Як отримати чисту синусоїду з модифікованої

Валентин Володін

Конструктивний розрахунок дроселя

Для початку визначимо максимальну напругу та струми в обмотках лінійних дроселів L1 – L3. Визначимо струми та напруги за спрощеними формулами, які справедливі для випадку, коли вхідна напруга стабілізатора змінюється в діапазоні від 150 до 260, а вихідне дорівнює 220 В.

Знайдемо струм, що діє в обмотці дроселя L1 для випадку повністю активного навантаження:

Знайдемо струм, що діє в обмотці дроселя L2:

Знайдемо діючий струм в обмотці дроселя L3:

Щоб лінійні дроселі гарантовано не насичувалися, вони повинні розраховуватись на певну змінну напругу. З деяким запасом можна вважати, що до обмоток дроселів прикладаються напруги, середні значення яких дорівнюють UL1 = 250 B для дроселя L1, UL2 = 100 B для дроселя L2 і UL3 = 45 B для дроселя L3.

Оскільки процедура розрахунку всім дроселів аналогічна, то для прикладу зробимо конструктивний розрахунок дроселя L2. Як осердя дроселя використовуємо стандартний осердя типу ШЛ, навитий стрічкою товщиною 0.35 мм, виконаної з холоднокатаної електротехнічної сталі типу 3411 (Е310). Значення максимальної індукції BM у сердечнику лінійного дроселя не повинно перевищувати 1.5 Тл для холоднокатаної сталі та 1.2 Тл для гарячекатаної. Вважатимемо, що максимальна щільність струму в обмотці дроселя становить J = 3.5 А/мм 2 а коефіцієнт заповнення вікна kО = 0.35. Для стрічки завтовшки 0.35 мм коефіцієнт заповнення сердечника складе kC=0.93.

Знайдемо мінімальні габаритні розміри сердечника:

За таблицею визначаємо, що нам підходить осердя ШЛ32х40. Цей сердечник має площу перерізу SС = a b =3.2•4 = 12.8 см 2 та площа вікна SО = c•h = 3.2•8 = 25.6 см 2 . Габаритні розміри сердечника становлять SСSО = SС•SО = 12.8•25.6 = 328 см 4 що перевищує мінімальні вимоги.

Визначимо кількість витків обмотки дроселя за формулою:

Визначимо діаметр обмотувального дроту за формулою:

З таблиці стандартних обмотувальних проводів вибираємо найближчий товстий мідний провід d=2.02 мм.

З міркування забезпечення необхідної індуктивності визначаємо сумарну довжину немагнітного зазору в осерді дроселя:

Формула дає «теоретичну» довжину, яка не враховує ефекту розпухання поля в зазорі. З урахуванням цього ефекту сумарна довжина немагнітного зазору становитиме приблизно 8 мм. Тому після намотування та складання дроселя необхідно шляхом підбору товщини немагнітної прокладки в стиках сердечника домогтися необхідної індуктивності.

Аналогічним чином проводиться конструктивний розрахунок для дроселів L1 та L3.

Блок управління стабілізатора

Принципова електрична схема блоку керування стабілізатора зображена на малюнку 4.


Малюнок 4.	Принципова електрична схема блоку управління стабілізатора.

Функціональна схема блоку управління стабілізатора відповідає схемі, зображеній на Рисунку 1. Вихідна напруга стабілізатора UН через роз'єм XP3 надходить на вхід дільника напруги R9, R15 та інтегратора, виконаного у вигляді RC-ланцюжка на елементах R28 та C11. Діоди VD2 та VD5 обмежують амплітуду вихідної напруги дільника напруги, а діоди VD8 та VD11 обмежують амплітуду вихідної напруги інтегратора.

Вихідна напруга інтегратора з конденсатора С11 надходить на вхід випрямляча В1. Вузол В1 являє собоюсебе двонапівперіодний випрямляч [3], зібраний на двох операційних підсилювачах (ОУ) DA1.3 і DA1.4, а також на елементах VD9, VD10, C9, R21, R22, R30. При позитивній вхідній напрузі діод VD9 закритий, а діод VD11 відкритий, і схема випрямляча охоплена загальним негативним зворотним зв'язком через резистори R21 і R22. За рахунок дії зворотного зв'язку напруга UВ1 на виході DA1.4 підтримується рівним вхідної напруги випрямляча. Якщо на вході випрямляча негативна вхідна напруга, діод VD10 закритий, а діод VD9 відкритий. У цьому ОУ DA1.3 діє як повторювач, а ОУ DA1.4 – як інвертор з одиничним коефіцієнтом посилення. Через війну вихідна напруга випрямляча дорівнює за абсолютним значенням вхідному, але має протилежну, тобто. позитивну, полярність. Конденсатор C9 запобігає збудженню випрямляча.

З виходу дільника напруги R9, R15 напруга надходить на вхід двонапівперіодного випрямляча В2, зібраного на двох ОУ DA1.1 та DA1.2, а також на елементах VD3, VD4, C3, R2, R3, R16. Випрямляч В2 повністю аналогічний до випрямляча В1. Вихідна напруга UВ2 випрямляча В2 надходить на фільтр нижніх частот Саллена-Кея [3], зібраного на ОУ DA2.1 та елементах C2, C7, R4, R10, R11, R17. Частота зрізу цього фільтра становить 10 Гц. В результаті цього фільтр виробить постійну складову з напруги UВ2 і активно пригнічує пульсацію, що дорівнює подвоєній частоті мережі (100 Гц).

З виходу фільтра згладжена напруга пропорційна вихідної напруги стабілізатора надходить на вхід пропорційно-інтегрального (ПІ) регулятора, зібраного на керованому стабілітроні DA3 та елементах VD16, C1, R5, R6, R12, R18, R23. Вхідна напруга регулятора через дільник напруги R5, R12, R18 прикладається до керуючого електрода DA3,де порівнюється з внутрішньою опорною напругою UОП = 2.5 В. Ця опорна напруга задає номінальне значення вихідної напруги стабілізатора UН = 220 В. Якщо вихідна напруга стабілізатора вище номінальної, то вихідна напруга регулятора UПОР зменшується, а якщо нижче, то збільшується. Резистор R23 виконує подвійну роль. По-перше, він виконує роль навантаження для DA3, а по-друге, спільно зі стабілітроном VD16 утворюємо параметричний стабілізатор, який обмежує максимальне значення UПОР на рівні 5 В. Ланцюжок R6, C1 визначає параметри налаштування регулятора.

Пороговий пристрій зібрано на ОП DA2.3, що працює в режимі компаратора. Імпульс управління UУПР повинен формуватися по передньому фронту імпульсів випрямленої напруги UВ1. І тому напруга UВ1 заведено на прямий вхід DA2.3, а UПОР – на інвертуючий. Як тільки величина UВ1 перевищує поріг UПОР, на виході DA2.3 формується позитивний фронт напруги, який за допомогою ланцюжка, що диференціює C10, R32 перетворюється на короткий імпульс. Цей імпульс надходить на формувач, зібраний на ОУ DA2.4 та елементах VT2, VD7, VD12, VD13, R24, R25, R33, R34. Формувач забезпечує необхідну форму та тривалість імпульсу управління.

Імпульс керування через діод VD13 надходить на вхід підсилювача потужності, зібраного на елементах VT5, R38-R40. Підсилювач потужності забезпечує величину та полярність напруги управління UУПР, необхідного для надійного відмикання симістора VS1 (Малюнок 3). Резистори R36, R37 перетворять напругу управління UУПР струм управління, який через роз'єм XP2 подається в керуючий електрод симістора VS1.

Вузол початкового пуску зібраний на ОУ DA2.2 та елементах VT3, VD1, VD14, C4, R7, R8, R19, R20, R26, R35. Вихідна напругадільника R7, R19 прикладається до прямого входу DA2.2, а до виходу, що інвертує, підключений конденсатор C4. Відразу після включення стабілізатора конденсатор С4 розряджений, і тому на виході ОУ DA2.2 є високий рівень, який через транзисторний каскад VT3, R26, R35 і діод VD14 надходить на підсилювач потужності. В результаті цього симістор VS1 (Малюнок 1) утримується у відкритому стані, і на виході стабілізатора фіксується мінімальна напруга. Цей стан триває приблизно 0.6 с і необхідне завершення перехідних процесів в дроселях стабілізатора.

Вузол м'якого старту зібраний на елементах VT1, VT4, VD6, C8, R13, R14, R27, R29. Відразу після включення стабілізатора високий рівень виходу DA2.2 через дільник напруги R27, R29 надходить на базу транзистора VT4. Транзистор VT4 відкривається та шунтує конденсатор м'якого старту C8, фіксуючи на ньому низький рівень напруги. Низький рівень з конденсатора С8 через емітерний повторювач VT1 та діод VD6 надходить на вихід регулятора. При цьому напруга Uпор має мінімальне значення, що забезпечує практично безперервне утримання симістора VS1 у відкритому стані. Після закінчення циклу початкового пуску на виході DA2.2 формується низький рівень транзистор VT3 закривається і починається плавна зарядка конденсатора м'якого старту C8. Одночасно із зарядкою конденсатора С8 починається зростання порогової напруги UПОР. При цьому струм у дроселі L2 (Малюнок 3) зменшується, і стабілізатор плавно, без поштовхів вводиться в роботу.

Світлодіод HL1 «Робота» запалюється після завершення початкового пуску та служить для індикації робочого стану стабілізатора.

Блок живлення стабілізатора формує двополярну стабілізовану напругу ±10 В і зібраний на елементах T1, DA4, DA5, VD15, C13-C16,FU1.

Налагодження та налаштування стабілізатора

Правильно зібраний стабілізатор не потребує якогось настроювання. Після включення стабілізатора до мережі необхідно за допомогою підстроювального резистора R18 виставити номінальну вихідну напругу 220 В.

Деталі

Як резонансний конденсатор C1 (Малюнок 3) можна використовувати компенсуючі конденсатори типу К78-99 або аналогічні, призначені для корекції коефіцієнта потужності електромагнітних дроселів газорозрядних ламп. Наприклад, можна використовувати два включених паралельно конденсатора К78-99 ємністю 50 мкФ, розрахованих на напругу 250 змінного струму. Для цієї ж мети можна використовувати конденсатор типу МБГВ 100 мкФ на 1000 В. Подібні конденсатори, ще радянського випуску, часто зустрічаються на різних господарських і радіоаматорських ринках.

Дросель L1 мотається на стрічковий осердя ШЛ32×64. Обмотка дроселя містить 440 витків мідного дроту d=1.68 мм. При складанні осердя в кожен його стик необхідно покласти немагнітне прокладання товщиною 5 мм. Після намотування та складання дроселя необхідно шляхом уточнення товщини немагнітної прокладки домогтися необхідної індуктивності.

Примітка: Як дросель L1 можна використовувати готовий дросель від світильників із газорозрядними лампами. В даному випадку можна використовувати два дроселі типу 1І-400ДНaT46, розрахованих на спільну роботу з натрієвою лампою потужністю 400 Вт. Дроселі необхідно увімкнути паралельно.

Дросель L2 мотається на стрічковий осердя ШЛ32×40. Обмотка дроселя містить 280 витків мідного дроту d=2.02 мм. При складанні осердя в кожен його стик необхідно покласти немагнітне прокладання товщиною 4 мм. Після намотування та складання дроселя необхідно шляхом уточненнятовщини немагнітної прокладки досягти необхідної індуктивності.

Дросель L3 мотається на стрічковий осердя ШЛ25×32. Обмотка дроселя містить 205 витків мідного дроту d=1.81 мм. При складанні осердя в кожен його стик необхідно покласти немагнітне прокладання товщиною 2.5 мм. Після намотування та складання дроселя необхідно шляхом уточнення товщини немагнітної прокладки домогтися необхідної індуктивності.

Лінійні дроселі під час роботи стабілізатора формують змінне магнітне поле високої інтенсивності. При цьому навіть добре зібраний дросель може бути джерелом шуму. Правда шуміти буде не сам дросель, а навколишні залізні предмети, наприклад кришка корпусу стабілізатора. Для зменшення зовнішніх полів дросель необхідно помістити в коробку з м'якої сталі товщиною 1 мм і залити компаундом. При цьому внутрішні відстані від стінок коробки до дроселя повинні бути не менше ніж 20 мм.

Під час роботи симістор VS1 гріється, і тому його необхідно встановити на охолоджувач типу О141 або аналогічний має площу не менше 400 см 2 . Так як симістор BTA40-800 ізольований від корпусу, немає необхідності ізолювати охолоджувач від корпусу стабілізатора. Замість BTA40-800 можна використовувати симістори BTA41-800 або BTB41-800. На відміну від BTA40-800 та BTA41-800, симистор BTB41-800 від корпусу не ізольований. Тому при його використанні необхідно вжити заходів для надійної ізоляції охолоджувача із встановленим симістором від корпусу стабілізатора. За відсутності зазначених симісторів можна використовувати будь-які інші, які мають аналогічні параметри. Наприклад, можна використовувати вітчизняний симистор типу ТС132-40-8-6.

Як трансформатор Т1 (Малюнок 4) можна використовувати будь-який трансформатор потужністю 5-10 Вт, розрахований нароботу при підвищеній до 260 В напрузі мережі. Трансформатор повинен мати одну вторинну обмотку на 36 В, що має відвід від середини (18 +18 В).

Увага!

Під час встановлення стабілізатор необхідно заземлити за допомогою клеми X3 (Малюнок 3). У свою чергу, клема X3 повинна мати надійний електричний контакт із корпусом стабілізатора.

Використовувана література:

Д. І. Богданов. Ферорезонансні стабілізатори напруги. Москва: Енергія, 1972. - Стор. 31, 79.
В. В. Губанов. Стабілізовані напівпровідникові перетворювачі у системі з нелінійними резонансними пристроями. Ленінград: Вища школа, 1985. - стор 153, 178.
А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналогова електроніка на операційних підсилювачах. Москва: Біном, 1994 рік. стор.106, 313.