3.4. Расчет двухтактного преобразователя напряжения

Исходные данные для расчета всем вариантам заданий содержатся в табл. 3.1.

Расчет двухтактного инвертора необходимо выполнить после изучения схемы (рис. 3.5) двухтактного транзисторного инвертора. Ниже приведен пример расчета инвертора по данным:

1. Напряжение источника питания Е_п(U_d) = 36 В.

2. Напряжение питания нагрузки Е₀₂(U_н) = 6,3 В.

3. Ток нагрузки I₀(I_н) = 10 А.

4. Пульсации выходного напряжения ΔU_н = 10 мВ.

Расчет инвертора ведется в следующем порядке.

Поскольку мощность, передаваемая в нагрузку, близка к 100 Вт, выби­раем схему преобразователя с независимым возбуждением, причем и усили­тель мощности и выпрямитель выполнены по схеме с дифференциальным трансформатором (рис. 3.5).

Таблица 3.1.

Параметры инвертора.

Номер варианта	Eп(Ud), В	E02(Uн), В	I0(Iн), А	∆Uн, мВ
1	24	12	10	20
2	24	9	5	10
3	24	5	4	15
4	24	24	5	10
5	48	24	10	20
6	48	12	5	15
7	48	15	10	10
8	48	9	5	20
9	60	48	5	15
10	60	36	10	10
11	60	24	12	20
12	60	15	10	15
13	60	12	10	15
14	24	15	5	10
15	24	12	5	10

Окончание таблицы 3.1.

16	36	24	10	15
17	36	15	10	15
18	36	12	12	10
19	36	9	10	10
20	36	15	5	15
21	48	15	5	15
22	48	9	12	10
23	48	36	10	15
24	48	24	5	10
25	60	48	5	20
26	60	36	8	20
27	60	24	10	15
28	60	15	15	10
29	80	48	10	25
30	80	36	12	20
31	80	24	8	15
32	80	15	6	10
33	80	12	5	10
34	80	48	5	25
35	200	100	4	40
36	200	80	5	30
37	200	60	10	30
38	200	48	10	25
39	200	36	12	20
40	200	24	12	20
41	200	15	10	25
42	300	200	4	80
43	300	150	5	80
44	300	120	6	60
45	300	100	8	60
46	300	80	10	40
47	300	60	15	40
48	300	48	10	25
49	300	24	8	25
50	300	36	6	20

Такая схема выпрямителя при малых выходных напряжениях пред­почтительнее мостовой, так как в ней падение напряжения на вентилях меньше. Для инвертора переход к мостовой схеме был бы выгоднее при большем напряже­нии источника Е_п, когда допустимое для силового транзистора напряжение коллек­тор-эмиттер меньше, чем получающееся в выбранной схеме.

Ориентировочные данные для выбора транзистора и диода следующие:

– допустимый прямой ток диода выпрямителя должен быть больше 10 А, допустимый средний ток – больше 5 А, обратное напряжение Uобр– больше 2Uн. Uобр = 2·6,3 = 12,6 В;

– коллекторный ток транзистора в насыщенном состоянии Iкн должен быть Iкн = Iн *Uн / Ud=10·6,3/36 = 1,75 А, допустимое напряжение коллектор-эмиттер – больше 2E_п = 72 В.

Выберем в качестве вентилей выпрямителя [8, 11] диоды 2Д213А у которых I_пр = 10 А; E_обр = 200 В; τ_д = 0,3 мкс; U_пр = 1 В.

Из вольт-амперных характеристик диода 2Д213А находим E_пор = 0,6 В; r_в = 0,04 Ом.

Выберем для инвертора транзисторы типа КТ903А [8], имеющие I_к = 3 А; U_кн = 1 В; I_б max = 0,6 А; U_к-э = 80 В; U_б max=1,5 В; H_21Э = 15÷70 при I_к = 3 А; U_бн = 1 В; τ_т = 0,06 мкс; Р_к = 30 Вт; с теплоотводом и r_тпк = 3,3 °С/Вт

1. ЭДС одной из вторичных полуобмоток трансформатора

U_{2 max} = E₀₂ + E_пор + I₀·r_в = 6,3 + 0,6 + 10 · 0,04 = 7,3 В. (3.8)

2. Напряжение на первичной полуобмотке трансформатора

Е_{1 max} = E_п - U_кн= 36 - 1 = 35 В. (3.9)

3. Коэффициент трансформации силового трансформатора

n = U_{2 max}/E_{1 max} = 7,3/35 = 0,208. (3.10)

4. Уточненное значение тока коллектора транзистора

I_кн = n·I₀ = 0,208·10 = 2,08 А, (3.11)

что меньше допустимого для выбранного транзистора.

5. Выберем амплитуду импульса тока базы транзистора. Пусть при H_21 min коэффициент насыщения k₁=1,32. Тогда

I_{б max} ≥ k₁·I_кн /H_{21Э min} = 1,32·2,08/15 = 0,18 А. (3.12)

Пусть амплитуда импульса базового тока равна I_{б max} = 0,2 А.

6. Фактическая степень насыщения транзистора с максимальным значением H_21Э max = 70

k_Ф = I_{б max}·H_21Э max / I_кн = 0,2·70/2,08 = 6,73. (3.13)

7. Найдем амплитуду коммутационного выброса коллекторного тока

I_к.max.к = I_кн·(k_ф+ 2)/3 = 2,08·(6,73+2)/3 = 6,05 А, (3.14)

что больше, чем допускается для выбран­ного транзистора.

Таким образом, в выбранной схеме инвертора транзистор КТ903А работать не может.

Если напряжение возбуждения на базы транзисторов подавать от предварительных усилителей большой мощности прямоугольной формы, то выбросы коллекторного тока в рассчитываемой схеме инвертора будут отсутст­вовать, так как ток, потребляемый от источника транзистором КТ903А, имеет прямо­угольную форму с длительностью, равной половине периода, и амплитудой, несколько большей 2,08 А (из-за потерь мощности в трансформаторе инвертора). В качестве предварительного усилителя можно использовать схему, приведенную на рис. 2.3, у которой предварительное усиление обеспечивают транзисторы КТ 630Д с выходной мощностью 0,8 Вт и с трансформаторной связью с транзисторами инвертора КТ 903А.

Коммутационные процессы в данной схеме преобразователя также не связаны с возникновением значительных обратных токов диодов, так как рассасывание заряда неосновных носителей в базовых областях диодов выпрямителя происходит при запертых транзисторах инвертора.

Разрядка конденсатора выпрямителя через еще не запертые диоды происходит по цепи, содержащей вторичную обмотку трансформатора. Так как первичная обмотка трансформатора в это время разомкнута, то он оказывает току разрядки большое индуктивное сопротивление, а ток разрядки конденсатора (обратный ток диода) крайне мал.

Можно считать, что после запирания транзистора инвертора ток диода спадает, стремясь к нулевому значению, т. е

T_рд ≈ 3τ_д = 3 · 0,3 = 0,9 мкс. (3.15)

Коммутационные потери мощности при таком режиме запирания диода практи­чески отсутствуют. Поэтому считаем, что

Р_д = 0,5(E_пор + r_вI₀) I₀ = 0,5(0,6 + 0,04·10)·10 = 5 Вт; (3.16)

P_тр = 0,5 U_кн ·I_кн = 0,5·1·2,08 = 1,04 Вт. (3.17)

Оценим время рассасывания заряда неосновных носителей в базах транзисторов КТ903А (VT1 и VT2)

T_рт = τ_т ·ln[3k_ф/(2k_ф+ 1)] = 0,6·ln[3·6,73/(2·6,73+ 1)] = 0,02 мкс. (3.18)

Считая время задержки равным 0,1 от длительности импульса коллек­торного тока полупериода, определим частоту переключения f = 50 кГц.

В рассчитанном инверторе габаритная мощность силового трансформа­тора

P_{Т габ} = 0,5(2E₁I₁ + 2E₂I₂) =

= 0,5·(2 · 35 · 2,08 · 0,707 + 2 · 7,3 · 10 · 0,707) = 83,2 В·А. (3.19)

Зная мощность трансформатора можно рассчитать сечение сердечника по эмпирической формуле Sс =Pтгаб /100. (3.20)

 Зададимся плотностью тока в обмотках трансформатора J = 5 А/мм², амплитудой магнитной индукции в магнитопроводе B_m = 0,12 Тл (феррит) и коэффициентами заполнения окна медью δ = 0,15 (кольцевой магнитопро­вод).

Выберем (с запасом) магнитопровод из феррита марки М2000НМ-1 типа К15Х6Х20, у которого наружный диаметр составляет 15 мм, внутрен­ний – 6 мм, высота – 20 мм, S_С = 83,96 мм² , где S_С – площадь сечения магнитопровода;

Найдем число витков во вторичной полуобмотке :

(3.21)

Принимаем W₂ = 4. Тогда для первичной полуобмотки:

(3.22)

Сечение провода определяем по формуле:

Затем из сечения выражаем диаметр:

, откуда

Рассчитаем длину провода:

,

где n-число витков.

Сопротивление обмотки:

,

где =0,016 Ом/мм² .

Диаметры проводов при выбранной плотности тока d₁ = 0,67 мм; d₂ = l,35 мм. Потери мощности в магнитопроводе трансформатора при выбранной амплитуде магнитной индукции получаются равными 1,1 Вт. Потери мощности в первичной обмотке составляют 0,23 Вт, а во вторичной – 0,24 Вт. Таким образом, общие потери мощности в трансформаторе

Р_т = Р_с + Р_м = 1,1+0,47 ≈ 1,6 Вт, (3.23)

где P_ст - потери в стали (справочная величина);

- потери в меди.

Превышение температуры трансформатора относительно температуры окружаю­щей среды

∆T ≈ 1000P_тp/S_пов = 1000·1,6/30 = 53 °С, (3.24)

где S_пов= 30 см² – площадь наружной поверхности обмотки трансформатора, с кото­рой и происходит отдача теплоты в окружающую среду в тороидальном трансформа­торе.

Полагаем температуру воздуха в блоке 45 °С. Тогда рабочая температура транс­форматора примерно равна 100 °С, что приемлемо.

Оценим КПД преобразователя. Мощность, потребляемая от источника E_п1, равна сумме мощностей, выделяющихся на транзисторах VТ1 и VT2, трансформаторе и диодах выпрямителя. Из-за относительно прямого падения напряжения на выпрями­тельных диодах (1 В) потери мощности в них оказываются равными 10 Вт. Потери мощности в силовых транзисторах составляют 2 Вт. Таким образом, полная мощность, потребляемая от источника E_п2, становится равной 76,6 Вт. Отсюда η = Р_пол/Р_потр = 63/76,6 = 0,822,

где Р_потр= Рн= Un*In =6,3*10 =63Вт,

Pпол = Рн+Ртр ₊ Рд +Рт = 63+2,08+10+1,6 =76,68 Вт.