Тема 5. Преобразователи постоянного напряжения

Назначение преобразователей напряжения (роль и место в источниках электропитания), структурные схемы, классификация, требования и возможные пути их выполнения следует изучать по /1,3/.

Инверторы с самовозбуждением и способы их надежного начального запуска можно изучать по /1,2,3/. Двухтактные инверторы с внешним возбуждением лучше изложены в /1,3/, а однотактные – в /2,3/.

Однотактные и двухтактные преобразователи напряжения (конверторы), особенности работы выпрямителя в преобразователе следует изучать по /3/. Методика расчета преобразователя на базе двухтактного инвертора изложена ниже.

Проверкой готовности к выполнению лабораторной работы №8 «Исследование источника электропитания с двухтактным инвертором» являются выполненное домашнее задание и (или) результаты тестирования по этой теме.

Методические указания по расчету преобразователя

Составьте принципиальную схему преобразователя, состоящего из инвертора, выпрямителя и сглаживающего фильтра (см. «Домашнее задание к лабораторной работе №8»).

Расчет преобразователя начните с выбора диодов выпрямителя. Определите среднее , действующееи амплитудное значениетока диода, обратное напряжение диодапо табл. 8.1.

Таблица 8.1

Формулы для расчета нерегулируемых выпрямителей напряжения прямоугольной формы

Параметр	Двухполупериодная схема со средней точкой	Мостовая схема
Обратное напряжение диода Ток диода: Средний Действующий Максимальный Действующее значение тока вторичной обмотки Действующее значение тока первичной обмотки	или	или ≈

В источниках электропитания с высокочастотным преобразованием энергии используются импульсные или высокочастотные силовые диоды, которые кроме статических параметров характеризуются параметрами, определяющими их инерционные свойства при переключении диода из открытого состояния в закрытое. Время обратного восстановления диода является основным параметром выпрямительных диодов, характеризующим их инерционные свойства. Для ряда силовых диодов в справочниках указывается максимальная частота, выше которой диоды использовать не рекомендуется.

Выберите диоды по табл. П2.1 Приложения 2.

Напряжение на одной из вторичных полуобмоток трансформатора в двухполупериодной схеме выпрямления с нулевым выводом определяется по формуле

.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора в мостовом выпрямителе определяется с учетом того, что ток нагрузки протекает через два последовательно соединенных диода:

.

Мощность вторичной обмотки трансформатора

,

где − действующее значение тока вторичной обмотки, определяемое по формуле из табл. 8.1.

Ориентировочное значение тока коллектора в режиме насыщения

,

где − КПД трансформатора.

КПД трансформатора лежит в пределах 0,85-0,95 и зависит от суммарной выходной мощности: чем больше мощность трансформатора, тем выше его КПД.

Напряжение, которое прикладывается к переходу коллектор-эмиттер в режиме отсечки в преобразователе, имеющем отвод от средней точки первичной обмотки трансформатора,

.

Эта формула учитывает возможность возникновения перенапряжения.

В мостовой и полумостовой схемах инверторов в два раза меньше.

При выборе транзисторов по табл. 2.2 Приложения 2 необходимо помнить, что во всех схемах, за исключением инвертора с переключающим трансформатором, наблюдаются выбросы коллекторного тока. Если не будет применено специальных мер по уменьшению или устранению этих выбросов, то следует выбрать этот транзистор с .

Напряжение на первичной полуобмотке трансформатора в двухтактном инверторе

,

где − напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения.

В мостовом инверторе ток протекает через два последовательно соединенных транзистора, поэтому напряжение на первичной обмотке трансформатора определяется по формуле

.

В полумостовом инверторе

.

Коэффициент трансформации силового трансформатора

.

Уточненное значение коллекторного тока

.

Для обеспечения надежного насыщения транзисторов, имеющих минимальный коэффициент передачи , ток базы выбирается с запасом:

,

где – коэффициент насыщения ().

Напряжение на базовой обмотке выбирается из условия

,

где – напряжение база-эмиттер в режиме насыщения.

При ток базы будет зависеть от разброса напряжения, а привозрастают потери мощности в цепях баз транзисторов. Если в справочнике не указано, то примите. Требуемое значение базового токаобеспечивается выбором напряженияи резисторомв цепи базы:

.

Мощность, рассеиваемая на резисторе,

.

Фактическая степень насыщения для транзистора с максимальным коэффициентом передачи

.

Амплитуда коммутационного тока коллектора в инверторе с самовозбуждением

,

в инверторе с независимым возбуждением

.

Если величина получилась большей, чем допускается для выбранного транзистора, необходимо облегчить его условия работы, применив какую-либо из схем с облегченными коммутационными процессами /Л1, рис.12.13, 12.15, 12.16, 12,17/.

В преобразователе с переключающим трансформатором коммутационные всплески коллекторных токов устранены. Сопротивление ограничительного резистора в первичной обмотке переключающего трансформатора в этой схеме

.

Коэффициент трансформации переключающего трансформатора рекомендуется выбирать меньше единицы, так как при этом резисторы в цепи базы имеют достаточное сопротивление, а длительность переходного процесса переключения существенно уменьшается.

Напряжение на первичной обмотке переключающего трансформатора

.

Ток, протекающий по этой обмотке, ограничительному резистору и обмотке обратной связи силового трансформатора .

Напряжение на обмотке обратной связи силового трансформатора

.

Типовая мощность силового трансформатора

,

где и– число первичных и вторичных обмоток (или полуобмоток);– КПД трансформатора.

Определяя типовую мощность насыщающегося трансформатора в самовозбуждающемся инверторе, необходимо учесть мощности базовых обмоток , а при определении типовой мощности силового трансформатора в самовозбуждающемся инверторе с переключающим трансформатором следует учесть мощность обмотки возбуждения (обратной связи).

В качестве фильтра выпрямителя напряжения прямоугольной формы, работающего с самовозбуждающимся инвертором, следует применить конденсатор, емкость которого

,

где – длительность фронта напряжения прямоугольной формы (следует принять); коэффициент пульсаций выходного напряжения (в относительных единицах).

Фильтром, сглаживающим пульсации выпрямителя напряжения прямоугольной формы, работающего с инвертором с независимым возбуждением, также может быть емкостной фильтр, но чаще применяют LC-фильтр. Порядок расчета такого фильтра следующий.

Критическое значение индуктивности дросселя фильтра

.

Стандартный дроссель с и максимальным током подмагничивания большевыбирают по табл. П1.1, П1.2 Приложения 2.

Исходя из заданного и допустимого выброса выходного напряженияпри скачке тока нагрузки отдоопределяют значение емкостей:

,

,

где .

Значение емкости конденсатора принимают равным большему из полученных значений.