Как получить чистую синусоиду из модифицированной. Часть 2

Конструктивный расчет дросселя

Для начала определим максимальные напряжения и токи в обмотках линейных дросселей L1 – L3. Определим токи и напряжения по упрощенным формулам, которые справедливы для случая, когда входное напряжение стабилизатора изменяется в диапазоне от 150 до 260 В, а выходное равно 220 В.

Найдем действующий ток в обмотке дросселя L1 для случая полностью активной нагрузки:

Найдем действующий ток в обмотке дросселя L2:

Найдем действующий ток в обмотке дросселя L3:

Чтобы линейные дроссели гарантированно не насыщались, они должны рассчитываться на определенное переменное напряжение. С некоторым запасом можно считать, что к обмоткам дросселей прикладываются напряжения, средние значения которых равны U_L1 = 250 B для дросселя L1, U_L2 = 100 B для дросселя L2 и U_L3 = 45 B для дросселя L3.

Так как процедура расчета для всех дросселей аналогична, то для примера произведем конструктивный расчет дросселя L2. В качестве сердечника дросселя используем стандартный сердечник типа ШЛ, навитый лентой толщиной 0.35 мм, выполненной из холоднокатаной электротехнической стали типа 3411 (Э310). Значение максимальной индукции BM в сердечнике линейного дросселя не должно превышать 1.5 Тл для холоднокатаной стали и 1.2 Тл для горячекатаной. Будем считать, что максимальная плотность тока в обмотке дросселя составляет J = 3.5 А/мм², а коэффициент заполнения окна k_О = 0.35. Для ленты толщиной 0.35 мм коэффициент заполнения сердечника составит k_C=0.93.

Найдем минимальные габаритные размеры сердечника:

По таблице определяем, что нам подходит сердечник ШЛ32х40. Этот сердечник имеет площадь сечения S_С = a•b = 3.2•4 = 12.8 см² и площадь окна S_О = c•h = 3.2•8 = 25.6 см². Габаритные размеры сердечника составляют S_СS_О = S_С•S_О = 12.8•25.6 = 328 см⁴ , что превышает минимальные требования.

Определим количество витков обмотки дросселя по формуле:

Определим диаметр обмоточного провода по формуле:

Из таблицы стандартных обмоточных проводов выбираем ближайший более толстый медный провод d=2.02 мм.

Из соображения обеспечения требуемой индуктивности определяем суммарную длину немагнитного зазора в сердечнике дросселя:

Формула дает «теоретическую» длину, не учитывающую эффект распухания поля в зазоре. С учетом этого эффекта суммарная длина немагнитного зазора составит примерно 8 мм. Поэтому после намотки и сборки дросселя необходимо путем подбора толщины немагнитной прокладки в стыках сердечника добиться требуемой индуктивности.

Аналогичным образом производится конструктивный расчет для дросселей L1 и L3.

Блок управления стабилизатора

Принципиальная электрическая схема блока управления стабилизатора изображена на Рисунке 4.

Рисунок 4.	Принципиальная электрическая схема блока управления стабилизатора.

Функциональная схема блока управления стабилизатора соответствует схеме, изображенной на Рисунке 1. Выходное напряжение стабилизатора U_Н через разъем XP3 поступает на вход делителя напряжения R9, R15 и интегратора, выполненного в виде RC-цепочки на элементах R28 и C11. Диоды VD2 и VD5 ограничивают амплитуду выходного напряжения делителя напряжения, а диоды VD8 и VD11 ограничивают амплитуду выходного напряжения интегратора.

Выходное напряжение интегратора с конденсатора С11 поступает на вход выпрямителя В1. Узел В1 представляет из себя двухполупериодный выпрямитель [3], собранный на двух операционных усилителях (ОУ) DA1.3 и DA1.4, а также на элементах VD9, VD10, C9, R21, R22, R30. При положительном входном напряжении диод VD9 закрыт, а диод VD11 открыт, и схема выпрямителя охвачена общей отрицательной обратной связью через резисторы R21 и R22. За счет действия обратной связи напряжение U_В1 на выходе DA1.4 поддерживается равным входному напряжению выпрямителя. Если на входе выпрямителя отрицательное входное напряжение, то диод VD10 закрыт, а диод VD9 открыт. При этом ОУ DA1.3 действует как повторитель, а ОУ DA1.4 – как инвертор с единичным коэффициентом усиления. В результате выходное напряжение выпрямителя равно по абсолютному значению входному, но имеет противоположную, т.е. положительную, полярность. Конденсатор C9 предотвращает возбуждение выпрямителя.

С выхода делителя напряжения R9, R15 напряжение поступает на вход двухполупериодного выпрямителя В2, собранного на двух ОУ DA1.1 и DA1.2, а также на элементах VD3, VD4, C3, R2, R3, R16. Выпрямитель В2 полностью аналогичен выпрямителю В1. Выходное напряжение U_В2 выпрямителя В2 поступает на фильтр нижних частот Саллена-Кея [3], собранного на ОУ DA2.1 и элементах C2, C7, R4, R10, R11, R17. Частота среза этого фильтра составляет 10 Гц. В результате этого фильтр выделает постоянную составляющую из напряжения U_В2 и активно подавляет пульсацию, равную удвоенной частоте сети (100 Гц).

С выхода фильтра сглаженное напряжение пропорциональное выходному напряжению стабилизатора поступает на вход пропорционально-интегрального (ПИ) регулятора, собранного на управляемом стабилитроне DA3 и элементах VD16, C1, R5, R6, R12, R18, R23. Входное напряжение регулятора через делитель напряжения R5, R12, R18 прикладывается к управляющему электроду DA3, где сравнивается с внутренним опорным напряжением U_ОП = 2.5 В. Это опорное напряжение задает номинальное значение выходного напряжения стабилизатора U_Н = 220 В. Если выходное напряжение стабилизатора выше номинального, то выходное напряжение регулятора U_ПОР уменьшается, а если ниже, то увеличивается. Резистор R23 выполняет двоякую роль. Во-первых, он выполняет роль нагрузки для DA3, а во-вторых, совместно со стабилитроном VD16 образуем параметрический стабилизатор, который ограничивает максимальное значение U_ПОР на уровне 5 В. Цепочка R6, C1 определяет параметры настройки регулятора.

Пороговое устройство собрано на ОУ DA2.3, работающем в режиме компаратора. Импульс управления U_УПР должен формироваться по переднему фронту импульсов выпрямленного напряжения U_В1. Для этого напряжение U_В1 заведено на прямой вход DA2.3, а U_ПОР – на инвертирующий. Как только величина U_В1 превышает порог U_ПОР, на выходе DA2.3 формируется положительный фронт напряжения, который при помощи дифференцирующей цепочки C10, R32 превращается в короткий импульс. Этот импульс поступает на формирователь, собранный на ОУ DA2.4 и элементах VT2, VD7, VD12, VD13, R24, R25, R33, R34. Формирователь обеспечивает необходимую форму и длительность импульса управления.

Импульс управления через диод VD13 поступает на вход усилителя мощности, собранного на элементах VT5, R38-R40. Усилитель мощности обеспечивает величину и полярность напряжения управления U_УПР, необходимого для надежного отпирания симистора VS1 (Рисунок 3). Резисторы R36, R37 преобразуют напряжение управления U_УПР в ток управления, который через разъем XP2 подается в управляющий электрод симистора VS1.

Узел начального пуска собран на ОУ DA2.2 и элементах VT3, VD1, VD14, C4, R7, R8, R19, R20, R26, R35. Выходное напряжение делителя R7, R19 прикладывается к прямому входу DA2.2, а к инвертирующему выходу подключен конденсатор C4. Сразу после включения стабилизатора конденсатор С4 разряжен, и поэтому на выходе ОУ DA2.2 присутствует высокий уровень, который через транзисторный каскад VT3, R26, R35 и диод VD14 поступает на усилитель мощности. В результате этого симистор VS1 (Рисунок 1) удерживается в открытом состоянии, и на выходе стабилизатора фиксируется минимальное напряжение. Это состояние длится примерно 0.6 с и необходимо для завершения переходных процессов в дросселях стабилизатора.

Узел мягкого старта собран на элементах VT1, VT4, VD6, C8, R13, R14, R27, R29. Сразу после включения стабилизатора высокий уровень с выхода DA2.2 через делитель напряжения R27, R29 поступает на базу транзистора VT4. Транзистор VT4 открывается и шунтирует конденсатор мягкого старта C8, фиксируя на нем низкий уровень напряжения. Низкий уровень с конденсатора С8 через эмиттерный повторитель VT1 и диод VD6 поступает на выход регулятора. При этом напряжение U_ПОР имеет минимальное значение, обеспечивающее практически непрерывное удержание симистора VS1 в открытом состоянии. После окончания цикла начального пуска на выходе DA2.2 формируется низкий уровень, транзистор VT3 закрывается и начинается плавная зарядка конденсатора мягкого старта C8. Одновременно с зарядкой конденсатора С8 начинается возрастание порогового напряжения U_ПОР. При этом ток в дросселе L2 (Рисунок 3) убывает, и стабилизатор плавно, без толчков вводится в работу.

Светодиод HL1 «Работа» зажигается после завершения начального пуска и служит для индикации рабочего состояния стабилизатора.

Блок питания стабилизатора формирует двухполярное стабилизированное напряжение ±10 В и собран на элементах T1, DA4, DA5, VD15, C13-C16, FU1.

Наладка и настройка стабилизатора

Правильно собранный стабилизатор не нуждается в какой-то настройке. После включения стабилизатора в сеть необходимо при помощи подстроечного резистора R18 выставить номинальное выходное напряжение 220 В.

Детали

В качестве резонансного конденсатора C1 (Рисунок 3) можно использовать компенсирующие конденсаторы типа К78-99 или аналогичные, предназначенные для коррекции коэффициента мощности электромагнитных дросселей газоразрядных ламп. Например, можно использовать два включенных параллельно конденсатора К78-99 емкостью 50 мкФ, рассчитанных на напряжение 250 В переменного тока. Для этой же цели можно использовать конденсатор типа МБГВ 100 мкФ на 1000 В. Подобные конденсаторы, еще советского выпуска, достаточно часто встречаются на различных хозяйственных и радиолюбительских рынках.

Дроссель L1 мотается на ленточный сердечник ШЛ32×64. Обмотка дросселя содержит 440 витков медного провода d=1.68 мм. При сборке сердечника в каждый его стык необходимо положить немагнитную прокладку толщиной 5 мм. После намотки и сборки дросселя необходимо путем уточнения толщины немагнитной прокладки добиться требуемой индуктивности.

Примечание: В качестве дросселя L1 можно использовать готовый дроссель от светильников с газоразрядными лампами. В данном случае можно использовать два дросселя типа 1И-400ДНaT46, рассчитанных на совместную работу с натриевой лампой мощностью 400 Вт. Дроссели необходимо включить параллельно.

Дроссель L2 мотается на ленточный сердечник ШЛ32×40. Обмотка дросселя содержит 280 витков медного провода d=2.02 мм. При сборке сердечника в каждый его стык необходимо положить немагнитную прокладку толщиной 4 мм. После намотки и сборки дросселя необходимо путем уточнения толщины немагнитной прокладки добиться требуемой индуктивности.

Дроссель L3 мотается на ленточный сердечник ШЛ25×32. Обмотка дросселя содержит 205 витков медного провода d=1.81 мм. При сборке сердечника в каждый его стык необходимо положить немагнитную прокладку толщиной 2.5 мм. После намотки и сборки дросселя необходимо путем уточнения толщины немагнитной прокладки добиться требуемой индуктивности.

Линейные дроссели во время работы стабилизатора формируют переменное магнитное поле высокой интенсивности. При этом даже хорошо собранный дроссель может являться источником шума. Правда шуметь будет не сам дроссель, а окружающие его железные предметы, например крышка корпуса стабилизатора. Для уменьшения внешних полей дроссель необходимо поместить в коробку, сделанную из мягкой стали толщиной 1 мм, и залить компаундом. При этом внутренние расстояния от стенок коробки до дросселя должны быть не менее 20 мм.

Во время работы симистор VS1 греется, и поэтому его необходимо установить на охладитель типа О141 или аналогичный, имеющий площадь не менее 400 см². Так как симистор BTA40-800 изолирован от корпуса, то нет необходимости изолировать охладитель от корпуса стабилизатора. Вместо BTA40-800 можно использовать симисторы BTA41-800 или BTB41-800. В отличие от BTA40-800 и BTA41-800, симистор BTB41-800 от корпуса не изолирован. Поэтому при его использовании необходимо принять меры для надежной изоляции охладителя с установленным симистором от корпуса стабилизатора. При отсутствии указанных симисторов можно использовать любые другие, имеющие аналогичные параметры. Например, можно использовать отечественный симистор типа ТС132-40-8-6.

В качестве трансформатора Т1 (Рисунок 4) можно использовать любой трансформатор мощностью 5-10 Вт, рассчитанный на работу при повышенном до 260 В напряжении сети. Трансформатор должен иметь одну вторичную обмотку на 36 В, имеющую отвод от середины (18 В +18 В).

Внимание!

При установке стабилизатор необходимо заземлить при помощи клеммы X3 (Рисунок 3). В свою очередь, клемма X3 должна иметь надежный электрический контакт с корпусом стабилизатора.

Используемая литература

1. Д. И. Богданов. Феррорезонансные стабилизаторы напряжения. Москва: Энергия, 1972. – стр. 31, 79.
2. В. В. Губанов. Стабилизированные полупроводниковые преобразователи в системе с нелинейными резонансными устройствами. Ленинград: Энергоатомиздат, 1985. – стр. 153, 178.
3. А. Дж. Пейтон, В. Волш. Аналоговая электроника на операционных усилителях. Москва: Бином, 1994 год. cтр.106, 313.