Усилитель мощности миллиметрового диапазона длин волн (стр. 6 из 13)
 |
Рисунок 3.4 - Структурная схема ИП-1
Входной выпрямитель.
Сетевой выпрямитель выполняется на полупроводниковых диодах по мостовой однофазной схеме, преимуществами которой является удвоенная частота пульсаций и достаточно «мягкие» требования к диодам по импульсному току и напряжению по сравнению с однополупериодной однофазной схемой выпрямления. Выбор диодов производится по результатам расчетов по допустимому обратному импульсному напряжению Uобри и прямому среднему Iо и импульсному току Iпр. и. Для сетевого напряжения 220В +-5% и мостовой схемы выпрямления амплитуду обратного напряжения на диодах определим как:
Uобр.и =1,5 U0, ( 3.2)
где U0 - максимальное напряжение питающей сети, с учетом нестабильности
Uo=220+220*0,05=231В, (3.3)
Максимальный средний выпрямленный ток Io определим при наименьшем напряжении питающей сети и максимальной нагрузке, из соотношения.
Iо=Рср/Uсети мин =300/210=1,43А; (3.4)
Прямой импульсный ток диода найдем по формуле:
Iпри= 3,5Io =5А; (3.5)
Таким образом без учета эксплуатационных и конструкторско технологических требований диоды выпрямителя, выполненного по мостовой схеме должны удовлетворять следующим требованиям по напряжению и току:
Uобри>=350B,
Iпри>=5A,
Io>=1,43A.
Ниже будет показано, что для обеспечения заданной надежности и с учетом эксплуатационных требований диоды следует выбирать с некоторым запасом, как по напряжению, так и по току.
Исходя из конструктивно-технологических соображений в большинстве случаев целесообразнее использовать однофазный мост вместо дискретных диодов. Сглаживающий фильтр, включенный на выход выпрямителя, выполняет функцию сглаживания пульсаций переменного сетевого напряжения до величины приемлемой для нормальной работы преобразователя напряжения. Для ИП малой и средней мощности целесообразнее всего использовать простой емкостной фильтр, состоящий из конденсаторов, удовлетворяющих требованиям по прямому постоянному и импульсному напряжению, амплитуде пульсаций переменного тока питающей частоты и пульсаций тока частоты преобразования, которая составляет десятки килогерц, а с учетом высших гармоник -сотни кГц. Конденсаторы фильтра должны иметь низкие потери на высокой частоте (количественная характеристика –tg
), низкий импеданс Z (эквивалентное сопротивление на высоких частотах, которое учитывает активные потери и реактивное сопротивление эквивалентной емкости и паразитной индуктивности, включенных последовательно). Эквивалентная емкость и паразитная индуктивность образуют последовательный резонансный контур частотой fр, причем конденсатор эффективно может работать на частотах меньших fр. Эффективным способом увеличения резонансной частоты и уменьшения потерь на высоких частотах является параллельное подключение к электролитическому конденсатору высокочастотных керамических или пленочных конденсаторы емкостью 0,1…1мкф, имеющих значительно большую резонансную частоту. Для снижения величины активной составляющей эквивалентного сопротивления, и паразитной индуктивности вместо одного конденсатора номинальной емкости можно включить несколько параллельно включенных конденсаторов аналогичного типа с суммарной емкостью, равной номинальной. При этом эквивалентное активное сопротивление уменьшается в соответствующее число раз, а следовательно уменьшается амплитуда переменной составляющей и потери на проводимости. Для ключевых источников питания разработаны специальные электролитические конденсаторы с малыми потерями на высоких частотах, низким эквивалентным последовательным сопротивлением, с большими значениями амплитуд пульсаций переменного тока.Расчет величины конденсатора фильтра проводится по заданному коэффициенту пульсаций (кпо1) выпрямленного напряжения на частоте основной гармоники пульсаций выпрямленного напряжения. Для двухполупериодного выпрямителя частота основной гармоники пульсаций равна удвоенной частоте питающей сети т.е.
fп= 2*fc=100Гц. (3.6 )
где fc- частота питающей сети
Величина кпо1 определяется как:
, ( 3.7 )где U01 амплитуда первой гармоники пульсации напряжения
U0 –среднее значение выпрямленного напряжения.
Величина коэффициента пульсаций не задана, а является промежуточной величиной, определяемой схемой управления (ШИМ-контроллером) и схемой выходного каскада преобразователя напряжения. Фактически это означает, что величина коэффициента пульсаций должны быть такой, чтобы обеспечить нормальную работу преобразователя напряжения с выполнением требований по допустимой амплитуде пульсаций на выходе высоковольтного источника и суммарной стабильности выходного напряжения от воздействия всех дестабилизирующих факторов. Неоправданное уменьшение коэффициента пульсаций влечет за собой увеличение емкостей сглаживающего фильтра, а следовательно увеличение габаритов, веса и стоимости устройства. Приближенно величину емкости фильтра не заданной частоте можно определить по инженерной формуле
C=
. (3.8)где Iн - ток в нагрузке (среднее значение);
f - частота пульсаций;
U01 - амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения.
Типичные значения емкости конденсатора для мощностей 200-1000ВА, составляет величину порядка 200мкф...1000мкф соответственно, при постоянном напряжении 350…450Вольт. Выбор типа конденсаторов для сглаживающего фильтра весьма широк, поэтому при выборе конденсаторов следует главным образом обращать внимание на такие параметры, как низкое эквивалентное сопротивление, малые потери на высоких частотах, допустимые амплитуды пульсаций тока на основной частоте и на высоких частотах. Кроме этого также следует обратить внимание на условия эксплуатации, такие, как температура и давление окружающей среды, так как электролитические конденсаторы весьма критичны к этим параметрам.
Заметим, что величина емкости, необходимая для обеспечения прохождения высокочастотной составляющей тока преобразователя напряжения всегда намного меньше той, которая требуется для обеспечения необходимых пульсаций на частоте выпрямленного напряжения. Определяющее значение для высокочастотных составляющих имеет правильный выбор типа конденсатора по минимуму потерь на высоких частотах. В случае применения электролитических конденсаторов рекомендуется параллельно подключать высокочастотные керамические или пленочные конденсаторы емкостью 0,1…1мкф с низким значением tg
и малой собственной индуктивностью. Максимальная амплитуда пульсаций переменного тока на частоте преобразования не должна превышать допустимого значения, чтобы температура конденсатора в процессе эксплуатации при заданной температуре окружающей среды не превышала допустимого значения. При этом сумма постоянной и переменной составляющей, приложенной к конденсатору не должна превышать номинального значения напряжения, на который рассчитан конденсатор.Мостовой преобразователь напряжения
При выборе структуры будем руководствоваться следующими требованиями:
-обеспечение максимально- достижимой надежности;
-обеспечение высокого к.п.д.;
-возможность внешней синхронизации преобразователя;
-наличие высоковольтного трансформатора
-возможность пробоев высокого напряжения в нагрузке, не связанных с работой источника питания и в связи с этим способность источника сохранять работоспособность и ограничивать мощность при возникновении пробоев в нагрузке.
Преобразователь в целом состоит из схемы управления и выходного каскада.
Назначение выходного каскада - обеспечение необходимой выходной мощности с высоким кпд и высокой надежностью
Для требуемой выходной мощности (300ВА), и с учетом вышеизложенных требований, наиболее подходящей схемой для выходного каскада преобразователя будет мостовая схема (рис. 3.4), которая имеет ряд преимуществ:
-амплитуда переменного напряжения на выходе полного моста вдвое выше, чем у полумостовой схемы, что благоприятно сказывается на конструкции высоковольтного трансформатора (коэффициент трансформации уменьшается в два раза, что снижает паразитную индуктивность. частично паразитную емкость), и благоприятно сказывается на большинстве параметров высоковольтной части ИП;
-мощность потерь как статических, так и динамических равномерно распределяется между четырьмя транзисторами моста, что снижает требования к транзисторам по рассеиваемой мощности по сравнению с полумостовой схемой, а при применении таких же транзисторов повышается запас по загрузке элементов, а следовательно повышается надежность;
 |
Рисунок 3.5 - Cтруктурная схема управления ИП на ШИМ-контроллере Т1494.
-мостовая схема преобразователя позволяет простой заменой транзисторов без переделки схемы управления увеличивать выходную мощность до нескольких киловатт, что делает схему преобразователя унифицированной и пригодной для многих применений;