Расчет параметров сглаживающего фильтра

Определим значения коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения на входе фильтра, k_п1, для двух значений коэффициента скважности γ_min и γ_max

k_п1 = [2/(γ*π)]*sin(γ*π).

При γ = γ_min, коэффициент пульсаций на входе фильтра

k_п1= [2/(π*0,722)]*sin(0,722*π) = 0,675.

При γ = γ_max, коэффициент пульсаций на входе фильтра

k_п1= [2/(π*0,9)]* sin(0,9*π) = 0,218.

Для расчета параметров сглаживающего фильтра принимаем значение k_п1= 0,675.

Индуктивность сглаживающего фильтра рассчитаем по формуле (63): L_min>U_нг*(1-γ_min )/(2*I_нг * f_п).

f_п=2*f=2*5000=10000Гц.

L_min>48*(1-0,722)/(2*5*10000)=133,44*10^-6Гн=133,44 мкГн.

По справочным данным, приведенным в таблице 35, выбираем 14 дросселей типа SRP1270-100M и включаем их последовательно. Параметры дросселя SRP1270-100M:

- индуктивность, L=10 мкГн;

-допустимое действующее значение тока обмотки, 10А;

-активное сопротивление обмотки, R_L=16,8*10^-3Ом.

Результирующие параметры 14 последовательно соединенных дросселей:

-индуктивность, L_ф=140*10^-6 Гн;

-допустимое действующее значение тока обмотки, I_д.з.=10А;

-активное сопротивление обмотки, R_L=235,2*10^-3Ом.

Емкость конденсатора С_ф определяется с учетом требований по пульсациям выпрямленного напряжения U_п2.

U_п2 = k_п2*U_нг;

U_п2=k_п2*U_нг=0,05*48=2,4В

С_ф= I_L1m/(4*π*U_п2* f_п )=U_нг*(1- γ _min)/(8*L* U_п2* f²_п). (66)

С_ф=U_нг*(1-γ_min)/(8*L*U_п2*f²_п)=48*(1-0,722)/(8*140*10^-6*2,4*10000²)=

50*10^-6Ф=50 мкФ.

Выбираем по справочнику конденсатор, емкость которого не менее 50мкФ, рабочее напряжение не менее (2*U_нг.N)≥96 В, а величина допустимого действующего значения тока переменной составляющей I_{пер.д.з.} не менее действующего значения переменной составляющей тока фильтра ΔI_Lд.з.= ΔI_L/√12 [4].

Величину ΔI_L=ΔI_C определим по формуле:

ΔI_L=ΔI_C= I_Lmax- I_Lmin=[(U_вх.max/*k_тр)-U_нг]* γ_min /(4*L* f_п).

ΔI_L=[(1,1*27/0,4)-48]*0,722/(4*140*10^-6*10000)=3,38 А.

ΔI_Lд.з.= ΔI_L/√12=3,38/3,46=0,98 А.

Перечисленным выше требованиям удовлетворяет конденсатор фирмы Jamicon (смотри таблицу 29) , параметры которого:

-номинальная емкость, С_N=68 мкФ;

-номинальное напряжение, U_N=100 В;

-ESR=286*10^-6Ом.

-допустимое максимальное значение переменной составляющей тока I_пер.max=0,53А.

Допустимое действующее значение I_{пер.д.з.}= 0,53/1,41=0,38А.

Это значение меньше того значения, которое будет протекать через конденсатор фильтра при его работе, ΔI_Lд.з=0,98А.

Определим коэффициент пульсаций напряжения нагрузки, k_п2, который будет при выбранных параметрах фильтра.

Падение напряжения на полном сопротивлении конденсатора фильтра. U_п2= ΔI_Lm*√(х_с²+ESR²)=0,98*1,41*√0,0144²+(286*10^-6)²=0,02В.

k_п2= U_п2/U_нг=2,4/48=0,05.

Заданием на проект величина k_п2 определена равной 0,05.

Параметры фильтра удовлетворяют требованию задания по уровню подавления пульсаций выпрямленного напряжения.

Проверка фильтра на резонанс:

ω_ск = 1/√( L_ф*C_ф)<0,5*ω_п;

ω_ск = 1/√(140*10^-6 *68*10^-6) =10249с^-1.

10249 с^-1<31400 с^-1.

Параметры фильтра удовлетворяют требованию отсутствия резонанса.

Расчет загрузки транзисторов по току и напряжению и их выбор

Максимальное амплитудное значение тока вторичной обмотки трансформатора I2m max = Iнг.N+ ΔIL/2 = 5+3,38/2 = 6,69А.

Максимальное амплитудное значение тока первичной обмотки трансформатора I1m max = I2m max/kтр = 6,69/0,4 = 16,725 А.

Максимальный коллекторный ток транзистора Iк m max = I1m max =16,725А.

Среднее значение тока транзистора Ivт ср= Iк m max* γ max=16.725*0,9=15,0525А.

Максимальное напряжение на коллекторе транзистора, Uкэ, равно напряжению Uвх.max = 29,7В.

Транзисторы выбираем с учетом коэффициентов запаса по току и напряжению:

kз.т. = 2; и kз.н. = 2.

Выбираем 4 полевых транзистора КП954В (смотри таблицу 24). Параметры этих транзисторов:

-максимальный ток стока, Ic.max = 20А;

-напряжение сток-исток, Uс-u = 60 В;

-напряжение насыщения, Ucu нас. = 0,25 В;

-время включения, tвкл = 50 нс;

-время выключения, tвыкл= 50 нс;

-максимальная рассеиваемая мощность, Ррасс. max = 40 Вт;

-тип корпуса, ТО – 220.

Отметим, что падение напряжения на открытом транзисторе несколько меньше принятого ранее значения Ucu нас. = 1,0 В. Проводить уточнение расчета не требуется.

Для управления этими транзисторами выбираем 2 драйвера IR21091 (смотри таблицу 18), основные параметры которых:

-рабочее напряжение, UN=600В;

-максимальный выходной ток, Iвых. max=120 мА;

-максимальный втекающий ток, Iвт. max= 250 мА;

-напряжение питания, Uп= 10-25 В;

-минимальное выходное напряжение, Uвых. min = 20В;

-максимальное выходное напряжение, Uвых. max = 20В;

-задержка выходного сигнала, tз= 60нс;

- тип корпуса, SOIC – 14.

Силовая схема вместе со схемой управления (D3), выполненной на базе универсальной микросхемы 1114ЕУ3, и драйверами (D1 иD2) для связи выходов схемы управления с цепями управления транзисторов силовой схемы, приведены на рисунке 31.

Каждый из этих драйверов (D1 и D2) предназначен для управления двумя транзисторами одного плеча- верхнего и нижнего транзистора. Импульсы управления на входные цепи драйверов (HIN и LIN) поступают от системы управления (D3). Поскольку в однофазной мостовой схеме одновременно проводят ток два транзистора, расположенные по диагонали моста (VT1 c VT2 или VT3 c VT4), входные цепи HIN первого драйвера (D1) и LIN второго драйвера (D2) объединены, также объединены HIN второго драйвера и LIN первого драйвера.

На этой схеме показана также цепь заведения обратной связи по напряжению в схему управления. На схеме не показаны источники питания драйверов. Выбор источников питания для драйверов следует провести с учетом рекомендации по источникам питания драйверов, которые содержатся в разделе 10.1.

Схема управления

В качестве схемы управления используем универсальную микросхему К1114ЕУ3 (рисунок 5). Микросхема представляет собой схему управления импульсными источниками питания на коммутируемые мощности 8…10Вт. Микросхема выполняет следующие функции: формирование опорного напряжения, усиление сигнала рассогласования, формирование пилообразного напряжения, широтно-импульсную модуляцию, формирование двухтактного и однотактного выхода, защиту от сквозных токов, усиление сигнала датчика тока или напряжения, обеспечение « запуска». Корпус типа 4112.16-15.01, масса не более 1,4г.

Обозначения элементов микросхемы К1114ЕУ3, (рисунок5):

1-генератор пилообразного напряжения;

2-компаратор паузы;

3-компаратор ШИМ;

4,7-ОУ- операционные усилители;

5,6…11-логические элементы;

6-триггер;

12-ИОН- источник опорного напряжения;

G-источник смещения компаратора.

Рисунок 5 . Функциональная схема универсальной микросхемы К1114ЕУ3.

Назначение выводов:

1-опорное напряжение;

2,5-инвертирующие входы;

3,4-неинвертирующие входы;

6- частотная коррекция;

7-регулировка паузы;

8-выод задания частоты (С);

9 -вывод задания частоты (R);

10-коллектор VT1;

11-эмиттер VT1;

12-эмиттер VT2;

13-коллектор VT2;

14-напряжение питания;

15-общий;

16-блокировка фазорасщепителя.

Схема включения универсальной микросхемы К1114ЕУ3

Рисунок 6. Схему включения универсальной микросхемы К1114ЕУ3

R₁=R₃=3…100кОм; R₂=0…1кОм; R₄=0…3кОм; R₅,R₇-определяются значениями U_вх, I_вых; R₆=1…10кОм; R₈…R₁₀, R₁₂=3…30кОм; R₁₁=10кОм…1Мом;

С₁=С₃=0.1…10мкФ; С₂=510пФ…0.22мкФ.

Тип резисторов : С1-4

Тип конденсаторов : К50-24.

Тип диодов: 2Д201А.

Электрические параметры микросхемы

Таблица 2

1.Напряжение питания	9…36В
2.Опорное напряжение при U	4.7…5.3B
3. Остаточное напряжение при	Не более 1,5В
4.Ток закрытой микросхемы при	Не более 50мкА
5. Ток потребления при	Не более 15мА
6.Температурный коэффициент опорного напряжения	Не более 0,01%С
7.Нестабильность по напряжению ИОП при	Не более 0,05%
8.Длительность фронта (среза) импульса выходного тока	Не более 200нс

Предельно допустимые режимы эксплуатации микросхемы К1114ЕУ3:

Таблица 3

1.Напряжение питания в предельном режиме	9…36В 7…38В
2.Входное коммутирующее напряжение в предельном режиме	2…40В 1…42В
3.Входной ток в предельном режиме	Не более 200мА Не более 250мА
4. Рассеиваемая мощность	Не более 0,8Вт
5.Частота коммутации в предельном режиме	4…400кГц 0,1…500кГц
6.Температура окружающей среды	-10…+100

Допускается подключение нагрузки в цепь коллектора или эмиттера выходных транзисторов. При включении нагрузки в цепь эмиттера выходных транзисторов остаточное напряжение не превышает 3В при I_вых=200мА. Допускается параллельная работа выходных транзисторов на общую нагрузку. Для осуществления синхронной работы выходных транзисторов и увеличения выходного тока до 0,4А необходимо соединить вывод 16 с общей шиной. Допускается использовать источник опорного напряжения в качестве маломощного стабилизатора фиксированного напряжения с выходным током до 5мА. Допускается изменение коэффициентов усиления и частотная коррекция усилителей с помощью резисторов и конденсаторов, включаемых между выходом усилителей (вывод 6) и их входами (выводы 4,5 и 2,3) по схемам, отличающихся от основной схемы включения. При этом вытекающий и выходной ток усилителей не должен превышать 1мА, а втекающий выходной ток усилителей не должен превышать 0,3мА. Напряжения на выводах 4,5 и 2,3 должны находиться в пределах 0…5 В. Суммарная емкость радиокомпонентов и монтажа, подключенных к выходным транзисторам микросхемы, не должна превышать 510пФ.

Частота генератора пилообразного напряжения определяется по формуле:

,

где R₁,C₂-резистор и конденсатор задания частоты.

Допускается монтаж микросхемы в аппаратуру 2 раза, демонтаж 1 раз. Допустимое значение статического потенциала 500В.

Расчет и выбор элементов схемы управления

f=1/(0,666*3*10³*0,01*10^-6)=50000Гц;

С₁=10мкФ; R₃=100кОм;

R₁=12,5кОм; R₄=2кОм;

C₂=0,01мкФ; R₆=5кОм;

C₃=5мкФ; R₈=R₉=R₁₀=R₁₂=15кОм

R₂=0,5кОм; R₁₁=500кОм;

R₅=R₇=U_вх/I_затв.=12/0,01=1,2кОм.

При подключении микросхемы к цепи управления транзистора преобразователя необходимо выход 2 (вывод 13) подключить к базе транзистора, а общую шину питания (вывод 15) подключить к эмиттеру транзистора.