Эта схема значительно повышает эффективность преобразования устройств зарядки конденсаторов на основе обратноходовых преобразователей с внешним управлением, предназначенных для импульсных твердотельных лазеров с ламповой накачкой. В импульсном твердотельном лазерном источнике с ламповой накачкой накопительный конденсатор заряжается до высокого напряжения, зависящего от количества энергии, которую он должен отдать лампе-вспышке при разряде.
Обратноходовая топология преобразователя хорошо подходит для источника питания, заряжающего конденсатор. Обычные схемы обратноходовых преобразователей, в которых используется обратная связь по напряжению для достижения желаемого выходного напряжения и широтно-импульсная модуляция для регулирования напряжения, не могут применяться в случае емкостной нагрузки по следующей причине:
В обратноходовом преобразователе энергия накапливается во время включенного состояния коммутирующего устройства и передается, когда оно выключено. Чтобы зарядить накопительный конденсатор до желаемого напряжения, требуется большое количество циклов накопления и передачи. Для заданного количества запасаемой энергии передача заряда при каждом переносе увеличивает напряжение на конденсаторе на ступеньку определенной величины, которая все время уменьшается по мере нарастания напряжения на конденсаторе. В результате требуемое время выключенного состояния изменяется от начального максимального до минимального значения в последнем цикле накопления и передачи, в котором напряжение на нагрузке достигает конечного уровня. Это может привести к повреждению компонентов схемы, подключенных к первичной обмотке. В случае более высокой частоты переключения передача энергии будет неполной на более ранней стадии зарядки. Любая попытка спроектировать преобразователь с фиксированной частотой переключения приводит к снижению КПД. Также существует вероятность насыщения сердечника из-за остаточного магнитного потока. В случае более низкой частоты переключения преобразователь будет простаивать большую часть времени в течение последней фазы зарядки.
Мы реализовали конструктивный подход, основанный на системе с замкнутым контуром обратной связи, которая гарантирует полную передачу энергии в каждом отдельном цикле входного сигнала. Фактически, система такова, что напряжение на накопительном конденсаторе постоянно контролируется. В каждом периоде время цикла сокращается при сохранении фиксированного времени включения. То есть время выключения сокращается в соответствии с требованиями процесса передачи энергии. Таким образом, мы имеем идеальную ситуацию, обеспечивающую максимально высокую скорость зарядки, а также оптимальную конструкцию трансформатора.
Схема, показанная на Рисунке 1, представляет собой устройство зарядки конденсаторов на основе обратноходового преобразователя для Nd-YAG лазера с модуляцией добротности, работающего на частоте 20 Гц. Конструкция заряжает накопительный конденсатор емкостью 30 мкФ необходимой энергией 15 джоулей менее чем за 50 мс, обеспечивая работу на частоте 20 Гц.
 |
|
| Рисунок 1. | Устройство зарядки конденсаторов на основе обратноходового преобразователя. |
Схема работает в обратноходовой конфигурации с внешним управлением. Энергия накапливается во время открытого состояния ключевого MOSFET и передается в накопительный конденсатор во время его перехода в выключенное состояние. Каждый раз, когда энергия передается во вторичную цепь, выходной конденсатор частично заряжается, и напряжение на нем увеличивается на ступеньку определенной величины. Величина этой ступеньки уменьшается с ростом напряжения на конденсаторе. Уменьшение времени выключения ключевого устройства происходит по той же схеме, что и нарастание напряжения на конденсаторе. Напряжение на накопительном конденсаторе измеряется и вырабатывается управляющее напряжение VS. Это напряжение подается на вычитатель U2, который из управляющего напряжения вычитает отрицательное опорное напряжение VREF1. Выходное напряжение вычитателя VR = VS – VREF1 подается на преобразователь напряжение-частота (ПНЧ) U1, поэтому рабочая частота изменяется линейно с изменением напряжения на конденсаторе.
В исходном состоянии, когда накопительный конденсатор не заряжен, выходное напряжение равно нулю и VS = VS(MIN) = 0 В. На выходе U2 мы имеем небольшое положительное напряжение (VR(MIN) или –VREF1). Это напряжение определяет начальный период выходных импульсов ПНЧ. Выход ПНЧ подключен к входу ждущего мультивибратора U5, задающего фиксированное время включения. По мере роста напряжения на накопительном конденсаторе увеличивается управляющее напряжение на входе ПНЧ, что уменьшает время выключения. Контур измерения напряжения сравнивает VC – часть выходного напряжения – с опорным напряжением VREF2, чтобы сформировать импульс сброса для ждущего мультивибратора и, соответственно, достичь требуемого выходного напряжения.
Также в устройстве имеется функция гашения преобразователя, предотвращающая «послесвечение» лампы-вспышки. Для гашения лампы-вспышки зарядка накопительного конденсатора должна быть прервана на несколько миллисекунд в момент подачи команды на зажигание лампы. Это достигается за счет блокировки таймера U5 в течение этого периода. Блокировка реализуется путем запуска второго ждущего мультивибратора U7 командным импульсом включения. Выходной сигнал EOC (end of charge) указывает на завершение процесса зарядки.
Приложение. Конструкция трансформатора
Трансформатор был рассчитан на выходную мощность 300 Вт (15 Дж энергии при частоте 20 Гц), а КПД преобразования принимался равным 80%.
| Тип сердечника | EE 4215 (изг. Cosmo Ferrite) |
| Эффективная длина магнитного пути | 97 мм |
| Эффективная площадь сечения | 181 мм2 |
| Плотность потока насыщения | 390 мТл |
| Максимальная рабочая плотность потока |
300 мТл |
| Начальная проницаемость | 3,000 |
| Число витков первичной обмотки | 11 |
| Число витков вторичной обмотки | 275 |
| Индуктивность первичной обмотки | 10 мкГн |
| Пиковый ток первичной обмотки | 60 А |
| Постоянное время включения MOSFET | 25 мкс |
Купить LM311 на РадиоЛоцман.Цены
