Розрахунок транзисторних перетворювачів напруги

 

Вихідними даними для розрахунку є:

- номінальна напруга живлення U_ж, В;

- вихідна напруга перетворювача U2, В;

- максимальний струм вторинної обмотки І2, А;

- частота генерації перетворювача f, Гц;

- вид навантаження перетворювача (резистор, мостовий випростовувач, випростовувач з подвоєнням напруги);

- І2мах – амплітуда струму на вторинній обмотці трансформатора, А.

Амплітуда струму на вторинній обмотці трансформатора Тр2 при роботі перетворювача на резистивне навантаження, мостовий випростовував чи схему подвоєння напруги: . Якщо навантаженням перетворювача є випростовував з середньою точкою, то .

1. Визначаємо колекторний струм відкритого транзистора:

(6.1)

де η - коефіцієнт корисної дії перетворювача.

Приймаємо, що η = 0.72 - 0.9 для перетворювачів з підсилювачем потужності та η = 0.8 - 0.95 для перетворювачів з самозбудженням.

2. Максимальна напруга на закритому транзисторі становить:

(6.2)

3. За максимальним значенням струму І_К.МАХ і напруги U_КЕ.MAX з довідників вибираємо тип транзисторів VT1 і VT2. Для наведених на рис. 4.1 та 4.2 схем ці транзистори повинні бути однакові.

Для рис. 4.1 (6.3)

 

для рис. 4.2 (6.4)

 

4. Визначаємо струм бази відкритого транзистора:

(6.5)

де h_{21Є min} - мінімальний коефіцієнт передачі струму вибраного транзистора в схемі зі спільним емітером.

5. Знаходимо напругу на базових обмотках трансформаторів: ТР1 на рис. 2.1 і ТР2 на рис. 4.2:

(6.6)

6. Визначаємо опори резисторів R1, R2, R_б:

 

(6.7)

(6.8)

(6.9)

7. Розраховуємо параметри трансформаторів ТР1 на рис. 4.1 і ТР2 на рис. 4.2.

Магнітопровід трансформатора вибирається за добутком поперечного перерізу осердя S_СТ на поперечний переріз вікна S_В:

, (6.10)

де Р_ТР - вихідна потужність трансформатора, Вт;

J - густина струму в обмотках трансформатора, А/мм²;

В - магнітна індукція магнітопроводу трансформатора, Тл;

К_М - коефіцієнт заповнення вікна осердя трансформатора проводом;

К_С - коефіцієнт заповнення осердя магнітопроводу сталлю.

Густина струму в проводах обмоток трансформатора J становить:

3.5 - 4.5 А/мм² для трансформаторів з потужністю до 100 Вт;

2.3 - 3.5 А/мм² для трансформаторів з потужністю від 100 до 300 Вт.

Коефіцієнт заповнення сталлю площі поперечного перерізу осердя магнітопроводу трансформатора К_С для товщини листа 0.35 - 0.5 мм становить 0.89 - 0.93, а для товщини листа 0.2 - 0.35 мм, відповідно 0.82 - 0.89.

Магнітна індукція В в осерді магнітопроводу трансформатора знаходиться з рис. 6.3.

 

Рисунок 6.3 – Залежність магнітної індукції від потужності трансформатора.

 

Коефіцієнт заповнення міддю вікна магнітопроводу трансформатора К_М при f = 50 Гц має наступні значення:

РТР (Вт)	КМ
15 - 50	0.22 - 0.28
50 - 150	0.28 - 0.34
150 - 300	0.34 - 0.36
300 - 1000	0.36 - 0.38

8. Визначаємо кількість витків обмоток трансформаторів ТР1 на рис.4.1 і ТР2 на рис. 6.2:

, (6.11)

, (6.12)

. (6.13)

Для перехідного трансформатора ТР1 (рис.6.2) кількість витків і діаметр дроту можуть бути якнайменшими. Дріт повинен забезпечувати передачу робочого струму баз транзисторів VT1 і VT2, а сам трансформатор вибирається за потрібним коефіцієнтом трансформації. Коли ж для збудження підсилювача потужності використовується перетворювач з самозбудженням, то розрахунок ТР1 відбувається за описаною вище методикою.

9. Визначаємо струми в обмотках трансформаторів ТР1 на рис. 6.1 і ТР2 на рис. 6.2:

для базової обмотки

, (6.14)

для колекторної обмотки

. (6.15)

10. Знаходимо діаметри проводів в обмотках усіх трансформа-торів перетворювачів (рис. 4.2 - 4.2):

. (6.16)

11. Максимальна вихідна потужність перетворювача постійної напруги визначиться з виразу:

. (6.17)

12. Вибір випростовуючих діодів та конденсаторів фільтра для включення на виході трансформатора перетворювача здійснюється згідно лабораторної роботи № 1.

 

Опис лабораторної установки

 

Дослідження роботи перетворювачів постійної напруги проводиться на лабораторному столі, де встановлюють наступні прилади:

1) макети перетворювачів;

2) набір монтажних провідників;

3) джерело постійної напруги, або акумулятор;

4) два мультиметри;

5) частотомір;

6) осцилограф.

 

6.3 Порядок виконання роботи

 

6.3.1 За даними завдання розрахувати та вибрати елементи схеми перетворювача постійної напруги.

6.3.2 Ознайомитись з лабораторною установкою.

6.3.3 Ознайомитись з необхідними для виконання роботи засобами вимірювань (додаток А).

6.3.4 Скласти структурну схему дослідження перетворювача.

6.3.5 Виставити напругу на виході джерела постійної напруги на рівні 4В та під єднати виводи джерела до входу перетворювача.

6.3.6. До виходу перетворювача приєднати опір навантаження (3 кОм), частотомір та осцилограф.

6.3.7. Заміряти мультиметрами напруги та струми на вході і виході перетворювача, заміряти частоту вихідної напруги та зняти часові діаграми роботи пристрою. Дослід повторити для опорів навантаження 3,6 та 4,7 кОм.

6.3.8. Аналогічні дослідження провести для напруг живлення перетворювача 5, 6, 7 та 8 В.

6.3.9. Визначити, як змінювались характеристики перетворювача при зміні напруги живлення та опорів навантаження?

6.3.10. Змоделювати схему у Electronics Workbench (Додаток А).

 

Оформлення та захист звіту

 

Звіт з лабораторної роботи оформляється на окремих аркушах, або в зошиті з лабораторних робіт. Титульна сторінка звіту, підписується згідно вимог вищої школи, де вказується, назва вузу, кафедри та назва і номер лабораторної роботи. Нижче вказується прізвище і група студента та поточний навчальний рік.

У звіті повинні бути вказані мета роботи та завдання для її виконання, видане кожному студенту індивідуально. Нижче необхідно навести структурну чи функціональну, а також принципову електричну схеми лабораторної установки або стенду. Далі наводяться необхідні розрахункові вирази і отримані результати обрахунків. Потім, у вигляді графіків і таблиць наводяться покази контрольно-вимірювальних приладів, використаних у роботі.

В кінці звіту наводиться висновок, де коротко вказуються результати виконання роботи.

Повністю оформлений і підписаний студентом звіт подається викладачеві до захисту в кінці заняття.

Виконання лабораторної роботи здійснюється в кілька етапів. На першому занятті студент отримує від викладача завдання, вивчає теоретичні відомості з методичних вказівок та інших джерел і розраховує елементи схеми. На початку наступного заняття студент здає допуск до виконання роботи. Потім він отримує лабораторний стенд з необхідною схемою і з’єднує її з контрольно – вимірювальними приладами згідно складеної структурної схеми досліджень. Після цього проводиться дослідження схеми, зняття усіх необхідних даних та оформлення звіту. За виконання роботи студент отримує певну кількість балів, передбачених робочою програмою дисципліни. У кінці заняття повністю оформлений звіт подається викладачеві для перевірки і захисту.

 

6.5 Контрольні запитання

 

1. Будова і принцип дії перетворювачів з самозбудженням та з підсилювачем потужності.

2. Призначення елементів схем перетворювачів.

3. В чому полягають переваги і недоліки перетворювачів напруги відносно інших типів джерел живлення?

4. Які елементи схем перетворювачів впливають на зміну частоти генерації та вихідної напруги перетворювачів?

5. Чи можна за допомогою відомих схемних рішень отримати форму напруги на виході перетворювача, відмінну від прямокутної?

6. Яким чином можна добитись підвищення потужності перетворювача?

7. Якими шляхами можна досягнути максимального значення коефіцієнта корисної дії перетворювача постійної напруги?

8. Чому на вихідній обмотці трансформатора перетворювача напруга відрізняється по формі від прямокутної?