Site Loader

Содержание

High Voltage Power Supplies for Electrostatic Applications

Высоковольтные источники питания для электростатической аппаратуры

Автор: CLIFF SCAPELLATI

Аннотация

Высоковольтный источник питания – основной компонент электростатической аппаратуры. Разнообразны варианты их использования в промышленных и научных целях, представляющие интерес для инженеров, ученых и заказчиков аппаратуры. Так, в промышленных процессах требуется интенсивный контроль технологических условий в целях получения максимального выхода продукта, повышения качества и снижения себестоимости. Последние достижения в технологии высоковольтных источников позволяют обеспечить более высокие уровни контроля и управления процессами. Качество научных экспериментов также зависит от используемых в них источников питания. В настоящей статье обсуждаются такие влияющие факторы, как погрешность выхода, стабильность, пульсации и методы стабилизации источников питания.

I. Введение

Высокое напряжение повсеместно используется в научной и промышленной сферах. Например, электростатическое оборудование применяются в различных процессах. Электростатика, в широком понимании, занимается явлениями, связанными с электрическими зарядами и полями. Электростатика может использоваться для приведения материалов в движение без механического контакта, разделения материалов на составляющие вплоть до элементарного уровня, для образования однородных смесей и других практических и научных задач. Согласно определению, для того, чтобы произвести работу в электрическом поле, необходимо наличие разности потенциалов между двумя или несколькими объектами. В большинстве случаев эта энергия черпается от высоковольтного источника питания. Современный высоковольтный источник – это прибор, основанный на полупроводниковой и высокочастотной технологиях, с такими характеристиками, которые казались недостижимыми всего несколько лет назад. Существенное продвижение было достигнуто по таким показателям, как надежность, стабильность, управляемость, снижение габаритов и стоимости, повышение безопасности.
Пользователь, осведомленный об этих достижениях, оказывается в выигрышном положении. К этим сведениям следует также добавить и понимание особенностей высоковольтного источника, оказывающих влияние на аппаратуру, экспериментальные исследования, технологические процессы и изделия.

II. Основы работы высоковольтного источника питания

Упрощенная принципиальная схема высоковольтного источника приведена на рис. 1.

ходное напряжение может меняться в широком диапазоне. Входной сигнал переменного тока может иметь частоту от 50 до 400 Гц напряжение от 24 до 480 В. Входное напряжение постоянного тока может меняться от 5 до 300 В. Пользователю важно уяснить, в какой степени параметры входного напряжения будут влиять на всю работу всей системы, и, следовательно, на ее конфигурацию. Следует иметь в виду, что органы регулирования и надзора, например, Underwriters Laboratory, Canadian Standards Association, IEC и другие проводят активную работу с системами, подключенными к энергетическим сетям. Помимо функции питания главного инвертера источника питания, входное напряжение используется и для питания дополнительных управляющих цепей, и других целей.

На входе имеется фильтрующий каскад, который обеспечивает обработку входного сигнала, обычно в форме его выпрямления и фильтрации по переменному току и дополнительной фильтрации по постоянному току. Здесь же могут находиться цепи защиты от перегрузки, подавления радиопомех, электромагнитной совместимости (ЭМС) и регулирования. Выходом фильтра обычно является напряжение постоянного тока, которое подается на инвертер, преобразующий постоянный ток в высокочастотный сигнал переменного тока. Существует множество различных схем инвертеров, однако, наилучшее решение определяется всего несколькими свойствами, которыми должен обладать высоковольтный источник.

Высокочастотный сигнал с инвертера обычно подается на повышающий высоковольтный трансформатор. Применение высокочастотного сигнала позволяет добиться высоких технических характеристик при одновременном снижении размеров магнитопроводов и накопительных конденсаторов. Однако при подключении трансформатора с высоким передаточным числом к высокочастотному инвертеру возникает проблема: внесение паразитной емкости в первичную обмотку трансформатора с коэффициентом (Nвтор/Nперв)2. Это значительная емкость, и ее необходимо изолировать от ключевых устройств инвертера, в противном случае в нем появятся аномально высокие импульсные токи.

Другая особенность, характерная для высоковольтных источников – широкий диапазон нагрузок. Частыми спутниками высокого напряжения являются пробои изоляции (образование дуги). В этой связи надежность инвертера должна быть достаточно высокой с точки зрения любых возможных сочетаний открытой и короткозамкнутой цепи, а также состояний нагрузки. Все эти вопросы, включая также надежность и стоимость, должны решаться в рамках топологии инвертера высоковольтного источника питания.

Высокочастотный выходной сигнал инвертера подается в первичную обмотку высоковольтного повышающего трансформатора. Для создания качественного трансформатора требуется глубокая теоретическая и практическая проработка, понимание конструкции магнитопровода, включая анализ материалов и электромагнитных процессов. В большинстве экспертных оценок за основу принимается большое число витков и высокое напряжение вторичной обмотки. Вследствие этих факторов геометрия сердечника, технология изоляции и намотки высоковольтных трансформаторов существенно отличаются от традиционных. Могут иметь значение и другие параметры: отношение вольт/число витков вторичной обмотки, коэффициент межслойного влияния и тангенс угла потерь изоляции, геометрия намотки в контексте ее влияния на паразитную емкость и утечку, послойная пропитка намотки изоляционным лаком, уровень коронирования и другие практически важные факторы, такие как запас по перегреву или полная стоимость.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Высоковольтный умножитель выполняет функции выпрямления и умножения напряжения вторичной обмотки трансформатора. В нем применяются высоковольтные диоды и конденсаторы, собранные по схеме удвоителей напряжения. Как и высоковольтный трансформатор, умножитель требует отдельной тщательной проработки. Помимо выпрямления и умножения высоковольтная цепь выполняет также функции фильтрации на выходе, контроля (слежения) значений напряжения и тока, которые подаются в цепи ОС. Необходимо обеспечить возможность принудительного повышения выходного импеданса в целях защиты накопительных конденсаторов от разрядных токов.

Высоковольтные элементы обычно изолируют от земли в целях предотвращения дугового разряда. В качестве изоляции используют различные материалы; наиболее распространенными являются воздух, SF6, трансформаторное масло, твердые герметики (клеи-герметики, эпоксидная смола и др.). Выбор материала изоляции и технологический контроль могут оказаться наиболее важными с точки зрения надежности высоковольтной схемы.

Цепи управления обеспечивают работу всех каскадов в едином комплексе. Степень сложности схемы управления может быть различной – от единственной аналоговой ИС до их большого числа, и даже микропроцессора, регулирующего и контролирующего все параметры высоковольтного выхода. Однако основные требования, которым должна удовлетворять любая цепь регулирования, сводятся к точной стабилизации выходного напряжения и тока в той степени, как это необходимо по условиям нагрузки, входной мощности и заданных установок. Наиболее эффективно это достигается с помощью контура обратной связи. На рис. 2 показано, каким образом обратная связь используется в стабилизации выхода источника питания. Традиционный способ заключается в отслеживании выходных значений напряжения и тока, и сравнении измеренных значений с опорными входными сигналами. Полученная разность (сигнал ошибки) двух сигналов (обратной связи и опорного значения) подается в управляющую цепи инвертера, что в конечном итоге обеспечивает регулирование (стабилизацию) выходной мощности.

Кроме тока и напряжения можно с достаточной точностью стабилизировать и другие параметры. Управление выходной мощностью легко реализуется с помощью функции X Ђ Y = Z, где V Ђ I = W и последующего ее сравнения с заданным опорным уровнем. Фактически любой параметр, подчиняющийся закону Ома, может быть подвергнут стабилизации – сопротивление, напряжение ток и мощность. Помимо этого, можно управлять и конечными переменными, которые зависят от параметров источника питания (интенсивность напыления, скорость потока и др.).

 

III. Стабилизация высокого напряжения

Стабилизированный источник высокого напряжения и/или тока постоянной величины играет важнейшую роль в работе электростатической аппаратуры. Изменчивость выходного напряжения или тока оказывает непосредственное влияние на конечные результаты, и по этой причине ее следует рассматривать как источник ошибок. В высоковольтных источниках ошибки опорного напряжения, которое используется для задания требуемого выходного напряжения, могут быть устранены за счет применения стабилизированного опорного источника на основе ИС. В типовых условиях стабильность должна быть не хуже 510-6/С. Соответственно, аналоговые ИС (ОУ, АЦП, ЦАП и др.) должны подвергаться тщательному отбору как <возможные> источники значительной погрешности.

В высоковольтных источниках имеется один принципиальный источник погрешности стабилизации – высоковольтный делитель напряжения в цепи обратной связи, представляющий собой резистивную цепочку (рис. 1), понижающую выходное напряжение до уровня, приемлемого для работы цепей управления (менее =10 В). Вследствие больших значений сопротивлений (обычно не менее 10 МОм, что необходимо для рассеяния мощности и снижения эффектов температурной изменчивости из-за самонагрева) и возникает проблема стабильности резисторов обратной связи. Сочетание высоковольтного напряжения и высокоомных сопротивлений потребовало специальной технологии изготовления резисторов, которые выполняются спаренными с низкоомными резисторами, чтобы позволяет поддерживать величину коэффициента деления при изменении температуры, напряжения, влажности и времени.

Высокоомные резисторы в цепи в ОС делают схему восприимчивой к малым токам наводки. Так, ток величиной 10-9 А может дать относительную ошибку порядка 10-4. По этой причине конструкция резистора и цепи ОС должна учитывать возможность возникновения коронного разряда. Кроме того, ввиду широкого применения в технологии резисторов керамических сердечников и подложек, необходимо учитывать и пьезоэлектрические эффекты. Можно показать, что вибрация в высоковольтном источнике питания может наводить на его выходе сигнал на частоте вибрации.

IV. Дополнительные возможности высоковольтного источника питания
Во многих высоковольтных приложениях могут потребоваться дополнительные функции по управлению обслуживаемого прибора. В этой связи разработчик должен представлять предназначение источника питания не хуже конечного пользователя; это поможет ему расширить функциональные возможности источника питания в интересах конечного результата.

Во многих высоковольтных приложениях могут потребоваться дополнительные функции по управлению обслуживаемого прибора. В этой связи разработчик должен представлять предназначение источника питания не хуже конечного пользователя; это поможет ему расширить функциональные возможности источника питания в интересах конечного результата.

E – напряжение на высоковольтном конденсаторе
R – выходное ограничивающее сопротивление, Ом

Ток дугового разряда, как правило, существенно превышает номинальный ток источника питания, поскольку ограничивающее сопротивление удерживается на минимальном значении, чтобы снизить потери на рассеяние мощности. Сразу после регистрации дуги могут включиться и другие функции. Так, функция гашения дуги («Arc Quench») определяет параметр прекращения дуги при снятии приложенного напряжения. Работа функции гашения показана на рис. 4.

Если отключение источника при первом же дуговом разряде нежелательно, в цепь можно добавить цифровой счетчик разрядов (рис. 5). Отключение или гашение производится после того, как будет зарегистрировано заданное количество разрядов. Можно также ввести время обнуления счетчика, чтобы избежать его накопления за счет редких дуговых разрядов. Например, можно считать фактом регистрации дугового разряда и прибегать к отключению только в том случае, если в течение одной минуты зарегистрировано 8 разрядов.

Одно из полезных применений схемы детектирования дуги – повышение выходного напряжения за счет установления его на уровне чуть ниже уровня разряда. Согласно этому методу, в момент детектирования дуги напряжение слегка понижается до значения, при котором дуга прекращается. Затем оно повышается автоматически в более медленном темпе (рис. 6)

Высоковольтные источники может выполнять также функции прецизионной цепи контроля тока, В стандартной аппаратуре такой контроль может быть прецизионным только уровне не ниже единиц миллиампер или микроампер. Однако в некоторых электростатических приборах может потребоваться точность не хуже 10-15 А, что может быть обеспечено с помощью цепи контроля (слежения) высокого напряжения. Необходимость такой функции пользователю следует указать при оформлении заказа.

V. Generating Constant Current Sources

Во многих областях электростатики требуется поддерживать постоянным ток коронного разряда. Это можно сделать несколькими оригинальными способами. Источник постоянного тока можно представить как источник, у которого импеданс много больше импеданса питаемой нагрузки (см. схему на рис. 7).

Из практических соображений ясно, что изменение сопротивления R2 оказывает пренебрежимо малое влияние на ток сопротивления R1. Поэтому через оба сопротивления –R1 и R2 – течет ток постоянной величины. В аппаратуре с единственным высоковольтным источником это можно реализовать двумя путями. Согласно первому, в схему вводится внешний резистор в качестве токостабилизирующего элемента. По второму способу вводится электронная цепь стабилизации с обратной связью (рис. 2).

В технике, где требуется много токовых выходов, применение нескольких источников питания может оказаться нерациональным. В этом случае представляется полезным применение ряда резисторов, образующих эквивалентное множество источников тока. Типовая область применения таких устройств – электростатическая обработка больших площадей (рис. 8).

Заключение

В статье рассмотрены различные варианты использования высоковольтных источников питания в электростатической аппаратуре. Высоковольтные источники имеют свойства, отличающие их от обычных источников питания. Разработчики должны быть интеллектуальной опорой пользователей электростатической аппаратуры. Высоковольтный источник питания может быть наделен эффективными средствами управления.

Следует также уделить серьезное внимание вопросам безопасности. Высокое напряжение может быть смертельно опасным, и начинающий пользователь должен быть обучен правилам безопасности. Основные правила по безопасности изложены в стандарте IEEE «Руководящие указания по безопасности при испытаниях высоковольтного и силового оборудования» (Recommended Practices for Safety in High Voltage and High Power Testing, IEEE standard 510-1983) [4].

Литература:

  1. C. Scapellati, «High Voltage Power Supplies for Analytical Instrumentation», Pittsburgh Conference, March 1995.
  2. D. Chambers and C. Scapellati , «How to Specify Today’s High Voltage Power Supplies», Electronic Products Magazine, March 1994.
  3. D. Chambers and C. Scapellati, «New High Frequency, High Voltage Power Supplies for Microwave Heating Applications», Proceedings of the 29th Microwave Power Symposium, July 1994.
  4. IEEE Standard 510-1983, IEEE Recommended Practices for Safety In High Voltage and High Power Testing.

Нажмите здесь для просмотра данной статьи в PDF.


Высоковольтные источники питания

В современном мире стабильные высоковольтные (ВВ) источники питания остаются весьма востребованными. Не смотря на то, что CRT устройства отображения практически исчезли, тем не менее, высоковольтные источники питания сохраняют свою актуальность и используются для розжига CCFL лампы подсветки мониторов и телевизоров, в озонаторах воздуха, питании фотоэлектрических умножителей и т.д. Рассмотрим же способы построения таких источников. Широко распространены следующие способы стабилизации выходного напряжения.

Рисунок 1 – Структурные схемы стабилизации напряжения ВВ источников питания

Выше изображены различные структурные схемы стабилизированных источников питания. Наиболее распространенной схемой является схема ВВ источников питания с линейным стабилизатором напряжения во входной цепи инвертора и с обратной связью через делитель со стороны высоковольтного выхода (рисунок 1а). Линейный стабилизатор представляет собой низковольтный стабилизатор напряжения, на вход которого поступает сигнал управления рассогласования с высоковольтного делителя напряжения, подключенного к выходу схемы. Такой способ стабилизации позволяет получить стабильность напряжения 0,04…0,1%. К недостаткам этой схемы можно отнести низкий КПД. Такая стабилизация напряжения используется в маломощных источниках высокого напряжения.

Следующим типом ВВ блоков питания являются резонансные источники. При их построении выбирают частоту преобразования близкую к резонансной частоте контура, которая состоит из индуктивности высоковольтного трансформатора и эквивалентной межвитковой паразитной емкости, то в этом случае можно регулировать выходное напряжение посредством частотно-импульсной модуляции (ЧИМ). Для этого частота преобразования выбирается несколько выше резонансной частоты колебательного контура., Такой способ стабилизации показан на структурной схеме рисунок 1б.

При регулировании широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) происходит обязательное закорачивание первичной обмотки высоковольтного трансформатора во время паузы в работе транзисторов для циркуляции энергии LC-контура. В данный момент купить шим можно в магазине радиоэлектроники, потому они перестали бать дефицитом как раньше. Структурная схема, обеспечивающая данный способ регулирования, приведена на рисунок 1в. В этой схеме рекомендуется применение мостовой схемы инвертора.

Структурная схема 1г работает следующим образом: на первичную обмотку ВВ трансформатора подаются импульсы прямоугольной формы с переменной скважностью. Причем в паузах между высокими уровнями напряжения первичную обмотку накоротко закорачивают. Для осуществления стабилизации выходного напряжения при наличии выходного фильтра низкой частоты, к первичной обмотке трансформатора подключают ВЧ фильтр (дроссель). При такой реализации частота задающего генератора отличается от резонансной частоты.

Также существует источники, в которых включают дроссель в цепь постоянного тока преобразователя, работающего на высоковольтный трансформатор инвертора с последующим умножением напряжения (рисунок 1д). Такая схема используется при относительно низких питаючих напряжених 12…30 В. Сам же инвертор строится по двухтактной схеме со средним отводов в первичной обмотке ВВ трансформатора. Управление транзисторами осуществляется посредством ШИМ с синхронным включением силовых транзисторов и выдержкой паузы при переключении. Недостаток таких источников питания 1д это малая выходная мощность 1-10 ватт.

Источник: http://ndft.com.ua/

 

Простой высоковольтный блок питания — Блоки питания — Источники питания

 

Схем и конструкций высоковольтных, регулируемых блоков питания в интернете не так уж и много, а простых и нормально работающих вообще трудно найти.
Давно была задумка собрать простой и из доступных деталей, высоковольтный регулируемый блок питания, для работы с ламповыми схемами. К импульсным БП душа не лежит, так как в планах приёмо-усилительные конструкции на лампах, и для этой цели желательно иметь обычный линейный БП.
После долгих поисков и практических опытов, предлагаю Вашему вниманию высоковольтный блок питания их доступных деталей, который нормально и надёжно работает.

Выходное напряжение данного блока питания регулируется от 9-10 до 250 вольт, ток нагрузки до 0,2 А, что более чем достаточно для конструкций, содержащих от одной до нескольких радиоламп. То есть пока мне этого вполне достаточно, а если потребуется больше, то потом сделаю БП по другому варианту.
Блок питания не боится коротких замыканий на выходе, ток короткого замыкания блока питания составляет 0,25 — 0,3 А.
На выходе блока питания так же имеется переменное выходное напряжение 6,3 вольта, служащее для питания накальных цепей радиоламп.

Как уже говорилось, блок питания собран из доступных радиодеталей. В качестве регулирующего и стабилизирующего элемента, в блоке питания применён распространённый, трёх выводной стабилизатор из серии LM317.
Эти стабилизаторы вполне могут работать и на высоких напряжениях, так как они не имеют земляного вывода и видят только разницу напряжений между входом и выходом, которая по паспортным данным не должна превышать напряжения 40 вольт.
Если соблюдать это условие, то выходное напряжение блока питания может быть гораздо выше паспортных данных этого стабилизатора (1,2-37 вольт). Поддерживает это условие дополнительный высоковольтный полевый транзистор, типа IRF840.
Блок питания собран в корпусе от компьютерного БП, схема блока питания изображена ниже на рисунке.

Здесь транзистор VT1 следит за тем, чтобы напряжение между входом и выходом стабилизатора LM317 не превышало 18-20 вольт (можно выбирать до 30-ти вольт), которое обеспечивается стабилитронами VD3, VD4.
Однако, если не принять специальных мер, микросхема может быть повреждена при коротком замыкании выхода. Поэтому на выход микросхемы включена RC цепочка (C3, R7) которая улучшает переходную характеристику и шунтирует вывод ADJ, а R3, D5 защищают вывод ADJ микросхемы во время короткого замыкания. Ток короткого замыкания ограничивает резистор R2, от него так же зависит и ток нагрузки (ток стабилизации) блока питания.

Если ток нагрузки БП планируется не выше 100 мА, то выходной транзистор можно оставить один, а если ток нагрузки желателен 150-200 мА и выше, то соответственно выходному транзистору в параллель (на схеме изображен пунктиром), подключается ещё такой же подобный транзистор (или несколько), так как ток короткого замыкания схемы выше тока стабилизации процентов на 50, и при КЗ на выходном транзисторе будет рассеиваться порядочная мощность и транзистор может быть быстро выведен из строя. Чтобы этого не случилось, ток короткого замыкания должен быть в области безопасной работы выходного транзистора (транзисторов).

Ток стабилизации, а также ток короткого замыкания в схеме зависит, как от резистора R2, так и от стабилитронов VD3, VD4.
Например, если в схеме поставить стабилитроны на 15 вольт (то есть их общее напряжение стабилизации 30 вольт), то для тока нагрузки в 100 мА, сопротивление резистора R2 должно быть в районе 200-220 Ом, и соответственно при коротком замыкании, да и при потреблении нагрузкой 100 мА, на нём будет рассеиваться мощность в несколько Ватт, и нужно будет ставить в схему цементный резистор мощностью 5 Вт. Поэтому я поставил стабилитроны с напряжением стабилизации 18-20 вольт, при этом резистор R2 можно ставить меньшего сопротивления и соответственно меньшей мощности, то есть 43-47 Ом (МЛТ-2).

Да, ещё должен сказать об особенности этой схемы блока питания. При максимальном выходном напряжении блока питания 250 вольт, переменный резистор R6 имеет общую величину (вместе с резистором R5) 25 кОм, и на нём рассеивается мощность больше 2-х Ватт. То есть переменный резистор должен иметь мощность не менее 2-х Ватт, а ещё лучше 4-5 Вт.
Я сначала поставил переменный резистор СПО-0,5 (есть кучка из старых запасов), который после включения БП почти сразу приказал «долго жить». Потом нашёл в загашниках резистор СПО-2 (на мощность 2 Ватт) на 22 кОм. Он в принципе уже держался нормально (был тёпленький), но максимальное выходное напряжение БП было около 230 Вольт. Не хватало для регулирования нескольких кОм. Можно было конечно включить последовательно с ним дополнительный резистор на 2-3 кОм, при этом минимальное выходное напряжение БП повысится, но я пошёл другим путём.

В загашниках так же имелись ещё переменные резисторы типов СП-1 (1 Ватт). Я взял такой резистор на 47 кОм и параллельно ему подключил постоянный резистор МЛТ-1 на 51 кОм. Общее сопротивление получилось около 25 кОм, напряжение БП регулируется от 9 до 250-260 вольт. Резисторы не греются, нелинейность регулировки практически не заметна. Так что такой вариант тоже вполне имеет право на жизнь.
Если найдёте подобные резисторы, то оптимальный вариант будет переменник на 47-68 кОм, и параллельно ему подобрать постоянный резистор так, чтобы общее сопротивление было 24-26 кОм.

Чтобы блок питания работал надёжно, себе я сразу поставил на выход два полевых транзистора, стабилитроны получились на 19 вольт, резистор R2 47 Ом. Ток нагрузки блока питания получился 150-160 мА, причём при его изменении от нуля до максимума выходное напряжение практически не изменяется. Для меня этого вполне пока хватит.
Силовой трансформатор подошел по габаритам и удачно поместился в корпус компьютерного блока питания.
Использовался так же и штатный радиатор от компьютерного БП и часть печатной платы, на которой он был установлен. Старые детали соответственно все были выпаяны, на радиаторе размещены два полевых транзистора и регулятор LM317 соответственно через тепло-проводящие прокладки.

Монтаж выполнен навесным способом, и часть деталей ещё размещены на небольшой дополнительной плате, установленной рядом с радиатором. Так как деталей не много, печатку поэтому не делал.
Вольтметр поставил стрелочный малогабаритный, шкала его была на 3 В, и с дополнительным резистором шкала стала на 300 Вольт.
Вы соответственно из индикаторов можете ставить себе всё, что посчитаете нужным. Это просто мой выбор, и я его Вам ни в коем случае не навязываю.
Амперметр (миллиамперметр) ставить не стал, так как в таком БП в нём нет необходимости.

Трансформатор, как я уже сказал, у меня подобран по размеру корпуса, выходное напряжение его вторичной обмотки где-то около 230 Вольт (холостой ход).
Соответственно, если применить более мощный трансформатор с напряжением вторичной обмотки 250-280 Вольт, то выходное напряжение блока питания можно повысить до 300-350 Вольт, конденсатор фильтра С1 должен быть тогда на рабочее напряжение не ниже 450 Вольт.
Необходимо будет ещё увеличить сопротивление переменного резистора R6 (33-47 кОм), так как максимальный предел регулирования напряжения зависит от его величины. Естественно можно повысить и ток нагрузки, установив параллельно выходным транзисторам ещё один, и подобрав величину резистора R2.

Штатный вентилятор я оставил в корпусе, подключив его через выпрямитель к обмотке 6,3 Вольт. Закрутился он у меня практически в полную силу, и с порядочным шумом. Пришлось последовательно с выпрямителем поставить резистор на 120 Ом, крутиться он стал медленней и шум стал почти не слышен. Так и оставил, и ещё подключил сюда же и светодиод для индикации включения БП.
Выключатель питания остался штатный, который размещён на задней стенке БП. Может это и не совсем удобно, и нужно было его вынести на переднюю панель, но пока устраивает.
В принципе всё, что планировал Вам рассказать. Удачи Вам в конструировании.

 

Высоковольтный источник питания на основе инвертора напряжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.314.58

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ ИНВЕРТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

© 2012 г. И.В. Васюков

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Предложен высоковольтный импульсный источник питания на основе инвертора напряжения. Уточнена традиционная методика расчета параметров импульсных источников питания применительно к источнику высокого напряжения. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями макетного образца источника.

Ключевые слова: высокое напряжение; ИВЭП; методика расчета; источники питания; мост.

The high-voltage pulse power supply on the basis of the voltage mode inverter is offered. The traditional design procedure of parameters of pulse power supplies with reference to a high voltage source is specified. Results of modeling are confirmed by experimental researches of the model.

Keywords: high-voltage; SMPS; design procedure; power supply; full bridge.

Используемые в настоящее время источники напряжения для питания анодных цепей генераторных ламп выходных каскадов усилителей мощности радиопередающих устройств радиоэлектронной аппаратуры построены на основе использования низкочастотных трансформаторов (50 Гц), которые при мощностях более 1кВт имеют большие габариты и вес. Выходное напряжение таких источников питания обычно нестабильно, что приводит к изменению режимов работы усилителя: падению выходной мощности и росту нелинейных искажений. Альтернативным вариантом исполнения являются импульсные источники питания [1, 2], построенные на основе инверторов тока или резонансных схем, которые позволяют контролировать ток перезаряда емкости вторичной обмотки. Однако такие схемы также обладают недостатками, ограничивающими их применение. Так, например, инвертор с последовательным резонансом работает с мягким переключением только на фиксированную нагрузку, а инверторы тока имеют сложную систему управления, причем стабилизация обеспечивается изменением входного напряжения инвертора, что существенно снижает динамические параметры источника.

В работе предлагается исполнение источника анодного напряжения (рис. 1) на основе инвертора напряжения, что позволит избавиться от вышеуказанных недостатков.

Особенности расчета инвертора, работающего на такую нагрузку как высоковольтный высокочастотный трансформатор, заключаются в том, что форма

тока через транзисторы искажена и не имеет формы трапеции, что увеличивает действующее значение тока через силовые транзисторы. Это обусловлено тем, что высоковольтный трансформатор имеет большое число витков и многослойную изоляцию и как следствие высокие емкость и индуктивность рассеяния вторичной обмотки. Проектирование высоковольтного импульсного источника питания проводилось по методике, изложенной в [3]. За основу была взята схема моста с разделенными обмотками (рис. 2)

[4].

Для уточнения режимов работы основных элементов источника была построена математическая модель в программном пакете LTSpice (рис. 3). Результаты моделирования приведены на рис. 4. Выполненные расчеты моделирования позволили определить основные элементы источника — силовые ключи, параметры выходного выпрямителя, обмоточные данные и конструктивное исполнение высоковольтного трансформатора. В качестве материала магнитопровода использован тороид из феррита марки М2500НМС. Учитывая, что источник питания для такой нагрузки, как ламповый усилитель мощности, должен иметь высокие динамические характеристики, для устранения эффекта насыщения магнитопровода при регулировании в схему был включен канал контроля тока намагничивания, построенный на основе измерения тока в короткозамкнутом витке, охватывающем часть магнитопровода [5]. Выходной выпрямитель был построен по мостовой схеме с выравниванием обратных напряжений.

Рис. 1. Структурная схема высоковольтного источника питания

Рис. 2. Схема высоковольтного источника питания

Рис. 3. Математическая модель источника питания

Рис. 4. Напряжение на выходах управляющей микросхемы (1, 2) и сигнал с шунта трансформатора тока (3)

По результатам проектирования был изготовлен макетный образец устройства. Основные технические параметры опытного образца представлены в таблице.

Параметры макета высоковольтного источника питания

Параметр Значение

Напряжение питания, В ~220 +/-20%

Частота, Гц 50

Максимальная выходная мощность, кВт 2,97

Коэффициент мощности 0,81

КПД 0,9

Максимальный потребляемый от сети действующий ток, А 18,4

Максимальное выходное напряжение, В 2600

Минимальное выходное напряжение, В 1170

Номинальное выходное напряжение, В 2400

Максимальный выходной ток, А 1,2

Номинальный выходной ток, А 1

Габариты, мм 322x363x262

ным току нагрузки. В связи с тем что форма тока в обмотке трансформатора отличается от прямоугольной, формула для расчета эффективного значения тока вторичной обмотки [3] может быть уточнена в следующем виде

I

2эфф

2iout IY

у V 2 ‘

2t„

где у =—°п, — время импульса, T- период, iout -средний выходной ток источника питания.

На рис. 5 приведена осциллограмма напряжения на шунте трансформатора тока в первичной обмотке трансформатора при работе источника питания на балластное сопротивление, имитирующее нагрузку.

При выполнении экспериментальных исследований были установлены особенности проектирования, которые целесообразно учитывать путем уточнения ряда коэффициентов используемой методики, с целью повышения достоверности получаемых параметров для высоковольтных источников.

При расчете параметров дросселя, работающего в режиме разрывных токов [3], некорректно принимать амплитудное значение тока вторичной обмотки рав-

Рис. 5. Напряжение на выходах управляющей микросхемы (1, 2) и сигнал с шунта трансформатора тока (3)

При расчете тока первичной обмотки по методике [3] необходимо учитывать ток перезаряда собственной емкости вторичной обмотки, приведенный к первичной обмотке по формуле [1]:

I cp = 4UCo

С \2 w2

V ry1

f ,

где и — напряжение на первичной обмотке, С0 — емкость вторичной обмотки.

При расчете требуемой габаритной мощности, коэффициент, учитывающий заполнение окна трансформатора медью, должен выбираться в пределах:

k м = 0,1 — 0,2

м ‘ >

Коэффициент ^ не должен превышать 0,1 — 0,15, так как в высоковольтном трансформаторе значительную часть площади окна занимает межслойная изоляция. Толщина межслойной изоляции должна находиться в пределах 1 — 1,5 мм. Толщина внешней изоляции обмотки трансформатора должна быть не менее 1,5 мм.

Испытания макетного образца высоковольтного импульсного источника с выходным напряжением 2500 В, и мощностью 3 кВт при частоте преобразования 50 кГц питания подтвердили его основные параметры и адекватность расчетной методики.

В результате выполненной работы создан источник питания, построенный на основе инвертора напряжения с ШИМ стабилизацией. Таким образом, показано, что при правильно спроектированном силовом трансформаторе его паразитные емкости не оказывают существенного влияния на работу инвертора и отсутствует необходимость использовать в высоковольтных источниках питания инверторы тока или резонансные схемы, которые имеют свои недостатки.

Уточнены некоторые коэффициенты в методике расчета [3] импульсного высоковольтного источника питания с целью повышения достоверности получаемых данных.

Статья подготовлена по результатам, полученным в ходе выполнения научно-исследовательских работ по государственному контракту №14.741.12.0313 в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. и государственному контракту №16.516.11.6115 в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса» на 2007 — 2013.

Литература

1. Костиков В.Г., Никитин И.Е. Источники электропитания высокого напряжения РЭА. М., 1986. 200 с.

2. Полищук А. Высокоэффективные источники вторичного электропитания высокого напряжения для радиопередающих устройств СВЧ // Силовая электроника. 2004. № 2.

3. Эраносян С.А. Сетевые блоки питания с высокочастотными преобразователями. Л., 1991. 176 с.

4. Официальный сайт ресурса «Силовая электроника для любителей и профессионалов» [Электронный ресурс]: Как включать и выключать силовые ключи, чтобы потери на переключение были минимальны? или МЕТОД РАЗДЕЛЕНИЯ ПЕРВИЧНОЙ ОБМОТКИ ТРАНСФОРМАТОРА, как универсальное средство для мягкого переключения, режим доступа: М1р://тиШкопе1ес-tronics.com/subpage.php?p=8&i=11#Kak, свободный.

5. Патент РФ № 2035833. Способ ограничения одностороннего насыщения трансформатора импульсного преобразователя/ И.В. Фомин. 1995.

Поступила в редакцию 1 декабря 2011 г.

Васюков Иван Владимирович — аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8-951-536-31-21 E-mail: [email protected]

Vasyukov Ivan Vladimirovich — post-graduate student, department «Electric and electronic devices», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph.8-951-536-31-21. E-mail: [email protected]

Источники питания высоковольтные — Справочник химика 21

    Питание рентгеновских трубок осуш,ествляется при помощи высоковольтных генераторных устройств, смонтированных в виде рентгеновских аппаратов и получивших наименование высоковольтных источников питания (ВИП). При фотографической регистрации дифракционной картины степень стабилизации интенсивности не имеет существенного значения, поэтому в таких случаях часто ограничиваются стабилизацией напряжения накала рентгеновской трубки при помощи феррорезонансного стабилизатора напряжения мощностью в несколько десятков ватт. Вся дифракционная картина (или же ее большая часть) регистрируется одновременно и в течение достаточно длительного времени, и фотопленка усредняет все колебания интенсивности излучения. [c.124]
    По сравнению с ВДП электронные установки намного дороже, так как для них требуются высоковольтные источники питания постоянного тока. Последние состоят из повышающих трансформаторов и высоковольтных выпрямителей, собираемых на тиратронах или селеновых элементах. В настоящее время для ЭЛУ разрабатываются высоковольтные выпрямители на кремниевых диодах. На крупных установках для стабилизации тока пучка применяются также параметрические источники тока. [c.252]

    Стабилизация по первой группе осуществляется с помощью электромашинного усилителя, служащего источником питания высоковольтного трансформатора. Обычно применяют мотор-генераторы повышенной частоты, что существенно снижает габариты и массу рентгеновского генератора и упрощает фильтрацию высокого напряжения за счет применения малогабаритных конденсаторов большой емкости. В этом случае достигается стабильность в пределах 0,1. .. 0,5 %. [c.160]

    Источник питания высоковольтный для питания рентгеновских трубок рентгеноструктурных аппаратов ТУ 25-05-2036—76 [c.395]

    Часто источники питания размещались по отношению к площадке достаточно произвольно (азотные предприятия № 1—2, хлорное предприятие № 1), в результате чего предприятия оказывались опутанными высоковольтными линиями электропередачи (рис. 31). [c.46]

    Над землей рекомендуется прокладывать все основные трубопроводные коммуникации. Исключение составляют безнапорные сети (хозяйственно-фекальная, ливневая канализация и т. п.) и жидкостные трубопроводы, не имеющие постоянного расхода (например, хозяйствен но-противопожарный водопровод). Сети электроснабжения на территории заводов, за исключением высоковольтных кабелей 110 кВ, следует прокладывать открыто. На основных магистралях, в коммуникационных коридорах или в проездах между блоками для соединения источников питания (ГПП, ТЭЦ) с центральными распределительными пунктами (ЦРП) могут использоваться открытые токопроводы, которые при передаче мощностей от 20— 30 до 80—100 тыс. кВа более экономичны, чем кабельные линии. В настоящее время употребляются преимущественно отдельно стоящие гибкие токопроводы. Шаг опор молниезащиты должен быть кратным шагу опор токопровода. При прокладке токопроводов взамен кабелей ширина коммуникационного коридора может увеличиваться на 12—15 м. [c.120]

    Этот способ распыления является наиболее простым, надежным и экономичным, и на нем основана работа ряда выпускаемых промышленных сложных приборов, а также приставок для катодного распыления для вакуумных термических испарителей. Такие приборы, которые работают при энергиях от 1 до 3 кэВ, иногда называют установками для диодного распыления, а также установками для распыления при постоянном токе. Установка для распыления при постоянном токе состоит из небольшого стеклянного колпака, в котором находится мишень — катод и охлаждаемый водой держатель образца — анод и который помещается на контрольном блоке, включающем измеритель вакуума, высоковольтный источник питания, клапан напуска воздуха и небольшое реле времени (рис. 10.10,6). Детальное описание режима работы этого устройства и его использование описано в [292]. Одна из возможных проблем, связанная с распылителем такого типа, заключается в том, что непрочные образцы могут термически повреждаться. [c.201]


    Порядок выполнения работы остается тем же, что и в предыдущей работе, только вместо источника питания обмоток статора включается высоковольтный источник напряжения в зазоре б и устанавливается заданное высокое напряжение U (вместо тока /) (раздел 2 работы 36). [c.184]

    Высоковольтный источник питание [c.305]

    Повысить температуру дуги можно значительным увеличением напряжения на электродах. Ток разряда при этом будет очень большой, так как омическое сопротивление разряда мало. Такой разряд (его называют высоковольтной или горячей дугой) применяют редко, так как для его непрерывного горения необходим очень мощный источник питания. [c.60]

    Блок-схема системы для КЭ представлена на рис. 5.5-3. Она состоит из двух буферных растворов, капилляра с устройством охлаждения, высоковольтного источника питания, детектора и системы сбора данных. [c.305]

    Высоковольтный источник питания + [c.69]

    Блок БДП-26 содержит высоковольтный источник питания счетчика СИ-13Р, входящего в состав блока. [c.172]

    Достоинствами сцинтиллятора, объединенного с фотоэлектронным умножителем, являются высокая чувствительность, большая разрешающая способность по времени (10- —10- с) и возможность измерения знергии частиц излучения. Недостатком ФЭУ являются большой шум в выходном сигнале и влияние нестабильности напряжения высоковольтного источника питания. [c.308]

    Высоковольтные блоки питания. Целесообразно рассмотреть как типовые, так и перспективные структурные схемы высоковольтных источников вторичного электропитания. Типовая схема (рис. 4.3) содержит преобразователь Пр, трансформатор Тр, выпрямитель В, фильтр Ф и стабилизатор С. Преобразователь необходим, если используется автономный источник питания (батареи или аккумулятор) он должен содержать автогенератор Аг и усилитель мощности УМ. Для уменьшения [c.135]

    Фотоэлектрические установки типа квантометра 1со»лплсктуются специальными генераторами е электронным управлением, например ГЭУ и УГЭ-4. Такие генераторы обеспечивают следующие режимы возбуждения спектра дуга переменного тока, выпрямленная дуга различной полярности и скважности (соотношение времени горения дуги и наузы за полупериод тока) с силой тока от 1,5 до 20 А дуга постоянного тока (от 1,5 до 20 А) низковольтная искра при напряжении 250—300 В, высоковольтная искра при напряжении 7500—15 000 В импульсный разряд боль-шо й мощности. Во всех режимах обеспечивается электронное управление разрядом и широкое варьирование параметров разрядного контура. Источник питания— сеть трехфазного тока 380 В, 50 Гц или однофазного тока 220 В, 50 Гц. [c.663]

    Перспективным вариантом дальнейшего повышения эффективности высоковольтных источников питания является использование вольтодобавочных регуляторов (рис. 4.5). Выходная цепь блока питания в этом случае разделяется на две части и П2, — одна из которых подключается к стабилизатору ИС. Мощность регулируемой части в этом случае можно выбрать значительно меньше мощности, отдаваемой в нагрузку, если только не требуется плавной регулировки выходного напряжения в значительных пределах. [c.136]

    Снабжен реле временн для управления высоковольтным источником питания, регулирования времени обжига и экспозиции. [c.226]

    В качестве источника питания для нейтрализаторов переменного напряжения служат серийные высоковольтные трансформаторы мощностью 5—10 Вт (например, газосветный трансформатор ТГ-10-20). Для питания нейтрализаторов постоянным напряжением используют схемы выпрямления напряжения па высоковольтной обмотке трансформаторов или схемы умножения напряжения (рис. 86). [c.192]

    Многоканальный рентгеновский спектрометр СРМ-18. Прибор состоит из высоковольтного источника питания, оперативного стола, измерительной системы, системы управления, устройства вывода информации и управляющей ЭВМ. Используются рентгеновские трубки с торцевым выходом излучения типа БХВ-9 и БХВ-13, снабженные тонкими бериллиевыми окнами. Угол падения первичного излучения — 90°, углы отбора флуоресценции — 25° и 35°. Для определения Fe, Мп и Са служат перестраивающиеся каналы по Иоганну с кристаллами-анализаторами из кварца, для определения Ti, К, Si, Al, Mg и Na — перестраивающиеся каналы по Соллеру с кристаллами LiF, NaF, EDDT, RAP и для определения Р — фиксированный канал по Соллеру с монокристаллом Ge. [c.21]

    Недостатками высоковольтных нейтрализаторов являются необходимость в источнике питания, в защите обслуживающего персонала от высокого напряжения и возможность появления искр. Именно из-за последнего обстоятельства применять такие нейтрализаторы во взрывоопасных помещениях запрещено. [c.193]


    При этом испытанию подвергаются не только разрядник, но и высоковольтный источник питания. [c.194]

    При использовании высоковольтных нейтрализаторов должна быть предусмотрена надежная защита обслуживающего персонала от высокого напряжения. Даже случайное прикосновение к иглам не должно быть опасным. С этой целью в высоковольтную цепь нейтрализатора включаются защитные сопротивления, которые ограничивают ток до безопасной величины. Практически это означает, что ток короткого замыкания высоковольтного трансформатора должен быть в 50—100 раз меньше тока опасного для жизни. Разрядники нейтрализаторов переменного напряжения могут подсоединяться к источнику питания через разделительные конденсаторы. При этом достигается полная безопасность нейтрализатора, однако его ионизационная способность несколько снижается. [c.194]

    Контакты проходные. Конструкция и размеры Источники питания высоковольтные для элеюронно-лучевых трубок. Типы и основные параметры. (Ред. 1—71) Электромагниты управления постоянного тока и однофазные переменного тока. Типы, параметры и размеры. Типаж ЕСТПП. Коробки разветвительные. Конструкция и размеры Электровентиляторы для вытяжных каналов. Основные размеры [c.358]

    Для генерации рентгеновского излучения большой интенсивности с высокой степенью стабилизации излучения служит рентгеновский аппарат АРТВ-5,0, в котором установлена рентгеновская трубка с вращающимся анодом. В комплект аппарата АРТВ-5,0 входят оперативный стол, допускающий вертикальную или горизонтальную установку рентгеновской трубки, устройство охлаждения и высоковольтный источник питания. Конструкция рентгеновской трубки предусматривает формирование как точечной проекции фокуса размерами 0,5 X 0,5 ым, так и штриховой — размерами (0,3—0,5) X (3—5) мм. Максимальная мощность трубки с медным анодом 5 кВт. Аппарат АРТВ-5,0 позволяет проводить структурные исследования и фотографическими методами в рентгеновских камерах различного тина и ионизационными методами с помощью дифрактометров. [c.127]

    ДРОН-2,0 является сложным современным прибором, в состав которого входят высоковольтный источник питания ВИП 1 с дифрактометрической стойкой 2 и гониометром типа ГУР-5 5, устройство вывода информации УВИ 4, электронно-вычислительное устройство ЭВУ 5 и блок автоматического управления БАУ6. [c.131]

    При коротком замыкании на землю в высоковольтной передаче ток короткого замыкания к течет от источника питания (электростанции) через пр9ээ,Ш дефектом к месту короткого замыкания и некоторая его часть возв р(ется через грунт и заземлительный трос обратно. Ток в грунте обусловливает электромагнитную связь со второй токовой цепью, образованной трубопроводом и грунтом. [c.435]

    Излучающая часть рентгеновского вычислительного томографа содержит рентгеновский излучатель РИ, формирователь пучка ФП, высоковольтный стабилизированный блок питания ВСБП и систему охлаждения СО. Рентгеновский излучатель в томографе должен быть более качественным по сравнению с обычным, т. е. иметь меньшее фокусное пятно, более стабильный спектральный состав излучения, постоянную интенсивность излучения и др., для чего применяют коллиматор, компенсаторы и фильтры, стабилизируют источник питания (допустимая нестабильность высоковольтного напряжения составляет 0,01—0,3% при колебаниях напряжения питающей сети на 10—15%), а также вводят управление рентгеновским излучателем от ЭВМ. [c.331]

    Основными частями генератора являются источники питания генераторной лампы (высоковольтный газотронный выпрямитель на 7 кет и ста-билизатор — траясфор-  [c.129]

    Высоковольтный выпрямитель может быть выполнен по однополу-периодной схеме с простым / С-фильтром. Недостатком такой схемы являются чрезмерно большие габариты и высокая стоимость трансформатора. Высоковольтный источник питания может быть также выполнен на базе высокочастотного генератора. Выходное напряжение генератора подается на повышающий трансформатор и далее на однополупериодный выпрямитель или схему удвоения. Очевидно, фильтрацию [c.302]

    Устройство вывода информации 700X700X1300 мм высоковольтный источник питания  [c.242]

    Изготавливается нейтрализатор ИИ-5 с двумя разрядниками желобкового типа длиной 300 мм каждый. Питание разрядников осуществляется от высоковольтного трансформатора напряжением 4300 В. Нейтрализатор этого типа можно использовать при скоростях движения наэлектризованного материала до 350—400 м/мин. Серийно выпускается нейтрализатор типа СЭЛПА, с источником питания на базе газосветного трансформатора ТГ-10-20 и двумя разрядниками желоб-ковой формы 250—1500 мм. [c.193]


Импульсные источники питания, теория и простые схемы

Импульсный источник питания — это инверторная система, в которой входное переменное напряжение выпрямляется, а потом полученное постоянное напряжение преобразуется в импульсы высокой частоты и установленой скважности, которые как правило, подаются на импульсный трансформатор.

Импульсные трансформаторы изготавливаются по такому же принципу, как и низкочастотные трансформаторы, только в качестве сердечника используется не сталь (стальные пластины), а феромагнитные материалы — ферритовые сердечники.

Рис. Как работает импульсный источник питания.

Выходное напряжение импульсного источника питания стабилизировано, это осуществляется посредством отрицательной обратной связи, что позволяет удерживать выходное напряжение на одном уровне даже при изменении входного напряжения и нагрузочной мощности на выходе блока.

Обратная отрицательная связь может быть реализована при помощи одной из дополнительных обмоток в импульсном трансформаторе, или же при помощи оптрона, который подключается к выходным цепям источника питания. Использование оптрона или же одной из обмоток трансформатора позволяет реализовать гальваническую развязку от сети переменного напряжения.

Основные плюсы импульсных источников питания (ИИП):

  • малый вес конструкции;
  • небольшие размеры;
  • большая мощность;
  • высокий КПД;
  • низкая себестоимость;
  • высокая стабильность работы;
  • широкий диапазон питающих напряжений;
  • множество готовых компонентных решений.

К недостаткам ИИП можно отнести то что такие блоки питания являются источниками помех, это связано с принципом работы схемы преобразователя. Для частичного устранения этого недостатка используют экранировку схемы. Также из-за этого недостатка в некоторых устройствах применение данного типа источников питания является невозможным.

Импульсные источники питания стали фактически непременным атрибутом любой современной бытовой техники, потребляющей от сети мощность свыше 100 Вт. В эту категорию попадают компьютеры, телевизоры, мониторы.

Для создания импульсных источников питания, примеры конкретного воплощения которых будут приведены ниже, применяются специальные схемные решения.

Так, для исключения сквозных токов через выходные транзисторы некоторых импульсных источников питания используют специальную форму импульсов, а именно, биполярные импульсы прямоугольной формы, имеющие между собой промежуток во времени.

Продолжительность этого промежутка должна быть больше времени рассасывания неосновных носителей в базе выходных транзисторов, иначе эти транзисторы будут повреждены. Ширина управляющих импульсов с целью стабилизации выходного напряжения может изменяться с помощью обратной связи.

Обычно для обеспечения надежности в импульсных источниках питания используют высоковольтные транзисторы, которые в силу технологических особенностей не отличаются в лучшую сторону (имеют низкие частоты переключения, малые коэффициенты передачи по току, значительные токи утечки, большие падения напряжения на коллекторном переходе в открытом состоянии).

Особенно это касается устаревших ныне моделей отечественных транзисторов типа КТ809, КТ812, КТ826, КТ828 и многих других. Стоит сказать, что в последние годы появилась достойная замена биполярным транзисторам, традиционно используемых в выходных каскадах импульсных источников питания.

Это специальные высоковольтные полевые транзисторы отечественного, и, главным образом, зарубежного производства. Кроме того, существуют многочисленные микросхемы для импульсных источников питания.

Схема генератора импульсов регулируемой ширины

Биполярные симметричные импульсы регулируемой ширины позволяет получить генератор импульсов по схеме на рис.1. Устройство может быть использовано в схемах авторегулирования выходной мощности импульсных источников питания. На микросхеме DD1 (К561ЛЕ5/К561 ЛАТ) собран генератор прямоугольных импульсов со скважностью, равной 2.

Симметрии генерируемых импульсов добиваются регулировкой резистора R1. Рабочую частоту генератора (44 кГц) при необходимости можно изменить подбором емкости конденсатора С1.

Рис. 1. Схема формирователя биполярных симметричных импульсов регулируемой длительности.

На элементах DA1.1, DA1.3 (К561КТЗ) собраны компараторы напряжения; на DA1.2, DA1.4 — выходные ключи. На входы компараторов-ключей DA1.1, DA1.3 в противофазе через формирующие RC-диодные цепочки (R3, С2, VD2 и R6, C3, VD5) подаются прямоугольные импульсы.

Заряд конденсаторов С2, C3 происходит по экспоненциальному закону через R3 и R5, соответственно; разряд — практически мгновенно через диоды VD2 и VD5. Когда напряжение на конденсаторе С2 или C3 достигнет порога срабатывания компараторов-ключей DA1.1 или DA1.3, соответственно, происходит их включение, и резисторы R9 и R10, а также управляющие входы ключей DA1.2 и DA1.4 подключаются к положительному полюсу источника питания.

Поскольку включение ключей производится в противофазе, такое переключение происходит строго поочередно, с паузой между импульсами, что исключает возможность протекания сквозного тока через ключи DA1.2 и DA1.4 и управляемые ими транзисторы преобразователя, если генератор двухполярных импульсов используется в схеме импульсного источника питания.

Плавное регулирование ширины импульсов осуществляется одновременной подачей стартового (начального) напряжения на входы компараторов (конденсаторы С2, C3) с потенциометра R5 через диодно-ре-зистивные цепочки VD3, R7 и VD4, R8. Предельный уровень управляющего напряжения (максимальную ширину выходных импульсов) устанавливают подбором резистора R4.

Сопротивление нагрузки можно подключить по мостовой схеме — между точкой соединения элементов DA1.2, DA1.4 и конденсаторами Са, Сb. Импульсы с генератора можно подать и на транзисторный усилитель мощности.

При использовании генератора двухполярных импульсов в схеме импульсного источника питания в состав резистивного делителя R4, R5 следует включить регулирующий элемент — полевой транзистор, фотодиод оптрона и т.д., позволяющий при уменьшении/увеличении тока нагрузки автоматически регулировать ширину генерируемого импульса, управляя тем самым выходной мощностью преобразователя.

В качестве примера практической реализации импульсных источников питания приведем описания и схемы некоторых из них.

Схема испульсного источника питания

Импульсный источник питания (рис. 2) состоит из выпрямителей сетевого напряжения, задающего генератора, формирователя прямоугольных импульсов регулируемой длительности, двухкаскадного усилителя мощности, выходных выпрямителей и схемы стабилизации выходного напряжения.

Задающий генератор выполнен на микросхеме типа К555ЛАЗ (элементы DD1 .1, DD1 .2) и вырабатывает прямоугольные импульсы частотой 150 кГц. На элементах DD1.3, DD1.4 собран RS-триггер, на выходе которого частота вдвое меньше — 75 кГц. Узел управления длительностью коммутирующих импульсов реализован на микросхеме типа К555ЛИ1 (элементы DD2.1, DD2.2), а регулировка длительности осуществляется с помощью оптрона U1.

Выходной каскад формирователя коммутирующих импульсов собран на элементах DD2.3, DD2.4. Максимальная мощность на выходе формирователя импульсов достигает 40 мВт. Предварительный усилитель мощности выполнен на транзисторах VT1, VT2 типа КТ645А, а оконечный — на транзисторах VT3, VT4 типа КТ828 или более современных. Выходная мощность каскадов — 2 и 60…65 Вт, соответственно.

На транзисторах VT5, VT6 и оптроне U1 собрана схема стабилизации выходного напряжения. Если напряжение на выходе источника питания ниже нормы (12 В), стабилитроны VD19, VD20 {КС182+КС139) закрыты, транзистор VT5 закрыт, транзистор VT6 открыт, через светодиод (U1.2) оптрона протекает ток, ограниченный сопротивлением R14; сопротивление фотодиода (U1.1) оптрона минимально.

Сигнал, снимаемый с выхода элемента DD2.1 и поступающий на входы схемы совпадения DD2.2 напрямую и через регулируемый элемент задержки (R3 — R5, С4, VD2, U1.1), в силу его малой постоянной времени поступает практически одновременно на входы схемы совпадения (элемент DD2.2).

На выходе этого элемента формируются широкие управляющие импульсы. На первичной обмотке трансформатора Т1 (выходах элементов DD2.3, DD2.4) формируются двухполярные импульсы регулируемой длительности.

Рис. 2. Схема импульсного источника питания.

Если по какой-либо причине напряжение на выходе источника питания будет увеличиваться сверх нормы, через стабилитроны VD19, VD20 начнет протекать ток, транзистор VT5 приоткроется, VT6 — закроется, уменьшая ток через светодиод оптрона U1.2.

При этом возрастает сопротивление фотодиода оптрона U1.1. Длительность управляющих импульсов уменьшается, и происходит уменьшение выходного напряжения (мощности). При коротком замыкании нагрузки светодиод оптрона гаснет, сопротивление фотодиода оптрона максимально, а длительность управляющих импульсов — минимальна.2, вторичная обмотка имеет 3×6 витков провода ПЭВ-2 1,28 мм (параллельное включение). При подключении обмоток трансформаторов необходимо правильно их фазировать. Начала обмоток показаны на рисунке звездочками.

Источник питания работоспособен в диапазоне изменения сетевого напряжения 130…250 В. Максимальная выходная мощность при симметричной нагрузке достигает 60…65 Вт (стабилизированное напряжение положительной и отрицательной полярности 12 S и стабилизированное напряжение переменного тока частотой 75 кГц, снимаемые,со вторичной обмотки трансформатора Т3). Напряжение пульсаций на выходе источника питания не превышает 0,6 В.

При налаживании источника питания сетевое напряжение на него подают через разделительный трансформатор или фер-рорезонансный стабилизатор с изолированным от сети выходом. Все перепайки в источнике допустимо производить только при полном отключении устройства от сети.

Последовательно с выходным каскадом на время налаживания устройства рекомендуется включить лампу накаливания 60 Вт на 220 В. Эта лампа защитит выходные транзисторы в случае ошибок в монтаже. Оптрон U1 должен иметь напряжение пробоя изоляции не менее 400 В. Работа устройства без нагрузки не допускается.

Сетевой импульсный источник питания

Сетевой импульсный источник питания (рис. 3) разработан для телефонных аппаратов с автоматическим определителем номера или для других устройств с потребляемой мощностью 3…5Вт, питаемых напряжением 5…24В.

Источник питания защищен от короткого замыкания на выходе. Нестабильность выходного напряжения не превышает 5% при изменении напряжения питания от 150 до 240 В и тока нагрузки в пределах 20… 100% от номинального значения.

Управляемый генератор импульсов обеспечивает на базе транзистора VT3 сигнал частотой 25…30 кГц.

Дроссели L1, L2 и L3 намотаны на магнитопроводах типа К10x6x3 из пресспермаллоя МП140. Обмотки дросселя L1, L2 содержат по 20 витков провода ПЭТВ 0,35 мм и расположены каждая на своей половине кольца с зазором между обмотками не менее 1 мм.

Дроссель L3 наматывают проводом ПЭТВ 0,63 мм виток к витку в один слой по внутреннему периметру кольца. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Б22 из феррита М2000НМ1.

Рис. 3. Схема сетевого импульсного источника питания.

Его обмотки наматывают на разборном каркасе виток к витку проводом ПЭТВ и пропитывают клеем. Первой наматывают в несколько слоев обмотку I, содержащую 260 витков провода 0,12 мм. Таким же проводом наматывают экранирующую обмотку с одним выводом (на рис. 3 показана пунктирной линией), затем наносят клей БФ-2 и обматывают одним слоем лакот-кани.

Обмотку III наматывают проводом 0,56 мм. Для выходного напряжения 5В она содержит 13 витков. Последней наматывают обмотку II. Она содержит 22 витка провода 0,15…0,18 мм. Между чашками обеспечивают немагнитный зазор.

Высоковольтный источник постоянного напряжения

Для создания высокого напряжения (30…35 кВ при токе нагрузки до 1 мА) для питания электроэффлювиальной люстры (люстры А. Л. Чижевского) предназначен источник питания постоянного тока на основе специализированной микросхемы типа К1182ГГЗ.

Источник питания состоит из выпрямителя сетевого напряжения на диодном мосте VD1, конденсатора фильтра С1 и высоковольтного полумостового автогенератора на микросхеме DA1 типа К1182ГГЗ. Микросхема DA1 совместно с трансформатором Т1 преобразует постоянное выпрямленное сетевое напряжение в высокочастотное (30…50 кГц) импульсное.

Выпрямленное сетевое напряжение поступает на микросхему DA1, а стартовая цепочка R2, С2 запускает автогенератор микросхемы. Цепочки R3, C3 и R4, С4 задают частоту генератора. Резисторы R3 и R4 стабилизируют длительность полупериодов генерируемых импульсов. Выходное напряжение повышается обмоткой L4 трансформатора и подается на умножитель напряжения на диодах VD2 — VD7 и конденсаторах С7 — С12. Выпрямленное напряжение подается на нагрузку через ограничительный резистор R5.

Конденсатор сетевого фильтра С1 рассчитан на рабочее напряжение 450 В (К50-29), С2 — любого типа на напряжение 30 В. Конденсаторы С5, С6 выбирают в пределах 0,022…0,22 мкФ на напряжение не менее 250 В (К71-7, К73-17). Конденсаторы умножителя С7 — С12 типа КВИ-3 на напряжение 10 кВ. Возможна замена на конденсаторы типов К15-4, К73-4, ПОВ и другие на рабочее напряжение 10кB или выше.

Рис. 4. Схема высоковольтного источника питания постоянного тока.

Высоковольтные диоды VD2 — VD7 типа КЦ106Г (КЦ105Д). Ограничительный резистор R5 типа КЭВ-1. Его можно заменить тремя резисторами типа МЛТ-2 по 10 МОм.

В качестве трансформатора используется телевизионный строчный трансформатор, например, ТВС-110ЛА. ВЬюоковольтную обмотку оставляют, остальные удаляют и на их месте размещают новые обмотки. Обмотки L1, L3 содержат по 7 витков провода ПЭЛ 0,2 мм, а обмотка L2 — 90 витков такого же провода.

Цепочку резисторов R5, ограничивающих ток короткого замыкания, рекомендуется включить в «минусовой» провод, который подводится к люстре. Этот провод должен иметь вьюоко-вольтную изоляцию.

Корректор коэффициента мощности

Устройство, именуемое корректором коэффициента мощности (рис. 5), собрано на основе специализированной микросхемы TOP202YA3 (фирма Power Integration) и обеспечивает коэффициент мощности не менее 0,95 при мощности нагрузки 65 Вт. Корректор приближает форму тока, потребляемую нагрузкой, к синусоидальной.

Рис. 5. Схема корректора коэффициента мощности на микросхеме TOP202YA3.

Максимальное напряжение на входе — 265 В. Средняя частота преобразователя — 100 кГц. КПД корректора — 0,95.

Импульсный источник питания с микросхемой

Схема источника питания с микросхемой той же фирмы Power Integration показана на рис. 6. В устройстве применен полупроводниковый ограничитель напряжения — 1,5КЕ250А.

Преобразователь обеспечивает гальваническую развязку выходного напряжения от напряжения сети. При указанных на схеме номиналах и элементах устройство позволяет подключать нагрузку, потребляющую 20 Вт при напряжении 24 В. КПД преобразователя приближается к 90%. Частота преобразования — 100 Гц. Устройство защищено от коротких замыканий в нагрузке.

Рис. 6. Схема импульсного источника питания 24В на микросхеме фирмы Power Integration.

Выходная мощность преобразователя определяется типом используемой микросхемы, основные характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики микросхем серии TOP221Y — TOP227Y.

Тип микросхемы Рmax, Вт Ток срабатывания защиты, А Сопротивление открытого транзистора, Ом
TOP221Y 7 0,25 31,2
T0P222Y 15 0,5 15,6
T0P223Y 30 1 7,8
T0P224Y 45 1,5 5,2
T0P225Y 60 2 3,9
T0P226Y 75 2,5 3,1
T0P227Y 90 3 2,6

Простой и высокоэффективный преобразователь напряжения

На основе одной из микросхем ТОР200/204/214 фирмы Power Integration может быть собран простой и высокоэффективный преобразователь напряжения (рис. 7) с выходной мощностью до 100 Вт.

Рис. 7. Схема импульсного Buck-Boost преобразователя на микросхеме ТОР200/204/214.

Преобразователь содержит сетевой фильтр (С1, L1, L2), мостовой выпрямитель (VD1 — VD4), собственно сам преобразователь U1, схему стабилизации выходного напряжения, выпрямители и выходной LC-фильтр.

Входной фильтр L1, L2 намотан в два провода на феррито-вом кольце М2000 (2×8 витков). Индуктивность полученной катушки — 18…40 мГн. Трансформатор Т1 выполнен на ферритовом сердечнике со стандартным каркасом ETD34 фирмы Siemens или Matsushita, хотя можно использовать и иные импортные сердечники типа ЕР, ЕС, EF или отечественные Ш-образные ферритовые сердечники М2000.

Обмотка I имеет 4×90 витков ПЭВ-2 0,15 мм; II — 3×6 того же провода; III — 2×21 витков ПЭВ-2 0,35 мм. Все обмотки наматывают виток к витку. Между слоями должна быть обеспечена надежная изоляция.

Источник: Шустов М.А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения (2002).

Исправления: в схеме на рисунке 3 для катушки L2 изменена точка, указывающая начало намотки.

Каталог радиолюбительских схем. Источники питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя.

Каталог радиолюбительских схем. Источники питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя.

Источники питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя

Достаточно часто при конструировании устройств возникают жесткие требования к размерам источника питания. В этом случае единственным выходом является применение ИП на основе высоковольтных высокочастотных импульсных преобразователей. которые подключаются к сети ~220 В без применения габаритного низкочастотного понижающего трансформатора и могут обеспечить большую мощность при малых размерах и теплоотдаче.

Структурная схема типового импульсного преобразователя с питанием от промышленной сети представлена на рис 1.


Рис. 1. Структурная схема типового высокочастотного преобразователя с питанием от промышленной сети.

Входной фильтр предназначен для предотвращения проникновения импульсных помех в сеть. Силовые ключи обеспечивают подачу импульсов высокого напряжения на первичную обмотку высокочастотного трансформатора (могут применяться одно- и

двухтактные схемы). Частота и длительность импульсов задаются управляемым генератором (обычно применяется управление шириной импульсов, реже — частотой). В отличие от трансформаторов синусоидального сигнала низкой частоты, в импульсных ИП применяются широкополосные устройства, обеспечивающие эффективную передачу мощности на сигналах с быстрыми фронтами. Это накладывает существенные требования на тип применяемого магнитопровода и конструкцию трансформатора. С другой стороны, с увеличением частоты требуемые размеры трансформатора (с сохранением передаваемой мощности) уменьшаются (современные материалы позволяют строить мощные трансформаторы с приемлемым КПД на частоты до 100-400 кГц). Особенностью выходного выпрямителя является применение в нем не обычных силовых диодов, а быстродействующих диодов Шоттки, что обусловлено высокой частотой выпрямляемого напряжения. Выходной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Напряжение обратной связи сравнивается с опорным напряжением и затем управляет генератором. Обратите внимание на наличие гальванической развязки в цепи обратной связи, что необходимо, если мы хотим обеспечить развязку выходного напряжения с сетью.

При изготовлении таких ИП возникают серьезные требования к применяемым компонентам (что повышает их стоимость по сравнению с традиционными). Во-первых, это касается рабочего напряжения диодов выпрямителя, конденсаторов фильтра и ключевых транзисторов, которое не должно быть менее 350 В во избежание пробоев. Во-вторых, должны применяться высокочастотные ключевые транзисторы (рабочая частота 20-100 кГц) и специальные керамические конденсаторы (обычные оксидные электролиты на высоких частотах будут перегреваться ввиду их высокой индуктивности). И. в-третьих, частота насыщения высокочастотного трансформатора, определяемая типом применяемого магнитопро вода (как правило, используются тороидальные сердечники) должна быть значительно выше рабочей частоты преобразователя.2. Данные дросселей и трансформаторов:L1-1. L2 наматывают на кольцах из феррита 2000НМ К12х8х3 в два провода проводом ПЭЛШО 0,25: 20 витков. ТР1 — на двух кольцах, сложенных вместе, феррит 2000НН К- 1х18.5х7;

обмотка 1 — 82 витка проводом ПЭВ-2 0,5: обмотка II — 25+25 витков проводом ПЭВ-2 1,0: обмотка III — 2 витка проводом ПЭВ-2 0.3. ТР2 наматывают на кольце из феррита 2000НН К10х6х5. все обмотки выполнены проводом ПЭВ-2 0.3: обмотка 1 — 10 витков:

обмотки II и III — по 6 витков, обе обмотки (II и III) намотаны так, что занимают на кольце по 50% площади не касаясь и не перекрывая друг друга, обмотка I намотана равномерно по всему кольцу и изолирована слоем лакоткани. Катушки фильтра выпрямителя L3, L4 наматывают на феррите 2000НМ К 12х8х3 проводом ПЭВ-2 1,0 , количество витков — 30. В качестве ключевых транзисторов VT1, VT2 могут применяться КТ809А. КТ812, КТ841.

Номиналы элементов и намоточные данные трансформаторов приведены для выходного напряжения 35 В. В случае, когда требуются иные рабочие значения параметров, следует соответству ющим образом изменить количество витков в обмотке 2 Тр1.

Описанная схема имеет существенные недостатки, обусловленные стремлением предельно уменьшить количество применяемых компонентов Это и низкий «уровень стабилизации выходного напряжения, и нестабильная ненадежная работа, и низкий выходной ток. Однако она вполне пригодна для питания простейших конструкций разной мощности (при применении соответствующих компонентов), таких как: калькуляторы. АОНы. осветительные приборы и т.п.


Рис. 3. Сетевой импульсный источник питания на основе ВЧ-преобразователя.

Еще одна схема ИП на основе высокочастотного импульсного преобразователя приведена на рис. 3. Основным отличием этой схемы от стандартной структуры, представленной на рис. 2 является отсутствие цепи обратной связи. В связи с этим, стабильность напряжения на выходных обмотках ВЧ трансформатора Тр2 достаточно низкая и требуется применение вторичных стабилизаторов (в схеме используются универсальные интегральные стабилизаторы на ИС серии КР142).

Источник материала





A Высоковольтный источник питания на основе полупроводников


Для тех, кто экспериментирует и строит с электронными лампами, необходим регулируемый, регулируемый настольный источник высокого напряжения. Было описано много схем для таких устройств, которые сами используют лампы. Приятно быть последовательным, но мы можем сэкономить немного места на столе и несколько ватт, используя полупроводники в таком устройстве. Этот пример построен на LR8N3: трехконтактном регуляторе высокого напряжения. Включает в себя 6.Выход 3 В переменного тока для нити трубки и цифрового измерения. На рисунке 1 показано питание.

РИСУНОК 1. Регулируемый регулируемый высоковольтный источник питания на основе полупроводников.


Регулятор

Как и знакомый LM317, LR8N3 представляет собой регулируемый трехконтактный стабилизатор положительного напряжения. Большая разница в том, что LR8 — это высоковольтный стабилизатор: его входное напряжение может достигать 450 В. Его выходное напряжение устанавливается делителем напряжения на его выходе, как и в случае регуляторов более низкого напряжения; его максимальный выход на 12 В меньше входного.

Его максимальный ток составляет 20 мА, поэтому для любого значительного источника питания требуется проходной транзистор; здесь TIP50. LR8 доступен в упаковке TO-92 и обычно стоит около шестидесяти центов в небольших количествах. На рисунке 2 показана схема регулятора.

РИСУНОК 2. Схема высоковольтного стабилизатора с трехконтактным стабилизатором LR8N3.


Блок питания

Источник питания построен на аварийном трансформаторе, типичном для силовых трансформаторов для ламповых цепей.Он имеет высоковольтную вторичную обмотку с центральным отводом — 480 В при 55 мА — и две вторичные обмотки низкого напряжения: 5 В при 2 А для нити накала выпрямителя, такого как 5Y3; и 6,3 В при 2 А для других ламп.

Два диода образуют двухполупериодный выпрямитель высокого напряжения. Их выход поступает на входной фильтр дросселя, который подает результирующий постоянный ток в регулируемую схему регулятора. Дроссель фильтра был найден в моем мусорном ящике вместе с трансформатором, выход 6,3 В которого доступен напрямую.

Дозирование

Пара цифровых ЖК-индикаторов сообщает о выходном напряжении источника питания и потребляемом от него токе.Доступно много подобных счетчиков; это номер Jameco 108388.

Основная схема измерителя измеряет 0–200 мВ, но можно установить резисторы для формирования делителей напряжения для измерения других диапазонов. Здесь один счетчик настроен на отображение 0-500 В. Считывается с точностью до вольт; десятичная точка не установлена.

Ток измеряется по падению напряжения через резистор 1 Ом; E = IR, поэтому 0-200 мА через этот резистор дает падение напряжения 0-200 мВ. Второй счетчик не имеет вспомогательного делителя напряжения, а его третья десятичная точка установлена ​​как XXX.X.

Счетчикам требуется 9 В постоянного тока независимо от измеряемой цепи. Это напряжение создается удвоителем напряжения на обмотке трансформатора на 5 В. (По сравнению с током 2 А, который может подавать обмотка 5 В, ток, потребляемый счетчиками, несущественен. Это помогает поддерживать охлаждение трансформатора.) Два переключателя управляют общей мощностью блока и высоковольтным выходом. У каждого есть связанный индикатор. На рисунке 3 показана схема всего блока питания.

РИСУНОК 3. Схема всего полупроводникового блока питания.


Реализация

Компоненты в списке деталей могут показаться немного расплывчатыми, потому что почти все они получены из моей кучи запчастей. Трансформатор имел четкую маркировку, а дроссель фильтра — нет. У меня было большинство мелких деталей, и я заказал только счетчики и регулятор высокого напряжения. Разумеется, возможны различные замены.

Большая часть схемы блока питания занимает две небольшие платы, хотя трансформатор и дроссель занимают больше всего места.Одна плата содержит конденсатор фильтра и регулятор, за исключением потенциометра регулировки напряжения. Вторая плата содержит напряжение 9В для счетчиков. Они установлены на задней панели корпуса устройства вместе с линейным разъемом и тремя четырехконтактными гнездами Jones для выходов источника питания: регулируемое высокое напряжение и 6,3 В переменного тока.

Пропускной транзистор стабилизатора установлен с изолятором на задней панели, которая действует как радиатор. Рисунок 4 показывает заднюю панель с двумя установленными платами и другими деталями.

РИСУНОК 4. Задняя панель блока питания с двумя печатными платами и разъемами.


На передней панели находятся два цифровых измерителя, два переключателя и индикатора, а также потенциометр, который устанавливает высокое напряжение. Пространство между двумя панелями в основном занято силовым трансформатором и дросселем. Провода этого трансформатора выходят снизу, поэтому он установлен на существенных стойках размером 1/2 дюйма.

Маленькая клеммная колодка возле задней панели удерживает два диода однополупериодного выпрямителя и подключается к трансформатору и дросселю.Длинные стойки соединяют переднюю и заднюю панели, чтобы сделать корпус жестким. На рис. 5 показан собранный блок изнутри.

РИСУНОК 5. Внутренняя часть собранного блока питания.


Многие провода проходят между счетчиками и элементами управления на передней панели и платами и разъемами на задней панели. В лучшем случае трансформатор и дроссель можно было бы разместить в задней части корпуса, а схему над трансформатором или перед ним.

Высокое напряжение готового источника питания может варьироваться от 65 В до 260 В. На рисунке 6 показан тестируемый блок питания; блок справа представляет собой ламповую регулируемую высоковольтную нагрузку.

РИСУНОК 6. Тестируемый источник питания с регулируемой нагрузкой.


Наблюдения

Хотя этот источник питания может обеспечивать только ограниченный ток, по-прежнему важно подключить проходной транзистор к соответствующему радиатору. Предположим, что входное напряжение регулятора составляет 250 В, его выход установлен на 90 В, и потребляется ток 50 мА.Тогда транзистор должен рассеять (250 — 90) x 0,05 = 8,0 Вт.

С другой стороны, резистор 1 Ом, через который протекает выходной ток, может быть небольшим. При 50 мА падение напряжения на этом резисторе составляет всего 0,05 В, поэтому мощность, рассеиваемая резистором, составляет всего 0,05 x 0,05 = 0,0025 Вт.

Заключение

Как всегда, возможны вариации. Более прочный трансформатор позволит увеличить выходной ток. Для измерения можно использовать светодиодные или аналоговые измерители. Детали можно было расположить по-разному, возможно, на одной плате.В любом случае такой источник питания занимает мало места на столе и поддерживает широкий спектр экспериментов с ламповыми цепями. NV


Список деталей

Резистор 1 — 100 кОм, 2 Вт
1 — 100 кОм, резистор 1/4 Вт
1 — 2,2 кОм, резистор 1/4 Вт
1 — 1 Ом, резистор 1/4 Вт
1 — линейный потенциометр 500 кОм
1 — 68 мкФ, 400 В, электролитический Конденсатор
1 — 20 мкФ, 400 В, электролитический конденсатор
2 — 22 мкФ, 50 В, электролитические конденсаторы
1 — 1 мкФ, 50 В, конденсатор
5 — 1N4007 Выпрямители
1 — Регулятор LR8N3
1 — Регулятор 78L09
1 — TIP50 Транзистор
1 — TIP50 — Тумблер SPST
1 — Тумблер DPST
2 — Индикаторы 117 В
2 — Цифровые счетчики: 0-200 мВ
1 — Силовой трансформатор
1 — Фильтр-дроссель
1 — Трехпроводные линейные соединители
3 — Четырехконтактные разъемы Jones Разъемы
1 — Ручка

Платы, оборудование и соединители.


границ | Космический высоковольтный силовой модуль

Введение

В последние годы, с быстрым развитием технологий аэрокосмической и силовой электроники, в космических приложениях требуются высокоэффективные высоковольтные и мощные источники питания постоянного тока (Novac et al., 2010; Wen-jie et al., 2020), такие как космическая электрическая силовая установка (Lord et al., 2020), ламповый усилитель бегущей волны, космическая сварка и космическая солнечная электростанция (Xin-bin and Li, 2015; Wang et al., 2018; Зайцев и др., 2019).

Для электрической тяги электрическому двигателю требуется высокое напряжение для генерации электрического или электромагнитного поля для ускорения потока предварительно ионизированного топлива, которое может составлять от нескольких сотен В до нескольких кВ, в зависимости от конкретного типа электрического двигателя. двигателя (Reese et al., 2013; Fu et al., 2017; Bekemans et al., 2019; Forrisi et al., 2019). Например, для спутниковых электрических двигателей требуется напряжение от 350 В до 1.9 кВ для достижения высокоэффективной двигательной установки и мощностью от нескольких сотен ватт до кВт для различных двигателей. В настоящее время, по мере усложнения сценариев применения электродвигательных установок, высокое напряжение и высокая удельная мощность стали одним из основных направлений развития. Таким образом, мощные блоки обработки мощности (PPU) стали центром развития.

Для космической сварки основной трудностью является получение мощного высоковольтного источника питания. Характеристики источника питания, используемого для ускорения электронов, напрямую влияют на качество сварки.Источник питания играет важную роль в космической сварке, в то время как такой высоковольтной силовой конструкции не существует.

Для космической солнечной электростанции, как сверхмощной космической системы, требуется передача электроэнергии на сотни километров (Xin-bin, Li, 2015; Zaitsev et al., 2019). Чтобы минимизировать потери, требуется высоковольтная передача. Космические источники питания высокого напряжения стали ключевой технологией передачи высокого напряжения.

Ограниченное выдерживаемым напряжением и емкостью конденсаторов космического класса, выдерживаемым напряжением, максимальным импульсным током и максимальным прямым током силовых диодов, традиционное решение — это вторичные обмотки, включенные последовательно с трансформатором с высоким коэффициентом усиления для достижения высокой — источник питания высокого напряжения, который позволяет избежать использования большого количества высоковольтных выпрямителей и может быть легко управляем.

Напряжение трансформатора требует существующего производственного процесса и технологии защиты от высокого напряжения в аэрокосмической отрасли, и этого трудно достичь. Так что этот вид блока питания считается малонадежным.

Высоковольтным источникам питания сложно поддерживать надежность в космических условиях. Модуль питания может решить эту проблему.

В статье (Reese et al., 2013) предлагается модуль анодного питания (ASM) с выходной мощностью 400 В, 4 А и набор для электрической тяги.Благодаря гибкой комбинации модулей анодного питания массив ASM может использоваться для различных сценариев космических высоковольтных приложений.

Paper (Wang et al., 2018) предлагает модуль источника питания с выходом 100 В, 100 А и комбинированную структуру с несколькими преобразователями вход-параллельный выход (IPOS). С этой новой структурой достигается система питания с высоким коэффициентом преобразования, низкими потерями мощности, высоким коэффициентом преобразования мощности и плотностью.

Для космической сварки часто требуются источники ускоряющего питания с выходной мощностью 10 кВ, 2 кВт и более.Такой тип космического источника питания сложно реализовать, поэтому можно рассмотреть конструктивное решение за счет IPOS-подключения модулей питания. В этом документе предлагается новая структура энергосистемы для космической сварки для достижения выходной мощности 10 кВ, 2 кВт, как показано на Рисунке 1. И в этой статье основное внимание уделяется высоковольтным модулям питания для помещений с входным напряжением 100 В, 1 кВ / 200 Вт. выход.

Рисунок 1. Топология высоковольтного преобразователя для космической сварки.

Гибкая комбинация модулей питания для различных космических высоковольтных приложений — хороший подход к решению конструктивных проблем космических высоковольтных источников питания.Модули питания могут решить проблемы, связанные с ограничениями производительности устройств аэрокосмического класса в космических высоковольтных приложениях, и упростить выполнение защиты изоляции. Поэтому космический силовой модуль очень важен в космических высоковольтных системах.

В этой статье предлагается космический высоковольтный силовой модуль с высоким коэффициентом усиления и новый модуль улучшения для повышения эффективности.

Эскизный проект космического высоковольтного источника питания

Анализ рабочего режима

В этом документе предлагается предварительный проект космического высоковольтного силового модуля, показанного на рисунке 2А.В инверторе мощности используется полная мостовая схема, которую можно использовать для приложений большой мощности и улучшить коэффициент использования трансформатора. В схеме применен двухполупериодный выпрямитель-удвоитель напряжения. На рисунках 2B, C показано рабочее состояние этого источника питания.

Рисунок 2. Эскизный проект топологии космического высоковольтного силового модуля и режимов его работы. (A) Топология космического высоковольтного силового модуля. * и вторичная обмотка.

Эта конструкция решает проблемы космического высоковольтного источника питания, включая трансформаторы с большим передаточным числом, многообмоточные вторичные обмотки, соединенные последовательно с чрезмерным напряжением, и силовую изоляцию. Максимальное выдерживаемое напряжение на компонентах выпрямителя (диоды и конденсаторы) выпрямителя вдвое превышает напряжение вторичных обмоток трансформатора. Уменьшая коэффициент трансформации трансформатора и выпрямляя выходное высокое напряжение через выпрямитель с удвоением напряжения, можно снизить напряжение высоковольтного трансформатора и основных компонентов выпрямителя (диодов и конденсаторов), что повышает надежность системы.Наконец, высоковольтный источник питания можно гибко комбинировать с помощью IPOS, чтобы обеспечить контроль напряжения и расчет запаса.

Анализ малых сигналов схемы выпрямителя

Вторичная сторона космического высоковольтного силового модуля представляет собой двухполупериодный восьмикратный выпрямитель напряжения (как показано на рисунке 2A). Это эквивалентно последовательному соединению вход-параллель-выход двухполупериодного четырехкратного выпрямителя (показано на рисунке 3). Мы устанавливаем модель полуволнового четырехкратного выпрямителя напряжения, а затем преобразуем ее в двухполупериодный восьмикратный выпрямитель напряжения.

Рисунок 3. Полупериодный четырехкратный выпрямитель напряжения.

Для идеального однополупериодного выпрямителя входное напряжение показано на рисунке 4. Предполагая, что емкость конденсатора выпрямителя: C i = C , (где i = 1,2…, n ). Выходное напряжение полуволнового четырехкратного выпрямителя напряжения примерно равно 4 В в .Мы определяем четыре передаточные функции двухпортовой сети:

Рисунок 4. Формы входного напряжения однополупериодных выпрямителей.

h21 = vo⁢u⁢tvi⁢n = Gv (1)

h22 = vou⁢tio⁢u⁢t = Ro⁢u⁢t (2)

h31 = ii⁢nvi⁢n = Yi⁢n (3)

h32 = ii⁢nio⁢u⁢t = Gc (4)

Эквивалентную модель цепи малого сигнала можно получить, как показано на рисунке 5, где G_v — коэффициент усиления выходного напряжения, R выход — эквивалентный выходной импеданс, Y дюйм — эквивалентная проводимость на входе, а G_c — коэффициент усиления по обратному току.

Рисунок 5. Двухпортовые эквивалентные схемы малосигнального выпрямителя.

Поскольку входное напряжение меняется между положительным и отрицательным, его можно рассматривать как прерывистое во времени. Этот полумостовой однополупериодный выпрямитель анализируется методом дискретных систем. Во-первых, путем преобразования классических уравнений пространства состояний в уравнения пространства состояний дискретной области посредством преобразования z , получаются следующие уравнения пространства состояний:

x⁢ [(k + 1) ⁢T] = A⁢x⁢ (k⁢T) + B⁢u⁢ (k⁢T)

y⁢ (k⁢T) = C⁢x⁢ (k⁢T) + D⁢u⁢ (k⁢T) (5)

, где x — вектор состояния, u — входной вектор и y — выходной вектор.Предполагая, что все блоки выпрямителя идеальны, то есть сопротивление диода в открытом состоянии равно 0, нет падения напряжения в открытом состоянии, обратное напряжение отсечки достаточно велико. Три вектора выражаются следующим образом:

x = [vC⁢2, vC⁢4] T

y = [vo⁢u⁢t, ii⁢n] T

u = [vi⁢n, io⁢u⁢t] T (6)

По z -преобразование по уравнениям дискретного пространства состояний (Ур. (5), получаем:

z⁢X⁢ (z) = A⁢X⁢ (z) + B⁢U⁢ (z)

Y⁢ (z) = C⁢X⁢ (z) + D⁢U⁢ (z) (7)

Эквивалентное преобразование уравнения.(7) дает соотношение между выходной матрицей Y ( z ) и входной матрицей U ( z ) как:

Y (z) = [C (zI-A) -1B + D] U (z) (8)

где передаточная функция:

H⁢ (Z) = Y⁢ (z) U⁢ (z) = [C⁢ (z⁢I-A) -1⁢B + D] (9)

Между тем, уравнение. (9) также является передаточной функцией домена z уравнений (1–4). Для z = e j w t , можно рассчитать амплитудно-частотную характеристику | h i j ( j w t ) | и фазо-частотная характеристика ∠ | h i j ( j w t ) | из четырех передаточных функций.

Для полуволнового четырехкратного выпрямителя все четыре матрицы A – D представляют собой массивы 2 × 2, а система представляет собой систему с двумя входами и двумя выходами. Вычисляя коэффициенты четырех матриц, можно получить полную передаточную функцию полуволнового выпрямителя с удвоением напряжения, а путем соединения двух идентичных систем с параллельными входами и последовательными выходами — выражение для двухполупериодного восьмиполупериодного выпрямителя. раз выпрямитель можно получить. Затем мы создаем полную модель малого сигнала, в которой эквивалентные схемы для ( k T ) ∼ ( k T + T 1 ) и ( k T + T 1 ) периоды ∼ [( k + 1) T ] показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Эквивалентная схема для работы схемы (k + 1) цикла. (A) ( k T ) ∼ ( k T + T 1 ). (B) (kT + T1) ∼ [(k + 1) T].

, где C 2 и C 4 действуют как выходные конденсаторы напряжения и обеспечивают выходной сигнал удвоения для нагрузки R . В начале двух периодов он эквивалентен двум конденсаторам C 2 и C 4 параллельно сопротивлению R / 2 соответственно, и конденсатор разряжается по цепи RC .

Начиная с kT , полярность входного напряжения показана на рисунке 4. Мы можем получить выходные напряжения конденсаторов C 2 и C 4 . Поскольку предполагается, что диоды идеальны в топологии этой схемы, конденсаторы C 1 и C 2 , конденсаторы C 3 и C 4 C и мгновенно включаются параллельно соответственно.Согласно закону напряжения Кирхгофа (KVL) и принципам сохранения заряда конденсатора, можно вывести, что:

V2⁢ ((k⁢T) +) = V1⁢ ((k⁢T) +) = 1C2 + C1⁢ [C2⁢V2⁢ ((k⁢T) -) + C1⁢V1⁢ ((k⁢T) -)] (10)

V4⁢ ((k⁢T) +) = V3⁢ ((k⁢T) +) = 1C4 + C3⁢ [C4⁢V4⁢ ((k⁢T) -) + C3⁢V3⁢ ((k⁢T) -)] (11)

Добавляя небольшие возмущения сигнала [мы рассматриваем v 2 ( t ) = v 1 ( t ), v 4 ( t ) = v ( t )] к установившимся величинам, выражения (10) (11) имеют вид:

V2⁢ ((k⁢T) +) + v2⁢ ((k⁢T) +) = V1⁢ ((k⁢T) +) + v1⁢ ((k⁢T) +)

= 1C2 + C1⁢ [C2⁢ (V2⁢ ((k⁢T) -) + v2⁢ ((k⁢T))) + C1⁢ (V1⁢ ((k⁢T) -) + v1⁢ ((k ⁢T) +))] (12)

V4 ((kT) +) v4 ((kT) +) = V3 ((kT)) + v3 ((kT) +)

= 1C4 + C3 [C4V4 ((kT)) — + v4 ((kT) +)) + C3 (V3 ((kT) — +) v3 ((kT) +))] (13)

От k + T до ( kT + T 1 ) , падение напряжения на конденсаторах C 2 и C 4 равно интеграл эквивалентного резистивного тока от 0 до T 1 умножьте на обратную величину эквивалентной емкости источника питания.

△ ⁢V2⁢T⁢1 = △ ⁢V1⁢T⁢1 = -1C2 + C1⁢∫0T⁢12⁢V2⁢ ((k⁢T) +) ⁢v2⁢ ((k⁢T) +) R⁢dt (14)

△ ⁢V4⁢T⁢1 = △ ⁢V3⁢T⁢1 = -1C4 + C3⁢∫0T⁢12⁢V4⁢ ((k⁢T) + -) + v4⁢ ((k⁢T) -) R⁢ dt (15)

Начиная с k ( T + T 1 ), полярность входного напряжения показана на рисунке 4. Мы можем получить два выходных напряжения конденсатора. Поскольку диод считается идеальным устройством, в этот момент конденсаторы C 2 и C 3 мгновенно включаются параллельно, и их напряжения равны на обоих концах согласно KVL и сохранение емкостного заряда.

V2⁢ (k⁢T + T1 +) = V3⁢ (k⁢T + T1 +)

1C2 + C3⁢ [C2⁢V2⁢ (k⁢T + T1 -) + C3⁢V3⁢ (k⁢T + T1 -)] (16)

V4⁢ (k⁢T + T1 +) = 1C4⁢V4⁢ (k⁢T + T1 -) (17)

Добавляя небольшие возмущения сигнала [мы рассматриваем v 2 ( t ) = v 3 ( t )] к установившимся величинам, выражения (16) (17) имеют вид :

V2⁢ (k⁢T + T1 +) + v2⁢ (k⁢T + T1 +)

= V3⁢ (k⁢T + T1 +) + v3⁢ (k⁢T + T1 +)

= 1C2 + C3 [C2 (V2 (kT + T1 -) + v2 (kT + T1-))

+ C3 (V3 (kT + T1 -) + v3 (kT + T1 -))] (18)

V4 (kT + T1 +) + v4 (kT + T1 +) = 1C4 [+ V4 (kT + T1 -) + v4 (kT + T1 -)] (19)

От (k⁢T + T1 +) до [(( k + 1) T ) ], падение напряжения на конденсаторах C 2 и C 4 равно интегралу эквивалентного резистивного тока от 0 до T 2 , умноженному на обратную величину эквивалентной емкости источника питания.

△ ⁢V2⁢T⁢2 = △ ⁢V3⁢T⁢2 = -1C2⁢C3⁢∫0T⁢22⁢V2⁢ (k⁢T + T1 +) + v2⁢ (k⁢T + T1 +) R⁢dt (20 )

△ ⁢V4⁢T⁢2 = -1C4⁢∫0T⁢22⁢V4⁢ (k⁢T + T1 -) + v4⁢ (k⁢T + T1-) R⁢dt (21)

Из уравнений (21) и (22) мы можем вывести, что в конце T 2 , напряжение на конденсаторах C 2 и C 4 рассчитываются как:

V2⁢ [((k + 1) ⁢T) -] + v2⁢ [((k + 1) ⁢T) -]

= V3 [((k + 1) T) -] + v3 [((k + 1) T) —

= [V2⁢ (k⁢T + T1 +) + v2⁢ (k⁢T + T1 +)] × (1-2⁢T2R⁢ (C2 + C3)) (22)

V4⁢ [((k + 1) ⁢T) -] + v4⁢ [((k + 1) ⁢T) -]

[V4⁢ (k⁢T + T1 +) + v4⁢ (k⁢T + T1 +)] × (1-2⁢T2R⁢C4) (23)

Затем было вычислено падение напряжения на основном выходном конденсаторе от k⁢T + T1 + до ( k + 1) T .Подводя уравнения (22) и (23) к уравнениям (12) и (13), мы можем получить выражение для напряжений конденсаторов C 2 и C 4 при первом переключении. режим.

Отделяя переменные слабого сигнала всей цепи от приведенного выше уравнения, можно перечислить набор уравнений следующим образом:

v2⁢ ((k + 1) ⁢T) = a11⁢v2⁢ (k⁢T) + a12⁢v4⁢ (k⁢T) (24)

v4⁢ ((k + 1) ⁢T) = a21⁢v2⁢ (k⁢T) + a22⁢v4⁢ (k⁢T) (25)

Аналогичным образом могут быть получены выражения для других матриц параметров передаточной функции.

Передаточная функция системы рассчитывается MATLAB, есть диаграмма нулевого полюса выходного сопротивления для двухполупериодного восьмикратного выпрямителя, как показано на рисунке 7A, диаграмма выходного импеданса, как показано на рисунке 7B, диаграмма полюсов с нулевым коэффициентом усиления напряжения для двухполупериодного восьмикратного выпрямителя, как показано на рисунке 7C, и бодовой диаграммы усиления напряжения, как показано на рисунке 7D. Для дискретных систем система является стабильной, потому что полюса передаточной функции усиления по напряжению и передаточной функции усиления по импедансу находятся в единичной окружности на плоскости z .

Рис. 7. Схема моделирования малосигнальной модели . (A) Диаграмма нулевого полюса выходного сопротивления. (B) Диаграмма Боде выходного сопротивления. (C) Диаграмма нулевого полюса усиления напряжения. (D) Диаграмма Боде усиления напряжения.

Стационарные и переходные процессы зарядки конденсаторов выпрямителя

На рисунке 2A, если предположить, что напряжение на вторичной стороне трансформатора составляет Vs , когда трансформатор работает в установившемся режиме, положительный полупериод может быть вычислен как:

Vo⁢u⁢t = | Vs | + VD⁢4 * + VC⁢1 * + VC⁢2 + VC⁢3 * (26)

В этом силовом модуле конденсатор выпрямителя можно заряжать и разряжать за половину рабочего цикла (цикл переключения).Согласно закону сохранения электрического заряда и КВЛ, в полупериоде переключения в начале работы схемы можно получить:

{VC⁢1 = | Vs | -VD⁢1VC⁢2 = | Vs | + VC⁢1-VD⁢2VC⁢3 = | Vs | + VC⁢2-VC⁢1-VD⁢3VC⁢4 = | Vs | + VC⁢1 + VC⁢3-VC⁢2-VD⁢4 (27)

При использовании в цепи высоковольтного диода того же типа прямое падение напряжения В D каждого диода равно:

{VC⁢1 = | Vs | -VDVC⁢2 = 2⁢ | Vs | -2⁢VD = 2⁢VC⁢1VC⁢3 = 2⁢ | Vs | -2⁢VD = 2⁢VC⁢1VC⁢4 = 2 ⁢ | Vs | -2⁢VD = 2⁢VC⁢1 (28)

Аналогично для другой части схемы:

{VC⁢1 * = | Vs | -VDVC⁢2 * = 2⁢ | Vs | -2⁢VD = 2⁢VC⁢1 * VC⁢3 * = 2⁢ | Vs | -2⁢VD = 2⁢VC⁢ 1 * VC⁢4 * = 2⁢ | Vs | -2⁢VD = 2⁢VC⁢1 * (29)

Приводя уравнения (28) и (29) в уравнение.(26), следующие выходные напряжения могут быть получены для двухполупериодной восьмикратной схемы выпрямителя (рисунок 2A):

Vo⁢u⁢t = | Vs | + VD + 7⁢VC⁢1 = 8⁢ | Vs | -6⁢VD (30)

Прямое падение напряжения В D выпрямительного диода пренебрежимо мало относительно напряжения вторичной стороны трансформатора В S , поэтому выходное напряжение на Рисунке 2A примерно в восемь раз как V S .* ( n > 1) оба имеют в два раза большее напряжение, чем | V S | — В Д .

Однако приведенное выше обсуждение применимо только к установившимся конденсаторам в выпрямителе удвоителя напряжения, в то время как переходная схема зарядки конденсаторов показана на рисунке 8.

Рисунок 8. Схема зарядки конденсатора. (A) Конденсатор C 1 зарядка, (B) конденсатор C 2 зарядка, (C) конденсатор C 3 (D) конденсатор C 4 зарядка.

Максимальное напряжение на емкости C 1 составляет:

E = | Vs | -VD (31)

Напряжение зарядки конденсатора при t составляет (где R — эквивалентное сопротивление прямого пути зарядки):

VC⁢1 = E × (1-e-tR⁢1⁢C) (32)

Мы вычисляем, что при t = α RC , где α = 3∼5, V C1 ≥ 0.96 E , микроскопическая емкость C 1 падение напряжения немного меньше E . Когда конденсатор разряжен:

VC⁢1 ′ = VC⁢1 × e-tR⁢1⁢C (33)

Также после t = α RC , где α = 3∼5, V C1 ‘ ≤ 0,04 V .Напряжение при одной зарядке и разряде конденсатора C 1 составляет:

V1 = VC⁢1-VC⁢1 ′ = VC⁢1-VC⁢1 × e-tR⁢1⁢C = VC⁢1 × (1-e-tR⁢1⁢C) (34)

Когда заканчивается первый цикл переключения, C 1 передает собственное питание на C 2 . Напряжение C 2 составляет:

VC⁢2 = V1 × (1-e-tR⁢2⁢C) ≈ | Vs | -VD (35)

В начале первой половины следующего цикла C 1 заряжается на V C1 = E × (1-e-tR⁢1⁢ C), затем, согласно KVL, в контуре 2 (рисунок 8C), поскольку диоды имеют одинаковое прямое падение напряжения, конденсатор C 2 заряжается на конденсаторе C 3 :

VC⁢3 = VC⁢2 ′ = 12⁢ (VC⁢2-VD) (36)

В начале второй половины цикла C 3 заряжается на конденсаторе C 4 , как указано выше:

VC⁢4 = VC⁢3 ′ = 12⁢ (VC⁢3-VD) (37)

Согласно KVL:

VC⁢2 ″ = | Vs | + VC⁢1 ″ -VD (38)

Это конец второго цикла переключения, В C2 > В C2 , и цикл продолжается до тех пор, пока каждый конденсатор не будет заряжен до значения, близкого к теоретическому. значение уравнения.(29), то он переходит в стационарное состояние.

В течение первой половины каждого цикла в установившемся режиме конденсаторы C 1 и C 3 заряжаются до своих теоретических значений, C 2 и C 4 питает нагрузку, C 1 и заряды вторичной обмотки C 2 и C 3 заряды C вторая половина цикла. C 1 * , C 2 * , C 3 * и C 4 * в переходном и установившемся режиме работы цепи перевернуты, так что мы достигаем стабильного выхода постоянного тока в течение всего цикла переключения. Теоретические формы сигналов переходной зарядки конденсаторов показаны на рисунке 9A.

Рис. 9. Форма волны переходной зарядки конденсаторов. (A) Теоретические формы сигналов для переходной зарядки конденсаторов. (B) Моделирование форм сигналов для переходной зарядки конденсаторов.

Мы используем PSIM, программное обеспечение для моделирования схем, для моделирования заряда конденсатора двухполупериодного выпрямителя с удвоением напряжения. Результат моделирования показан на рисунке 9B, который подтверждает анализ переходной зарядки конденсатора. Он также подтверждает, что стабильный высоковольтный выход постоянного тока может быть достигнут, когда двухполупериодный выпрямитель с удвоением напряжения находится в установившемся режиме работы.

Экспериментальная проверка

Мы проектируем силовой модуль, как показано на рисунке 2A, с входным напряжением 100 В, выходным напряжением 1000 В, частотой переключения 50 кГц и максимальной выходной мощностью более 200 Вт. Выпрямитель, собранный в ходе экспериментов, показан на рисунке 10. Рисунок 11 — прототип силового модуля.

Рис. 10. Экспериментальная форма сигнала каждого устройства при напряжении на выходе схемы 1000 В на рис. 2A. (A) Форма волны напряжения конденсатора C 2 (Рисунок 4) при выходе 1000 В. (B) Форма волны напряжения диода D 1 (Рисунок 4) при выходе 1000 В. (C) Форма волны напряжения диода D 2 (Рисунок 4) при выходе 1000 В. (D) Форма кривой напряжения вторичных обмоток трансформатора (Рисунок 4) при выходе 1000 В.

Рисунок 11. Прототип высоковольтного силового модуля.

После экспериментальной проверки предварительно спроектированный силовой модуль может снизить напряжение основных компонентов. Когда на выходе 1000 В, выдерживаемое напряжение выпрямительного устройства составляет всего 250 В, а напряжение вторичных обмоток трансформатора составляет всего 125 В.

Нагрузка, которую мы использовали в эксперименте, — это линейное сопротивление. Однако, судя по кривой КПД, можно увидеть, что КПД силового модуля немного ниже, чем при моделировании, и КПД необходимо повысить.При вычислении и наблюдении формы сигнала переключающего устройства инвертора в осциллографе потери в цепи концентрируются на потерях включения и выключения переключателя и других силовых устройств. Затем мы предлагаем усовершенствованный силовой модуль.

Высоковольтный источник питания улучшенной конструкции

В предыдущем разделе предложенный модуль космического высоковольтного источника питания может снизить напряжение основных компонентов, что в определенной степени повышает надежность системы. Вдохновленный бумагами (Yao et al., 2011; Karimi et al., 2014), мы предлагаем мягкое переключение для повышения эффективности этого силового модуля.

Дизайн улучшения схем

Усовершенствованный инвертор представляет собой полномостовую схему с последовательным резонансным сдвигом фазы. Топология схемы показана на рисунке 12A. Технология переключения с фазовым сдвигом DCDC используется для уменьшения коммутационных потерь. Если напряжение В ds равно нулю до включения переключателя или ток равен нулю при его включении, то потери проводимости переключателя равны нулю, тогда переключатель нулевого напряжения (ZVS) и ноль Текущий переключатель (ZCS) реализованы.Диаграмма состояний переключателя показана на рисунке 12B.

Рисунок 12. Улучшенный космический высоковольтный силовой модуль. (A) Улучшенная схема. (B) Состояние переключателя и форма сигнала трансформатора.

[ t 0 t 1 ]: Q 1 и Q 2 включены одновременно, напряжение и ток включены трансформатор оба равны нулю, выходная клемма подает питание на нагрузку, а переключатель Q 2 выключен в условиях ZCS;

[ t 1 t 2 ]: в начале этого момента переключатель Q 4 включен при условии ZCS, в это время текущий резонансного контура начинают увеличиваться, а конденсатор выпрямителя заряжается;

[ t 2 t 3 ]: В начале этого периода выключатель Q 1 выключен, конденсатор C 19 q1 заряжен, конденсатор C q2 разряжается, и цепь продолжает течь через L r .Когда конденсатор C q2 разряжается до 0, этот период заканчивается. Ток цепи первичной стороны постепенно уменьшается для питания нагрузки;

[ t 3 t 4 ]: Напряжение на конденсаторе параллельного поглощения C q2 переключателя Q 3 падает до нуля, и ток продолжает течь через основной диод в Q 3 . Q 3 включен при условии ZVS. V p падает до нуля;

[ t 4 t 5 ]: Q 2 включен при условии ZCS, цепь первичной стороны проведена в обратном направлении, заряжается вторичный конденсатор, Q 3 выключен, и этот период заканчивается.

Анализ рабочих характеристик цепи

Как показано на рисунке 12A, первичное напряжение трансформатора составляет В p , а количество витков обмотки составляет N p ; вторичное напряжение трансформатора В с и количество витков обмотки Н с ; входное напряжение схемы составляет В в , а выходное напряжение составляет В o ; рабочий цикл в установившемся режиме составляет d , где d = t4-t1t2-t1.Когда Q 1 и Q 4 включены, а Q 2 и Q 3 выключены, есть:

Вп = NpNs⁢Vs (39)

Согласно KVL:

Vp = NpNs⁢ (VC⁢2-VC⁢1) (40)

Vo = 8⁢VC⁢1 = 8⁢NsNp⁢Vp (41)

По вольт-секундному балансу индуктивности:

∫0d⁢T (Vi⁢n-Vp) ⁢dt + ∫t⁢3t⁢3 + d⁢1⁢TVi⁢n⁢dt = 0 (42)

Объедините (45) (46) (47):

∫0d⁢T (Vi⁢n-Np8⁢Ns⁢Vo) ⁢dt + ∫t⁢3t⁢3 + d⁢1⁢TVi⁢n⁢dt = 0 (43)

Решите выходное напряжение В o как:

Vo = 8⁢ (d + d1) ⁢Vi⁢n⁢Nsd⁢Np (44)

В соответствии с сохранением входной и выходной энергии источника питания, входной ток катушки индуктивности I L получается как:

IL = Vo2η⁢R⁢Vi⁢n (45)

, где R — сопротивление нагрузки, а η — КПД источника питания.

Проверка цепи

Схема моделирования изображена на рисунке 12A. Результаты моделирования показаны на рисунках 13A, B, а сравнение эффективности изображено на рисунке 13C. Параметры моделирования приведены в таблице 1.

Рисунок 13. Сравнение эффективности. (A) Моделирование Q 2 . (B) Моделирование Q 3 . (C) Сравнение эффективности.

Таблица 1. Параметры моделирования.

Согласно результатам моделирования, переключатели Q 2 и Q 3 в улучшенной схеме могут обеспечить проводимость ZCS, а эффективность моделирования выше, чем эффективность, полученная в предварительном эксперименте. Поэтому улучшенная топология подходит для космических высоковольтных силовых модулей.

Моделирование электрического поля

Космические высоковольтные приложения важны в авиакосмической сфере, поэтому необходимо уделять внимание приспособляемости космической среды и надежности высоковольтной космической электроники.

Основываясь на явлении космического разряда низкого давления, космический высоковольтный силовой модуль спроектирован с высокой надежностью (особенно размещение компонентов), а предлагаемый силовой модуль подтвержден моделированием электрического поля (Максвелл из Ansoft). На Фигуре 14A показано трехмерное распределение электрического поля высоковольтной части силового модуля (выпрямителя), а на Фигуре 14B показано контурное распределение электрического поля высоковольтной части силового модуля.

Рисунок 14. Распределение электрического поля. (A) Трехмерное распределение электрического поля. (В) Контур распределения электрического поля.

Из рисунка 14 видно, что сильное электрическое поле печатной платы (PCB) сосредоточено в красной области рисунков. При такой схеме максимальная напряженность электрического поля составляет 390 В / см. Конструкция модуля космического высоковольтного источника питания соответствует стандартам ECSS-E-HB-20-05A (Ecss, 2012).

Заключение

Основываясь на моей собственной работе (Wen-jie et al., 2020) на 2-й Международной конференции 2020 года по интеллектуальным энергосистемам и энергосистемам через Интернет (SPIES), в этой статье основное внимание уделяется детальному теоретическому проектированию высоковольтного силового модуля. Благодаря теоретическому анализу, моделированию и экспериментальной проверке мы считаем, что источник питания высокого напряжения имеет высокую надежность.

В статье анализируются сценарии применения космических высоковольтных систем электроснабжения и преимущества модулей питания в условиях ограничений космических приложений.Мы проектируем модуль космического высоковольтного источника питания мощностью 200 Вт с входом 100 В и выходом 1000 В. Мы проводим анализ устойчивости схемы с помощью эквивалентной модели слабого сигнала и модели заряда конденсатора. Этот силовой модуль снижает напряжение основных компонентов выпрямителя.

Затем мы оптимизируем силовой модуль: улучшенная конструкция на основе полномостового последовательного резонансного контура со сдвигом фазы. В дополнение к снижению напряжения на ключевых компонентах, таких как выпрямитель и высоковольтный трансформатор, улучшенный силовой модуль обеспечивает плавное переключение, что значительно снижает высокочастотные коммутационные потери устройств переключения мощности в инверторе.Усовершенствованный высоковольтный силовой модуль более эффективен, чем предварительный силовой модуль. Затем улучшенное решение подтверждается моделированием.

Электрическое поле проводим на высоковольтной секции печатной платы (выпрямителя) модуля питания. Это позволяет нам сосредоточить внимание на областях защиты изоляции на печатной плате в наших конструкциях.

Наконец, мы считаем, что космические высоковольтные системы электроснабжения находятся в стадии бурного развития. Топология схемы, электронные компоненты и защита изоляции являются основным направлением развития космических высоковольтных источников питания.Высоковольтные блоки питания со стабильным выходным напряжением, широким диапазоном регулируемой выходной мощности и высокой надежностью будут более гибкими для удовлетворения требований большинства космических высоковольтных приложений.

Заявление о доступности данных

Оригинальные материалы, представленные в исследовании, включены в статью / дополнительный материал, дальнейшие запросы можно направить соответствующему автору.

Авторские взносы

WZ участвовал в разработке, экспериментах и ​​завершает большую часть рукописи.YJ завершает большую часть моделирования. JW помогал в большинстве экспериментов. YH выступал в качестве консультанта факультета и редактора рукописей. YZ и CW выступали в качестве консультантов факультета. JA выступал в качестве консультанта факультета и помогал в большинстве симуляций. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Конфликт интересов

JW и CW использовались компанией China Aerospace Science and Technology Corporation.

Остальные авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Эта рукопись ранее была опубликована в качестве рукописи конференции на 2-й Международной конференции 2020 г. по интеллектуальной энергетике и энергетическим системам Интернета (https://ieeexplore.ieee.org/document/42). Прежде всего, мы благодарим 2-ю Международную конференцию по интеллектуальным энергетическим системам и интернет-энергетическим системам (SPIES) 2020 года, Бангкок, Таиланд, за рекомендацию нашей рукописи в Frontiers in Energy Research, раздел Smart Grids. Эта работа была выполнена Национальным центром космических наук, CAS и Beijing Spacecraft, CAST.Благодарим JW за помощь с экспериментами и YH и CW за ценное обсуждение.

Список литературы

Bekemans, M., Bronchart, F., Scalais, T., and Franke, A. (2019). «Конфигурируемый высоковольтный источник питания для космических кораблей с полным электрическим приводом», в Труды Европейской конференции по космической энергетике 2019 г. (ESPC) , (Жуан-ле-Пен: IEEE), 1–5. DOI: 10.1109 / ESPC.2019.8931988

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ecss (2012). ECSS-E-HB-20-05A Справочник по проектированию и проектированию высокого напряжения в космической технике. Нордвейк: ECSS.

Google Scholar

Форризи Ф., Маше Э., Малльманн А. и Блазер М. (2019). «Компактный недорогой высоковольтный источник питания для космических приложений», в Proceedings of the 2019 European Space Power Conference (ESPC) , (Juan-les-Pins: IEEE), 1–5. DOI: 10.1109 / ESPC.2019.8931982

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фу, М., Чжан, Д., и Ли, Т. (2017). Новая система электроснабжения полностью электрических двигательных космических кораблей. IEEE Trans. Aerosp. Электрон. Syst. 53, 2157–2166. DOI: 10.1109 / TAES.2017.2683638

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Карими Р., Адиб Э. и Фарзанехфард Х. (2014). Резонансный базовый нулевой импульсный мостовой преобразователь нулевого тока. IET Power Electron. 7, 1685–1690. DOI: 10.1049 / iet-pel.2013.0301

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лорд, П.У., Тилли, С., и Болдуин, Дж. (2020). «Коммерческая солнечная электрическая силовая установка: дорожная карта для исследований», в материалах Proceedings of the 2020 IEEE Aerospace Conference , (Big Sky, MT: IEEE), 1–16. DOI: 10.1109 / AERO47225.2020.

30

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Новак Б. М., Смит И. Р., Сеньор П., Паркер М. и Лувердис Г. (2010). «Высоковольтные импульсные источники питания для экспериментов с высокими энергиями», в Трудах Международной конференции по модуляторам мощности и высоковольтному оборудованию IEEE 2010 г. , (Атланта, Джорджия: IEEE), 345–348.

Google Scholar

Риз Б., Хирн К. и Лостеттер А. (2013). «Массив модулей питания анода на основе карбида кремния для двигателей Холла», в материалах Proceedings of the 2013 IEEE Aerospace Conference , (Big Sky, MT: IEEE), 1–8. DOI: 10.1109 / AERO.2013.6496863

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Л., Чжан, Д., Дуань, Дж., И Ли, Дж. (2018). «Проектирование и исследование высоковольтной системы преобразования энергии для космической солнечной электростанции», Труды Международной конференции и выставки по силовой электронике и приложениям (PEAC) (Шэньчжэнь: IEEE) 2018 IEEE International Power Electronics and Application Conference and Exposition (PEAC) , (Шэньчжэнь: IEEE), 1–5.DOI: 10.1109 / PEAC.2018.85

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вэнь-цзе, З., Чэн-ан, В., И-фэй, Г., Го-шуай, З., Янь, З., Юн-ган, К., и др. (2020). «Проектирование космических высоковольтных силовых модулей», Труды 2-й Международной конференции 2020 года по интеллектуальным энергетическим системам и энергосистемам Интернета (SPIES) , (Бангкок: IEEE), 1–6. DOI: 10.1109 / SPIES48661.2020.42

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xin-bin, H., и Li, W.(2015). Современное состояние и перспективы развития SPS-технологий. Пекин: Aerospace China, 12–15.

Google Scholar

Яо, К., Руань, X., Ван, X., и Цзе, К. К. (2011). Изолированные пониженно-повышающие преобразователи постоянного / постоянного тока, подходящие для широкого диапазона входных напряжений. IEEE Trans. Power Electron. 26, 2599–2613. DOI: 10.1109 / tpel.2011.2112672

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Зайцев Р.В., Кириченко М.В., Минакова К.А., Хрипунов Г.С., Здов А. Н., Хрипунова И. В. и др. (2019). «Преобразователь постоянного тока в постоянный для высоковольтной системы отбора мощности солнечной станции», в Труды 2-й Украинской конференции по электротехнике и вычислительной технике IEEE 2019 г. (UKRCON) , (Львов: IEEE), 1–6. DOI: 10.1109 / UKRCON.2019.8879860

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Импульсный источник питания высокого напряжения и тока

Импульсный источник питания высокого напряжения и тока

Автор З. М. Петерсон и пуля; 4 мая, 2020

От интегральных схем до больших источников питания от дискретных компонентов, вашей следующей печатной плате для правильной работы потребуется какая-то схема регулирования мощности.Нам нравится думать, что источники питания всегда обеспечивают плавный выход переменного или постоянного тока, но этого почти никогда не бывает. Прецизионные аналоговые системы и цифровые системы нуждаются в стабильном, предсказуемом выходном напряжении с высокой эффективностью.

Имея это в виду, что определяет эффективность, стабильность и выходную мощность в конструкции импульсного источника питания? Мы можем свести это к пяти областям:

  • Топология коммутационного преобразователя
  • Вспомогательная схема
  • Выбор компонентов
  • Частота переключения
  • PDN импеданс

Последние два пункта выше при проектировании импульсных источников питания обычно являются второстепенными, но они наиболее важны для систем низкого уровня, таких как маломощные устройства IoT и прецизионные аналоговые системы.Вот что вам нужно знать о конструкции импульсных источников питания.

Советы по проектированию импульсных источников питания

Системы постоянного тока низкого уровня

Типичный импульсный источник питания для маломощных / низкоуровневых цифровых систем может содержать схемы управления в небольшом корпусе ИС. В этом случае ваша главная задача — обеспечить, чтобы ваш нерегулируемый вход оставался в правильном диапазоне. Для систем с батарейным питанием напряжение батареи будет падать по мере разряда батареи, поэтому вам необходимо убедиться, что выходное напряжение будет оставаться при желаемом напряжении / токе для поддержания работы системы.Типичная топология заключается в размещении стабилизатора LDO на выходном каскаде, который будет обеспечивать постоянное выходное напряжение и ток, пока его входное напряжение выше требуемого запаса. Обычно вам нужно разместить входные и выходные цепи фильтра электромагнитных помех, а также индуктивность и конденсатор, необходимые для регулирования выходной мощности. Прочтите эту статью, чтобы узнать больше о различных топологиях преобразователей постоянного тока, которые вы можете использовать, а также о том, как выходной сигнал соотносится с рабочим циклом и пульсацией выходного сигнала.

Системы высокой мощности

Для высокого напряжения / низкого тока или для низкого напряжения / высокого тока вы можете приобрести ИС импульсного стабилизатора, которые будут включать в себя необходимые вам схемы регулятора.В этом случае вам необходимо следовать той же стратегии для компоновки и выбора компонентов, что и при работе с низким энергопотреблением. Доступны ИС импульсного регулятора, которые обеспечивают диапазон выходной мощности и могут принимать широкий диапазон входных сигналов.

Для систем большой мощности (высокого напряжения и большого тока) ситуация совершенно иная. Вам нужно будет разметить каждый функциональный блок в проекте импульсного источника питания с нуля. Обычно вам необходимо учитывать следующие аспекты конструкции, чтобы система вырабатывала желаемую выходную мощность:

  • Генератор ШИМ. Устанавливает выход для понижающей, повышающей, пониженно-повышающей топологии преобразователя на определенный уровень в зависимости от рабочего цикла. В современных ИС регуляторов генератор ШИМ может быть программируемым и интегрированным в преобразователь. В других случаях вы можете подавать сигнал ШИМ с помощью MCU или отдельной ИС генератора.

  • Схема управления с обратной связью. Цепи управления обычно полагаются на обратную связь для точного управления, и конструкция импульсного источника питания не исключение.В системах большой мощности обычно используется усилитель считывания тока для проверки того, что выходной ток находится на желаемом уровне. Выходной усилитель затем используется генератором ШИМ или микроконтроллером для регулировки выходного напряжения путем регулировки рабочего цикла сигнала ШИМ.

  • Прочные компоненты. Последнее, что вам нужно, — это отказ вашей системы питания, потому что ваши компоненты не могут выдерживать ток / напряжение, которые им необходимо подавать. Полупроводники (в частности, полевые транзисторы, используемые в импульсных источниках питания) могут выйти из строя, если их перегрузить до экстремальных уровней (тепловой отказ).
  • Температурный менеджмент. Даже регулятор мощности с КПД 99% достигнет высокой температуры, если система не отводит тепло. Для охлаждения системы обычно требуются радиаторы, вентиляторы или и то, и другое.

Эталонный дизайн импульсного источника питания от Maxim Integrated. Обратите внимание на отдельные драйверы IC, MOSFET и пассивные элементы на плате.

Если вы проектируете преобразование мощности постоянного тока с источником питания переменного тока, лучше всего включить схему коррекции коэффициента мощности (PFC) для сети переменного тока.Это гарантирует, что каскад импульсного регулятора в вашем источнике питания будет потреблять почти синусоидальный источник тока, а не потреблять ток короткими импульсами. Это увеличивает общий коэффициент мощности всего регулятора, что, в свою очередь, снижает количество энергии, теряемой в виде тепла (т.е. более высокий КПД).

Выбор частоты переключения ШИМ

Частота переключения сигнала ШИМ в вашем импульсном источнике питания будет определять уровень потерь, поскольку этот сигнал отвечает за модуляцию напряжения затвора в управляющем МОП-транзисторе.Использование более высокой частоты приводит к более частому включению и выключению полевого МОП-транзистора, что затем позволяет меньше накапливаться в полевом МОП-транзисторе. Однако скорость фронта также имеет решающее значение, поскольку она определяет, достаточно ли модулирован канал MOSFET в выключенном состоянии. При низкой скорости фронта МОП-транзистор может оставаться проводящим, даже если сигнал ШИМ упал до 0 В.

Используя более высокую скорость фронта, вы можете глубже перевести полевой МОП-транзистор в состояние ВЫКЛЮЧЕНО, что затем снизит тепловые потери в секции импульсного регулятора.Сочетание более высокой частоты ШИМ и более высокой частоты фронтов ШИМ позволяет использовать в цепи регулятора компоненты меньшего размера. Однако компромисс между кондуктивными и излучаемыми электромагнитными помехами больше, поскольку сигнал ШИМ будет излучать на более высоких частотах. Частоты ШИМ ~ 100 кГц являются типичными для большинства источников питания, но высокоэффективный импульсный источник питания можно было бы сделать более эффективным и использовать более мелкие компоненты, когда частота ШИМ доведена до 1 МГц с фронтовой частотой ~ 1 нс.

Установка ШИМ-переключения выше частоты спада для вашего импульсного регулятора предотвратит передачу шума переключения на выход регулятора.Частота спада определяется на принципиальной схеме базового повышающего преобразователя, показанной ниже. Обратите внимание, что вы можете использовать большую частоту переключения ШИМ, если вы можете использовать меньшие компоненты в своем импульсном стабилизаторе. Вы можете узнать больше об этом в одной из моих недавних статей в блоге Altium PCB Design Blog.

Конструкция импульсного источника питания с понижающим усилением с уравнением частоты спада.

Изоляция и импеданс PDN

Один момент, который мы специально не обсуждали, — это изоляция в конструкции импульсного источника питания.Изоляция питания — отличный способ добавить меры безопасности к вашей энергосистеме. Эта часть конструкции источника питания, а также включение обратной связи управления в изолированной системе достаточно обширна для отдельной статьи.

Чтобы узнать больше об импедансе PDN и его влиянии на цифровые и аналоговые системы, вы можете прочитать другие статьи в блоге NWES:

Обязательно соблюдайте стандарты IPC-2221 и IPC-2158 для своей разводки, чтобы следы не нагревались до чрезмерно высокой температуры, а также для предотвращения электростатического разряда между оголенными проводниками.Эти советы лишь касаются поверхности конструкции источника питания, но подходящая дизайнерская фирма может помочь вам создать совместимую компоновку, которую можно производить в любом масштабе.

В NWES мы создали цифровые и аналоговые системы малой мощности, а также системы постоянного тока большой мощности с различными топологиями конструкции импульсных источников питания. Мы знаем, как создать высококачественную полностью технологичную компоновку печатной платы для вашей системы. Мы здесь, чтобы помочь производителям электроники разрабатывать современные печатные платы и создавать передовые технологии.Мы также напрямую установили партнерские отношения с компаниями EDA и передовыми производителями печатных плат, и мы позаботимся о том, чтобы ваш следующий макет был полностью производимым в любом масштабе. Свяжитесь с NWES для консультации.



Готовы приступить к следующему дизайнерскому проекту?




Высоковольтный источник питания | Matsusada Precision

Напряжение источника питания в Японии включает 100 В, которое в основном используется для домашнего хозяйства, и 200 В, которое используется для промышленных объектов.Однако в области исследований и разработок для работы оборудования и проведения моделирования в различных условиях требуются более высокие напряжения.

В частности, электронные микроскопы, оборудование для рентгеновского контроля, оптическая связь и космические научные эксперименты требуют сильных электрических полей для обнаружения и контроля электронов в элементах. Высокое напряжение необходимо для создания сильного электрического поля.

Источник высокого напряжения используется, когда таким образом требуется высокое напряжение.Источник высокого напряжения преобразует входное напряжение постоянного или переменного тока в высокое напряжение с помощью внутренней схемы преобразования энергии. В отличие от обычных источников питания, высоковольтные источники питания требуют стабильного напряжения и тока. По этой причине некоторые высоковольтные источники питания имеют встроенную технологию стабилизации выходного сигнала.

Matsusada Precision в основном относится к источникам питания с номинальной выходной мощностью 1000 В или более как к источникам питания высокого напряжения, и у нас есть обширный модельный ряд и большой послужной список.В дополнение к высоковольтным источникам питания мы также предлагаем обширную линейку стабилизированных источников питания постоянного тока, источников питания переменного тока и биполярных источников питания.

«Метод схемы Кокрофта-Уолтона» — один из методов генерации высокого напряжения для высоковольтных источников питания.

Он состоит из многокаскадной комбинации конденсаторов и диодов. Увеличивая количество ступеней в цепи Кокрофта-Уолтона, напряжение повышается до желаемого уровня.

Родственные слова:
  • высокое напряжение
  • испытание кабеля высокого напряжения
  • испытание компонентов высокого напряжения

Рекомендуемые товары

Matsusada Precision предлагает линейку высоковольтных источников питания стационарного и модульного типа с «низким уровнем шума» и «высокой надежностью».

Серия AMP

выходное напряжение
от 0 до ± 40 кВ
выходной ток
от 0 до ± 2A
выходная мощность
от 0 до 1,2 кВт

Быстрый отклик скорости нарастания 700 В / µ с

Скорость нарастания напряжения при фактической нагрузке достигает 700 В / мкс.

Серия AMPS

выходное напряжение
от 0 до ± 30 кВ
выходной ток
от 0 до ± 2A
выходная мощность
от 0 до 1.2кВт

Сверхвысокая скорость / высокое напряжение

Сверхвысокая скорость нарастания 1200 В / мкс, высокая скорость отклика полосы частот 100 кГц

Серия AMS / AMT

выходное напряжение
от 0 до ± 20 кВ
выходной ток
от 0 до ± 200 Вт
выходная мощность
от 0 до 100 мА

Быстрый отклик на скорость нарастания 360 В / мкс

Высокая скорость отклика 360 В / мкс, функция смещения постоянного тока, различные типы выходных форм волны в соответствии с входной волной

ES серии

выходное напряжение
от 0 до +5 кВ / -5 кВ
выходной ток
от 0 до 15 мА
выходная мощность
от 0 до 15 Вт

Широкий модельный ряд, позволяющий выбрать оптимальный

Широкий модельный ряд, Компактные настольные блоки для приложений PMT, MCP

EQ серии

выходное напряжение
от 0 до +30 кВ / -30 кВ
выходной ток
от 0 до 30 мА
выходная мощность
от 0 до 30 Вт

Удобный размер и простота эксплуатации

Компактность и высокая мощность 30 Вт

EPR серии

выходное напряжение
от 0 до 30 кВ
выходной ток
от 0 до 150 мА
выходная мощность
от 0 до 150 Вт

Высокая мощность 150 Вт с шириной 84 мм

Компактная и легкая конструкция с универсальным входом для использования в любом месте

SKS серии

выходное напряжение
от 0 до 10 кВ
выходной ток:
от 0 до 10 мА ср.

Высокоскоростной высоковольтный импульсный источник питания

Высокоскоростной режим с частотой повторения 50 кГц

AU серии

выходное напряжение
от 0 до + 120 кВ / -120 кВ
выходной ток
от 0 до 2.2А
выходная мощность
от 0 до 2,2 кВт

Низкопрофильный и легкий

Доступен цифровой интерфейс. Широкий модельный ряд, насчитывающий более 300 моделей, Различные функции дистанционного управления и мониторинга

АК серии

выходное напряжение
от 0 до +120 кВ / -120 кВ
выходной ток
от 0 до 4.25 А
выходная мощность
от 0 до 6,4 кВт

Высокая мощность 6,4 кВт / Компактный

6,4 кВт в 4 U, имеется цифровой интерфейс. Широкий модельный ряд, насчитывающий более 100 моделей

RA / RB серии

выходное напряжение
от 0 до 40 кВ
выходной ток
от 0 до 200 мА
выходная мощность
от 0 до 60 Вт

Высоковольтные источники питания с низким уровнем шума и высокой мощности

Конструкция повышенной надежности с различными защитами

RC серии

выходное напряжение
от 0 до 30 кВ
выходной ток
от 0 до 833 мА
выходная мощность
от 0 до 250 Вт

Высокая мощность / низкий уровень шума
Источник питания высокого напряжения

Встроенный модуль высокой мощности до 250Вт

S серия

выходное напряжение
от 0 до 30 кВ
выходной ток
от 0 до 50 мА
выходная мощность
от 0 до 30 Вт

Программируемый блок питания высокого напряжения

Входные разъемы для передачи данных

TG серии

выходное напряжение
от 0 до 2 кВ
выходной ток
от 0 до 7.5 мА
выходная мощность
от 0 до 1,5 Вт

Сверхкомпактный высоковольтный источник питания для ФЭУ

Широкий диапазон выходного напряжения

TA серии

выходное напряжение
от 0 до 2 кВ
выходной ток
от 0 до 1.5 мА
выходная мощность
от 0 до 1,5 Вт

Сверхкомпактный высоковольтный источник питания для ФЭУ

Низкая пульсация, экономия места и высокая надежность

TC серии

выходное напряжение
от 0 до 2 кВ
выходной ток
от 0 до 1.5 мА
выходная мощность
от 0 до 1,5 Вт

Сверхкомпактный высоковольтный источник питания для ФЭУ

Низкая пульсация, экономия места и высокая надежность

EJC серии

выходное напряжение
от 0 до ± 5 кВ
выходной ток
от 0 до 30 мА
выходная мощность
от 0 до 30 Вт

Электростатический патрон

Быстрый отклик, высокая надежность и длительный срок службы

ECU серии

выходное напряжение
от 0 до ± 5 кВ
выходной ток
от 0 до 10 мА
выходная мощность
от 0 до 10 Вт

Электростатический патрон

Реверсивный выход и принудительный разряд, локальный, удаленный или RS-232C

ECUB серии

выходное напряжение
от 0 до ± 6 кВ
выходной ток
от 0 до 2.5 мА
выходная мощность
от 0 до 2,5 Вт

Электростатический патрон

+ и -, 2 канала, Блок, Реверсивный тип

PZJE серии

Компактный биполярный пьезодрайвер

Высокоскоростной привод, пьезоэлементы с большой емкостью, широкополосный пьезодрайвер, биполярный выход

PZJR серии

Компактный пьезодрайвер большой мощности

Высокомощные широкополосные пьезоэлементы, управляющие пьезоэлементы с высокой емкостью, управляющие пьезоэлементы 1 мкФ с 9.0 кГц

PZJ серии

Компактный и высокоскоростной

Возможен 3-х канальный пьезоуправление. Высокая скорость отклика, можно установить смещение постоянного тока.

Руководство по выбору источников питания высокого напряжения

: типы, характеристики, применение

Источники питания высокого напряжения

используют линейную технологию для обеспечения одного или нескольких выходов постоянного тока с уровнями напряжения в сотни или тысячи вольт.Они часто используются в специализированных приложениях, таких как телекоммуникации, видеотехника и медицинское оборудование. Некоторые из них имеют выходы, которые регулируются локально или через компьютерный интерфейс. Важные характеристики, которые следует учитывать при поиске источников питания высокого напряжения, включают тип источника питания, входное напряжение, выходные характеристики, пользовательский интерфейс и среду.

Стиль и конфигурации

Выбор типа источника питания для высоковольтных источников питания включает монтаж на печатной плате, внутреннюю или открытую раму, стойку и DIN-рейку.

  • A PCB Mount Блок питания устанавливается непосредственно на печатную плату.
  • Внутренний или открытый источник питания разработан как неотъемлемый компонент инструмента или машины. Сюда входят блоки питания с открытой рамой, блоки питания со съемными крышками и другие конфигурации, такие как блоки питания PS / 2 для компьютеров. Блок питания для монтажа в стойку Блок питания устанавливается в стойку или на ней.
  • A DIN-рейка Блок питания предназначен для установки на DIN-рейку.

Технические характеристики

  • Входное напряжение в источник питания высокого напряжения может быть постоянным, однофазным или трехфазным переменным током.
  • Важные характеристики выхода , которые следует учитывать, включают максимальное напряжение, максимальный ток, максимальную мощность, выходную полярность и количество выходов.
    • Максимальное напряжение относится к абсолютному значению диапазона максимального выходного напряжения.
    • Максимальный ток — это максимальный уровень выходного тока.
  • Источники питания часто имеют номинальную общую мощность. Возможны следующие варианты полярности вывода высоковольтных источников питания:
    • Положительное напряжение — Устройства обеспечивают выход положительного напряжения.
    • Отрицательное напряжение — Устройства обеспечивают выходное отрицательное напряжение.
    • Реверсивная полярность — Источники питания высокого напряжения с обратной полярностью обеспечивают как положительное, так и отрицательное выходное напряжение. Устройства можно переключать между двумя выходами.
    • Число выходов может быть одним или несколькими.

Дисплей и интерфейсы

Пользовательский интерфейс для источников питания высокого напряжения может быть аналоговой передней панелью, цифровой передней панелью или компьютерным интерфейсом.

Источники питания высокого напряжения

могут поставляться с прикладным программным обеспечением для управления или мониторинга характеристик источника питания.

Дисплей может быть аналоговым измерителем или индикатором, цифровыми индикаторами или терминалами видеодисплея.Некоторые источники питания высокого напряжения могут контролировать выход с помощью читаемого аналогового сигнала. Источниками питания с управлением аналоговым сигналом можно управлять с помощью аналогового сигнала.

Соответствующие стандарты

BS EN 50443 — Воздействие электромагнитных помех на трубопроводы, вызванных системами электрической тяги переменного тока высокого напряжения и / или системами электроснабжения переменного тока высокого напряжения.

MIL-PRF-62071 — Источник питания: высоковольтный, полупроводниковый, 24 В, постоянный ток.

Изображение предоставлено:

Источники питания Acopian | Alpha Technologies Ltd.


Прочитать информацию о высоковольтных источниках питания для пользователей

PHN & PHY Источники питания высокого напряжения с высокой выходной мощностью

Выход является решающим для использования в устройствах для генерации электронного луча или рентгеновских трубках.

Промышленные приложения и исследовательские проекты часто требуют высокой выходной мощности, а также высокого постоянного напряжения. Серии PHN и PHY от Heinzinger охватывают высоковольтные источники питания постоянного тока с высокой выходной мощностью, которые могут обеспечивать токи, превышающие 40 А при постоянной работе, сохраняя при этом высокую точность и низкую остаточную пульсацию.Регулировка фазового угла с помощью тиристора надежно компенсирует колебания напряжения сети и нагрузки даже во время фазы предварительного регулирования. Источники питания серии PHN с линейным транзисторным контроллером, расположенным ниже по потоку, обеспечивают еще более высокую точность.

Высоковольтные источники питания с высокой выходной мощностью особенно подходят для следующих применений:

  • Источник питания
  • Производство инверторов
  • Рентгеновские трубки
  • Подводная кабельная станция
  • Электронная пушка
  • Электронно-лучевая сварка
  • Электронная лучевой нагрев
  • Испытание преобразователя
  • Фундаментальные исследования
  • Эксперименты с частицами
  • Производственные процессы
  • Химические процессы
  • Испытание полупроводников
  • Производство полупроводников
  • Фотоэлектрическая энергия
  • -1795 Покрытие энергии ветра
  • Лаборатория
  • Серия PHY высоковольтных источников питания с тиристорным управлением и высокой мощностью

    Высоковольтные блоки питания с высокой выходной мощностью из серии Heinzinger PHY достигают точности 0.1 процент и меньше. Они используются в первую очередь там, где требуется обеспечить надежную работу в течение многих лет, например, в ускорителях частиц, рентгеновских трубках или в фундаментальных исследованиях и высокотехнологичных приложениях. Множество их опций делают расходные материалы гибкими и позволяют как электрическую, так и механическую регулировку для каждого отдельного применения. При необходимости могут быть изготовлены высоковольтные источники питания высокой мощности по индивидуальному заказу заказчика.

    Источники питания высокого напряжения | TDK-Lambda Americas

    Продукты

    TDK-Lambda Americas производит широкий спектр программируемых высоковольтных зарядных устройств и источников питания постоянного и переменного тока.Наша продукция включает источники постоянного тока для зарядки конденсаторов серии ALE, которые специально разработаны для периодической зарядки конденсаторов в импульсных разрядных цепях, таких как модуляторы и цепи формирования импульсов. Серии PHV / FLX спроектированы как действительно программируемые источники постоянного тока, которые хорошо подходят для точных и точных непрерывных приложений постоянного тока. Системы под ключ представляют собой модульные и масштабируемые высокомощные решения переменного и постоянного тока, которые охватывают уровни мощности от 60 кВт и выше.

    Недавно мы выпустили серию высоковольтных источников питания постоянного и постоянного тока для монтажа на плате CHVM.

    Серия ALE-OEM — от 500 Вт до 2000 Вт — Один выход

    • Уменьшенный размер упаковки
    • Новый запатентованный инвертор
    • Встроенный PFC
    • Уменьшенное количество деталей
    • Пульт дистанционного управления
    • Высокая устойчивость к электромагнитным и радиопомехам
    • Сертификаты медицинской безопасности

    Серия для монтажа в стойку ALE — от 4000 Вт до 50 000 Вт — Один выход

    • Компактная, легкая конструкция
    • Простая параллельная работа для большей мощности
    • Входное напряжение / частота по всему миру
    • Полностью регулируемое выходное напряжение
    • Интерфейс дистанционного управления
    • Одобрения агентства по безопасности

    Серия ALE-Systems — от 60 000 Вт до 1 000 000 Вт — Один выход

    • 100% модульная / масштабируемая конструкция
    • Компактная механическая компоновка
    • Высокая эффективность
    • Водяное охлаждение
    • Превосходный коэффициент мощности
    • Низкая пульсация

    Серия FLX-HV — от 200 Вт до 1000 Вт — Один выход

    • Легкий, установка в стойку 2U
    • Низкий 0.Пульсации на выходе 1% пик-пик
    • Встроенный счетчик дуги через LAN / USB
    • CE Mark, соответствует требованиям безопасности EN61010
    • Вентилятор с регулируемой скоростью для бесшумной работы
    • Высокая эффективность, 85-90%
    • Трехлетняя гарантия

    PHV Серия — от 14 Вт до 15 000 Вт — Один выход

    • Высокая эффективность> 90%
    • Сверхнизкая 0.01% пик-пик выходной пульсации
    • Защита от коротких замыканий и дуг
    • CE Mark, соответствие требованиям безопасности EN61010
    • Монтаж в 19-дюймовую стойку
    • Трехлетняя гарантия
    .

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.