DIPLOM (Разработка вторичного стабилизированного источника электропитания постоянного тока)

Разработка вторичного стабилизированного источника электропитания постоянного тока

Техническое задание.

Исходные данные.

Первичный источник питания - трехфазный генератор переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов.

1) Минимальная частота вращения генератора

nmin, об./мин. 1000

2) Максимальная частота вращения генератора

nmax, об./мин. 2000

3) Число пар полюсов, р 6

4) Диапазон входного напряжения Uвх., В 30-60

5) Номинальное выходное напряжение Uн., В 28

6) Номинальная мощность нагрузки Рн., Вт 250

7) Минимальная мошность нагрузки Рн мин., Вт 0

8) Амплитуда пульсаций напряжения на нагрузке, Uвыхм, В 0.1

9) Всплеск выходного напряжения при скачкообразном

уменьшении мощности на нагрузке от Рн до Рн мин., В 1

10) Допустимое отклонение выходного напряжения в установившемся режиме в процентах от номинального

значения , % 1

11) Температура окружающей Среды, С -60 - +60

12) Влажность воздуха, % 98

13) Срок службы, лет 10

14) КПД стабилизатора п более , % 90

Гальваническая развязка между первичным источником

питания и нагрузкой не требуется.

Разработка электрической схемы импульсного стабилизатора напряжения.

Анализ технического задания.

Стабилизатор напряжения - это устройство, поддерживающее неизменным напряжение на своем выходе, т.е. на нагрузке, при изменении входного напряжения и тока нагрузки.С точки зрения режима работы регулирующего элемента стабилизаторы напряжения разделяют на непрерывные ( регулирующий элемент работает в линейном режиме ) и дискретные ( регулирующий элемент работает в ключевом режиме ). Непрерывный стабилизатор напряжения не имеет смысла выбирать , так как его главным недостатком явлиется низкий КПД .Следовательно, свой выбор остановим на дискретном стабилизаторе напряжения. Дискретные стабилизаторы напряжения делятся на релейные и импульсные. Релейный стабилизатор работает в режиме автоколебаний, частота и амплитуда которых зависит от значений внешних возмущающих воздействий (входного напряжения и тока нагрузки ), что является главным его недостатком. Наличие в системе питания автоколебаний может привести к неустойчивой работе некоторых систем, являющихся потребителями этой энергии. Поэтому в качестве стабилизирующего источника вторичного электропитания выбираем импульсный стабилизатор напряжения, характеризующийс тем, что у него частота коммутаций регулирующего транзистора постоянна и регулирующий транзистор управляется от модулятора ширины импульса ( МШИ ), т.е.стабилизация входного напряжения осуществляется за счет изменения времени нахождения транзистора в открытом состоянии.

Т.к. в техническом задании указан диапазон изменения входного напряжения : 30-60 В, а значание выходного напряжения : 28 В и не требуется гальванической развязки между первичным источником питания и нагрузкой, то выбираем импульсный стабилизатор напряжения понижающего типа.

Электрическая схема импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа.

Iп.ср. Iк L Iн

VT

Iсп IL

СУ

Uп VD

Сп Iд Iсн Сн Uн Rн

Рис.4

В импульсном стабилизаторе напряжений регулирующий элемент транзистор ( VT ) работает в режиме переключений.VT коммутируется с постоянной и высокой частотой. Регулирование напряжения на нагрузке осуществляется за счет изменения времени включения VT . Когда VT включен, конденсатор Сн заряжается, и ток течет по контуру, показанном на рис.5а.

Сп Сн Rн

Рис.5а.

Происходит накопление электромагнитной энергии в дросселе и конденсаторе, при этом в дросселе возникает ЭДС самоиндукции Ulнак.Энергия источника питания передается в нагрузку.

При выключении VT ток в дросселе мгновенно упасть не может: он медленно уменьшается, что приводит к возникновению ЭДС рассасывания Ul рас., препятствующей уменьшению тока.Если бы не было диода VD при большой скорости выключения VT , то Uрас. достигла бы большой величины, т.к. по формуле:

Ul = L*di

dt

При наличии VD, как только Ul рас. достигнет величины Uvd+Uн пр то образуется контур для рассеивания накопленной в дросселе энергии, и под действием Ul ток потечет по контуру, показанном на рис.5б. Накопленная в элементах L и Сн энергия передается в нагрузку. Осциллограммы работы стабилизатора напряжения показаны на рис.6.

V D Cн Rн

Рис.5б.

U вх

Uп

t

U кэ

Uкэн Uп-Uд пр.

U L

ULнак

UL расс.

U д Uд пр.

Uп-Uкэн

I к

I д

I L

Рис.6.

Временем включенного состояния VT управляет модулятор ширины импульса ( МШИ ). Это устройство, преобразующее сигнал постоянного тока в последовательность импульсов неизменных высоты и периода следования. Классическая структура МШИ приведена на рис.7.

Она состоит из :

1) генератора тактовых импульсов ( ГТИ ), вырабатывающего короткие импульсы стабильной частоты, а следовательно и постоянного периода следования;

2) генератора пилообразного напряжения ( ГПИ ), который запускается импульсами ГТИ .После прихода каждого короткого импульса ГТИ появляется линейно нарастающее напряжение, которое с приходом очередного импульса быстро падает до нуля и потом снова начинает нарастать;

3) компаратора (К), на инвертирующий вход которого подается пилиобразное напряжение, а на неинвертирующий вход - сигнал постоянного тока, который является входным для МШИ.

На рис.8 показаны сигналы на входах компаратора и выходной сигнал МШИ. На участке (0 - t1) напряжение на неинвертирующем входе компаратора, равное Uвх.мши, больше пилообразного напряжения на инвертирующем входе. Следовательно на выходе компаратора будет положительный сигнал, равный Е пит.. На участке (t1 - t2) пилообразное напряжение выше, чем постоянный входной сигнал, и напряжение на выходе компаратора будет отрицательным.

Uтг Uгпн

ГПН

ГТИ

t t

т

Епк

K Uвых.мши

Uвх. мши Епк

Uвых.мши

t

T

Рис.7.

Uвх.мши Uвх.мши Uгпн

Uгпн

t

Uвых.мши

t

0 t1 t2

Рис.8.

Расчет силовой части стабилизатора

Uкэ

tи tп t

T

Среднее значение напряжения на нагрузке зависит от соотношения между временем нахождения транзистора в открытом tи и закрытом tп состояниях.

Период коммутации равен : T = tи + tп .

Частота коммутации : f = 1/T = 1/(tи + tп).

Отношение длительности открытого состояния транзистора, при котором генерируется импульс длительностью tи , к периоду T называется коэффициентом заполнения : = tи / Т = tи*f .

Схема управления стабилизатора подает на транзистор управляющие сигналы постоянной частоты. Из рекомендаций по проектированию импульсного стабилизатора напряжения, отраженных в литературе, предварительно выбираем тактовую частоту равной 20 кГц. Так как повышение частоты ведет к уменьшению массы и размеров реактивных элементов системы ( индуктивность дросселя и емкость конденсаторов можно уменьшить, увеличивая частоту переключений ). Однако дальнейшее увеличение частоты потребует применения высокочастотных элементов, что повысит себестоимость стабилизатора. Также увеличение частоты ведет к уменьшению емкости конденсаторов, КПД системы падает.

Принцип действия и функциональная схема импульсного стабилизатора напряжения понижающего типа

Функциональная схема импульсного стабилизатора напряжения

Импульсный стабилизатор обычно строят на базе однотактных бестрансформаторных преобразователей, а также однотактных и двухтактных преобразователей с трансформаторным разделением цепей. Однотактные бестрансформаторные преобразователи используются, как правило, повышающего и понижающего типов. Двухтактные преобразователи с трансформаторным разделением цепей отличаются друг от друга местом включения дросселя и алгоритмом переключения транзисторов. Обобщенная функциональная схема однотактного бестрансформаторного преобразователя со стабилизацией выходного напряжения представлена на рис.9.

ИПВН

U

Фвх

УМ

Фвых

вх Uвых

ПУМ

ДТ

ДН

СГР