2.8. Расчет генераторов импульсов

Задачей расчета является определение структуры электрической схемы, выбор элементной базы, определение параметров электрической схемы генераторов импульсов.

Исходные данные:

• вид технологического процесса и его характеристики;

• конструктивное использование разрядной цепи;

• характеристики напряжения питания;

• параметры электрического импульса и др.

Последовательность расчета:

Последовательность расчета зависит от структуры электрической схемы генератора, которая состоит полностью или частично из следующих элементов: источник постоянного (переменного) напряжения, автогенератор, выпрямитель, разрядная цепь, высоковольтный трансформатор, нагрузка (рис.2.14).

Пример

Рассчитать генератор импульсов электрической изгороди (рис. 2.15). Расчет выполняют в два этапа:

• расчет преобразователя напряжения (рис. 2.15, а);

• расчет собственно генератора импульсов (рис. 2.16).

2.14. Полная структурная схема генератора импульсов: 1 – источник напряжения; 2 – автогенератор; 3 – выпрямитель; 4 – сглаживающий фильтр; 5 – разрядная цепь с высоковольтным трансформатором; 6 – нагрузка.

Расчет преобразователя (рис. 2.15 а). Напряжение питания U_n =12В постоянного тока. Выбираем выходное напряжение преобразователя U₀ = 300В при токе нагрузки J₀ = 0,001 А, выходная мощность P₀=0,3 Вт, частота f₀=400Гц.

Выходное напряжение преобразователя выбираем из условий повышения стабильности частоты генератора и для получения хорошей линейности выходных импульсов напряжения, т. е. U_n >>U_{вкл.тир}, обычно U_n =2U_{вкл.тир}.

Частота выходного напряжения задается из условий оптимальной работоспособности задающего генератора преобразователя напряжения.

Величины Р₀ и U₀ позволяют использовать в схеме генератора динистор VS серии KY102.

В качестве транзистора VT используем МП26Б, для которого предельные режимы следующие: U_кбм = 70В, I_КМ = 0,4А, I_бм = 0,015А, U_кбм = 1В.

Сердечник трансформатора предлагаем выполненным из электротехнической стали. Принимаем В_М = 0,7Тл, η = 0,75, 25с.

Проверяем пригодность выполняемого трансформатора для работы в схеме преобразователя по условиям:

U_кбм≥2,5U_n; I_км≥1,2I_кн; I_бм≥1,2I_бн . (2.77)

Ток коллектора транзистора

. (2.78)

Ток коллектора максимальный:

А.

Согласно выходным коллекторным характеристикам транзистора МП26Б для данного коллекторного тока β_ст=30, поэтому ток насыщения базы

А.

Ток базы:

I_бм=1,2·0,003=0,0036А.

Следовательно, транзистор МП26Б по условию (2.78) пригоден для проектируемой схемы.

Сопротивление резисторов в цепи делителя напряжения:

Ом,; (2.79)

Ом.

Принимаем ближайшие стандартные значения сопротивлений резисторов R₁=13000 Ом, R₂=110 Ом.

Резистором R в цепи базы транзистора регулируют выходную мощность генератора, его сопротивление принимают 0,5…1 кОм.

Сечение сердечника трансформатора ТV1:

м². (2.80)

Рис 2.15. Принципиальная электрическая схема генератора импульсов: а – преобразователь;

б – генератор импульсов

Выбираем сердечник Ш8×8, для которого S_c=0,52·10^-4 м².

Количество витков в обмотках трансформатора TV1:

вит.; (2.81)

вит.; (2.82)

вит. (2.83)

Емкость конденсатора фильтра VC1:

Ф. (2.84)

Диаметр проводов обмоток трансформатора TV1:

; (2.85)

Выбираем стандартные диаметры проводов d₁=0,2 мм, d₂= мм, d₃=0,12 мм.

С учетом толщины эмаль изоляции d₁=0,23 мм, d₂= 0,08мм, d₃=0,145 мм.

VS

VD

Рис. 2.16. Расчетная схема генератора импульсов

Расчет генераторов импульсов (рис. 2.16)

Принимаем напряжение на входе генератора равным напряжению на вы­ходе преобразователя U₀ = 300 В. Частота импульсов f =1…2 Гц. Амплитуда на­пряжения импульса не более 10 кВ. Количество электричества в импульсе не более 0,003 Кл. Длительность импульса до 0,1 с.

Выбираем диод VD типа Д226Б (U_обр= 400 В, I_пр= 0,3 А, U_пр = 1 В) и тири­стор типа КН102И (U_вкл=150 В, I_{пр т}=0,2 А, U_пр=1,5 В, I_вкл=0,005 А, , I_выкл = 0,015 А, τ_вкл = 0,5·10^-6с τ_выкл = 40·10^-6с).

Прямое сопротивление постоянному току диода R_д.пр= 3,3 Ом и тиристора R_т.пр= 7,5 Ом.

Период повторения импульсов для заданного диапазона частот:

. (2.86)

Сопротивление зарядной цепи R₃ должно быть таким, чтобы

, (2.87)

где

Ом. (2.88)

Тогда R₃=R₁+R_д.пр=20·10³+3,3=20003,3 Ом.

Ток заряда:

А. (2.89)

Резистор R₂ ограничивает ток разряда до безопасной величины. Его сопротивление:

Ом , (2.90)

где U_p – напряжение на зарядном конденсаторе VC2 в начале разряда, его величина равна U_выкл. При этом должно соблюдаться условие R₁>>R₂ (20·10³>>750).

Сопротивление разрядной цепи:

R_p=R₂R_{т. пр}=750+7,5=757,5 Ом.

Условия устойчивого включения (2.91, 2.92) выполняются.

, , (2.91)

, . (2.92)

Емкость конденсатора VC2:

. (2.93)

Емкость VC2 для частоты f=1 Гц:

Ф

И для частоты 2 Гц:

С₂=36·10^-6 Ф.

Амплитуда тока в цепи заряда конденсатора VC2

, (2.94)

Амплитуда тока в цепи заряда конденсатора VC2:

, (2.95)

А.

Энергия импульса:

Дж. (2.96 )

Максимальное количество электричества в импульсе:

q_м=I_pτ_p=I_pR_pC₂=0,064·757,5·72·10^-6=0,003 Кл (2.97)

не превышает заданное значение.

Рассчитаем параметры выходного трансформатора TV2.

Расчетная мощность трансформатора:

Вт, (2.98)

где η_т = 0,7…0,8 – КПД маломощного трансформатора.

Площадь сечения сердечника трансформатора:

м². (2.99)

Количество витков каждой обмотки трансформатора, приходящееся на

1 В напряжения:

вит/В. (2.100)

Количество витков в обмотках трансформатора TV2:

W₄=150 N=150·16,7=2505 вит.; (2.101)

W₅=10000·16,7=167·10³ вит.

Диаметр проводов в обмотках (2.85):

мм;

мм.

Выбираем стандартные диаметры проводов с эмалированной изоляцией d₄=0,2 мм, d₅=0,04 мм.

Пример. Определить напряжение и токи в схеме рис. 2.16.

Дано: U_с= 300 В переменного тока 400 Гц, С = 36·10^-6 Ф, R_д.пр= 10 Ом, R_т.пр=2,3 Ом, L_w=50 мГн, R₁=20 кОм, R₂=750 Ом.

Напряжение на конденсаторе в момент заряда:

_, (2.102)

где τ_ст = 2·10⁴·36·10^-6=0,72 с.

Полное сопротивление цепи заряда емкости VC2:

Ом . (2.103)

Ток заряда равен:

А.

Напряжение U_c близко по форме к прямоугольным импульсам, поэтому U_M = U_C = 300 В.

Напряжение на конденсаторе в момент заряда для времени τ = 0,01 с (2.102):

В.

Подставив в (2.102) время заряда конденсатора, равное 0,1; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 с, получим напряжения, соответственно, 39; 150; 225; 264; 282; 291 В.

Ток разряда конденсатора:

,

где

,

Ом.

А.

За время τ_max = 2…2,5 с конденсатор заряжается до 288…291 В, т. е. до амплитудного значения сети. Следовательно, частота зарядки конденсатора:

Гц.

Постоянная времени цепи разряда емкости:

τ_ст=R_pC=(R_т.пр+R₂)C₂=752,3·36·10^-6=0,027 c. (2.104)

Время переходного процесса, т. е. время полного разряда:

τ_п=3 τ_ср=3·0б027=0б087 с. (2.105)

Напряжение на конденсаторе при разряде:

, (2.106)

Для τ = 0 В.

Подставив значения времени 0,01; 0,03; 0,1; 0,15 с, получим напряжения на емкости 210; 99; 7,2; 1,1 В, т. е. за время τ=0,1…0,15 с конденсатор полностью разрядится.

При τ = 0 ток I_p и напряжение U_ср равны нулю, и напряжение на конденсаторе оказывается целиком приложенным к индивидуальности. Затем напряжение U₁ уменьшается, поскольку уменьшается скорость нарастания тока.

Напряжение на первичной обмотке трансформатора в момент времени τ = 0:

В, (2.107)

где: - коэффициент затухания контура, α=0,1; 10^-3 с.

В.

Время разряда емкости малое, т. к. постоянная времени разряда небольшая и оно значительно меньше времени заряда. На величину постоянных времени заряда, разряда и частоты существенное влияние оказывают R₁ и R₂, которые рассчитывались из условий нормальной работы генератора и резистора.