 |
|
 |  |
|
|
| |
 | Aeronautica | Comunicatii | Constructii | Electronica | Navigatie | Pompieri |
| Tehnica mecanica |
ILUMINAT ELECTRIC
SURSA DE INALTA FRECVENTA PENTRU ALIMENTAREA LAMPILOR FLUORESCENTE
1.Tema proiectului:
Sa se proiecteze o sursa de inalta frecventa utilizand un invertor de tip FLYBACK cu izolare pentru alimentarea unei lampi fluorescente avand urmatorii parametrii :
Caracteristici tehnice
U1n = 24 [Vcc] - tensiunea de alimentare
U2 = 230 [Vef] - tensiunea de iesire
Pn = 2*20 [W] - puterea nominala a lampii
f = 82 [kHz] - frecventa invertorului de comutatie a tranzistorului
η
= 0.8 - randamentul
transformatorului
Conditiile mediului ambiant :
80[%] la 20 [
-umiditate
θamb = 25 [0C] -temperatura mediului ambiant
p = 1 [atm] -presiunea atmosferica
Observatie:
Se va considera tensiunea U1 in intervalul U1=(0.8÷1.1)*U1n pentru ca
sursa de alimentare are diferite nivele de tensiune.
Introducere
Principiul de functionare a surselor de lumina cu descarcari in gaze se bazeaza pe efectul luminescent (emisia de radiatii situate in spectrul vizibil) datorat amorsarii pentru intretinerea unei descarcari electrice intr-un mediu gazos.
Din categoria lampilor cu descarcari , tipurile cele mai reprezentative si cele mai frecvent utilizate sunt:
a) lampile cu descarcari in gaze si vapori de mercur la joasa presiune si inalta presiune (LVHgJP si LVHgIP);
b) lampile cu descarcari in gaze si vapori de sodiu la joasa presiune si inalta presiune (LVNaJP si LVNaIP);
c) lampile cu descarcari in gaze (LDG):xenon, argon, neon etc.
Lampile fluorescente, spre deosebire de lampile cu incandescenta, necesita pentru pornire si functionare elementele de circuit suplimentare: starter (ST) si balast (B), figurile de mai jos:
Schema de conexiuni mono a lampilor fluorescente
Starterul are rolul unui element de comanda a secventelor necesare amorsarii descarcarii electrice in lampa: la inchiderea contactului se declanseaza secventa de preincalzire si ionizare, iar la deschiderea ulterioara a contactului se initializeaza descarcarea electrica in lampa sub efectul unui soc de supratensiune. Starterele pentru lampile fluorescente pot fi de doua tipuri: cu licarire si statice (PTC).
Balastul (bobina cu miez feromagnetic) genereaza prin autoinductie socul de supratensiune si asigura stabilizarea parametrilor descarcarii (curentul si tensiunea prin lampa) la functionarea de durata.
Descarcarea electrica produce fenomene radiante situate preponderent in spectrul ultraviolet (UV) invizibil. Sub actiunea radiatiilor (UV) atomii substantelor complexe din structura luminoforului emit radiatii luminoase (situate in spectrul vizibil).
1.Calculul de dimensionare pentru sursa de inalta frecventa
(invertor FLYBACK cu izolare)
2.1 Alegerea tranzistorului din catalog
Sursa de inalta frecventa are in componenta sa un convertor de tip FLYBACK a carui iesire este peste un transformator ridicator cu miezul din ferita.
Schema de principiu a unei surse in comutatie de tip "FLYBACK" cu izolare.
Factorul de umplere :
=0.5
avand: 
Tensiunea de alimentare variaza intre doua valori U1=(0.85÷1.1)U1n , astfel incat vom obtine 2 valori pentru factorul de umplere:
pentru U1=1.1*
U1n => 
pentru U1=0.85* U1n => 
Pentru variatia factorului de umplere (D) in jurul valorii de 0.5 obtinem:
- tensiunea drena-sursa maxima:
- curentul de drena maxim:
Cunoscand frecventa se va calcula in continuare perioada:
Se alege din catalog tranzistorul MOSFET MTP10N10EL de pe site-ul www.irf.com pe caza calculelor realizate anterior astfel incat timpii de comutatie (ton si toff) sa fie mai mici decat 1%*T pentru a avea pierderi cat mai mici in comutatie.
Tranzistorul ales are urmatorii parametrii:
|
1. Puterea disipata: |
PDis_max= 40 [W] la 25[sC] |
|
2. Temperatura maxima a jonctiunii: |
Tjmax= 150 [sC] |
|
3. Tensiunea de saturatie: |
VGSsat=VDSsat=2 [V] |
|
4. Curentul de drena: |
ID= 10 [A] |
|
5. Rezistenta termica jonctiune-carcasa: |
RthJC = 3.13[sC/W] |
|
6. Rezistenta termica jonctiune-mediu ambiant |
RthJA = 71.4[sC/W] |
2. Dimensionarea radiatorului
Disiparea de caldura pe tranzistor se poate reprezenta prin intermediul unor rezistente termice ca in figura:
Circuitul electric de transmitere a caldurii
in care : θjonctiune - temperatura jonctiuni tranzistorului data de catalog;
θambiant - temperatura mediului ambiant data in cerintele proiectului ;
Rthj-c - rezistenta termica jonctiune-carcasa data de catalog;
Rthc-a - rezistenta termica carcasa-mediu ambiant;
Rthc-r - rezistenta termica carcasa-radiator data de proiect (0.5 [0C/W] );
Rthr-a - rezistenta termica radiator-mediu ambiant;
Pentru calculul radiatorului tranzistorului trebuie calculata puterea maxima disipata de acesta:
In urma calculelor verificam conditia ca puterea disipata maxima in tranzistor sa fie mai mica decat puterea disipata admisibila a tranzistorului :
PDis_max =40 [W] > PTot = 20[W] - conditie indeplinita
Se calcueaza rezistenta termica jonctiune-mediu ambiant cu relatia:
Rthr-a= Rthj-a -Rthj-c -Rthc-r== 71.4-3.13-0.5=67.7 [0C/W]
In urma calculelor efectuate si in urma consultarii nomogramei tranzistorului ales observam ca nu este nevoie de radiator (Anexa 2). Astfel circuitul nu va mai contine radiator si va arata astfel:
3. Proiectarea transformatorului de inalta frecventa si alegerea elementelor constructive
3.1.Alegerea miezului feromagnetic si calculul infasurarilor
Transformatorul are miez din ferita si nu din tole precum majoritatea transformatoarelor. Proiectantul este constrans sa foloseasca miez de ferita datorita frecventelor mari de comutatie avand ca efect micsorarea sau chiar a evitarea pierderilor prin histerezis si prin curenti turbionari. Feritele moi se utilizeaza in domeniul frecventelor inalte avand cea mai larga raspandire.
Curba de prima magnetizare si histerezisul magnetic
Cele mai utilizate materiale in domeniul frecventelor inalte sunt feritele moi care care au caracteristicile:
o rezistivitate interna foarte mare si permeabilitate magnetica relativ ridicata.
o pierderi reduse si un grad de incalzire redus;
o nu prezinta magnetism remanent.
Un transformator lucreaza in conditii de eficienta maxima daca raportul tensiunilor din cele doua infasurari este egal cu raportul dintre numarul de spire din primar si secundar
Pe baza caracteristicilor de magnetizare a materialului (MZ-6)alegem din Anexa 1 pierderile specifice: p≤10 [mW/cm3]
s-a ales: p = 8 [mW/cm3], pierderi ce
corespund frecventei de: f=82[Khz]
Variatia inductiei magnetice in miez corespunzatoare acestei frecvente si pierderilor specifice este ΔB=0.06[T].
Pentru a evita saturatia miezului magnetic in cele mai dezavantajoase conditii vom alege pentru transformator:
Bmax=2* ΔB=2*0.06=0.12[T].
3.2 Determinarea dimensiunilor si geometriei miezului
Se va alege miezul magnetic in forma de "E", iar tipul miezului se alege din Anexa 4. Dupa incercasi succesive am ales miezul magnetic de tipul E 30 MZ-6-07 cu dimensiunile:
a = 30 [mm]
b = 15.2 [mm]
c = 9.7 [mm]
d = 7.2 [mm]
e = 19.5 [mm]
f* = 7.3 [mm]
R = 1.8 [mm]
AL=1800 [nH/sp2]
Forma si dimensiunile miezului de ferita al transformatorului
Se calculeaza sectiunea coloanei jugului magnetic (Sm) si sectiunea disponibila pentru bobinaj (Sb) :
Sm = 
=
= 0.525 [cm2]
Sb = 
=
= 0.954 [cm2]
unde kb este factorul de bobinaj, kb 
de unde am ales kb =0.8
Pentru ca transformatorul sa reziste la solicitarile electromagnetice la care este supus in timpul functionarii se verifica conditia:
unde j=densitatea de curent (2.5
3)[A/mm2 ],
am ales j= 3[A/mm2]
ks se alege din intervalul [1.5÷1.7]; l-am ales ks=1.5
Sm
Sb=0.5250.954 = 0.500 [cm4]
Din conditia: 0.500≥0.0271 conditie
indeplinita
3.3 Calculul infasurarilor
Numarul de spire din primar:
Numarul de spire din secundar:
, se allege ksp =(1.02 ÷ 1.05) (s-a ales ksp =1.02)
Curentii din infasurari:
I1 =
IDmax = 8.34 [A] I=8.62 [A] (Anexa 5)
I=0.185[A] (Anexa 5)
Diametrele conductoarelor (Anexa 5):
dCu1=0.19[mm]
dCu1iz1=0.1990[mm].
dCu2=0.0280[mm]
dCu1iz2=0.0315[mm].
Grosimea infasurarilor primara si secundara pe fereastra:
Prima data se alege grosimea carcasei gc din intervalul (0.5÷1.5)mm , apoi se calculeaza grosimea ferestrei.
gc = 0.1 [cm] - grosimea carcasei
gf = 
0.615 [cm]
Calculam grosimea repartizata infasurarilor primare in fereastra transformatorului:
giz=0.03 [cm] grosimea izolatiei din secundar si din primar:
g1=
Calculam grosimea repartizata infasurarilor secundare in fereastra transformatorului:
Lungimile medii ale spirelor sunt:
pentru primar:
pentru secundar :
Lungimile infasurarilor sunt:
- lungimea totala a infasurarii primarului:
l1 = 
0.0379 [m]
- lungimea totala a infasurarii secundarului :
l2 = 
0.531 [m]
Masa conductoarelor din primar (mcu1) si din secundar (mcu2) se calculeaza cu relatiile:
mcu1=
mcu2=
γcu = 8.900 [kg/dm3] - densitatea cuprului
Modul de bobinare folosit este strat langa strat dupa cum reiese din figura:
3.4. Asezarea infasurarilor in fereastra transformatorului
Se calculeaza numarul de spire pe strat si numarul de straturi:
Nsp/str1= 
Se rotunjeste Nsp/str1=10 spire
Nsp/str2= 
Se rotunjeste Nsp/str2=63 spire
Nstr1 = 
straturi
Se rotunjeste Nstr1 =1 strat in primar
Nstr2 = 
straturi
Se rotunjeste Nstr2 =1 straturi in secundar
3.5.Verificarea geometriei
0.378<0.615 -conditie
indeplinita
kb = 
kb =0.1713(calculat) <0.8(ales initial) conditie indeplinita; factor de
bobinaj;
Volumul miezului este:
Vm=
=4.916[cm3]
Pierderile in jugul feromagnetic sunt:
unde pm=8*10-3 [W/cm3] 
Calculul rezistentei infasurarii din primar (R1) si cea din secundar (R2) se face cu relatiile:
R1 = 
R2 = 
unde ρcu = 1.7810-8 [Ω*mm2/m]-
rezistivitatea cuprului
Pierderile in bobinaj prin efect Joule-Lentz se calculeaza cu relatia de mai jos :
Pb = 
Pierderile totale in transformator:
Ptot = Pb + Pm = 0.0211 + 0.0604 [W]
3.7.Calculul supratemperaturii in timpul functionarii
Suprafata laterala a transformatorului
Sr= 
Sr =
=41.125[cm2]
Conductanta termica a transformatorului este :
Gθ=Sr
=
[W/oC]
Supratemperatura se calculeaza astfel :
= 
0.598 [0C]
Temperatura maxima la care poate ajunge transformatorul in timpul functionarii este urmatoarea:
max = amb + = 25+ [0C]
3.8.Verificarea transformatorului la incalzire
Se verifica doua conditii :
-temperatura maxima din timpul functionarii transformatorului trebuie sa fie mai mica decat temperatura Curie pentru ca miezul magnetic sa nu-si piarda din proprietatile sale magnetice.
max < Curie
Temperatura Curie specifica miezului magnetic este(Anexa 3):
Curie = 150 [0C]
Cum max =25.59 [0C] se observa ca este verificata conditia anterioara (25.59
< 150).
-temperatura maxima din timpul functionarii transformatorului este mai mica decat temperatura clasei de izolatie .
Temperatura specifica
pentru clasa de izolatie Y este Y=90[0C]
max < Y (25.59< 90 ) (conditie indeplinita)
4. Alegerea circuitului de comanda (circuitului integrat) si dimensionarea elementelor acestuia
4.1.Realizarea si optimizarea circuitului
Schema de comanda a sursei in comutatie este prezentata in schema urmatoare:
Pentru comanda tranzistorului se foloseste circuitul integrat TLC 555.
Obtinem: - pragul
de sus:
-
pragul de jos: 
Datorita variatiei tensiunii de alimentare a circuitului integrat intre limitele V+=(4.5÷18)[V] iar tensiunea de alimentare este de U1n=24[V] circuitul de comanda trebuie sa contina si un bloc de adaptare a tensiunii. Acest lucru se face prin rezistenta R0 care se calculeaza cu relatia de mai jos :
Am ales valoarea V+=18[V].
4.2.Dimensionarea elementelor
R0 = 
se va alege din catalog
Iminimcircuit = 810-3 - curentul minim al
circuitului integrat
Se alege din cataloage o rezistenta cu valoarea superioara celei calculate:
s-a ales din catalog rezistenta OD122J-ND cu valoarea
R0catalog
In aceste conditii P
= puterea disipata pe rezistenta R0
devine:
P = Imincurent2 R0 
Copyright © 2024 - Toate drepturile rezervate
