i (t) = - постоянный максимальный ток в нагрузке, который протекает, когда ключ замкнут на длительное время, то есть схема управления не работает.
Получим
(2.4)
Как видно из формулы (2.4), напряжение на нагрузке прямо пропорционально ширине импульса tu. Когда ключ открыт на длительное время, Uн = Un. Когда ключ на длительное время закрыт, Un = 0. Отсюда
. (2.5)
Таким образом, при наличии хорошего сглаживающего фильтра, управляя только коэффициентом заполнения, увеличивая или уменьшая длительность открытого состояния ключа, можно легко регулировать напряжение на нагрузке [2].
Чопперную схему нельзя использовать в цепях без гальванической развязки от сетевого напряжения. Радиоэлектронные приборы принято проектировать так, что проводник схемы, называемый "общим", всегда подключается к шасси прибора, выполненного из металла. Нередко корпус прибора также не изолируется от шасси. С другой стороны, водопроводные трубы и батареи центрального отопления принято "заземлять", то есть подключать к ним заземленную нейтраль трехфазной сети [4]. Один из контактов сетевой однофазной розетки всегда "нулевой", другой - всегда "фазный". Человек, дотронувшийся до прибора и случайно коснувшийся батареи, окажется под напряжением 220 В. Чтобы не возникало таких опасных для жизни и здоровья человека ситуаций, входные цепи чопперного преобразователя должны быть гальванически развязаны с выходными, то есть не иметь общих проводников. Для гальванической развязки используется трансформатор с независимыми первичной и вторичной обмотками. Такие схемы могут быть однотактными или двухтактными, в зависимости от требуемой мощности преобразователя. Однотактные схемы называются так потому, что электрическая энергия передается на выход преобразователя в течение одной части периода преобразования. В двухтактных схемах электрическая энергия передается в течение двух частей периода. Если энергия передается в тот момент, когда силовой ключ замкнут, такой преобразователь называют прямоходовым (forward). Если же энергия передается, когда ключ разомкнут - преобразователь называют обратноходовым (flyback). Рассмотрим прямоходовую схему (рис.2.5).
Цикл ее работы состоит из двух частей: передачи энергии (фаза 1) и холостого хода (фаза 2) (рис.2.6). В фазе 1 ток i1 индуцирует ток i2 во вторичной обмотке трансформатора.
Рисунок 2.5 - Прямоходовая (forward) схема преобразователя
Рисунок 2.6 - Фазы работы прямоходовой схемы
Поскольку диод VD в этом случае оказывается включенным в прямом направлении, ток i2 заряжает емкость Сф. При размыкании ключа Кл самоиндукция "переворачивает" полярность на выводах трансформатора, диод VD блокируется, ток нагрузки поддерживается исключительно за счет разряда емкости Сф.
Данная схема имеет несколько существенных недостатков. Во-первых, работа с однополярными токами в обмотках трансформатора требует мер по снижению одностороннего намагничения сердечника. Во-вторых, при размыкании ключа энергия, накопленная в индуктивности намагничения трансформатора, не может "разрядиться" самостоятельно, поскольку все выводы трансформатора "повисают в воздухе". В этом случае возникает индуктивный выброс - повышение напряжения на силовых электродах ключевого транзистора, что может привести к его пробою. В-третьих, короткое замыкание выходных клемм преобразователя обязательно выведет силовую часть из строя, следовательно, требуются тщательные меры по защите от КЗ.
Обратноходовая схема (рис.2.7) очень похожа на прямоходовую с той лишь разницей, что "начала" и "концы" вторичных обмоток трансформатора Тр включены наоборот (с обратной фазировкой). В данном случае фаза накопления энергии и фаза передачи ее в нагрузку разделены во времени.
Рисунок 2.7 - Обратноходовая (fly-back) схема преобразователя
Во время накопления энергии трансформатором (фаза 1) ключ Кл замкнут, в первичной обмотке течет ток I. Закон накопления энергии мы можем математически записать исходя из уже известного нам соотношения
(2.6)
где L1 - индуктивность первичной обмотки.
Мы видим, что на этом участке ток первичной обмотки линейно нарастает. Фаза передачи энергии (фаза 2) наступает при размыкании ключа Кл (рис.2.8).
Рисунок 2.8 - Фазы работы прямоходовой схемы
В этот момент полярность на выводах трансформатора благодаря явлению самоиндукции меняется на противоположную. Открывается диод VD, ток i2 заряжает конденсатор фильтра Сф, закон спада тока вторичной обмотки математически очень похож на закон нарастания тока первичной обмотки
(2.7)
где - ток первичной обмотки, пересчитанный во вторичную. Его величина фиксируется в тот момент, когда происходит размыкание ключа;
L2 - индуктивность вторичной обмотки.
Видно, что в процессе работы конвертора токи трансформатора нарастают и спадают линейно. Чтобы обеспечить требуемые значения тока и напряжения на нагрузке, необходимо связать процессы, происходящие в первичной цепи, с реакцией на них вторичной цепи.
При выборе конкретной схемы преобразователя можно воспользоваться графиком для выбора типа преобразователя в зависимости от входного напряжения и выходной мощности, изображенным на рис.2.9 [5].
Рисунок 2.9 - Выбор типа преобразователя
Как видно из рисунка, в области малых значений выходной мощности применяются обратноходовые преобразователи, причем с ростом напряжения питания увеличивается и мощность, которую преобразователь может отдать в нагрузку. С ростом выходной мощности целесообразно перейти на прямоходовую схему построения преобразователя. Еще большие мощности могут обеспечить только двухтактные преобразователи напряжения.
Согласно техническому заданию входное рабочее напряжение модуля DC/DC преобразователя составляет 48 - 72 В, а максимальная выходная мощность 30 Вт - следовательно, целесообразно использовать схему обратноходового однотактного преобразователя.
Правильно сделанный выбор элементов во многом определяет надежность модуля, технологичность его конструкции и, в конечном счете, экономичность разрабатываемой конструкции в целом.
Целью применения модуля является снижение стоимости аппаратуры ЦАТС за счет применения в ТЭЗах Б5 и Б5/1 модулей питания отечественного производства взамен используемых в настоящее время модулей PKE 4411 PI и PKG 4611 PI производства фирмы ERICSSON Microelectronics.
Чтобы снизить общую себестоимость модуля, целесообразно применять в нем современные специализированные микросхемы, предназначенные для импульсных источников питания, включающие в себя:
ШИМ контроллер;
силовой транзистор;
схему защиты от короткого замыкания на выходе;
встроенную защиту от перегрузки по току;
тепловую защиту;
На сегодняшний день имеется большое число компаний, производящих микроэлектронные изделия: International Semiconductors, Power Integration, International Rectifier, SGS-Thomson, Siemens.
Из перечисленных выше фирм, можно выделить Power Integration, которая хорошо зарекомендовала себя в производстве специализированных микросхем для импульсных источников питания, как производитель наиболее надежных и в то же время доступных микроэлектронных изделий.
Фирма Power Integration предлагает специализированный программный продукт PI EXPERT (#"_Toc264292805">2.2 Анализ надежности
Отказы конструкции, которые характеризуют безотказность, долговечность и сохраняемость, имеют общий физико-химический механизм.
Рассмотрим безотказность прибора с точки зрения физического износа. Физический износ - износ материальной части изделия до такого состояния, при котором дальнейшая эксплуатация его не возможна, а восстановление изношенных частей экономически не целесообразно. Физический износ наступает вследствие потери размеров деталей, обгорания контактов, естественного старения материалов. Для РЭА особо характерными формами материального износа являются изменение физических и химических параметров электрорадиоэлементов.
Поэтому рассматривая разрабатываемый модуль преобразователя МП-30 (МП-60) с этих точек зрения, необходимо отметить, что применяемые в конструкции модуля электрорадиоэлементы, материалы, покрытия и технологии их изготовления обеспечивают сохраняемость прибора во все время его эксплуатации, а значит и безотказность.
Рассмотрим безотказность прибора с точки зрения разновидностей отказов. Отказы отличаются друг от друга моментом возникновения в течение срока службы прибора: отказы внезапные, износовые и приработочные.
Внезапные отказы имеют случайный характер и составляют две трети всех отказов, наблюдаемых при эксплуатации длительно используемой РЭА.
Износовые отказы проявляются к концу службы прибора. С приближением конца срока, т.е. предельного состояния, число износовых отказов резко возрастает.
Приработочные отказы имеют максимум непосредственно после изготовления изделия и играют в это время главную роль. Поэтому необходимо, чтобы период с максимумом приработочных отказов приходился на время, когда изделие еще не передано потребителю, т.е. эксплуатация еще не началась. С этой целью вводят в технологический процесс изготовления прибора период прогона, имитирующий начальную фазу эксплуатации, что позволяет устранить приработочные отказы еще до начала эксплуатации прибора у потребителя. В период проведения опытно-конструкторских работ по проектированию прибора и изготовлению опытного образца во всех случаях проводят лабораторно-стендовые испытания с имитацией воздействующих факторов заложенных в технические условия на данный прибор. Целью проведения лабораторно-стендовых испытаний является выявление возможных отказов и выработка рекомендаций по их устранению.
Важнейшим показателем качества конструкции является надежность.
С учетом того, что разрабатываемая конструкция является прибором эксплуатируемым в помещении АТС, где неблагоприятные воздействия окружающей среды не оказывают на него вредное влияние, то требования к надежности упрощаются, так как прибор предусматривает эксплуатацию в нормальных условиях. В процессе эксплуатации электронного узла на его элементы воздействуют как внутренние, так и внешние факторы. Все это в совокупности с естественным старением приводит к тому, что изменяются механические и электрические параметры материалов. В конечном итоге, указанные факторы могут приводить к отказу РЭА. При разработке РЭА, еще на стадии проектирования закладывается вполне определенный уровень надежности устройства.
Правильность выбора комплектующих, из которых строится РЭА, имеет принципиальное значение для обеспечения ее надежности. Прогресс в развитии РЭА обеспечивается прогрессом в развитии элементной базы.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
