Расчет импульсного усилителя мощности

Выбор транзисторов и расчет выходного каскада УМ

Принципиальная схема одного плеча импульсного полумостового усилителя приведена на рис. 4. Обозначенным на расчетной схеме элементам соответствуют следующие элементы принципиальной схемы рис.3:

R1-R11, R12;

R2-R39, R40;

R3-R19, R20;

R4-R17, R18;

VD1-VD4, VD5.

Нагрузкой усилителя мощности является двигатель ДПР — со следующими характеристиками:

U_П = … В — напряжение питания,.

I_Н = … А — номинальный ток,.

P_Н = … Вт — механическая мощность,.

з_ДВ = … (%) — КПД двигателя,.

M_НОМ = … mH•м — номинальный момент,.

M_П = … mH•м — пусковой момент,.

n_НОМ = … об/мин — номинальная скорость.

А.Определяем необходимые для выбора оконечных транзисторов параметры:

I_КМ — максимальный ток коллектора,.

U_КЭМ — максимальное напряжение коллектор-эмиттер,.

P_КМ — максимальное значение мощности рассеяния в коллекторном переходе (P_К ИМП).

Величина I_КМ определяется по формуле:

(1).

где: E_П — напряжение питания двигателя (E_П = … В),.

С_Е — конструктивная постоянная двигателя:

(2).

R_Я — сопротивление якоря двигателя, которое определяется из соотношения:

Ом (3).

— номинальная скорость двигателя:

(4).

R_ИП — сопротивление вторичного источника питания. С учетом требования технического задания мощность источника питания равна электрической мощности, потребляемой двигателем в номинальном режиме, поэтому.

(5).

здесь: — КПД трансформатора источника вторичного питания (= 0.8 для P_ТР = 20 ч 100 Вт).

Подставляя численные значения табличных параметров двигателя в формулы 1 ч 5 получаем:

R_ИП = … (Ом),.

щ_н = … (1/с),.

R_Я = … (Ом),.

С_Е = … (В•с),.

I_КМ= … (А).

Максимальное значение напряжение перехода U_КЭМ будет иметь место при выключении транзисторов за счет действия ЭДС самоидукции, и в режиме реверса двигателя, и равно:

U_КЭМ? 2•E_П,.

U_КЭМ = … В.

При выборе транзисторов, работающих в режиме «Д», средняя мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, не является определяющим параметром, т.к. КПД усилителя может достигать 90%. Поэтому при выборе транзистора следует ориентироваться на максимальную (мгновенную) мощность рассеяния в режиме переключения:

;

Р_КМ ИМП = … Вт По значениям I_КМ, U_КЭМ, P_КМ.ИМП выбираем в качестве выходного транзистора комплементарные пары Дарлингтона типа [1]:

КТ … (КТ …).

Их технические характеристики:

I_КМ = … A,.

U_КЭМ = … В,.

P_КМ.ИМП = … Вт,.

P_КМ = … Вт, (с радиатором).

U_КЭ.НАС = … В,.

U_{ЭБ М} = … В,.

в_min = …,.

R_ПК = … град/Вт,.

I_К0 = … мА при t_ПЕР = + 85єC.

Б.Тепловой расчет выходного каскада Средняя мощность, рассеиваемая в транзисторах выходного каскада, определяется выражением:

(2).

где: I_Н — номинальный ток двигателя,.

— время включенного состояния транзистора при работе в номинальном режиме:

здесь.

T — период ШИМ, T = 2.5•10^-3 с,.

I_П — пусковой ток двигателя с учетом сопротивления источника питания,.

А,.

… с.

— время включения транзистора.

Для данного типа транзисторов ?5•10^-6 с.

Подставляя численные значения в формулу (2), получаем:

Р_К = … Вт.

Учитывая вычисленное среднее значение рассеиваемой мощности и заданную температуру окружающей среды (T_ОКР = 50єC), площадь теплоотвода (радиатора) — S_РАД определяется из формулы:

см², (3).

где: — допустимая температура перехода, для Si — ??+150єC. Принимаем = … ^oC.

— температура окружающей среды, = + 50єC.

— тепловое сопротивление переход-корпус транзистора.

= … град/Вт,.

— мощность рассеиваемая транзистором, = … Вт.

Подставляя численные значения в формулу (3), получаем:

S _РАД = … см².

В.Исходя из необходимости фиксации закрытого состояния выходных транзисторов при = +50єC, учитывая, что, при этом, U_{БЭ Д}? 1.2 В (2 перехода), а I_КЭО = ???мА для = +85єC, находим значение резистора R3:

… Ом.

Принимаем номинальное значение R3 = … Ом.

Где — определяется по справочнику или по формуле:

.

здесь — обратный ток транзистора при t_ПЕР = 25єC.

Г.Определим параметры выходного каскада, необходимые для расчета предоконечного каскада.

Для управления выходным транзистором требуется обеспечить входной ток:

.

где: — максимальный ток при реверсе двигателя.

= … А (расчет), = … (справочник).

… мА.

По входным характеристикам I_Б = f (U_БЭ) находим U_БЭ соответствующее I_Б = … мА: U_БЭ = … В.

Таким образом, через резистор R3 будет протекать ток от сигнала управления:

… мА.

Суммарный ток коллектора предоконечного каскада должен быть:

IК VT1,2 = IБ VT3,4 + IR3 = … мА.