Импульсный усилитель кольцевого коммутационного поля цифровой АТС (стр. 3 из 6)

ручное проектирование;

ручное проектирование с применением средств механизации;

ручное проектирование с применением средств автоматизации;

автоматизированное проектирование.

Выбираем метод ручного проектирования с применением средств автоматизации. При этом учитывается наличие соответствующего технического обеспечения и наличие программного обеспечения, позволяющее автоматизировать ряд операций по проектированию технологического процесса.

2. Конструктивно-технологичный анализ изделия как объекта производства

2.1 Анализ схемы устройства

С точки зрения принципа работы все источники питания можно разделить на линейные и импульсные.

Линейные источники питания имеют много полезных свойств, таких как: простота, низкие выходные пульсации и шум, превосходные значения нестабильности по напряжению и току и быстрое время восстановления. Но их главным недостатком является низкий КПД. Согласно техническому заданию на проектирование модуля преобразователя МП-30 (МП-60), КПД должен быть не менее 75%, что не допускает использование линейных источников питания.

Импульсные источники питания становятся популярными из-за высокой эффективности и высокой удельной мощности. При сравнении линейных и импульсных источников питания можно сделать следующие выводы:

нестабильность по напряжению и току обычно лучше у линейных источников питания, иногда на порядок величины, но в импульсных источниках питания часто используются линейные выходные стабилизаторы, улучшающие стабильность выходного напряжения;

пиковые значения выходных пульсаций импульсных источников питания находятся в диапазоне 25…100 мВ, что значительно больше, чем у линейных источников питания. Необходимо заметить, что для импульсных источников питания значения пульсаций выходного напряжения нормируются от пика до пика. У разрабатываемого модуля значение выходной переменной составляющей выходного напряжения от пика до пика должно быть не более 50мВ, что вполне могут обеспечить импульсные источники питания;

импульсные источники питания имеют более широкий диапазон входных напряжений. Диапазон входных напряжений линейных источников питания обычно не превышает +10% от номинального значения, что оказывает прямое влияние на КПД. У импульсных источников питания влияние диапазона входного напряжения на КПД очень незначительное или вообще отсутствует, он находится в пределах ±20% и даёт возможность работать при сильных изменениях напряжений сети.

DC-DC преобразователи используют принцип действия импульсных источников питания, но применяются для того, чтобы преобразовать одно постоянное напряжение в другое, обычно хорошо стабилизированное. Эти устройства используются там, где электронное оборудование должно питаться от батареи или другого автономного источника постоянного тока [3].

2.1.1 Анализ схемы устройства

По техническому заданию напряжение на входе преобразователя находится в пределах 48-72 В, а на выходе преобразователя напряжение должно составлять 5±0,2 В. Следовательно преобразователь относится к стабилизаторам понижающего типа.

Наиболее известной в семействе DC/ DC преобразователей понижающего типа является чопперная (Chopper - прерыватель) схема, изображенная на рис.2.1

Рисунок 2.1 - Базовая схема чопперного стабилизатора

Схема, приведенная на рис.2.1, состоит из следующих обязательных элементов:

силового ключа Кл, осуществляющего высокочастотную коммутацию тока (обычно роль ключа выполняет мощный биполярный или полевой транзистор);

разрядного диода VD;

низкочастотного сглаживающего фильтра LС;

схемы управления и обратной связи, осуществляющей стабилизацию напряжения или тока.

Другое известное название чопперной схемы - импульсный последовательный стабилизатор понижающего типа. Как видно из рис.2.1, ключевой элемент Кл и дроссель фильтра L включены последовательно с нагрузкой Rн. Рабочий цикл чоппера состоит, как показано на рис.2.2, из двух фаз: фазы накачки энергии и фазы разряда на нагрузку. Рассмотрим их подробнее.

Рисунок 2.2 - Фазы работы чопперного стабилизатора

Фаза 1 - накачки энергии.

Эта фаза протекает на протяжении времени tи. Ключевой элемент замкнут и проводит ток Ін, который течет от источника питания Uп к нагрузке через дроссель L, в котором в это время происходит накопление энергии. В это же время подзаряжается конденсатор С. Работа элементов в этой фазе показана на рис.2.3

Рисунок 2.3 - Фаза накачки энергии

Фаза 2 - разряд.

Любой индуктивный элемент при скачкообразном изменении характеристик цепи (обрыв, замыкание на нагрузку с другим значением сопротивления) всегда стремится воспрепятствовать изменению направления и величины тока, протекающего через его обмотку. Поэтому, когда по окончании фазы 1 происходит размыкание ключа Кл, ток Ін, поддерживаемый индуктивным элементом, вынужден замыкаться через разрядный диод VD. Поскольку источник питания отключен, дросселю неоткуда пополнять убыль энергии, поэтому он начинает разряжаться по цепи "диод-нагрузка", как показано на рис.2.4

Рисунок 2.4 - Фаза разряда на нагрузку

Отсюда и идет название диода - "разрядный". Через некоторый промежуток времени tп ключ вновь замыкается и процесс повторяется.

Рабочая частота стабилизатора задается схемой управления и определяется

(2.1)

где Т - рабочая частота схемы управления.

Введем новое понятие, которое очень поможет нам при дальнейшем анализе схемы. Итак, отношение длительности открытого состояния ключа, при котором происходит накачка энергии, к периоду коммутации называется коэффициентом заполнения

(2.2)

где f - рабочая частота схемы управления.

Управляя длительностью открытого состояния ключа tи возможно регулировать величину напряжения, питающего нагрузку. Любой однополярный сигнал (как частный случай несимметричного двухполярного сигнала) имеет замечательное свойство - наличие в его спектре постоянной составляющей, которую можно выделить, пропустив этот сигнал через низкочастотный фильтр. На сегодняшний день известно великое множество фильтров разного качества и сложности. В нашем случае мы используем классическую Г-образную схему LC фильтра.

Операция выделения постоянной составляющей эквивалентна определению среднего значения сигнала. Напряжение на входе фильтра имеет импульсный характер и при фильтрации постоянной составляющей происходит усреднение сигнала. Математически операция сглаживания выглядит следующим образом

(2.3)

где i (t) - мгновенное значение тока в нагрузке.

Подынтегральное выражение - это мгновенное значение напряжения на нагрузке, которое вычисляется для каждого момента времени внутри периода, а затем, после сложения, усредняется по времени периода. Сглаживающие фильтры проектируются так, чтобы на их выходе остаточные пульсации были как можно меньше и приближали выходной сигнал к идеалу. Вычислим среднее значение напряжения на нагрузке чоппера, учитывая, что ток i (t) обладает постоянством во времени:

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).