тока) . Основные узлы системы . Трансформатор (Т) ; выпрямитель (В) ; сглаживающий L₁C₁−фильтр (Ф1) ; трансформатор , образуют блок питания (БП) силовой цепи транзисторного преобразо − вателя (ТП) . Схема управления состоит из : генератора пилообразного напряжения (ГПН) , порогового элемента (ПЭ) , буферного (согласующего) каскада (БК) ; схемы сравнения сигналов задания U_зад и обратной связи U_ос , СС ; селектора сигналов обратной связи (Сел.) . Обратная связь в системе осуществляется с помощью элемента обратной связи (ОС) . Функцию схемы управления может выполнять серийный интегральный ШИМ− контроллер .

Напряжение сети U_сет подключается к первичной обмотке трансфор − матора Т выключателем S ; предохранитель F обеспечивает защиту си − ловой цепи от перегрузок по току или короткого замыкания (КЗ) . Для питания схемы управления может потребоваться маломощный БП (БП Сх. Упр) . Стандартный набор выходных напряжений этого БП : ±15В , +5В . При этом на вторичной стороне трансформатора следует пре − дусмотреть дополнительные вторичные обмотки по числу выходов БП .

Кратко о назначении системы и ее узлов .

Система стабилизации предназначена для поддержания постоянным напряжения или тока в нагрузке независимо от колебаний напряжения сети U_сет или сопротивления нагрузки .

Трансформатор Т , подключенный первичной обмоткой к сети , поз − воляет понизить (повысить) напряжение на вторичной обмотке до тре − буемого значения . Кроме того Т обеспечивает гальваническую развязку силовой цепи ТП от питающей сети .

Выпрямитель В преобразует переменное напряжение , которое сни − мается со вторичной обмотки трансформатора в постоянное (точнее выпрямленное) с большим уровнем пульсации .

Фильтр Ф1 предназначен для сглаживания выпрямленного напря − жения U₁ на выходе БП , или снижения уровня пульсаций . U₁ − нап − ряжение питания цепи коллектора или стока силового триода ТП .

ТП − это , по существу , мощный триод , работающий в режиме ключа , который совместно со сглаживающим фильтром L₀C₀ преобразует постоянное напряжение U₁ в управляемое постоянное U₀ .

ОС − схема обратной связи . Если обратная связь по напряжению , то это − резисторный делитель ; если же обратная связь по току , то это чаще всего − стандартный шунт .

Селектор Сел. Это схема , которая реализует выбор из двух сигналов ОС , по напряжению U_ос.u или току U_ос.i , наибольший в данных условиях работы системы и подает выбранный сигнал на схему сравнения СС .

Система , содержащая селектор , может работать в режимах стабилизации по напряжению и току . При отсутствии селектора система может вы − полнять только одну задачу : стабилизировать либо напряжение , либо ток , в зависимости от типа ОС .

Рис. 1

Работа и назначение элементов схемы управления (ШИМ−контрол − лера) подробно описаны методических указаниях и материалах методи − ческого сопровождения курсового проектирования [1, 2, 3, 4] . Отметим лишь , что БК − это элемент , согласующий выход схемы управления по напряжению , току , мощности с входной цепью мощного триода (или группы триодов) ТП .

Прежде чем приступить к расчету следует ознакомиться с некото − рыми вариантами схем блоков питания силовой цепи ТП (рис. 2, 3) Могут быть предложены и другие варианты .

Типовые схемы бп преобразователей

Блок − схема силовой цепи питания транзисторного преобразователя представлена на рис. 2 . Она включает в себя : силовой трансформатор Т , выпрямитель сглаживающий фильтр Ф1 , импульсный транзисторный преобразователь ТП и нагрузку Н . Питающая сеть и , соответственно , трансформатор могут быть однофазными и трехфазными . выпрямители − одно − полупериодными и двухполупериодными .

Рис. 2

На рис . 3, а, б, в, г приведены схемы трансформаторов и выпрями − телей , рекомендуемые к применению в курсовом проекте . Для всех случаев принято , что выпрямленное напряжение U_в сглаживается Г− образным фильтром L₁C₁ . Первичные обмотки трансформаторов не показаны . Схемы соединения первичных обмоток трехфазных транс − форматоров выбираются самостоятельно .

Напряжение на выходе L₁C₁−фильтра является питающим для ТП . Поэтому трансформатор , выпрямитель , фильтр называют также блоком питания (БП) . Для транзисторного преобразователя БП следует рассма −

а б

Рис. 3

в г

Рис. 3 (продолжение)

тривать как источник напряжения с э.д.с. E₁ и внутренним сопротив − лением r_вн (рис.4, а) . В свою очередь ТП является регулируемым источ − ником постоянного напряжения U₀ по отношению к некоторой конечной нагрузке Н .

По существу E₁ − это напряжение на выходе L₁C₁−фильтра в ре − жиме близком к холостому ходу (х.х) , т.е. E₁ ≈ U_1хх . Внутреннее со − противление определяется суммой r_вн = R_А + R_в + R_ф1 . Здесь : R_А − вы − ходное сопротивление трансформатора . R_в − сопротивление диодов выпрямителя ; R_в = R_v для однополупериодных схем выпрямления ; R_в = 2R_v для двухполупериодных схем . R_v − сопротивление одного из дио − дов прямому постоянному току . R_ф − активное сопротивление обмотки сглаживающего дросселя фильтра Ф1 .

Если представить ТП вместе нагрузкой Н в виде переменного сопротивления , нагружающего БП , то при известных E₁ и r_вн не − трудно рассчитать и построить нагрузочную характеристику БП как функцию U₁ = f(I₁) согласно выражению U₁ = E₁ −I₁r_вн . Типовая наг − рузочная характеристика приведена на рис.4, б .

а

б

Рис.4

На рис. 5 даны два примера подключения выхода фильтра Ф1 к силовой цепи ТП . Они не исчерпывают всех возможных вариантов схем подключения . Собственно ТП состоит из мощного триода V или группы параллельно соединенных триодов , если мощности одного недостаточно , высокочастотного сглаживающего фильтра L₀C₀ и обратного диода V₀ . Триод (группа триодов) работает в режиме ключа (режим D) , выполняет функцию регулирующего элемента (РЭ) . Управление триодом осуществ − ляется от серийного ШИМ−контроллера или специально разработанной схемы . Обратный диод служит для защиты триода от пробоя при ком − мутации последнего в процессе работы ТП

Рис.5, а

Рис.5, б (продолжение)

Рассмотрим работу ТП в качестве регулятора напряжения U₀ на нагрузке . Пояснения − на рис. 6 . Триод V переключается с высокой и постоянной частотой f (периодом T) из состояния отсечки (выключен) в состояние насыщения (включен) . Интервал периода , в течение которого триод включен называют интервалом импульса . или проводимости T_и , интервал выключенного состояния − паузы T_п .

Рис. 6

В интервале импульса напряжение U₁ практически полностью при − кладывается к цепи нагрузки , которая состоит из сглаживающего филь − тра L₀C₀ и собственно нагрузки Н . Между точками 3 и 4 подключен обратный диод V₀ . В интервале импульса V₀ смещен обратно и , сле − довательно , закрыт , а U_v0 = U₃₄ ≈ U₁ . При этом в элементах фильтра запасается энергия , а напряжение на нагрузке U₀ постепенно нарастает .

В интервале паузы T_п триод выключен и цепь нагрузки отсечена от источника питания . теперь функцию источника питания выполняют элементы фильтра . За счет запасенной в L₀ и C₀ энергии диод V₀ сме − щается прямо , напряжение U_v0 падает практически до нуля , а запасен − ная энергия поступает в нагрузку , поддерживая постепенно уменьша − ющееся напряжение U₀ . Если частота переключения триода достаточно велика , а фильтр L₀C₀ рассчитан правильно , то уровень пульсации на − пряжения на нагрузке U₀ небольшой .

Напряжением U₀ , током I₀ и мощностью P₀ в нагрузке можно уп − равлять , изменяя длительность импульсов T_и (рис. 6) . Например , чем больше T_и , или относительная длительность T_и ∕ T , тем больше U₀ , I₀ , P₀ . Относительную длительность называют коэффициентом заполнения и обозначают K_з = T_и ∕ T . Среднее за период значение напряжения U₀ оп − ределяется как

.

Но напряжение и ток нагрузки зависят не только от K_з , которым управляют с помощью ШИМ−контроллера . Если изменяется напряжение питающей сети U_сет =220В , или 380В , а следовательно , напряжение питания ТП U₁ , то при постоянном K_з (T_и) средние значения U₀ и I₀ тоже нестабильны (рис. 7) . Колебания напряжений питания ТП U₁±∆U₁

Рис. 7

и нагрузки U₀±∆U₀ однозначно связаны между собой .

Рассмотрим работу ТП в системах стабилизации напряжения и тока ; иначе их называют стабилизаторами . Основное назначение таких сис − тем − поддерживать постоянным напряжение (ток) нагрузки при коле − баниях напряжения сети или изменениях нагрузки R_н .

Стабилизация напряжения . На рис. 8, а приведены графики , изо − бражающие реакцию стабилизатора напряжения на изменения напря − жения питания U₁±∆U₁ при R_н = const . Если напряжение питания ТП возрастает ∆U₁ , для сохранения напряжения U₀ неизменным схема управления должна уменьшить длительность T_и (ширину) импульсов U_v0 = U₃₄ так , чтобы их вольтсекундая площадь осталась прежней . Если же напряжение питания уменьшается , то ширина импульсов U_v0 должна соотетственно возрасти (б) . В обоих случаях среднее значение сгла −

а б

Рис. 8

женного , с помощью фильтра L₀C₀ , напряжения нагрузки U₀ практи − чески не меняется .

Аналогично стабилизаторы реагируют на изменения R_н (точнее то − ка I₀ , потребляемого нагрузкой) . Рост или уменьшение R_н приводит к изменению I₀ и I₁ . Поскольку U₁ = E₁ − r_вн(I₁ ± ∆I) , то неизбежно по − являются приращения ∆U₁ . И в этом случае стабилизация U₀ обеспе − чивается постоянством вольтсекундной площади импульсов U_v0 .

Стабилизация тока (рис. 9) . Положим сначала ,что напряжение пи − тания стабилизатора U₁ = const , а сопротивление нагрузки изменяется в

Рис. 9

широких пределах . По определению среднее значение тока нагрузки I₀ должно быть стабильным . Очевидно , при постоянстве тока I₀ , напряже − ние U₀ будет меняться в широких пределах вслед за сопротивлением R_н в соответствии с законом Ома

U_0.мин … U_0.макс = I₀∙(R_н.мин … R_н.макс) .

Графики на рис. 9 поясняют работу стабилизатора тока . Сопротив − лению R_н.мин соответствует минимальная длительность импульсов T_и1 напряжения U_v0 и график I₀ с размахом пульсаций ∆I₀₁. Сопротивлению R_н.макс соответствует длительность T_и2 с размахом пульсаций ∆I₀₂ , сред − нее же значение тока I₀ ≈ const . Если сопротивление нагрузки R_н неиз − менно , то между стабилизаторами тока и напряжения нет разницы .

Итак . регулирование U₀ , I₀ , P₀ в нагрузке с помощью импульсных ТП осуществляется за счет управления длительностью интервала про − водимости T_и силового триода , или , что одно и то же , за счет широт − но − импульсной модуляции (ШИМ) . При этом период T = const , а дли − тельность импульса T_и и K_з изменяется в пределах

0 ≤ T_и ≤ T ; 0 ≤ K_з ≤ 1 .

Стабилизация U₀ или I₀ осуществляется лишь в том случае . если воз − можно изменение K_з (T_и) , как реакция на нестабильность U₁ или I₀ в процессе работы стабилизатора .

Последовательность расчета узлов силовой цепи

в ходе курсового проектирования

Стабилизаторы напряжения

Расчет мощности нагрузки БП . Построение нагрузочных

характеристик

Из задания на КП известны следующие данные.

1) Напряжение питающей сети и отклонения напряжения от номи − нального значения . Например : U_сет = 220В ± 20% ; 220В ± 15% ; 380В ± 20% и т.д.

2) Пределы изменения тока нагрузки I_0.мин ≤ I_0.ном ≤ I_0.макс .

3) Стабилизированное напряжение на нагрузке U_0.ст при I_0.макс

4) Внутренним сопротивлением БП приходится задаваться . Для ис − точников питания с мощностью от нескольких десятков до нескольких сотен Вт допустимо принять верхний предел r_вн ≈ 2…3 Ом .

Для расчета мощности , потребляемой от БП необходимо знать вы − ходные ток I₁ и напряжение U₁ . Мощность рассчитывается при макси − мальном значении тока нагрузки I₀ , когда коэффициент заполнения K_з ≈1 , поэтому полагаем I₁ ≈ I_0.макс .

Исходя из каких условий выбирается выходное напряжение БП ? Верхний и нижний пределы колебания напряжения питающей сети при отклонениях ±20% ; ±15% ; 10% соответственно

0,8U_сет ≤ U_сет ≤ 1,2U_сет ; 0,85U_сет ≤ U_сет ≤ 1,15U_сет ; 0,9U_сет ≤U_сет ≤1,1 U_сет .

Расчет БП завершается построением нагрузочной характеристики U₁ = f(I₁) , а т.к. напряжение сети нестабильно , то приходится строить три характеристики , соответствующие номинальному напряжению сети и двум предельным . Например , напряжение питающей сети 220В ± 20% . В ходе расчета БП должны быть получены три значения напряжения U₁ в режиме близком к холостому ходу (х.х) : E₁ − для номинального напряжения сети 220В ; 1,2E₁ − для максимального 220В +20% ; 0,8E₁ − для минимального 220В − 20% .

На рис. 10 показан пример построения нагрузочных характеристик в координатах U₁ , I₁ . Характеристики рассчитывают по формулам

Рис. 10

U₁ = E₁ − I₁∙r_вн ; U₁⁺ = 1,2E₁ − I₁∙r_вн , U₁⁻ = 0,8E₁ − I₁∙r_вн ( 1 )

Верхние характеристика и параметры отмечены знаком «+» , нижние знаком «−».

Чтобы обеспечить стабилизированное напряжение на уровне U_0.ст при максимальном токе I_0.макс ≈ I_1.макс и минимальном напряжении на выходе БП U₁ = U⁻_1мин необходимо выполнение условия U_0.ст < U⁻_1.мин (см. рис.10) . Это условие выполняется , если максимальный расчетный коэффициент заполнения K_з.макс < 1 . Рекомендуемые значения K_з.макс = 0,9…0,95 .

Таким образом получают расчетные соотношения

U_0.ст = U⁻_1.мин∙K_з.макс = (0,8E₁ − r_вн∙I_1макс)K_з.макс ,

отсюда напряжение

; ( 2 )

мощность нагрузки БП

P₁ = E₁∙I_1.макс . ( 3 )

Рассчитанное по формуле ( 2, ) значения E₁ и могут оказаться нес − колько завышенным , что позволит учесть потери на силовых элемен − тах ТП , параметры которых пока неизвестны .

Если нестабильность питающей сети не ±20% , а ±15% или ±10% , то минимальное напряжение на выходе БП : 0,85E₁ − r_вн∙I_1.макс или 0,9E₁ − r_вн∙I_1.макс и соответственно

; . (4, а, б)

Итак . E₁ − напряжение на выходе фильтра L₁C₁ в режиме х.х или близком к нему E₁ = U_хх ≈ U_1.макс . P₁ − расчетная мощность БП , кото − рая складывается из мощности потерь на элементах БП и мощности , потребляемой преобразователем . Мощность P₁ меньше габаритной , или установленной мощности P_габ трансформатора блока питания . P_габ учитывает еще и несовершенство схемы выпрямления . Общее правило : при использовании двухполупериодных схем выпрямления P_габ меньше , чем при использовании однополупериодных , что является достоинством первых.

П Р И М Е Р 1

Условия .

1. Напряжение питающей сети U_сет = 220В ±20% , f = 50Гц .

2. Номинальное значение тока нагрузки БП I_1.ном = 1,4А ; пределы изменения 0,2А ≤ I₁ ≤ 2,8А ; внутреннее сопротивление БП r_вн ≈ 3 Ом .

3. Стабилизированное напряжение на нагрузке ТП при I_1.макс≈ I_0макс = 2,8А U_0.ст = 12В ; K_з.макс = 0,95 .

Задание .

Рассчитать E₁ , P₁ ; рассчитать и построить нагрузочные характе − ристки по образцу рис. 10 .

Расчет .

1. Рассчитать напряжение E₁ ( 2 )

≈ 26,3 В .

2. Мощность БП ( 3 )

P₁ = E₁∙I_1макс = 26,3∙2,8 = 73,64 Вт.

3. Рассчитать и построить нагрузочные характеристики в пределах изменения тока I₁ : 0,2А….2,8А ( 1 ) .

U₁⁺ = 1,2E₁ − r_вн∙I₁ = 31,6 − 3∙I₁ ; U₁ = 26,3 −3∙I₁ ; U₁⁻ = 21, 04 − 3∙I₁ .

Результаты расчета помещены в таблицу 1

Таблица 1

I1,A	0	0,2	..0,6	1,0	1,2	1,4	1,6	2,0	2,8
U1,B	26,3	25,7		23,3				20,3	17,9
U1−,B	21,04	20,4		18,4				15,04	12,64
U1+,B	31,6	31		28,6				25,6	23,3

Расчеты показывают : а) значения напряжений U⁺_1макс ,U_1макс и U⁻_1макс несущественно отличаются от 1,2E₁ , E₁ и 0,8E₁ соответственно; б) U⁻_1мин = 12,63 В больше напряжения стабилизации U_0.ст =12 В , что соответствует условию задания . На рис. 11 представлены графики построенных харак − теристик

Рис. 11

Расчет блока питания (БП)

Ниже приводится методика расчета , изложенная в [4] , и пример .

При расчете схем выпрямителей БП необходимо учитывать активное сопротивление и реактивное сопротивление рассеяние обмоток транс − форматора . Ориентировочное значение активного сопротивления , приве − денного к фазе вторичной обмотки рассчитывается по формуле

ориентировочное значение индуктивности рассеяния трансформатора , приведенной к фазе вторичной обмотки − по формуле

,

где k_r , k_L − коэффициенты , зависящие от схемы и характера нагрузки выпрямителя ;

E₀ − выпрямленное напряжение , В ;