Расчет генераторов импульсов

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

Исходные данные:

· вид технологического процесса и его характеристики,

· конструктивное использование разрядной цепи,

· характеристики напряжения питания,

· параметры электрического импульса и др.

Последовательность расчета

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

Пример

Рассчитать генератор импульсов электрической изгороди (рис. 16.2). Расчет выполняют в два этапа:

· расчет преобразователя напряжения (рис. 16.2, а);

· расчет собственно генератора импульсов (рис. 16.3).

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

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

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

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

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

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

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

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

U_кбм≥2,5U_n; I_км≥1,2I_кн; I_бм≥1,2I_бн (16.1)

Ток коллектора транзистора

(16.2)

Ток коллектора максимальный:

А.

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

А.

Ток базы:

I_бм=1,2·0,003=0,0036А.

Рис 16.2. принципиальная электрическая схема генератора импульсов: а – преобразователь; б – генератор импульсов

Следовательно, транзистор МП26Б по условию (16.!) пригоден для проектируемой схемы.

Сопротивление резисторов в цепи делителя напряжения:

Ом (16.4)

Ом (16.5)

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

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

Сечение сердечника трансформатора ТV1:

м². (16.6)

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

Количество витков в обмотках трансформатора TV1:

вит., (16.7)

вит., (16.8)

вит., (16.9)

Емкость конденсатора фильтра VC1:

Ф (16.10)

Диаметр проводов обмоток трансформатора TV1:

, (16.11)

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

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

Рис. 16.3. Расчетная схема генератора импульсов

Расчет генераторов импульсов (рис. 16.3).Принимаем напряжение на входе генератора равным напряжению на выходе преобразователя U₀=300 В. Частота импульсов f=1…2 Гц. Амплитуда напряжения импульса не более 10 кВ. Количество электричества в импульсе не более 0,003 Кл. Длительность импульса до 0,1 с.

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

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

Период повторения импульсов для заданного диапазона частот:

. (16.12)

Сопротивление зарядной цепи R₃ должно быть таким, чтобы

, (16.13)

где:

Ом. (16.14)

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

Ток заряда:

А. (16.14)

Резистор R₂ (рис. 16.3) ограничивает ток разряда до величины, безопасной для динистора. Его сопротивление:

Ом (16.15)

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

Сопротивление разрядной цепи:

R_p=R₂R_{т. пр}=750+7,5=757,5 Ом.

Условия устойчивого включения тиристора (16.16, 16.17) выполняются.

, , (16.16)

, . (16.17)

Емкость конденсатора VC2:

. (16.18)

Емкость VC2 для частоты f=1 Гц:

Ф

И для частоты 2 Гц:

С₂=36·10^-6 Ф.

Амплитуда тока в цепи заряда конденсатора VC2

, (16.19)

Амплитуда тока в цепи заряда конденсатора VC2:

, (16.20)

А

Энергия импульса:

Дж (16.21)

Максимальное количество электричества в импульсе:

q_м=I_pτ_p=I_pR_pC₂=0,064·757,5·72·10^-6=0,003 Кл (16.22)

не превышает заданное значение.

Рассчитаем параметры выходного трансформатора TV2.

Расчетная мощность трансформатора:

Вт, (16.23)

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

Площадь сечения сердечника трансформатора:

м². (16.24)

Количество витков каждой обмотки трансформатора, приходящееся на

1 В напряжения:

вит/В. (16.25)

Количество витков в обмотках трансформатора TV2:

W₄=150 N=150·16,7=2505 вит. (16.26)

W₅=10000·16,7=167·10³ вит.

Диаметр проводов в обмотках (16.11):

мм,

мм.

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

Пример .Определить напряжение и токи в схеме рис. 16.3.

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

Напряжение на конденсаторе в момент заряда:

_, (16.27)

где: τ_ст=2·10⁴·36·10^-6=0,72 с.

Полное сопротивление цепи заряда емкости VC2:

Ом (16.29)

Ток заряда равен:

А.

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

Напряжение на конденсаторе в момент заряда для времени τ=0,01 с (16.27):

В.

Подставив в (16.27) время заряда конденсатора, равное 0,1; 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5 с, получим напряжения, соответственно, 39; 150; 225; 264; 282; 291 В.

Ток разряда конденсатора:

,

где

.

Ом.

А.

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

Гц.

Постоянная времени цепи разряда емкости:

τ_ст=R_pC=(R_т.пр+R₂)C₂=752,3·36·10^-6=0,027 c. (16.31)

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

τ_п=3 τ_ср=3·0б027=0б087 с. (16.32)

Напряжение на конденсаторе при разряде:

, (16.33)

Для τ=0 В.

Подставив в (16.33) значения времени 0,01; 0,03; 0,1; 0,15 с, получим напряжения на емкости 210; 99; 7,2; 1,1 В, т. е. за время τ=0,1…0,15 с конденсатор полностью разрядится.

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

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

В, (16.34)

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

В.

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