Примеры задач до темы лекции 21

Вопросы для самопроверки

1 В чем достоинство ключевого режима работы регулирующего транзистора?

2 В чем особенность принципа работы импульсного стабилизатора напряжения?

3 Нарисуйте обобщенную структурную схему ИСН.

4 В чем отличие ШИМ от ЧИМ и от релейного регулирования?

5 Поясните на временных диаграммах принцип стабилизации напряжения в ИСН

с применением ШИМ.

6 Назовите основные типы силовых каскадов, которые используются в ИСН.

7 Нарисуйте схему понижающего импульсного стабилизатора напряжения и

поясните принцип его работы.

8 Нарисуйте схему повышающего импульсного стабилизатора напряжения и

поясните принцип его работы.

9 Нарисуйте схему инвертирующего импульсного стабилизатора напряжения и

поясните принцип его работы.

10 Назовите достоинства и недостатки импульсных стабилизаторов напряжения.

Задача 1

Требуется обеспечить стабилизированное напряжение 5 В при токе 5А и амплитуде пульсаций не более 30 мВ. Нестабилизированное входное напряже­ние равно 10 В. Частота коммутации ключа импульсного стабилизатора (рисунок 2.57) составля­ет 100 кГц.

Решение: 1Выберем отношение максимального значения тока дросселя к нагрузочному току α = (1,1….1,2).

2 Вели­чина индуктивности дросселя равна

L =[ R_L ∙ (1 – U_вых/U_вх)] / [2 f (α - 1) ],

L = [ 1∙ (1 – 5/10)] / [2∙ 100 ∙10³(1,1 - 1) ] = 25∙ 10^-3 Гн.

где R_L = U_вых / I_вых = 5/5 = 1 Ом.

3 Минимально необходимая величина емкости конденсатора

∆U_вых = U_вых ∙(1 – U_вых / U_вх) / 8∙ L ∙С ∙f²,

С = 5 ∙(1 – 5 / 10) /8∙ 25∙ 10^-3 (100 10³)² 30 10^-3 = 330 мкФ

Выбираем оксидный (электролитический) конденсатор (например, типа К50-38) емкостью 470 мкФ на напряжение 6.3 В имеет весьма малые массу и габариты. Однако допустимый уровень пульсаций напряже­ния на указанной частоте для него составляет всего 10 мВ. В то же время согласно паспортным данным полное сопротивление такого конденсатора на частоте 100 кГц - z = 0.7 Ом Поэтому, как показывает расчет, действи­тельная амплитуда пульсаций напряжения на оксидном конденсаторе превышает 200 мВ. Необходимая емкость оксидного конденсатора в таком случае составит не менее 6800 мкФ.

Возьмем керамический конденсатор (например, батарею из 22 конденсаторов ти­па К10-47 на 15 мкФ, 16 В). Реактивная мощность каждого из конденсаторов бата­реи, по паспортным данным, не должна превышать 0.025 вар. В условиях данного примера реактивная мощность на каждом конденсаторе:

Q_c = [ (∆U_вых)²∙ π∙f_с ]/4

Q_c = [(30 10^-3 )²∙ 3,14 ∙ 100 10³ ] /4 = 0.00105 вар,

т. е. не превышает допустимую. Масса, габариты и стоимость такой батареи кон­денсаторов, однако выше, чем оксидного конденсатора на 6800 мкФ.

Задача 2

Требуется обеспечить стабилизированное напряжение 5 В при токе 0,5А и амплитуде пульсаций не более 10 мВ. Нестабилизированное входное напряже­ние равно 3 В. Частота коммутации ключа импульсного стабилизатора (рисунок 2.58) составля­ет 100 кГц.

Решение: 1 Максимальная выходная мощность равна

Р _вых = U_вых∙I_вых,

Р _вых = 5∙ 0,5 = 2,5 Вт

2 Входная мощность стабилизатора равна

Р _вх = Р _вых / η,

Р _вх = 2,5 / 0,8 = 3,125 Вт

где типичный коэффициент полезного действия выбираем из таблицы 2.1 для повышающего стабилизатора и который равен η =0,8 ().

Таблица 2.1. Сравнение топологий импульсных источников питания с ШИМ

Топология	Диапазон мощно­стей, Вт	Диапазон напряже­ний Uвх	Изоляция вход/выход	Типич­ный кпд, %	Относительная стоимость элементов
Понижающие	0-1000	5-40	Нет		1.0
Повышающие	0-150	5-40	Нет		1,0
Инвертирующие	0-150	5-40	Нет		1,0
Однотранзисторные прямоходовые	0-150	5-500	Да		1,4
Обратноходовые	0-150	5-500	Да		1,2
Пушпульные	100-1000	5-1000	Да		2,0
Полумостовые	100-500	5-1000	Да.		2,2
Полномостовые	400-2000+	5-1000	Да		2,5

3 Среднее значение входного тока равно

I_{вх. Ср}. = Р _вх / U _вх,

I_{вх. Ср} = 3.125 / 3 = 1,04 А

4 Входной максимальный ток равен

I_{вх.макс.} = κ∙ Р _вых / U _вх,

I_{вх.макс} = 5,5 ∙2,5 / 3 = 4,6 А.

где к= 1,4 — для понижающих, полупрямоходовых и полномостовых преобразова­телей; к = 2,8 — для полумостовых и прямоходовых преобразователей; к = 5,5 — для повышающих, инвертирующих и обратноходовых преобразователей.

5 Напряжение коллектор – эмиттер транзистора равно

U_кэо = U_вых = 3 В

6 Коллекторный ток транзистора равен

I_к = 2Р_вых/U_вх,

I_к = 2 2,5 / 3 = 1.67 А

Выбираем транзистор типа КТ 823 -1, с предельными параметрами _Iк.макс.=2 А,

U_кэ = 45 В, Р_к.макс. = 20 Вт.

7 Выпрямительный диод U_пр.= 5 В, I_пр. = 0,5 А. Выбираем диод типа Шотки КД289АС с параметрами U_{обр. макс} = 25 В, I_пр. = 1 А.

Таблица 2.2. Оценка значимых минимальных параметров мощных полупроводниковых приборов

Топология	Биполярный ключ	Ключ на полевомтранзисторе	Выпрямители
Uкэо	Iк	Uси	Iс	Uпр	Iпр.
Понижающие	Uвх	Iвых	Uвх	Iвых	Uвх	Iвых
Повышающие	Uвых	2Рвых/Uвх (мин)	Uвых	2Рвых/Uвх (мин)	Uвых	Iвых
Инвертирующие	Uвх - Uвых	2Рвых/Uвх (мин)	Uвх - Uвых	2Рвых/Uвх (мин)	Uвх - Uвых	Iвых
Однотранзистор-ные прямоходовые.	2Uвх	1.5Рвых/Uвх (мин)	2Uвх	1.5Рвых/Uвх (мин)	3Uвых	Iвых
Обратноходовые	1,7 Uвх.макс.	2Рвых/Uвх (мин)	1,5Uвх(мин)	2Рвых/Uвх(мин)	10 Uвых	Iвых
Пушпульные	2Uвх	1,2Рвых/Uвх (мин)	2Uвх	1,2Рвых/Uвх(мин)	2Uвых	Iвых
Полумостовые	Uвх	2Рвых/Uвх(мин)	Uвх	2Рвых/Uвх(мин)	2Uвых	Iвых
Полномостовы	Uвх	1,2Рвых/Uвх(мин)	Uвх	1,2Рвых/Uвх(мин)	2 Uвх	Iвых

Дата добавления: 2014-01-04