Источник бесперебойного питания мощностью 600 Вт (стр. 8 из 21)
Рис. 1.5.9. Вихідний буфер UC3842
Розрахунок елементів імпульсного стабілізатора.
Оскільки імпульсний стабілізатор складається з двох однакових пів плеч (стабілізатор додатної напруги та стабілізатор відємної напруги )то доцільно буде порахувати тільки один із них, розраховані значення елементів перенести на інший. Для розрахунку виберемо стабілізатор додатної напруги.
Вихідні дані для розрахунку для електричного розрахунку:
- Вхідна напруга Uвх = 65...150 В;
- Вихідна напруга Uвих = 150 В;
- Зміна вихідної напруги DU = 5В;
- Вихідна потужність Рвих = 300 Вт;
- Частота перемикання силового ключа fs = 100 кГц.
Схема коректора потужності приведена на рис.4.8.
Рис. 1.5.10. Схема імпульсного стабіліатора
Розрахунок ємності вхідного конденсатора
Визначимо мінімальну ємність вхідного конденсатора С2:
Сin LF ³ Р0 /(2·p·f ·V0·η) (4.10)
де - f – частота перемикання силового ключа (100 кГц)
- V0 - вихідна напруга (150 В)
- η=0.9 - прогнозований ККД перетворювача
- Р0 – вихідна потужність – 300 Вт
Сin LF = 300 / (2·3,14·25000·0.9·150) =82.7 мкФ
Вибираємо в якості вхідного конденсатора конденсатор ємністю 330мкФ і робочою напругою 400В
Розрахунок ємності вхідного високочастотного конденсатора
Вхідний високочастотний конденсатор фільтра (C4) повинен зменшити шуми, які виникають при високочастотних перемиканнях силового ключа, що в свою чергу викликає імпульси струму в індуктивності.
Cin HF = Irms /(2·p·f·r·Vin min) (4.7)
де - f - частота перемикання (100 кГц);
- Іrms - вхідний високочастотний струм;
- Vin min – мінімальна вхідна напруга (65 В);
- r – коефіцієнт високочастотних пульсацій вхідної напруги, який знаходиться між 3 і 9 %. Приймаємо r = 7%.
Іrms = Рout / Uin min; (4.8)
Іrms = 300 / 65 = 4,64 А;
Сin = 4,64/(2Ч3,14Ч100000Ч7Ч65) = 0.0065 мкФ.
Вибираємо в якості вхідного високочастотного конденсатора конденсатор ємністю 0.01мкФ і робочою напругою 400В
Вихідний конденсатор
Визначимо значення ємності вихідного конденсатора:
С0 ³ Р0 /(4·p·V0 ·DV0) (4.10)
де - DV0 – зміна вихідної напруги (5 В)
- f – частота перемикання силового ключа ( 100 кГц)
- V0 - вихідна напруга (150 В)
- Р0 – вихідна потужність – 300 Вт
С0 = 300 / 4·3,14·100000·5·150 =63.7 мкФ
Вибираємо в якості вихідного конденсатор ємністю 220мкФ і робочою напругою 400В
Розрахунок котушки індуктивності
Значення індуктивності котушки розраховується з необхідної потужності яка протікає через останню, і значенню струму пульсацій.
(4.11)
(4.12)де - s - тривалість циклу відкриття, закриття силового ключа;
- ІLpk - піковий струм котушки індуктивності;
- f - частота перемикання силового ключа;
- V0 – вихідна напруга.
Тривалість циклу ми можемо визначити за формулою
(4.13)Значення пікового струму який протікає через індуктивність можемо визначити за формулою:
(4.14)де - Vin min – мінімальне значення вхідної напруги (65В),
Отже значення s дорівнює
s = (150 – 1,41·65)/150 = 0,389 сек
Значення пікового струму становитиме:
ІLpk = (2Ч1,41Ч300) / 65 = 13 А
Тоді значення індуктивності яка необхідна для роботи перетворювача напруги:
L = (2·300·0,389)/(132·100000) = 15 мкГн.
Розрахунок силового ключа.
Вибір керуючого ключа зумовлюється максимальним струмом колектора, робочою напругою та граничною частотою перемикання.
Так як в нас максимальний струм який протікатиме через транзистор складає 13 А, робоча напруга до 200 В, а частота перемикань складає 100 кГц в якості силового ключа обираємо польовийтранзистор К1531.
Його параметри наступні:
- Максимальна напруга Uсе - 400 В;
- Постійний струм колектора при Т = 1000С Іс – 27 А;
- Падіння напруги в відкритому стані Uсе – 1,65 В;
- Максимальна частота перемикань – 160 кГц.
Розрахуємо яка ж потужність буде розсіюватись на транзисторі.
Формула розрахунку втрат наступна
Р = Іс2·Rсе (4.15)
Rсе – падіння напруги транзистора в відкритому стані (0.14 Ом)
Іс – струм який протікає через транзистор (13А – з розрахунку максимального пульсуючого струму в котушці індуктивності).
Отже втрати транзистора в відкритому стані становлять
РIGBT = 13·0.14 = 23.6 Вт.
Розрахунок вихідних діодів.
Максимальне значення середнього струму виходячи з значення потужності яка має передаватися в навантаження – 300 Вт.
Можна розрахувати:
І = P/U
І = 300/150 = 2A
Діоди вибираємо з наступних умов, що гарантують надійну роботу
ІDm ≥ 1,2Імакс
UDm ≥ 1,2Uмакс
Отже виходячи з цих розрахунків обираємо в якості вихідних діодів діод типу MUR860. Параметри діода наступні:
Максимальна зворотна напруга – 500 В;
Максимальний робочий струм – 8 А;
Максимальна допустима температура діода – 1500С.
1.5.3. Електричний розрахунок вхідного та вихідного фільтрів.
Природа та джерела електричного шуму.
Боротьба з генеруванням та випромінюванням високочастотного шуму – один із загадкових „чорних ящиків” в проектуванні імпульсних джерел живлення та кінцевого виробу.
Шум створюється всюди, де мають місце швидкі переходи в сигналах напруги чи струму. Багато сигналів, особливо в імпульсних перетворювачах напруги, є періодичними, тобто, сигнал, що містить імпульси з ВЧ фронтами, повторюється з передбачуваною частотою слідування імпульсів (pulse repetition frequency, PRF). Для імпульсів прямокутної форми значення цього періоду визначає основну частоту самої хвилі. Перетворення Фур’є хвилі прямокутної форми створює множину гармонік цієї основної частоти подвійного значення часу переднього чи заднього фронту імпульсів. Це типово в мегагерцовому діапазоні, і гармоніки можуть досягнути дуже високих частот.
В імпульсних перетворювачах напруги з ШІМ ширина імпульсів постійно змінюється у відповідь на вихідне навантаження та вхідну напругу. В результаті отримуємо майже розподіл енергії білого шуму з окремими піками і зменшенням амплітуди з підвищенням частоти.
Кондуктивний шум (тобто, шумові струми, що виходять з корпусу приладу через лінії живлення ) може появлятись у двох формах: синфазних завад (common-mode) і завад при диференціальному включенні (differential-mode). Синфазні завади – це шум, який виходить із корпусу тільки по лініям електроживлення, а не лініях заземлення. Завади, при диференціальному включенні – це шум, який можна виміряти тільки між лінією і одним із виводів живлення. Шумові струми фактично витікають через вивід заземлення.
Типові джерела шуму.
Існує декілька основних джерел шуму всередині імпульсного перетворювача напруги з ШІМ, що і створюють більшу частину випромінюваного і кондуктивного шуму.
Джерела шуму є частиною щумових контурів, що представляють собою з’єднання на друкованій платі між споживачами ВЧ струму і джерелами струму. Головним джерелом шуму є вхідна схема живлення, що включає в себе ключ, первинну обмотку трансформатора та комденсатор вхідного фільтра. Конденсатор вхідного фільтра забезпечує трапецеїдальні сигнали струму, необхідні для перетворення напруги, оскільки вхідна лінія завжди добре фільтрується з смугою пропускання , яка набагато нижча робочої частоти перетворювача напруги. Конденсатор вхідного фільтра та ключ повинні розміщуватися близько біля трансформатора, щоб мінізувати дожину з’єднань. Крім цього, оскільки електролітичні конденсатори мають погані ВЧ характеристики, паралельно їм повинний бути включений керамічний чи плівковий.
Чим гірші характеристики конденсатора вхідного фільтра, тим більше енергію ВЧ струму буде забирати блок із силової лінії, що приведе до виникнення кондуктивних синфазних електормагнітних завад.
Другим основним джерелом шуму є контур, що складається з вихідних діодів, конденсатора вихідного фільтра і вторинних обмоток трансформатора. Між цими компонентами протікають трапецеподібні струми великої амплітуди. Конденсатор вихідного фільтра і випрямляч необхідно розміщувати як можна ближче до трансформатора; для мінімалізації випромінюваного струму. Це джерело також створює синфазні кондуктивні завади, головним чином, на вихідних лініях джерела живлення.
Фільтри кондуктивних електромагнітних завад.
Існує два типи вхідних силових шин. Силові шини постійного струму – це однопровідні силові з’єднання, друге плече живлення яких формує заземлення. Іншим типом вхідного з’єднання є двох або трьохпровідна система живлення від мережі змінного струму. Проектування фільтру ЕМ завад для систем постійного струму здійснюється в основному в вигляді простого LC-фільтра. Всі завади між одним силовим проводом і замиканням через „землю” є синфазними. Фільтр постійного струму, значно більш складний, оскільки враховує паразитні характеристики компонентів.
Вхідний фільтр кондуктивних ЕМ завад призначений для утримання ВЧ кондуктивного шуму в середині корпусу. Фільтрація ліній входу/виходу також важлива для захисту від шуму внутрішніх схем (наприклад мікропроцесорів, АЦП, ЦАП).