↑ Теория
В наше время можно недорого купить микросхемы, позволяющие собирать простые и эффективные импульсные источники питания, например, MC34063
или
LM2576
. Есть даже программы-калькуляторы, помогающие определить номиналы деталей или можно воспользоваться datasheet. Но возникает одна маленькая проблема — нужно намотать дроссель, который должен обладать определенной индуктивностью и сохранять эту индуктивность при значительном токе подмагничивания — до нескольких Ампер.
К сожалению, ассортимент готовых индуктивностей в магазинах беден и нужные часто недоступны. В то же время можно купить ферритовые сердечники или взять их, например, из раскуроченных электронных балластов для люминесцентных или галогеновых ламп. Определить индуктивность можно без специальных приборов с помощью компьютера и программного пакета Arta Software
, о чем я писал в прошлых публикациях (LIMP — программный измеритель RCL).
Сложнее определить, войдет сердечник в насыщение (и нарушится нормальная работа блока питания) или нет. Многолетний редактор журнала «Радио» и автор множества статей по тематике импульсных преобразователей Сергей Алексеевич Бирюков
написал статью «Дроссели для импульсных источников питания на ферритовых кольцах». В ней есть практическая схема, позволяющая увидеть и измерить ток насыщения на экране осциллографа.
В статье множество формул и таблиц, я же постараюсь объяснить всё ненаучно, на пальцах.
Для того чтобы сделать дроссель надо рассчитать или взять из datasheet нужную индуктивность. Берем сердечник, на котором будем наматывать катушку и мотаем несколько десятков витков удобным проводом, например, 0,3 мм. Измеряем индуктивность, затем рассчитываем, сколько надо витков для будущего дросселя. Для этого вспоминаем, что индуктивность прямо пропорциональна квадрату числа витков. Если намотано 30 витков и индуктивность 20 мкГн, то чтобы получить 180 мкГн, надо намотать 90 витков.
Теперь вспомним что такое Ампер -витки. Это произведение числа витков на протекающий ток. Сердечник одинаково намагнитят 200 витков при токе 1 А или 1 виток при токе 200 А, или 50 витков при токе 4 А. Значит, если мы узнаем, при каком токе насытится сердечник от нашей пробной катушечки в 30 витков, мы легко узнаем какой ток выдержит наш дроссель с рабочей катушкой в 90 витков.
Надо только не забывать, что индуктивность лучше делать немного бОльшей, чем рекомендуется и что при уменьшении числа витков индуктивность падает гораздо быстрее, чем растет допустимый ток. Кроме того, для уменьшения потерь надо использовать толстый провод. Не исключено, что данный сердечник может не подойти, тогда, если это кольца, можно сложить два-три кольца или взять другой типоразмер или даже включить два дросселя последовательно.
Выводы.
Хоть схема и имеет полувековую историю, она до сих пор остается актуальной. ПРА необходим для работы люминесцентной лампы. Все компоненты производятся и стоят недорого. К достоинствам этой схемы можно отнести ее простоту и доступность компонентов. Обычно дроссель является самым долгоживущим компонентом схемы.
Из минусов отмечено, что при использовании классической схемы при включении освещения несколько секунд наблюдается мерцание. Это плохо отражается на сроке полезной эксплуатации самого источника света. Т.е. Лампа проработает меньше в такое схеме, чем при использовании электронного пускателя.
В плане экономической целесообразности, при частом включении и выключении света использовать такую элементную базу не выгодно, проще приобрести электронный пускатель, хоть его покупка и обойдется дороже, но это будут одномоментные затраты.
- Похожие записи
- Кварцевая лампа для дезинфекции дома
- Устранение причины мигания и мерцания светодиодной лампы
- Освещение фасада зданий: разновидности, принципы организации
↑ Схема
Я собрал измеритель на небольшой плате, детали самые обычные, там, где удобно, ставлю SMD и вам советую. Полевой транзистор — любой с нужной проводимостью на ток от 20 А и выше, с низким сопротивлением канала в открытом состоянии, можно низковольтный. Я поставил IFRP150. Стабилизатор 6 В на микросхеме 78L06. Если ее нет, можно ставить 78L05 и добавить 1-2 диода типа КД522 в разрыв общего провода 78L05 анодом к стабилизатору. Емкости С3С4 я поставил по 2200 мкФ на 35 В. Номиналы деталей не критичны. В процессе испытаний я понял, что нужна небольшая доработка схемы. Вместо VD3 VD4 я поставил один стабилитрон Д816В. Для увеличения импульса тока до 12 А между базой и эмиттером VT1 надо поставить резистор с номиналом, как у R5. Эти небольшие изменения позволяют испытать готовые индуктивности в несколько миллигенри. Номинал R4 я уменьшил втрое, что сделало луч на экране более ярким. Сигнал к входу синхронизации осциллографа снимается с вывода 11 микросхемы через резистор 1 кОм.
Конструктивные узлы тиристорного инвертора
Конструктивное исполнение дросселя показано на рис. 18. Эпоксидная масса, в которую заключен дроссель, обеспечивает теплоотвод от ферритовых колец с сохранением электрической и механической прочности конструкции. Максимальное напряжение на дросселе составляет 2 кВ, что видно на рис. 10.
На рис. 19 приведен общий вид и сравнительные размеры рассмотренных узлов, в основном, определяющих габариты инверторной части тиристорных преобразователей частоты для индукционного нагрева.
Силовой печной электротермический конденсатор типа ЭЭВК показан на рис. 19 для определения размеров других узлов ВЧ-инвертора, рассмотренных ранее, — блока силовых вентилей, платы демпфирующих элементов и нелинейного дросселя насыщения.
Основное назначение электротермических конденсаторов — повышение коэффициента мощности электротермических установок частотой от 0,5 до 10 кГц. Конденсаторы можно использовать на более высоких частотах с ограничением реактивной мощности. Корпус конденсаторов выполнен из листовой стали для конденсаторов на частоту до 1 кГц включительно и из латуни для конденсаторов на рабочую частоту свыше 1 кГц. Причина — возрастание потерь на вихревые токи при высокой рабочей частоте.
Для конденсаторов типа ЭЭВК допустимые превышения по напряжению — 100%, по току — 130%, что соответствует значениям для индуктивных элементов инвертора, но значительно больше, чем для блока силовых полупроводниковых вентилей.
Все указанные функциональные узлы охлаждаются проточной водой от системы оборотного водоснабжения. Под давлением воды до 0,6 МПА (6 кгс/см²) на 6–12 мм могут увеличиваться все линейные размеры конденсатора.
Для высокочастотного (до 30 кГц) тиристорного инвертора мощностью 40 кВт дроссель насыщения выполняется с сердечником из 6 ферритовых колец размером 100f80f15 мм. Дроссель содержит обмотку из 8 витков медной трубки. Дроссель насыщения осуществляет задержку протекания тока через тиристор и диод, равную 18 мкс, легко контролируемую цифровым осциллографом.
Нелинейный дроссель переменного тока (дроссель насыщения) применяется нами в последовательных тиристорных инверторах тока с рабочей частотой свыше 5 кГц. Применение дросселя значительно снижает коммутационные потери в силовых вентилях, начальную скорость нарастания тока (di/dt) и напряжения на тиристорах (du/dt) и сдвигает максимумы тока и напряжения при коммутации силовых вентилей, что, в итоге, приводит к повышению примерно в 2 раза предельной рабочей частоты тиристорного инвертора.
Кроме указанных преимуществ, существенных для силовых схем автономных высокочастотных инверторов, использование нелинейного дросселя уменьшает рассеиваемую мощность в демпфирующих элементах силовых вентилей.
Платой за перечисленные достоинства являются необходимость ограничения диапазона рабочих напряжений на элементах инвертора, в котором проявляются достоинства нелинейных дросселей, а также усложнение процедуры пуска инвертора. На низкой рабочей частоте переменного тока нелинейные дроссели насыщения не используются.
При использовании дросселя много преимуществ, однако он сложен в изготовлении, что, несмотря на его простую конструкцию, необходимо принимать во внимание.
Схемотехническое моделирование дросселя насыщения показало необходимую точность исследований с целью обеспечения заданного времени задержки тока. Исследование схемотехнической модели позволяет целенаправленно изменить характер протекания электромагнитных процессов в инверторе.
Разработанная схемотехническая модель дросселя позволяет определить необходимые геометрические размеры и параметры дросселя насыщения из условия необходимой задержки нарастания тока тиристоров и уменьшения коммутационных перенапряжений.
↑ Работа с прибором
Установить R3 минимальную длительность импульса, плавно увеличивая ее, получить изображение на экране осциллографа. Сначала можно включить непрерывную развертку и внутреннюю синхронизацию, получить нестабильное изображение . Потом, подобрав чувствительность и частоту развертки, включить ждущую развертку и внешнюю синхронизацию, картинка станет как влитая.
На осциллографе с1-94 при чувствительности 0,1 В/дел, одна клетка соответствует току катушки 1 А. Увеличивая длительность импульса, добьемся перелома формы импульса вверх, считываем сколько клеток по оси Y снизу до перелома и определяем ток. Это и будет ток насыщения.
Возможны варианты – перелома не будет, а будет треугольник, который не растет при повороте регулятора R3. Это значит, насыщения нет, надо увеличить число витков катушки. Или форма не треугольная, а сглаженная – велико активное сопротивление катушки. Если вы проверяете трансформатор, будьте осторожны, на неподключенных обмотках может быть значительное напряжение! И категорически запрещаю проверять так строчные телевизионные трансформаторы или силовые трансформаторы компьютерных блоков питания! Если катушка имеет индуктивность несколько миллигенри, она накапливает значительную энергию, которую поглощает мощный стабилитрон (он за этим и нужен), при этом он сильно разогревается (я это почувствовал по запаху), поэтому измерения таких катушек должны быть непродолжительны (я не спеша настраиваю осциллограф с небольшим импульсом, а потом поворачиваю ось R3 и засекаю ток перелома).
Тиристорный инвертор высокой частоты
На рис. 3 приведена схемотехническая модель тиристорного инвертора, в которой можно выделить следующие функциональные узлы: комплект полупроводниковых вентилей — силовых тиристоров и диодов, а также присоединенные параллельно им R-C компоненты. Отдельными узлами инверторов ввиду их значительных габаритов являются дроссель постоянного тока L4, коммутирующий дроссель L5 и конденсатор C5.
Особенности моделирования подобной схемы несимметричного тиристорного инвертора подробно рассмотрены в [3–6].
Особенность этой схемы инвертора — возможность использования в расширенном диапазоне частот и мощностей. Практически одна конструкторская разработка путем тривиальных переключений конструктивных узлов позволяет применить этот инвертор в тиристорных преобразователях частоты (ТПЧ) от 1000 Гц (мощностью 320 кВт) до 10 000 Гц (мощностью 32 кВт). При этом требуется только изменение интенсивности охлаждения конструктивных узлов инвертора, что опять же легко реализуется при использовании системы водяного охлаждения, принятого для уфимских ТПЧ.
Однако некоторые технологические процессы с использованием индукционного нагрева требуют увеличения выходной частоты хотя бы в 2–3 раза. В первую очередь это закалка ТВЧ, пайка, высокочастотный нагрев маломерных изделий. Оказывается, тиристорный инвертор с удвоением частоты, выполненный по несимметричной схеме с обратными диодами, можно эффективно использовать и на этой частоте, если в его конструкцию ввести некоторые новые функциональные узлы, например, оригинальный нелинейный дроссель насыщения, включаемый в цепь переменного тока высокой частоты. Вопросы, связанные с исследованиями дросселя насыщения для тиристорного инвертора и явились предметом рассмотрения данной статьи.
На рис. 4 показана временная диаграмма тока тиристора и тока встречного диода тиристорного инвертора. На этой диаграмме отмечен выброс обратного тока встречного диода, который в амплитуде достигает величины до 92 А. «Обрыв» с очень большой скоростью этого тока приводит к возникновению на индуктивных элементах инвертора коммутационных перенапряжений. Для демпфирования этих перенапряжений и снижения скорости изменения напряжения du/dt, прикладываемого к тиристорам, непосредственно после опасного периода восстановления их управляющих свойств применяются безиндуктивные мощные R-C цепочки, показанные на рис. 3. Однако эффективность этих элементов оказывается недостаточной при увеличении частоты включения диодов и амплитуды протекающего через них прямого тока. Оба названных фактора в равной степени влияют на крутизну подхода к нулю прямого тока диода.
Значительно увеличивать емкость демпфирующих конденсаторов нельзя, так как это увеличивает потери в тиристорах в другие моменты времени при их открытии. Следовательно, необходимо использовать иной подход — применить специальный дроссель насыщения, который уменьшает амплитуду коммутационных перенапряжений.
Рассмотрим несколько подробнее тиристорный инвертор по принципиальной схеме, изображенной на рис. 3. Инвертор преобразователя выполнен по несимметричной схеме с закрытым входом (через дроссель постоянного тока) и диодами обратного тока. Инвертор устойчив к коротким замыканиям в нагрузке, но не работает при ее обрыве. Перед пуском инвертора коммутирующий конденсатор С5 заряжен до величины 500 В.
При поступлении от блока управления преобразователем управляющих импульсов тиристоры включаются, коммутирующий конденсатор С5 перезаряжается по цепи колебательного тока — R8, L5, шунт и тиристоры инвертора. Параметры этой цепи обеспечивают формирование тока почти синусоидальной формы.
После перезаряда коммутирующего конденсатора ток рассмотренной цепи протекает в обратном направлении, через силовые диоды. За рассмотренный интервал времени в нагрузке протекает один период тока высокой частоты. Интервал времени, предоставляемый для восстановления управляющих свойств тиристорам, равен длительности проводящего состояния диодов. Этот период времени называется временем выключения тиристоров и меняется при разных параметрах нагрузки инвертора.
Время выключения тиристоров инвертора при нормальной работе преобразователя не должно быть меньше паспортного значения. При выключении обратного диода инвертора к тиристору прикладывается прямое напряжение, а в течение интервала паузы происходит восстановление заряда конденсатора коммутирующего конденсатора постоянным током, протекающим через обмотки входного дросселя L4. При поступлении на тиристор инвертора очередного импульса управления описанные процессы установившегося режима работы инвертора повторяются.
Блок силовых вентилей инвертора включает в себя четыре последовательно соединенных, одновременно включаемых тиристора с подсоединенными встречно-параллельно тиристорам обратными диодами. Дроссель входной служит для формирования инвертором свойств источника тока, он уменьшает также амплитуду высокочастотных токов, протекающих через источник питания. Переключение коммутирующих конденсаторов или витков коммутирующего дросселя изменяет настройку преобразователя на рабочую частоту и ступенчато регулирует выходную мощность.
↑ Итого
Для тех, кто занимается импульсными источниками питания, данный прибор будет полезен. Радиолюбитель обычно делает единичные устройства из тех узлов из деталей, которые может найти. Я не согласен с теми, кто пишет, что для LM2576 дроссель можно намотать на гвозде. Работать он может и будет (за счет внутримикросхемных ограничителей и предохранителей), но получить хороший КПД и хорошую стабилизацию не получится. Прибор, конечно, не первой необходимости, но дешев, прост и портативен, поэтому иметь его полезно.
Как можно запустить ДРЛ-лампу без дросселя?
Существует возможность пуска дугового устройства освещения 250 ватт без балласта, но для этого необходимо применить другую технологию включения прибора. Специалисты рекомендуют вариант покупки специальной лампы ДРЛ 250, у которой есть способность включения без балласта (дросселя), когда в конструкцию лампы добавляется спираль, в задачу которой входит разбавлять световой поток.
Еще народными умельцами применяется способ пуска ламп этого вида с использованием набора конденсаторов, но в этом случае надо точно знать величину получаемого тока. Также применяют пуск ламп ДРЛ с использованием простой лампы, но только при условии, что она имеет одинаковую мощность с ДРЛ-лампой.
