КПД схемы ИПН
По определению КПД равен отношению мощности вых, переданной в нагрузку, к мощности вх, полученной от первичного источника энергии:
|
|
η = |
|
вых |
∙ 100% |
(5) |
||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вх |
|
|
|
|
Выходная мощность меньше входной на сумму мощностей, |
||||||||
рассеиваемых на компонентах схемы: |
|
|
|
|||||
|
|
= |
− ( |
+ |
+ ) |
(6) |
||
вых |
вх |
|
|
|
кл |
|
|
|
Значения мощности, |
рассеиваемой на компонентах преобразователя, |
|||||||
рассчитываются с учетом характеристик примененных компонентов и относительной величины времени, в течение которого происходит выделение тепла. Приведем приближенные формулы для оценки потерь мощности:
|
|
|
= 2 |
|
(7) |
|
|
|
|
вх |
|
|
|
|
|
= ∙ |
∙ 2 |
|
(8) |
|
|
кл |
|
СИ |
вх |
|
|
|
= (1 − ) ∙ ( |
2 |
+ ) |
(9) |
||
|
|
|
вх |
вх |
|
|
Более точную оценку рассеиваемой мощности можно получить, если
учитывать линейный характер изменения тока и находить среднюю мощность интегрированием на периоде преобразования.
Пример расчета
1. Исходные данные:
вх = 5 Ввых = 10 Ввых = 5%н = 40 Ом
∆ вых = 300 мА= 45 кГц
= 0.3
2. Расчет номиналов:
1)Определим коэффициент заполнения импульсов по формуле (2):
|
= |
|
|
1 |
|
→ = 1 − |
вх |
|||
|
|
|
|
|
|
|||||
вых |
|
|
вх 1 − |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вых |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
||
= 1 − |
|
|
= 0,5 |
|
||||||
10 |
|
|||||||||
2) |
Ток нагрузки: |
|
||||||||
|
= |
вых |
= |
10 |
|
= 0,25 |
|
|||
|
|
|
||||||||
вых |
|
н |
40 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|||||||
3)Период коммутации:
1 Т = = 22,2 мкс
3) Определим индуктивность катушки (8.б):
|
|
2 |
|
> |
|
вх |
|
|
∙ |
∙ ∙ |
|
|
вых |
вых |
|
5 ∙ 5 ∙ 0,5≥ 0,25 ∙ 10 ∙ 0.3 ∙ 45 ∙ 103 = 370 ∙ 10−6 Гн = 370 мкГн
Ближайшее значение из ряда 390 мкГн
6)Абсолютная величина погрешности выходного напряжения:
∆ вых = ∙ вых ∆ вых = 0,05 ∙ 10 = 0,5 В
7)Рассчитаем емкость (9):
|
|
+ |
) ( − |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
|
− |
|
( |
− |
)( − ) |
|
|||
|
|
2 |
н |
и |
|
|
|
||||
вых ≥ |
|
|
|
|
= |
вх |
н |
и |
|
= |
|
|
|
∆ вых |
|
|
|
∆ вых |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
= (0,5 − 0,25) ∙ (22,2 − 11,1) = 5,55 мкФ 0,5
Возьмем ближайшее значение из ряда Е24 – 5,6 мкФ.
Рис.6. Модель идеального преобразователя напряжения
Пояснения к схеме
XFG1 – функциональный генератор, расположен на панели инструментов справа.
Рис.7. Расположение и панель управления функционального генератора
Всхеме рисунка 6 генератор используется для управления коммутацией ключа. На ключ необходимо подавать сигнал прямоугольной формы с частотой, определенной в варианте задания. Установка этих параметров производится через окно настройки, остальные параметры можно оставить без изменений.
Вкачестве ключа на схеме используется виртуальный ключ,
управляемый напряжением (SPDT). Находится в разделе Basic, семейство
SWITCH.
В настройках ключа необходимо задать сопротивление открытого и закрытого состояния. Для приближения данного ключа к идеальному следует установить сопротивление открытого состояния в 0,01мОм.
Рис.8. Окно настройки ключа
Контроль работы схемы производится с помощью осциллографа (XSC1
– на схеме). Он расположен так же на правой панели инструментов. Двойным кликом ЛКМ по пиктограмме открывается его рабочее окно. По умолчанию фон экрана, на котором изображается осциллограмма, черного цвета. Для переключения фона на белый необходимо нажать кнопку «Экран» на панели осциллографа.
Задание
1.Разработать и промоделировать схему идеального повышающего ИИП на основе виртуальных компонентов Multisim. Характеристики преобразователя выбрать согласно таблице 1 и номеру варианта.
2.С учетом рабочих режимов разработанного ИПН осуществить выбор реальных компонентов, промоделировать работу полученной схемы.
3.Рассчитать КПД преобразователя. Проверить значение экспериментально.
4.Ответить на контрольные вопросы по указанию преподавателя.
Таблица 1. Варианты заданий
Вариант |
Uвх, В |
Uвых, В |
δUвых, % |
Rн, Ом |
f, кГц |
LIR |
RL, Ом |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
3 |
12 |
1 |
120 |
25 |
0,3 |
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
5 |
15 |
1 |
100 |
55 |
0,3 |
0,1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
7 |
16 |
2 |
120 |
20 |
0,3 |
0,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
9 |
18 |
2 |
100 |
40 |
0,4 |
0,2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
3 |
21 |
5 |
120 |
60 |
0,4 |
0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
5 |
27 |
5 |
100 |
45 |
0,4 |
0,3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
7 |
12 |
10 |
100 |
30 |
0,35 |
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
9 |
15 |
10 |
120 |
35 |
0,35 |
0,4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
3 |
16 |
1 |
100 |
80 |
0,35 |
0,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
5 |
18 |
1 |
120 |
50 |
0,25 |
0,5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Контрольные вопросы
1.Какими преимуществами и недостатками обладают ИПН по сравнению с линейными схемами преобразователей напряжения,
2.Изобразите схему повышающего ИПН, опишите его принцип действия.
3.Что влияет на КПД ИПН? Каким образом можно добиться его повышения?
4.Какие преимущества дает использование в ИПН диодов Шоттки по сравнению с применением обычных диодов?
5.В чем состоит отличие режима прерывистого тока от режима непрерывного тока?
6.Изобразите график изменения тока через катушку индуктивности.
7.Изобразите график изменения тока через диод.
8.Как рассчитать номиналы катушки индуктивности и конденсатора? Какие факторы нужно учитывать при выборе компонентов?
9.Как рассчитать минимальный ток нагрузки?
10.Что такое коэффициент заполнения импульса? Как его значение
соотносится со входным и выходным напряжением ИПН?
Стандартные ряды номиналов
E24 |
1.0 |
1.1 |
1.2 |
1.3 |
1.5 |
1.6 |
1.8 |
2.0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E12 |
1.0 |
|
1.2 |
|
1.5 |
|
1.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E6 |
1.0 |
|
|
|
1.5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E24 |
2.2 |
2.4 |
2.7 |
3.0 |
3.3 |
3.6 |
3.9 |
4.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E12 |
2.2 |
|
2.7 |
|
3.3 |
|
3.9 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E6 |
2.2 |
|
|
|
3.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E24 |
4.7 |
5.1 |
5.6 |
6.2 |
6.8 |
7.5 |
8.2 |
9.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E12 |
4.7 |
|
5.6 |
|
6.8 |
|
8.2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
E6 |
4.7 |
|
|
|
6.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|