Расчет численных значений внутренних параметров инвертора

● Графическое изображение принципиальной схемы инвертора, характеристики которого рассчитываются.

● Формирование исходных данных:

- численных значений выходных характеристик, включающих действующие значения прямоугольного переменного напряжения U_пер и тока нагрузки I_н;

- численных значений входных характеристик, включающих напряжение источника постоянного тока U_пс и его мощность Р_пс [5].

Исходные данные приведены в таблице:

№ ва- рианта
Uпер, В
Iн, А	0,83	0,42	0,21	0,16	0,25	1,33	0,83	0,74	1,33 60 27
Uпс, В
Pпс,Вт	13.5	13,5	13,5	13.5

Каждый студент выбирает данные варианта в соответствии с номером зачетной книжки:

Номер варианта задачи, решаемой студентом, должен соответствовать последней значащей цифре номера его студенческого билета (от 1 до 9—нули не учитываются).

Для транзисторного инвертора с самовозбуждением с трансформаторной ОС по напряжению устанавливаются предельно допустимые минимальные и максимальные значения напряжения источника постоянного тока:

где U_{кэ нас} —напряжение насыщения коллектор-эмиттер коммутирующего транзистора инвертора;

U_kиакс - его предельно допустимое напряжение коллектор-эмиттер.

Увеличение в 2 раза напряжения насыщения транзистора делается для обеспечения устойчивого запуска инвертора. Максимальное напряжение, приложенное к закрытому транзистору, равно сумме напряжения источника и ЭДС обмотки трансформатора, т. е. примерно двум напряжениям источника.

Для учета возможных коммутационных перенапряжений максимально допустимое значение напряжения источника должно быть в 2,4 раза меньше U_{к макс}. Мощность источника постоянного напряжения должна быть не меньше, чем отношение мощности, которая потребляется нагрузкой, к КПД инвертора (h).

Частоту преобразования (коммутации) рекомендуется выбирать в пределах от 1 до 50 кГц, учитывая, что с её увеличением уменьшается масса трансформатора, но возрастают динамические потери мощности.

● Выбор переключающих транзисторов

Для выбора типа переключающих (коммутирующих) транзисторов рассчитываются максимальное напряжение, прикладываемое к закрытому транзистору, и максимальный ток, протекающий через транзистор в состоянии насыщения.

Величина максимального напряжения определяется из условия выбора предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер

U_km=2,4 U_пс.

Максимальная величина тока коллектора транзистора зависит от его среднего значения в течение (T/2) полупериода

Если учитывать ток намагничивания трансформатора, то среднее значение тока коллектора должно быть увеличено примерно в 1,4 раза.

В момент насыщения сердечника трансформатора ЭДС, индуктируемые в его обмотках, становятся равными нулю и все напряжение U_пс прикладывается к транзистору, в результате чего ток I_к возрастает в 3 ‑ 4 раза, т. е.

Из условия U_кдоп ³ U_кm, I_{к доп} ³ I_кmвыбирается тип транзистора [6].

Для выбранного типа транзистора из этого же справочника определяется минимальная величина статического коэффициента передачи тока - h_21э.

● Пусковой делитель

При расчете величины сопротивлений пускового делителя напряжения R₁ и R₂ необходимо получить компромиссное решение: обеспечить требуемую величину напряжения смещения базы относительно эмиттера транзистора при достаточно малых потерях мощности в делителе.

Такое решение обеспечивается при условии

где U_см —напряжение смещения база-эмиттер транзистора при указанном в справочнике токе базы I_б;

Максимальная величина тока базы равна

где I_{к нас} - постоянный ток коллектора в режиме насыщения;

h_{21э мин}- минимальное значение статического коэффициента передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером.

Соответственно, величина сопротивления второго резистора

Величина емкости конденсатора, шунтирующего резистор R₁ в момент включения инвертора, выбирается из условия, чтобы постоянная времени цепи заряда этого конденсатора была меньше половины периода коммутации:

● Напряжение обратной связи

Для расчета величины напряжения обратной связи U_ос, обеспечивающей режимы насыщения и отсечки транзисторов, необходимо определить по справочнику максимальное напряжение насыщения база-эмиттер U _{бэ нас}, значение которого должно быть обеспечено выбором величины U _ос и U _cм. При этом должно выполняться условие U _ос > U _см ( рис.1).

Как правило, U _ос = (3 ¸ 5 ) В.Тогда U_{бэ нас} = U_ос+ U _см

U_{бэ нас}

ü

ï

ý U_ос

ï

þ

ü

ý U_см

þ t

Рис. 1

Величина напряжения U_ос (ЭДС полуобмотки обратной связи) так относится к напряжению U_пс (ЭДС на первичной обмотке трансформатора), как примерно . Для расчета используется соотношение

● Число витков полуобмоток первичной обмотки

Для определения числа витков полуобмоток первичной обмотки трансформатора используется выражение, связывающее частоту коммутации (переключения транзисторов инвертора) с числом витков:

Соответственно

где В_макс - максимальное значение магнитной индукции в сердечнике трансформатора, т. е. индукция его насыщения;

S_са - площадь активного сечения стержня, на котором размещаются обмотки.

● Определение потеь мощности в трансформаторе инвертора.

Численные значения В_макс и S_са определяются при расчете характеристик трансформатора. Потери мощности в трансформаторе определяются по формулам, приведенным задаче 1.

Выбор типоразмера магнитопровода трансформатора производится по значению его габаритной (типовой) мощности с учетом частоты коммутации транзисторов f_к. Габаритная мощность трансформатора определяется как полусумма мощностей всех его обмоток. Для случая, когда известна величина мощности, потребляемая нагрузкой Р_н и КПД инвертора h

Рекомендуется для трансформаторов инверторов с обратной связью по напряжению применять О-образные (тороидальные) магнитопроводы из феррита или пермаллоя. Типоразмеры магнитопроводов типа ОЛ из материала 40 НМК с толщиной ленты 0,02 мм приведены в [7 табл.3.33].

С помощью той же таблицы выбирается величина B_макс(Тл), одно из дискретных значений частоты f_к (10, 20, и 50 кГц), а также площадью S_са.

После определения числа витков полуобмоток W ¢₁ и W ¢¢₁ первичной обмотки трансформатора находится число витков его вторичной обмотки:

при прямоугольной форме напряжения и₁(t) действующее значение U₁ = U_пс.

Расчет сечения (диаметра) проводов обмоток трансформатора инвертора проводится с помощью соотношения:

при S _i = (1/4) × p × d_i и S_i = I_i/ j.

где j — допустимая плотность тока, величина которой приведена в таблице;

I_i —действующее значение тока в i-й обмотке трансформатора.

В связи с тем, что ток через полуобмотки W ¢₁ = W ¢¢₁ и W ¢₃ = W ¢¢₃ протекает в течение одного из полупериодов, действующее (эффективное) значение тока связано с максимальным значением соотношения:

Ток во вторичной обмотке трансформатора I_2эф = I_н.

При расчете потерь мощности в стали Р_ст и в меди Р_м трансформатора рекомендуется использовать соотношения, приведенные в задаче 1.

Потери в пусковых делителях

Потери в силовом транзисторе

P _тр = U _{кэ нас} × I _{к нас} + U _{бэ нас} × I _{б нас} + U _пс × I _кm × t × f_к / 3,

t = 2 × 10^-6 c.

● Контроль правильности выбора конструктивных элементов инвертора

Для контроля правильности выбора конструктивных элементов инвертора вычисляется его КПД и полученное значение сравнивается с рассчитанным ранее:

где P_дел, Р_тр - потери мощности в делителе и транзисторах;

P_ст и Р_м —потери мощности в стали и в меди трансформатора.

Если получается h _рас < h , то необходимо выбрать новые конструктивные элементы инвертора.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что понимается под оптимальным вариантом СВЭП?

2. Каким требованиям должны удовлетворять характеристики, выбираемые для оценки степени достижения отдельными альтернативными вариантами СВЭП частных целей ее функционирования?

3. Как формируются ограничения, накладываемые на структуру, параметры и показатели качества СВЭП?

4. Чем в принципе отличаются безусловный и условный критерии предпочтения, используемые при выборе оптимальных вариантов?

5. Почему при выборе транзисторов инвертора не учитывается предельно допустимая постоянная рассеиваемая мощность на переходе

э - к?

6. Как прямоугольная форма ЭДС, индуктируемых в обмотках трансформатора инвертора, влияет на расчет его характеристик?

7. Почему характер нагрузки инвертора, работающего па ВУ, можно считать активным вне зависимости от характера нагрузки ВУ?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Бушуев В. М., Деминский В. А. и др. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов — М.: Горячая линия - Телеком, 2009.

2. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам/Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. — М.: Энергия, 1977.

3. Полупроводниковые приборы. Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы: Справочник/Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. — М.: Энергоатомиздат, 1984.

4. Справочник по электрическим конденсаторам/Под общ. ред. И. И. Четвертакова и В. Ф. Смирнова — М.: Радио и связь, 1983.

5. Методические указания к расчету источников вторичного электропитания устройств связи / Отв. ред. А. С. Жерненко; ЛЭИС. —Л., 1984.

6. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник / Под общ. ред. Н. Н. Горюнова. — М.: Энергоатомиздат, 1986.

7. Справочник. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры/Под ред. Г. С. Найвельта. — М.: Радио и связь, 1985.