CC BY
15
8. Яковчук М.С., Численное моделирование динамических процессов вдува струй в сверхзвуковую часть сопла // Вестник СГАУ. 2012. №3-1 (34).
9. Бандман О.Л., Клеточно-автоматные модели естественных процессов и их реализация на современных компьютерах // ПДМ. 2017. №1 (35).
Дмитриенко Даниил Богданович, специалист, оператор, era_1@mil.ru, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»,
Башанин Алексей Михайлович, специалист, оператор, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»
ANALYSIS OF THE APPLICABILITY OF THE LATTICE GAS MODEL D2Q4 TO SOLVE THE INJECTION
PROBLEM
D.B. Dmitrienko, A.M. Bashanin
The article considers the possibility of using a lattice gas model - a kind of cellular automaton with four degrees of freedom for modeling the injection of perpendicular supersonic flows. The construction and the principle of evolution of a cellular automaton is described. The model was verified on a test problem solved in Ansys Fluent.
Key words: cellular automaton, lattice gas, mathematical modeling, injection, Ansys Fluent, perpendicular flows.
Dmitrienko Daniil Bogdanovich, specialist, operator, era_1@mil.ru, Russia, Anapa, FGAU «MIT
«ERA»,
Bashanin Alexey Mihaylovich, specialist, operator, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
УДК 621.3.046
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-22-27
ДРОССЕЛЬ БУСТЕРНОЙ СХЕМЫ DC-DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
В.В. Воронин
Представлен расчет дросселя бустерной схемы DC-DC преобразователя, на основе его технического задания - габаритные размеры, не более мм - 30*20*20; тип производства -серийный; группа эксплуатации - 2; ток, протекающий через нагрузку - 0,3 А; напряжение на нагрузке - 20 В; напряжение на входе схемы - 7 В; рабочая частота - 20 кГц; уровень помех - низкий. В работе представлены результаты электрического расчета, эскизного проекта конструктивного расчета дросселя на кольцевом сердечнике, включающий в себя: постановку задачи, выбор размеров сердечника, расчет числа витков и выбор материала сердечника, расчет параметров обмотки, расчет габаритных и установочных размеров дросселя.
Ключевые слова: дроссель, электронный ключ, силовая электроника, преобразователь напряжения.
Силовая электроника - стремительно развивающееся направление техники, целью которого являются снижение массы и габаритов устройств питания электронных средств. В устройствах питания, работающих на частоте 50 Гц, размеры трансформатора питания занимали от 20% до 50 % объема и массы устройств питания вследствие очень низкой частоты питающей сети. Увеличение частоты приводит к уменьшению габаритных размеров трансформаторов. Однако передавать электрическую энергию с частотой выше, чем 50 Гц на большие расстояния невозможно вследствие ее излучения в окружающее пространство. Поэтому преобразование промышленной частоты в более высокую производится непосредственно в устройствах питания. Современные преобразовательные устройства работают уже на частотах до 2 МГц.
Основными элементами всех преобразователей являются электронный ключ и дроссель или трансформатор. В качестве электронных ключей обычно используют транзисторы, работающие в ключевом режиме [1]. Последние могут работать только при постоянной полярности напряжения, то есть от источников постоянного напряжения. Этими источниками может быть выпрямленное напряжение питающей сети, химические и другие источники.
Электронный ключ может находиться во включенном и выключенном состояниях. В бустерной схеме во включенном состоянии транзистора постоянное напряжение поступает на дроссель, который накапливает электрическую энергию в виде магнитного поля (заряжается). При выключении транзистора
22
накопленная дросселем энергия отдается в нагрузку (разряжается). В установившемся режиме величина отдаваемой в нагрузку мощности равна величине мощности, полученной от источника постоянного напряжения. Во время отдачи мощности в нагрузку соотношения составляющих мощности: тока и напряжения будет зависеть от соотношения времени нахождения транзистора во включенном и выключенном состояниях. Учитывая непрерывный характер протекания тока через дроссель как во время накопления энергии, так и во время ее отдачи в нагрузку получается, что баланс мощностей при неизменном значении первичного напряжения будет обеспечиваться только э.д.с. (напряжением) при разомкнутом ключе. Поэтому, чем меньше время разряда дросселя, тем большая величина напряжения появляется на его выводах, что в принципе подтверждается известным выражением:
т &
е = -Ь —, &
где е - э.д.с. самоиндукции, В; L - индуктивность дросселя, Гн; ^ - скорость изменения тока, протекающего через дроссель, А / с.
Производить номинальный ряд дросселей сложно, так как кроме достаточно широкого спектра значений индуктивности, должен быть еще и широкий спектр допустимых токов. Силовая электроника развивается очень быстро. Поэтому, какие значения этих параметров дросселей будут востребованы потребителями на данный момент, представляет собой неопределенность и практически не поддается маркетинговым исследованиям.
Поэтому в настоящее время дроссели и импульсные трансформаторы продолжают оставаться изделиями частного применения: их проектируют под конкретное изделие [3]. А сам процесс проектирования в настоящее время таких моточных изделий остается актуальным.
Краткий электрический расчет индуктивности и емкости фильтра бустерной схемы. В ходе проведения краткого электрического расчета были найдены значения следующих параметров:
1) Величина сопротивления нагрузки - 66,6 Ом;
2) Коэффициент заполнения - 0,65;
3) Значение индуктивности дросселя - 379 • 10-6;
4) Расчетное значение емкости конденсатора фильтра - 9,7 мкФ;
Затем проведем моделирование бустерной схемы с целью проверки результатов расчета. Результаты моделирования представлены на рис. 1.
846.-ЖШ
380 иН
ю оит
—■\АА-
204.7т Д I
Г
1985 У|
л!
|0.05т5/сИ~
1
X ро$№оп | 0.00 ^
В/А № СИаппе! А
|200тУ/Р^
И
У ргсМоп I 0.00
' 'ДШ_
Тпддаг --
Иде И г: 1еие1 | 0.00
в и ^
СЬаппе! В
I 5 У/СИм
У рюгйюп | 0.00
№
Рис. 1. Фото с результатами моделирования с помощью Е'№Б
Проведем анализ параметров электролитических конденсаторов для поверхностного монтажа с низким эквивалентным последовательным сопротивлением ЭПС (ESR в английской аббревиатуре), выпускаемых специально для импульсных источников питания. Выбрали конденсатор типа TPSС156K025K0220 фирмы AVX США [2]. Его габаритные и установочные размеры представлены на рис. 2.
Эскизный проект дросселя. Целью эскизного проекта является определения наиболее простого конструктивного построения изделия, полностью соответствующего требованиям ТЗ. Такое конструктивное исполнение предполагает минимальное число компонентов, входящих в состав изделия, простые формы компонентов и применение простых способов получения этих форм с использованием допустимых требованиями ТЗ технологий.
В общем, случая дроссель - это катушка индуктивности с элементами ее подсоединения к тому устройству, где предполагается его использование. Эти элементы часто называют фурнитурой. Требования по уровню электромагнитного излучения (низкий) предполагают использование в конструкции дросселя кольцевого сердечника [3].
Г 6.....'
1 ♦ )Т М
1,3 «•— 2,3- — 1,3 --2.2
Рис. 2. Габаритные и установочные размеры конденсатора
Как видно из рис. 3 дроссель содержит одну сборочную единицу (катушку) и несколько деталей. Причем эти детали стандартные. Остается только спроектировать элементы конструкции, предназначенные для сопряжения элементов винтового соединения с катушкой дросселя. Наиболее часто в этом случае используют диэлектрические шайбы, через которые прижимное усилие, создаваемое винтовым соединением, равномерно распределяется по торцам катушки.
6 5 4 3 2 1
шайбы; 4 - втулка диэлектрическая; 5 - винт; 6 - шайба стальная; 7 - фрагмент несущей
конструкции; 8 - гайка; 9 - выводы
Слои обмотки наматывают виток к витку по внутреннему диаметру. Концевые выводы крепят нитками. Для проводов диаметром менее 0,1 мм в качестве междуслоевой изоляции берут конденсаторную бумагу толщиной 0,01 мм, для проводов диаметром от 0,1 до 0,5 мм — телефонную бумагу толщиной 0,05 мм и для проводов диаметром более 0,5 мм — кабельную бумагу толщиной 0,15 мм.
Длина вывода обмотки обычно соизмерима с размерами катушки, а длина залуженной его части обычно составляет от 5 до 10 мм в зависимости от конструкции места подключения (запайки) в объекте, где предполагается применения дросселя.
Конструктивный расчет катушки дросселя на кольцевом сердечнике. Постановка задачи. В результате проведения электрического расчета получены исходные данные для проведения конструкторского расчета:
- ток через дроссель = 0,85 А;
- индуктивность дросселя L = 379 • 10-6 Гн.
В результате проведения конструкторского расчета должны получить: основные параметры сердечника (размеры, материал, полное условное обозначение); диаметр и марку намоточного провода; число витков обмотки; параметры обмотки (число витков в слое, число слоев обмотки, толщину обмотки, толщины внутренней, внешней и межслойной изоляций); активное сопротивление обмотки дросселя; габаритные размеры катушки дросселя.
Необходимо, чтобы кольцевой сердечник вписывался в габаритные размеры, которые представлены в техническом задании: 30*20*20 мм, и оставалось место для обмотки, крепежных и установочных деталей. Последнее часто называют фурнитурой.
Выбор размеров сердечника. Третья группа эксплуатации предполагает значение температуры окружающей среды до + 60°С. С учетом температуры перегрева обмотки температура нагрева провода может достигать 110°С. Поэтому выбираем термостойкое изоляционное покрытие намоточного провода типа ПЭВ-1.
Выбор размера сердечника проводится по двум параметрам:
- габаритная мощность - мощность передаваемая сердечником с площадью сечения сердечника и площадью окна So;
- параметр определяет минимальный размер сердечника, при котором получают активное сопротивление дросселя, составляющее 5 % от сопротивления нагрузки.
Проведем выбор сердечника из феррита, так как сердечники из феррита имеют более широкую номенклатуру по размерам и магнитной проницаемости по сравнению с сердечниками из магнитоди-электриков. Габаритная мощность по итогу расчетов принимает значение 903 мм4, а минимальный размер сердечника - 41,7 мм3.
Расчет числа витков и выбор материала сердечника. Минимальное число витков, при котором сердечник не будет входить в насыщение, для нашего дросселя равняется 56 виткам, с его помощью определяется значение коэффициента индуктивности, которое обеспечивает такое же число витков -121,4 нГн/виток2.
Ближайшим в сторону уменьшения относительной магнитной проницаемостью обладает феррит марки 150ВНП с = 150 с граничной частотой 15 МГц (Запись в КД выбранного сердечника имеет вид: сердечник М150ВНП К16*8*6 ПЯ0.707.737 ТУ.), пересчитав для него число витков, получаем значение в 59 витков.
Расчет параметров обмотки. Эффективным показателем оптимальности спроектированной катушки дросселя является значение коэффициента заполнения медью. При намотке провода сложно и затратно плотно без зазора уложить витки друг к другу [5]. В качестве наружной и внутренней изоляций наиболее часто используют ленту из лакоткани типа ЛКМ -105 или ЛШМ - 105 ТУ 655РК-06948680т00-03-2001 толщиной 0,15 мм в 2 слоя. Выполним наружную и внутреннюю изоляцию согласно этой рекомендации. Выполним межслойную изоляцию так же, как наружную и внутреннюю, то есть из лакоткани типа ЛКМ -105 или ЛШМ - 105 ТУ 655РК-06948680Т00-03-2001 толщиной 0,15 мм в 2 слоя.
По итогу активное сопротивление обмотки дросселя будет равно 106 мОм, что составляет 0,16 % от сопротивления нагрузки
Расчет габаритных и установочных размеров дросселя. Компонентами дросселя являются две сборочных единицы: катушка и основание. Габаритные и установочные размеры основания определяются аналогичными параметрами катушки [5]. Поэтому сначала определимся с габаритными и установочными размерами катушки.
Толщина обмотки катушки в нашем случае будет состоять из толщин наружной и внутренней изоляций, а также диаметра провода с изоляцией. Рекомендуется выполнять наружную и внутреннюю изоляции из лакотканевой ленты типа ЛКМ -105 или ЛШМ - 105 ТУ 655РК-06948680Т00-03-2001 толщиной 0,15 мм в 2 слоя.
Внешний диаметр и высота катушки дросселя являются габаритными размерами катушки, а внутренний диаметр катушки является установочным размером, так соединение катушки и основания обеспечивается посадкой внутреннего диаметра катушки на направляющий штырь основания (рис. 4).
(¿>1Эконт
Рис. 4. Взаимное расположение катушки и выводов контактов
Межосевое расстояние между центрами контактных площадок вдоль оси X будет равно 27 мм, полученный размер является кратным основному шагу координатной сетки печатной платы, который для монтажа на поверхность равен 1 мм. Все армированные части контакта находятся на расстоянии не менее 1,5 мм от граней основания как представлено на рис. 5. Исходя из этого минимальная толщина основания, с учетом толщины контакта получается равной 3,5 мм. Габаритный размер по высоте дросселя получается, равен 12,5 мм.
a =29 А. =27
D окат = 20
Рис. 5. К расчету габаритных и установочных размеров дросселя
Результат. В результате проектирования был получен один из вариантов конструктивного исполнения дросселя. Хотя он и удовлетворяет требованиям ТЗ, но высока вероятность, что он далек от оптимального. В данной работе практически не рассматривались экономические аспекты, вопросы жесткой привязки к условиям эксплуатации и производства, а также расчеты по сопромату, химической защите, экологии и другим моментам. Поверхностно рассмотрены вопросы метрологического обеспечения.
Список литературы
1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов Б.Ю.Семенов. М.: Солон - Р, 2001. 327 с.
2. Самойлова М. Пленочные конденсаторы AVX / TPC / М. Самойлова // Компоненты и технологии. 2007. №5. С.30 - 34.
3. Шерстнев А. Пленочные конденсаторы приходят на смену электролитическим / А. Шерст-нев // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2006. №6. С. 76 - 80.
4. Гудков С. Конденсаторы с низким ESR // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2002. №1. С. 24 - 30.
5. Кузнецов А.А. Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания // Схемотехника. 2002. №1. С.30 - 33, №2. С. 32 - 34.
Воронин Владислав Витальевич, магистр, старший оператор, era1@mil.ru, Россия, Анапа, ФГАУ «ВИТ «ЭРА»
DC-DC CONVERTER BOOSTER CHOKE V.V. Voronin
The calculation of the inductor of the DC-DC converter booster circuit is presented, based on its technical specifications - overall dimensions, no more than mm - 30 x 20 x 20; type of production - serial; operation group - 2; current flowing through the load - 0.3 A; load voltage - 20 V; voltage at the input of the circuit - 7 V; operating frequency - 20 kHz; interference level is low. The paper presents the results of an electrical calculation, a draft design of a constructive calculation of a choke on an annular core, which includes: setting the problem, choosing the size of the core, calculating the number of turns and choosing the core material, calculating the winding parameters, calculating the overall and installation dimensions of the choke.
Key words: choke, electronic key, power electronics, voltage converter.
Voronin Vladislav Vital'evich, magister, senior operator, era_1@mil.ru, Russia, Anapa, FGAU «MIT «ERA»
