Материал: Розрахунок потужного високовольтного ключа

Розрахунок потужного високовольтного ключа

ВСТУП

Потужні високовольтні (силові) ключі являються важливим елементом сучасної електроніки. Вони знаходять багато застосувань - майже в усіх пристроях де потребується високошвидкісна комутація великих потужностей (починаючи від елементарного увімкнення лампочки накалювання за допомогою автоматики і закінчуючи складними системами комутації великих потужностей у системах автономного енергопостачання). Силові ключі можуть бути виконанні як схема технічно на різних типах транзисторів чи симісторів, так і у інтегрованому вигляді.

Метою виконання даного курсового проекту є виконання наступних задач:

. Провести розробку методики розрахунку потужного високовольтного ключа.

. Виконати повний розрахунок наступних схем: підсилювального каскаду із спільним емітером, автоколивального мультивібратора, одновібратора, генератора напруги що лінійно змінюється та синхронного тригера.

Виконання розрахунку зазначених вище схем передбачає розрахунок всіх параметрів необхідних для нормального функціонування тієї чи іншої схеми, а також результати моделювання, аналіз результатів моделювання та розрахунків.

1 РОЗРОБКА МЕТОДИКИ РОЗРАХУНКУ ПОТУЖНОГО ВИСОКОВОЛЬТНОГО КЛЮЧА

1.1 Загальні теоретичні відомості

Одним з найважливіших елементів імпульсних перетворювачів джерела вторинного електроживлення є силовий ключ, або ключовий пристрій за допомогою якого здійснюється комутація енергії в навантаження та її регулювання. В даний час відомо величезна безліч схем імпульсних транзисторних ключів [9, 10].

Розрахунок ключа полягає у виборі його елементів у відповідності з заданими характеристиками та визначенні параметрів. Найважливішими параметрами ключа являються:

• потужність, напруга і струм, комутовані в навантаження;

• частота комутації та тривалість інтервалів перемикання;

• втрати в ключі або коефіцієнт корисної дії.

Розрахунок транзисторного ключа рекомендується проводити в наступній послідовності:

. Попередній вибір схеми ключа, типу ключового транзистора. Схема і тип ключа визначаються напругою живлення, потужністю (струмом) навантаження та передбачуваної частотою перетворення. Одночасно схема і тип транзистора повинні відповідати типу контролера пристрою перетворення.

. Розрахунок елементів схеми ключа і вибір транзисторів.

. Коригування схеми ключа за результатами розрахунку і, можливо, вибір іншого транзистора.

. Розрахунок часових параметрів схеми ключа.

. Розрахунок втрат в ключі.

. Коригування схеми ключа, частоти перетворення і, можливо, типу транзистора.

1.2 Розробка методики розрахунку потужного високовольтного ключа на біполярному транзисторі

Проведемо розробку методики розрахунку потужного високовольтного ключа зображеного на рисунку 1.1. Як бачимо в якості перемикаючого елемента тут використовується біполярний транзистор.

Вхідні дані:

-    вхідний струм імпульсу відкриваючої полярності IВхО;

-        напруга живлення Еж;

         колекторний опір Rк;

         значення напруги імпульсу відпираючої полярності UвхО;

-        опір джерела керуючих сигналів ;

         тип транзистора.

Рисунок 1.1 - Схема потужного високовольтного ключа для розрахунку [10]

тразистор підсилювач імпульсний напруга

1. Розраховуємо значення резистора R1 виходячи з співвідношення:

 (1.1)

де      - напруга насичення переходу база-емітер (1,5-2,5 В);

 - диференційний опір переходу база-емітер.

. Розраховуємо напругу сигналу запирання транзистора виходячи з виразу:

 (1.2)

де      - вхідна напруга імпульсу закриття;

 - напруга відсічки (закриття) переходу база-емітер (0,6 - 0,7 В);

 - максимальне значення зворотнього струму бази при заданій напрузі колектор-база.

Керуючий сигнал на інтервалі закриття може мати полярність джерела живлення , але для форсованого закриття необхідно забезпечити .

. Розраховуємо струм бази при імпульсі відкриваючої полярності

 (1.3)

де      - струм бази в режимі насичення;

 - напруга насичення переходу колектор-емітер;

 - коефіцієнт підсилення струму бази у схемі з загальним емітером () в режимі насичення;

. Визначаємо постійну часу:

 (1.4)

де      - гранична частота транзистора.

. Розраховуємо динамічні характеристики ключа

При дії на вхід біполярного транзистора (ключа) ідеального прямокутного імпульсу можна виділити характерні перехідні процеси його перемикання (рис 1.2):

• затримку включення, tЗФ;

• передній фронт, tФ;

• час розсмоктування надлишкового об’ємного заряду, tЗСп при запиранні транзистора;

• задній фронт (спаду) імпульсу, tСп.

При надходженні відкриваючого імпульсу в ланцюзі бази виникає струм ІУпр і з затримкою tЗФ з’являється струм колектора IК. У міру зростання напруги UБЕ відбувається заряд ємностей СЕ (ємність база-емітер) і СК (ємність база-колектор) транзистора. Коли напруга на переході база-емітер досягне порогової величини UБЕВідс, транзистор відкривається. На практиці інтервал tЗФ відносно малий, і їм часто нехтують [10].

Далі протягом інтервалу часу tФ, колекторний струм зростає за експоненціальним законом і досягає сталої величини. Тривалість переднього фронту колекторного струму обумовлюється інерційними процесами зміни концентрацій носіїв в базі і змінами заряду (в основному) ємності СК колекторного переходу. Практичний інтерес представляє режим насичення, коли напруга UВх досягає величини, достатньої для забезпечення IУпр> IБmin, де IБmin - мінімальне значення струму бази, при якому транзистор переходить в режим насичення.

Рисунок 1.2 - Процеси перемикання біполярного транзистора [10]

Отже час відкриття транзистора визначають за формулою:

 (1.5)

Затримка увімкнення визначається формулою:

 (1.6)

де      - вхідна ємність транзистора:

 (1.7)

 - напруга закриття на перехорді база-емітер:

 (1.8)

 - амплітуда імпульсу відкриваючого струму бази:

 (1.9)

Тривалість фронту визначається за формулою:

 (1.10)

де      - коефіцієнт насичення.

При зміні величини керуючого сигналу на закриваюче значення  починається процес зворотного перемикання транзистора. На інтервалі часу tЗСп, відбувається розсмоктування накопиченого в базі заряду, що супроводжується появою струму ІБОбр. При цьому транзистор залишається в відкритому стані, а струм у ланцюзі колектора залишається рівним:

 (1.11)

Початкове значення струму розсмоктування рівне:

 (1.12)

Час закриття транзистора дорівнює:

 (1.13)

Час затримки спуду (розсмоктування) при  визначається за формулою:

 (1.14)

Задній фронт імпульсу колекторного струму обумовлюється інерційним характером зменшення замряду в базі. На цьому етапі транзистор з границі насичення переходить у область відсічки. Тривалість заднього фронту:

(1.15)

6. Розраховуємо величину конденсатора С1

Конденсатор С1 використовується для форсування режимів закриття транзисторного ключа. При цьому величина конденсатора визначається за формулою:

 (1.16)

7. Розраховуємо статичні втрати потужності в транзисторі в режимі насичення:

 (1.17)

де      - тривалість імпульсу;

 - період перетворення енергії.

. Розраховуємо втрати потужності в транзисторі в режимі відсічки за формулою:

 (1.18)

9. Розраховуємо динамічні втрати потужності в транзисторі за формулою:

 (1.19)

де      - потужність вмикання;

 - потужність вимикання.

Якщо припустити, що процес перемикання відбувається по лінійній залежності протягом тривалості фронтів, то потужність вмикання можна оцінити формулою:

 (1.20)

Потужність закривання визначається за формулою:

 (1.21)

. Розраховуємо сумарні втрати потужності одного циклу вмикання/вимикання:

 (1.22)

2 РОЗРАХУНОК ПІДСИЛЮВАЛЬНОГО КАСКАДУ

Дано:

·   коефіцієнт підсилення по напрузі KU=28,

·        напруга на навантаженні Uн=18 (В),

·        опір навантаження Rн=1800 (Ом),

·        нижня гранична частота fн=100 (Гц),

·        верхня гранична частота fв=20004 (Гц).

1. Виходячи з умов отримання максимального коефіцієнта корисної дії підсилювального каскаду приймаємо величину опору в ланцюзі колектора RК рівною опору навантаження:

 (2.1)

. Знаходимо амплітудне значення колекторної напруги за формулою (2.2):

 (2.2)

. Розраховуємо струм спокою колектора за формулою (2.3):

 (2.3)

. Визначаємо величину мінімальної напруги джерела живлення за формулою (2.4):

 (2.4)

Вибираємо найближче значення Eж з ряду стандартних величин так, щоб виконувалася умова (2.5):

 (2.5)

. Обчислюємо значення максимального струму колектора за формулою (2.6):

 (2.6)

6. Знаходимо потужність на навантаженні за формулою (2.7):

 (2.7)

. Проводимо оцінку потужності, що розсіюється на колекторі транзистора за формулою (2.8):

 (2.8)

8. Користуючись довідником [8], вибираємо тип біполярного транзистора. Як критерій вибору використовуємо співвідношення (2.9):

 (2.9)

де:к.max - максимально допустима потужність, що розсіюється на колекторному переході транзистора;

- максимально допустима постійна напруга колектор - емітер;к.max - максимально допустимий постійний струм колектора;гр - гранична частота коефіцієнта передачі струму в схемі із загальним емітером.

Виходячи з вище наведених нерівностей обираємо транзистор КТ602A (n-p-n) для якого умови (2.9) виконуються

- мінімальне значення статичного коефіцієнта передачі біполярного транзистора в режимі малого сигналу в схемі із загальним емітером;

. Розраховуємо опір резистора в ланцюзі емітера за формулою (2.10):

 (2.10)

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення Rе = 300 (Ом).

. Визначаємо значення струму спокою бази транзистора за формулою (2.11):

 (2.11)

. Розраховуємо опори резистивного дільника, для чого вибираємо струм дільника Iд, що протікає по опорах Rб1 і Rб2 за формулою (2.12):

 (2.12)

Знаходимо напругу спокою бази за формулою (2.13):

 (2.13)

де,

DUе - падіння напруги на емітерному переході DUе = 0,45…0,6 (В);е.п - падіння напруги в ланцюзі емітера, визначається за формулою (2.14):

 (2.14)

Визначаємо величину опору Rб2 за формулою (2.15):

 (2.15)

З ряду Е24 приймається найближче стандартне значення Rб2 = 1,6 (кОм).

Визначаємо величину опору Rб1 за формулою (2.16):

 (2.16)

З ряду Е24 приймається стандартне значення Rб1 = 13 (кОм).

. Розраховуємо коефіцієнт підсилення каскаду за формулою (2.17):

 (2.17)

де, Rкн - опір каскаду за змінним струмом, визначається за формулою (2.18):