Курсовая работа: Расчет импульсного источника вторичного электропитания

Трансформатор силового каскада является специфическим индуктивным элементом, характерные особенности работы которого определяются выбранным типом импульсного преобразователя - ОПНО.

С точки зрения трансформации напряжений и токов из первичной обмотки во вторичную трансформатор TV схемы рис. 4 представляется классическим трансформатором, к которому применимы рассматриваемые в курсе ТОЭ формулы приведения.

В классическом трансформаторе тока или напряжения, включая импульсный, индуктивность намагничивания является паразитной и для повышения энергетической эффективности трансформатора она должна быть максимальной, так как при этом уменьшается бесполезный ток холостого хода.

Магнитопровод трансформатора силового каскада ОПНО работает в режиме однополярного намагничивания, как и импульсный трансформатор. Одновременно с этим, индуктивность его намагничивания должна быть не максимально возможной, а иметь строго определенную величину. Это обусловлено тем, что на этапе включенного состояния транзистора VT_S амплитуда импульса тока стока определяет процессы переноса энергии из первичного источника в нагрузку и определяет уровень напряжения .

На рис. 9 приведена график кривой намагничивания

.

Рис. 9. График кривой намагничивания магнитопровода.

Как следует из временных диаграмм рис. 5 и приведенных уравнений, для требуемого функционирования силового каскада ОПНО все изменения токов обмоток и трансформатора должны иметь линейный характер, что обеспечивается при и . В общем виде индуктивность любой из обмоток трансформатора может быть выражена обобщенной функцией

(1.5)

где - коэффициент, определяемый геометрическими размерами сердечника магнитопровода; - магнитная проницаемость материала сердечника, геометрическая интерпретация величины которой показана на графике рис. 9.

При изменении тока, протекающего через индуктивность, рабочая точка перемещается по кривой намагничивания, рис. 9, в направлениях, показанных стрелками. Так как трансформатор TV работает в режиме однополярного намагничивания, то рабочей областью функции является первый квадрант графика рис. 9. Для выполнения условия неизменности индуктивности L необходимо, чтобы рабочая точка при изменении магнитного поля Н, которое соответствует подмагничивающим ампервиткам , не выходила бы за пределы линейного участка функции . Это соответствует показанной на графике величине индукции . Только в этом случае обеспечивается равенство . Одновременно с этим график рис. 9 показывает, что если ампервитки , то действующая индукция будет равна В_нас (индукции насыщения сердечника), обусловливая значение , а это, в соответствии определяет значение .

Изложенное определяет необходимость применения в трансформаторе силового каскада ОПНО специальных магнитопроводов и выбора определенных режимов работы, которые существенно отличаются от традиционных, используемых при проектировании классических трансформаторов тока или напряжения. По существу процессов трансформатор силового каскада ОПНО является многообмоточным сглаживающим дросселем. Поэтому в таких трансформаторах используются сердечники с воздушным зазором или специальные магнитодиэлектрики с малой магнитной проницаемостью: .

1.6 Работа схемы сравнения

Как видно из схемы рис. 4, напряжение вторичной обмотки , выпрямленное диодом через сглаживающий фильтр поступает в нагрузку . Одновременно с этим напряжение с конденсатора поступает на вход аналоговой схемы сравнения . Функционально она представляет собой операционный усилитель, на один из входов которого поступает опорное напряжение, а на другой напряжение с выхода делителя напряжения . К выходу подключен светодиод первой части оптоэлектронной пары "светодиод-фототранзистор" микросхемы устройства гальванической развязки. Работа схемы сравнения с оптоэлектронной парой заключается в том, что при изменении выходного напряжения ИВЭП изменяется яркость свечения светодиода, что приводит к изменению светового потока, передаваемого на последующие функциональные узлы ИВЭП.

При отсутствии выходного напряжения в момент первоначально пуска ИВЭП яркость свечения светодиода равна нулю, а при последующем увеличении яркость свечения увеличивается. Аналогичные изменения яркости свечения происходят и при дальнейших изменениях при воздействии различных дестабилизирующих факторов: изменении напряжения сети, тока нагрузки , температуры окружающей среды и др. Стрелками показано направление светового потока светодиода.

Таким образом, при всех изменениях выходного напряжения ИВЭП изменяется уровень сигнала обратной связи (в данном случае светового потока), передаваемый в схему управления силовым транзистором VT_S . В соответствии с этим соответствующим образом изменяются временные параметры импульсов или Т, чем реализуется свойство стабилизации напряжения .

В схеме силового каскада рис. 4, кроме рассмотренных элементов, имеется обмотка , которая служит для обеспечения постоянным напряжением (через диод микросхемы схемы управления в установившемся режиме работы ИВЭП. Далее рассмотрим функциональное взаимодействие элементов силового каскада со схемой управления силовым транзистором.

1.7 Схема управления силовым транзистором

Схема управления силовым транзистором с применением специализированной ИМС, приведена на рис. 10. Схема содержит следующие элементы с указанием их соответствующего функционального назначения специализированной ИМС типа КР1033ЕУ15А (вывод 7 ИМС) осуществляется от стабилитрона . Существует два режима электропитания ИМС.

Первый режим используется для первоначального пуска ИВЭП. При наличии напряжения ток через стабилитрон задается резистором . В установившемся режиме ток в через резистор поступает от обмотки трансформатора TV схемы силового каскада (см. схему рис. 4, напряжение ). Сглаживание высокочастотных и низкочастотных пульсаций напряжения питания осуществляется конденсаторами и , первый из которых является керамическим, а второй - электролитическим. Общим для входных и выходных сигналов, а также для питания является вывод 5 .

Рис. 11. Схема управления силовым транзистором.

Выходом , является вывод 6 ИМС, импульсное напряжение которого через резистор поступает на затвор транзистора VT_S схемы рис. 4 (сигнал ).

Отличительной особенностью схемы ОПНО является использование МДП-транзистора VD_S в качестве датчика тока. Эта часть схемы управления (схема защиты) работает следующим образом. Когда на выводе 6 появляется высокий уровень напряжения, транзистор VT_S открыт. Падение напряжения на нем определяется как произведение сопротивления сток-исток в открытом состоянии и тока первичной обмотки трансформатора. Напряжение в точке соединения резисторов и равно сумме падений напряжения на резисторе и диоде . С выхода делителя напряжения это напряжение поступает на вывод 3 , функциональное назначение которого заключается к контроле тока силового транзистора. Если принять, что падение напряжения на диоде при протекании через него различных токов не изменяется, то можно полагать, что напряжение на выводе 3 линейно зависит от тока первичной обмотки трансформатора. Если напряжение на этом выводе ИМС превысит заданное значение, то действие импульса напряжения прекращается ранее, чем это задается схемой управления, чем реализуется защита силового транзистора от превышения тока стока. Если при последующем включении силового транзистора ток стока опять превысит заданное значение, то процессы повторяются.

Задание требуемого порога срабатывания защиты от перегрузки выполняется соответствующим выбором сопротивлений резисторов и . Конденсатор ,является интегрирующим и предназначен для исключения ложного срабатывания схемы защиты от внешних и внутренних высокочастотных импульсов помехи.

Известно, что падение напряжения на диоде с р-п переходом зависит от температуры, что относится и к диоду . С увеличением температуры падение напряжения на нем уменьшается. Это снижает порог срабатывания схемы защиты, так как в этом случае сопротивление МДП-транзистора увеличивается, что вызывает увеличение напряжение на выводе 3 . Таким образом, уменьшение надежности работы силового транзистора при повышенной температуре компенсируется снижением порога срабатывания схемы защиты.

В случае полного короткого замыкания в нагрузке напряжения на обмотках трансформатора TV резко уменьшаются, в том числе и на обмотке (схема рис. 4). Это вызывает снижение напряжения на стабилитроне и на выводе 7 питания ниже уровня её отключения. ИМС переходит в ждущий режим работы. После этого напряжение на стабилитроне начнет увеличиваться за счет заряда конденсатора от источника питания через резистор . Происходит повторное первоначальное включение ИВЭП и, если замыкание в нагрузке не снято, то процессы повторяются. Таким образом, при наличии значительной перегрузки преобразователя происходит периодический пуск ИВЭП и питание для установившегося режима работы обеспечивается напряжением обмотки , трансформатора TV (схема рис. 4). Такой способ защиты от перегрузки позволяет значительно снизить мощность, рассеиваемую силовым транзистором и выпрямительным диодом.

Для питания внутренних и некоторых внешних элементов в существует стабильный источник опорного напряжения , который выведен на вывод 8 ИМС. Фильтрация его от высокочастотных помех осуществляется конденсатором .Установка частоты преобразования ОПНО производится выбором параметров последовательной цепи , средняя точка которой подключена к выводу 4 . Питание этой цепи осуществляется от стабильного источника , что позволяет улучшить устойчивость системы автоматического регулирования (САР) и повысить стабильность напряжения .

Между выводами 1 и 2 включен резистор , при помощи которого можно изменять коэффициент усиления САР, изменяя тем самым динамические и статические характеристики "безтрансформаторного" ИВЭП.