(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Разработка системы электропитания на основе импульсного преобразователя напряжения
1. Задание на курсовое проектирование
Задание
Создать систему электропитания на базе импульсного преобразователя напряжения (ИПН)
Начальные данные
характеристики источника энергии неизменного тока
1. ЕДС источника энергии и спектр ее измерения (в% от значения Е)
=.
2. Внутреннее активное сопротивление источника энергии и спектр его измерения (в% от значения): .
3. Длина кабельной сети: .
Выходные характеристики
1. Напряжение на выходе и спектр его конфигурации (в% от значения):
.
2. Амплитуда переменной, составляющей напряжение на выходе (в% от значения ): .
3. Наибольшая мощность перегрузки, подключаемой к выходу
.
4. Малая мощность перегрузки, подключаемой к выходу
.
Наружные условия
температура окружающей среды : t = -20 … +40
Особенные требования
Проектирование вести из условия обеспечения минимума массы и габаритов.
2. Цели и задачки курсового проектирования
электропитание кабель напряжение силовой
Целью курсового проектирования является разработка системы электропитания на базе импульсного преобразователя напряжения (ИПН). Развитие таковых преобразователей было обосновано необходимостью увеличения КПД, уменьшения массы и размера систем электропитания. ИПН смешиваются с разными типами первичных источников энергии: солнечными и аккумуляторными батареями, топливными элементами, дизель-генераторными установками и являются составной частью большинства систем бесперебойного электроснабжения. ИПН, работающие с частотами переключения от 10-ов до сотен килогерц, являются основой построения большинства источников вторичного электропитания для ЭВМ (Электронная вычислительная машина — комплекс технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач) и систем связи. В процессе выполнения курсового проектирования находят практическое применение теоретические познания, приобретенные при исследовании курса «Электроника и микросхемотехника», изучаются принципы построения, расчета и выбора частей и многофункциональных узлов, разработки структурных, принципных схем, также приобретаются способности по использованию специальной и справочной литературы.
структура систем электропитания с ИПН делится на непрерывную и импульсную части. В непрерывную часть входят силовой LC-фильтр, цепь отрицательной оборотной связи, активные и пассивные частотно-зависимые цепи, трансформаторы. исследование этих частей и многофункциональных узлов и расчет их характеристик проводится с учетом действия на их последовательности импульсов, создаваемых силовым ключом. В импульсную часть входят элементы и многофункциональные узлы, обеспечивающие как процесс импульсного преобразования энергии, так и процесс формирования управляющего сигнала. Элементный состав этих многофункциональных узлов достаточно разнороден. Расчет характеристик и выбор частей проводится с учетом наружных действий исходя из выполнения задания на курсовое проектирование.
3. Выбор структурной схемы системы электропитания (СЭП)
Структура системы электропитания в главном определяется требованиями ТЗ, а конкретно: видом и чертами первичного источника энергии, количеством выходов для подключения перегрузки, потребляемой мощностью и качеством напряжения на любом выходе. Не считая того, на структуру СЭП влияют условия окружающей среды, также требования по ТЗ по простоте и технологичности конструкции СЭП.
Согласно начальным данным количество выходов СЭП для подключения перегрузки равно одному, как следует, избираем СЭП, в состав которой входят:
1. первичный источник энергии неизменного тока (ИП)
2. кабельная сеть (КС)
3. входной фильтр (Фвх)
4. импульсный стабилизатор напряжения (ИСН)
Вид структурной схемы системы электропитания приведен на рис. 1.
Набросок 1 — Структурная схема системы электропитания
4. Выбор марки кабеля и расчет характеристик кабельной сети
Приблизительное наибольшего тока:
(4.1)
где ориент = 0.8 — 0.9 — приблизительный КПД для СЭП с источником неизменного тока
Pн.max — наибольшая мощность перегрузки
Emin — малая ЭДС источника питания
Приблизительное сечение жилы кабеля:
(4.2)
где j — плотность тока
Iкс.ор.max — приблизительное значение наибольшего тока
Рекомендуемое значение плотности тока для медной жилы: jм=510 А/мм2
Избранная марка кабеля: 2 x 1.5 ПВС (провод для бытовых электротехнических устройств)
Активное сопротивление кабельной сети при температуре t=20o:
= Ом (4.3)
где Sкаб — сечение жилы кабеля
=0.01776 Ом мм2/м — удельное сопротивление медной жилы
Lкс — длинна кабельной сети
Зависимость сопротивления кабеля от температуры:
(4.4)
где — температурный коэффициент (для меди м=0.004).
Ом.
Ом.
Индуктивность КС:
(4.5)
где =1.05-1.02 — коэффициент, учитывающий взаимовлияние жил кабеля;
d — расстояние меж осями жил кабеля;
— радиус жилы;
=1.25·10-6 Гн/м — магнитная неизменная провода.
мм
мм
=3.27·10-6 Гн.
5. Расчет малого и наибольшего напряжений на входе исн
Напряжение на входе ИСН определяется текущими значениями характеристик источника энергии, кабельной сети и мощности перегрузки. Нагрузочная черта источника энергии неизменного тока вместе с КС описывается выражением:
Uвх = E — Iвх (R вн+ Rкс), (5.1)
где Uвх — напряжение на входе ИСН, Iвх — ток входа ИСН,
Е — ЭДС источника энергии,
R вн — внутреннее сопротивление,
R кс — сопротивление КС.
Наружной характеристике Uвх=f1(Iвх) соответствует мощностная черта Pвх=f2(Iвх), определяемая выражением:
Pвх=IвхUвх. (5.2)
КПД ИСН (Таблица 1): ?=0.83?0.88, ?=0.83.
Таблица 1 — Приблизительные значения КПД ИСН
Малая и наибольшая входная мощность ИСН:
(5.3)
где — коэффициент полезного деяния ИСН.
Для построения наружных черт СЭП с источником повсевременно тока, употребляют последующие уравнения:
(5.4)
Для построения мощностной свойства употребляют последующие уравнения:
(5.5)
Построенные наружные и мощностные свойства СЭП приведены на рис. 2.
Набросок 2 — Наружные и мощностные свойства СЭП
В согласовании с рис. 2 определяем:
6. Расчет величины индуктивности и выбор дросселя входного LC — фильтра
Выбор частоты и периода преобразования
Избираем частоту преобразования из спектра 50?100 кГц: f=50 кГц. Тогда период преобразования:
Величина индуктивности дросселя, обеспечивающего режим непрерывного тока дросселя
(6.1)
где Uвых — выходное напряжение ИСН
Uвх.max — наибольшее входное напряжение ИСН
Iн.min — малый ток перегрузки
Для выбора типономинала дросселя нужно найти величину индуктивности , которую будет иметь дроссель с индуктивностью при номинальном токе перегрузки. Для этого определяют кратность конфигурации тока перегрузки (тока подмагничивания дросселя):
(6.2)
где Iн.max — наибольший ток на перегрузке
Iн.min — малый ток на перегрузке
По графической зависимости (рис. 3), исходя из , определяют кратность конфигурации индуктивности :
Набросок 3 — графическая зависимость для определения KL
Значение индуктивности при номинальном токе подмагничивания:
(6.3)
где Lm — величина индуктивности дросселя, обеспечивающая режим непрерывного тока дросселя
KL — кратность конфигурации индуктивности
Избираем дроссель с учетом тока подмагничивания (Таблица 2)
Таблица 2 — Подбор дросселя серии Д13
(+) — параллельное соединение обмоток дросселя;
(-) — последовательное соединение обмоток дросселя.
Выберем один дроссель Д 13 — 22 (0.02 мГн)
Характеристики дросселей серии Д13 приведены в табл. 3 (лист 12)
Таблица 3 — характеристики дросселей серии Д13
Условие обеспечения непрерывного тока дросселя:
(6.4)
где Uвых — выходное напряжение ИСН
Uвх.1 — очень вероятное напряжение на входе ИСН при наибольшей мощности перегрузки.
Iн.max — наибольший ток перегрузки
T — период преобразования
Условие производится.
Наибольший коэффициент наполнения:
Малый коэффициент наполнения:
Больший коэффициент наполнения:
7. Выбор типономинала конденсатора и расчет их количества в батарее выходного фильтра ИСН
Конденсаторы выходного LC-фильтра ИСН (СП), объединенные в батарею, служат для выравнивания пульсаций напряжения на выходе ИСН до величины, данной в техническом задании. При работе ИСН (СП) конденсаторы выходного фильтра находятся под действием неизменного напряжения, равного выходному, и переменного тока. При выбирании типа конденсатора выходного фильтра нужно учесть, что его рабочее напряжение Uc.р обязано быть больше напряжения на выходе Uвых:
Расчет фильтра:
В (7.1)
Избираем 3 модели конденсаторов, удовлетворяющих данному условию:
1. К 50 — 3
U=25 B; C=500 мкФ; г; мкс; мкФ;
2. К 50 — 12
U=25 B; C=500 мкФ; г; ; мкФ;
3. К 50 — 35
U=16 B; C=100 мкФ; г; ; мкФ;
(7.2)
Находим емкость батареи конденсаторов:
(7.3)
(7.4)
Избираем один конденсатор К 50 — 35
8. Выбор типономинала конденсатора и расчет их количества в батарее входного фильтра ИСН
По таблице 4 и В, определим
Таблица 4 — Допустимые значения амплитуды пульсации входного напряжения
Uвх.max, В
10 — 50
50 — 200
200 — 600
Uвх, В
0.15 — 0.3
0.3 — 0.7
0.7 — 1.5
, (8.1)
Избираем 3 конденсатора, удовлетворяющих данному условию:
1. К 50 — 3
U=25 B; C=500 мкФ; г; мкс; мкФ;
2. К 50 — 12
U=25 B; C=500 мкФ; г; ; мкФ;
3. К 50 — 35
U=16 B; C=100 мкФ; г; ; мкФ;
Избираем один конденсатор К 50 — 35
9. Расчет силового ключа ИСН
В ИСН был использован бутстрепный метод управления силовыми транзисторными ключами на базе драйверной микросхемы IR2125, выпускаемой компанией International Rectifier (рис. 4, 5 (лист 16), рис. 6 (лист 17)). драйвер представляет собой микросхему в обычном корпусе (к примеру, DIP-14). Входным сигналом служит сигнал микросхемы управления обычной амплитуды логического уровня. На выходе драйвера имеются напряжения управления верхним силовыми транзистором. В драйвере приняты меры по обеспечению нужных управляющих уровней, сотворен эквивалент гальванической развязки, имеются доп функции — вход отключения, защита от пониженного напряжения питания, фильтр маленьких управляющих импульсов.
Набросок 4. Размещение выводов драйверной микросхемы IR2125
Набросок 5. Многофункциональная схема драйверной микросхемы IR2125
Набросок 6. Типовая схема включения драйверной микросхемы IR2125
Короткие технические свойства драйверной микросхемы IR2125:
· Выходные каналы разработаны для нагруженного функционирования
· Работоспособность до +600В
· Нечувствительность к отрицательному переходному напряжению
· Нечувствительность к dV/dt
· Напряжение питание драйверов 10…20В
· Блокировка при понижении напряжения
· 5В КМОП триггеры Шмита на входах с привязочными резисторами к общему проводу
· Оборотная связь по контролю и ограничению тока для управления токопотреблением силового транзистора
· Вывод Error говорит о аварийном выключении и программирует время выявления отказа
· Выход в фазе с входом
· VOFFSET не наиболее 600В
· IO± 1 А / 2 А
· VOUT 12 — 18В
· VCS 230 мВ
· ton/off (тип.) 150 / 150 нс
Величина бутстрепной емкости обязана быть выбрана расчетным методом. очень малая емкость может разрядиться ранее времени и закрыть транзистор верхнего плеча. Очень большая может не успевать заряжаться. При выбирании СБ руководствуются последующими советами.
Главные причины, действующие на разряд бутстрепной емкости:
· величина заряда затвора Qg;
· ток употребления выходного каскада микросхемы в статическом режиме Iqbs;
· повторяющееся изменение заряда драйвера Qls (5 нКл для 500/600-вольтовых драйверов и 20 нКл для 1200-вольтовых);
· ток утечки затвора Igss;
· ток утечки бутстрепного конденсатора Сь.
Малый заряд бутстрепного конденсатора определяется из выражения:
(9.1)
Создатели советуют использовать в бутстрепных схемах конденсаторы с может быть малым током утечки (в эталоне — танталовые). Не считая того, величина тока утечки затвора мала, потому перечисленные причины учесть нет смысла.
(9.2)
где Vcc — напряжение питания схемы управления;
Vf — падение напряжения на бутстрепном диодике (0,8… 1,0 В).
Приобретенное работы схемы, создатели советуют помножить приобретенный итог на коэффициент 15.
Бутстрепный диодик должен выдерживать оборотное напряжение не наименее, чем (UH + Vcc). Не считая того, он должен иметь может быть малый оборотный ток и отличные свойства оборотного восстановления. Рекомендуемое время оборотного восстановления не обязано превосходить 100 нсек.
Вид итоговой схемы силового ключа на полевом транзисторе со схемой управления, основанной на драйверной микросхеме IR2125 представлен на рис. 7 (лист 19)
Набросок 7. Схема силового ключа ИСН
Выбраны последующие элементы:
· В качестве транзистора силового ключа (VT1): сильноточный полевой MOSFET транзистор IRFP 260 (International Rectifier)
· В качестве бутстрепного диодика (VD2): кремниевый импульсный диодик КД522
· В качестве бутстрепного конденсатора (C1): конденсатор электролитический танталовый серии СА-42с — 15 мкФ ± 5%
· В качестве резистора R1: резистор P1-12 — 0.062 Вт — 24 Ом ± 5%
· В качестве замыкающего диодика: эпитаксиально-диффузионный кремниевый диодик КД2999А
10. структура схемы управления исн
Структура схемы управления (СУ) большинства ИСН, работающих в режиме ШИМ, соответствует приведенной на рис. 8. В ее состав входят источник опорного напряжения (ИОН), делитель напряжения (ДН), усилитель сигнала рассогласования по напряжению (УР), широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Не считая того, на рис. 8 показано устройство питания схемы управления (УПСУ). С выхода схемы управления сигнал поступает на вход усилителя сигнала управления (УСУ) силовым ключом.
При общей структуре СУ схемотехнические решения отдельных устройств, входящих в СУ, весьма многообразны. Это зависит от критериев (минимизация собственного энергопотребления либо количества электрических компонент, увеличение надежности и т.п.), избранных разрабом при проектировании СУ, элементной базы, использованной в СУ, также опыта и квалификации разраба.
Набросок 8. структура схемы управления ИСН
11. Устройство питания схемы управления
Более нередко в УПСУ используют структуры с подключением через гасящее устройство и с подготовительным скоплением энергии. Многофункциональная схема УПСУ с подключением через гасящее устройство (ГУ) к питающей сети приведена на рис. 9.
Набросок 9. Многофункциональная схема УПСУ с подключением через гасящее устройство (ГУ)
В данной схеме роль ГУ делает параметрический стабилизатор напряжения выполненный на балластном резисторе Rб, конденсаторе С и стабилитроне VD. В ряде всевозможных случаев, при незначимом спектре конфигурации входного напряжения, стабилитрон VD быть может исключен. Применение ГУ дозволяет понизить уровень напряжения на входе непрерывного копменсационного стабилизатора напряжения (НКСН) до допустимого уровня.
Задаемся напряжением питания схемы Uп=5 6В. Задаются током употребления схемы управления 20мА.
В качестве НКСН в данном проекте употребляется спец микросхема К142ЕН5Г с напряжением питания СУ: Uп Uп =60,21 В и Iпот=10мА (рис. 10).
Набросок 10. Интегральный стабилизатор напряжения К142ЕН5Г
12. Широтно-импульсный модулятор (ШИМ)
Широтно-импульсный модулятор (рис. 11) содержит в себе задающий генератор (ЗГ), генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), компаратор (К) и ограничитель продолжительности импульса (ОД) сигнала управления СК. При этом ОД применяется лишь в ШИМ схем управления однотактных СП для гарантированного запирания СК с целью размагничивания трансформатора, работающего в режиме однобокого намагничивания.
Набросок 11. Широтно-импульсный модулятор
Главным элементом этого устройства является таймер КР1006ВИ1, который дозволяет при малом количестве доп частей (резисторов, конденсаторов) воплотить мультивибратор с высочайшей стабильностью частоты работы. При всем этом схемотехническими приемами быть может обеспечена пилообразная форма напряжения Uc1 на времязадающем конденсаторе С1, что дозволяет употреблять это напряжение в качестве опорного напряжения компаратора ШИМ. Напряжение с выхода таймера (вывод 3) либо открытый коллектор разрядного транзистора (вывод 7) могут употребляться для управления ОД. Работа такового мультивибратора и главные расчетные соотношения известны и тщательно описаны.
Индивидуальностью предлагаемого решения (рис. 12, лист 23) является включение в схему резистора R5. Из-за этого резистора миниатюризируется «верхний» (Uв) и «нижний» (Uн) пороги переключения компараторов таймера. При всем этом миниатюризируется амплитуда пилообразного напряжения Uл на времязадающем конденсаторе С1 и его коэффициент нелинейности. Так, при амплитуде пилообразного напряжения Uл=1В и напряжении питания схемы управления Uп 10В, коэффициент нелинейности пилообразного напряжения не превосходит 10%, что приемлемо для большинства ШИМ.
Набросок 12. Принципная схема ШИМ
13. Источник опорного напряжения
Источник опорного напряжения является принципиальным элементом СУ. От стабильности напряжения Uоп на выходе ИОН в значимой мере зависит стабильность напряжения на выходе ИСН (СП). ИОН обычно делают по схеме параметрического стабилизатора напряжения (рис. 13).
Набросок 13. Источник опорного напряжения
Избираем стабилитрон 2С139Б
; ; ; TKU=0.0001%/C;
; ;
;
Сопротивление балластного резистора:
(13.1)
Наиблежайшее сопротивление из обычного ряда:
. — резистор P1-12 — 0.062 Вт — 360 Ом ± 5%
Определяем малый и наибольший ток через стабилитрон:
(13.2)
(13.3)
При всем этом обязано производиться условие:, — условие производится.
(13.4)
(13.5)
Находим изменение напряжения на стабилитроне:
Вызванное конфигурацией тока через стабилитрон
(13.6)
Вызванное приращением температуры
(13.7)
Вызванное конфигурацией тока через стабилитрон и его температуры
(13.8)
Для расчета делителя напряжения нужны последующие значения напряжений:
;
14. Делитель напряжения
Делитель напряжения (ДН) (рис. 14) делает две функции. Во-1-х, ДН уменьшает уровень информационного сигнала о величине напряжения на выходе ИСН (СП) до уровня напряжения ИОН. Во-2-х, ДН дозволяет выполнить настройку уровня выходного напряжения ИСН (СП), т.е. обеспечить на выходе ИСН уровень напряжения, данный в ТЗ. Это достигается методом конфигурации коэффициента передачи делителя напряжения Кд.
Набросок 14. Делитель напряжения
15. Усилитель сигнала рассогласования
Усилитель сигнала рассогласования (УСР, рис. 15) делает функцию формирования и усиления сигнала рассогласования по напряжению. Величина коэффициента усиления УСР определяется из условия обеспечения статической ошибки стабилизации выходного напряжения ИСН, не превосходящей заданную в ТЗ.
Набросок 15. Усилитель сигнала рассогласования
; ; ; ;
Коэффициент передачи ДН находим последующим образом:
(15.1)
Амплитуда пилообразного напряжения ШИМ:
(15.2)
Находим сопротивления :
задаём ток
; (15.3)
Задаём ёмкость конденсаторов:
Конденсатор К10 — 17а — Н50 — 1мкФ ± 20%
Определяем общий коэффициент передачи:
(15.6)
(15.7)
(15.8)
Находим сопротивления :
; ;
; ; (15.9)
Резисторы:
P1-12 — 0.062 Вт — 3 кОм ± 5%
P1-12 — 0.062 Вт — 3,6 кОм ± 5%
P1-12 — 0.062 Вт — 7,5 кОм ± 5%
Находим сопротивления :
(15.10)
Резистор: P1-12 — 0.062 Вт — 11 кОм ± 5%
Конденсатор: К10-17а — П33 — 2400пФ ± 20%
Принимаем в качестве усилителя А3, операционный усилитель 1401УД2.
Литература
1. Краснобаев, Ю.В. Проектирование систем электропитания: Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию для студентов электротехнических специальностей / Ю.В. Краснобаев, Е.Е. Носкова — Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2000. — 100 с.
2. Москатов, Е.А. Справочник по полупроводниковым устройствам / Е.А. Москатов — 2-е изд., перераб. и доп. — Таганрог. — 219 с. HTTP://www.moskatov.narod.ru/Reference_book.html
3. Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1991. — 528 с.
4. Семенов, Б.Ю. Силовая электроника для любителей и экспертов / Б.Ю. Семенов — М.: изд-во СОЛОН-Р, 2001. — 333 с.
5. электронные кабели, провода и шнуры: Справочник / Н.И. Белоруссов, А.Е. Саакян, А.И. Яковлева; Под ред. Н.И. Белоруссова. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1988. — 536 с.
]]>