Методические указания по проведению работы

Для проектирования импульсного источника питания (ИИП) необходимо задаться его основными пара­метрами:

Интервал входного напряжения, В.......70...250

Номинальная частота преобразования, кГц... 50

Выходное напряжение. В, (номинальный ток нагрузки. А):

канал 1........................................... + XX (X,X)

канал 2.......................................... - XX (X,X)

канал З.......................................... + XX (X,X)

канал 4.......................................... - XX (X,X)

Среднеквадратическое значение пульсаций выходного напряжения, мВ, не более …………………..

КПД, %.......................................................

Возможные области применения устройства: блоки питания компьютеров, усилителей мощности звуковых частот, питание электронных схем управления, блоки питания устройств бытовой техники. Пиковая нагрузка устройства может в несколько раз превышать ее номиналь­ное значение и, в основном, ограничена параметрами дросселей, используемых в выходных LC-фильтрах.

Работа с программой автоматизированно­го проектирования VIPer Design Software (везде далее — программа) не вызывает особых затруднений, если пользователю знакома англоязычная терминология, используемая при проектировании ИИП.

4.1. Ознакомиться с принципиальной схемой ИИП см. рис 1.

4.2. Для загрузки программы использовать ярлык VIPer на рабочем столе PC.

Табл. 1.

4.3. Основные параметры для преследования ИИП выбираются согласно табл. 1, по варианту, указанному преподавателем. После запуска программы, по умолча­нию, загружается «стартовый» проект «default, vpa» (ИИП с выходным напряже­нием 5 В и током нагрузки 1 А), парамет­ры которого необходимо преобразовать к требуемым. Такое преобразование вы­полняют в несколько этапов.

4.4. После нажатия на экранную кнопку Input (вход) (см. рис. 1) программа откры­вает окно Input Parameters (параметры входного напряжения), в котором необхо­димо отредактировать содержимое полей Minimum Voltage (минимальное напря­жение), Maximum Voltage (максимальное напряжение). Ripple Voltage (амплитуд­ное значение пульсаций выпрямленного сетевого напряжения). В соответствии с требуемыми параметрами с помощью кла­виатуры или движка в полосе прокрутки вводят соответствующие значения 170…250 В и 20 В. В разделе Line Frequency (частота сетевого напряжения) флажок оставляют на выставленном программой по умолчанию пункте 50 Hz, после чего нажимают на клавишу Done (выполнено). Окно Input Parameters закроется, и можно заметить, как произойдут изменения для номинальных значений некоторых эле­ментов, например, конденсатора фильтра выпрямленного сетевого напряжения.

4.5. На панели инструментов программы выбирают пункт Secondary Regulation (вторичное регулирование) (рис. 1), и нажимают на экранную кнопку VIPer. В результате откроется окно VIPer and Regulation Parameters (VIPer и пара­метры регулирования). В поле Select your VIPer (выберите требуемый VIPer) вызывают выпадающий список изделий и выбирают VIPer 1OO. Чуть ниже его на­именования будут выведены основные параметры: Rdson — 2,5 Ohm (сопро­тивление сток-исток во включенном состоянии); Idlim — 3,0 А (предельное значение тока стока); Vdmax — 620 V (максимальное напряжение на стоке). Затем в поле Package (тип корпуса) выбирают Т0220, температуру окружаю­щей среды Ambient Temperature можно оставить выставленную программой и равную 25 °С, тепловое сопротивление «кристалл-корпус» Rt junction-pin рав­ным 2 °С/Вт, и тепловое сопротивление «корпус-среда» Rt pin-ambient равным 10 °С/Вт для теплоотвода выбранного размера. Введение этих параметров поз­волит на конечном этапе проектирования оценить температуру корпуса микросхе­мы в используемом устройстве. Понятно, что до определения параметров нагрузки потери в микросхеме Bias, Conduction, Switching Losses не будут соответствовать реальным. В разделе Around VIPer («вок­руг» VIPer) значение Reflected Voltage (отраженное напряжение) оставляют выставленным программой, Swiching Freguency (частота переключения) ус­танавливают равной 50 кГц. В разделе Regulation (регулирование) параметр Gain OptoCoupler (коэффициент усиле­ния оптрона) для лучшей стабилизации выходного напряжения выбирают макси­мальным (2,0), и время «мягкого» старта Soft Start Time устанавливают равным 5 мс. В завершение данного этапа проек­тирования нажимают на клавиши Apply (применить) и Done (выполнено).

4.6. Для редактирования параметров выходного напряжения нажимают на экранную кнопку Out (выход) (см. рис. 1). В открывшемся окне Parameters Main Output (параметры основного источника выходного напряжения) в разделе Output Power (выходная мощность) для поля Voltage (напряжение) устанавливают в соответствии с требуемыми параметра­ми его значение равным 35 В. Для поля Current (ток) набирают 1,0 А; и в поле Minimum Current (минимальный ток) оставляют выставленное программой значение 0 мА. Далее редактируют раздел Output Type (тип выходного фильтра), который оставляют установленным по умолчанию Self, представляющий собой П-образный LC-фильтр, и переходят к редактированию значения пульсаций выходного напряжения — разделу Output Ripple: в поле First Cell Ripple (пульсации на первой ячейке) устанавливают 0,12 В, Second Cell Ripple (пульсации на второй ячейке) — 0,01 В. Последним в редакти­руемом окне устанавливают полярность выходного напряжения: в разделе Polarity выставляют флажок в пункте Positive (положительная), и нажимают последо­вательно на клавиши Apply (применить) и ОК. В результате программа рассчитает параметры элементов выходной цепи для первого канала. Затем на панели инстру­ментов программы выбирают пункт Add Output (добавить выход), и проделывают операции, аналогичные предыдущим, для остальных каналов выходного напряже­ния.

4.7. Редактированием параметров импульсного трансформатора. После на­жатия на экранную кнопку Transformer (см. рис. 1) откроется окно Transformer Design (проектирование трансформато­ра), в котором имеется несколько раз­делов. По умолчанию в зависимости от выбранных параметров сетевого напря­жения, требуемых параметров выходного напряжения и принятой частоты преоб­разования программа рассчитывает ин­дуктивность первичной обмотки Primary Inductance, которая в представленном примере составляет 434 мкГн, и исполь­зует магнитопровод трансформатора ми­нимально допустимого размера. Однако пользователь всегда может редактиро­вать используемые программой данные в соответствии с имеющейся элементной базой. Покажем, как это делается.

В разделе Core Selection Criteria (вы­бор критерия для магнитопровода) программа по умолчанию в качестве основного выбирает Temperature Increase (возрастание температуры). В соответс­твующих полях для него указаны два значения: Target (допустимое) и Actual (действительное). При этом второй критерий Dissipated Power (рассеивае­мая мощность) используется в качестве не основного. Обычно соглашаются с таким выбором, а также используют норму допустимого превышения тем­пературы магнитопровода 40 °С, затем переходят к разделу Core Size (размер магнитопровода), в поле которого Fixed (зафиксировано) выставляют соответс­твующий флажок, и нажимают на клави­шу Edit (редактировать). В появившемся окне Core Size в разделе DataBase (база данных) оставляют флажок на пункте Internal (вложенная). При необходимос­ти можно выбрать пункт Custom (заказ­ная) и заполнить все соответствующие свободные поля. Для вложенной базы данных при использовании Ш-образных магнитопроводов оставляют выбранный программой тип Е serie без изменения, и в поле Geometry (размер) выбирают из вложенного списка Е36/18/11, что приблизительно соответствует отечест­венному Ш10х10, после чего нажимают на клавишу ОК.

На следующем этапе редактируют содер­жимое раздела Core Material (материал сердечника). По умолчанию программа предлагает: Type: N27, Supplier: SIEMENS (феррит марки N27, поставщик фирма SIEMENS), который является достаточ­но близким аналогом отечественного феррита МЗОООНМС2. В нашем примере используется феррит М2500НМС1, для выбора его аналога помечают флажком поле Fixed (зафиксировано), и нажимают на клавишу Edit (редактировать), после чего появится окно Transformer Core Material (материал сердечника транс­форматора). В нем выбирают поставщи­ка (производителя) Supplier: SIEMENS и марку феррита Type: N67, и нажимают на клавишу ОК. Попутно отметим, что ближайшим аналогом отечественного феррита М2000НМ1 является зарубеж­ный Type: 3C85, Supplier: PHILIPS, но в обратноходовых преобразователях его редко используют из-за значительных удельных потерь.

В разделе Transformer Usage (исполь­зование трансформатора) приведены основные нормы, характеризующие некоторые резервы, которые должны быть обеспечены при проектировании трансформатора. К таковым относятся Window Factor Utilisation (коэффициент заполнения сечения окна), который по умолчанию не должен превышать 80 %, и Bsat Margin (запас максимального значения магнитной индукции в сер­дечнике трансформатора) относительно значения магнитной индукции в режиме насыщения Bsat 350 mT. Этот запас по умолчанию должен быть не менее 25 %. Как видим, расчетное значение потока магнитной индукции Flux Density 243 ml составляет около 70 % от максимально возможного, т. е. запас равен 30 %, и предъявляемые требования по резервам выполняются. Достаточно низкое значе­ние магнитной индукции обусловлено указанным здесь же немагнитным зазо­ром Air Gap, равным 0,56 мм. В соответс­твии с алгоритмом проектирования про­грамма определила, что индуктивность первичной обмотки Primary Inductance при этом должна составлять 434 мкГн.

В завершение редактируют раздел Wire Selection Parallel Conductors (выбор па­раллельных проводников в обмотке), для чего вначале оставляют установ­ленный программой по умолчанию фла­жок на пункте Single Wire (одиночный проводник), что будет соответствовать использованию одинарных проводников в обмотке. Как показывают эксперимен­тальные данные по большинству отечес­твенных и зарубежных ИИП в телевизи­онных приемниках и другой аппаратуре, целесообразно первичную обмотку им­пульсного трансформатора выполнить бифилярным проводом, а остальные — одиночным. Если затем выбрать пункт // Wires (параллельные проводники) и в соответствующем окне исправить уста­новленные программой 10 проводников на 2, в зависимости от рабочей частоты программа пересчитает обмотки транс­форматора с новыми исходными данны­ми. Имеется возможность использования провода одного и того же диаметра для всех обмоток. Для этого необходимо проставить «галочку» в окне Single Diameter (единственный диаметр) и на­жать на клавишу Apply.

Итак, попеременно выбирая одиночные и бифилярные проводники в обмотках, регистрируют их диаметр в первом и вто­ром случае. Для того, чтобы узнать диаметр провода, необходимо зайти в раздел AWG Details (детальные характеристики провод­ников по стандарту AWG) и нажать на одну из цветных кнопок, цвет которой соответствует цвету обмоток в разделе Transformer Outlook (выходные данные трансформатора). При этом в заголовке AWG Details появляется соответствующее название обмотки, а ниже — ее метри­ческие и электрические характеристи­ки. Например, для вспомогательной об­мотки Aux 064 um; Iso 76 um; Rdc=3,l R; Rac=3,l R

(Ǿ 64xl0^{-6 м = 0,064 мм; с изоляцией 0,076 мм; сопротивление по постоянному току 3,1 Ом; сопротивление по переменному току 3,1 Ом).}

И последняя особенность проектирования трансформатора связана с возможным корректированием количества витков в его обмотках в зависимости от свойств конк­ретного используемого образца магнитопровода. Для индуктивности 434 мкГн расчетное количество витков первичной обмотки должно соответствовать N1 = VLl/AL = V434/0,18 = 50 витков. Поэтому в разделе Winding Turns (витки в обмотках) проставляют флажок в пункте Force Input Turns (назначить количество витков вход­ной обмотки) и в поле Input исправляют рассчитанные программой 41 виток на 50. При нажатии на клавишу Apply пропор­ционально изменится количество витков в остальных обмотках, и в итоге получают намоточные данные трансформатора: Input 50 витков сдвоенного провода 0 0,57; Aux 7 витков 0 0,1; Out, Out1 23 витка 0 1,0; Out2, Out3 10 витков диаметром 0,41. Завершают автоматизированное проек­тирование ИИП нажатием на клавишу ОК открытого окна Transformer Design (проектирование трансформатора), и по­лучают в итоге схему, представленную на рис.1.

Поскольку исполнение принципиальной электрической схемы не соответствует отечественным стандартам, приводим ее к требуемому виду.

В схеме заложен принцип действия как обратноходового ИИП. Дроссель L1 с конденсаторами С1-С: образует высокочастотный фильтр и цепи сетевого напряжения. Терморезистор RK1 ограничивает бросок тока при включении ИИП.

Диодный мост VD1 выпрямляет переменное сетевое напряжение. Конденсатор С4 снижает пульсации выпрямленного сетевого напряжения Микросхема DA1 совмещает в себе ШИМ-контроллер и высоковольтный коммутирующий транзистор. Подключаемая к его выводу 1 цепь R1C5 определяет частот преобразования в ИИП. Стоковый вывод 3 микросхемы через первичную обмотку импульсного трансформатора Т1 подключен к сетевому источнику питания. В установившемся режиме во время первого такта периода функционирования ИИП, когда коммутирующий транзистор открыт, а выходные выпрямительные диоды закрыты, происходит накопление энергии в обмотках 1а и 1б. Ток в нагрузки поддерживается за счет предварительно заряженных фильтрующих конденсаторов С12-С15, С17-С20. Во втором такте когда закрывается коммутирующий транзистор, открываются выходные выпрямительные диоды, и происходит передача накопленной энергии в фильтрующие конденсаторы и в нагрузку.

Рис. 9. Пример выполнения принципиальной схемы ИИП на отечественной элементной базе.

Параллельно накопительной обмотке включена де­мпфирующая цепь VD2R5C10, которая ог­раничивает выброс напряжения на стоке коммутирующего транзистора в микро­схеме в момент его выключения, а также подавляет высокочастотные колебания в импульсном трансформаторе. Этой же цели служит дроссель L2.

К выводу 2 микросхемы через высокочас­тотный фильтрующий конденсатор С8, низкочастотный фильтрующий конден­сатор С9, токоограничивающий резистор R4 и выпрямительный диод VD3 подклю­чена вспомогательная обмотка связи II, образующая вместе с микросхемой пер­вичный контур регулирования. Изменяя коэффициент заполнения коммутирую­щих импульсов, регулировочные узлы в микросхеме стабилизируют напряже­ние питания Vdd на уровне около 12 В (без вторичного контура регулирова­ния — около 13,5 В). С соответствующим коэффициентом пропорциональности стабилизируется выходное напряжение в остальных обмотках, поскольку между ними существует достаточно сильная магнитная связь. Вторичный контур регулирования образуют: выходная обмотка IVa, следящий элемент — мик­росхема DA2, регулирующий элемент — оптрон U1, исполнительный элемент — соответствующие узлы микросхемы DA1. Предположим, что в результате увеличения пиковой нагрузки в выход­ном канале 1 возрастет падение напря­жения на проводниках обмотки IVa и на выпрямительном диоде VD6, поэтому выходное напряжение источника +35 В снизится. Соответственно уменьшится напряжение на управляющем входе (вывод 1) мик­росхемы DA2, подключенном к резистивному делителю выходного напряжения R6-R8, и резко уменьшится ток через балластный резистор R9 и из­лучающий диод оптрона (выводы 1, 2) с токоограничивающим резистором R10. Эквивалентное сопротивление участка коллектор — эмиттер фототранзистора, оптически связанного с излучающим диодом, возрастет. Поскольку это сопротивление включено параллельно цепи компенсации C6R3 (вывод 5 микросхемы DA1), его изменение оказывает сильное влияние на коэффициент усиления усилителя сигнала ошибки в указанной микросхеме (см. VIPer Design Software/ Documentation/Datasheet/VIPiper1lOO / Figure 10). Усилитель сигнала ошиб­ки немедленно скомпенсирует такое уменьшение выходного напряжения увеличением коэффициента заполнения коммутирующих импульсов, и тем самым восстановит прежнее значение напря­жения +35 В на выходе устройства. Кон­денсатор С7, включенный параллельно цепи компенсации C6R3, повышает поме­хоустойчивость микросхемы DA1. Под­ключенный к микросхеме DA2 (выводы 1, 3) конденсатор С16 является стабилизи­рующим. Конденсатор СИ соединяет по высокой частоте первичные и вторичные цепи питания устройства, что способс­твует эффективному ослаблению созда­ваемых помех и значительно улучшает электромагнитную совместимость ИИП с потребителями, подключенными к цепям питания.

4.8. Полученную принципиальную схему ИИП можно сохранить путём копирования содержимого экрана клавишей Alt + Print Screen.

4.9. Снять графики выходных параметров в среде программы VIPer путём копирования содержимого экрана, аналогично п. 4.8.

Содержание отчёта.

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Программа работы.

4. Блок-схема импульсного источника питания.

5. Графики выходных характеристик ИИП.

6. Схема электрическая принципиальная ИИП.

7. Перечень элементов ИИП. (Пример перечня элементов представлен в ПРИЛОЖЕНИИ)

8. Выводы по работе (анализ полученных графиков).

6 Контрольные вопросы.

1. Какие элементы предназначены для обеспечения электромагнитной совместимости?

2. Какой принцип стабилизации выходного напряжения заложен в ИИП?

3. Как зависят габариты ИИП от частоты преобразования, мощности, номинальной нагрузки?

4. Как определяется среднеквадратичное значение пульсации выходного напряжения?

5. Как зависит КПД ИИП от его нагрузки?

6. Как работает ИИП при перегрузке или коротком замыкании в нагрузке?

ПРИЛОЖЕНИЕ

Поиск по сайту: