Расчет импульсного инвертирующего стабилизатора

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                               

Расчет

Исходные  данные для расчета ИСН инвертирующего типа: U_п =15В;DU_п=3В; R_и =100Ом;                     U_н =5В;DU_н =0,02В; I_н max =11А; I_н min =9А;U_н~=0,001; К_cт =100.

    1. Выбираем частоту преобразования  f_п =50000 Гц и принимаем h_ст = 0,9.

    2. Определяем минимальное, номинальное и максимальное значения относительной длительности открытого состояния регулирующего транзистора:

    g_min = (U_н - DU_н) / [(U_п + DU_п + U_н - DU_н)h_ст],

    g_min = (5В-0,02В)/[(15B+3B+5B-0.02B)0.9]=0.24 ,

    g_ном = U_н / [(U_п + U_н)h_ст],

    g_ном =5B/[(15B+5B)0.9]=0.28 ,

    g_max = (U_н + DU_н) / [(U_п - DU_п + U_н + DU_н)h_ст].

    g_max = (5B+0.02B)/[(15B-3B+5B+0.02В)0.9]=0.33 ,

    3. Из условия обеспечения непрерывности токов дросселя определяем его индуктивность

    L_min ³ (U_н + DU_н - U_пр) (1 - g_max)² / (2I_{н min} f_п).

    L_min ³ (5B+0.02B-5B)(1-0.33) ² / (2*9A*50000Гц)=10нГн , возьмем  L_min =20мкГн

    4. Определяем средний, минимальный и максимальный токи дросселя при I_н max и U_п min .

    I_{L ср} = I_{н max} / (1 - g_max),

    I_{L ср} =11А/(1-0,33)=15А

    I_{L min} = I_{L ср} - U_{п min} g_max / (2L_min f_п),

    I_{L min} =15А-13,5В*0,33/(2*10мкГн*50000Гц)=12,8А

    I_{L max} =2I_{L ср} - I_{L min}.

    I_{L max} =2*15А-13,5А=17,2А

    5. Задаемся значением  I_K m = 1,5*I_L ср =1,5*15А=22,5А и с учетом f_п выбираем регулирующий транзистор с параметрами I_K max > I_K m, U_КЭ max > (U_п + DU_п + U_н + DU_н)=15В+3В+5В+0,02В=23,02В.

    Выбираем  транзистор 1Т813А;  I_K max=30А; U_КЭ max =100В; h_2lЭ min=10; h_2lЭ mах=60; U_{КЭ нас}=0,8В. Базовый ток транзистора равен I_Б = I_K m / h_2lЭ min=22,5А/50=0,45А

    6. Выбираем силовой диод с параметрами

    I_пр > I_{L max}=17,2А;  U_{обр. и. р} > (U_п + DU_п + U_н + DU_н)=23,02В;  t_{вос. обр} << 1/f_п=1/50000Гц=20мкс.

    Выбраем  диод КД521Б; I_пр =50А; I_пр.имп. =500А;  t_{вос. обр} =4нс; I_{обр max}=1мкА.

    7. Определяем коэффициенты K_тр1 = I_K m / I_Б h_21Э max=22,5А/0,45А*60=0,83, K_тр2 = I_L min / I_Б h_21Э max=10,55/0,45*60=0,4.

    По  графикам на рис. 4 .находим t_Б/t_эфф, а затем емкость конденсатора

    C_Б = 1,6 I_Б t_Б / DU_ЭБ.

 

                                                                                        

 

t_Б/t_эфф=0,5 ;  Возьмем t_эфф=20мкс тогда,  t_Б=0,5*20мкс=10мкс

 C_Б =1,6*0,45А*10мкс/5В=1,44мкФ

      8. Определяем времена включения, выключения и рассасывания регулирующего транзистора (при  t_Б < t_т)

 

Где: t_т  »  h_21Э  R_К C_К  +  1/2 f_гр = 40 * 5Ом * 175пФ + 1/2 * 10МГц =5*10⁶; I_К нас = I_н min + (U_н + DU_н) (1 - g_min)/(2L f_п)=9А+(5В+0,02В)(1-0,24)/(2*20мкГн*50000Гц)= 10,9  А; возьмем I_зап=I_Б=0,45А - запирающий транзисторный ток; t_н=5мкс - постоянная времени  
накопления      заряда в базе насыщенного транзистора; K_нас = (I_Б h_21Э - I_К нас) / I_Кнас= =(0,45А*40-10,9А)/10,9А=0,65 - коэффициент насыщения; f_гр=10МГц;  R_К=5Ом - граничная частота и внешнее сопротивление в цепи коллектора транзистора соответственно.

          9. Потери мощности на транзисторе равны сумме потерь мощности в режимах насыщения и переключения и достигают максимального значения при U_п max и g_max , возьмем DU_пр=5В. 

    P_{K нас} =I_{L ср} U_{КЭ нас} g_min=15А*0,8В*0,24=2,88Вт        

    P_{K дин} = 0,5 f_п (U_п + DU_п + U_н + DU_н - DU_пр) (I_{K m} t_вкл + I_{L max} t_выкл),

    P_{K дин} =0,5*50000Гц(15В+3В+5В+0,02В-5В)(22,5А*9,3мкс+17,2А*16мкс)=218Вт

    P_K = P_{K нас} + P_{K дин}=2,88Вт+218Вт=220,88Вт

    10. Потери мощности на диоде

P_д = I_{L ср} U_пр (1 - g_max) + (U_п + DU_п + U_н + DU_н - U_{КЭ нас}) I_{обр max} t_{вос. обр} f_п /6,

P_д =15А*5В(1-0,33)+(15В+3В+5В+0,02В-0,8В)1мкА*4нс*50000Гц/6=50,25Вт

где I_{обр max} = I_{K m} – [I_{н max} / (1 - g_min) - U_{п max} g_min / (2L_min f_п)].

I_{обр max} =22,5А-[11А/(1-0,24)-16,5В*0,24/(2*20мкГн*50000Гц)]=11,3А

    11. Пульсация на нагрузке, число конденсаторов и протекающие через них эффективный и импульсный ток  . Выбираем конденсатор типа К52-1-68 мкФ ´ 50 В с допустимым импульсным током I_C1 max = 40 А и действующим током I_C1д = 2,5 А, сопротивлением r_п = 0,12 Ом

    U_н~ =0,001В

    N_C = I_{н max} (1 - g_min) / (C₀ f_п 2U_н~) + I_{L max} r_{п. о} / (2U_н~).

    N_C =11А(1-0,24)/(68мкФ*50000Гц*2*0,001В)+17,2А*0,12Ом/(2*0,001В)=2,1»2

    I_{С max} = (I_{L max} - I_н) / N_C  =(17,2А-10А)/2=3,6А

    I_{C д} = I_{н max} [g_max / (1 - g_max)]^1/2 / N_C =11А[0,33/(1-0,33)] ^1/2 /1=3,85А

         12. Вычисляем коэффициент передачи схемы управления с учетом коэффициента стабилизации К_ст

    K_ШИМ ³ (g_max - g_ном) K_ст U_п / [(U_п - U_{п min}) (U_н - DU_н)].

    K_ШИМ ³(0,33-0,28)*100*15В/[(15В-13,5В)(5В-0,02В)]=10

    13. Расчет схемы управления производить не будем, P_{с. у}=0.

    14. Потери в дросселе P_L » I_{L ср}² r_L=15²А*0,5Ом=112,5Вт

    15. Значения h_ст и r_н определяются по  формулам: где r_диф=0,6Ом

    h_ст = U_н I_{н max} / (U_н I_{н max} + P_к + P_д + P_L + P_{с. у}),

    h_ст =5В*11А/(5В*11А+220,88Вт+50Вт+112,5Вт+0) »0,125

    r_н = U_н (R_и + r_L + r_диф) / (K_ст U_п)=5В(100+0,5Ом+0,6Ом)/(100*15В)=0,337Ом

 
 
 
 
 
 

    ИСН на ИМС

    ИСН часто строится на ИМС так-так  они обладают наименьшими габаритами. Универсальная ИМС К142ЕП1  которая может быть ИСН понижающего, повышающего, инвертирующего типа . Схема стабилизатора инвертирующего типа представлена на рис.5.