4. Расчет силовых цепей высокочастотного инвертора.

Выходное напряжение в режиме НТ (непрерывных токов в нагрузке)

напряжение нагрузки

n – коэффициент трансформации

относительная длительность импульса тока одного ключа (в ДПН принимается < 0,5 так как период выходного напряжения складывается из работы одного, а затем другого ключа ) берем .

Еп = Uо = 265,62 В

Режим НТ устанавливается при эквивалентной индуктивности вторичной обмотки трансформатора сложенной с индуктивностью выходного фильтра.

Приняв индуктивность выходной обмотки трансформатора равной нулю, вычислим индуктивность дросселя фильтра, для которого гарантированно устанавливается режим НТ.

ПТ – режим прерывистого тока

Выходное напряжение:

Ом

Амплитуда коллекторного тока:

НТ:

ПТ:

После выбора схемы преобразователя и определения токов, протекающих в ключах, приступаем к выбору типа транзисторов и схемы их включения.

Схема ключа с управлением от оптопары.

Рис.7

В качестве оптопары выбираем АОТ101БС с Iпот = 10 мА, Uпр = 15 В,

I вх = 20 мА, Iвых = 10 мА, I вых имп = 50 мА.

Транзисторы в ключе выбираем параллельно. Для ключей используем 8 транзисторов ( по 2 в каждом ключе ) типа ТК 152 – 100 :

Iпр = 63 А; U = 800 В; fпр = 0,3 МГц; h21 > 24; tвых = 10мс; r кэ нас = 0,06 Ом

Iко = 200 мкА; U эбо = 7 В.

А так же для усиления тока управления используем 4 транзистора типа КТ 827 А:

Iкм = 20 А; U кэ = 100 В; f пр = 5 МГц; h21 = 750 – 1800; t вык = 4,5 н сек; r кэ нас = 0,2 Ом.

Рассчитываем сопротивление резисторов в цепи транзисторных ключей.

Сопротивление R4 и R5 выбираем из условия:

Ом

Мощность резистора базы можно оценить по формуле:

Вт.

По справочнику выбираем прецизионный изолированный резистор С2 – 50 из ряда Е 96, R = 931 5%; Р = 0,25 Вт; U ном = 200 В.

Определим напряжение коллектор – эмиттер насыщенное:

В.

Сопротивление R1 выбираем из условия:

Ом

Определяем мощность резистора R1:

Вт

R = 0,3 1%; P = 250 Вт; Uпрод = 300 В.

По справочнику выбираем прецизионный изолированный резистор С5 – 16М из ряда Е 24.

Выбираем делитель тока в составном транзисторе (R2 и R3):

Вт; Ом.

По справочнику выбираем 4 шт. прецизионных изолированных резисторов С5 – 16М из ряда Е 24;

; Р = 10 Вт; U пред = 300 В.

Коэффициент полезного действия транзисторного ключа.

Режим НТ:

Режим ПТ:

5. Описание работы устройства по принципиальной схеме.

Схему ЭТУС можно разделить на 2 основные части, силовую и управляющую. В задачу первой входит получение требуемых величин напряжения, тока, мощности, частоты и др. Задачей второй части является преобразование различных физических величин в электрические сигналы, получение требуемых законов управления, обеспечение гальванической развязки и т.д.

Схема управления.

Схема управления высокочастотным инвертором должна обеспечивать изменение выходного напряжения по заданному закону либо поддерживать его постоянным независимо от изменения тока нагрузки. У источников питания с бестрансформаторным входом и относительно высоким напряжением питания инвертора дополнительно должно обеспечиваться исключение протекания сквозных токов через транзисторы двухтактного инвертора в переходных и установившихся режимах и отсутствие подмагничивания сердечника трансформатора, для чего схема управления должна обеспечивать минимум времени закрывания силовых транзисторов и симметрирования длительности импульсов в смежные полупериоды.

Для управления использована широтно – импульсная модуляция (ШИМ). Задачей ШИМ является преобразование заданного управляющего сигнала в непрерывную последовательность импульсов фиксированной частоты, характеризуемую длительностью импульса и длительностью паузы, при постоянном периоде их следования, задаваемом внешним или внутренним генератором.

Так как частота преобразования ДПН – 20 кГц, то частота ШИМ будет 40 кГц.

Выходным параметром ШИМ является сигнал управления, а выходным – величина, обратная скважности импульсов. Относительная длительность импульса:

В качестве компаратора можно применить любой операционный усилитель или интегральный компаратор напряжения. Возьмем К554СА3. Микросхема представляет собой компаратор напряжения. Благодаря малым входным токам и большому коэффициенту усиления они могут подключаться к высокоомным датчикам, использоваться в прецизионных преобразователях сигнала, генераторах импульсов. Предусмотрена возможность совместной работы с ТТЛ – схемами.

Схема ШИМ на автоколебательном мультивибраторе с интегральным компаратором.

Рис.8

Ом

кОм

Период колебаний при равенстве и равен , примем

.

Сигнал с шунта усиливает операционный усилитель типа К1401 УД 12. В схеме использованы : триггер К155 ТМ 2 и ТТЛ К555 ЛА 7. Питание микросхем Uп = 5В, усилителя и компаратора Uп = 15 В от стабилизированных источников питания типа К142 ЕН 5А на 5 В, К142 ЕН 8 на 15 В.

Силовая схема и ДПН.

Напряжение сети в пределах от 36 до 72 В и с частотой 400 Гц подается на выпрямитель ( однофазная мостовая схема Герца ). Выпрямитель преобразует напряжение переменного тока в однополярное пульсирующее напряжение с коэффициентом пульсации Кп = 0,667. Используем С – фильтр, который уменьшает коэффициент пульсации до Кп = 0,15. Для предотвращения выхода из строя выпрямителя емкостным фильтром используется схема ограничения тока заряда конденсатора ( рис.5 ). Для получения требуемых выходных напряжений используем ДПН ( двухтактный преобразователь напряжения ). Он преобразует напряжение постоянного тока в переменное высокой частоты. Выбираем мостовую схему ДПН. Амплитуда импульса тока Iкм при одинаковых напряжениях питания и выходной мощности у ДПН меньше, чем у ДПН по полумостовой и с выводом средней точки трансформатора. Мостовая схема ДПН характеризуется минимальным напряжением на запертом транзисторе ( Uкм не превышает Еп ).

По рис.6 одновременно открываются ключи VT1 и VT3, а противофазно им VT2 и VT4 закрыты. Период выходного напряжения складывается из работы одного, а затем другого ключа.

При открытых ключах VT1 и VT3 открываются выпрямительные тиристоры VS1 – VS2 схемой управления. Ток, значение которого определяется коэффициентом трансформации силового трансформатора TV1 и индуктивностью Lф, через тиристоры поступает в нагрузку Uн. На этом этапе ток iк транзисторов VT1 и VT3 увеличивается. По прошествию времени t1 транзисторы ключа VT1 и VT3 запираются ( ток достигает значения Iкм ). Далее происходит формирование паузы t, а все транзисторы заперты. По окончанию паузы открываются транзисторы ключей VT2 и VT4. Наличие интервала t режима одновременного протекания тока через транзисторы VT1,VT3 и VT2,VT4, то есть режим короткого замыкания первичной обмотки трансформатора.

Конструктивное исполнение блока с воздушным принудительным охлаждением который включает комплекс функциональных узлов. Для охлаждения источника питания используем двигатель постоянного тока напряжением 24 В.

Кнопка BS – 1 кнопка “стоп” и кнопка BS – 2 “пуск” местного управления.

Защитой от превышения напряжения сети являются предохранители, а так же схема блокировки открытия и запирания транзисторных ключей, в случае аварии все транзисторные ключи ДПНа запирают при помощи оптрона связанного со схемой управления.

Библиографический список.

1. Бас А.А., Миловзоров В.П. “Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом” М: ”Радио и связь” 1995г.

2. Найвельт Г.С. “Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры” Справочник. М: ”Радио и связь” 1986г.

3. Аксенов А.И., Нефедов А.В. “МРБ” Конденсаторы. Резисторы. М: “Радио и связь” 1995г.

17