Схема высокочастотного разрядного модуля

В двух предшествующих схемах формирование импульса накачки осуществлялось при однократном подключении накопительного конденсатора к лампе. При использовании схемы высокочастотного разрядного модуля импульс накачки формируется за счет многократного подключения накопительного конденсатора с использованием промежуточного накопителя энергии – линейного дросселя.

Изобразим силовую часть этой схемы с элементами цепи управления

рис. 9

Силовая схема состоит из неуправляемого источника питания ИП с напряжением ; накопительного конденсатора , заряжаемого в паузе между импульсами накачки до напряжения ; коммутирующего транзистора ; дросселя ; датчика тока ; обратного диода и импульсной лампы . Схема управления включает компаратор , к инвертирующему выходу которого подключен транзистор , и драйвер , осуществляющий усиление сигнала с компаратора и потенциальную развязку компаратора с цепью затвора транзистора .

В исходном состоянии конденсатор заряжен до напряжения . Транзистор выключен и блокирует напряжение , до которого заряжен конденсатор . Через лампу замыкается небольшой ток дежурной дуги.

Проанализируем процесс формирования импульса накачки. На неинвертирующий вход компаратора подается импульс управляющего напряжения , определяющий амплитуду и длительность импульса тока накачки. На инвертирующий вход компаратора подается напряжение обратной связи по току накачки , снимаемое с датчика тока . В момент подачи импульса управляющего напряжения ток накачки заведомо равен нулю, так как последовательно с лампой включен дроссель . Следовательно, равно нулю и напряжение обратной связи по току, снимаемое с шунта, . При таком соотношении напряжений на входах компаратора на его неинвертирующем выходе устанавливается высокий уровень напряжения, а на инвертирующем – низкий. Транзистор остается выключенным, а транзистор включается сигналом с неинвертирующего выхода компаратора , усиленным драйвером . Напряжение на практически мгновенно снижается с до , в результате чего по контуру замыкается линейно возрастающий ток накачки. Скорость роста тока определяется напряжением на дросселе

.

Так как величина слабо зависит от тока, то значение практически постоянно. В период включенного состояния коммутирующего транзистора происходит частичный разряд конденсатора током накачки, вследствие чего напряжение на конденсаторе уменьшается.

По мере роста тока накачки увеличивается напряжение обратной связи , снимаемое с . Как только достигнет величины , компаратор переключается. Величина тока накачки в момент переключения компаратора оказывается равной

. (22)

Вследствие переключения компаратора его неинвертирующий выход обнуляется, а на инвертирующем устанавливается высокий уровень напряжения. Происходит выключение транзистора и включение . Последний подключает резистор к общей шине, так что образует делитель напряжения с . В результате напряжение на неинвертирующем входе компаратора снижается с до . Иными словами, происходит снижение порога переключения компаратора. Вследствие выключения транзистора накопительный конденсатор отключается от цепи лампы и ток накачки коммутирует в цепь обратного диода , замыкаясь по контуру . Очевидно, что напряжение на конденсаторе в этот период не меняется. В новом контуре тока накачки нет источника питания, и ток поддерживается за счет энергии магнитного поля, запасенной в индуктивности . Поэтому ток накачки линейно уменьшается со скоростью

.

Как только напряжение обратной связи на шунте снизится с до , компаратор вновь переключается. Величина тока накачки в момент повторного переключения оказывается равной

. (23)

После повторного переключения на неинвертирующем выходе компаратора вновь устанавливается высокий уровень напряжения, включающий транзистор , а на инвертирующем выходе – низкий, выключающий . Ток накачки вновь линейно растет до величины , а при последующем переключении компаратора линейно спадает до величины . В дальнейшем этот процесс повторяется, и компаратор поочередно подключает и отключает коммутирующий транзистор , обеспечивая изменение тока накачки в пределах . При снятии импульса управляющего напряжения ток накачки уменьшается до нуля.

Изобразим временные диаграммы тока накачки и напряжения на конденсаторе после подачи импульса управляющего напряжения .

рис.10

Как следует из анализа и видно из диаграммы, ток накачки пульсирует между значениями . Определим абсолютную и относительную величины пульсаций, используя выражения (22) и (23),

, (24)

, (24а)

. (25)

Величина пульсаций определяется соотношением сопротивлений , и не зависит от напряжения на конденсаторе.

Пример. , , .

Определить максимальное и среднее значения тока накачки, а также величины абсолютной и относительной пульсаций тока

,

,

,

.

Как уже отмечалось, по мере прохождения тока накачки происходит разряд накопительного конденсатора . Однако среднее значение тока остается постоянным до конца импульса, если напряжение на конденсаторе превосходит напряжение на лампе, соответствующее этому току. В режиме, приведенном на диаграмме, это условие выполняется. В случае нарушения этого условия ток накачки не может возрасти до величины и компаратор перестает переключаться, непрерывно поддерживая транзистор во включенном состоянии. В этом случае ёмкость накопительного конденсатора должна быть увеличена.

Проанализируем длительности включенного и выключенного состояний транзистора . Учитывая линейный характер изменения тока через индуктивность , запишем выражение напряжения на индуктивности в конечных приращениях

. (26)

Величину в пределах периода коммутации можно считать постоянной, соответствующей рассматриваемому моменту времени . В период включенного состояния за время ток изменяется на , а , где – напряжение на конденсаторе в рассматриваемый момент времени . При этом выражение (26) принимает вид

, (27)

где .

Так как в процессе разряда конденсатора напряжение на нем падает, а напряжение на лампе практически постоянно, то согласно (27) от импульса к импульсу растет и к концу импульса становится максимальным. Этот факт отражен на диаграмме тем, что .

В период выключенного состояния за время ток изменяется на ту же величину, что и в период включенного состояния , а напряжение на индуктивности равно напряжению на лампе . При этом выражение (26) принимает вид

. (28)

Как уже отмечалось, напряжение на лампе в течение всего импульса накачки практически постоянно. Следовательно, и вплоть до конца импульса остается неизменным. Этот результат также отражен на диаграмме. Период коммутации равен сумме длительностей включенного и выключенного состояний транзистора . Так как в процессе формирования импульса накачки растет, а остается постоянным, то период коммутации к концу импульса накачки увеличивается, а частота коммутации соответственно падает.

Из выражений (22) и (23) следует, что среднее значение тока накачки не зависит от напряжения источника питания . Поэтому выбор величины этого напряжения достаточно произволен. Например, оно может быть выбрано в 3–4 раза больше напряжения на лампе. При этом максимальная энергия, которая может быть передана за время импульса в лампу без снижения тока накачки, может составить > 90% энергии, запасенной в накопительном конденсаторе. Напомним, что в схеме модулятора с частичным разрядом накопительной емкости эта величина на превышает . Кроме того, повышение напряжения на конденсаторе автоматически устраняет нестабильности амплитуды и длительности фронта импульса, которые имеют место в низковольтных схемах.

При реальных частотах коммутации любое изменение режима накачки осуществляется за несколько периодов коммутации. Это позволяет реализовать практически любой закон изменения тока через лампу, подавая со схемы управления соответствующее напряжение . Иными словами, высокочастотный разрядный модуль выполняет функцию программируемого источника тока.

Проанализируем работу схемы, полагая, что в лампе формируется импульс среднего тока произвольной формы . При этом будем считать, что нестационарный процесс в схеме рассматривается в квазистационарном приближении. Это допущение справедливо, если постоянные нарастания и спада импульса среднего тока много больше периода коммутации. Будем считать также, что напряжение на лампе в процессе формирования импульса накачки связано с током уравнением вольт-амперной характеристики лампы . Чтобы найти закон изменения напряжения на конденсаторе в процессе формирования импульса накачки, составим баланс энергии, рассеиваемой в лампе и теряемой конденсатором. Энергия, рассеиваемая в лампе за время

. (29)

Энергия, теряемая конденсатором за время при его разряде с напряжения до , равна

. (30)

Эта энергия в основном рассеивается в лампе и частично рассеивается на элементах контура разряда. Поэтому, приравнивая (29) и (30) учтем КПД разрядного модуля , увеличив правую часть (29)

.

Отсюда

. (31)

Емкость накопительного конденсатора определяется максимальной энергией , которая должна быть передана в лампу, а также напряжениями на конденсаторе в начале () и в конце () импульса.

. (32)

В этом выражении .

Определим изменение частоты коммутации транзистора в процессе формирования импульса накачки

.

С учетом (27) и (28) это выражение преобразуется к виду

. (33)

Подставляя в эту формулу из (31) и учитывая выражение вольт-амперной характеристики лампы , после преобразований получим

. (34)

В большинстве применений форму импульса среднего тока можно считать прямоугольной, а величину в пределах всей длительности импульса накачки считать постоянной . При этом выражения (31) и (33) принимают вид

, (31а)

. (34а)

Из выражения (34) следует, что при ограничении частоты коммутации (она лимитирована коммутационными потерями в транзисторе) для получения заданных параметров импульса накачки величина произведения должна быть вполне определенной. При этом увеличение амплитуды пульсаций приводит к пропорциональному снижению . Поэтому со схемы управления необходимо поддерживать постоянной относительную величину пульсаций , а не абсолютную . При выбранной величине большим токам (а, значит, и ) соответствует низкая частота, а малым – высокая. Таким путем удается сохранить постоянство коммутационных потерь во всем диапазоне изменения токов.

При расчете схемы управления зададимся относительной величиной пульсации тока

. (35)

В этом выражении ; – разность управляющих напряжений на неинвертирующем входе компаратора, которые соответствуют токам и ; – управляющее напряжение, соответствующее среднему току . Согласно (22) и (23) , . Таким образом

, (36)

, (37)

. (38)

Напряжение обратной связи , соответствующее среднему току, равно величине из (37)

. (37)

Связь напряжений с , устанавливаемая уравнением (37) может быть выражена через относительную величину пульсаций тока , определенную в (38)

. (39)

При выборе отношения можно исходить из очевидного неравенства , которое с учетом (39) преобразуется к виду

.

Отсюда вытекает следующее ограничение на выбор отношения

. (40)

В пределах этого неравенства выбор величины является произвольным и диктуется соображениями удобства измерений.

В значительной мере произвольным является и выбор напряжения , который выполняется с учетом величины среднего тока накачки и сопротивления шунта . Что касается напряжения , то после выбора и оно должно строго соответствовать уравнению (39).

Пример. Средний ток в импульсе накачки , допустимая величина пульсаций тока . Определить отношение , сопротивление шунта и величину управляющего напряжения .

Отношение определяется неравенством (40)

. Выберем .

Так как у большинства компараторов напряжение, подаваемое на входы, ограничено величиной , то зададимся . Тогда сопротивление шунта оказывается равным

.

Необходимую величину управляющего напряжения рассчитываем по формуле (39)

При проектировании схемы высокочастотного разрядного модуля будем считать заданными те же параметры, что и в ранее рассмотренных схемах: энергию в импульсе , длительность импульса и характеристический импеданс лампы . Дополнительно зададимся относительной величиной пульсаций тока , считая импульс среднего тока прямоугольным.

Прежде всего, определим средние значения тока и напряжения на лампе, которые обеспечивают необходимую энергию в импульсе. С этой целью приравняем два выражения средней за время импульса мощности (5) и (6), считая при этом, что средние значения тока и напряжения на лампе связаны уравнением вольт-амперной характеристики . Очевидно, что средние значения тока и напряжения, полученные таким образом, совпадут с соответствующими эффективными значениями, найденными при определении в (7)

, .

По найденным значениям и выбирается коммутирующий транзистор.

Исходя из величины и доли энергии, которая должна быть передана за время импульса из конденсатора в лампу, зададимся напряжением источника питания , где . Если , то в лампу поступает 75% энергии, запасенной в конденсаторе. Для нахождения емкости накопительного конденсатора воспользуемся уравнением (32), в котором положим ,

. (41)

Полученное значение емкости следует увеличить на , учитывая реальный КПД модуля.

Величина индуктивности выбирается таким образом, чтобы частота коммутации в начале импульса накачки не превосходила допустимого значения. Верхний уровень частоты ограничен величиной коммутационных потерь, рассеиваемых в транзисторе. При фиксированной частоте в начале импульса из уравнения (33) выразим величину индуктивности

.

Учитывая, что , и напряжение в начале импульса равно , получим

. (42)

Временные зависимости и рассчитываются соответственно по формулам (31а) и (34а).

При расчете параметров схемы управления зададимся величиной , которая должна быть ниже допустимого напряжения на входах компаратора (у большинства компараторов 5В).

Рассчитаем сопротивление шунта по формуле . Если величина окажется ниже , то следует увеличить до или более. Чтобы осталось на прежнем уровне необходимо предусмотреть делитель напряжения, снимаемого с шунта.

Величина находится из неравенства (40)

По выбранной величине и рассчитанному отношению из выражения (39) находится величина управляющего напряжения

.

Пример. Рассчитать параметры высокочастотного разрядного модуля, если энергия в импульсе , длительность импульса накачки , характеристический импеданс лампы . Относительную величину пульсаций тока принять .

Найдем величины среднего тока и среднего напряжения на лампе

.

.

Зададимся напряжением источника питания

.

Рассчитаем емкость накопительного конденсатора

.

С учетом КПД модуля примем .

Определим индуктивность дросселя, приняв частоту в начале импульса накачки

.

Найдем напряжение на конденсаторе и частоту коммутации в конце импульса накачки, принимая КПД

. .

Зададимся величиной .

Определим сопротивление шунта

.

Для удобства измерений увеличим сопротивление шунта в 4 раза: . Чтобы не изменилось, напряжение снимаемое с шунта, уменьшим в 4 раза за счет делителя напряжения.

Из неравенства (40) оценим величину отношения (рис.9)

.

Выберем .

Найдем величину напряжения управления

.

Дата добавления: 2015-10-21