3.4.2. Розрахунок реверсивного мостового підсилювача з транзисторами в ключовому режимі

Даний розрахунок виконується при 40P_N 200 Вт. Позначення на схемі силової частини (рис.3.6): Кл1Кл4 - транзисторні ключі;

Д- двигун;

r_ш - резистор датчика струму;

У1,У2 - керуючі входи ключів;

U_о - напруга джерела живлення.

Діаграма провідності ключів та напруги навантаження в межах періоду чергування імпульсів Т_і при додатньому керуючому сигналі показана на Рис.3.7.

Т_і = 1/2 f _дч = 2,5610^-4 с,

де f _дч - частота вихідного сигналу дільника частоти ДЧ (див. П.3.5.)

Середнє за період значення напруги на навантаженні

U_н = U_o

де - відносна тривалість імпульса напруги на навантаженні.

Найбільша напруга на навантаженні

U _{н m} = U_N + I_N r_ш

Напруга живлення вибирається із умови U_н=U_нm,

=0,9. Приймаємо r_ш = r_a, тоді

U_o=(1/0,9)(U_N + I_N r_a) (1)

Найбільший струм навантаження та ключа

I_{н m} =I_N (2)

де - коефіцієнт припустимого перевантаження за струмом (див. 3.3.1)

Транзисторний ключ (рис 3.8).

Позначення на схемі:

Т - транзистор у ключовому режимі;

ОП - транзисторна оптопара;

МВ - вторинні обмотки синхронізованого мультивібратора;

Д,Д1Д4 -діоди .

Опори в ланці бази Т

r₂<U_к / I_ко; (3)

де, U_к -амплітуда меандра секції МВ (Uк=В);

U_бе - напруга на переході б-е при I_нm (Uбе=0,5-1В);

U_т - залишкова напруга на відкритому транзисторі ОП (U_т =1,5В);

- коефіцієт пісилення за струмом транзистора Т;

k_s =(І_б/ Ік)  -коефіцієнт насичення (k_s =1,52);

I_ко - тепловий струм колектора Т.

Рекомендується транзисторна оптопара типу АОТ110Г.

Транзистор Т вибирається за допустимим значенням напруги на переході к-е U_{ке доп} та колекторного струму І_{к доп} :

U_{ке доп} > U_о; І_{к доп} > І_{н m} (4)

Транзистор перевіряється на потужність, яка виділяється на переході к-е в процесі переключення:

P=(1/6) I_{н m}U_of_i (t_вкл +t_викл) Р_доп (5)

де f_³ - частота комутації ключа

f_і =2f_ДЧ =3,910³ Гц; Т_і=1/f_і;

t_вкл,, t_викл - час включення та виключення оптопари;

Р_доп - допустима потужність розсіювання транзистора з тепловідведенням.

Якщо нерівність (5) не справджується, необхідно вибрати транзистор з більшим Р_доп.

Діод Д вибирається за допустимим значенням зворотньої напруги U_доп та прямого струму І_доп .

U_доп > U_о; І_доп > І_{н m} (6)

Струм І₁ (див.рис.3.8) не повинен перевищувати допустимого для ОП значення вихідного струму І_{оп доп} , тобто:

(7)

Якщо нерівність (7) не справджується, то Т транзистор замінюють складеним транзистором (Рис.3.9.)

Транзистор Т₁ та діод Д вибирають по нерівностям (4), (5) та (6), а транзистор Т₂ - за нерівностями.

U_{ке доп 2} > U_о; І_{к доп 2} > І_нm/₁ (8)

Діоди Д1-Д4 вибираються за допустимими прямомим струмом

І_доп > І₁ (9)

Резистори r₂ та r₃ вибираються з умови І_зr_з = U_д та І_з = І_ко1 в режимі відсікання як

r₂ = (U_к - 2U_пр )/ 2 I_ко1; r₃ =U_пр/I_ко1 (10)

де U_пр - пряме падіння напруги на Д5 (для кремнієвих діодів U_пр 1В)

Діод Д5 вибирається за струмом

І_д = 2І_ко1 - І_ко2 ; (11)

0.25І_доп < І_д < І _доп. (12)

Зворотня напруга на Д5 не перевищує одиниць вольт.

Всхемі з складеним транзистором

(13)

r₁=(U_к - 2U_бе - U_т)/I₁ (14)

Тут ₁, ₂ - коефіцієнти підсилення за струмом відповідно транзисторів Т1 та Т2.

Повина справджуватись нерівність

І₁ < I _{оп доп} (15)

Напруга насичення підсилювача

U_s = U_o (16)

Опір силової ланки

R=r_a + r_ш = 2r_a (17)

Індуктивність силової ланки

L=L_a (18)

Синхронізований мультивібратор (генератор Ройєра).

Позначення на схемі (рис.3.10).

U₁ - напруга живлення мультивібратора (U₁ =15В);

U_л -напруга живлення вихідних ланок логічних елементів з відкритим колектором (U_л =5В);

U_у1 - синхронізуючі імпульси, які знімаються з перетворювача фаза-код ( див.П.3.5);

U_г - напруга у формі меандра, яка підводиться до генератора пилоподібної напруги ГПН блоку керування БК;

Т3,Т4 - транзистори;

НЕ1- логічний елемент НЕ;

НЕК1, НЕК2 - логічні елементи НЕ з відкритим колектором.

Потужність, яка споживається двома одночасно включеними ключами мосту

Р₂ = 2І_{оп доп} U_к (19)

Первинний струм

І₁ = Р₂ / U₁ (20)

Транзистори Т3 і Т4 вибираються з умов

І_{к доп} > І₁; U_{ке доп} > 2U₁ (21)

Коефіцієнти трансформації

n₂=₂/₁=U_к/U₁; n_з=₃/₁=U_г/U₁;

n_зз=U_зз /U₁ (22)

Приймаємо U _г =10 В; U_зз = 2,54 В.

Резистори

r₄ = (U_зз - U_бе) /k_sІ₁; r_з< r₄U_л/U_зз (23)

Нехай k_s =2; U_бе 0,5 В. Ємність у ланці синхронізації

С₁=Т/r_з (24)

де Т- стала часу синхронізуючого контура (Т=5010^-6 с ).

В якості НЕ1 рекомендується один з елементів логічного модуля К155ЛН1, а в якості НЕК 1 та НЕК2- елементи модуля К155ЛН2.

Приймаємо

r₅=r₃ (25)

Здійснюємо перевірку НЕК на допустимий вихідний струм

U_л ((1/r₃)+ (1/r₅)) < І_доп =1610 ^-3 А (26)

Якщо нерівність не справджується, то збільшують r₅ і замість К155ЛН2 використовують модуль К 155ЛА7, для якого І _доп =3010^-3 А.

Блок керування БК

Позначення на схемі (рис.3.11):

ОП-діодні елементи транзисторних оптопар ключів;

К1, К2 -компаратори;

ГПН - генератор пилоподібної напруги;

U_пп - вихідна напруга попереднього підсилювач ПП;

ІП - інвертуючий операційний підсилювач;

НЕ23 - логічні елементи НЕ;

НЕК3К6 - логічні елементи НЕ з відкритим колектором.

Рекомендуються такі модулі:

ГПН та ІП - операційні підсилювачі К140 УД 7;

К1,К2 - компаратори 521СА2;

НЕ 2,3 - елементи модуля К 155 ЛН1, який використовується в мультивібраторі;

НЕК 3елементи модуля К155ЛН2, який використовується в мультивібраторі;

U_r - амплітуда меандра на обмотці W_з мультивібратора. Приймаємо U_г =15 В.

Згідно з діаграмою сигналів БК ( рис.3.12) при U_пп > 0

U_оп = -U_{оп m} + U_г t /T, (27)

де Т=r₆ С₂ =1/2f_i (28)

Тут Т=Т_і/2.

Враховуючи,що при t =Т_і, U_оп = U_{оп m} , знаходимо

U_{оп m}=U_г (29)

У момент t=(1/2) Т_і (1+) має місце рівність U_оп =U_пп . Звідки слідує

= U_пп/U_{оп m} (30)

Приймаємо r₆ =r₇ =10 кОм. Резистори r₈ повинні забезпечувати необхідний струм діодів оптопари (I_вх)_оп , а саме

r₈=(U_л - U_доп)/(I_вх)_оп (31)

де U_доп - напруга на діоді оптопари.

Вихідна напруга ПП повинна обмежуватися на рівні

U_{пп m} = 0,9U_{оп m} (32)

Коефіцієнт підсилення підсилювача потужності

k_ппт =U_н /U_пп = U_о / U_{оп m} = U_о/U_г (33)

Послідовність розрахунку.

1. Взяти значення U_N, I_N, r_a, L_a, розраховані в пункті П3.3.1; взяти U_т, I_{оп доп}, (I_вх)_оп, t_вкл + t_викл , U_до з банку даних Б3.

2. Прийняти U_л =5 В, f_і = 3,9 кГц, U_бе= 0,5 В, k_s = 2, U₁=15 В, U_к = 6 В, r₆ =r₇ =10 кОм, T=50 мкс, U_г=15В.

Ключ

3. Розрахувати I_{н m} (2), U_о (1).

4. З банку даних Б3 вибрати транзистор Т, користуючись (4), (5), та діод Д з умов (6). Вибрати Д1Д4 (9).

5. Перевірити (7). Якщо (7) справджується, розрахувати r₂, r₁ (3). Якщо (7) не справджується, застосовують складений транзистор.

6. Вибрати Т2 (8), Д5 (11), (12).

7. Розрахувати r₂, r₃ (10), I₁ (13), r₁ (14). Перевірити (15).

Мультивібратор

8. Розрахувати Р₂ (19), I₁ (20). З банку даних Б3 вибрати транзистори Т3, Т4 (21).

9. Розрахувати n₂, n₃, n₃₃ (22), r₄, r₃ (23), C₁ (24). Перевірити (26).

Блок керування

10. Розрахувати C₂ (28), r₈ (31), U_{пп m} (32).

Параметри ППТ

11. Розрахувати k_ппт (33), U_s(16), R (17), L (18).

12. Вибрані типи транзисторів, діодів, ОП, логічних елементів, а також значення r₁r₈, C₁, C₂, U₁, U_г, U_к, U_л, n₂, n₃, n_зз,

k_ппт, U_о = U_s, U_{пп m}, R, L запам’ятовуються.