АТ / Лабораторная работа 2

Лабораторная работа 2.

Теоретическийматериал.

Как видно из расчетов КПД линейных стабилизаторов, при стабилизации высокого входного напряжения в низкое выходное напряжение приходится сталкиваться с серьезными проблемами тепловыделения. Кроме того, воз никают ситуации, когда необходимо организовать питание с напряжением питания выше, чем может дать источник питания. В таких случаях на помощь приходят схемы импульсных источников питания (ИИП).

Проведем расчет повышающего DC DC преобразователя, представлен ного на рисунке 13.

Рис. 1 Схема повышающего DC DC преобразователя

При открытии транзистора (положение 1) ток от источника питания за ряжает индуктивность, емкость отдает ток в нагрузку. При закрытии транзи стора индуктивность заряжает конденсатор (положение 2) и отдает часть то ка на нагрузку.

Из этих схем можем получить выражение для падения напряжения на

.

Для тока заряда конденсатора в положении 1 получим и в поло

жении 2 .

Построим графики этих функций (рисунок 14).

Рис. 2 Вольт секундный и ампер секундный баланс

Из этих графиков получим выражения для средних значений падания напряжения на катушке индуктивности и тока заряда конденсатора.

Мы приравняли эти выражения к нулю, т.к. в установившемся режиме должен выполняться вольт секундный и ампер секундный баланс.

Раскроем скобки в выражении для <vL>

Представим это выражение в виде эквивалентной схемы (рисунок 15)

Рис. 3

То же самое проделаем для тока конденсатора (рисунок 16)

Рис. 4

Можно видеть, что мы имеем один «трансформатор» постоянного тока с коэффициентом трансформации 1/D’ (рисунок 17)

Рис. 5

Исходя из этого, можем получить выражение для выходного напряже

ния

и КПД

D=0,49

Выберем ключ. В качестве ключа будем использовать N MOP транзи стор. Данный транзистор должен быть способен пропускать через себя ток минимум в Ik = Pin/Uвх=Pout/0,85/Uвх=5*1/0,85/3=1,96 А + 200 мА и рассеи вать мощность в D*I2k*Ron, напряжение сток исток должно быть не менее 5 В+Vd. Желательно обеспечить двукратный запас по току транзистора для повышения надежности схемы. В качестве транзистора будем использовать

IRF7413.

В качестве диода выберем диод шотки с максимальным проходным то ком не менее 2*1 А (двукратный запас). Возьмем диод 1N5822RLG, Vd=0,5 В. Последовательным сопротивлением диода пренебрежем.

Рассчитаем максимальное сопротивление индуктивности RL, при кото ром преобразователь будет работать с требуемой эффективностью.

η=0,85 D’=1 D=0,51 Rd=0 R=Uвых/IL=5 Ом Ron=0,011 Ом

Расчет проведем RL проведем на сайте wolframalfa.com : 0.85=(1 0.51*0.5/3)/(1+(x+0.49*0.011)/(5*0.51^2))

RL= 0,094 =9,4 мОм

Рассчитаем индуктивность катушки для обеспечения пульсаций тока на уровне не более 200 мА. Запишем зависимость тока через индуктивность и падение напряжения на ней:

для положения 1

для положения 2

Как видно из этого уравнения, изменение тока есть линейная функция от напряжения (рисунок 19)

Рис. 7

Таким образом, можно записать, что

i = 0,2 А

Ts = 1/(40 кГц)

Отсюда найдем L. L = 92 мкГн

Рассчитаем С для обеспечения пульсаций выходного напряжения на уровне ±600 мВ. Запишем уравнение для тока конденсатора через напряже ние на нем:

для положения 1

для положения 2

Как видно из этого уравнения, изменение напряжения есть линейная функция от тока (рисунок 20)

Рис. 8

Таким образом, можно записать что

Отсюда найдем С.

С = 6,125 мкФ.

В данной формуле не учитывается последовательное сопротивление конденсатора (ESR), поэтому величину С необходимо увеличить в (1 20) раз в зависимости от типа применяемого конденсатора.

По полученным данным соберем схему в Multisim (рисунок 21).

Рис. 9

На рисунке 21 видно, что мы получили значения, близкие к расчетным. Отклонения от рассчитанных значений связаны с неучтенными потерями в полупроводниках при переключении.

КПД полученной схемы

η=5,4*1,08/(3*2,12)=0,92.

Задание.

1.Разработать повышающий ИИП при следующих параметрах:

1)КПД не менее 85%, частота преобразования 45 кГц;

2)Uвых, Uвх, Rн из варианта;

3)пульсации выходного напряжения Uвых не более 10% от номи нального значения;

4)пульсации тока в индуктивности на уровне 300 мА.

2.Раcсчитать КПД схемы.

Номиналы резисторов и конденсаторов брать из ряда E24. Отклонение выходного напряжения от заданного должно лежать в пределах 10%.

Варианты заданий по списку в журнале преподавателя.

Собрать полученные схемы в Multisim.