Расчет двухтактных преобразователей напряжения

Наиболее широкое применение получили двухтактные преобразователи, расчетная схема которого приведена на рисунке 14.9). Преобразователь состоит из трансформатора TV и транзисторов VT1, VT2, включенных по схеме с общим эмитте­ром. Трансформатор выполнен на магнитопроводе из материала с прямоугольной петлей ги­стерезиса (79НМ, 34НКМП). Входными зажима­ми преобразователь включен в цепь постоянного тока с напряжением U₀. Напряжение, снимаемое с резистора R2 делителя напряжения, создает на базах транзисторов положительное (относитель­но эмиттеров) смещение, что обеспечивает на­дежный запуск преобразователя.

Благодаря положительной ОС транзисторы поочередно подключают источник питания к первичным обмоткам трансформатора w'₁ и w''₁. Во вторичной обмотке трансформатора наводится ЭДС прямоугольный формы.

Рисунок 14.9

 

При преобразовании больших мощностей наибольшее распространение получили преобра­зователи с использованием усилителя мощности. Усилитель управляется от задающего генерато­ра, в качестве которого можно использовать преобразователь с самовозбуждением. Примене­ние таких преобразователей целесообразно, если требуется обеспечить постоянство частоты и напряжения на выходе, а также неизменность формы кривой переменного напряжения при изменении нагрузки преобразователя. Схема двухтактного усилителя мощности приведена на рисунке 14.10.

Рисунок 14.10

 

Транзисторы усилителя мощности VT1, VT2 работают поочередно. В течение первого полупе­риода под действием управляющего напряжения один из транзисторов, например VT1, открыт и находится в насыщении, а транзистор VT2 зак­рыт и находится в режиме отсечки. Во второй полупериод транзисторы переключаются. На­пряжение питания поочередно прикладывается к верхней и нижней половинам первичной обмотки трансформатора. Во вторичной обмотке наво­дится ЭДС прямоугольной формы.

Расчет преобразователей

Исходные данные: напряжение питания U₀, В; выходное напряжение преобразователя U₂, В; максимальный ток вторичной обмотки I₂, А; частота генерации преобразователя f, Гц. Необходимо знать также вид нагрузки (активная, мостовой выпрямитель, выпрямитель со средней точкой, удвоение напряжения).

1. Определяем ток открытого транзистора

Принимаем = 0,72... 0,9. Амплитуда тока вторичной обмотки I_{2 max} = I₂, если преобразова­тель работает на активную нагрузку, на мостовой выпрямитель и цепь удвоения. Если нагрузкой является двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, то I_{2 max} = I₂ .

2. Максимальное напряжение на закрытом транзисторе равно U_КЭ.max = 2,4 U₀.

3. По максимальному току I_K.maxи максимальному напряжению U_KЭmax выбираем тип транзисторов VT1, VT2:

I_K.max=(2…3)I_K.нас (для рисунка 14.9)

I_K.max=(1,3…1,5)I_K.нас (для рисунка 14.10).

4. Ток базы транзистора равен I_Б.нас = (1,3 -1.5) I_K.нас /h_{21 Э min}-минимальное значение коэффициента передачи тока VT1, VT2 в схеме с ОЭ.

5. Напряжения базовых обмоток U_Б = 2,5... 3,5 В.

6. Сопротивления резисторов R1,R2,R_Б равны:

R₁=U₀ R₂/(0,5…1);

R₂ = [U_Б-(0,5...0,7)]/I_{Б нac};

R_Б = (1,4... 2)/I_Бнас.

7. Расчет параметров трансформатора. Магнитопровод трансформатора у преобразователя с самовозбуждением изготавливается из материала с прямоугольной петлей гистерезиса (50НП, 34НКМП, 79НМ). У преобразователя с усилите­лем мощности сердечник трансформатора изго­тавливается из материалов с высокой магнитной проницаемостью (34НКМП, 40НКМП, ферри­тов 2000НМ1, 2000НМ3).

Магнитопровод трансформатора выбирается по произведению S_CТ S_ОК:

S_CTS_OК =S_Г 10²/2,22 f B j k_M k_C .

S_Г = 1,3U₂I₂ (активная нагрузка преобразова­теля или мостовой выпрямитель); S_Г = 2,l U₂I₂ (нагрузка - двухполупериодный выпрямитель со средней точкой): В=1,5Т для сплава 50НП; В = 0,85 Т для 79НМ; В = 1,5 для сплава 34НКМП.

В преобразователях с самовозбуждением В = B_S, а в преобразователях с усилителем мощ­ности В = (0,7... 0,8) B_S.

При использовании ферритов 2000НМ В = (0,15... 0,2) Т.

Величина j, k_М, k_C. определяют так же, как при расчете трансформаторов, = 0,8... 0,95.

Число витков вторичной, первичной и базо­вой обмоток преобразователя равно

w_l = U₀10⁴/(4 f B S_CT k_C);.

w₂ = (U₂/U₀)w_l;

w_Б=(U_Б/U₀)w₁.

Определяем токи в обмотках трансформа­тора

Диаметры проводов обмоток трансформатора (без учета толщины изоляции) определяем (см. главу «расчет трансформаторов):

Выбираем марку провода и определяем диаметры проводов обмоток трансформатора с учетом толщины изоляции d_1из, d_2из …d_n.из.

Обмотки маломощных низковольтных трансфор­маторов выполняются в основном из проводов с эмалевой изоляцией (ПЭ, ПЭВ-1, ПЭВ-2).

15 Устройства непосредственного преобразования различных видов энергии в электрическую энергию постоянного тока

Общие положения

К устройствам непосредственного преобразования энер­гии различного рода в электрическую энергию постоянного тока относятся следующие:

-гальванические элементы, преобразующие химическую энергию в электрическую;

-аккумуляторы, также преобразующие химическую энер­гию в электрическую, однако в отличие от гальванического элемента способность аккумулятора отдавать электричес­кую энергию может быть восстановлена путем его заряда от постороннего источника электрической энергии;

-термоэлектрические преобразователи, в которых тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую;

-преобразователи (солнечные батареи), в которых энергия светового потока преобразуется в электрическую;

-атомные батареи, в которых энергия внутриатомного распада преобразуется в электрическую;

-топливные элементы, преобразующие химическую энергию топлива в электрическую.

Гальванические элементы

Гальванические элементы являются первичными химическими источниками тока (ХИТ), в которых используются необратимые процессы преобразования химической энергии в электрическую. Они широко применяются в качестве источников питания постоянным током малогабаритной и переносной радиоаппаратуры. Гальванические элементы и составленные из них батареи характеризуются следующими основными параметрами.

Емкость элемента — количество электричества, отдаваемое элементом при разряде. Емкость элемента измеряется в ампер-часах (А-ч) и определяется выражением

Q=I_Р t_Р

где I_Р—ток разряда, A; t_Р — время разряда, ч.

Увеличение тока I_Р или времени разряда t_Р, а так же уменьшение температуры окружающей среды приводят к уменьшению емкости Q. На каждом элементе или в его паспорте указывается номинальная емкость, значение которой зависит от активных веществ, входящих в состав элемента, от массы электродов и вида электролита.

Внутреннее сопротивление элемента зависит от типа элемента, его устройства, условий эксплуатации и т.д. По величине внутреннего сопротивления можно судить о КПД элемента и об изменениях его параметров при перегрузках.

Саморазряд элемента — это самопроизвольное уменьшение его емкости при разомкнутой внешней цепи. Главной причиной саморазряда является взаимодействие активных масс электродов и электролита. Саморазряд увеличивается с повышением температуры. В гальванических элементах мерой саморазряда является их сохранность.

К удельным характеристикам элемента относятся удельная емкость по объему (А•ч/дм³); удёльная емкость по массе (А•ч/кг); удельная энергия по объему, (Вт ч/дм³); удельная энергия по массе (Вт ч/кг).

Указанные параметры позволяют сравнить различные типы гальванических элементов между собой и выбрать оптимальный вариант источника питания.

Кроме перечисленных параметров большое значение имеет устойчивость гальванических элементов к механическим и климатическим воздействиям; к последним относят колебания температуры и давления, повышенная влажность. При высоких температурах уменьшается внутреннее сопротивление элемента и значительно возрастает саморазряд. Поскольку повышенная влажность также вызывает увеличение саморазряда, то рекомендуется хранить ХИТ в сухих прохладных помещениях. При низких температурах увеличивается внутреннее сопротивление элемента и уменьшается его емкость, что особенно заметно при больших нагрузках. Поэтому на морозе рекомендуется применять несколько параллельных ХИТ, чтобы уменьшить нагрузку на каждый из них.

При параллельном соединении элементов емкость бата­реи равна сумме емкостей элементов, входящих в нее. При последовательном соединении элементов емкость батареи равна наименьшей емкости элемента, входящего в нее.

Марганцово-цинковые элементы (МЦЭ) получили боль­шое распространение благодаря относительно невысокой стоимости, возможности использования в широком диапазо­не температур. Недостатком МЦЭ является снижение удель­ной энергии при увеличении нагрузки.