Расчет формирователя управляющего сигнала

В качестве формирователей управляющего сигнала для тиристора можно применить разнообразные электронные устройства, удовлетворяющие следующим основным требованиям:

1. обеспечивать гальваническую развязку цепи управления системы формирования управляющего сигнала;
2. сформированный сигнал должен быть импульсным.
3. фронт импульса должен быть крутым, обеспечив скорость нарастания тока управления не менее 1 А/мкс.
4. длительность импульса для надежного отпирания тиристора должна быть на 20 – 30 процентов больше его времени включения.

Перечисленным требованиям удовлетворяет схема ждущего блокинг – генератора, приведенного на рисунке 5:

Рис. 5

Роль элемента, разделяющего источник запускающих импульсов и БГ, выполняет усилитель запускающих импульсов, собранный на транзисторе VT3. В исходном состоянии он заперт.Запуск БГ осуществляется импульсами положительной полярности, амплитуда которых превышает напряжение запирания транзистора VT1.

Для расчета БГ необходимо прежде всего выбрать тип тиристора, поскольку параметры его входной цепи задают выходные параметры БГ.

Основываясь на данных, приведенных в условии (I_Н = 120 А, U_Н = 100 В) выберем тиристор VS1 типа Т141-80 со следующими параметрами:

Максимальный ток в откр. сост.=125А

Ток отпирания I_GT=0,15A

Отпирающее напряжение U_GT=5В

Время вклt_gt=10мкс

Времявыкл=30мкс

Температура перехода =-50 ÷ +125⁰С

Указанные параметры определяют выходные данные БГ:

длительность генерируемого импульсаτ_И = (1,2 1,3)t_gt = 1,25 ^.10 = 12,5 мкс.

амплитуда импульса U_m = U_GTm = 5В.

период повторения импульса Т = 1/f = 1/50 = 0,02 мс.

сопротивление нагрузки R_H = = = 26,6 Ом

На основании этих данных выберем импульсный трансформатор типа ТИ234 со следующими параметрами:

Соотношение числа витков обмоток-2:2:1

Длительность импульса=20мкс

Амплитуда импульса на первичной обмотке=30В

Частота следования импульсов =5кГц

Длительность фронта выходного импульса=1,2мкс

Расчет БГ начнем с выбора транзистора VT3. Учитывая специфику работы транзистора и мощность выходного сигнала генератора, выберем транзистор средней мощности импульсный, типа n – p – n.

При этом максимальное напряжение между коллектором и эмиттером должно удовлетворятьусловию: U_КЭ 2 Е_К, где Е_К = 1,2 =1,2 =1,2 ^.5^. 2= 12 В.По стандартному ряду примем Е_К =12В. Тогда U_КЭ 2 ^.12 =24 В.

Данным требованиям удовлетворяет транзистор КТ314А-2со следующими параметрами:

Максимальное напряжение U_КЭm=45В

Допустимый коллекторный ток I_Km,=0,06А

Коэффициент передачи β=50

Граничная частота коэффициента передачи тока ОЭ f_β =80МГц

Граничная частота коэффициента передачи тока ОБ fα =4080МГц

Емкость коллекторного перехода С_К =10пФ

Постоянная времени цепи обратной связиτ_К=80нС

Напряжение насыщения U_КЭнас, =0,3В

Ток насыщения I_Кнас, =0,06А

Входное сопротивление=30Ом

Для унификации принимаем транзистор VT3 таким же как и VT4.

Длительность фронта, генерируемого БГ импульса равна:

τ_Ф =2,3 ^.n_Б ^.[( ],

где n_Б = = .

τ_Ф =2,3 ^. 1 ^. [( ] = 7,2 ^. 10^-9 с.

Определим емкость конденсатора С6:

τ_И =

где L – индуктивность первичной (коллекторной) обмотки импульсного трансформатора,

R_ВХ – входное сопротивление транзистора VT3.

12,5 ^. 10^-6 = , тогда С6 = 35 ^. 10^-6 Ф, по стандартному ряду выбираем конденсатор

Конденсатор С6: K50-6 – 50 мкФ ± 10%.

Определим обратный выброс напряжения по формуле:

∆U_mобр = 0,75 ^{. ,} где τ_L = = с

Тогда

∆U_mобр = 0,75 ^.. = 0,25 В.Так как обратный выброс напряжения не превышаетU_КЭнас, то шунтирование коллекторной обмотки трансформатора не производится.

Рассчитаем сопротивления R8 и R9путем совместного решения двух уравнений.

T – τ_И = 4,5С6

Е₃ = R8,

где Е₃ = (0,3 - 1) В. Примем Е₃ = 0,8 В.

0,02 – 12,5 ^. 10^-6 = 4,5 ^.1,3^. 10^-6 и =

Получим: R8= 34422 Ом и R9 = 1927 Ом. По стандартному ряду принимаем сопротивления R8 = 33 кОм и R9 = 2 кОм.

Резистор R8: ВС – 0,25 – 33К 10%. Резистор R9: ВС – 0,125 – 2К 10%.

Емкость конденсатора сглаживающего фильтра С7 определяется из выражения:

С7 I_Kmτ_И , где = 0,15 ^. Е_К = 0.18 В. Имеем С7 60^. 10^-3. 12,5 ^. 10^-6. = 2 мкФ.

Примем С7 = 6,8 мкФ. По стандартному ряду:

Конденсатор С7: K50-20 – 6,8 мкФ ± 10%.

Сопротивление резистора R10 определяется:

R10 = 1,4 = 1,4 = 700 Ом. По стандартному ряду выбираем сопротивление R10 = 680 Ом. Резистор R10: С2-23– 0,062 – 680Е 5%.

Рассчитаем цепочку С5R7.

, где В, Ом, а значением сопротивления R7 зададимся равным 1500 Ом. В.

мА.

Вт. Из стандартного ряда мощностей P_R7= 0,125 Вт

Резистор R7: ВС – 0,125 – 1,5К 10%.

Емкость конденсатора С5 определим из соотношения: , где – длительность входного импульса равна 0,0083сек.

мкФ. Выбираем из стандартного ряда Е24(±10%) С5 = 1 мкФ.

В.

Конденсатор С5: К52 –1 - 2,4 мкФ.Диод VD5 принимаем таким же как и VD4, т.е. Д207.Рассчитан

Рассчитанные и выбранные по справочной литературе элементы блока управления должны быть скомпонованы в законченную конструкцию с применением печатного монтажа. Детали рационально компонуются на прямоугольной монтажной плате, размеры которые выбираются из справочной литературы. Толщина выбирается из ряда:0.8 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 На чертеже печатной платы наноситься линиями координатная сетка с шагом 1.25 2.5 мм. Выбранные детали размещаются на плате таким образом, чтобы их выводы попадали в отверстия, расположенных в узлах координатной сетки.

Критерием правильности размещения элементов на печатной плате является отсутствие пересечений печатных проводников в плоскости проводника. При конструировании печатной платы следует иметь ввиду, что в одном монтажном отверстии с печатным проводником допускается коммутация одного объемного проводника.

Силовой блок управляемого выпрямителя должен быть выполнен в виде отдельной конструкции , включая в себя:

-изоляционную панель соответствующих размеров;

-управляемый вентиль с охладителем;

-контактный разъем и монтажные провода.

Размер изоляционной панели зависит от выбранного типа управляемого вентиля и рекомендованного охладителя . в качестве контактного разьема можно выбрать любой гостированный на соответствующий ток.

Выбор охладителя.

Для данного тиристора типа Т141-80 рекомендуется охладитель серии О221.

Для обеспечения надежного электрического и теплового контакта тиристора и охладителя необходимо применять крутящий момент не более= 50 Н ^. м.

Масса не более=180 г.

Тепловое сопротивление контактная поверхность охладителя - охлаждающая среда при мощности отводимого тепла 18 Вт не более:

при естественном охлаждении=2,8⁰С/Вт

при принудительном охлаждении (скорость охлаждающего воздуха в межреберном пространстве 6 м/с) =0,62 ⁰С/Вт

Тепловое сопротивление контакта корпус прибора – охладитель не более=0,2⁰С/Вт

Суммарная площадь охладителя не менее 50000мм²

Максимальная температура перехода=110 ⁰С

Сопротивление переход – корпус=0,18 ⁰С/Вт

Рассеиваемая мощность тиристора=125 Вт

Определим необходимую площадь охладителя:

S = = 3640,8мм² . Т.е. необходимая площадь охладителя меньше чем площадь охладителя О221, следовательно можно применять рекомендованный охладитель марки О221, так как он удовлетворяет всем необходимым параметрам работы тиристора.

Определим, необходим ли охладитель для транзисторов БГ.В качестве рассматриваемого транзистора рассчитываем транзистор VT3,как наиболее мощный.

Р_{РАСС VT1} = U_КЭ^.I_К, где U_КЭ максимальное напряжениеколлектор - эмиттер, равное 0,3 В, а I_К равен I_GT = 0,15 А.

Р_{РАСС VT1} = 0,3 ^. 0,15 = 0,045 Вт. Но рассеиваемая мощность на транзисторе зависит от скважности, следовательно:

Р_РАСС = , где Q – скважность, и определяется как Q = = = 160.

Тогда Р_РАСС = мВт. Р_РАСС<Р_{РАССДОП} (56 мВт < 150 мВт). Исходя из результатов проведенного расчета, охладитель для транзисторов БГ не нужен.

Общая принципиальная схема.

Примечания.

· Эскизы выбранных элементов и их установочные размеры указаны в приложении №1.

· Внешний вид и геометрические размеры силового блока изображены на одном чертеже с печатной платой .

· Рассчитанные и выбранные по справочной литературе элементы устройства монтируются на односторонней печатной плате из стеклотекстолита СФ – 2 (по ГОСТ 10316 – 78) размером 180мм × 90 мм, толщиной 2,5мм. При монтаже компонентов необходимо придерживаться рекомендаций, приведенных при их описании.

· В приложении 2 указываются все элементы и их параметры .

· Для улучшения вентиляции радиаторы крепятся так, что бы потоки воздуха обдували их с максимальным отводом тепла, а также контактную поверхность можно обработать термопастой КТП – 8.

Приложение1.