Разработка многоканального источника постоянного напряжения, выполненного на основе прямоходового преобразователя

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «ЭРЭиЭС»

Пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине

«Импульсно-модуляционные системы»

БГТУ. 210 106. 003 ПЗ

Руководитель

Андриянов А.И.

Студент группы 08-ПЭ

Костюченко А.В.

Брянск 2012

Содержание

Введение

1. Расчет входного выпрямителя и фильтра.

2. Расчет прямоходового преобразователя

2.1 Расчет первого прямоходового преобразователя

2.2 Расчет второго прямоходового преобразователя

2.3 Расчет третьего прямоходового преобразователя

2.4 Расчет четвертого прямоходового преобразователя

3. Выбор ключа

4. Моделирование прямоходового преобразователя

5. Расчет трансформатора

6. Расчет потерь

6.1 Рассчитаем потери в сердечнике.

6.2 Мощность потерь в ключе

6.3 Расчет системы охлаждение транзистора

6.4 Мощность потерь в диодах выпрямителя.

6.5 Мощность потерь в обратных диодах.

6.6 Мощность потерь в выпрямительных диодах.

6.7 Мощность потерь в дросселях.

6.8 КПД преобразователя

7. Система управления

6. Заключение

9. Список литературы

Введение

Целью данной курсовой работы является разработка многоканального источника постоянного напряжения, выполненного на основе прямоходового преобразователя. В круг задач, решаемых при проектировании, входят расчет и выбор параметров системы с учетом требований технического задания, исследование выбранной схемы преобразователя путем моделирования в OrCAD и оценка энергетической эффективности устройства. Необходимо разработать и описать структуру и элементы системы управления.

1. Расчет входного выпрямителя и фильтра

Рис. 1 Схема выпрямителя

Фильтра заряжен до напряжения, равного амплитуде напряжения питающей сети минус величину падения напряжения на диодах выпрямителя.

Максимальное обратное напряжение на диодах:

=311 В

Среднее значение тока, протекающего через диод:

Выберем диод 1N3940

VRRM=600В

IF (AV)=2A

IR =50мкА

Расчет конденсатора фильтра (Розанов, Основы силовой электроники, 95)

Для однофазной мостовой схемы.

Зададимся коэффициентом пульсаций на выходе фильтра 1%

Ом

Примем Сф=2. 2мФ

Выберем конденсатор электролитический алюминиевый ECAP (К50−35).

Рис. 2 Модель выпрямителя в OrCad

выпрямитель транзистор мощность диод

Рис. 3 Напряжение на выходе фильтра

2. Расчет прямоходового преобразователя

Рис. 4 Схема преобразователя

2.1 Расчет по каналу питания +5В

В

В

Зададимся коэффициентом заполнения

Найдем коэффициент трансформации

Напряжение стабилизации

Примем L=2. 2мкГн

Выберем IHLP-5050FD-ER-2R2-M-5A

Номинальный ток

25.5 А

Номинальная индуктивность

2.2 мкГн

Допуск индуктивности

±20%

Примем С=1мФ

Ток дросселя

Iн=20А

Среднее значение тока обратного диода

Эффективное значение тока обратного диода

Максимальное мгновенное значение тока обратного диода

Максимальное мгновенное напряжение обратного диода

Выберем диод FR803

Среднее значение тока транзистора

Эффективное значение тока транзистора

Максимальное мгновенное значение тока транзистора:

Максимальное мгновенное напряжение на транзисторе:

Среднее значение тока выпрямительного диода

Максимальное мгновенное значение тока выпрямительного диода

Максимальное мгновенное значение напряжения выпрямительного диода

Выберем MBR1645

Эффективное значение напряжения первичной обмотки

Эффективное значение тока первичной обмотки трансформатора

Эффективное значение напряжения вторичной обмотки

Эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора

Мощность трансформатора

Расчетная габаритная мощность трансформатора

2.2 Расчет по каналу питания +12В

В

В

Зададимся коэффициентом заполнения

Найдем коэффициент трансформации

Примем L=0. 47мГн

Выберем MCDR1419NP-471K (SUMIDA):

Номинальный ток

1.5 А

Номинальная индуктивность

470 мкГн

Допуск индуктивности

±10%

Корпус

Radial

Магнитное экранирование

нет

Размер

18×18×20 мм

Маркировка на корпусе

471K

Примем С=1мкФ

Ток дросселя

Iн=1А

Среднее значение тока обратного диода

Эффективное значение тока обратного диода

Максимальное мгновенное значение тока обратного диода

Максимальное мгновенное напряжение обратного диода

Выберем диод FR102

Среднее значение тока транзистора

Эффективное значение тока транзистора

Максимальное мгновенное значение тока транзистора:

Среднее значение тока выпрямительного диода

Максимальное мгновенное значение тока выпрямительного диода

Максимальное мгновенное значение напряжения выпрямительного диода

Выберем FR303

Эффективное значение напряжения вторичной обмотки

Эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора

Мощность трансформатора

Вт

Расчетная габаритная мощность трансформатора

На выходе поставим стабилизатор напряжения LM7812, так как требуется +12 В.

2. 3 Расчет по каналу питания +15В

В

В

Зададимся коэффициентом заполнения

Найдем коэффициент трансформации

Примем L=120мкГн

Выберем RCR1616NP-121K:

Номинальный ток

2.5 А

Номинальная индуктивность

120 мкГн

Допуск индуктивности

±10%

Ток насыщения при 20°C

2.5 А

Ток перегрева

2.6 А

Корпус

Radial

Магнитное экранирование

есть

Размер

16.5×16.5×16.5 мм

Маркировка на корпусе

121K

Примем С=4. 7мкФ

Ток дросселя

Iн=2А

Среднее значение тока обратного диода

Эффективное значение тока обратного диода

Максимальное мгновенное значение тока обратного диода

Максимальное мгновенное напряжение обратного диода

Выберем диод FR303.

Среднее значение тока транзистора

Эффективное значение тока транзистора

Максимальное мгновенное значение тока транзистора:

Среднее значение тока выпрямительного диода

Максимальное мгновенное значение тока выпрямительного диода

Максимальное мгновенное значение напряжения выпрямительного диода

Выберем диод FR303.

Эффективное значение напряжения вторичной обмотки

Эффективное значение тока вторичной обмотки трансформатора

Мощность трансформатора

Расчетная габаритная мощность трансформатора

На выходе поставим стабилизатор напряжения L78S15CV так, как требуется +15 В.

2. 4 Расчет по каналу питания -15В

В

В

Расчет аналогичен 2. 3

На выходе поставим стабилизатор напряжения L7915ACV так, как требуется -15 В.

3. Выбор ключа

Ток транзистора средний будет равен сумме средних значений тока отдельных прямоходовых преобразователей.

Ток транзистора эффективный:

Максимальное мгновенное напряжение на транзисторе:

Выберем MOSFET транзистор APT1001RBVR со следующими параметрами:

выпрямитель транзистор мощность диод

4. Моделирование прямоходового преобразователя

Рис. 5 Схема преобразователя в Orcad

Рис. 6 напряжение по каналу питания +5В

Рис. 7 по каналу питания +12В

Рис. 8 напряжение по каналу питания +15В

Рис. 9 напряжение по каналу питания -15В

5. Расчет трансформатора

Полная габаритная мощность трансформатора

В качестве материала магнитопровода выберем феррит 2000НМ

Для любых ферритов, для расчётов можно принять ,

Полученному значению ScS0 удовлетворяет сердечник 45×28x8

Средняя длина магнитной линии

Число витков:

Примем число витков w1=250, так как 78 витков недостаточно- в этом случае во вторичной обмотки получается 2 витка.

принимаем w2=6

Находим действующие значения токов обмоток:

Находим сечения и диаметры проводов обмоток:

Размагничивающая обмотка.

Число витков размагничивающей обмотки w6 равно рассчитаем исходя из времени, которого должно хватить на размагничивание 1 обмотки

Будем использовать провода марки ПЭТВ-2:

d1=0. 75 мм d1из=0. 834 мм

d2=2. 5 мм d2из=2. 618 мм

d3=0. 6 мм d3из=0. 674 мм

d4=0. 85 мм d4из=0. 939 мм

d5=0. 85 мм d5из=0. 939 мм

d6=0. 1 мм d6из=0. 125 мм

В качестве изоляции сердечника и изоляции между обмотками будем использовать стеклолакоткань марки ЛСЭ-105/130 толщиной 0. 1 мм

Первой будем мотать первичную обмотку.

Диаметр первого слоя:

Длина первого слоя:

Максимальное число витков в первом слое:

Первичная обмотка не укладывается в первый слой, рассчитываем второй:

В два слоя также не укладывается

Таким образом, обмотка уложится в 3 слоя.

Поверх обмоток будем ложить межобмоточную изоляцию из стеклолакоткани марки ЛСЭ-105/130 толщиной 0. 1 мм.

Следующей будем мотать размагничивающую обмотку.

Хватает одного слоя для размагничивающей обмотки.

Следующей будем мотать вторичную w2 обмотку.

Хватает одного слоя для w2 обмотки.

Следующей будем мотать вторичную w3 обмотку.

Хватает одного слоя для w3 обмотки.

Следующей будем мотать вторичную w4 обмотку.

Хватает одного слоя для w4 обмотки.

Следующей будем мотать вторичную w5 обмотку.

Хватает одного слоя для w5 обмотки.

Получился трансформатор с 8 слоями. Поверх последнего слоя наложим внешнюю изоляцию из стеклолакоткани марки ЛСЭ-105/130 толщиной 0. 1 мм.

6. Расчет потерь

6. 1 Рассчитаем потери в сердечнике

б=1.2 в=2.8 Bmax0=1Тл f0=1кГц

Р0=68 Вт/кг

Bа -амплитуда переменной составляющей индукции.

Масса сердечника 42. 9грамм.

6.2 Мощность потерь в ключе

6.3 Расчет системы охлаждение транзистора

Так как 24. 439Вт-это больше, чем может рассеять транзистор, не перегреваясь, значит необходима система охлаждения.

Рис. 10 Тепловые сопротивления

тепловое сопротивление между кристаллом и корпусом транзистора

Между корпусом транзистора и радиатором нанесем термопасту КПТ-8 толщиной 0. 1 мм.

тепловое сопротивление между корпусом транзистора и радиатором

S -- площадь области теплообмена м2,

h -- толщина теплопроводящего слоя м,

л -- коэффициент теплопроводности Вт/(м·K).

л=0.7 Вт/(м·K).

Для корпуса TO-247

S=312мм2

Рассчитаем RJa

Рассчитаем необходимое тепловое сопротивление радиатора RSa

Выберем радиатор фирмы aavid thermal technologies 53 3601B02552G

с тепловым сопротивлением 3.8 С/Вт.

Рис. 11 Радиатор 53 3601B02552G

6. 4 Мощность потерь в диодах выпрямителя

Потери в диодах выпрямителях переменного тока обусловлены, в основном, статическими потерями при протекании прямых и обратных токов. Коммутационные потери незначительны ввиду малой частоты (50Гц).

Так как диодов 4:

6.5 Мощность потерь в обратных диодах

1) FR803

Рис. 12 Время обратного восстановления диода FR803

Определим пороговое напряжение и дифференциальное сопротивление диода:

Рис. 13 ВАХ диода FR803

2) FR102

Рис. 14 Время обратного восстановления диода FR102

Определим пороговое напряжение и дифференциальное сопротивление диода:

Рис. 15 ВАХ диода FR803

3) FR102

4) Такие же как в 3

Сумма потерь во всех обратных диодах.

6.6 Мощность потерь в выпрямительных диодах

1) MBR1645

Рис. 16 ВАХ диода MBR1645

2) FR303

Рис. 17 Время обратного восстановления диода FR303

Рис. 18 ВАХ диода FR303

3) FR303

4) Потери такие же как в 3 пункте

Сумма потерь во всех выпрямительных диодах.

6.7 Мощность потерь в дросселях

6.8 КПД преобразователя

7. Система управления

В качестве системы управления выберем ШИМ-контроллер TL494.

Рис. 19 Описание выводов TL494

Рис. 20 Блок-схема TL494

Рассчитаем RC-цепочку, для задания частоты ШИМ:

Примем С=0. 47нФ,

Рассчитаем сопротивление внутреннее сопротивление r

Рис. 21 Uн (Iн)

Для управления ШИМ будем использовать П-регулятор

Нестабильность напряжения должна быть не более, чем

Выберем б=4. 7, Uз=1, в=0. 1

Смоделируем П-регулятор в Matlab.

Рис. 22 Модель в Matlab

Рис. 23 Модель в Matlab

Рассчитаем сопротивления усилителя ошибки

Рис. 24 Усилитель ошибки 1

Примем R4=47кОм, R1=100кОм

В качестве ИОН используем встроенный в TL494 ИОН на 5 В (вывод14).

Примем R2=56кОм, тогда решив

, получим R3=100кОм

Также смоделируем ШИМ вместе с преобразователем и получим передаточные характеристики.

Рис. 25 Передаточная характеристика при Uвх=340В

Рис. 26 Передаточная характеристика при Uвх=279В

Заключение

В данной курсовой работе, был разработан многоканальный источник постоянного напряжения. Разработана аналоговая система управления. В ходе данной курсовой работы мы ознакомились со свойствами ШИМ, произвели расчет трансформатора, выбрали элементную базу. Произвели выбор радиатора.

Список литературы

1. Мелешин, В. И. Транзисторная преобразовательная техника / В. И. Мелешин. — М.: Техносфера, 2005.

2. Модуляционные источники питания РЭА / А. В. Кобзев, Г. Я. Михальченко, Н. М. Музыченко. — Томск: Радио и связь, Томский отдел, 1990.

3. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники. — М.: Энергоатомиздат, 1992.

4. Андриянов «Транзисторные преобразователи напряжения: Анализ и расчет». Брянск: БГТУ, 2010. -276с

5. Сидоров И. Н. Малогабаритные магнитопроводы и сердечники: Справочник. М.: Радио и связь, 1989.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой