Исследование понижающего импульсного стабилизатора напряжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

11

Министерство образования и науки Украины

Севастопольский национальный технический университет

Кафедра радиотехники и телекоммуникаций

Лабораторная работа

«Исследование понижающего импульсного стабилизатора напряжения»
по дисциплине

«ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ РЭА»

Севастополь 2009 г.

Цель лабораторной работы -- изучение принципов работы импульсного понижающего стабилизатора напряжения, получение навыков расчетов элементов его принципиальной схемы, практические исследование процессов в стабилизаторе.

1. Теоретические сведения

На рис. 1.1 представлена функциональная схема импульсного понижающего стабилизатора.

Она состоит из следующих обязательных элементов: силового ключа Кл, осуществляющего высокочастотную коммутацию тока (роль ключа выполняет мощный биполярный или полевой транзистор); разрядного диода VD; низкочастотного сглаживающего фильтра L, С; схемы управления и обратной связи, осуществляющей стабилизацию напряжения или тока. Как видно из рис. 1.1, ключевой элемент Кл и дроссель фильтра L включены последовательно с нагрузкой R_н. Рабочий цикл понижающего стабилизатора состоит, как показано на рис. 1.2, из двух фаз: фазы накачки энергии и фазы разряда на нагрузку. Рассмотрим их подробнее.

Рис. 1.1 -- Функциональная схема импульсного понижающего стабилизатора напряжения

Рис. 1.2 -- Фазы работы понижающего стабилизатора

Фаза 1 -- накачка энергии. Эта фаза протекает на протяжении времени t_и. Ключевой элемент замкнут и проводит ток i_и, который течет от источника питания U_пит к нагрузке через дроссель L, в котором в это время происходит накопление энергии. В это же время подзаряжается конденсатор С. Работа элементов в этой фазе показана на рис. 1.3.

Рис. 1.3 -- Протекание токов в фазе накачки энергии

Фаза 2 -- разряд. Любой индуктивный элемент при скачкообразном изменении характеристик цепи стремится препятствовать изменению направления и величины тока, протекающего через его обмотку. Поэтому, когда по окончании фазы 1 происходит размыкание ключа Кл, ток i_п поддерживаемый индуктивным элементом, замыкается через разрядный диод VD. Т. к. источник питания отключен, дросселю неоткуда пополнять энергию, поэтому он начинает разряжаться по цепи «диод -- нагрузка», как показано на рис. 1.4.

Рис. 1.4 -- Фаза разряда на нагрузку

Рабочая частота стабилизатора задается схемой управления и определяется так

,

где Т -- период коммутации схемы управления стабилизатора, t_и, t_п -- соответственно длительность импульса и паузы между импульсами..

Рассчитаем коэффициент заполнения

г=.

Сглаживающий фильтр, применяемый в схеме, необходим для сглаживания напряжения питающего нагрузку, имеющего вид прямоугольных импульсов. Среднее значение напряжения на нагрузке понижающего стабилизатора

U_н=,

где i(t) = i_н^max -- постоянный максимальный ток в нагрузке, который протекает, когда ключ замкнут на длительное время, то есть схема управления не работает.

Напряжение на нагрузке прямо пропорционально ширине импульса t_и, когда ключ открыт на длительное время U_н = U_п. Когда ключ на длительное время закрыт U_п = 0. Отсюда следует, что

U_н = гU_п.(1)

Таким образом, при наличии хорошего сглаживающего фильтра, управляя только коэффициентом заполнения, увеличивая или уменьшая длительность открытого состояния ключа, можно регулировать напряжение на нагрузке.

Понижающий стабилизатор может работать в двух режимах: режиме безразрывных токов дросселя и режиме разрывных токов дросселя. Режим разрывных токов для схемы понижающего стабилизатора нежелателен, поэтому следует выбирать индуктивность дросселя фильтра такой, чтобы его избежать. Проверочное условие для величины индуктивности дросселя

,(2)

где г_min -- минимальный коэффициент заполнения.

При проектировании дросселя для схемы понижающего стабилизатора исходными данными для расчета дросселя являются индуктивность L, а также ток нагрузки i_н В общем случае ток нагрузки не равен току дросселя. Но в том случае, если индуктивность дросселя намного больше критической, ток нагрузки можно принять равным току дросселя. В индуктивном элементе выделяется тепловая энергия в виде потерь в магнитопроводе и потерь на активном сопротивлении обмотки. Основная задача при проектировании дросселя -- спроектировать его так, чтобы тепло достаточно хорошо рассеивалось в окружающем пространстве, не перегревая сам дроссель. Введем понятие энергоемкости дросселя

.

Энергоемкость дросселя связана с объемом, занимаемым сердечником, следующим соотношением:

, (3)

где м_с -- эквивалентная проницаемость сердечника;

-- коэффициент теплоотдачи;

-- допустимый перегрев (обычно принимается равным 40).

Коэффициент теплоотдачи для индуктивного элемента, находящегося обычных условиях (в воздухе), равен Вт/см²С.

В формуле для расчета V_м эквивалентная магнитная проницаемость сердечника м_с, может отличаться от начальной магнитной проницаемости ферромагнетика м. Поскольку дроссель работает в условиях однополярных токов, необходимо снизить величину остаточной индукции В_r в магнитопроводе с помощью введения немагнитного зазора. Применяют не требующие зазора компактные альсиферовые или пермаллоевые магнитопроводы.

Объем магнитопровода, вычисленный по этой формуле имеет размерность см³, и является минимально возможным объемом.

Объем магнитопровода Ш образной конструкции можно оценить по характерным параметрам: площади рабочего сечения и площади окна:

,

где , -- объём магнитопровода;

S -- площадь рабочего сечения магнитопровода;

S₀ -- площадь окна магнитопровода.

Чтобы получить объем в единицах см³, площади следует подставлять в см².

Объем кольцевого магнитопровода можно определить в соответствии с выражением:

Условие нормального теплового режима или .

Если это условие не выполняется необходимо выбрать магнитопровод большего размера.

Величина немагнитного зазора для Ш-образного сердечника должна быть выбрана из соотношения:

,(4)

где l₀ -- длина средней линии магнитопровода;

д -- протяженность немагнитного зазора.

При расчете толщины прокладки, обеспечивающей немагнитный зазор, следует учесть, что прокладка разрывает магнитную силовую линию дважды, поэтому толщина прокладки должна быть в два раза меньше протяженности немагнитного зазора д.

Число витков обмотки катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником может быть определено по следующей формуле:

.(5)

Сечение провода выберем из того условия, что плотность тока в проводнике не должна превышать 5 А/мм². Далее следует определить величину магнитной индукции в магнитопроводе. Чтобы не возник эффект насыщения материала сердечника в спроектированном дросселе должно выполняться условие

.(6)

В этом выражении B_max -- максимально допустимая индукция для выбранного материала сердечника. Для большинства ферритов можно принять B_max = (0,4…0,5) Тл. Если это требование не выполняется, то необходимо увеличить размер магнитопровода.

Далее определяется коэффициент заполнения окна магнитопровода:

(7)

Если это требование не выполняется, то необходимо увеличить размер магнитопровода. Емкость конденсатора фильтра определяется из допустимого коэффициента фильтрации в соответствии со следующим выражением:

.(8)

2. Теоретические исследования понижающего импульсного стабилизатора

Исходные данные:

ѕ минимальное входное напряжение U_{вх min};

ѕ максимальное входное напряжение U_{вх max};

ѕ номинальное выходное напряжение U_вых;

ѕ максимальный выходной ток I_{н max};

ѕ минимальный коэффициент подавления пульсаций q.

Задание 1 В соответствии с исходными данными выбрать из приложения тип ключевого транзистора. Для заданной микросхемы и выбранного ключевого транзистора по справочным данным определить частоту преобразования, максимальный и минимальный коэффициент заполнения и величину падения напряжения на ключевом транзисторе. Исходя из режима неразрывных токов дросселя и минимального значения коэффициента заполнения, определить минимальное значение индуктивности дросселя. Выбрать значение индуктивности дросселя с десятикратным запасом. По выбранному значению индуктивности и коэффициенту подавления пульсаций определить значение емкости выходного фильтра. Выбрать тип разрядного диода (или транзистора синхронного выпрямителя) и защитного диода. Привести принципиальную схему стабилизатора.

Числовые значения исходных данных выбрать из таблицы в соответствии с последней цифрой зачетной книжки n.

Примечание Б - броневой, Ш - Ш-образный, К - кольцевой.

Задание 2 В соответствии с результатами расчета первого задания и заданного типа магнитопровода определить минимальный объем магнитопровода. Для кольцевых сердечников принять _н=1000, для остальных типов принять _с=100. Из приложения выбрать типоразмер магнитопровода. В соответствии с параметрами выбранного магнитопровода определить его объем и, при необходимости, толщину немагнитного зазора. Рассчитать число витков обмотки и величину максимальной магнитной индукции. Сравнить полученное значение с максимально допустимым, при необходимости выбрать другой магнитопровод и повторить расчет. Рассчитать сечение провода, исходя из допустимой плотности тока 5 А/мм². Рассчитать коэффициент заполнения окна медью, при необходимости выбрать другой магнитопровод и повторить расчет.

Задание 3 С учетом результатов расчетов первого практического занятия необходимо рассчитать тепловой режим ключевого транзистора (или микросхемы), и разрядного диода.

Сначала определить полную мощность потерь и температуру кристалла. При этом принять температуру окружающей среды Та = 30є С. Тепловые сопротивления кристалл-корпус, кристалл-среда и корпус-среда, а также максимально допустимую температуру кристалла взять из справочных данных на выбранные полупроводниковые приборы.

Если максимально допустимая температура не приводится, принять ее равной 100є С.

Если температура кристалла превышает максимально допустимую, то произвести расчет плоского пластинчатого радиатора.

При расчетах считать, что радиатор находится в воздухе, а полупроводниковый прибор расположен на радиаторе непосредственно, без диэлектрических прокладок.

Ориентацию радиатора, его материал, толщину пластины d и вариант охлаждения выбираются по последней цифре зачетной книжки из таблицы. Рассчитать требуемое тепловое сопротивление радиатор-среда. Высоту пластины выбрать произвольно. Определить температуру радиатора, перегрев радиатора, коэффициент теплообмена и площадь радиатора. Далее рассчитать ширину пластины и коэффициент габаритных размеров. При необходимости уточнить высоту пластины.

3. Экспериментальные исследования

3.1 Зафиксировать выходное напряжение стабилизатора равным U_вых и, изменяя входное напряжение в диапазоне U_{вх min} … U_{вх max} , исследовать зависимость коэффициента заполнения от входного напряжения.

3.2 Зафиксировать входное напряжение стабилизатора равным U_{вх min} и, изменяя выходное напряжение в диапазоне 0 … U_{вх max} , исследовать зависимость коэффициента заполнения от выходного напряжения.

3.3 Зафиксировать входное напряжение стабилизатора равным U_{вх max} , выходное напряжение стабилизатора равным U_вых и, изменяя сопротивление нагрузки таким образом, чтобы ток нагрузки менялся в диапазоне 0 … I_{н max} , исследовать зависимость коэффициента заполнения и коэффициента пульсаций выходного напряжения от тока нагрузки.

3.4 Построить полученные зависимости.

схема энергоёмкость нагрузка стабилизатор напряжение

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов. - М.: Солон-Р, 2001. - 327 с.

2. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры/ Под ред. Г.С. Найвельта. М.:Радио и связь, 1985.-578 с.

3. Микросхемы для современных импульсных источников пиатния. / Под ред. Э.Е. Тагворяна, М.М. Степанова. М.:Додека, 1999. -235 с.

Размещено на Allbest.ru