Стабилизатор тока электродиализатора (стр. 3 из 13)
- действующий ток через транзистор Id=105 А;
- сопротивление открытого транзистора RDS=0.015 Ом.
Корпус транзистора в ТО-247.
Определим статические и динамические потери в транзисторе при сопротивлении затвора Rзатвора= 1 Ом, напряжении питания Uупр= 10 В. Сопротивление открытого транзистора взято из технической документации и равно Rоткр=0.015 Ом
Статические потери в транзисторе равны:
(3.20)Для расчета динамических потерь зададимся следующими параметрами:
- время нарастания фронта tнарастания= 130 нс;
- время спада фронта tспада=60 нс.
(3.21)3.1.4 Расчет цепи питания драйверов
Для обеспечения питания выходного каскада драйвера было принято решение сделать трансформаторную развязку. Первичная обмотка трансформатора запитывается от одной из вторичных обмоток трансформатора вторичного источника питания. Для этого произведем расчет трансформатора. Определим начальные условия:
- магнитная индукция Bипсн=0.1 Тл;
- частота преобразования Fипсн=100 кГц;
- площадь сердечника Sипсн=15 мм2;
- входное напряжение переменное Uвх=12 В;
- выходное напряжение Uвых=15 В.
Определим количество витков первичной обмотки:
(3.22)Определим коэффициент трансформации:
(3.23)Произведем пересчет ко вторичной обмотки, получим:
(3.24)В качестве сердечника используем сердечник марки EFD15 фирмы Epcos. Провод выбираем ПЭВ-2-0.15 ГОСТ 7262-78.
3.2 Моделирование силовой части
Целью моделирования является построение нагрузочных характеристик преобразователя с учетом обратной связи, подтверждения правильного выбора цепей обратной связи, корректирующего звенах[11]. Моделирование проводится в специализированном пакете OrCAD 9.2, модель представлена на рисунке 3.4
Количество каналов НПН преобразователей не влияет на нагрузочную характеристику источника питания, поэтому с целью ускорения расчетов модели моделирование проводилось с учетом одного канала. Уменьшение коэффициента пульсаций до уровня с двумя НПН преобразователями было за счет выходной индуктивности. Для ускорения расчета модели преобразователя некоторые элементы заменены их идеальными эквивалентами. Диод и транзистор выполнены на идеальных ключах S1 и S2, имеющие параметры:
- напряжение открытого состояния ключа 1 В;
- напряжение закрытого состояния ключа 0 В;
- сопротивление открытого состояния ключа 0.001 Ом;
- сопротивление закрытого состояния ключа 1 МОм.
В качестве нагрузки используется резистор R1, резистор R4 используется в качестве токового шунта и рассчитывается по формуле:
Задания входного напряжения нужной формы и амплитуды был использован источник синусоидального напряжения V1 с параметрами: Амплитудное значение 70 В и частота 50 Гц, последовательно соединенный с математическим элементом ABS, представляющий из себя математический операционный модуль, на выходе которого мы получали выпрямленное напряжение с частотой 100 Гц и средним значением 50 В. Система управления представляет собой формирователь импульсов, генератор линейно-изменяющегося напряжения, источник опорного напряжения, сумматоры и ПИД регулятор. Генератор линейно-изменяющегося напряжения V2 имеет параметры:
- напряжение нижнего уровня V0 – 0 В;
- напряжение высокого уровня V1 – 2.5 В;
- время задержки TD – 0 c;
- время нарастания фронта TR – 24.9 мкс;
- время спада фронта TF – 0.1 мкс;
- длительность импульса PW – 0 c;
- длительность периода PER – 25 мкс.
Источник опорного напряжения представлен источником постоянного напряжения V3 и значением 2.5 В. В ПИД регуляторе числитель задает усиление, а знаменатель представлен в виде интегрирующего звена.
Моделирование проводится путем изменения нагрузки от холостого хода до короткого замыкания, при этом учитывается сопротивление токового шунта и снятия показаний выходного тока с шунтирующего резистора. Значения снятые с шунтирующего резистора подставлялись в формулы 3.23 и 3.24 для определения среднего значения тока и напряжения.
(3.25) 
(3.26)В таблице 3.2 приведены результаты расчетов для построения нагрузочных характеристик, где Rn диапазон изменения сопротивления нагрузки, Isr среднее значение тока, Usr среднее значение напряжения.
Таблица 3.2 - Результаты расчетов
| Rn | Isr | Usr | Isr | Usr | Rn | Isr | Usr | Rn | Isr | Usr |
| 0 | 45 | |||||||||
| 200 | 0,2 | 45 | ||||||||
| 100 | 0,429 | 45 | 0,714 | 45 | 100 | 1 | 45 | 100 | 1 | 45 |
| 15 | 2,943 | 45 | 9 | 4 | 45 | 15 | 2,8 | 44,6 | ||
| 11 | 4 | 44,94 | 5 | 8,8 | 44,5 | 11 | 3,8 | 43,7 | ||
| 9 | 4,886 | 44,842 | 4,914 | 45 | 3 | 14,6 | 44,4 | 9 | 4,5 | 43,3 |
| 7 | 6,314 | 44,721 | 2,5 | 7 | 6 | 42,2 | ||||
| 5 | 8,771 | 44,664 | 8,886 | 44,74 | 2 | 21,6 | 43,9 | 5 | 8,2 | 41,7 |
| 3 | 14,686 | 44,571 | 1,5 | 28 | 42,9 | 3 | 13,1 | 39,7 | ||
| 1 | 42,971 | 44,475 | 42,514 | 44 | 1,4 | 29,4 | 42,2 | |||
| 0,85 | 50,143 | 44,376 | 1,3 | 1,5 | 20 | 30,7 | ||||
| 0,8 | 53,229 | 44,446 | 49,571 | 41,392 | 1,1 | 34 | 38,5 | |||
| 0,75 | 56,514 | 44,364 | 1 | 34,7 | 35,9 | |||||
| 0,7 | 60,086 | 44,163 | 50,914 | 37,422 | 0,85 | 36,7 | 32,5 | 1,1 | 22,6 | 25,7 |
| 0,65 | 63,629 | 43,586 | 0,8 | 37 | 30,9 | 1 | 23,1 | 23,9 | ||
| 0,637 | 64,543 | 43,373 | 51,8 | 34,81 | 0,7 | 37,9 | 27,8 | 0,7 | 25,1 | 18,4 |
| 0,6 | 65,657 | 41,692 | 0,6 | 39,4 | 25 | 0,6 | 25,9 | 16,4 | ||
| 0,55 | 66,343 | 38,811 | ||||||||
| 0,5 | 67 | 35,845 | 53,571 | 28,661 | 0,5 | 40 | 21,4 | |||
| 0,45 | 67,8 | 32,883 | ||||||||
| 0,4 | 68,514 | 29,804 | 54,829 | 23,85 | 40,7 | 17,7 | 0,4 | 27,2 | 11,8 | |
| 0,35 | 68,943 | 26,543 | ||||||||
| 0,3 | 69,371 | 23,239 | 55,543 | 18,607 | 41,7 | 14 | ||||
| 0,25 | 69,743 | 19,877 | ||||||||
| 0,2 | 70,086 | 16,47 | 55,886 | 13,133 | 41,8 | 9,8 | ||||
| 0,15 | 70,429 | 13,029 | ||||||||
| 0,1 | 70,571 | 9,527 | 56,343 | 7,606 | 42,4 | 5,7 | ||||
| 0,05 | 70,714 | 6,011 | ||||||||
| Продолжение Таблицы 3.2 - Результаты расчетов | ||||||||||
| Rn | Rn | Rn | Rn | Rn | Rn | Rn | Rn | Rn | Rn | Rn |
| 0,001 | 70,943 | 2,5554 | 56,6 | 2,038 | 42,429 | 1,5 | 0 | 28,3 | 1 | |
| 71,2 | 0 | |||||||||
После полученных результатов были построены графически нагрузочные прямые и представлены на рисунке 3.5.
По полученным нагрузочным характеристикам можно увидеть, что разрабатываемый преобразователь является источником тока в диапазоне требуемого изменения выходного напряжения удовлетворяет требованиям технического задания.
Так же нужно отметить, что форма выходного тока при разных относительных длительностях импульса управления не изменяется, а только меняет свою амплитуду. Это хорошо видно на рисунке 3.6.
При построении диаграмм сопротивление нагрузки оставалось неизменным. Пульсации возрастают при уменьшении относительной длительности импульса, и максимальные пульсации будут при относительной длительности импульса равной 0.5.
3.3 Расчет параметров и выбор элементов системы управления
Система управления источника должна выполнять несколько функций:
– формирование алгоритма работы ключей инвертора;
– отслеживание и стабилизация выходного тока;
– защита от перегрева прибора.
3.3.1 Расчет и выбор датчика выходного тока
Основной задачей источника является стабилизация заданного значения тока. Для этого требуется знать значение тока в выходной цепи источника. Существует несколько распространенных типов датчиков тока:
- токовый шунт;
- датчик тока на основе эффекта Холла.
Токовый шунт устанавливается последовательно в цепь протекания тока, поэтому на нем рассеивается около десяти ватт мощности, поэтому габариты такого датчика весьма велики. Кроме того, стоимость шунтов рассчитанных на токи в сотни ампер довольно высока и сопоставима со стоимостью без контактных датчиков на эффекте Холла. Поэтому применение шунта становится не выгодным.
Магнитные датчики тока на эффекте Холла гальванически развязаны с измеряемой цепью и, следовательно, потери на измерение тока будут ничтожно малы. Конструкция этих датчиков такова, что требуется пропустить провод с измеряемым током через отверстие в концентраторе магнитного поля. Это создает сложности при размещении всех компонентов на одной печатной плате.
Более дешевой и удобной альтернативой датчикам тока на эффекте Холла является датчик магнитного поля. Измерение тока датчиком магнитного поля происходит посредством преобразования магнитного поля, создаваемого тока, в напряжение, пропорциональное этому току. Существует два типа датчиков магнитного поля: магниторезистивные мосты и датчики на эффекте Холла. Магниторезистивные мосты обладают большей чувствительностью, чем датчики Холла. Однако по стоимости они сопоставимы с датчиками тока на эффекте Холла, которые имеют магнитный концентратор, а поэтому обладают больше чувствительностью. Датчики магнитного поля на эффекте Холла обладают не большой чувствительностью, но при достаточно больших значениях измеряемых токов этот недостаток не будет влиять на их работу. Стоят такие датчики в несколько раз дешевле других типов датчиков.