В блоке питания пульсирует выходное напряжение: Ремонт БП S-100-12 (пульсация выходного напряжения)

Содержание

Ремонт БП S-100-12 (пульсация выходного напряжения)

Напряжение на выходе блока питания S-100-12 пульсирует от 8 до 11 В. Это слышно по «щелканию» трансформатора и выходному светодиоду блока питания.

Блок питания в традиционном стандартном корпусе. Имеется наклейка «НЕ РАБ ЗАМЕН КОНДЕ», т.е. в нем ранее заменили конденсаторы, но он не заработал или их нужно заменить.

Блок питания S-100-12

Снимаем корпус и получаем доступ к плате. Каких либо отличительных знаков, указывающих на принадлежность к какой-либо торговой марке нет. Работа блока питания S-100-12 построена на ШИМ UC3845P.

Внутреннее устройство S-100-12

На обратной стороне блока питания также отсутствует какая-либо информация. Видны следы пайки практически на всех конденсаторах.

Обратная сторона платы S-100-12

Некоторые из элементов заменены довольно грубо. Пропаиваем такую пайку повторно.

Пропаиваем дефекты пайки

Блок питания находился в сырых условиях окружающей среды, т.к. защитной лак (маска) на плате вздулся и отваливается. Осматриваем визуально дорожки на отсутствие прожигов и обрывов.

Отслоение лака на дорожках

Проверяем все емкости и обнаруживаем, что все конденсаторы исправны кроме двух высоковольтных, стоящих на «горячей», первичной стороне блока питания. Они имеют завышенный ESR.

Высоковольтные конденсаторы с завышенным ESR

Вышло из строя два последовательно включенных конденсатора 220 мкФ на 200 В. Мы можем их заменить одним конденсатором 100 мкФ на 400 В. Он довольно большой по высоте, поэтому ложим его на бок. Не достающие ножки прокладываем отдельными проводниками.

Новый конденсатор

После указанной замены работа блока питания S-100-12 снова пришла в норму и он пригоден к дальнейшему использованию.

Отремонтированный блок питания S-100-12

Ранее приходилось ремонтировать блок питания Kai xin KX-12V05A с подобной пульсацией выходного напряжения, но тогда был неисправным конденсатор в обвязке микросхемы ШИМ.


Поделиться новостью в соцсетях Обсуждение: есть 1 комментарий
  1. Александр:

    У меня похожая проблема, но только на холостом ходу. Если нагрузить хотя бы 5 кОм, то перестает щелкать и нормально работает вплоть до нагрузки 100%. Наряжение высоковато, видимо защита от перенапряжения срабатывает, хотя низковольную часть проверил все впорядке. Появилось после ремонта высоковольтной части, там ключ, uc3842 и высоковольтный кондер менялся. Ключ NEC 3299 заменен на аналог P10NK60Z.

    Ответить

Параметры выходного напряжения в импульсных источниках питания MEAN WELL

22.06.2020

В большинстве случаев для выбора источника питания достаточно двух основных параметров – выходное напряжение и выходной ток, которые определяют мощность источника питания. Такое упрощение возможно для ряда нагрузок, где допускается варьирование выходных параметров источника питания в достаточно широких пределах. Однако для оценки применимости блока питания в конкретных условиях эксплуатации компания MEAN WELL приводит ряд дополнительных параметров выходного напряжения, которые можно или следует учитывать при выборе:

Отклонение напряжения

Отклонение напряжения (Voltage Tolerance) – относительная величина (выражается в процентах), характеризует возможное и допустимое отклонение от номинального уровня. Как правило, это величина учитывает дополнительные отклонения стабильности по входу (сети) и выходу и позволяет оценить максимальное отклонение напряжения

от номинального значения.

Пульсации и шум

Пульсации и шум (Ripple and Noise) – абсолютная величина (выражается, как правило, в мВ) размаха напряжения, характеризующая частотные компоненты в выходном напряжении постоянного тока в импульсных источниках питания. Пульсации возникают как следствие выпрямления входного напряжения сети в выпрямителе блока питания; частота пульсаций равна удвоенной частоте сети. Шум – это вторая частотная компонента, возникает за счет работы ключевых элементов БП в импульсном режиме.

Стабильность по входу/сети

Стабильность по входу/сети (Line Regulation) – относительная величина, характеризует изменение выходного напряжения при изменении входного напряжения в допустимом диапазоне. То есть параметр стабильность по входу позволяет оценить качество работы импульсного источника питания в условиях нестабильной сети. Определяется по формуле:

Стабильность по выходу

Стабильность по выходу (Load Regulation) – относительная величина, характеризует изменение выходного напряжения при изменении нагрузки на трех уровнях – минимальная нагрузка, максимальная, и половина. То есть параметр стабильность по выходу позволяет оценить качество работы импульсного источника питания в условиях нестабильной или вариативной нагрузки, подключенной к блоку питания. Определяется по формуле:

Значения параметров выходного напряжения в импульсных источниках питания зависят от применяемой топологии, мощности, ширины ряда выходных напряжений в серии и назначения блоков питания. Так, например, для светодиодных источников питания малой мощности APV-12 характерны невысокие параметры:

А для блоков питания на DIN-рейку серии EDR-120 значения параметров уже значительно лучше и соответствуют значениям для серий блоков питания промышленного применения:

Для консультирования или уточнения информации по источникам питания MEAN WELL обращайтесь по адресу электронной почты [email protected]

ru.

Блоки питания

 Источник постоянного напряжения 12 Вольт мощностью 60, 100, 150, 200, 250 Ватт во влагозащищённом корпусе. Предназначен для использования со светодиодными лентами, линейками, модулями, лампами и др. устройствами соответствующего напряжения.

 

Технические характеристики:

 Блок питания 60 Вт

входное напряжение 100-250 В 47-63 Гц
выходное напряжение 12 В (постоянное)
максимальный выходной ток 5 А
нестабильность выходного напряжения < 0.01
энергоэффективность > 0.83
пульсация и шум < 200 мВ
рабочая температура -30…+50°C
температура хранения -40. ..+80°C
количество каналов 1
степень защиты IP 67
размеры 195 х 52 х 35 мм
масса 650 г

 Блок питания 100 Вт

входное напряжение 170-250 В 47-63 Гц
выходное напряжение 12 В (постоянное)
максимальный выходной ток 8.3 А
нестабильность выходного напряжения < 0.01
энергоэффективность > 0.85
пульсация и шум < 100 мВ
рабочая температура -30…+50°C
температура хранения -40…+80°C
количество каналов 2
степень защиты IP 67
размеры 202 х 71 х 45 мм
масса 1000 г

 Блок питания 150 Вт

входное напряжение 170-250 В 47-63 Гц
выходное напряжение 12 В (постоянное)
максимальный выходной ток 12. 5 А
нестабильность выходного напряжения < 0.01
энергоэффективность > 0.87
пульсация и шум < 500 мВ
рабочая температура -30…+50°C
температура хранения -40…+80°C
количество каналов 2
степень защиты IP 67
размеры 242 х 71 х 45 мм
масса 1200 г

 Блок питания 200 Вт

входное напряжение 170-250 В 47-63 Гц
выходное напряжение 12 В (постоянное)
максимальный выходной ток 16.6 А
нестабильность выходного напряжения < 0.01
энергоэффективность
> 0. 87
пульсация и шум < 150 мВ
рабочая температура -30…+50°C
температура хранения -40…+80°C
количество каналов 2
степень защиты IP 67
размеры 304 х 71 х 45 мм
масса 1500 г

Блок питания 250 Вт 

входное напряжение 176-264 В 47-63 Гц
выходное напряжение 12 В (постоянное)
максимальный выходной ток 20.8 А
нестабильность выходного напряжения < 0.01
энергоэффективность > 0.87
пульсация и шум пульсация и шум < 150 мВ
рабочая температура -40. ..+60°C
температура хранения -40…+85°C
количество каналов 2
степень защиты IP 67
размеры 228 х 98 х 57 мм
масса 1750 г

 

 

 

Блок питания для светодиодной ленты Apeyron Electrics 03-48 75 Вт 12 В 6,5 А

Подробное описание

Артикул № 4410072

Блок питания — это основа большинства электротехнических изделий, от качества и надежности которого напрямую зависит срок службы изделия и стабильность его работы. Стабилизированный по напряжению блок питания преобразует переменный ток из сети с напряжением 220В В постоянный ток с напряжением 12В и обеспечивает оптимальный режим работы светодиодных осветительных приборов и других устройств, продлевая их срок службы. При выборе блока питания рекомендуется предусматривать 20% запаса мощности, что позволит сохранять работоспособность гораздо дольше. Для безопасной работы блок дополнительно оснащен схемами защиты светодиодной ленты от аварийных ситуаций скачков напряжения, возможных коротких замыканий.

Источники питания Apeyron Electrics полностью совместимы со светодиодной лентой торговой марки Apeyron Electrics и обеспечивают оптимальный режим работы и долгий срок службы светодиодов.

Блок питания 03-48 мощностью 75 Вт обладает на выходе постоянным током с напряжением 12В, что делает его идеальным источником питания для таких изделий, как светодиодная лента, светодиодные лампы, линейки и модули с рабочим напряжением 12В. Компактный, алюминиевый корпус позволит найти место для монтажа в любом интерьере, спрятать в местах с ограниченным пространством. Также он будет легок в подключении благодаря клеммам, снабженным маркировкой на корпусе. Кроме всего прочего этот блок питания, благодаря входному фильтру, будет работать при скачках напряжения в диапазоне 175-240В, в то время как выходной фильтр сглаживает пульсацию и защищает ваши глаза. Данный блок питания имеет степень защиты от пыли и влаги IP20, а это значит, что его рекомендуется устанавливать в сухих и проветриваемых помещениях.

Преимущества:


  • — Срок службы более 7-ми лет
  • — Компактный размер, легкий вес
  • — Высокая эффективность и стабильность
  • — Встроенные защиты от перегрузки, перегрева и короткого замыкания
  • — КПД > 90%
  • — Протестирован при 100% нагрузке
  • — Бесшумная работа
  • — Отсутствие пульсации
  • — Высокое качество сборки и многоступенчатый контроль качества на всех этапах производства

Модель:03-48
Тип:Блок питания
Назначение:Для светодиодной ленты
Тип совместимых ламп:Светодиодная
Максимальная выходная мощность:75 Вт
Максимальное выходное напряжение:12 В
Максимальный выходной ток:6,5 А
Напряжение подключаемой ленты:12 В
Входное напряжение:240 В
Тип входящего тока:Переменный (AC)
Тип выходящего тока:Постоянный (DC)
Материал:Металл
Функциональные особенности:Защита от перегрузки
Конструктивные особенности:Защита от короткого замыкания
Длина:40 мм
Ширина:160 мм
Высота:30 мм
Вес:170 г
Размеры и вес (брутто)
Вес:170 г
Высота:16,0 см
Ширина:4,0 см
Глубина:3,0 см
Дополнительная информация
Страна производства:КНР

Импульсный блок питания для телетайпа из 1940х (со светящимися ртутными тиратронами!)

Недавно мы начали процесс восстановления телетайпа Model 19, военно-морской системы связи из 1940х

[1]

.

Этот телетайп питался от массивного блока питания постоянного напряжения, который звался «Выпрямитель REC-30». В нём использовались специальные тиратроны на ртутных парах, которые выдавали жуткое голубое свечение при включении, как на фото ниже.


Тиратронные трубки в блоке питания REC-30 выдают такое голубое свечение. Оранжевый свет исходит от неоновой лампы, используемой как источник опорного напряжения.

REC-30 интересный экземпляр в первую очередь из-за того, что это очень ранний импульсный блок питания. (Я знаю, что весьма спорно называть этот девайс импульсным блоком питания, но, тем не менее, я не вижу хорошей причины не делать этого). Несмотря на то, что в наши дни импульсные блоки питания используются повсеместно (из-за дешевизны высоковольтных транзисторов), они были диковинкой в 1940х. REC-30 огромен — его вес превышает 45 килограмм! Если сравнить его с 300 граммами блока питания для MacBook’а, то виден впечатляющий прогресс в развитии блоков питания с 1940х годов. В данной записи я загляну внутрь блока питания, опишу принципы его работы и сравню его с БП для MacBook’a.

Что же такое телетайп?



Телетайп Model 19. Изображение из журнала BuShips Electron от 1945 года.

Teletype является брендом производителя телепринтеров, которые, по сути, являются пишущими машинками, способными сообщаться через проводное соединение на длинных дистанциях. Возможно, вы знакомы с телетайпами через старые фильмы о журналистике, в которых эти устройства использовали для передачи новостных бюллетеней. Или, может быть, вы видели компьютеры из 1970х с телетайпом ASR33 в качестве терминала. Большая часть терминологии для технологии последовательных портов в современных компьютерах исходит из эры телетайпов: стартовый и стоповый биты, бодрейт, TTY и даже клавиша Break. Телетайпы также умели записывать и считывать символы с перфолент, используя 5-битное кодирование [2].


«Телетайп останется навсегда.» На фотографии показана перфолента для 5-битного кодирования, используемого телетайпами. Изображение из журнала BuShips Electron от 1945 года.

Телетайпы появились в ранних 1900х. В этой доэлектронной эре выбор символа, сериализация и печать достигались за счет использования сложных электромеханических устройств: электромагнитов, переключателей, рычагов, шестеренок и кулачковых механизмов. Нажатие на клавишу в телетайпе замыкало определенный набор переключателей, ассоциированных с символом. Моторизованный распределитель сериализовал этот набор бит для передачи по проводу. На принимающей стороне электромагниты преобразовывали полученные биты данных в движения механических избирательных гребней. Передвижение гребней образует сочетание выемок, соответствующее принятому символу, и совпадает с типовым рычагом, связанным со знаком. В результате получаем напечатанный символ [3].


Частично разобранный телетайп Model 19

Токовая петля

Телетайпы сообщаются друг с другом через 60мА токовую петлю: наличие тока в цепи даёт значение «маркер» (телетайп, соответственно, дырявит перфоленту), а если течение тока прерывается, то получаем значение, называемое «пробел». Каждый символ передаётся семью битами: стартовый бит, 5 бит данных и стоп-бит. Если вы когда-либо использовали последовательные устройства на вашем ПК, то знайте — именно телетайпы ввели понятия стартовых и стоповых битов. А бодрейт получил название по имени изобретателя 5-битного кодирования —

Эмиля Бодо

. Блок питания REC-30 выдавал 900 мА при 120В постоянного тока, достаточного для питания 15 телетайпов.

Возможно вы гадаете, почему же телетайпы просто не использовали уровни напряжения вместо этой странной токовой петли? Главная причина заключается в том, что при посылке сигналов по проводам в другой город очень трудно узнать какое же итоговое напряжение будет на том конце, из-за падения напряжения по пути. Но если вы отправляете 60мА, приемник получит те же самые 60мА (если не будет короткого замыкания, конечно же) [4]. Большой ток необходим для того, чтобы приводить в движение электромагниты и реле в телетайпах. В дальнейшем телетайпы стали чаще использовать 20мА токовую петлю вместо 60мА.

Зачем использовать именно импульсный блок питания?

Существует несколько путей разработки стабилизирующего источника питания. Наиболее простой и очевидный — линейный блок питания, который построен на лампах или транзисторах для стабилизации напряжения. Блок питания ведёт себя как переменный резистор, понижая входное напряжение до необходимого выходного уровня. Проблема с линейными блоками питания заключается в том, что они в принципе не очень-то и эффективны, ибо избыточное напряжение конвертируется в никому не нужное тепло.

Действительно, более современные блоки питания являются импульсными. Они с высокой частотой включаются и выключаются, таким образом доводя среднее напряжение до желаемого выходного уровня. Так как переключающий элемент (не важно активен он или нет) не имеет такого высокого сопротивления как линейный источник питания, то импульсные блоки тратят зазря совсем немного энергии. Кроме того, обычно они еще намного меньше и легче, но, очевидно, что разработчики REC-30 не следовали этому канону (его ширина больше 60см) [5].

Большинство блоков питания, которые попадутся вам на глаза, являются импульсными — начиная от зарядки для телефона, заканчивая блоком питания вашего компьютера. Импульсные БП набрали свою популярность в 1970х после разработки высоковольтных полупроводников, поэтому REC-30, с ламповой компонентной базой, является весьма необычным экземпляром.


Блок питания телетайпа REC-30 в своём сером окрашенном корпусе. Кабели питания выходят сверху. Лампы находятся за дверцей справа.

Внутри блока питания REC-30

На фото ниже можете увидеть основные компоненты блока питания. Переменный ток поступает слева и подаётся в большой

автотрансформатор

. Автотрансформатор — это специальный однообмоточный многоцелевой трансформатор, который преобразует напряжение входного переменного тока (которое может быть от 95В до 250В)

[6]

в фиксированные 230В. Благодаря этому, блок питания способен переваривать широкий спектр входных напряжений, путём простого подключения провода к соответствующей клемме автотрансформатора. Выходные 230В от автотрансформатора подаются на анодный трансформатор (управляющий), который выдаёт 400В для тиратронных трубок

[7]

.

Они, в свою очередь, выпрямляют и стабилизируют напряжение, превращая переменный ток в постоянный. Затем ток фильтруется конденсаторами (их не видно на фото) и катушками индуктивности (дроссели) и окончательно на выходе получается 120В постоянного тока.


Основные компоненты REC-30

Опустим пока само переключение питания. Преобразование переменного тока в постоянный в REC-30 происходит через использование полноволнового выпрямителя и трансформатора со средней точкой (управляющий трансформатор), примерно так, как на схеме ниже (вместо диодов для выпрямления тока используются тиратроновые трубки). Обмотки трансформатора выдают две синусоиды в противофазе, поэтому у нас всегда будет положительная фаза тока, которую мы проводим через одну из тиратроновых трубок, получая пульсирующий постоянный ток (другими словами, отрицательная фаза переменного тока инвертируется и получается положительный выходной сигнал). Затем блок питания, с помощью катушек индуктивности (дросселей) и фильтрующих конденсаторов, сглаживает пульсацию и предоставляет ровное напряжения на выходе.

Схема полноволнового выпрямителя (по центру), который преобразует переменный ток (слева) в пульсирующий постоянный (справа). Изображение принадлежит Wdwd, CC BY 3.0.

В отличие от диодов на схеме выше, тиратроновые трубки в блоке питания могут включаться и отключаться, давая, таким образом, возможность контролировать выходное напряжение. Основная идея заключается в том, чтобы включать тиратрон в определенную фиксированную фазу цикла переменного тока, как на анимации снизу. Если тиратрон включен полный цикл, то мы получаем полное напряжение, если включен пол-цикла, то половину напряжения, а если всего на какую-то малую долю цикла, то на выходе будет совсем небольшое напряжение [8]. Такая техника называется фазовым регулированием, потому что устройство включается только в определенный фазовый угол (к примеру, между 0° и 180° для синусоиды переменного тока). Очень похожий метод используется в обычном диммере освещения, разве что в них используются полупроводниковые симисторы вместо тиратроновых трубок [9].


Схема фазовой регуляции. Верхняя часть анимации показывает какая часть импульса используется, а нижняя показывает момент в котором тиратрон включен. Изображение принадлежит Zureks, CC BY-SA 2.5.

Тиратроновые трубки блока питания напоминают радиолампы, но в отличие от них содержат аргон и ртутные пары внутри стеклянной колбы (тогда как в радиолампах поддерживается вакуум). Тиратроновые трубки состоят из трех компонент: нить накаливания (катод), анод и сетка. Нить накаливания, похожая на те, которые используются в обычных лампочках, нагревается и испускает электроны. Анод, закрепленный сверху трубки, улавливает эти электроны, позволяя, таким образом, течение тока от катода к аноду. Контрольный электрод (сетка), находящийся между анодом и катодом служит цели блокировки потока электронов. Когда электроны текут к аноду, ртутный пар ионизируется, открывая таким образом тиратрон и производя побочный эффект в виде синего свечения, которое вы можете наблюдать на фото (а вот в обычных радиолампах хотя и имеется поток электронов, но ионизировать нечего). Ионизированная ртуть создаёт высокопроводящий тракт между катодом и анодом, позволяя течь довольно сильному току (1.5А). Как только ртуть ионизируется, сетка больше не управляет тиратроном, и он остаётся открытым до тех пор, пока напряжение между анодом и катодом не упадёт до нуля. В этот момент ионизация спадает и трубка выключается, пока её опять не переведут в открытое состояние.


Блок питания REC-30 для телетайпа. Видно синие свечение тиратроновых трубок оранжевое свечение неоновой лампы, используемой как источник опорного напряжения. Таймер и реле заметны слева сверху

Напряжение на сетке управляет тиратроном. Отрицательное напряжение отражает отрицательно-заряженные электроны, препятствуя таким образом току электронов между катодом и анодом. Но когда напряжение на аноде становится достаточно сильным, электроны преодолевают отталкивание сетки, и тиратрон открывается. Важный момент заключается в том, что чем выше отрицательное напряжение на сетке, тем более сильное отталкивание происходит и тем более высокое напряжение требуется, чтобы открыть тиратрон. Таким образом, напряжение на сетке управляет фазой цикла переменного тока, в которой тиратрон открывается.

Управляющая схема блока питания стабилизирует выходное напряжение через изменение напряжение на сетке, контролируя тайминги тиратрона [10]. Я использовал регулировочный потенциометр блока питания чтобы показать как меняется напряжение при смене таймингов. У меня получалось выставить выходное напряжение (синий на осциллограмме) в интервале от 114В до 170В. Стабилизирующая схема регулировала напряжение сетки (розовый), и через него управляя таймингами тиратронов (сине-зелёный и желтый) [11]. Осцилограмма устроена немного хитро — обратите внимание на соответствующее примечание. Главная деталь, которую важно подметить, это то, как пики сине-зелёной и желтой кривых сдвигаются влево с увеличением выходного напряжения, и это означает что тиратроны срабатывают раньше.


Изменением фазы регулируется выходное напряжения от 130В до 170В. Желтым и сине-зеленым обозначаются напряжения на тиратронах. Розовым — сигнал управляющей сетки. Синим — инвертированное выходное напряжение.

На изображении ниже показана схема блока питания REC-30 (крупнее — здесь). Входная цепь переменного напряжения выделена зеленым. В ней автотрансформатор стабилизирует входное напряжение до 230В и подаёт его на управляющий трансформатор. Установленные тиратроновые трубки имеют интересную особенность — они должны быть предварительно прогреты перед использованием, дабы гарантировать то, что ртуть находится в газообразном состоянии. Выполняется прогрев за счет использования биметаллического таймера на 20 секунд [13]. Вторичная сторона управляющего трансформатора, которая выдаёт 400В напряжение маркирована красным, стабилизированное тиратронами напряжение выделено оранжевым, а низкое напряжение — синим [14]. Цепь управления (нижняя часть схемы) чуть сложнее. Лампа управляющей сетки (пентод 6J6) обеспечивает управляющее напряжение на сетки тиратронов, контролирую когда они должны быть включены. Эта лампа принимает напряжение обратной связи (пин 5) через потенциометр (используя деление напряжения). Выходной контакт лампы (пин 3) задаёт напряжение сетки тиратронов и таким образом держит выходное напряжение стабилизированным. Падение напряжения на неоновой лампе практически постоянно, что позволяет ей вести себя как источник опорного напряжения и выдавать фиксированное напряжение на катод управляющей лампы (пин 8)


Схема блока питания REC-30. По какой-то неведомой причине, на чертеже Омы маркируются омегой в нижнем регистре (ω) вместо привычной Ω

Сравнение с блоком питания MacBook’а

Интересно сравнить данный блок питания с современным блоком питания для MacBook’а дабы проследить насколько сильно импульсные блоки питания развились за последние 70 лет. Адаптер питания для Apple MacBook’а более-менее сопоставим с блоком питания REC-30: он выдает 85Вт постоянного тока, преобразуя входной переменный (у REC-30 этот показатель равен 108 ваттам). Однако при этом блок питания MacBook’а весит примерно 280грамм, в то время как вес REC-30 около 45 килограмм. Кроме того, размер так же значительно меньше чем даже 1% от габаритов REC-30, что наглядно показывает невероятные успехи в миниатюризации электроники с 1940х годов. Массивные тиратроны для переключения питания были заменены компактными MOSFET’ами. Резисторы уменьшились от размеров пальца до размеров меньше зернышка риса. Современные конденсаторы стали меньше, но не в такой пропорции как резисторы — они являются одним из наиболее крупным компонентом зарядки для MacBook’а, в чем вы можете убедиться на фото ниже.


Внутри 85-ваттного блока питания для Apple MacBook. Несмотря на его небольшое размер, блок питания устроен намного сложнее в сравнение с REC-30. В нём есть цепь коррекции коэффициента мощности (PFC) для улучшения эффективности линии питания. Многочисленные функции безопасности (ради которых в схеме даже есть 16-битный микроконтроллер!) отслеживают состояние блока питания, и отключает его в случае какой-либо угрозы или ошибки.

Большую часть веса зарядное устройство от MacBook’а сбросило за счет замены громадных автотрансформатора и анодного управляющего трансформатора небольшими высокочастотными трансформаторами. Блок питания MacBook’а работает на частотах в 1000 раз больших, чем REC-30, что позволяет катушкам индуктивности и трасформаторам быть намного меньших размеров. (Я написал более подробную статью про зарядку MacBook’a здесь, а про историю блоков питания — здесь.)

В таблице ниже я резюмировал различия между REC-30 и блоком питания MacBook’a.

Я измерил качество выходного сигнала REC-30 (на изображении ниже). Блок питания выдаёт куда более качественный сигнал чем я ожидал — пульсация всего в 200мВ (волны на синей горизонтальной линии), что весьма близко к уровню устройств от Apple. Однако на осцилограмме также можно видеть узкие всплески (вертикальные линии) примерно в 8 вольт, которые происходят при переключении тиратронов. Эти всплески весьма велики по сравнению с блоком питания от Apple, но всё равно куда меньше чем в дешёвых зарядных устройствах.


Выходной сигнал блока питания REC-30. Видно небольшую пульсацию и всплески при переключении питания.

Заключение

Блок питания REC-30 выдаёт более 100 Ватт мощности постоянного тока для телетайпа. Вышедший в 1940х, REC-30 был крайне ранним импульсным блоком питания, использующим ртутные тиратроновые трубки ради большей эффективности. Он был чудовищно большим для 100Вт-ного блока питания: вес был более 45 килограмм. Сравнимый современный блок питания компактнее и легче более чем в 100 раз. Несмотря на свой возраст, блок питания работал безупречно, как вы можете убедиться в видео Марка. Кроме того, сам процесс работы выглядит весьма красиво — голубое свечение от тиратронов и оранжевое от большой неоновой лампы.

Спасибо Carl Claunch и Marc Verdiell за их работу с этим блоком питания!

Примечания


1. Первое упоминание о внедрении телетайпов для ВМФ было в журнале

BuShips Electron

от сентября 1945го. Разработка радиотелетайпа (RTTY), в котором обычно используется частотная манипуляция (FSK), позволила применять телетайпы для нужд ВМФ. Сначала флот использовал радиотелетайпы только для связи береговых станций между собой, и только потом стал применять их и на кораблях. Ключевым преимуществом телетайпа была скорость: он был в четыре раза быстрее чем отправка сообщения по радио оператором вручную. Кроме того, сообщения на перфоленте можно было автоматически копировать и пересылать. А еще телетайп мог быть интегрирован с криптографическим оборудованием, таким как

SIGTOT

, основанным на криптосистеме одноразовых блокнотов. Больше про телетайпы Второй мировой войны можете почитать

здесь

.

2. В 1870х Эмиль Бодо изобрел 5-битовый код, названный его именем. Другой 5-битовый код создал Дональд Мюррей в 1901 году и был стандартизован как ITA-2 (CCITT-2). Обе схемы кодирования выглядят бессистемно — символы кажутся разбросанными в случайном порядке. Однако оригинальный код Бодо являлся так же и кодом Грея, а код Мюррея был оптимизирован для того, чтобы делать меньшее число перфораций для наиболее встречающихся символов, что позволяло уменьшить износ механизмов. 5-битные кода были актуальны до стандартизации ASCII в 1960х, в котором алфавитный и бинарный порядок символов совпадают. ↑

3. Более подробная информация о том, как работает телетайп — здесь. Кроме этого, есть еще более обширный документ — Fundamentals of Telegraphy (Teletypewriter), Army Technical Manual TM 11-655, 1954. Чертежи на REC-30 можно скачать отсюда, а документацию — здесь.↑

4. Учтите, что в противоположность системе, основанной на измерении напряжения, компоненты токовой петли, как следует из названия, и должны формировать топологическую петлю для того, чтобы ток мог протекать через них. Если исключить какое-либо устройство из цепи, то петля разорвется в случае отсутствия механизма замыкания петли. В результате, в системе коммуникации телетайпов содержится множество сокетов, которые замыкаются при отключении компонента для того, чтобы токовая петля продолжала функционировать.↑

5. Главная причина того, что REC-30 такой большой и тяжелый, в сравнении с современными импульсными блоками питания, заключается в том, что частота импульсов всего 60Гц, в то время как современные БП работают на частоте в десятки килогерц. Так как ЭДС трансформатора пропорциональна частоте его работы, то высокочастотные трансформаторы могут быть гораздо меньше по размеру чем низкочастотные (подробнее). ↑

6. REC-30 может работать с широким набором входных напряжений (95, 105, 115, 125, 190, 210, 230, 250 вольт переменного тока) и током различной частоты (25, 40, 50 и 60 Гц). Современные импульсные блоки питания автоматически подстраиваются к входному напряжению, но REC-30 требует подключения контакта к соответствующей клемме автотрансформатора для смены входного напряжения. Возможно, вам покажется частота в 25Гц весьма странной для входного тока блока питания, но многие регионы США использовали 25-герцовое питание в 1900х. В частности, Ниагарский водопад генерировал электрический ток в 25Гц из-за особенностей дизайна турбин. В 1919 более чем 2/3 выработки энергии в Нью-Йорке была с частотой в 25Гц, а в Буффало только в 1952 году стали использовать 60Гц ток в больших объемах чем 25Гц. Из-за такой популярности 25Гц тока многие перфораторы IBM ранних 1900х могли работать на 25 герцах (подробнее). ↑

7. Изоляция входного переменного тока от выходного постоянного тока является ключевым элементом безопасности в большинстве блоков питания, включая зарядные устройства, блоки питания компьютеров и рассматриваемый REC-30. Такая развязка предотвращает сильный удар током при соприкосновении с выходными контактами. Для REC-30 критическую роль изолятора выполняет анодный трансформатор. Заметьте, что автотрансформатор не предоставляет никакой изоляционной защиты, так как у него только одна главная обмотка и прикоснуться к его выводу тоже самое что и коснуться входного переменного тока. Остальная цепь аккуратно спроектирована с таким расчетом, что нет прямого пути между входом и выходом: система управления находится целиком на вторичной стороне, нити накаливания тиратронов питаются от обмотки, изолированной от автотрансформатора, а реле обеспечивают изоляцию таймеру. Кроме этого, 120В выход сделан двухтактным вместо заземления одного из контактов: это означает, что нужно схватить сразу за 2 контакта чтобы получить удар током.↑

8. Современные импульсные блоки питания используют схемы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для переключения питания с частотой в тысячи раз за секунду. Это позволяет им иметь гораздо меньший размер и более ровный выходной сигнал по сравнению с блоками питания, которые переключаются только единожды за один цикл переменного тока. Но в то же время, им нужна куда более сложная система управления.↑

9. Современным твердотельным эквивалентом тиратронов является кремниевый выпрямитель, который так же называют SCR или тиристор (комбинация слов «тиратрон» и «транзистор»). SCR имеет четыре полупроводниковых слоя (в сравнении с 2-слойным диодом и 3-слойным транзистором). Точно так же как и тиратрон, SCR находится в выключенном состоянии до тех пор, пока не будет подан ток на управляющий электрод. SCR остаётся включенным и работает в роли диода до тех пор, пока напряжение не падает до 0 (строго говоря, пока протекающий ток не становится меньше тока удержания). Симистор это полупроводниковый элемент, весьма похожий на SCR, за исключениме того, что он пропускает ток в обоих направлениях, что делает его более удобным в схемах с переменным током.↑

10. Изначально я полагал, что, с увеличением нагрузки, тиратроны будут открыты на более длительные временные промежутки дабы выдать больше тока. Однако, после подключения осциллографа и изучения поведения тиратронов под различной нагрузкой, я не заметил никакого смещения фазы. Оказалось, что это ожидаемое поведение: трансформатор выдаёт в общем-то постоянное напряжение, вне зависимости от нагрузки. Таким образом, и тайминги тиратронов остаются постоянными при изменениях в нагрузке, а трансформатор просто выдаёт больше тока. В этом видео можете заметить, как меняется свечение тиратронов при увеличении силы тока. ↑

11. Под небольшой нагрузкой блок питания может даже иногда пропускать цикл переменного тока полностью, вместо того, чтобы переключать тиратроны посреди него. Визуально это можно наблюдать как мерцание тиратронов, вместо постоянного свечения. Не уверен в том, баг ли это или фича.↑

12. На осцилограмме желтые и сине-зеленые линии обозначают напряжение на двух тиратронах. Плоская часть линий (в этот момент разница в напряжениях около нуля) означает, что в этот момент тиратрон включается. Тиратроновые трубки несимметричны, и поэтому та, за которой закреплен желтый сигнал, обычно включается позже (визуально можно наблюдать как один тиратрон светится ярче чем другой). Розовая линия — напряжение управляющей сетки. Отметьте, что оно возрастает дабы повысить выходное напряжение, и это увеличение заставляет тиратроны срабатывать раньше. Вертикальный всплеск розовой линии это просто шум из-за срабатывания тиратронов. Синия линия снизу — выходное напряжение (инвертированное: линия идёт вниз при возрастании напряжения).

Для меня загадка почему всегда хотя бы один тиратрон работает — постоянно либо желтая, либо сине-зеленая линия находятся в нуле. Я ожидал бы увидеть разрыв между нулевым напряжением на одном тиратроне и моментом открытия второго. Я подозреваю, что большие катушки индуктивности нагнетают отрицательный заряд на катод, таким образом, даже, когда сам анод отрицательный, разница потенциалов между катодом и анодом всё равно положительная. ↑

13. 20-секундная задержка перед подачей питания на трубки достигается за счет таймера и реле. В таймере используется биметаллическая пластина с подогревателем. Когда вы включаете блок питания, катод получает питание незамедлительно
для прогрева трубок. В то же время, подогреватель внутри таймера прогревает биметаллическую пластину и в какой-то момент пластина изгибается достаточно для замыкания контактов и питания трубок. В этот же момент срабатывает реле и в свою очередь тоже замыкает контакты.↑

14. Цепь, относящаяся к катодам, немного каверзная, так как нити накаливания тиратронов используются как в качестве подогрева трубок, так и непосредственно в качестве катодов. На них подаётся 2.5В от автотрансформатора. Кроме этого, так как в тиратронах нити накаливания еще и катоды, они сами производят выходное напряжение и подсоединены к высокой стороне выходного сигнала. Дабы обеспечить выполнение обоих задач, расщепленная обмотка автотрансформатора накладывает напряжение в 2.5В на нить накаливания, но в то же время напрямую пропускает выходное напряжение. Оба тиратрона используют в сумме 35Вт только на нити накаливания, так что, как можете видеть, подогрев тратит кучу энергии и выделяется много тепла, и таким образом, в некотором роде, сводит на нет преимущества импульсного блока питания.

Ан-28

Замечания по применению — Источники питания высокого напряжения

Импульсные приложения и источники питания высокого напряжения Spellman
Ан-28

Spellman разрабатывает, производит и продает источники питания постоянного тока высокого напряжения. Обычно наши блоки питания используются в приложениях с постоянной нагрузкой. Есть несколько уникальных приложений, в которых пользователи пытаются получить большие всплески тока в течение коротких периодов времени.Эти приложения могут быть проблематичными, поскольку наши блоки питания не предназначены для такого использования. В зависимости от ситуации могут быть способы найти работоспособное решение, поэтому давайте посмотрим, как это может выглядеть.

Низкая выходная емкость и последовательный ограничивающий резистор
Наши «высокочастотные» импульсные источники питания имеют значительно меньшую выходную емкость, чем старые традиционные топологии преобразования мощности от сети. Кроме того, чтобы ограничить токи разряда при коротком замыкании до разумных уровней, мы подключаем ограничительный резистор на выходе последовательно с выходом. Этот резистор с низкой емкостью и ограничивающий резистор работают против случая попыток получения больших импульсных токов от наших источников питания высокого напряжения.Внутренняя накопительная емкость не так уж велика, чтобы «поддерживать» выходное напряжение во время этих импульсных запросов. Кроме того, узел ограничения серии вызовет большие падения напряжения.

Буферный конденсатор, поставляемый заказчиком
Одним из возможных способов решения этой проблемы является установка заказчиком буферного конденсатора с импульсным номиналом на выходе источника питания высокого напряжения. Предполагая, что пользователь знает величину и длительность потребляемых импульсов тока, он может рассчитать внешний буферный конденсатор с учетом допустимого падения напряжения.Если это импульсное потребление тока происходит периодически, имейте в виду, что петля напряжения источника питания может отреагировать и исправить это за десятки миллисекунд. Это дает основание для изменения размера буферного конденсатора в случае ошибки большего размера или большей емкости.

Изолирующий резистор
Размещение изолирующего резистора между выходом высоковольтного источника питания и буферным конденсатором может помочь предотвратить попадание больших импульсных токов из источника питания.После установления непрерывной последовательности импульсов это будет похоже на среднюю нагрузку на источник питания. Блок питания перестроится, чтобы найти новую точку равновесия. Любое изменение последовательности импульсов будет выглядеть как изменение нагрузки на источник питания, требующее времени, чтобы найти новую точку равновесия.

Щелкните здесь, чтобы загрузить pdf.

Импульсный источник питания | Оборудование для производства полупроводников

Импульсный источник питания Блок генерации импульсов Блок зарядного устройства

Мы поставляем высокоточные и стабильные мгновенные высоковольтные и сильноточные импульсные мощности с высокой частотой повторения.

Характеристики продукта

Импульсный источник питания — это устройство, которое мгновенно вырабатывает высокую мощность на уровне микросекунд или наносекунд. Наш импульсный блок питания сконфигурирован с конденсаторным зарядным устройством и схемой генерации импульсов с полупроводниковым переключателем и системой схемы сжатия магнитных импульсов (насыщаемый реактор) и способен обеспечивать высокоточное и стабильное управление за счет большого количества повторений.
Кроме того, выходное импульсное напряжение может выводиться с высокой точностью (колебание было уменьшено до 1/40 нашего обычного колебания), и оно может выводиться с чрезвычайно малым колебанием (джиттером) по оси времени (оно было уменьшено до 1/55 нашего условного колебания).Эффективность устройства повышается за счет установки схемы рекуперации энергии.

  • Подача высокого напряжения в несколько единиц 10 кВ и более с резким повышением уровня наносекунд (нс)
  • Высокоточная форма выходного импульса
  • Длительный срок службы (обеспечение стабильного импульсного выхода в течение длительного периода времени)
  • Достижение доставки 1000 устройств или более

Технические характеристики

Спецификация импульсного источника питания
Максимальная частота — 6 кГц
Выходное напряжение — 30 кВ
Средняя мощность 15 кВт
Ширина импульса (*) 100 нс
Внешние размеры Блок генерации импульсов: W650 X h330 X D520 мм
Зарядное устройство: W600 X h480 X D570 мм
Масса Блок генерации импульсов, Зарядное устройство 90 кг каждое
  • * Ширина импульса является репрезентативным значением, когда C2 = Cp и Cp расположены близко.
Спецификация импульсного блока питания для испытаний
Максимальная частота — 1 кГц
Выходное напряжение Прибл. 30 кВ
Средняя мощность Прибл. 10 Вт
Ширина импульса
(время нарастания выходного напряжения)
Около 60 нс
(* меняется в зависимости от нагрузки.)
Внешние размеры W420 × h400 × D250 мм
Масса Прибл. 11 кг

Прилагаемый документ представляет собой справочный документ. Пожалуйста, заполняйте формы в розовых квадратах как можно больше. Пожалуйста, отправьте то же самое при обращении к нам. Для запроса нажмите кнопку ниже.

Обзор требований (по техническому заданию) (Ppt: 118KB)

Новый продукт

Мы разработали импульсный источник питания для тестирования.

  • Вес был уменьшен до 1/9 от обычного за счет интеграции блока генерации импульсов и зарядного устройства.
  • Питание может подаваться от источника переменного тока 100 В через постоянный ток.
  • Он может подавать питание с быстрым нарастанием до десятков наносекунд (нс).

Приложения и решения

В настоящее время импульсный источник питания широко используется в качестве источника питания привода для плазменных систем.Примеры применения плазмы включают процесс, в котором синхротронное излучение или заряженные частицы, такие как электроны и ионы из плазмы, реагируют с объектом, стерилизация и обработка воды с использованием ударной волны, генерируемой импульсным дуговым разрядом, лазерной генерации, очистки выхлопных газов, генерации озона. и источник света в крайнем ультрафиолете (EUV) за счет плазменного разряда высокой плотности.

Наш импульсный источник питания активно используется в качестве источника питания различных типов для источника эксимерного лазера, источника EUV-света, системы предотвращения распространения водяных стрел и т. Д., и каждый из них характеризуется шириной выходного импульса 100 нс или менее, частотой повторения 20 кГц, выходным напряжением 120 кВ и т. д.
Мы предлагаем лучший источник питания для удовлетворения запросов клиентов.

Эксимерный лазер

Это лазер с большой выходной мощностью и высокой эффективностью, работающий на длине волны ультрафиолета (KrF: 248 нм, ArF: 193 нм и т. Д.) И используемый в системе литографии полупроводников. При использовании эксимерного лазера необходимо мгновенно возбуждать лазерный газ, и требуется источник питания, способный генерировать чрезвычайно короткий импульс.

Характеристики используемого импульсного блока питания
  • Частота повторения: 6 кГц или менее
  • Выходное напряжение: -30 кВ или менее
  • Выходная средняя мощность: 15 кВт класс
  • Ширина выходного импульса: 100 нс или менее
Импульсный блок питания для источника света EUV

Мы проводим исследования и разработки в области EUV (экстремального ультрафиолета) с длиной волны 13,5 нм для ведущего источника света для литографии следующего поколения. Наш импульсный источник питания использовался в исследованиях метода DPP (плазменного разряда), в котором EUV генерируется путем разряда.Более высокая мощность требовалась в источниках света EUV, а также в импульсных источниках питания.
Мы разработали импульсный источник питания, который может выполнять повторяющиеся операции с максимальной частотой 20 кГц. Он работает поочередно от двух параллельно включенных импульсных блоков питания по 10 кГц каждый. Мы поставляли продукцию Ассоциации разработчиков систем экстремальной ультрафиолетовой литографии (EUVA), которая является основным подрядчиком исследовательского проекта NEDO по контракту: «Проект разработки базовой технологии для системы экстремальной ультрафиолетовой литографии (EUV)».

Характеристики используемого импульсного блока питания
  • Частота повторения: 20 кГц или менее
  • Выходное напряжение: несколько кВ или менее
  • Средняя выходная мощность: 200 кВт
  • Ширина выходного импульса: 5 мкс
Импульсный источник питания системы предотвращения распространения водяного цветения

Разряд может образовываться не только в газе, но и в воде при использовании импульсной мощности. Примером применения подводного импульсного разряда является система предотвращения распространения цветения воды.Поскольку крупные вспышки цветения воды в озерах, болотах, прудах и т. Д. Летом вызывают загрязнение воды, они лечатся путем разрушения пузырьков воздуха внутри ячеек цветения воды с помощью ударных волн, генерируемых подводным импульсным разрядом. Чтобы вызвать разряд в воде, необходимо быстрое повышение напряжения, а также необходима высокая энергия разряда для увеличения объема обработки.
Мы разработали импульсный источник питания, способный производить стабильную высоковольтную и сильноточную импульсную мощность в воде, и он был отправлен в корпорацию EBARA.

Характеристики используемого импульсного блока питания
  • Частота повторения: 40 Гц или менее
  • Выходное напряжение: 120 кВ или менее
  • Выходная энергия: 40 Дж / импульс
  • Ширина выходного импульса: 2 мкс

Конфигурация системы

Пример принципиальной блок-схемы системы импульсного питания
Пример конфигурации системы импульсного питания

Пример конфигурации системы импульсного питания, включая систему управления. Он сконфигурирован с 4 блоками контроллера, блоком зарядного устройства, блоком генерации импульсов и нагрузкой. От источника трехфазного переменного тока 400 В зарядное устройство выдает импульс 2,5 кВ, а модуль генерации импульсов выдает импульс -30 кВ. Стабильная выходная импульсная мощность и импульсный разряд могут быть получены путем управления с помощью детектора напряжения для импульсного источника питания и системы наблюдения (датчики и т. Д.) Для разрядной трубки нагрузки.

Пример конфигурации главной цепи

Зарядное устройство

Конденсатор первой ступени заряжается путем преобразования коммерческой энергии в постоянный ток.

Блок генерации импульсов

Заряженная энергия преобразуется в импульс с помощью IGBT, и короткий импульс высокого напряжения, который сжимается путем повышения и схемы сжатия магнитного импульса, выводится на нагрузку.

Источник периодического прямоугольного напряжения

Описание

Блок Pulse Voltage Source представляет собой источник напряжения, значение выходного напряжения которого представляет собой периодический прямоугольный импульс в виде функция времени и не зависит от тока через источник. В следующие уравнения описывают выходное напряжение как функцию времени:

где:

  • V 1 — это выходное напряжение в нулевой момент времени.

  • V 2 — это выходное напряжение, когда выходное напряжение высокое.

  • TD — время, в которое пульс первые старты.

  • TR — это время, которое требуется выходное напряжение возрастает с В 1 в В 2 .

  • TF — это время, которое требуется выходное напряжение падает с В 2 в В 1 .

  • PW — ширина вывода по времени. пульс.

  • PER — период вывода пульс.

Блок определяет значения в промежуточные моменты времени. линейной интерполяцией.

Указанные значения для PW и PER имеют следующий эффект на вывод блока:

  • Если и PW , и PER бесконечны, блок время от времени производит ступенчатую реакцию ТД .

  • Если PER бесконечно и PW конечно, блок производит одиночный импульс шириной PW и бесконечный период.

  • Если PW бесконечно и PER конечно, блок производит ступенчатый отклик с импульсами шириной TR на стоимость V1 каждые PER секунд.

  • Если PW > PER , блок производит переходную характеристику с импульсами ширина TR по значению V1 каждые PER секунд.

Импульсная мощность высокого напряжения | SK серии

Высоковольтный и высокоскоростной импульсный источник питания

  • Максимальное напряжение: от 300 В до 10 кВ
  • Время нарастания импульсного напряжения: 15 нс
  • Высокая скорость отклика
  • Идеально для импульсного слепка

Они идеально подходят для импульсного слепка с высокоскоростным сканированием электродов SEM, MASS, MCP и т.

Д. Серия

SK — это сверхвысокоскоростные и высокомощные импульсные источники питания, разработанные с использованием наших технологий и ноу-хау как профессионального производителя высоковольтных источников питания. Они лучше всего подходят для высокоскоростного воспроизведения импульса в широком поле, например, для отражения электронного и ионного пучка или измерения излучаемого света, ФЭУ и МКП.

Особенности и преимущества

  • Высокая скорость отклика
  • Конструкция высокой мощности, применимая при низком импедансе
  • Высокая надежность и длительный срок службы для всех полупроводниковых приборов
  • Сверхкомпактная и легкая конструкция
  • Широкий модельный ряд от 300 В до 10 кВ.Выбираемая наиболее подходящая модель в соответствии с ее использованием
Выход положительной полярности
Выход отрицательной полярности

* Для моделей 5 кВ и более выделенный источник высокого напряжения включен в качестве внешнего источника питания.

  • Оттиск импульса по TOF-MASS
  • MCP
  • Электронный затвор
  • Биочип
  • Проверка изоляционного материала
  • Электронный пистолет
  • Электроды затвора разные

-L (230 В)

Входное напряжение: от 200 до 240 В переменного тока ± 10%, однофазное, 50 Гц / 60 Гц

Как заказать

Чтобы заказать, добавьте следующий знак опции к номеру модели.

[Пример]
SK-0.3P-L (230В)

Генератор функций

SK series Лист данных

Дата: 2021-09-01 ред. 04
PDF (5,261 КБ)

Скачать

Безопасность и использование высоковольтных источников питания

Дата: 2020-10-09 ред.02
PDF (1366 КБ)

Скачать

Для скачивания
необходима регистрация аккаунта.
SK series Лист данных

Дата: 2021-09-01 ред.04
PDF (5,261 КБ)

Безопасность и использование высоковольтных источников питания

Дата: 2020-10-09 ред.02
PDF (1366 КБ)

На этом веб-сайте мы предоставляем только самую последнюю версию информации, включая инструкции по эксплуатации наших продуктов. Следовательно, новейшие версии руководств на веб-сайте могут отличаться от тех, которые вы приобрели ранее.

Нажмите здесь, если вы уже зарегистрированы на нашем сайте.

Войти

Информация о связанных статьях в разделе «Технические знания»

Продукты для использования в комбинации

Рекомендуемые статьи для вас

Учебная серия по электричеству и электронике ВМС (NEETS), модуль 6

Модуль 6 — Введение в электронную эмиссию, лампы и мощность Расходные материалы

Страницы i, 1−1, 1-11, 1−21, 1−31, 1−41, 1−51, 2−1, 2-11, 2−21, 2−31, 3−1, 3-11, 3−21, 3−31, 3−41, 3−51, AI − 1, Индекс

Глава 3

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Цели обучения

По завершении этой главы вы сможете:

1. Определите различные разделы власти поставка.

2. Укажите назначение каждой секции источника питания.

3. Опишите работу силового поставка как с точки зрения всей установки, так и с точки зрения отдельных единиц.

4. Опишите цель различные типы выпрямительных схем, используемых в источниках питания.

5. Опишите назначение различных типов цепей фильтров, используемых в источниках питания.

6. Опишите работу при различных напряжениях и токах. регуляторы в блоке питания.

7. Отследите поток переменного и постоянного тока в источнике питания от входа переменного тока до выход постоянного тока на принципиальной схеме.

8. Визуально определите неисправные компоненты.

9. Определить проблемы в определенных областях источника питания с использованием метода логической изоляции для поиска и устранения неисправностей.

10. Соблюдайте меры безопасности при работе с электронными источниками питания.

Введение

В начале этого века, когда электроника была впервые представлена, большая часть электронного оборудования питалась батареями. Хотя использование батареек позволяло оборудование быть портативным (до некоторой степени), оно также позволяло размещать несколько ограничений на использование оборудования. Из-за их общей неэффективности батареи пришлось их либо часто заменяли, либо, если они были перезаряжаемыми, храните рядом с зарядным устройством.Таким образом, преимущество Наличие портативного оборудования было более чем компенсировано необходимостью частой замены или перезарядки батарей.

Пользователям электронного оборудования требовался надежный, удобный и экономичный источник питания. С батареи не удовлетворяли этим требованиям, был разработан «электронный блок питания».

В современном флоте, все электронное оборудование, как на берегу, так и на борту судна, требует источника питания определенного типа. Следовательно, это глава чрезвычайно важна для вас. Обсудим разделы и отдельные составляющие силового поставка и их назначение в электроснабжении. Мы также обсудим устранение неполадок каждого раздела и его компоненты.

3-1


БАЗОВЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

На Рисунке 3-1 показана блок-схема базового блока питания. Большинство источников питания состоит из четырех основных секции: трансформатор , выпрямитель , ФИЛЬТР и РЕГУЛЯТОР .

Рисунок 3-1. — Блок-схема базового блока питания.

Как видите, первая секция — это трансформатор. Трансформатор служит двум основным целям: (1) для повышения или понижения входного линейного напряжения до желаемого уровня и (2) для подключения этого напряжения к выпрямительная секция. Блок RECTIFIER преобразует сигнал переменного тока в пульсирующее постоянное напряжение. Однако позже в этой главе вы увидите, что пульсирующее напряжение постоянного тока нежелательно.По этой причине модель ФИЛЬТР Секция используется для преобразования пульсирующего постоянного напряжения в отфильтрованное постоянное напряжение. Последняя секция, РЕГУЛЯТОР , делает именно то, что следует из названия. Он поддерживает выходную мощность источника питания на постоянном уровне. уровень, несмотря на большие изменения тока нагрузки или входного линейного напряжения. В зависимости от конструкции оборудования, выход регулятора будет поддерживать постоянное напряжение в определенных пределах.

Теперь, когда вы знаете, что делает каждая секция, давайте проследим сигнал через блок питания и посмотрим, какие изменения были внесены в входной сигнал. На рисунке 3-2 входной сигнал 120 В переменного тока подается на первичную обмотку трансформатора. который имеет отношение витков 1: 3. Мы можем рассчитать выход, умножив входное напряжение на соотношение витков во вторичной обмотке к виткам первичной обмотки. Следовательно, выходное напряжение в нашем примере: 120 вольт переменного тока × 3, или 360 вольт переменного тока.В зависимости от типа используемого выпрямителя (двухполупериодный или полуволновой) выход из выпрямитель будет частью входа. На рисунке 3-2 показана форма пульсации, связанная с двухполупериодным выпрямитель. Секция фильтра содержит сеть резисторов, конденсаторов или катушек индуктивности, которая контролирует повышение и время спада изменяющегося сигнала, чтобы сигнал оставался на более постоянном уровне постоянного тока. Вы увидите это более четко при обсуждении реальных схем фильтров.Вы можете видеть, что выход фильтра находится на 180-вольтный уровень постоянного тока с переменным напряжением RIPPLE. (Пульсации напряжения — это небольшое переменное напряжение на некотором постоянном токе). уровень напряжения. Обычно пульсация напряжения — это нежелательное переменное напряжение, создаваемое фильтрующей частью источника питания. Этот сигнал теперь поступает на регулятор, где он будет поддерживаться на уровне примерно 180 вольт постоянного тока для нагрузка.

Рисунок 3-2.- Блок-схема источника питания.

1 кв. Каковы четыре основных раздела источника питания?

2 кв. Какова цель регулятор?

3-2


Трансформатор

Трансформатор имеет несколько целей: Помимо передачи входного сигнала переменного тока в источник питания, он также изолирует электронный блок питания от внешнего источника питания и либо увеличивает, либо понижает переменный ток напряжение до желаемого уровня.Кроме того, большинство входных трансформаторов имеют отдельные понижающие обмотки для питания. напряжения накала как на источники питания, так и на лампы внешнего оборудования (нагрузки). Такой трансформатор есть показано на рисунке 3-3. Поскольку входной трансформатор расположен в блоке питания и является основным источником мощность как для нагрузки, так и для источника питания, он называется Power Transformer . Обратите внимание, что Трансформатор имеет возможность поставить оба 6.Напряжение нити накала 3 и 5 вольт переменного тока подается на электронные лампы. В Обмотка высокого напряжения представляет собой повышающую обмотку 1: 3 и подает на выпрямитель переменный ток 360 вольт. Этот трансформатор также имеет то, что называется центральным краном. Этот центральный ответвитель обеспечивает возможность создания двух высоковольтных выходов. от одного трансформатора.

Рисунок 3-3. — Типовой силовой трансформатор.

3 кв. Для чего нужен трансформатор в источнике питания?

4 кв.Для чего низкие напряжение обмоток в трансформаторе используется?

5 кв. Для чего используется центральный ответвитель на трансформаторе?

ВЫПРЯМИТЕЛИ

Из предыдущих обсуждений вы знаете, что исправление — это изменение переменного напряжения в пульсирующее постоянное напряжение. Теперь обсудим процесс исправления.

С диодом вакуумная трубка будет пропускать ток только в одном направлении, она идеально подходит для преобразования переменного тока в постоянный ток.Если на диод подается переменное напряжение, диод будет проводить ТОЛЬКО ВО ВРЕМЯ положительного ИЗМЕНЕНИЕ напряжения , когда пластина диода сделана положительной по отношению к катоду.

На Рисунке 3-4 показан диод, подключенный к 120-вольтовой линии переменного тока. При положительном изменении источника напряжения, синусоида, приложенная к трубке, делает пластину положительной по отношению к катоду. В это время диод проводит, и ток пластины течет от отрицательного провода питания, через миллиамперметр, через трубку, и к положительному проводу питания. На это указывает заштрихованная область выходного сигнала. Этот ток существует в течение всего времени, в течение которого пластина находится в положительном положении по отношению к катоду (первые 180 градусов входной синусоиды).

3-3


Рисунок 3-4. — Простой диодный выпрямитель.

При отрицательном изменении напряжения на пластине (пунктирные знаки полярности) пластина движется отрицательно и трубка не может проводить.Когда условия препятствуют тому, чтобы трубка проводила, говорят, что трубка находится в CUTofF . Это обозначено пунктирной формой волны. Трубка будет отключена, и ток не будет течь на всем протяжении отрицательное чередование.

Для каждого цикла входного напряжения на 360 градусов трубка проводит на 180 градусов и в отсечке на 180 градусов. Таким образом, ток в цепи имеет вид серии положительных импульсов, как показаны заштрихованными участками. Обратите внимание, что хотя ток имеет форму импульсов, он всегда течет. через схему в ТО ЖЕ НАПРАВЛЕНИЕ . Ток, который течет импульсами в одном направлении, равен называется ПУЛЬСИРУЮЩИЙ DC . Таким образом, на диоде выпрямлено входное напряжение. Хотя Принцип выпрямления применяется ко всем схемам выпрямителя, некоторые выпрямители более эффективны, чем другие. Для По этой причине мы объясним три схемы выпрямителя, наиболее часто используемые в сегодняшней электронике: полуволна, двухполупериодный и мостовой.

Практический полуволновой выпрямитель

Рисунок 3-5 представляет собой схему полная схема однополупериодного выпрямителя. Чтобы диод использовался в качестве выпрямителя, он должен быть включен последовательно. с грузовым устройством (R L для этой схемы), по которой протекает постоянный ток. Поскольку электронное оборудование ВМФ требует различных входного напряжения, необходимо, чтобы выпрямленное напряжение было больше (или меньше в некоторых случаях), чем источник напряжения. Питание на схему пластины выпрямителя подается от повышающего (или понижающего) трансформатора. Уведомление что трансформатор имеет две упомянутые ранее вторичные обмотки. Нижняя обмотка подает высокое напряжение на пластина и катод диода, а верхняя обмотка подает низкое переменное напряжение на нити диода. Также обратите внимание, что катод диода подключен к вторичной обмотке трансформатора через нагрузочный резистор (R L ).Любой ток, протекающий через трубку, также проходит через нагрузочный резистор, вызывая напряжение, которое должно развиваться на нем. Величина напряжения, развиваемого на нагрузочном резисторе, напрямую определяется пропорционально величине тока, протекающего через него (закон Ома: E = IR).

3-4


Рисунок 3-5. — Схема однополупериодного выпрямителя.

Вы лучше поймете работу схемы однополупериодного выпрямителя, если ее перерисовать в виде упрощенная последовательная схема. Как вы можете видеть на рисунке 3-6, диод (V1) и нагрузочный резистор (R L ) находятся в серия с вторичной обмоткой трансформатора. При положительном изменении входа, поскольку напряжение во вторичной обмотке увеличивается ток через диод (V1) и нагрузочный резистор (R L ). Поскольку диодная трубка и нагрузочный резистор образуют последовательную цепь, один и тот же ток течет как через трубку, так и через нее. резистор. Этот ток вызывает падение напряжения на лампе и нагрузочном резисторе, полярность которых равна показано.Поскольку сопротивление пластины трубки составляет всего около 500 Ом, а сопротивление нагрузочного резистора составляет 10000 Ом, примерно 95 процентов приложенных 425 вольт падают на нагрузочный резистор (425 × 0,95 = 404 В) и 5 ​​процентов (425 × 0,05 = 21 В) поперек трубки.

Рисунок 3-6. — Упрощенная схема однополупериодного выпрямителя и формы сигналов.

Во время отрицательной половины изменения входного напряжения трубка не может проводить и нет тока течет в контуре.Поскольку ток через RL не протекает, напряжение нагрузки остается равным нулю в течение всего времени. отрицательное чередование. За это время по трубке ощущается все отрицательное чередование. Причина для это происходит из закона Кирхгофа, который гласит:

E L + E b = E a

Сумма напряжения нагрузки и напряжения диода равна приложенному напряжению.

3-5


Поскольку однополупериодный выпрямитель работает один раз за каждый полный цикл входного напряжения, частота частота импульсов совпадает с частотой входной синусоидальной волны.Частота выходных импульсов называется RIPPLE. Частота . Если на схему выпрямителя подается питание от сети переменного тока частотой 60 Гц, то 60 импульсов нагрузки ток будет происходить каждую секунду. Следовательно, частота пульсации полуволнового выпрямителя такая же, как и Частота ЛИНИИ .

Если к нагрузке приложена серия импульсов тока, подобных тем, которые получены от однополупериодного выпрямителя. сопротивление, среднее количество мощности будет рассеиваться за определенный период времени.Эта средняя мощность постоянного тока составляет определяется амплитудой импульсов и временной задержкой между импульсами. Чем выше пиковая амплитуда импульсов или чем меньше время между импульсами, тем больше средняя мощность постоянного тока, подаваемая на нагрузку. Чтобы определить среднее напряжение постоянного тока (E avg ), необходимо знать среднее значение импульсов и пиковое значение напряжения нагрузки. Это показано на рисунке 3-7.

Рисунок 3-7.- Пиковые и средние значения для однополупериодного выпрямителя.

Поскольку формы сигналов тока и напряжения в схеме полуволнового выпрямителя представляют собой, по существу, полусинусоидальные волны, мы может развить коэффициент преобразования. Формула для среднего значения обсуждалась ранее в NEETS, модуль 2. К настоящему времени вы должны знать, что среднее значение для полной синусоидальной волны в 0,637 раза больше ее пикового или максимального значения. Следовательно, если если вы хотите получить среднее значение на выходе полуволнового выпрямителя, вам следует умножить половину значения.637 (0,318) умноженное на пиковое или максимальное напряжение, как выражено в следующем уравнении:

E avg (среднее напряжение нагрузки) = 0,318 × E max

Где:

E max = пиковое значение импульса напряжения нагрузки

В большинстве случаев падение на лампе выпрямителя мало по сравнению с напряжением нагрузки, поэтому мы можем Предположим, что Emax в нашем уравнении совпадает с пиковым значением входной синусоидальной волны.

Поскольку ток нагрузки имеет ту же форму волны, что и напряжение нагрузки, мы можем изменить уравнение, чтобы оно применялось к току нагрузки. Таким образом,

I avg (средний ток нагрузки) = 0,318 × I max

Где:

I max = пиковый ток нагрузки

Если через выпрямленный сигнал проведена линия в точке, равной 0.318 расстояния от нуля до максимум, осциллограмма будет разделена так, чтобы область a была равна области B (рис. 3-7). Следовательно, текущий или

3-6


импульсов напряжения со значением 0,318 пикового значения оказывают такое же влияние на нагрузку, как и постоянное напряжение или ток.

Однополупериодный выпрямитель использует трансформатор только в течение половины цикла. Следовательно, для трансформатора любого размера вырабатывается меньшая мощность, чем если бы трансформатор использовался на обеих половинах цикла.Другими словами, чтобы получить большую мощность, полуволна трансформатор должен быть относительно большим по сравнению с тем, каким он должен был бы быть, если бы оба были использованы половины цикла. Этот недостаток ограничивает использование однополупериодного выпрямителя в приложениях. которые требуют очень небольшого потребления тока. Однополупериодный выпрямитель широко используется в коммерческих радиоприемниках переменного и постоянного тока. приемники и другие приложения, в которых достаточно недорогих источников напряжения. Как видно из своего исследования На однополупериодных выпрямителях этот тип схемы накладывает множество ограничений на электронное оборудование.По этой причине потребовалось разработать схему выпрямителя другого типа. Одним из факторов, которые необходимо было учитывать, было то, как использовать полная мощность трансформатора для получения наивысшего среднего напряжения и тока. Таким образом, Разработан выпрямитель FULL-WAVE .

Q6. Проводит ли выпрямительная трубка положительный или отрицательный чередование входного сигнала?

Q7. Каким термином обозначают период, когда диода нет проведение?

8 кв. Ток, который течет импульсами в одном направлении, называется ______.

9 кв. Для диод для работы в качестве выпрямителя, должен ли он быть включен последовательно или параллельно с нагрузкой?

Q10. Что такое Частота пульсаций однополупериодного выпрямителя, если входная частота 60 Гц?

Q11. Какое уравнение для определения среднего напряжения в однополупериодном выпрямителе?

Обычный двухполупериодный выпрямитель

Двухполупериодный выпрямитель — это устройство, которое имеет два или более диода, расположенных так, чтобы ток нагрузки протекал в одном направлении в течение каждого полупериода переменного тока. поставка.

Принципиальная схема простого двухполупериодного выпрямителя показана на рисунке 3-8. Трансформатор обеспечивает источник напряжения для двух выпрямительных ламп (V1 и V2). Этот силовой трансформатор имеет ЦЕНТРАЛЬНЫЙ вторичная обмотка высокого напряжения, разделенная на две равные части (W1 и W2). W1 обеспечивает источник напряжения для V1, а другая обмотка (W2) обеспечивает напряжение источника для V2. Подключения к диодам устроены так что диоды проводят чередующиеся полупериоды.

Рисунок 3-8. — Простой двухполупериодный выпрямитель (первое чередование).

3-7


Во время одного изменения вторичного напряжения полярности будут такими, как показано на рисунке 3-8. В Источником для диода V2 является напряжение, наведенное на нижнюю половину вторичной обмотки трансформатора (W2). На В конкретный момент времени, показанный на рисунке, напряжение пластины на V2 отрицательное, и V2 не может проводить.

В течение периода времени, в течение которого пластина V2 является отрицательной, пластина V1 является положительной. Это проиллюстрировано знаками полярности на W1, которые указывают источник для V1. Поскольку пластина V1 положительна, он проводит, заставляя ток течь через нагрузочный резистор в направлении, указанном стрелкой.

Рисунок 3-9 показан следующий полупериод вторичного напряжения. Как видите, полярности между W1 и W2 поменялись местами.Во время этого чередования пластина V1 работает отрицательно, и V1 не может проводить.

Рисунок 3-9. — Простое двухполупериодное кресло (второе чередование).

В течение периода времени, когда V1 отрицательный, пластина V2 положительна, позволяя V2 проводить. Обратите внимание, что ток пластины V2 проходит через нагрузочный резистор в том же направлении, что и ток пластины. ток V1.В этом схемном устройстве импульс тока нагрузки протекает при каждом изменении входного сигнала. цикл. Поскольку используются оба чередования цикла входного напряжения, схема называется ПОЛНОСТЬЮ ВОЛНОЙ . ВЫПРЯМИТЕЛЬ .

Теперь, когда у вас есть базовое представление о том, как работает двухполупериодный выпрямитель, давайте подробно рассмотрим Практический двухполупериодный выпрямитель и его формы волны.

Практичный двухполупериодный выпрямитель

Практическая схема двухполупериодного выпрямителя показана на рисунке 3-10.В нем используются два диода (V1 и V2) и один трансформатор с центральным отводом (Т1). Когда центральный отвод заземлен, напряжения на противоположных концах вторичные обмотки сдвинуты по фазе на 180 градусов. Таким образом, когда напряжение в точке a положительное относительно земли, напряжение в точке B отрицательно по отношению к земле. Давайте рассмотрим работу цепь в течение одного полного цикла.

3-8


Рисунок 3-10.- Полный двухполупериодный выпрямитель.

Во время первого полупериода (как показано сплошными стрелками) пластина V1 положительна относительно земли а пластина V2 отрицательная. Как показано, ток течет от земли (центральный отвод) вверх через нагрузочный резистор. (RL) через диод V1 в точку A. В трансформаторе ток течет из точки A через верхнюю обмотку и обратно на землю (центральный кран). Когда V1 проводит, он действует как замкнутый переключатель, так что положительный полупериод равен чувствовал себя поперек груза.

Во время второго полупериода (пунктирные линии) полярность приложенного напряжения изменилась. перевернутый Теперь пластина V2 положительна по отношению к земле, а пластина V1 отрицательна. Только V2 может поведение. Теперь ток течет, как показано, от земли (центральный отвод) вверх через нагрузочный резистор (R L) через диод. V2 в точку B на T1. В трансформаторе ток течет из точки B вверх через нижние обмотки и обратно в земля (центральный кран).Обратите внимание, что ток течет через нагрузочный резистор (R L) в ЖЕ DirectION для обеих половин входных циклов.

Форма выходного сигнала двухполупериодного выпрямителя состоит из двух импульсы тока (или напряжения) для каждого цикла входного напряжения. Частота пульсаций на выходе поэтому двухполупериодный выпрямитель TWICE The LINE Frequency .

Более высокая частота пульсаций на выходе двухполупериодного выпрямитель имеет явное преимущество: из-за более высокой частоты импульсов выходной сигнал приближается к чистый постоянный ток.Эта более высокая частота также делает фильтрацию намного проще, чем выход полуволнового выпрямителя.

Что касается пикового значения, среднее значение тока и напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя вдвое больше. равно среднему току или напряжению на выходе полуволнового выпрямителя. Связь между пиком и средние значения показаны на рисунке 3-11.

Рисунок 3-11. — Пиковые и средние значения для двухполупериодного выпрямителя.

3-9


Поскольку выходной сигнал представляет собой синусоидальную волну с обоими чередованиями одинаковой полярности, средний ток или напряжение составляет 63,7 процента (или 0,637) пикового тока или напряжения.

В виде уравнения:

E avg (среднее напряжение нагрузки) = 0,637 × E max

Где

E max = Пиковое значение импульса напряжения нагрузки

И

I avg (средний ток нагрузки) =.637 × I max

Где:

Imax = Пиковое значение импульса тока нагрузки

Пример: полное напряжение на высоковольтной вторичной обмотке трансформатора, используемого для подачи двухполупериодного сигнала. выпрямитель на 600 вольт. Найдите среднее напряжение нагрузки. (Не обращайте внимания на падение на лампе выпрямителя.)

Решение: поскольку общее вторичное напряжение составляет 600 вольт, на каждый диод подается половина этого значения, или 300 вольт.Поскольку вторичное напряжение является среднеквадратичным значением, пиковое напряжение нагрузки составляет:

E max = 1,414 × E s

E макс = 1,414 × 300

E макс = 424 вольт

Среднее напряжение нагрузки:

E в среднем = 0,637 × E макс

E в среднем = 0,637 × 424

E avg = 270 вольт

Примечание: Если у вас есть проблемы с этим уравнением, просмотрите NEETS, модуль 2, относящиеся к этой области. Как вы, возможно, помните из своих прошлых исследований в области электричества, есть преимущества и недостатки в каждой схеме. Двухполупериодный выпрямитель — не исключение. Изучая двухполупериодный выпрямитель, вы обнаружили, что когда выходная частота увеличивается вдвое, среднее напряжение также увеличивается вдвое, и в результате сигнал намного легче фильтровать из-за высокой частоты пульсаций. Единственный минус — пик Напряжение двухполупериодного выпрямителя составляет только половину пикового напряжения в двухполупериодном выпрямителе.Это потому, что вторичная обмотка силового трансформатора двухполупериодного выпрямителя отводится по центру; поэтому только половина источника напряжение идет на каждый диод.

К счастью, есть выпрямитель, который выдает такое же пиковое напряжение, как и однополупериодный выпрямитель и ту же частоту пульсаций, что и двухполупериодный выпрямитель. Эта схема, получившая название МОСТ-ВЫПРЯМИТЕЛЬ , будет главой нашего следующего обсуждения.

Q12.Какая частота пульсаций двухполупериодного выпрямителя с входной частотой 60 Гц?

3-10


Материя, энергия и постоянный ток
Переменный ток и трансформаторы
Защита, управление и измерение цепей
Электропроводники, методы электромонтажа, и схематическое чтение
Генераторы и двигатели
Электронные излучатели, трубки и источники питания
Твердотельные устройства и блоки питания
Усилители
Цепи генерации и формирования волн
Распространение волн, линии передачи и Антенны
Принципы СВЧ
Принципы модуляции
Введение в системы счисления и логические схемы
— Введение в микроэлектронику
Принципы синхронизаторов, сервоприводов и Гироскопы
Знакомство с испытательным оборудованием
Принципы радиочастотной связи
Принципы работы радаров
Справочник техника, Главный глоссарий
Методы и практика испытаний
Введение в цифровые компьютеры
Магнитная запись
Введение в волоконную оптику
Примечание: Обучение электричеству и электронике военно-морского флота Содержимое серии (NEETS) — U. С. Собственность ВМФ в свободном доступе.

Снижение емкости генератора импульсного напряжения с помощью последовательного компенсатора напряжения — Takahashi — 2019 — Электротехника в Японии

1 ВВЕДЕНИЕ

Импульсный источник питания для многолучевого клистрона мощностью 10 МВт, изучаемый в качестве высокочастотного источника в рамках проекта Международного линейного коллайдера (ILC), требует импульсного источника питания с пиковым напряжением -120 кВ, пиковым током 140 А, ширина импульса 1.65 мс и частота повторения 5 или 10 Гц.1 Генераторы импульсного напряжения обычно состоят из конденсатора батареи и переключателя, как показано на рисунке 1 (а). Тем не менее, импульсный источник питания, необходимый для проекта ILC, должен быть высоким напряжением / сильным током, иметь сравнительно большую ширину импульса и иметь равномерность импульса 1% (p-p) или меньше. Таким образом, требуется высокая емкость конденсатора батареи, чтобы предотвратить падение напряжения на конденсаторе во время разряда2. В отличие от этого, метод уменьшения емкости конденсатора батареи посредством схемы компенсации, использующей LC-резонансную цепь, 3 a был предложен способ управления выходным напряжением с помощью твердотельного генератора Маркса 4-8, образованного путем объединения полупроводниковых переключателей и конденсаторов батареи в несколько каскадов, и т.п.

Схемы генерации импульсного напряжения. (а) Обычная конфигурация. (b) Предлагаемая конфигурация с компенсаторами напряжения [Цветной рисунок можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com]

С другой стороны, последовательные компенсаторы реактивной мощности известны как устройства силовой электроники для энергосистем. 9-14 Эти устройства подключаются последовательно к линии и подают напряжение. Они отличаются тем, что могут быть реализованы с помощью устройства, мощность которого соответствует только компенсационному напряжению, которое ниже напряжения энергосистемы.Кроме того, методы, которые были предложены для реализации высоковольтных преобразователей мощности для энергосистем, включают в себя шунтирующие и последовательные компенсаторы реактивной мощности бестрансформаторным способом путем каскадного соединения сравнительно низковольтных мостовых схем, состоящих из имеющихся в продаже устройств выдерживающего напряжения. 15, 16

В этом исследовании мы предлагаем применить эти концепции к генератору импульсного напряжения и использовать последовательный компенсатор напряжения с относительно низким напряжением в многоступенчатой ​​конфигурации, чтобы компенсировать падение напряжения во время разряда конденсатора.Мы предполагаем, что с такой конфигурацией можно уменьшить емкость конденсатора батареи, а также уменьшить объем устройства. Мы также предлагаем метод управления источником питания постоянного тока, состоящий из тиристоров и диодных мостов, который обычно используется для этого масштаба устройства, так как напряжение главного конденсатора сильно пульсирует при применении предложенной конфигурации. В этом исследовании мы обсуждаем принципы работы и метод управления предлагаемым методом и сообщаем результаты небольших лабораторных имитационных экспериментов.

2 ПРЕДЛАГАЕМЫЙ МЕТОД

Предлагаемый метод проиллюстрирован на рисунке 1 (б). Подключение компенсатора позволяет повысить равномерность выходного напряжения за счет компенсации уменьшения импульсного напряжения, вызванного падением напряжения на конденсаторе, при этом значительно уменьшая емкость конденсатора батареи (далее именуемого «главный конденсатор»). »). Поскольку номинальное напряжение, необходимое для этого компенсатора, является только напряжением компенсации, общий объем конденсатора, необходимый для этой компенсации, считается очень малым по сравнению с основным конденсатором.Многоступенчатая конфигурация позволяет снизить уровень напряжения на каждую ступень, и есть такие преимущества, как возможность использования промышленных конденсаторов и полупроводниковых устройств, которые легко доступны. Это позволяет значительно уменьшить объем по сравнению с обычным методом и позволяет достичь требуемой плоскостности с помощью простой конфигурации.

Далее мы объясним особенности работы компенсатора. Компенсатор состоит из двух диодов, двух полупроводниковых ключей и конденсатора. Компенсатор может произвольно выбирать состояние компенсатора из состояний зарядки, разрядки и байпаса, управляя полупроводниковым переключателем. На рисунке 2 (а) показано состояние зарядки. Здесь оба полупроводниковых переключателя установлены в положение «ВЫКЛ.», Тем самым переводя компенсатор в состояние, в котором входящий ток заряжает конденсатор. В это время напряжение конденсатора v dc компенсатора увеличивается, а выходное напряжение v comp компенсатора имеет отрицательное значение, то есть напряжение полярности, противоположной напряжению основного конденсатора, равно введен в цепь.Рисунок 2 (b) иллюстрирует состояние разряда. Здесь оба полупроводниковых переключателя установлены в положение «ВКЛ», тем самым меняя направление тока конденсатора на противоположное от при зарядке. В результате конденсатор разряжается. В это время v dc уменьшается, а v comp является положительным значением, то есть в цепь подается напряжение с полярностью, идентичной напряжению основного конденсатора. На рисунках 2 (c) и (d) показаны состояния, в которых один из полупроводниковых переключателей установлен в положение ON, а другой — в положение OFF.В этих случаях путь тока не проходит через конденсатор, и поэтому v comp равно 0. Здесь, поскольку величина нагрузки, заряженной в конденсатор, не колеблется, v dc составляет поддерживается.

Возможные пути тока компенсатора напряжения. (а) Инъекция отрицательного напряжения. (b) Подвод положительного напряжения. (c, d) Подвод нулевого напряжения [Цветную диаграмму можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com]

Рисунок 3 иллюстрирует работу в импульсе одиночного компенсатора.Хотя можно применять ШИМ-управление для управления состояниями заряда, разряда и байпаса на основе временных интервалов. Однако ширина импульса составляет 1,65 мс, что недостаточно долго по сравнению с общим циклом переключения преобразователя такого масштаба и, как будет описано ниже, применяется многоуровневость с помощью многоступенчатых компенсаторов, мы будем применять так называемое одноимпульсное управление. При одноимпульсном управлении зарядка и разрядка выполняются один раз за один импульс. Во-первых, компенсатор устанавливается в режим зарядки, показанный на рисунке 2 (а), в момент инициирования импульса, запускаемый при установке главного переключателя в положение ВКЛ.Поскольку напряжение основного конденсатора высокое сразу после инициирования импульса, оно понижается компенсатором, и конденсатор компенсатора заряжается. В следующий момент компенсатор устанавливается в режим байпаса, показанный на Рисунке 2 (c) или (d). В это время компенсатор не генерирует напряжение. В следующий момент времени компенсатор устанавливается в режим разряда, показанный на рисунке 2 (b). Напряжение прикладывается из-за разряда компенсатора во второй половине импульса, когда разряд основного конденсатора увеличился, а напряжение уменьшилось.Наконец, режим разряда завершается в момент окончания импульса, запускаемый главным выключателем.

Схематическое изображение регулятора одиночного компенсатора напряжения [Цветной рисунок можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com]

Поскольку источник питания не подключен к конденсатору компенсатора, необходим какой-то метод для поддержания напряжения конденсатора. Как показано на рисунке 3, заряд течет в конденсатор и выходит из него из-за зарядки и разрядки, а напряжение на конденсаторе колеблется.Контролируя общее количество заряда, уровень напряжения должен поддерживаться в течение длительного времени. Если ток в импульсе сделать постоянным, среднее значение напряжения, выводимое компенсатором, будет равно нулю. Следовательно, когда напряжение основного конденсатора чрезмерно, необходимо выводить отрицательное напряжение и увеличивать период заряда, а когда напряжение основного конденсатора недостаточно, необходимо выводить положительное напряжение и увеличивать период разряда.

При использовании многоступенчатой ​​конфигурации, в которой несколько компенсаторов подключаются напрямую, обычно можно получить многоуровневый эффект, сдвигая синхронизацию переключения.Как показано на рисунке 4, можно сконфигурировать общее напряжение компенсации всех ступеней в ступенчатую форму волны, сдвигая время заряда / разряда в зависимости от ступеней компенсатора. Уменьшение напряжения на основном конденсаторе компенсируется этим напряжением ступенчатой ​​компенсации, и, таким образом, может подавляться уменьшение напряжения, приложенного к нагрузке в импульсе, и могут быть подавлены колебания напряжения до такой степени, как высота ступеней. Обратите внимание, что взаимосвязь между количеством ступеней N ступень формы сигнала напряжения компенсации и количеством ступеней N comp компенсаторов может быть выражена следующим образом: (1) Схематическое изображение управления общим напряжением впрыска [Цветной рисунок можно посмотреть в wileyonlinelibrary.com]

Предполагая импульсный источник питания для ILC, упомянутый в начале этой статьи, напряжение одноступенчатого компенсатора должно быть установлено примерно на 1,2 кВ, чтобы достичь неравномерности 1% (pp) по отношению к пиковому напряжению. 120 кВ. Кроме того, если количество ступеней компенсаторов увеличить, емкость основного конденсатора может быть уменьшена. Таким образом, увеличение количества ступеней и уменьшение объема главного конденсатора находятся в компромиссном соотношении.

3 СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ

3.1 Метод контроля напряжения конденсатора каждого компенсатора

Далее мы рассмотрим регулирование напряжения конденсаторов каждого компенсатора. Как обсуждалось ранее, поскольку источник питания не подключен к конденсатору компенсатора, напряжение на конденсаторе должно контролироваться каким-либо способом. Предполагая, что значение тока в одном импульсе является постоянным, общая сумма заряда, протекающего в конденсатор и выходящего из него, когда t chg = t dis , будет равна нулю, как показано на рисунке 3, и, как таковое. , уровень напряжения сохраняется в течение длительного времени.Однако на самом деле уровень напряжения дрейфует из-за потерь в цепи и различного рода ошибок. Следовательно, нужен какой-то контроль.

Поскольку время начала и окончания зарядки — это время начала и окончания импульса, ими нельзя управлять. В этом случае время разряда t chg (время начала разряда) используется для компенсации напряжения для уменьшения напряжения основного конденсатора v main , а время заряда t chg (charge время окончания) используется исключительно для управления напряжением конденсатора v dc компенсатора.

Мы предлагаем применить метод управления, показанный на рисунке 5, для управления максимальным значением dc напряжения конденсатора на t chg . Это простое пропорциональное управление с обратной связью, которое манипулирует t chg так, чтобы dc было равно значению команды. Скорость отклика очень низкая, потому что это управление представляет собой дискретное управление для каждого импульсного цикла, в котором dc в предыдущем импульсе дискретизируется в режиме байпаса, где напряжение становится плоским при максимальном значении, а величина манипуляции t chg пульса получается.Следовательно, это управление может применяться только в повторяющихся ситуациях, когда состояние каждого импульса существенно не меняется. Более того, поскольку t chg при достижении устойчивого состояния равно времени разрядки t dis , конфигурация, в которой управление с обратной связью только с пропорциональным управлением (которое не использует интегральное управление), получается посредством добавление t dis к выходу пропорционального управления.

Блок-схема управления напряжением конденсатора ячейки

3.2 Контроль компенсации падения напряжения главного конденсатора

Управление в предыдущем разделе позволяет каждому компенсатору работать, удерживая напряжение конденсатора компенсатора на произвольном уровне t dis (где t dis T , а T — ширина импульса). Путем установки t dis разных для каждой ступени создается соответствующее ступенчатое компенсационное напряжение и выполняется управление для получения желаемой равномерности импульса.Например, ширину рабочей области можно установить равной ширине. В частности, можно установить интервал времени разгрузки t dis [ k ] ( k = 0, 1, 2,…) компенсатора k -й ступени на: (2) Этот способ выбора t dis [ k ] упоминается как стратегия компенсации уравновешенного шага. На рисунке 6 схематично показана форма волны в это время.Поскольку компенсация делает форму выходного напряжения v нагрузкой плоской, мы можем ожидать, что выходной ток будет по существу постоянным, а напряжение импульсного напряжения v pulse будет линейно уменьшаться. Здесь, если емкость конденсатора компенсатора достаточно велика и напряжение компенсации не колеблется, линейно убывающий импульс v может быть скомпенсирован, как показано на рисунке 6 (a), путем установки командного значения пиковое напряжение конденсатора напряжения компенсатора до соответствующего значения.Количество ступеней разгрузки изменяется в тот момент, когда выполняется следующая формула: (3) Выходное напряжение В, , , нагрузка , изменяется на ± 1/2 вокруг среднего значения импульса импульсного напряжения.

Однако, поскольку емкость конденсатора фактического компенсатора конечна, напряжение конденсатора компенсатора колеблется, как показано на Рисунке 6 (b). Таким образом, поскольку колебания выходного напряжения v нагрузки также изменяются, время компенсации не соответствует уравнению 3, и скомпенсированное напряжение нагрузки v нагрузка генерирует точечную симметричную пульсацию около средней точки пульс.Также, когда напряжение конденсатора компенсатора уменьшается, среднее выходное напряжение уменьшается. Следовательно, необходимо увеличить командное значение пикового напряжения конденсаторного напряжения, а ступенчатое изменение напряжения, вызванное изменением номера ступени, увеличивается. Неравномерность выходного напряжения v на нагрузке ухудшается из-за этих двух факторов. Эти эффекты становятся более заметными, когда емкость конденсатора компенсатора становится меньше.Следовательно, при рассмотрении миниатюризации устройства, включающего компенсатор, существует компромисс между уменьшением емкости и равномерностью импульса.

В этой статье мы предлагаем метод управления, который предотвращает генерацию такой точечной симметричной пульсации путем записи информации о предыдущем импульсе, вычисления подходящего момента компенсации, который удовлетворяет уравнению 3, и компенсации следующего импульса. В дальнейшем мы определяем этот способ управления как предлагаемую компенсационную стратегию.Когда компенсация выполняется в подходящее время, увеличение значения команды является единственным фактором, который вызывает ухудшение плоскостности при уменьшении емкости конденсатора компенсатора.

На рисунке 7 показан конкретный процесс расчета предлагаемой стратегии компенсации. Во-первых, как показано на Рисунке 7 (a), максимальное и минимальное значение напряжения основного конденсатора v импульс и напряжения конденсатора v dc [ k ] каждого компенсатора во время импульса регистрируются соответствующие наклоны k vpulse , k vdc [ k ], и вычисляется среднее значение pulse импульсного напряжения.Используя эти значения, время по Уравнению 3, как показано на Рисунке 7 (b), устанавливается как время для начала разряда 0-го компенсатора. Поскольку падение напряжения впоследствии скомпенсированного напряжения нагрузки v load становится k vpulse + k vdc [0], мы используем это для расчета времени начала разряда первого компенсатора как показано на рисунке 7 (c). Аналогично, для других компенсаторов k th вычисляются моменты времени для разряда с 0-го по k -1-го компенсатора, и вычисляется время для начала разряда с учетом падения напряжения.

Время зарядки t chg [ k ] используется для управления напряжением конденсатора, как описано в разделе 3.1, но ожидается, что t chg [ k ] = t dis [ k ] в установившемся режиме. Следовательно, как показано на Рисунке 7 (d), форма волны периода зарядки компенсатора, который представляет собой первую половину импульса, симметрична второй половине. Поскольку нескомпенсированное импульсное напряжение v , импульс также линейно уменьшается, среднее значение нагрузки напряжения нагрузки соответствует среднему значению импульса нескомпенсированного импульсного напряжения даже во время периода зарядки.

Схематические формы сигналов со стратегией выравниваемой ступенчатой ​​компенсации. (а) Без колебаний напряжения компенсатора. (b) При колебаниях напряжения компенсатора [Цветной рисунок можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com] Процесс расчета предлагаемой стратегии компенсации [Цветную диаграмму можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com]

3.3 Управление источником постоянного тока

В предлагаемом способе, поскольку относительно большие колебания напряжения возникают в напряжении v main основного конденсатора, необходим источник питания постоянного тока, который может быть применен к колебаниям напряжения.Поскольку напряжение постоянного тока, необходимое для источника питания клистрона, исследуемого в этой статье, очень велико, порядка 120 кВ, обычно используется источник постоянного тока с использованием тиристоров и диодных мостов, как показано на рисунке 8. Трансформатор сетевой частоты. используется для генерации необходимого высокого напряжения, но поскольку тиристоры трудно использовать из-за выдерживаемого напряжения на стороне высокого напряжения, используются диодные мосты. Схема регулировки переменного напряжения с использованием тиристоров предусмотрена на стороне низкого напряжения (первичной обмотке) трансформатора.Предполагается, что принимаемое напряжение составляет 6,6 кВ или подобное, и его можно получить с помощью общедоступных деталей. Кроме того, в качестве элемента ограничения тока используется реактивное сопротивление утечки% X L трансформатора (предполагается, что оно составляет 2–7% от номинальной мощности).

Конфигурация схемы подачи постоянного напряжения с помощью тиристорного регулятора напряжения [Цветной рисунок можно посмотреть на wileyonlinelibrary.com]

В этой статье мы предлагаем управлять углом управления тиристором α , используя метод, показанный на рисунке 9, чтобы подавить изменение входного тока со стороны переменного тока по отношению к напряжению постоянного тока с большими колебаниями напряжения.Необходимо применить управление с обратной связью, чтобы установить среднее значение импульса нескомпенсированного импульсного напряжения равным командному значению (= 120 кВ). Здесь импульс вычисляется для каждого импульса и обновляется дискретно. Следовательно, эта обратная связь настроена на относительно длительное управление напряжением конденсатора, состоящее из нескольких или более импульсов. В этом случае угол управления α в установившемся режиме по существу постоянен, но когда значение напряжения v main основного конденсатора сильно колеблется, как обсуждается в этой статье, ток i все протекает в конденсатор, и переменные токи i r , i s и i t значительно колеблются, как показано на рисунке 10 (a).Чтобы подавить это колебание тока, необходимо соответствующим образом контролировать фазовый угол в течение периода импульса. Однако управление углом управления тиристором является относительно медленным (управление с периодом в два раза превышающим частоту сети), и при управлении с обратной связью с использованием мгновенного значения напряжения главного конденсатора v main управление не может не отставать от напряжения конденсатора, которое быстро меняется из-за импульсной разрядки основного конденсатора, и трудно подавить колебания переменного тока.

Блок-схема управления тиристорным регулятором напряжения

Схематические формы сигналов тиристорного регулятора напряжения. (а) При постоянном α . (b) С предлагаемым управляемым α [Цветную диаграмму можно посмотреть на wileyonlinelibrary.com]

В этой статье для решения вышеупомянутой проблемы мы предлагаем добавить величину, которая изменяется с фиксированной скоростью, к углу управления α в соответствии с течением времени в пределах периода импульса (см. Рисунок 9). .Здесь t — это время, прошедшее в каждом импульсе, которое сбрасывается в начале основного импульса, и его значение изменяется с 0 на цикл T основного цикла . Вышеупомянутая проблема решается путем синхронизации колебания угла управления с синхронизацией основного импульса. Кроме того, скорость изменения угла управления α регулируется путем регулировки усиления k , и это позволяет до некоторой степени подавлять колебания текущего значения, как показано на Фиг.10 (b).

4 ДЕМОНСТРАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА, ПРОВЕДЕННОГО НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ

4.1 Конструкция

Демонстрационные эксперименты на экспериментальной модели были проведены при условиях, перечисленных в таблице 1. Обратите внимание, что мы не использовали трансформатор, который используется для повышения в реальных машинах, и мы только моделировали индуктивность рассеяния последовательным индуктором. Здесь среднее значение импульса импульсного напряжения было установлено равным 180 В, а емкость основного конденсатора была спроектирована так, что импульсное напряжение v импульс сильно варьируется от 240 до 120 В из-за разряда.Кроме того, мы использовали Si-MOSFET с номинальным напряжением 60 В, чтобы продемонстрировать, что номинальное напряжение компенсатора является только компенсирующим напряжением. Компенсатор имеет трехступенчатую конфигурацию, а емкость конденсатора компенсатора была спроектирована таким образом, чтобы колебания напряжения при зарядке и разрядке составляли максимум около 20%. При использовании стратегии компенсации уравновешенного шага в качестве метода управления компенсатором значение команды максимального значения напряжения конденсатора должно быть установлено на соответствующее значение, как описано выше.В данном случае было установлено около 24 В, чтобы добиться хорошей плоскостности. Теоретическое значение плоскостности при этом условии составляет 13,3%.

Таблица 1. Параметры для эксперимента
Линейное напряжение источника питания 200 В
Частота питания ф линия 50 Гц
Индуктивность рассеяния трансформатора 400 мГн (2.6%)
Частота следования импульсов f импульсный 10 Гц
Ширина импульса (плоская вершина) т 1,65 мс
Среднее импульсное напряжение 180 В
Нагрузочное сопротивление R 15 Ом
Выходной ток I импульсный 12A
Емкость главного конденсатора C основной 150 мкм F
Количество компенсаторов N сост. 3
Емкость компенсаторов C постоянного тока 3400 мкм F
Уставка напряжения компенсатора 24 В
Тиристоры TN1610H-6T 600 В / 10 А
Диодный мост MSD30-12 1.2 кВ / 30А
IGBT для основного ПО 2MB1100U4A-120 1,2 кВ / 100A
МОП-транзисторы для компенсаторов FDP020N06B-F1012 60 В / 120 А
Диоды для компенсаторов SBRT60U50CT 50 В / 30 А

4.2 Результаты эксперимента

На рисунке 11 показаны формы импульса при использовании стратегии компенсации с выравниваемым шагом и при использовании предложенной стратегии компенсации. На Рисунке 11 (a), где используется стратегия компенсации уравновешенного шага, как обсуждалось ранее, пульсация выходного напряжения v нагрузки генерируется из-за колебаний напряжения конденсатора компенсатора, и плоскостность высокая при 17,5%. Однако на Рисунке 11 (b), где используется предложенная стратегия компенсации, пульсация выходного напряжения v нагрузки , которая генерируется в стратегии компенсации уравновешенного шага, не возникает, потому что колебания напряжения конденсатора компенсатора учтено, а плоскостность — 13.6%, что очень близко к теоретическому значению 13,3%. Кроме того, мы подтвердили небольшую разницу в абсолютных значениях выходного напряжения одного и того же каскада при зарядке и разрядке для напряжения компенсации v comp [ k ] каждого каскада. Причина этого заключалась в том, что сумма падения напряжения, вызванного диодом и напряжением конденсатора, выводится при зарядке, но выходное напряжение при разрядке получается путем вычитания падения напряжения, вызванного полевым МОП-транзистором, из напряжения конденсатора.Это различие заметно проявляется в низковольтной экспериментальной модели.

Экспериментальные формы сигналов одного импульса. (а) Стратегия выравнивания ступенчатой ​​компенсации. (b) Предлагаемая стратегия компенсации [Цветную диаграмму можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com]

На рисунке 12 показано напряжение основного конденсатора v main , выходное напряжение v нагрузка , входной ток на стороне переменного тока i r и ток зарядки основного конденсатора i все в устойчивом состоянии.На Фигуре 12 (a), где угол управления α является постоянным, величина входного тока i all колеблется с колебанием значения напряжения основного конденсатора v main . Между тем, на Фигуре 12 (b), где применяется предложенная стратегия компенсации, в которой угол управления α изменяется соответствующим образом, колебания входного тока i все подавляются, и конденсатор заряжается примерно до постоянная скорость.

Экспериментальные формы сигналов с различными стратегиями управления тиристорным регулятором напряжения. (а) При постоянном α . (b) С предлагаемым и контролируемым α [Цветную диаграмму можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com]

Далее мы расскажем о проведенных нами экспериментах по развязке между управлением тиристорами источника постоянного тока и управлением компенсаторами. При использовании предложенного метода мы предположили, что командное значение импульса импульсного напряжения устанавливается низким до тех пор, пока напряжение конденсатора v dc компенсаторов не будет соответствовать командному значению и, как только напряжение конденсатора v dc соответствует, значение команды установлено на обычное значение.Это сделано для предотвращения подачи на нагрузку выходного напряжения v нагрузки , превышающего номинальное напряжение, до того, как схема компенсации перейдет в установившееся состояние. В этом эксперименте мы начали работу компенсатора из состояния, в котором импульсное напряжение v pulse соответствует значению команды pulse . Рисунок 13 иллюстрирует прогрессию от начала компенсации напряжения основного конденсатора v main и пикового значения dc [ k ] для каждого импульса напряжения конденсатора компенсаторов.

Экспериментальные формы сигналов напряжения главного конденсатора, vmain и пикового напряжения конденсатора компенсаторов, когда компенсаторы были включены [цветной рисунок можно посмотреть на wileyonlinelibrary.com]

До t = 0, все компенсаторы установлены в режим байпаса, а напряжение конденсатора установлено на 0. Начиная с t = 0, В постоянного тока * = 24 (В) и предлагаемая компенсация стратегия применяется.Мы подтвердили, что пиковое значение напряжения конденсатора dc [ k ] компенсаторов плавно соответствует командному значению после начала компенсации. Здесь скорость согласования с командным значением отличается в зависимости от компенсатора из-за способов управления зарядкой-разрядкой. Ширина разряда t dis [ k ] для каждого импульса определяется методом управления, показанным на фиг. 7, а его длина отличается в зависимости от компенсатора. Между тем, ширина заряда t chg [ k ] является суммой времени t PI [ k ] для обратной связи, управляющей напряжением конденсатора v dc [ k ] и ширина разряда t dis [ k ], как показано на фиг. 5, а верхний предел определяется как средняя точка 1/2 T импульса.Таким образом, ширина зарядки t chg [ k ] во время зарядки до значения команды составляет 1/2 T . Следовательно, разница между величиной заряженного заряда и количеством разряженного заряда в каждом импульсе отличается в зависимости от компенсатора, и, как таковая, скорость соответствия значению команды отличается в зависимости от компенсатора.

Между тем, для напряжения основного конденсатора v main нет значительного изменения сразу после начала компенсации, и максимальное значение и минимальное значение также по существу постоянны.Основываясь на этих моментах, мы постулируем отсутствие связи, которая приводит к ухудшению характеристик регулирования между управлением тиристорами источника питания постоянного тока и управлением компенсаторами.

5 СРАВНЕНИЕ ОБЪЕМОВ КОНДЕНСАТОРОВ ПРЕДЛАГАЕМЫХ И ОБЫЧНЫХ МЕТОДОВ

Мы сравнили общий объем конденсаторов в стандартном методе и предлагаемом нами методе, чтобы определить степень возможного уменьшения. Основываясь на параметрах и технических характеристиках, перечисленных в таблице 2 (которые имитируют фактические условия работы машины), мы разработали традиционный метод и предлагаемый нами метод.В таблице 3 приведены параметры традиционного и предлагаемого методов. Емкость C основного конденсатора в обычном способе является минимальным значением, которое удовлетворяет требуемой 1,0% неравномерности импульсного напряжения v импульса . Между тем, для предлагаемого метода мы приняли значение, при котором плоскостность составляет 20%, и установили количество компенсаторов равным 10. Здесь, поскольку количество ступеней формы сигнала напряжения полной ступени компенсации равно 21, можно подавить колебания выходного напряжения v нагрузки до 1% или менее за счет компенсации импульсного напряжения v импульсного с неравномерностью 20%.Напряжение компенсации установлено на 1,2 кВ, что составляет 1,0% пульсации относительно среднего значения импульса выходного напряжения. С точки зрения объема и стоимости идеально минимизировать емкость конденсаторов компенсаторов, насколько это возможно. Однако, если емкость конденсатора слишком мала, колебания напряжения компенсирующего напряжения увеличатся и, как следствие, будет потеряна плоскостность 1,0% или менее, когда количество компенсаторов равно 10. В нашей конструкции минимальная емкость конденсатора C comp , который может поддерживать плоскостность до 1.0% или меньше при количестве компенсаторов 10 устанавливается на 1000 мкФ. Здесь пульсация напряжения конденсатора за один импульс составляет 9,1% в компенсаторе, который производит наиболее длительную зарядку / разрядку.

Таблица 2. Рассматриваемые характеристики и параметры
Напряжение питания переменного тока (межфазное) 6.6 кВ
Частота сети переменного тока ф линия 50 Гц
Напряжение вторичной обмотки трансформатора (межфазное) 110 кВ
Индуктивность рассеяния трансформатора 8.26 мГн
Частота следования импульсов f импульсный 10 Гц
Ширина импульса (плоская вершина) т 1,65 мс
Среднее импульсное напряжение 120 кВ
Нагрузочное сопротивление р 857.142 Ом
Выходной ток 140A
Регулировка выходного напряжения (плоская) 1,0%
Таблица 3.Результирующие параметры для конденсаторов
Предложено Обычный
Емкость главного конденсатора C основной 9.625 мкФ 192,5 мкФ
Пиковое напряжение главного конденсатора 132,0 кВ 120,6 кВ
Колебания напряжения главного конденсатора 20% 1.0%
Количество компенсаторов N сост. 10
Емкость компенсаторов C сравн. 1000 мкм F
Пиковое напряжение компенсаторов 1.2 кВ

Формы сигналов результатов моделирования показаны на рисунке 14. Если мы посмотрим на рисунок 14 (a) (традиционный метод), мы увидим, что емкость C основного конденсатора велика, колебания напряжения основное импульсное напряжение В основное составляет 1% от расчетного, и можно выводить сигнал требуемой формы напряжения.Между тем, если мы посмотрим на Рисунок 14 (b) (предлагаемый метод), мы увидим, что емкость C основного основного конденсатора мала, а колебания напряжения основного импульсного напряжения v основного очень велики. большой на 20% (согласно проекту), но колебания выходного напряжения v на нагрузке удерживаются в пределах 1% из-за компенсации.

Смоделированные формы сигналов исходного импульсного напряжения, В, , импульса , и напряжения нагрузки, В, , , нагрузки .(а) С компенсаторами. (b) Без компенсаторов [Цветной рисунок можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com]

Далее мы сравним общие объемы конденсаторов традиционного метода и предлагаемого метода. Обычно считается, что объем конденсатора пропорционален максимальной запасенной энергии. Поэтому мы оценили объем каждого конденсатора по CV 2 и сравнили традиционные и предлагаемые методы. На рисунке 15 показаны объемные соотношения обычного и предлагаемого методов.Хотя объемная доля основного конденсатора C main предлагаемого способа значительно снижена до 6,0%, общий объем конденсатора C comp компенсатора составляет всего 0,51%. Причина этого в том, что номинал, необходимый для компенсатора, представляет собой только компенсационное напряжение. Общий объем предлагаемого метода, включая конденсатор компенсатора, очень мал — всего 6,5% от обычного метода. Из этих результатов можно сделать вывод, что общий объем конденсатора можно значительно уменьшить предлагаемым способом.

Сравнение общего объема конденсатора [Цветной рисунок можно посмотреть на сайте wileyonlinelibrary.com]

На рисунке 16 показано соотношение между количеством компенсаторов N comp и емкостью C основного конденсатора , необходимой для достижения плоскостности 1%. Из рисунка 16 мы можем подтвердить, что требуемая емкость основного конденсатора C main уменьшается по мере увеличения количества компенсаторов.Поскольку компенсационное напряжение компенсатора является постоянным, равным 1,2 кВ, независимо от количества ступеней, номинальное напряжение необходимого полупроводникового устройства и т.п. не изменяется. Однако емкость, доступная для уменьшения, постепенно уменьшается по мере увеличения количества компенсаторов. Кроме того, общий объем конденсатора C comp и количество полупроводниковых устройств и периферийных компонентов увеличивается по мере увеличения количества каскадов. В реальной конструкции мы предполагаем, что необходимо будет определить количество компенсаторов, компенсируя эти недостатки.

Требуемая емкость главного конденсатора в зависимости от количества компенсаторов

6 ВЫВОДОВ

В этой статье мы исследовали применение последовательных компенсаторов напряжения, которые компенсируют колебания напряжения основного конденсатора с целью уменьшения емкости генератора импульсного напряжения конденсаторного типа. Мы также исследовали метод управления компенсаторами и предложили метод управления для поддержания конденсаторного напряжения компенсаторов и метод управления для подавления пульсации выходного напряжения, возникающей при уменьшении емкости конденсаторов компенсаторов.Кроме того, предполагая, что стабилизатор напряжения, использующий тиристоры и диодные мосты, используется для источника питания постоянного тока, который подает питание на главный конденсатор, мы исследовали метод управления для подачи питания, который подавляет пульсации входных токов переменного тока против сильно колеблющихся конденсаторов. Напряжение. Мы провели комплексные демонстрационные эксперименты в лабораторном масштабе и продемонстрировали жизнеспособность этих методов контроля. Более того, мы продемонстрировали эффективность предложенного метода по общему объему конденсатора.

с использованием патентов и патентных заявок на широтно-импульсную модуляцию (класс 363/26)

Номер патента: 10224822

Abstract: Раскрыт генератор импульсов, который включает в себя, по меньшей мере, следующие каскады: каскад драйвера, каскад трансформатора, каскад выпрямителя и выходной каскад.Каскад драйвера может включать в себя по меньшей мере один твердотельный переключатель, такой как, например, один или несколько IGBT и / или один или несколько MOSFET. Каскад драйвера также может иметь паразитную индуктивность менее 1000 нГн. Каскад трансформатора может быть связан с каскадом драйвера и / или с каскадом баланса и может включать в себя один или несколько трансформаторов. Каскад выпрямителя может быть соединен с каскадом трансформатора и может иметь паразитную индуктивность менее 1000 нГн. Выходной каскад может быть соединен с выпрямительным каскадом.Выходной каскад может выводить сигнальный импульс с напряжением более 2 киловольт и частотой более 5 кГц. В некоторых вариантах реализации выходной каскад может быть гальванически изолирован от опорного потенциала.

Тип: Грант

Зарегистрирован: 15 июня 2017 г.

Дата патента: 5 марта 2019 г.,

Цессионарий: EAGLE HARBOR TECHNOLOGIES, INC.

Изобретателей: Кеннет Миллер, Тимоти Зиемба, Илья Слободов, Джон Дж. Карскадден, Джеймс Прагер

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *