70699

Расчёт печатной платы

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Основой многих импульсных источников питания служат однотактные обратноходовые преобразователи напряжения (ООП). ООП напряжения являются сейчас наиболее распространёнными. Это обусловлено тем, что в области малой...

Русский

2014-10-24

2.77 MB

1 чел.

                                                Содержание

Введение………………………………………………………………………5

  1.  Расчёт выпрямителя……………………………………………………11
  2.  Расчёт трансформатора………………………………………………...13

3.    Расчёт транзистора ………………….…………………………....16

4.    Расчёт выпрямительного диода …………………………….…..18

  1.  Расчёт элементов узла управления……………………………………19
  2.  Расчёт демпфирующей цепи…………………………………………..23
  3.  Расчет фильтра…………………………………………………………25

8.    Расчёт КПД…………….…………………………………………….…26

Заключение……………………………………………………………...…..27

Список литературы…………………………………………………...…….30

Введение

Основой многих импульсных источников питания служат однотактные обратноходовые преобразователи напряжения (ООП). ООП напряжения являются сейчас наиболее распространёнными. Это обусловлено тем, что в области малой () и средней () мощности они обеспечивают наиболее оптимальное соотношение стоимость - качество. В связи со снижением цен на мощные полевые транзисторы  с изолированным затвором () и улучшением их параметров, а также уменьшением времени переключения и значительным снижением динамических потерь и биполярных транзисторов с изолированным затвором () сейчас можно прогнозировать применение подобных преобразователей и в области больших мощностей ( и выше). Стоимость узла управления ООП гораздо ниже, чем у других преобразователей.

             Рис. 1. Функциональная схема ООП.

Функциональная схема ООП приведена на рис. 1. На этапе накопления коммутатор  замкнут и ток протекает по контуру: плюсовой вывод конденсатора , обмотка  трансформатора , минусовый вывод конденсатора . Индуктивность обмотки  такова, что ток линейно возрастает и, следовательно, будет увеличиваться магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. К его первичной обмотке приложено постоянное напряжение источника . В обмотке  наводится напряжение противоположной полярности, поскольку она включена встречно обмотке . Диод  закрыт, и напряжение на нагрузку поддерживается только энергией конденсатора .

После размыкания коммутатора  ток, протекающий по контуру, прервётся. Поскольку магнитный поток в магнитопроводе трансформатора мгновенно исчезнуть не может, то на его обмотках наводится ЭДС самоиндукции, полярность которой противоположна существовавшему на них напряжению до размыкания коммутатора. Диод откроется, и образуется контур: верхний по схеме вывод обмотки  трансформатора, открытый диод , конденсатор , выходной фильтр (), нагрузка , нижний по схеме вывод обмотки . По этому контру потечёт ток, который обеспечит линейное уменьшение магнитного потока в магнитопроводе трансформатора. Таким образом, начнётся второй этап – передача энергии, запасённой в виде магнитного поля, в нагрузку и зарядка конденсатора .

Однако, часть магнитного потока, наводимого током в обмотке , замыкается по воздуху, минуя вторичную обмотку. Этот поток характеризуется индуктивностью рассеяния. Энергия, запасённая в ней на этапе накопления, не передается в нагрузку и должна быть скопменсирована демпфирующей цепью .

Из рассмотрения функциональной схемы вытекает ряд важных выводов:

– изменением времени накопления по отношению к периоду следования импульсов можно регулировать мощность в нагрузке;

– наличие индуктивности рассеяния требует применения демпфирующей цепи (в ряде случаев простой цепью, приведённой на рис. 1, обойтись не удаётся);

– коммутатор должен иметь малое время переключения, а диоды – малые времена включения и обратного восстановления.

Иногда ООП работают в двух режимах: в непрерывном,  при максимальной нагрузке и в прерывистом – при минимальной.

Борьба с коммутационными выбросами – задача сложная, а при их большой мощности (когда выпрямительный диод имеет большое время обратного восстановления) практически неразрешимая. Поэтому значительная часть разработчиков, уходя от решения этой проблемы, предпочитает режим прерывистого потока трансформатора в ООП с широтно-импульсной модуляцией.

На рис. 2 приведена схема сетевого блока питания на основе ООП. Входная цепь представляет фильтр, состоящий из дросселя  и конденсаторов , причём дроссель и конденсатор  подавляют синфазные, а конденсаторы  и  – несимметричные помехи, неизбежно возникающие при работе преобразователя. Для этой же цели предназначен и конденсатор .

На диодах  собран выпрямитель сетевого напряжения. Резистор  ограничивает пусковой ток зарядки конденсатора . При включении резистор  холодный, а его сопротивление максимально. По мере зарядки конденсатора  резистор нагревается и его сопротивление уменьшается. Таким образом, ток конденсатора  в момент пуска ограничен большим сопротивлением резистора , а в установившемся режиме его сопротивление мало и практически не влияет на работу преобразователя. Предохранитель  выполняет функцию аварийной защиты в случае выхода из строя какого-либо из элементов. Отличительная особенность предлагаемого устройства – использование мощного полевого транзистора в качестве датчика тока. Когда на выходе микросхемы  (вывод 6) высокий уровень, транзистор  открыт. Падение напряжения на транзисторе определяется как произведение сопротивления его открытого канала и тока обмотки  трансформатора . Напряжение в точке соединения резистора  и  равно сумме падения напряжения на транзисторе  и диода . С резистивного делителя  это напряжение подают на вход контроля тока (вывод 3) микросхемы . Конденсатор  сглаживает бросок напряжения на резисторе , вызванный включением транзистора .

                              

Считая падение напряжение на диоде  постоянным, можно полагать, что напряжение на выводе 3 микросхемы  линейно зависит от тока обмотки   трансформатора. Это и позволяет осуществлять управление по току и его ограничения тока при повышении температуры транзистора, поскольку в этом случае увеличивается сопротивление его открытого канала, а следовательно, и напряжение на выводе 3 микросхемы .

С помощью конденсатора ,,, резисторов ,, диода  и обмотки  трансформатора  осуществляется запуск микросхемы  и ее питание в установившемся режиме. В случае возникновения перегрузки по выходу, длительность открытого состояния транзистора  сокращается, что приведёт к уменьшению напряжения на выводе 7 микросхемы   ниже уровня отключения. Это приведёт  к переходу микросхемы  в ждущий режим и, как следствие, уменьшению потребляемого ею тока до значения, меньшего . Напряжение на выводе 7 микросхемы  начнёт увеличиваться вследствие зарядки конденсаторов  и  через резистор . Как только напряжение на выводе 7 микросхемы  достигнет уровня включения микросхемы, она включается и выдаёт серию импульсов управления на затвор транзистора . Если перегрузка на выходе блока питания  к этому моменту устранена, напряжение на выводе 7 будет поддерживаться за счёт зарядки конденсаторов  и  от обмотки  трансформатора  через диод . В противном случае конденсаторы  и  разряжаются и цикл перезапуска повторится. Такой способ защиты от перегрузки позволяет значительно снизить мощность, рассеиваемую транзистором  выпрямительным диодом  при замыкании на выходе. Аналогично осуществляется и первичный запуск преобразователя.

Резистор , конденсатор  и диод  образуют демпфирующую цепь. Цепь  определяет частоту преобразования. Резисторы   и  задают коэффициент передачи по напряжению усилителя ошибки микросхемы . Оптрон  осуществляет гальваническую развязку в петле отрицательной обратной связи по напряжению. Микросхема  и резисторы  выполняют функцию узла сравнения.

Диод  и конденсатор  – выходной   выпрямитель ООП. Дроссель  и конденсатор  образуют выходной фильтр, подавляющий остаточную переменную составляющую с частотой преобразования.

Исходные данные:

  1.  Расчёт выпрямителя

1.1. Определяем минимальное и максимальное значения выпрямленного сетевого напряжения

где  - прямое падение напряжения на диоде входного выпрямителя;

- размах пульсаций на конденсаторе

1.2. Выбор выпрямительных диодов

Максимальное обратное напряжение на диодах сетевого выпрямителя равно максимальному выпрямленному напряжению:

 

Определяем средний ток диода:

где   - КПД преобразователя в целом.

Диоды выбирают так, чтобы их максимальные ток и напряжение превышали расчетные в  раз. В нашем случае подходят диоды

- средний прямой ток;

- максимальное обратное напряжение.

1.3. Расчёт емкости конденсатора

где  - частота сетевого напряжения;

- число полупериодов выпрямленного напряжения за период сетевого напряжения.

С учетом разброса емкости в  выбираем конденсатор  на напряжение

1.4. Расчёт максимального коэффициента заполнения (отношения длительности импульса к периоду):

где  - значение, на которое увеличивается напряжение на транзисторе в закрытом состоянии относительно напряжения питания при передаче энергии в нагрузку;

- предварительное значение падения напряжения на транзисторе.

  1.  Расчёт трансформатора
    1.  Расчет коэффициент трансформации

                            ;

            2.2. Расчёт сопротивление  нагрузки

Ом;

  1.  Расчёт тока нагрузки:

А;

  1.  Расчёт действующего значения тока первичной цепи:

А;

  1.  Расчёт индуктивности первичной обмотки

где  - частота преобразования (для обеспечения удержания выходного напряжения на холостом ходу, за счет большой глубины модуляции, частота преобразования выбрана сравнительно низкой).

  1.  Расчёт числа витков первичной обмотки

            Габаритная мощность вторичной обмотки:

Выбираем магнитопровод  Средняя длина магнитной линии  площадь поперечного сечения Sc=0,756 см2 , относительная магнитная проницаемость

2.7. Расчёт приращения индукции за время импульса:

 

Индукция технического насыщения материала  равна  Она больше, чем рассчитанное приращение индукции,  поэтому можно сделать вывод, что магнитопровод выбран правильно.

2.8. Расчёт коэффициента трансформации обмотки  питания узла управления:

где  - напряжение питания цепи управления;

- падение напряжения на диоде

  1.   Расчёт числа витков остальных обмоток:

2.10. Расчёт диаметров проводов обмоток и потерь в них:

Для уменьшения индуктивности рассеяния обмотки равномерно распределяют по магнитопроводу, располагая их друг над другом. В рассматриваемом случае обмотку  наматывают первой. Диаметр провода с изоляцией определяют исходя из условия расположения первичной обмотки виток к витку по внутренней окружности сердечника в один слой:

Для обмотки  выбираем провод  

 

Определяем его погонное сопротивление (сопротивление проводника длиной  ):

                           

где    - удельное сопротивление меди.

Определяем плотность тока:

Определяем длину провода первичной обмотки

Определяем потери в проводе первичной обмотки

При таком диаметре провода и выбранной частоте дополнительными потерями в проводе можно пренебречь.

Определим диаметр провода обмотки

Для обмотки  выбираем провод  

 

Определяем его погонное сопротивление (сопротивление проводника длиной  ):

                            

С учетом наличия на магнитопроводе первичной обмотки и изоляции на ней определяем длину провода вторичной обмотки

Определяем потери в проводе вторичной обмотки

Чтобы не расширять номенклатуру, диаметр провода обмотки питания узла управления выбираем таким же, как и диаметр первичной обмотки. Для обмотки  выбираем провод  

  

Вычисление потерь в магнитопроводе – задача сложная и трудоемкая. На этапе расчетов эти потери считают эквивалентными потерям в проводах обмотки, а окончательную проверку теплового режима трансформатора проводят экспериментально:

  1.  Расчёт транзистора

3.1. Действующее значение тока транзистора  равно току первичной обмотки трансформатора:

  

3.2. Определяем максимальное напряжение на транзисторе сразу после его закрывания:

где  - ЭДС самоиндукции рассеяния трансформатора.

При выборе транзистора принимают во внимание не только его технические параметры, но и стоимость, доступность, а также наличие аналогов. С учетом всего вышеизложенного выбираем транзистор

 

3.3. Определяем статические потери в транзисторе:

где  – сопротивление открытого канала при температуре

– максимальная температура кристалла транзистора;  

– максимальная температура окружающей среды.

3.4. Определяем динамические потери в транзисторе:

Поскольку выбран режим прерывистого потока трансформатора, то динамическими потерями при включении можно пренебречь.

Потери при выключении зависят от времени спада  которое в свою очередь, зависит от выходного тока ШИМ-контроллера  при переключении. Слишком малое время спада может вызвать резкое увеличение напряжения на стоке транзистора  и сбой цепей управления. Поэтому время спада выбирают в интервале  

3.5. Суммарная выделяемая мощность на транзисторе

  1.  Расчёт выпрямительного диода

4.1. Действующее значение тока диода равно току вторичной обмотки:

 

4.2. Определяем обратное напряжение на диоде:

4.3. Критерии выбора диода те же, что и для транзистора. Поскольку через диод протекает значительный ток, его следует выбрать с большим запасом, что позволит уменьшить размеры теплоотвода. Руководствуясь этим, выбираем диод  

- максимальный прямой ток;

- максимальное обратное напряжение;

- падение напряжения на диоде;

- время обратного восстановления.

4.4. Определяем статические потери на диоде:

4.5. Поскольку выбран режим прерывистого потока трансформатора, то динамические потери на диоде будут незначительны и ими можно пренебречь, следовательно:

  1.  Расчёт элементов узла управления
    1.  Расчёт резистора запуска

Через резистор запуска протекает ток зарядки конденсаторов цепи управления  и ток запуска микросхемы  равный  Напряжение запуска микросхемы   Предположим, что суммарный ток запуска равен удвоенному току запуска микросхемы  тогда

 

Определяем мощность рассеивания:

Из ряда  выбираем резистор

  1.  Выбираем элементы цепи обратной связи по току:

Сопротивление открытого канала транзистора  использованное для расчета потерь, приведено для наихудшего случая. При выборе компонентов цепи обратной связи по току лучше руководствоваться типовым значением, которое, как правило, составляет  от максимального. Напряжение на выводе  микросхемы () и, следовательно, на резисторе  при котором начинается ограничение длительности импульса, составляет  при максимальном пиковом токе. Исходя из того, что пиковый ток через резистор  находится в пределах его номинал равен:

Из ряда  выбираем резистор

Считая прямое падение напряжения на диоде () равным  вычислим сопротивление резистора

Из ряда  выбираем резистор

Нижний предел сопротивления резистора  рассчитаем исходя из того, что ток, протекающий через него (), не должен превышать  при номинальном напряжении питания узла управления и минимальном падении напряжения на транзисторе  и диоде  Максимальное сопротивление резистора  выбирают так, чтобы при напряжение на выводе  микросхемы  близком к напряжению отключения (), и максимальном напряжении на открытом транзисторе  диод  был открыт.

Из ряда  выбираем резистор

  1.  Расчёт резистора  в цепи затвора:

Выходной ток микросхемы  требуемый для переключения транзистора  с учетом того, что время переключения совпадает со временем спада ():

где  - полный заряд затвора транзистора

Из ряда  выбираем резистор

5.4. Выбираем элементы генератора:

Согласно документации на микросхему если выбрать номинал резистора генератора  то емкость конденсатора генератора  вычисляем по формуле:

Выбираем конденсатор  на напряжение

Определяем мощность, выделяемую на микросхеме

Определяем потери на управление коммутирующим транзистором

Определяем потери на микросхеме

где   - ток, потребляемый микросхемой во включенном состоянии.

Определяем общие потери на управление, выделяемые на микросхеме

Эта мощность меньше, чем максимальная мощность, рассеиваемая микросхемой  

5.5. Выбираем элементы обратной связи по напряжению:

Образцовое напряжение микросхемы  составляет  Выходное напряжение приводят к образцовому с помощью делителя, верхнее плечо которого - резисторы а нижнее -  При токе делителя  сопротивление резистора нижнего плеча делителя:

Определяем сопротивление резистора верхнего плеча делителя:

Из ряда  выбираем резистор  

Из ряда  выбираем резистор  

Резистор - подборный. Он служит для точной установки напряжения на нагрузке. Его сопротивление находится в пределах

                        6.Расчёт демпфирующей цепи

Предполагаем, что индуктивность рассеяния трансформатора находится в интервале  

По закону сохранения энергии:

 

где  - энергия, накопленная в индуктивности рассеяния трансформатора к окончанию этапа накопления;

- энергия, которую должен “поглотить” конденсатор демпфирующей цепи  при заданном приращении напряжения на нем ().

Определяем

Выбираем конденсатор  на напряжение

Определяем амплитуду напряжения на демпфирующем конденсаторе:

Сопротивление демпфирующего резистора  рассчитываем исходя из того, что напряжение на демпфирующем конденсаторе уменьшается на  за период, чтобы к моменту следующей коммутации конденсатор мог “поглотить” новую порцию энергии:

Отсюда:

Для обеспечения заведомой разрядки демпфирующего конденсатора во всех режимах работы преобразователя резистор  выбирают номиналом, вдвое меньшим расчетного

Определяем напряжение на резисторе  

Определяем мощность рассеиваемую резистором:

Из ряда  выбираем резистор  

Диод демпфирующей цепи должен выдерживать импульсный ток  и обратное напряжение, равное максимальному напряжению на стоке транзистора  и иметь повышенное быстродействие.

Выбираем диод

- средний прямой ток;

- максимальное обратное напряжение.

               7. Расчет фильтра       

Рассчитаем Г-образный LC-фильтр с учетом того, что Кп вых=0,01%,

Кп вых=66,7%.

7.1 Определяем коэффициент фильтрации:

Кф = КПвх / КПвых=66,7/0,01=6670

7.2 Определяем число звеньев:

n=1,15·lgKФ=1,15·lg6670=4,3;

Пусть n=4.

7.3 Определение коэффициента фильтрации каждого звена

;

7.4 Определение конденсатора и дросселя звена

L·C=(KФзв+l)/(m∙2·π·f)2=(9,03+l)/(2· 2·3,14·400)2=39 мкГн∙Ф.

7.5 Определяем L

L = RH  мГн;

Выбираем дроссель Д 59:

Lдр=0,0043 Гн,  Iп=2,9 А.

7.7 Определяем C

С=L·С/Lдр=39·10-6/0,0043=9,07 мФ

Выбираем конденсатор  К50-6:

C=4000 мкФ,  Uном=10 В.

8.Расчёт КПД

                      

Расхождение составляет  что менее  поэтому расчет можно считать законченным.

                                              

Заключение

Чертеж печатной платы, выполненной из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной  показан на рис. 4.

Плата рассчитана на установку резисторов  соответствующей мощности. Терморезистор  Конденсаторы  - керамические высоковольтные  - любые пленочные подходящего размера (и т. д.);  на номинальное напряжение  Конденсатор   

 Конденсатор  на номинальное напряжение  Остальные - керамические  с любым

Дроссель  подойдет от входного фильтра любого блока питания телевизора третьего - пятого поколений. Дроссель  содержит  витков провода  намотанных на магнитопровод  из материала с относительной магнитной проницаемостью около  например, альсифера  Если уровень пульсаций не имеет существенного значения, дроссель  допустимо заменить перемычкой. Транзистор  и диод  устанавливают на общий теплоотвод через прокладки из теплопроводящего изоляционного материала с помощью пластиковых втулок. Можно применить и слюдяные прокладки, смазанные теплопроводящей пастой

Блок питания, собранный из исправных компонентов, в налаживании не нуждается, однако первое включение лучше провести в следующей последовательности:

– подайте питание на вывод  микросхемы  от источника постоянного напряжения  через любой диод (анодом к плюсовому выводу источника);

– с помощью осциллографа, подключенного к выводам  и  микросхемы  убедитесь в наличии импульсов на выходе ШИМ–контроллера;

– не отсоединяя источник постоянного напряжения, подключите блок питания к сети через ЛАТР и, постепенно увеличивая входное напряжение,  проконтролируйте с помощью осциллографа наличие и форму импульсов на стоке транзистора  и напряжение  на выходе;

– окончательную  проверку формы и значений напряжения проведите, подключив блок питания непосредственно к сети, предварительно отсоединив источник постоянного напряжения.

После этого преобразователь считают исправным.

 


Рис. 4. Печатная плата.

Список литературы

1. Б.Ю. Семёнов «Силовая электроника. От простого к сложному» -М.: 2005г. - 419с.

2. Г.Н. Утляков, В.М. Куляпин «Источники вторичного электропитания бортового оборудования летательных аппаратов» - МАИ: 2002г.

3. И.Н. Сидоров «Малогабаритные магнитопроводы и сердечники» -М.: Радио и связь, 1989г. – 384с.

4. Г.С. Найвельт «Источники  электропитания радиоэлектронной аппаратуры» -М.: Радио и связь, 1985г. – 576с.

                                                                                                                                                                                                    


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

12163. ПОТОКИ. СЕРИАЛИЗАЦИЯ. КОМПОНЕНТ TREEVIEW 21 KB
  ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5 Потоки. Сериализация. Компонент TreeView Цель: научиться эффективно использовать потоки; освоить сериализацию; использование контейнеров; компонент TreeView. Вариант 1. Дерево просмотра каталогов и файлов Вариант 2. Дерево манипуляции с каталог
12164. ДИНАМИЧЕСКИЕ БИБЛИОТЕКИ 58.5 KB
  ДИНАМИЧЕСКИЕ БИБЛИОТЕКИ Динамические библиотеки DLL Dynamic Link Library играют важную роль в функционировании ОС Windows и прикладных программ. Они представляют собой файлы с откомпилированным исполняемым кодом который используется приложениями и другими DLL. Реализация многи
12165. КЛАССЫ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ 51 KB
  Классы общего назначения Как показывает практика в большинстве задач приходится использовать однотипные структуры данных: списки массивы множества и т.д. От задачи к задаче изменяются только их элементы а методы работы сохраняются. Например для любого списка нужны п...
12166. Основные объекты в Delphi 84 KB
  События формы OnCreate происходит сразу после создания формы. Обработчик этого события может установить начальные значения для свойств формы и ее компонентов запросить у операционной системы необходимые ресурсы создать служебные объекты а также выполнить другие д
12167. Рекомендации по оформлению исходного кода Delphi 95.72 KB
  Рекомендации по оформлению исходного кода Delphi Цель Повысить читаемость исходного кода разрабатываемого программистами. Сфера приложения и определения Рассматриваются файлы содержащие исходный код на языке Object Pascal то есть файлы проекта и файлы модулей. Даютс
12168. Свойства в Delphi 83 KB
  Свойства Понятие свойства Помимо полей и методов в объектах существуют свойства. При работе с объектом свойства выглядят как поля: они принимают значения и участвуют в выражениях. Но в отличие от полей свойства не занимают места в памяти а операции их чтения и записи а
12169. Быстродействие процессора 17.54 KB
  Быстродействие процессора Быстродействие процессора это одна из важнейших его характеристик определяющая эффективность работы всей микропроцессорной системы в целом. Быстродействие процессора зависит от множества факторов что затрудняет сравнение быстродействи...
12170. Установка основных компонентов ПК 284.24 KB
  Лабораторная работа №14 Установка основных компонентов ПК 1. Цель работы Научиться собирать все компоненты ПК 2. Теоретические сведения Сборка компьютера подобна игре в Кубик Рубика: пока вы не собрали его в первый раз это кажется невозможным но когда вам покажут...
12171. Изучение конструкции блока питания АТ и АТХ 132.85 KB
  Лабораторная работа №15 Изучение конструкции блока питания АТ и АТХ 1. Цель работы Изучения конструкции блока питания АТ и АТХ 2. Теоретические сведения Назначение и принципы работы блоков питания Главное назначение блоков питания преобразование электрической...