4.2. Расчет предмощного каскада
В общем случае управляющие сигналы для мощных ключей формируются маломощными электронными схемами или микроконтроллерами. Между управляющей схемой, микроконтроллером вводится гальваническая развязка, разделяющая и защищающая управляющую схему от высокого напряжения мощных ключей. Наибольшее применение для этой цели транзисторные оптопары, работающие в ключевом режиме. При расчете предмощного каскада необходимо учесть, что максимальный ток для оптопары (т.е. входной ток мощного каскада) составляет 200 мА (оптопара АОТ110А). Поэтому если IбVTмощ.каскада ≥ 200 мА, то необходимо применение несколько предмощных транзисторов. Каждый транзистор позволяет уменьшить входной ток (Iб) в В раз (Iк ≈ В∙Iб, где В - условный коэффициент усиления по току). В нашем случае IбVT = 19 мА ≤ 200 мА, поэтому достаточно одного предмощного транзистора.
Предмощные каскады предназначены для формирования импульсов открывающей и закрывающей полярности по отношению к мощным ключам. Для формирования двухполярных импульсов необходимы 2 источника питания.
Существует множество решений в создании предмощных каскадов, но наибольшее усиление по току обеспечивают схемы эммитерных повторителей. Они же дают и максимальное быстродействие. Для дальнейшего увеличения коэффициента усиления по току применяют составные транзисторы.
На основании методического пособия и исходных данных, компонуем принципиальную схему предмощного каскада (рисунок 4.2.1). В данном курсовом проекте используется схема составных транзисторов на комплементарных парах. В связи с тем, что биполярные ключи, которым необходимо открывающее U и I, а также закрывающее U и I, предмощный каскад должен формировать “+” и “-” полярности. Для двуполярных импульсов необходимы два источника питания.
Рисунок 4.2.1 - Схема электрическая принципиальная предмощного каскада
Предмощный каскад должен быть как можно более высокочастотным, так как чем круче фронты, тем меньше потери в выходных силовых ключах.
Обычно предмощные каскады используют схемы типа повторителей и составные транзисторы.
Расчет предмощного каскада начнем с выбора комплементарной пары VT2 и VT4. Исходными данными являются ток и напряжение питания. Из-за небольшой величины и широкого распространения источников 5 В принимаем напряжение питания Е1 = Е2 = 5В. Эти транзисторы выбираем на двойное напряжение, так как в импульсном режиме один из них открыт, а другой закрыт. Следовательно, к одному из них прикладывается двойное напряжение. Током Iк2 транзистора VT2 является ток базы Iб1 силового ключа VT5.
По справочнику выбираем транзисторы комплементарных пар КТ6116А и КТ6117А, со следующими параметрами:
-
максимально допустимый постоянный ток
коллектора
=
0.6А;
-
напряжение насыщения коллектор-эммитер
=
0,6В;
-
коэффициент передачи
=
25;
-
ток базы max
=
0,1А;
-время закрытия 0,3 мкС;
- максимальная рассеиваемая мощность Рк = 0.65Вт.
Рассчитаем сопротивление R1:
(4.2.1)
где UБЭVT5 - постоянное напряжение база-эмиттер транзистора VT5.
R1 = 10 Ом - стандартный номинал по ряду Е12.
Рассчитаем мощность рассеяния по формуле:
(4.2.2)
Рассчитаем мощность, рассеиваемую транзистором VT2 по формуле (4.1.22):
Так как величина рассчитываемой мощности удовлетворяет условию Ртр < Рдоп, то расчет произведен корректно.
Произведем выбор транзисторов VT1,VT3. Эти транзисторы выбираются на двойное напряжение UКЭдоп ≥ 2·Е1:
, (4.2.3)
где В - условный коэффициент усиления по току и принимаем В = 10, тогда
По полученным параметрам выбираем транзисторы КТ361А и КТ371А со следующими параметрами:
- максимально допустимый постоянный ток коллектора: IК max = 0.01А;
- напряжение насыщения коллектор-эмиттер UКЭ нас = 0.6 В;
- коэффициент передачи h21Э = 100.
Расчет мощности рассеивания этих транзисторов не производим, т.к. они работают в облегченных режимах.
Диод VD имеет двойное назначение:
- защищает переход эмиттер-база транзистора VT5 от напряжения Е;
- образует небольшую удерживающую величину, при которой VT5 закрыт.
Исходя из произведенных расчетов, выбираем диод КД243A.
Uдоп = 30В
Iдоп.и. = 5А
Fдоп = 800кГц