Cuprins 1.Introducere...................................................................................................................................4 2.Calculul de dimensionare al tranzistorului...................................................................................7 2.1 Determinarea parametrilor....7 2.2 Alegerea si verificarea tranzistorului........................................................................................9 2.3 Dimensionarea radiatorului necesar tranzistorului..................................................................10 3. Dimensionarea transformatorului de nalt Frecven...............................................................11 3.1 Alegerea miezului din catalog..................................................................................................11 3.2 Derminarea dimensiunilor si geometria miezului....................................................................12 3.3 Calculul nfurrilor................................................................................................................13 3.4 Asezarea nfurrilor n fereastra transformatorului...............................................................16 3.5 Verificarea geometriei............................................................................................. ................17 3.6 Calculul termic de verificarea a transformatorului la incalzire............................ ...................17 3.7 Calculul supratemperaturii transformatorului n timpul funcionrii................................. .....18 3.8 Verificarea transformatorului la nclzire:................................................................................19 4. Dimensionarea circuitului de comand.................................................................................. .19 5. Implementarea unui mers de calcul............................................................................................31 5.1 Calculul parametrilor necesari alegeri tranzistorului................................................................31 5.2Alegerea tranzistorului din catalog............................................................................................32 5.3 Dimensionarea radiatorului......................................................................................................32 5.4.Alegerea transformatorului de inalt frecven si a elementelor constructive.........................33 6.Alegerea lmpii fluorscente...37 7. Implementarea n Matlab/Simulink a modelului lmpii fluorescente......................................38 8.Modelul dinamic modificat a unui fransformator de nalt frecven .......................................39 9. Implementarea n Matlab/Simulink a modelului unui convertor flyback ................................42 10.Partea experimental.44

1

11.Simularea sursei de nalta Frecven.46

12. Concluzii.................................................................................................................................51 Bibliografie...................................................................................................................................52 Anexe

Analiza i proiectarea unui convertor static pentru iluminat cu posibilitatea de reglare a luminii a unui tub cu neonAceast documentaie prezint principiul de funcionare a unei surse de nalt frecvent ce are n componena sa un convertor de tip flyback a crui ieire este pe un transformator ridictor cu miezul din ferita. Se examineaz efectul de modificare a intensitii luminoase a unei lmpi fluorescente de 13W. Rezultatele analizelor sunt prezentate att prin simulri ct i cele msurate experimentale. Aceast documentaie conine i consideraiile referitoare la acest tip de convertor.

2

Convertoarele statice de putere sunt echipamente statice complexe intercalate ntre sursa de energie i receptor, avnd rolul de a modifica parametrii energiei furnizate de surs (valoare, form, frecven a tensiunii), innd cont de cerinele impuse de receptor. Convertoarele pot fi de asemenea montate ntre dou surse de energie pentru a face posibil funcionarea simultan a acestora. Convertorul static are rol de receptor din punctul de vedere al sursei de energie i rol de surs de energie din punctul de vedere al sarcinii. Partea de putere a convertorului este realizat cu dispozitive semiconductoare de putere comandabile (tiristoare, tranzistoare) i / sau necomandabile (diode). Aceste dispozitive funcionnd n regim de comutaie, au rolul unor ntreruptoare, deci rezult un regim permanent format dintr-o succesiune periodic de regimuri tranzitorii. nchiderea i deschiderea succesiv a acestor ntreruptoare se face dup o logic impus de principiul de funcionare a convertorului. Aceast logic este asigurat de schema electronic de comand. Toate convertoarele conin deci o parte de putere (for) i o parte de comand. Convertoarele asigur conversia unor cantiti importante de energie. Aceasta impune ca principalul lor criteriu de dimensionare s fie randamentul, determinnd astfel diferene ntre electronica de putere i electronica de semnal, unde scopul principal este obinerea unui semnal de ieire fidel. Aplicaiile convertoarelor statice de putere aparin preponderent mediului industrial deoarece permit receptoarelor s primeasc energie sub forma cea mai convenabil, deci s funcioneze cu randament optim. n stadiul actual, mai mult de 70% din energia produs este vehiculat de convertoarele statice i procentul crete cu fiecare an. Se utilizeaz i n domeniul casnic: sursa computerului, sursa de alimentare n toate echipamentele casnice, aspiratoare, frigidere, instalaii de aer condiionat etc.

3

1.Introducere

n 1909, chimistul i inventatorul francez Georges Claude crea primul tub fluorescent. Sunt cunoscute n practic sub denumirea de tuburi fluorescente (popular li se spune neon ceea ce este incorect). Se prezint sub form de tuburi de sticl rectilinii, circulare sau n form de U. Diametrul tubului este relativ mic de pn la 40 mm.

4

Prti componente LF

La extremitile tubului se afl electrozii. Ei sunt fcui dintr-un filament din spiral de wolfram pe care este depus un strat de oxizi de bariu, stroniu sau calciu pentru mbuntirea emisiei electronice. Oxizii acetia sunt caracterizai prin valori mici ale lucrului mecanic de extracie a electronilor. Filamentul este conectat ntr-un circuit de nclzire i ajunge la o temperatur de 1100-1300 K. La aceast temperatur este emis o mare cantitate de electroni, i constituie n aceast stare catodul tubului. n interiorul tubului este introdus un gaz inert constituit din argon la o presiune de 400500 Pa i cteva miligrame de mercur. Argonul este folosit la amorsarea descrcrii n tub , iar dup evaporarea mercurului descrcarea are loc numai n mediu de mercur, deoarece potenialul de ionizare al mercurului (10,4 V) este mai mic dect cel al argonului (15,7 V). Argonul ajut la reducerea pulverizrii substanei active ce acoper filamentul. Radiaiile emise de atomii de mercur la presiunea de saturaie a vaporilor si, pentru temperatura mediului ambiant de 25C este de 0,5 1,5 Pa au lungimile de und de 253,7 nm (60%) i 185 nm (35%) n domeniul ultraviolet i 5% radiaii situate n domeniul ultraviolet i vizibil. Pe interiorul tubului se depune un strat subire de luminofor. Luminoforul este constituit dintrun amestec de substan fluorescent de baz, substan activatoare i o substan auxiliar. Cele trei substane se topesc la 1500C i se obine luminoforul sub form de praf cristalin. Substana fluorescent trebuie s ndeplineasc urmtoarele condiii: 5

-s absoarb radiaiile ultraviolete emise de atomii de mercur; -s aib randament maxim de conversie a radiaiilor ultraviolete n radiaii luminoase; -rezisten mare n timp la iradiere; -coeficient mare pentru transmisia radiaiei vizibile; -fluxul luminos emis s aib componena spectral dorit . n mod uzual tuburile fluorescente se fabric n mai multe game de puteri. Astfel la o tensiune de alimentare de 220V se fabric tuburi de 8, 14, 20 (18), 40 (36) i 65 W. n ara se fabric dou tipuri de lmpi fluorescente cu vapori de mercur de joas presiune: LFA (lmpi fluorescente cu starter i electrozi prenclzii), se utilizeaz la instalaii interioare pentru temperaturi de peste 5C. LFR (lmpi fluorescente cu aprindere fr starter), se utilizeaz pentru temperaturi ale mediului ambiant de pn la -15C. Fluxul luminos emis de lamp depinde de temperatura mediului ambiant. La temperaturi cuprinse ntre 20 - 25C temperatura pereilor tubului este de 40C i se obine fluxul luminos maxim. La temperaturi mici sub 5C aprinderea lmpii se face mai dificil, uneori este chiar imposibil. Durata medie de funcionare a tuburilor fluorescente depinde de mai multi factori i este cuprins ntre 4000 i 7000 de ore. Durata de funcionare este mai lung cu ct numrul de porniri este mai mic. Uzura lmpilor const n principal n consumarea stratului de oxid de pe filamentele electrozilor, lucru care poate fi observat destul de uor prin apariia zonelor ntunecate la capetele tuburilor. Fluxul luminos emis de lamp se micoreaz n timp cel mai accentuat n primele 100 de ore, dup care scderea este mai lent. Deoarece lmpile fluorescente sunt alimentate n curent alternativ cu frecvena de 50 Hz, nseamn c fluxul luminos trece prin zero de 100 de ori pe secund. Fenomenul este observat n cazul corpurilor cu micare de rotaie sau translaie care se pare c se mic sacadat. Acest fenomen poart numele de fenomen stroboscopic. Pentru diminuarea fenomenului stroboscopic lmpile alturate se alimenteaz la faze diferite. Pentru a se realiza amorsarea arcului electric este necesar o tensiune mai mare. Pentru aprindere i amorsarea lmpilor fluorescente sunt necesare accesorii care au urmtoarele roluri: -prenclzirea filamentului lmpii pentru a se asigura o emisie termoelectric intens; 6

-producerea unui vrf de tensiune capabil s amorseze descrcarea n arc; -stabilizarea descrcrii, cu limitarea curentului prin lamp. Starterul are rolul de conectare i deconectare a circuitului de nclzire a filamentului, i rol de amorsarea a arcului electric Schema de conexiune a LF arat n felul urmtor:

Din punct de vedere electric lmpile fluorescente necesit pentru pornire si functionare elementele de circuit suplimentare: starter (ST),bobina balast (B) si condensatorul de deparazitare(C) care este pus in paralel cu starterul si capacitatea de compensare. Schema mono de principiu de alimentare a unei lmpi fluorescente:

Domenii de utilizare ale tuburilor fluorescente : Datorit eficacitii luminoase mari, fluxului luminos cu compoziie spectral variat pentru redarea bun a culorilor, duratei de funcionare relativ mari i a luminanei reduse aceste tuburi fluorecente s-au impus n iluminatul ncperilor cu nlimi joase i medii din toate domeniile. Dezavantajele principale sunt costurile destul de ridicate ale accesoriilor i corpurilor de iluminat n care sunt incluse aceste lmpi, precum i sensibilitatea la ocuri de tensiune i ciclurile frecvente aprins-stins. 7

2. Calculul de dimensionare al tranzistorului

2.1. Determinarea parametrilor

Sursa de nalt frecven are n componena sa un convertor de tip flyback a crui ieire este peste un transformator ridictor cu miezul din ferit.

Schema de principiu a unei surse in comutaie de tip flyback cu izolare.

Pentru calculul elementului de comutaie se calculeaz perioada T pentru o frecven de 75 kHz:T:= 1 f

=1.33*

=13.3[s]

Raportul de transformare al transformatorului de nalt frecven:

U1N 20 n = ffffffffffff= fffffffffff= 0.086 U2 230unde Tensiunea din secundarul transformatorului : -tensiunea de alimentare U 1N =20V; Se va considera variatia tensiunii U1 = (0.85 1,1) U1n deoarece sursa de alimentare poate prezenta diferite nivele de incarcare. 8 U2 = 230 [V];

=1.1*20=22[V] =0.85*20=17[V]

Factorul de umplere:

D=

=

=

=0.47

Dmax:=

n U2f n U2f + U1min

=0.53

Pentru variaia factorului de umplere (D) n jurul valorii de 0.5 obinem: - tensiunea drena-sursa maxima[V]:

U 1N U Dmax = ffffffffffffffffffffffffff= 42.55 [V] 1 @D max

- curentul de dren maxim[A]:Ic := 2 PN U1N Dmin

I c = 16.25 [A]

2.2 Alegerea si verificarea tranzistoruluiSe alege din catalog tranzistorul MOSFET IRFZ44N pe baza calculelor realizate anterior astfel nct timpii de comutaie (ton i toff) s fie mai mici decat 1%*T pentru a avea pierderi ct mai mici in comutaie. 9

Tranzistorul MosFet IRFZ44N are urmtoarele date de catalog(ANEXA ): - Curentul de dren ID =49 [A]; - tip capsula TO-220AB ; - Rds(on)=17.5[m]; - Puterea disipat maxim Pd =94 [W]; - Temperatura maxim a jonciunii Tjmax =175 [C]; - Rezistena termic jonciune - capsula Rth-jc=1.5 [0C / W]. - Tensiunea VDsat =Rds(on)*Idmax=0.83[V];

2.3 Dimensionarea radiatorului necesar tranzistorului

Pentru a calcula radiatorul tranzistorului trebuie mai nti calculat puterea maxim disipat in acesta:

PDmax=IDmax*VDsat=39.98 1.53>0.2

Ks coeficient de siguran (Ks =1.5 - 1.75 ) am ales Ks=1.5; Kb factorul de bobinaj (Kb=0.6-0.8) am ales Kb=0.7; j densitate de curent admisibil in nfurarea transformatorului (j=20.5 3) am ales j=3[A/mm ]; Sm seciunea coloanei jugului magnetic; Sb seciunea disponibil pentru bobinaj; Se observ c se verific condiia de mai sus , deci transformatorul este corect dimensionat.

13

3.3 Calculul nfurrilorNumrul spirelor din primar (N1) este:4 U 1min B D max B10 17 B 0.53 B10 N 1 = ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff= ffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff= 3.33 4 B S m B B max B f 4 B 1 B 0.09 B 75 B10 3 4

Se rotunjete N1 = 4 spire

Numrul spirelor din secundar (N2) este :

N2 :=

N1 n

ksp

N 2 = 39.4 spire Se rotunjete N2= 40 spire unde - ksp =(1.02 1.05) (am ales ksp =1.02) factorul de corecie

Alegerea din catalog a conductoarelor de bobinaj (din cupru emailat). Pentru primar: Pentru un curent de I1=(Pn/(U1n*0.85))*1.2= 1[A] Am adugat un coeficient de 1.2 pentru a supradimensiona conductorul din primar.

1 A=>S1=1/3=0.33[mm2]

Pentru secundar: Curentul n secundar I2= = =0.056[A]=>S2=0.056/3=0.018[mm2]

Cunoscnd curenii din nfurri, se poate alege densitatea de curent admis prin conductoare pentru care temperatura bobinajului s nu depeasc 50 [0C]. Pentru j=3 [A/mm2] am ales diametrul corespunztor conductoarelor din primar si secundar [4]: dCu1=0.95 [mm],

14

dCu1iz=1.05 [mm] diametrele conductoarelor din Cu izolate cu email, dCu2=0.16 [mm], dCu2iz=0.26 [mm].

Grosimea izolaiei: giz 0.5[mm];Am ales giz=0.5[mm]

Grosimea coloanei: gc=(0.5 1.5);Am ales gc=1[mm]

Grosimea ferestrei: gf=2* giz+g1+g2+gc=(e-d)/2=(26.15-11.3)/2=7.42[mm]

nlimea ferestrei: hf=hb+2*gc=2*c=2*14.75=29.5[mm]

Grosimea nfurrii primare pe fereastr: g1=(gf-gc-2*giz)* =0.842[cm] 15

Grosimea nfurrii secundare pe fereastr: g2=( gf-gc-2*giz)* =0.128[cm]

Lungimea spirelorLungimea spirei medii din primar: l1m=2*(d+f*+4*gc)+*g1=2*(11.3+11.4+4*1)+3.14*8.42=53.4+26.43=79.83[mm] Lungimea spirei medii din secundar: l2m=l1m+*(g1+g2)=63.3+3.14*(8.42+1.28)=93.75[mm]

Calculul lungimilor nfurrilor totaleLungimea total a nfurrii primarului: l1=N1*l1m* =4*63.3* 10@3 =253.2[mm]=0.253[m]

Lungimea total a nfurrii secundarului: l2=N2*l2m*10-3=40*80.34* 10@3 =3214[mm]=3.21[m]

Calculul masei conductoareMasa conductorului din primar: mCu1=Cu*l1**10-3*(dCu1)2/4=8.9*0.12*3.14*1.05^2/4*10-3=0.0008[kg]=0.8[g] Cu=8.9[kg/dm3] Masa conductorului din secundar: mCu2= Cu*l2**10-3*( dCu2)2/4=8.9*4.18*3.14*0.262/4*10-3=0.00075[kg]=0.75[g]

3.4 Asezarea nfurrilor n fereastra transformatorului Nr. de spire pe strat:16

Nr spire/strat1 =(hf-2*gc)/dCu1iz=(29.5-2*1)/1.05=26.2 [spire/strat] , se rotunjeste la 26 spire/strat. Nr spire/strat2 =(hf-2*gc)/dCu2iz=(29.5-2*1)/0.26=105.7 [spire/strat],se rotunjeste la 105spire/strat. Nr. de straturi: Nstr1=N1/ Nr spire/strat1=4/26=0.15[straturi], se rotunjeste la 1 strat. Nstr2=N2/ Nr spire/strat2=40/105=0.38 [straturi], se rotunjeste la 1 strat.

3.5 Verificarea geometriei Prima conditie se refera la cotele de latime:

Nstr1* dCu1iz+ Nstr2* dCu2iz+gc+2*giz