Слышал другие данные - 30-40 атм в холодном состоянии и до 120 - в горячем, а у некоторых ламп даже до 400 (четырехсот!) атм. Катоды могут быть покрыты альфа-излучающим изотопом (обычно торием), его там мизер, дозик практически не чует, и если лампу не разбивать, электроды не жрать и не использовать в качестве фаллоимитаторов - ничего не случится. Хранить дома можно, но только в защитном футляре и в коробке подходящего размера, проложив внутри вату или мятые газеты. Весьма желательно на коробке иметь символы "Не бросать!", "Осторожно - хрупкое!", "Взрывоопасный предмет!"
Лампочка 7000w
- Автор темы swoop
- Дата начала
Вместо того, чтоб ждать пока она сама лопнет, может всё-таки её зажжём?
Вот схема используемая в проекторах с такими лампами http://drl.org.ua/circuits/ks/
Вот схема с блоков розжига http://shemotehnik.ru/avtolubitel/135-sxema-bloka-rozzhiga-samodelnyj-ksenon.html
Я могу дать трубу из оргстекла для подстраховки... если она всё-таки рванёт... диаметр у неё какой?
Вот схема используемая в проекторах с такими лампами http://drl.org.ua/circuits/ks/
Вот схема с блоков розжига http://shemotehnik.ru/avtolubitel/135-sxema-bloka-rozzhiga-samodelnyj-ksenon.html
Я могу дать трубу из оргстекла для подстраховки... если она всё-таки рванёт... диаметр у неё какой?
Я чуть выше написал, что нужно для этого - мощный источник постоянного тока, фактически - инверторный сварочный аппарат.
В принципе должно работать, это сильно укрупненная схема того, что нужно, чтобы запитать лампу от 220В
ВНИМАНИЕ, ВСЕМ! ВСЕМ! ВСЕМ! Если Вы хотите сделать блок розжига автомобильной ксенонки по этой схеме - лучше не тратьте свои силы, деньги и время! Работать будет, но недолго - из-за высокой частоты колба лампы впадает в акустический резонанс, 20 минут работы и у лампы в колбе начинает прожигаться канавка, тут уже и до взрыва недалеко. Лично собирал эту схему, поэтому знаю, о чем говорю. Если хотите самостоятельно собрать девайс подобного назначения (питание автоксенонок от 12В) - курить здесь - http://xenonlab.ucoz.ru . Все разложено по полочкам, если непонятно - задавайте вопросы здесь или в личку.
Ну что, я смотрю, никто на тему пуска лампочки не мычит, не телится? Ну ладно, начну я.
Любое сложное техническое устройство (а наш питальничек можно наверное отнести к таковым) проектируется как бы "с конца", т. е. с условий, которые оно должно обеспечивать на выходе. Вот что у нас есть по данной лампе (по предыдущим постам):
Мощность 7000 Вт
Номинальное напряжение 42 В
Номинальный ток 160 А
Диапазон регулирования тока 120-170 А
Итак, начинаем проектировать девайс. Для начала уточним параметры лампы. Чтобы ее зажечь, нужно подать на нее напряжение порядка 25-30 кВ, причем его явно мало - нужно, чтобы лампа была дополнительно "подперта" некоторым напряжением (хотя бы 100-150В) - это позволит ей не потухнуть сразу после пробоя дугового промежутка.
Выбираем тип (топологию) преобразователя для питания данной лампы. Особенность электрической дуги заключается в том, что для ее возбуждения нужна разность потенциалов, а для удержания - сила тока. Соответственно, в схеме на выходе должен стоять дроссель, индуктивность которого должна быть достаточной для удержания дуги. Что касается самой схемы, то наилучшим вариантом будет однотактный преобразователь с топологией "косой полумост". Его преимущества:
-отсутствие возможности протекания через силовые ключи сквозных токов (ибо однотакт!);
-достаточно проста схема размагничивания сердечника трансформатора (2 диода);
-практически отсутствуют выбросы на силовых ключах, не требуется их специальная обвязка (снабберы - не в счет) с целью предохранения от обратных напряжений, и т.п.
Недостаток тоже есть: сердечник силового транса работает в условиях жесткого однополярного намагничивания, что приводит к необходимости выполнять его разъемным (П- или Ш-образным), а так же вводить немагнитный зазор между его половинками.
Схема в целом похожа вот на эту - http://www.y-u-r.narod.ru/Svark/Svark_13.GIF , но для питания лампы придется ввести кое-какие новшества:
-дроссель на выходе одновременно будет являться вторичной обмоткой импульсного поджигающего транса (добавится также схема управления поджигом);
-между катодом лампы и минусом выходного выпрямителя ставится шунт (хотя бы 75ШСМ) для контроля тока через лампу (как это делается - расскажу позднее, сначала разберемся с силовухой)
Итак, начнем с дросселя. Его задача - накапливать энергию за время импульса и расходовать ее во время паузы, не давая дуге погаснуть. Вторая задача - поджигать лампу при включении. Но обо всем по порядку.
Дроссель у нас стоит на выходе однотактного преобразователя с коэффициентом заполнения импульса не более 50 процентов, а на рабочем режиме и того меньше (25-30 процентов). От пульсаций тока никуда не уйти, это надо делать бесконечно большую индуктивность, что нереально, поэтому примем достаточно жесткие условия работы дросселя:
-напряжение 42В (см условия);
-средний ток 160А (оттуда же);
-допустимые пульсации тока - не более 5%, т.е. 8А
-рабочая частота преобразователя 40 кГц (сами выбираем такую, это примерно оптимальная для пребразователей такого рода)
-коэффициент заполнения 0.5, соответственно время импульса - 12.5 мкс, время паузы - такое же.
Считаем.
минимально необходимая индуктивность для поддержания заданного уровня пульсаций:
U = -L* dI/dt, cоответственно L = U*dt/dI = 42В*12.5мкс/8А = 65.625 мкГн
Уже что-то
Только это надо трансформировать в число витков, сечение проводов и обмоток, и т.п. Кратко поясню: такой трансформатор (не забываем - он у нас двойного назначения ) имеет очень специфическую характеристику работы - кратковременный режим протекания тока, за счет чего его размеры могут быть здорово уменьшены, в то же время число витков вторичной обмотки (дроссельной) должно быть таким, чтобы не получить в первичке меньше одного витка. У меня подобный транс хорошо работал с 3-мя витками первички, зададим такое же число витков и здесь. Запитаем ее от некоего источника с напряжением 1000В, пусть на выходе будет 27 кВ. Тогда число витков во вторичной обмотке составит:
3*27000/1000 = 81 виток. Имеем формулу L = u0*u*w^2*S/l, где:
uo - магнитная постоянная, 1.257*10^-6 Гн/м;
u - магнитная проницаемость сердечника;
w - число витков;
S - площадь сечения сердечника;
l - средняя длина магнитной линии сердечника.
Три величины в этой формуле (u, S и l) у нас на первый взгляд неизвестны. Что касается u, то в данной конструкции транса-дросселя как правило применяется очень большой зазор (лучше для поджига) или он вообще делается незамкнутым, u выбирается равным 10-30, оно почти не зависит от проницаемости материала сердечника, возьмем 25. S и l между собой взаимосвязаны, попытаемся определить, как именно. С учетом специфики данного узла (большие межвитковые напряжения) его вторичную обмотку весьма желательно делать с нечетным числом слоев, с целью максимального удаления друг от друга разнопотенциальных концов (30 кВ - не шутки!) 81 делится на 3, соответственно в слое будет 27 витков. Чтобы обмотка не перегревалась при токе 160А, примем плотность тока в проводе 5А/мм2, сечение провода будет 32 мм2, или если перевести на круг, его диаметр будет 6.38 мм.Добавим изоляцию и учтем, что он у нас не сплошной, а состоит из многих жил, поэтому примем наружный диаметр 10 мм. Длина намотки будет 270 мм. Что касается толщины, то между слоями, над вторичкой и над сердечником тоже должна быть изоляция (пусть 1 мм), тогда толщина обмотки будет составлять 3*10+4 = 34 мм. Добавим сюда место для первичной обмотки (с запасом - 16 мм), получим суммарную толщину намотки 50 мм и посчитаем длину магнитного потока с точностью "пол, потолок, палец" (точнее не получится, да и не особо нужно - мы не знаем точно магнитную проницаемость, а уровень пульсаций взяли с солидным запасом - он на рабочем режиме будет еще меньше). Итак, l = 270*2+50*2 = 640 мм. Это явно меньше (у нас сердечник ненулевой толщины), поэтому полученное значение округляем до 700мм. С учетом всех этих допущений S = L*l/(u0*u*w^2) = 65.625мкГн*700мм/(1.257*10^-6*25*81^2) = 2.223*10^-4 м2 или 222.3 мм2 Не так уж и много, надо сказать. Такой сердечник можно набрать из 3 ферритовых стержней 10 мм любой проницаемости (подойдут ферритовые антенны от старых приемников) - он будет немного большей площади, но это нам даже в плюс. Еще надо сварганить из таких же стержней замыкатель магнитного потока, это по сути скоба, которая большую часть потока замыкает на себя и надевается на транс так, чтобы магнитный поток шел бы через ее концы. И суммарный зазор там должен быть миллиметров 10, чтобы не насыщался. В следующий раз расскажу про выходной силовой выпрямитель и возможно, про силовой трансформатор.
Любое сложное техническое устройство (а наш питальничек можно наверное отнести к таковым) проектируется как бы "с конца", т. е. с условий, которые оно должно обеспечивать на выходе. Вот что у нас есть по данной лампе (по предыдущим постам):
Мощность 7000 Вт
Номинальное напряжение 42 В
Номинальный ток 160 А
Диапазон регулирования тока 120-170 А
Итак, начинаем проектировать девайс. Для начала уточним параметры лампы. Чтобы ее зажечь, нужно подать на нее напряжение порядка 25-30 кВ, причем его явно мало - нужно, чтобы лампа была дополнительно "подперта" некоторым напряжением (хотя бы 100-150В) - это позволит ей не потухнуть сразу после пробоя дугового промежутка.
Выбираем тип (топологию) преобразователя для питания данной лампы. Особенность электрической дуги заключается в том, что для ее возбуждения нужна разность потенциалов, а для удержания - сила тока. Соответственно, в схеме на выходе должен стоять дроссель, индуктивность которого должна быть достаточной для удержания дуги. Что касается самой схемы, то наилучшим вариантом будет однотактный преобразователь с топологией "косой полумост". Его преимущества:
-отсутствие возможности протекания через силовые ключи сквозных токов (ибо однотакт!);
-достаточно проста схема размагничивания сердечника трансформатора (2 диода);
-практически отсутствуют выбросы на силовых ключах, не требуется их специальная обвязка (снабберы - не в счет) с целью предохранения от обратных напряжений, и т.п.
Недостаток тоже есть: сердечник силового транса работает в условиях жесткого однополярного намагничивания, что приводит к необходимости выполнять его разъемным (П- или Ш-образным), а так же вводить немагнитный зазор между его половинками.
Схема в целом похожа вот на эту - http://www.y-u-r.narod.ru/Svark/Svark_13.GIF , но для питания лампы придется ввести кое-какие новшества:
-дроссель на выходе одновременно будет являться вторичной обмоткой импульсного поджигающего транса (добавится также схема управления поджигом);
-между катодом лампы и минусом выходного выпрямителя ставится шунт (хотя бы 75ШСМ) для контроля тока через лампу (как это делается - расскажу позднее, сначала разберемся с силовухой)
Итак, начнем с дросселя. Его задача - накапливать энергию за время импульса и расходовать ее во время паузы, не давая дуге погаснуть. Вторая задача - поджигать лампу при включении. Но обо всем по порядку.
Дроссель у нас стоит на выходе однотактного преобразователя с коэффициентом заполнения импульса не более 50 процентов, а на рабочем режиме и того меньше (25-30 процентов). От пульсаций тока никуда не уйти, это надо делать бесконечно большую индуктивность, что нереально, поэтому примем достаточно жесткие условия работы дросселя:
-напряжение 42В (см условия);
-средний ток 160А (оттуда же);
-допустимые пульсации тока - не более 5%, т.е. 8А
-рабочая частота преобразователя 40 кГц (сами выбираем такую, это примерно оптимальная для пребразователей такого рода)
-коэффициент заполнения 0.5, соответственно время импульса - 12.5 мкс, время паузы - такое же.
Считаем.
минимально необходимая индуктивность для поддержания заданного уровня пульсаций:
U = -L* dI/dt, cоответственно L = U*dt/dI = 42В*12.5мкс/8А = 65.625 мкГн
Уже что-то
Только это надо трансформировать в число витков, сечение проводов и обмоток, и т.п. Кратко поясню: такой трансформатор (не забываем - он у нас двойного назначения ) имеет очень специфическую характеристику работы - кратковременный режим протекания тока, за счет чего его размеры могут быть здорово уменьшены, в то же время число витков вторичной обмотки (дроссельной) должно быть таким, чтобы не получить в первичке меньше одного витка. У меня подобный транс хорошо работал с 3-мя витками первички, зададим такое же число витков и здесь. Запитаем ее от некоего источника с напряжением 1000В, пусть на выходе будет 27 кВ. Тогда число витков во вторичной обмотке составит:3*27000/1000 = 81 виток. Имеем формулу L = u0*u*w^2*S/l, где:
uo - магнитная постоянная, 1.257*10^-6 Гн/м;
u - магнитная проницаемость сердечника;
w - число витков;
S - площадь сечения сердечника;
l - средняя длина магнитной линии сердечника.
Три величины в этой формуле (u, S и l) у нас на первый взгляд неизвестны. Что касается u, то в данной конструкции транса-дросселя как правило применяется очень большой зазор (лучше для поджига) или он вообще делается незамкнутым, u выбирается равным 10-30, оно почти не зависит от проницаемости материала сердечника, возьмем 25. S и l между собой взаимосвязаны, попытаемся определить, как именно. С учетом специфики данного узла (большие межвитковые напряжения) его вторичную обмотку весьма желательно делать с нечетным числом слоев, с целью максимального удаления друг от друга разнопотенциальных концов (30 кВ - не шутки!) 81 делится на 3, соответственно в слое будет 27 витков. Чтобы обмотка не перегревалась при токе 160А, примем плотность тока в проводе 5А/мм2, сечение провода будет 32 мм2, или если перевести на круг, его диаметр будет 6.38 мм.Добавим изоляцию и учтем, что он у нас не сплошной, а состоит из многих жил, поэтому примем наружный диаметр 10 мм. Длина намотки будет 270 мм. Что касается толщины, то между слоями, над вторичкой и над сердечником тоже должна быть изоляция (пусть 1 мм), тогда толщина обмотки будет составлять 3*10+4 = 34 мм. Добавим сюда место для первичной обмотки (с запасом - 16 мм), получим суммарную толщину намотки 50 мм и посчитаем длину магнитного потока с точностью "пол, потолок, палец" (точнее не получится, да и не особо нужно - мы не знаем точно магнитную проницаемость, а уровень пульсаций взяли с солидным запасом - он на рабочем режиме будет еще меньше). Итак, l = 270*2+50*2 = 640 мм. Это явно меньше (у нас сердечник ненулевой толщины), поэтому полученное значение округляем до 700мм. С учетом всех этих допущений S = L*l/(u0*u*w^2) = 65.625мкГн*700мм/(1.257*10^-6*25*81^2) = 2.223*10^-4 м2 или 222.3 мм2 Не так уж и много, надо сказать. Такой сердечник можно набрать из 3 ферритовых стержней 10 мм любой проницаемости (подойдут ферритовые антенны от старых приемников) - он будет немного большей площади, но это нам даже в плюс. Еще надо сварганить из таких же стержней замыкатель магнитного потока, это по сути скоба, которая большую часть потока замыкает на себя и надевается на транс так, чтобы магнитный поток шел бы через ее концы. И суммарный зазор там должен быть миллиметров 10, чтобы не насыщался. В следующий раз расскажу про выходной силовой выпрямитель и возможно, про силовой трансформатор.
Продолжаю тему. Вообще-то я креведко - в прошлом посте не проверил наш посчитанный транс (или дроссель) на насыщение рабочим током лампы. Восполняю это сейчас. Для феррита допустимая индукция (B) насыщения составляет 0.3-0.35 Тл. Для сердечника с зазором B = u0*I*w/g, где g - суммарная величина зазора в сердечнике. В нашем случае это составит: B = 1.257*10^-6Гн/м*160А*81виток/0.01м = 1.63 Тл. Многовато! Но выход достаточно прост - так как у нас сердечник с большой индукцией рассеяния, то увеличение зазора не сильно скажется на индуктивности сердечника (не зря брали с запасом!), а вот индукцию мы во столько же раз уменьшим до относительно приемлемой величины в 0.32 Тл. Хороший способ - увеличить длину замыкателя магнитного потока за счет введения между его частями (а это ферритовые стержни) прокладок из текстолита и заливая все это дело эпоксидной смолой. Это будет также дополнительной защитой от перекрытия высокого напряжения через сердечник.
А теперь следующий этап - выходной выпрямитель. Ну здесь все относительно просто. В однотакте, приведенном по ссылке выше (я имею в виду ссылку в предыдущем посте) выходной выпрямитель состоит из двух групп диодов - выпрямительных (пропускают ток при открытых ключах) и гасящих, назначение которых - обеспечить безпрепятственное протекание тока через индуктивность дросселя, пока силовые ключи закрыты. Они должны выдерживать рабочий ток лампы (в данном случае 160А) и иметь запас по напряжению (не ниже 150В), так как именно при нем лампа стартует. Каждую сборку можно набрать из двух диодов 150EBU02 (150А, 200В каждый) или из трех HFA105NH60 (105А, 600В каждый). Можно применить и монолитные сборки типа "2 диода с общим катодом в одном корпусе", но их может быть трудно достать. На худой конец сгодятся и отечественные КД2997 (200В, 30А), но в этом случае их нужно ставить в параллель не менее 6-7 штук (а лучше 8-10). Почему такой запас? При пуске лампы ток через нее идет в 1.5-2 раза больший, чем в установившемся режиме, и они должны это выдержать. В любом случае диоды должны быть ультрабыстрыми, т.к. преобразователь у нас работает на частоте порядка 40 кГц.
На каждую сборку диодов желательно повесить RC-цепочку (снаббер) - это ограничит выбросы напряжения на них при закрытии диодов. Точный расчет их довольно сложен, хотя программа SWCad способна во многом помочь, поэтому зададим R=5...15 Ом (мощность не менее 2 Вт), и С = 3...7нФ (обязательно импульсный, и на напряжение не менее 300-400В, идеальный вариант - К78-2).
И в заключение еще об одном. Так как во время поджига через лампу у нас идет импульсный ток, индуктивность первичной цепи будет здорово мешать его прохождению, поэтому цепь "вторичка поджигающего транса - лампа" должна быть зашунтирована конденсатором, который пропустит через себя импульсный ток, кроме того он будет являться источником постоянного напряжения для надежного пуска лампы, а также не позволит импульсному току нагружать диоды выпрямителя. Емкость его должна быть несколько десятков нФ, рабочее напряжение 300-400В, желательно импульсный. И длина проводов, входящих в указанную цепь, должна быть по возможности, минимальной.
В следующий раз - все о силовом трансформаторе.
А теперь следующий этап - выходной выпрямитель. Ну здесь все относительно просто. В однотакте, приведенном по ссылке выше (я имею в виду ссылку в предыдущем посте) выходной выпрямитель состоит из двух групп диодов - выпрямительных (пропускают ток при открытых ключах) и гасящих, назначение которых - обеспечить безпрепятственное протекание тока через индуктивность дросселя, пока силовые ключи закрыты. Они должны выдерживать рабочий ток лампы (в данном случае 160А) и иметь запас по напряжению (не ниже 150В), так как именно при нем лампа стартует. Каждую сборку можно набрать из двух диодов 150EBU02 (150А, 200В каждый) или из трех HFA105NH60 (105А, 600В каждый). Можно применить и монолитные сборки типа "2 диода с общим катодом в одном корпусе", но их может быть трудно достать. На худой конец сгодятся и отечественные КД2997 (200В, 30А), но в этом случае их нужно ставить в параллель не менее 6-7 штук (а лучше 8-10). Почему такой запас? При пуске лампы ток через нее идет в 1.5-2 раза больший, чем в установившемся режиме, и они должны это выдержать. В любом случае диоды должны быть ультрабыстрыми, т.к. преобразователь у нас работает на частоте порядка 40 кГц.
На каждую сборку диодов желательно повесить RC-цепочку (снаббер) - это ограничит выбросы напряжения на них при закрытии диодов. Точный расчет их довольно сложен, хотя программа SWCad способна во многом помочь, поэтому зададим R=5...15 Ом (мощность не менее 2 Вт), и С = 3...7нФ (обязательно импульсный, и на напряжение не менее 300-400В, идеальный вариант - К78-2).
И в заключение еще об одном. Так как во время поджига через лампу у нас идет импульсный ток, индуктивность первичной цепи будет здорово мешать его прохождению, поэтому цепь "вторичка поджигающего транса - лампа" должна быть зашунтирована конденсатором, который пропустит через себя импульсный ток, кроме того он будет являться источником постоянного напряжения для надежного пуска лампы, а также не позволит импульсному току нагружать диоды выпрямителя. Емкость его должна быть несколько десятков нФ, рабочее напряжение 300-400В, желательно импульсный. И длина проводов, входящих в указанную цепь, должна быть по возможности, минимальной.
В следующий раз - все о силовом трансформаторе.
Последнее редактирование:
Толяныч молодец. Читанул с кайфом.
Валяется тут у меня подобная лампа, только видимо, совсем дохлая. ДкСШ 3000. Сфера изнутри белая :-( Причем что интересно - лампу спёр 5 лет назад - была нормальная, ну немного мутная. Ториевые лектрода кстати немпного фонят. А сейчас она вся нахрен белая изнутри. why?
Кто что думает об использовании таких штук в качестве аццких вспышек?
если вхять там ну 5000мкф на 300в. поджигать импульсом и ну там фотографировать ночью в маске сварщика :-D
Валяется тут у меня подобная лампа, только видимо, совсем дохлая. ДкСШ 3000. Сфера изнутри белая :-( Причем что интересно - лампу спёр 5 лет назад - была нормальная, ну немного мутная. Ториевые лектрода кстати немпного фонят. А сейчас она вся нахрен белая изнутри. why?
Кто что думает об использовании таких штук в качестве аццких вспышек?
если вхять там ну 5000мкф на 300в. поджигать импульсом и ну там фотографировать ночью в маске сварщика :-D
Type: OSRAM XBO 7000W/HS OFR
код EAN: 4008321064875
Номинальная мощность, W: 7000
Рабочее напряжение, V: 42
Ток, А: 160
Световой поток, lm: 350000
Сила света, cd: 35000
Ресурс, ч: 650
Цоколь, анод (+): SFaX30-9.5
Цоколь, катод (-): SFa30-7.9
Рабочее положение: s15 p15
lmax, mm: 433
d, mm: 78
Межцентровое расстояние a, mm: 170.5
Средняя освещенность, cd/cm2: 100000
Необходимость принудительного охлаждения (верт./го: +/+
код EAN: 4008321064875
Номинальная мощность, W: 7000
Рабочее напряжение, V: 42
Ток, А: 160
Световой поток, lm: 350000
Сила света, cd: 35000
Ресурс, ч: 650
Цоколь, анод (+): SFaX30-9.5
Цоколь, катод (-): SFa30-7.9
Рабочее положение: s15 p15
lmax, mm: 433
d, mm: 78
Межцентровое расстояние a, mm: 170.5
Средняя освещенность, cd/cm2: 100000
Необходимость принудительного охлаждения (верт./го: +/+
А на вес она легче не стала? Может газ уже того - вытек? А от воздуха все окислилось.Толяныч молодец. Читанул с кайфом.
Валяется тут у меня подобная лампа, только видимо, совсем дохлая. ДкСШ 3000. Сфера изнутри белая :-( Причем что интересно - лампу спёр 5 лет назад - была нормальная, ну немного мутная. Ториевые лектрода кстати немпного фонят. А сейчас она вся нахрен белая изнутри. why?
Не пойдет. "Не той системы гранаты" - разрядный канал короткий и толстый, а нужен длинный и не особо толстый. При данном соотношении емкости и напряжения накопленная энергия будет 225 Дж - это всего лишь пара ИФК-120 (U-образные такие, в советских фотовспышках применялись). Если уж действительно хочется чего-то зверского - возьми ИФК-2000, все параметры (и где купить) есть здесь - http://www.istok2.com/data/1765/ , собери схему подключения и юзай на здоровье. Такие лампы кстати, применялись (и применяются) в проблесковых маячках самолетов (с пониженной энергией вспышки для увеличения надежности и ресурса). Только осторожнее - накопительные конденсаторы такой емкости и на такое напряжение - штука страшная, убьет и не заметит.
Про силовой транс для ксенонки в другой раз напишу, сегодня уже устал, башка почти не варит.
Продолжаю свои размышления, сегодня речь пойдет о самом главном элементе схемы - силовом трансформаторе. Я долго думал, от какого источника у нас будет питаться устройство, дело в том, что при мощности 7 кВт использовать однофазную сеть на 220В совсем не комильфо - большой риск отгорания нулевого провода из за перекоса фаз, особенно на слабых сетях, поэтому настраивайтесь на то, что придется использовать 3-фазную сеть на 380В, хотя если "на безрыбье и жопа соловей" - можно попробовать запитать и от 220, но я Вас предупреждал! Рассмотрим оба варианта.
Итак, что мы имеем. 160А - ток через лампу (при пуске может быть до 200-220, но это кратковременно, несколько секунд в начале работы), 150В - амплитудное напряжение на выходе в режиме холостого хода, 42В - на рабочем режиме. На входе будет 300В при питании от 220В (амплитудное в 1.41 раза выше действующего), и 530В, если мы будем питать схему от 380В. Значения приведены с учетом потерь на силовых транзисторах и диодах входного выпрямителя. Рабочая частота 40 кГц, коэффициент заполнения - не более 0.5 (а на практике не более 0.44-0.45), характер работы - однополярное намагничивание, передача энергии из первичной цепи в нагрузку осуществляется на прямом ходе ключа. Требуется посчитать:
-числа витков в обмотках;
-площади сечения проводов;
-площадь сечения магнитопровода;
-индукцию в магнитопроводе (проверить на насыщение)
-проверить возможность сборки трансформатора.
Итак, начнем считать. Существенным моментом в расчете однотактного прямоходового преобразователя является то, что сердечник работает на частичной петле гистерезиса с изменением индукции от минимальной (остаточной) Br до максимальной Bm без изменения ее знака. Для большинства силовых ферритов Br = 0.1Тл, Bs = 0.35...0.4Тл (данные ориентировочные, они могут меняться в зависимости от марки феррита и от его "возраста" - уменьшаются с течением времени, а также с ростом температуры), средняя напряженность магнитного поля 100А/м, при насыщении - 800А/м. Очевидно, что максимальное изменение индукции в сердечнике не может превышать 0.25...0.3Тл (и то в идеальном случае). Для снижения остаточной индукции сердечник выбирается обязательно разъемной конструкции, с тем, чтобы между половинками его можно было ввести зазор из немагнитного материала (бумага, картон, лавсан, и т.п.) и за счет этого остаточную индукцию здорово снизить (в 3...6 раз). В этом случае (примем Br = 0.03Тл) приращение уже составит 0.32...0.37Тл (в среднем пусть 0.35Тл), посчитаем напряженность магнитного поля в зазоре сердечника. Hg = Bm/u0 = (0.35+0.03)Тл/1.257*10^-6Гн/м = 302307 А/м.
Ампер-витки (магнитное напряжение) в сердечнике для максимальной индукции: I*w = Hg*g+Hm*l, где g - _суммарный_ зазор в сердечнике (равен удвоенной линейной толщине зазора, т.к. магнитный поток проходит через него 2 раза), Hm - напряженность магнитного поля при максимальной индукции (обычно 100А/м), l - средняя длина магнитной линии сердечника. Краткое отступление: на этом этапе мы должны выбрать тип и материал сердечника. Задача эта не очень простая, поэтому расчет носит поверочный характер (возможно, либо нет), в случае неудачи нам придется выбирать другой тип сердечника и считать заново. Для данной мощности подойдет Ш-образник фирмы Epcos типоразмера E70 из феррита марки N87 (магнитная проницаемость порядка 2500). l = 150мм, S = 704мм2 (22х32мм). У меня такой неплохо себя чувствует в сварочном аппарате (мощность до 3.5 кВт), здесь же возьмем 2 таких комплекта для получения площади 1408 мм2 - она лишней совсем не будет. Между половинками введем зазор 0.05 мм, суммарный следовательно будет 0.1 мм
Итак, I*w = 302307*0.0001+100*0.15 =45.23 А*виток.
Напряжение на выходе преобразователя (на шунтирующем конденсаторе) в режиме холостого хода будет практически равно амплитудному у трансформатора, т.е.150В. Коэффициент трансформации Ктр = 530/150 = 3.53 , а для 220В - 300/150 = 2.
Амплитудное значение ЭДС одного витка обмотки Еа = dФ/dt = dB*S/tи = f*dB*S/D (D - коэффициент заполнения, берется максимальный, равный 0.5). Ea = 40000Гц*0.35Тл*1408*10^-6м2/0.5 = 39.4 В/виток. Исходя из этого, числа витков у нас будут следующие:
-вторичной обмотки - 150/39.4 = 3.807 витка, округляем до 4-х, тогда амплитудное напряжение на выходе составит 157.6В (разница невелика, чуть в плюс, да и потери на диодах немного сбавят, так что забьем)
-первичной обмотки для 380В - 530/39.4 = 13.45 витка, округляем до 14 витков. Проверяем Ктр = 14/4 = 3.5, от расчетного отличается на 1.4%, что для нас вполне допустимо. Для 220-вольтового варианта число витков будет 8, это будет точно соответствовать заданному Kтр.
Проверяем сердечник на насыщение. dB = U*tи/(S*w) = 530В*12.5мкс/(1408мм2*14витков) = 0.33Тл (это несколько меньше расчетного), а для 220-вольтового варианта: dB = 300В*12.5 мкс/(1408мм2*8витков) = 0.33Тл. Запас по насыщению приличный, работать будет нормально.
Теперь посчитаем токи, действующие у нас в обмотках трансформатора, определим сечения проводов для них и прикинем, возможно ли данную комбинацию разместить в окне сердечника. Начинаем со вторичной обмотки. Действующее значение тока в ней: I2э = I*D^0.5 = 160*0.5^0.5 = 113А. Импульсный ток первичной обмотки (без учета тока магнетизации) составит: I1 = I/Ктр = 160/3.5 = 45.7А, а для 220-вольтового варианта - 80А. Намагничивающая составляющая тока первичной обмотки будет равна: I1m = I*w/w1 = 45.23/14 = 3.23А, а для 220-вольтового варианта - 45.23/8 = 5.65А. С учетом этого амплитудное значение тока составит I1a = I1+I1m = 45.7+3.23 = 48.93А, а для 220-вольтового варианта - 80+5.65 = 85.65А.
Действующее значение тока при данном характере работы трансформатора (намагничивание+передача энергии на прямом ходе и размагничивание - на обратном ходе) будет равно:
I1э = (0.5*(2/3*I1m^2+I1m*I1+I1^2))^0.5.
для 380 вольт I1э = 33.49А
для 220 вольт I1э = 58.62А
Теперь посчитаем площади сечений проводов (по меди), исходя из плотности тока 5А/мм2 (типовое значение для импульсных источников питания).
Вторичная обмотка - 113/5 = 22.6мм2;
Первичная обмотка (380В) 33.49/5 = 6.7мм2;
Первичная обмотка (220В) 58.62/5 = 11.7мм2.
Определим, возможно ли разместить пакет обмоток в окне сердечника. Площадь, занимаемая медью, будет равна суммарной площади всех витков, входящих в обмотку.
Для варианта на 380В Sобм = 22.6мм2*4витка+6.7мм2*14витков = 184.2мм2
Для варианта на 220В Sобм = 22.6мм2*4 витка+11.7мм2*8витков = 184мм2
Сравним полученное значение с площадью окна сердечника E70 (572мм2).
Kзаполнения = 184/572 = 0.32. Сборка вполне возможна, хотя с учетом каркаса и изоляции практически вся площадь окна будет выбрана.
Пара слов о намотке такого трансформатора. Мотать обмотки следует косой из большого количества тонких обмоточных проводов во избежание потерь на скин-эффект (вытеснение тока к поверхности проводника). Концы всех проводников, входящих в обмотку, обязательно облудить (гемор, но ничего не поделаешь). Межобмоточная изоляция должна быть надежной и из материала, допускающего повышенные температуры (стеклоткань, лакоткань, фторопласт, на худой конец киперная лента).
Вот что должен представлять из себя силовой трансформатор для этого девайса. В следующий раз - подбор силовых транзисторов для первичной цепи.
Итак, что мы имеем. 160А - ток через лампу (при пуске может быть до 200-220, но это кратковременно, несколько секунд в начале работы), 150В - амплитудное напряжение на выходе в режиме холостого хода, 42В - на рабочем режиме. На входе будет 300В при питании от 220В (амплитудное в 1.41 раза выше действующего), и 530В, если мы будем питать схему от 380В. Значения приведены с учетом потерь на силовых транзисторах и диодах входного выпрямителя. Рабочая частота 40 кГц, коэффициент заполнения - не более 0.5 (а на практике не более 0.44-0.45), характер работы - однополярное намагничивание, передача энергии из первичной цепи в нагрузку осуществляется на прямом ходе ключа. Требуется посчитать:
-числа витков в обмотках;
-площади сечения проводов;
-площадь сечения магнитопровода;
-индукцию в магнитопроводе (проверить на насыщение)
-проверить возможность сборки трансформатора.
Итак, начнем считать. Существенным моментом в расчете однотактного прямоходового преобразователя является то, что сердечник работает на частичной петле гистерезиса с изменением индукции от минимальной (остаточной) Br до максимальной Bm без изменения ее знака. Для большинства силовых ферритов Br = 0.1Тл, Bs = 0.35...0.4Тл (данные ориентировочные, они могут меняться в зависимости от марки феррита и от его "возраста" - уменьшаются с течением времени, а также с ростом температуры), средняя напряженность магнитного поля 100А/м, при насыщении - 800А/м. Очевидно, что максимальное изменение индукции в сердечнике не может превышать 0.25...0.3Тл (и то в идеальном случае). Для снижения остаточной индукции сердечник выбирается обязательно разъемной конструкции, с тем, чтобы между половинками его можно было ввести зазор из немагнитного материала (бумага, картон, лавсан, и т.п.) и за счет этого остаточную индукцию здорово снизить (в 3...6 раз). В этом случае (примем Br = 0.03Тл) приращение уже составит 0.32...0.37Тл (в среднем пусть 0.35Тл), посчитаем напряженность магнитного поля в зазоре сердечника. Hg = Bm/u0 = (0.35+0.03)Тл/1.257*10^-6Гн/м = 302307 А/м.
Ампер-витки (магнитное напряжение) в сердечнике для максимальной индукции: I*w = Hg*g+Hm*l, где g - _суммарный_ зазор в сердечнике (равен удвоенной линейной толщине зазора, т.к. магнитный поток проходит через него 2 раза), Hm - напряженность магнитного поля при максимальной индукции (обычно 100А/м), l - средняя длина магнитной линии сердечника. Краткое отступление: на этом этапе мы должны выбрать тип и материал сердечника. Задача эта не очень простая, поэтому расчет носит поверочный характер (возможно, либо нет), в случае неудачи нам придется выбирать другой тип сердечника и считать заново. Для данной мощности подойдет Ш-образник фирмы Epcos типоразмера E70 из феррита марки N87 (магнитная проницаемость порядка 2500). l = 150мм, S = 704мм2 (22х32мм). У меня такой неплохо себя чувствует в сварочном аппарате (мощность до 3.5 кВт), здесь же возьмем 2 таких комплекта для получения площади 1408 мм2 - она лишней совсем не будет. Между половинками введем зазор 0.05 мм, суммарный следовательно будет 0.1 мм
Итак, I*w = 302307*0.0001+100*0.15 =45.23 А*виток.
Напряжение на выходе преобразователя (на шунтирующем конденсаторе) в режиме холостого хода будет практически равно амплитудному у трансформатора, т.е.150В. Коэффициент трансформации Ктр = 530/150 = 3.53 , а для 220В - 300/150 = 2.
Амплитудное значение ЭДС одного витка обмотки Еа = dФ/dt = dB*S/tи = f*dB*S/D (D - коэффициент заполнения, берется максимальный, равный 0.5). Ea = 40000Гц*0.35Тл*1408*10^-6м2/0.5 = 39.4 В/виток. Исходя из этого, числа витков у нас будут следующие:
-вторичной обмотки - 150/39.4 = 3.807 витка, округляем до 4-х, тогда амплитудное напряжение на выходе составит 157.6В (разница невелика, чуть в плюс, да и потери на диодах немного сбавят, так что забьем)
-первичной обмотки для 380В - 530/39.4 = 13.45 витка, округляем до 14 витков. Проверяем Ктр = 14/4 = 3.5, от расчетного отличается на 1.4%, что для нас вполне допустимо. Для 220-вольтового варианта число витков будет 8, это будет точно соответствовать заданному Kтр.
Проверяем сердечник на насыщение. dB = U*tи/(S*w) = 530В*12.5мкс/(1408мм2*14витков) = 0.33Тл (это несколько меньше расчетного), а для 220-вольтового варианта: dB = 300В*12.5 мкс/(1408мм2*8витков) = 0.33Тл. Запас по насыщению приличный, работать будет нормально.
Теперь посчитаем токи, действующие у нас в обмотках трансформатора, определим сечения проводов для них и прикинем, возможно ли данную комбинацию разместить в окне сердечника. Начинаем со вторичной обмотки. Действующее значение тока в ней: I2э = I*D^0.5 = 160*0.5^0.5 = 113А. Импульсный ток первичной обмотки (без учета тока магнетизации) составит: I1 = I/Ктр = 160/3.5 = 45.7А, а для 220-вольтового варианта - 80А. Намагничивающая составляющая тока первичной обмотки будет равна: I1m = I*w/w1 = 45.23/14 = 3.23А, а для 220-вольтового варианта - 45.23/8 = 5.65А. С учетом этого амплитудное значение тока составит I1a = I1+I1m = 45.7+3.23 = 48.93А, а для 220-вольтового варианта - 80+5.65 = 85.65А.
Действующее значение тока при данном характере работы трансформатора (намагничивание+передача энергии на прямом ходе и размагничивание - на обратном ходе) будет равно:
I1э = (0.5*(2/3*I1m^2+I1m*I1+I1^2))^0.5.
для 380 вольт I1э = 33.49А
для 220 вольт I1э = 58.62А
Теперь посчитаем площади сечений проводов (по меди), исходя из плотности тока 5А/мм2 (типовое значение для импульсных источников питания).
Вторичная обмотка - 113/5 = 22.6мм2;
Первичная обмотка (380В) 33.49/5 = 6.7мм2;
Первичная обмотка (220В) 58.62/5 = 11.7мм2.
Определим, возможно ли разместить пакет обмоток в окне сердечника. Площадь, занимаемая медью, будет равна суммарной площади всех витков, входящих в обмотку.
Для варианта на 380В Sобм = 22.6мм2*4витка+6.7мм2*14витков = 184.2мм2
Для варианта на 220В Sобм = 22.6мм2*4 витка+11.7мм2*8витков = 184мм2
Сравним полученное значение с площадью окна сердечника E70 (572мм2).
Kзаполнения = 184/572 = 0.32. Сборка вполне возможна, хотя с учетом каркаса и изоляции практически вся площадь окна будет выбрана.
Пара слов о намотке такого трансформатора. Мотать обмотки следует косой из большого количества тонких обмоточных проводов во избежание потерь на скин-эффект (вытеснение тока к поверхности проводника). Концы всех проводников, входящих в обмотку, обязательно облудить (гемор, но ничего не поделаешь). Межобмоточная изоляция должна быть надежной и из материала, допускающего повышенные температуры (стеклоткань, лакоткань, фторопласт, на худой конец киперная лента).
Вот что должен представлять из себя силовой трансформатор для этого девайса. В следующий раз - подбор силовых транзисторов для первичной цепи.
Последнее редактирование:
ухх, спасибо, теперь буду знать.
Продолжаю тему. Сегодня у нас разговор пойдет о силовых полупроводниках, входящих в состав первичной цепи блока питания лампы - а именно, о силовых транзисторах и диодах. Также рассмотрим весьма важный вопрос снижения динамических потерь в ключах, особенно при их закрытии.
Итак, что мы имеем (в скобках - отличающиеся данные для варианта блока на 220В).
Напряжение после входного выпрямителя - 530(300)В,
сила тока в импульсе - 48.93(85.65)А,
средняя сила тока - 33.49(58.62)А,
коэффициент перегрузки при пуске - 1.5 (у нас при пуске лампы ток больше примерно во столько раз).
Выбираем транзисторы (тип и количество в сборке), которые у нас будут работать в качестве силовых ключей. Для данной схемы наиболее подходящими будут транзисторы IGBT (биполярные с изолированным затвором), так как именно среди них есть такие, которые могут прокачать через себя токи в десятки ампер, рассеивать на себе десятки ватт, и выдерживать в закрытом состоянии на себе напряжения в 600, 900 и даже 1200В. Их можно легко параллелить, благодаря чему прокачиваемый ток можно значительно увеличить, в то же время избежав перехода на более мощные и дорогие транзисторы. Можно поступить и так, но необходимо помнить, что чем IGBT-транзистор мощнее, тем он "медленнее", у него острее зависимость максимально допустимого тока от частоты, а также резко удлиняется так называемый "хвост" (tail), во время закрытия, при котором также растут динамические потери. Вооружаемся даташитами и выбираем. Есть такие транзисторы, IRG4PF50W (900В, 28А при t=100C) и IRG4PC50W (600В, 27А при t=100C). Первый пойдет у нас в 380-вольтовый вариант девайса (запас по напряжению совсем лишним не будет), второй - в 220-вольтовый. Говорить о них я буду отчасти еще и потому, что с ними хорошо знаком и делал на них инверторный сварочный аппарат, который не раз меня здорово выручал дома и в гараже. Кто хочет - может попробовать более мощные варианты, но пусть для начала разложит по полочкам все, о чем я здесь пишу.
Внимательно изучаем даташиты на них и определяем, какое их количество потребуется для каждого плеча косого полумоста. В даташитах на такие вещи есть график зависимости максимально допустимого среднего тока от частоты. Смотрим их, и для нашего случая (40 кГц, форма тока близка к прямоугольной) находим:
-для IRG4PF50W Iср.max=11А
-для IRG4PC50W Iср.max=17А
Определяем требуемые количества транзисторов в каждую сборку. Брать надо с запасом, исходя из расчета недогрузки транзисторов по току хотя бы на 20-30 процентов - поправка на разброс параметров в пределах одной партии и на неравномерность их нагружения в конкретно взятом устройстве. Не будем также забывать и о повышенной нагрузке на транзисторы в процессе пуска и разогрева лампы, хотя справедливости ради, скажу, что в холодном состоянии максимально допустимая величина тока для транзисторов вырастает примерно вдвое. Итак, n = Iср/(Iср.max*0.7)
Для 380-вольтового варианта n = 33.49/(11*0.7) = 4.3 (округляем до 5);
Для 220-вольтового варианта n = 48.93/(17*0.7) = 4.1 (округляем до 5).
Пара слов о параллельной работе таких транзисторов. Поскольку они управляются напряжением, а не током, кроме того, имеют положительную зависимость падения напряжения в открытом состоянии от температуры (отсюда эффект самовыравнивания по токам в процессе работы) и малый разброс параметров, то параллельное их соединение не составляет труда. Не нужны токовыравнивающие резисторы в цепи эмиттеров, симметрирующие трансформаторы в коллекторных цепях, и т.п., но некоторые тонкости все же есть. Описываю их сейчас, чтобы в дальнейшем было понятно, о чем идет речь.
-монтировать каждую сборку транзисторов на радиаторе надо в ряд как можно ближе друг к другу, чтобы обеспечить по возможности их одинаковый тепловой режим;
-силовые шины (полигоны на печатной плате) подходящие к эмиттерам и коллекторам должны быть параллельны, а подвод и отвод тока - с разных сторон от сборки ключей, этим достигается одинаковая индуктивность цепи, в которую включен каждый транзистор;
-затворный резистор у каждого транзистора должен быть свой;
-сигнальная масса (через которую идет ток заряда-разряда затвора) должна подходить непосредственно к выводу эмиттера, причем очень желательно наличие в этой цепи малоомного (не более 0.5-1 Ом) резистора на каждом транзисторе для подавления "звона" затворов. И еще. НИКАКИХ ПУТЕЙ ЗАТВОРНОГО ТОКА ПО СИЛОВЫМ ДОРОГАМ И ПОЛИГОНАМ!!! (выделено специально);
-при блочной конструкции питание затворов осуществлять экранированным проводом, причем сам экран должен быть надежно изолирован - данная цепь гальванически не развязана с сетью, кроме того ключи верхнего плеча смещены относительно нижних на напряжение питания, а это 530(300)В.
Теперь определим, какой нам потребуется снаббер на каждую сборку транзисторов, чтобы эффективно противостоять "хвосту" при их закрытии - потери на самом транзисторе настолько серьезные (до десятков киловатт в импульсе), что если не принять специальных мер, то кристалл его быстренько деградирует, а то и сразу сгорит. Вкратце, что такое снаббер. Это цепочка, состоящая из диода, конденсатора и резистора, включенная параллельно транзистору с возможно меньшей паразитной индуктивностью. Диод и конденсатор включены между собой последовательно, а резистор - параллельно диоду. Смысл такой: при закрытии транзистора, коммутирующего комплексную активно-индуктивную нагрузку (а индуктивность у нас имеет не только первичная обмотка, есть также монтаж, подводящие провода и сами транзисторы в конце концов) , ток не может мгновенно измениться, он будет стремиться себя поддержать за счет накопленной индуктивной энергии. Соответственно, эту энергию необходимо куда-то девать, а именно - через диод (ультрабыстрый!) заряжать этим током конденсатор, а при следующем открытии транзистора разряжать его через резистор, рассеивая ее в виде тепла в окружающую среду и не давая ей особо выделяться непосредственно на транзисторах. Заглянем в даташиты и найдем такой параметр, как время спада (tf). Берем наибольшее значение, для самого тяжелого режима и повышенной температуры. Оно составит:
у IRG4PF50W - 90 нс
у IRG4PC50W - 62 нс
Напряжение в течение этого времени спадает на величину 80 процентов питающего, поэтому именно этот период вносит наибольшие потери. Определим требуемую емкость конденсатора снаббера
С = Iмах*tf/(U*0.8)
Для 380-вольтового варианта С = 48.93А*90нс/(0.8*530В) = 10.38нФ;
Для 220-вольтового варианта C = 85.65А*62нс/(0.8*300В) = 22.13 нФ;
Округляем эти значения в большую сторону до ближайших стандартных (12 и 24 нФ).
Сопротивление резистора снаббера выбирается таким, чтобы конденсатор мог гарантированно разрядиться за время открытия транзисторов, пусть это будет 20 процентов времени открытия, или 0.2*12.5 = 2.5 мкс
R<tmin/(2.2*C).
Для 380В R<94.6Ом (выбираем 91 Ом);
Для 220В R<47.3Ом (выбираем 47 Ом).
Мощность, рассеиваемая на резисторе
P = F*U^2*C/8
Для 380В P = 40000Гц*530В^2*12нФ/8 = 16.854Вт
Для 220В P = 40000Гц*300В^2*24нФ/8 = 10.8Вт
Исходя из данных условий, выбираем детали. Резисторы - типа SQP или отечественные ПЭВ на 20Вт рассеиваемой мощности, сопротивления указаны выше. Конденсаторы - обязательно импульсные К78-2 или X2 (импортные) на рабочее напряжение не ниже 1.5-2-кратного питающего. Что касается диодов (как для снабберов, так и рекуперационных), то подойдут любые ультрабыстрые с запасом по _импульсному_ току и обратному напряжению не менее 1.5 раз, например HFA30PB120 для 380-вольтового варианта и HFA25PB60 - для 220-вольтового.
Немного о компоновке снабберной цепи. Я уже писал выше, что подвод и отвод тока от сборки ключей должны выполняться с разных сторон. В этом случае снаббер должне быть включен так, чтобы все участки силовых шин, проходящих возле транзисторов, могли бы слить индуктивную энергию в снаббер. Поясню на примере. Если к сборке транзисторов, на которые смотрим со стороны маркировки, выводами вниз, подводящий провод подходит слева от коллекторной шины, а отводящий - справа от эмиттерной, то снаббер подключается к противоположным концам данных шин: справа от коллекторной и слева от эмиттерной, в этом случае неохваченная длина цепи будет минимальна и ограничится только выводами транзисторов и их внутренними цепями, что в сочетании с током, идущим через них, совершенно безопасно.
В следующий раз - все про входной выпрямитель и фильтр, и с силовухой будет закончено.
Итак, что мы имеем (в скобках - отличающиеся данные для варианта блока на 220В).
Напряжение после входного выпрямителя - 530(300)В,
сила тока в импульсе - 48.93(85.65)А,
средняя сила тока - 33.49(58.62)А,
коэффициент перегрузки при пуске - 1.5 (у нас при пуске лампы ток больше примерно во столько раз).
Выбираем транзисторы (тип и количество в сборке), которые у нас будут работать в качестве силовых ключей. Для данной схемы наиболее подходящими будут транзисторы IGBT (биполярные с изолированным затвором), так как именно среди них есть такие, которые могут прокачать через себя токи в десятки ампер, рассеивать на себе десятки ватт, и выдерживать в закрытом состоянии на себе напряжения в 600, 900 и даже 1200В. Их можно легко параллелить, благодаря чему прокачиваемый ток можно значительно увеличить, в то же время избежав перехода на более мощные и дорогие транзисторы. Можно поступить и так, но необходимо помнить, что чем IGBT-транзистор мощнее, тем он "медленнее", у него острее зависимость максимально допустимого тока от частоты, а также резко удлиняется так называемый "хвост" (tail), во время закрытия, при котором также растут динамические потери. Вооружаемся даташитами и выбираем. Есть такие транзисторы, IRG4PF50W (900В, 28А при t=100C) и IRG4PC50W (600В, 27А при t=100C). Первый пойдет у нас в 380-вольтовый вариант девайса (запас по напряжению совсем лишним не будет), второй - в 220-вольтовый. Говорить о них я буду отчасти еще и потому, что с ними хорошо знаком и делал на них инверторный сварочный аппарат, который не раз меня здорово выручал дома и в гараже. Кто хочет - может попробовать более мощные варианты, но пусть для начала разложит по полочкам все, о чем я здесь пишу.
Внимательно изучаем даташиты на них и определяем, какое их количество потребуется для каждого плеча косого полумоста. В даташитах на такие вещи есть график зависимости максимально допустимого среднего тока от частоты. Смотрим их, и для нашего случая (40 кГц, форма тока близка к прямоугольной) находим:
-для IRG4PF50W Iср.max=11А
-для IRG4PC50W Iср.max=17А
Определяем требуемые количества транзисторов в каждую сборку. Брать надо с запасом, исходя из расчета недогрузки транзисторов по току хотя бы на 20-30 процентов - поправка на разброс параметров в пределах одной партии и на неравномерность их нагружения в конкретно взятом устройстве. Не будем также забывать и о повышенной нагрузке на транзисторы в процессе пуска и разогрева лампы, хотя справедливости ради, скажу, что в холодном состоянии максимально допустимая величина тока для транзисторов вырастает примерно вдвое. Итак, n = Iср/(Iср.max*0.7)
Для 380-вольтового варианта n = 33.49/(11*0.7) = 4.3 (округляем до 5);
Для 220-вольтового варианта n = 48.93/(17*0.7) = 4.1 (округляем до 5).
Пара слов о параллельной работе таких транзисторов. Поскольку они управляются напряжением, а не током, кроме того, имеют положительную зависимость падения напряжения в открытом состоянии от температуры (отсюда эффект самовыравнивания по токам в процессе работы) и малый разброс параметров, то параллельное их соединение не составляет труда. Не нужны токовыравнивающие резисторы в цепи эмиттеров, симметрирующие трансформаторы в коллекторных цепях, и т.п., но некоторые тонкости все же есть. Описываю их сейчас, чтобы в дальнейшем было понятно, о чем идет речь.
-монтировать каждую сборку транзисторов на радиаторе надо в ряд как можно ближе друг к другу, чтобы обеспечить по возможности их одинаковый тепловой режим;
-силовые шины (полигоны на печатной плате) подходящие к эмиттерам и коллекторам должны быть параллельны, а подвод и отвод тока - с разных сторон от сборки ключей, этим достигается одинаковая индуктивность цепи, в которую включен каждый транзистор;
-затворный резистор у каждого транзистора должен быть свой;
-сигнальная масса (через которую идет ток заряда-разряда затвора) должна подходить непосредственно к выводу эмиттера, причем очень желательно наличие в этой цепи малоомного (не более 0.5-1 Ом) резистора на каждом транзисторе для подавления "звона" затворов. И еще. НИКАКИХ ПУТЕЙ ЗАТВОРНОГО ТОКА ПО СИЛОВЫМ ДОРОГАМ И ПОЛИГОНАМ!!! (выделено специально);
-при блочной конструкции питание затворов осуществлять экранированным проводом, причем сам экран должен быть надежно изолирован - данная цепь гальванически не развязана с сетью, кроме того ключи верхнего плеча смещены относительно нижних на напряжение питания, а это 530(300)В.
Теперь определим, какой нам потребуется снаббер на каждую сборку транзисторов, чтобы эффективно противостоять "хвосту" при их закрытии - потери на самом транзисторе настолько серьезные (до десятков киловатт в импульсе), что если не принять специальных мер, то кристалл его быстренько деградирует, а то и сразу сгорит. Вкратце, что такое снаббер. Это цепочка, состоящая из диода, конденсатора и резистора, включенная параллельно транзистору с возможно меньшей паразитной индуктивностью. Диод и конденсатор включены между собой последовательно, а резистор - параллельно диоду. Смысл такой: при закрытии транзистора, коммутирующего комплексную активно-индуктивную нагрузку (а индуктивность у нас имеет не только первичная обмотка, есть также монтаж, подводящие провода и сами транзисторы в конце концов) , ток не может мгновенно измениться, он будет стремиться себя поддержать за счет накопленной индуктивной энергии. Соответственно, эту энергию необходимо куда-то девать, а именно - через диод (ультрабыстрый!) заряжать этим током конденсатор, а при следующем открытии транзистора разряжать его через резистор, рассеивая ее в виде тепла в окружающую среду и не давая ей особо выделяться непосредственно на транзисторах. Заглянем в даташиты и найдем такой параметр, как время спада (tf). Берем наибольшее значение, для самого тяжелого режима и повышенной температуры. Оно составит:
у IRG4PF50W - 90 нс
у IRG4PC50W - 62 нс
Напряжение в течение этого времени спадает на величину 80 процентов питающего, поэтому именно этот период вносит наибольшие потери. Определим требуемую емкость конденсатора снаббера
С = Iмах*tf/(U*0.8)
Для 380-вольтового варианта С = 48.93А*90нс/(0.8*530В) = 10.38нФ;
Для 220-вольтового варианта C = 85.65А*62нс/(0.8*300В) = 22.13 нФ;
Округляем эти значения в большую сторону до ближайших стандартных (12 и 24 нФ).
Сопротивление резистора снаббера выбирается таким, чтобы конденсатор мог гарантированно разрядиться за время открытия транзисторов, пусть это будет 20 процентов времени открытия, или 0.2*12.5 = 2.5 мкс
R<tmin/(2.2*C).
Для 380В R<94.6Ом (выбираем 91 Ом);
Для 220В R<47.3Ом (выбираем 47 Ом).
Мощность, рассеиваемая на резисторе
P = F*U^2*C/8
Для 380В P = 40000Гц*530В^2*12нФ/8 = 16.854Вт
Для 220В P = 40000Гц*300В^2*24нФ/8 = 10.8Вт
Исходя из данных условий, выбираем детали. Резисторы - типа SQP или отечественные ПЭВ на 20Вт рассеиваемой мощности, сопротивления указаны выше. Конденсаторы - обязательно импульсные К78-2 или X2 (импортные) на рабочее напряжение не ниже 1.5-2-кратного питающего. Что касается диодов (как для снабберов, так и рекуперационных), то подойдут любые ультрабыстрые с запасом по _импульсному_ току и обратному напряжению не менее 1.5 раз, например HFA30PB120 для 380-вольтового варианта и HFA25PB60 - для 220-вольтового.
Немного о компоновке снабберной цепи. Я уже писал выше, что подвод и отвод тока от сборки ключей должны выполняться с разных сторон. В этом случае снаббер должне быть включен так, чтобы все участки силовых шин, проходящих возле транзисторов, могли бы слить индуктивную энергию в снаббер. Поясню на примере. Если к сборке транзисторов, на которые смотрим со стороны маркировки, выводами вниз, подводящий провод подходит слева от коллекторной шины, а отводящий - справа от эмиттерной, то снаббер подключается к противоположным концам данных шин: справа от коллекторной и слева от эмиттерной, в этом случае неохваченная длина цепи будет минимальна и ограничится только выводами транзисторов и их внутренними цепями, что в сочетании с током, идущим через них, совершенно безопасно.
В следующий раз - все про входной выпрямитель и фильтр, и с силовухой будет закончено.
Итак, я снова здесь . Настал заключительный этап "разбора полетов" по силовой части преобразователя для питания ксеноновой лампы на 7 квт. Начну со сглаживающего фильтра. Что касается однофазного 220-вольтового варианта, то тут все просто - емкость конденсаторов берется исходя из соотношения не менее 1 мкф на 1 ватт потребляемой мощности, т.е не менее 7000 мкф. В таких цепях применяются обычно электролитические конденсаторы, имеющие большие ESR и ESL (эквивалентные последовательные сопротивление и индуктивность соответственно), поэтому имеет смысл поставить достаточно большое их число, например 12 штук 680мкФ, 400В, соединенных параллельно - общая емкость составит 8160 мкф - даже с запасом (в т.ч. по напряжению), да и потребляет не только лампа.
Несколько сложнее обстоят дела с 380-вольтовым 3-фазным вариантом. Хотя емкость конденсаторов можно существенно уменьшить (более чем на порядок), технические проблемы до сих пор не позволяют создать электролитический конденсатор на рабочее напряжение более 450-500В. Эта проблема решается таким способом. Берутся 2 конденсатора на рабочее напряжение 450В (максимальное из серийно выпускаемых) и соединяются последовательно, параллельно каждому конденсатору включается выравнивающий резистор на несколько (2-4) МОм. И уже эти цепочки параллелятся. Необходимо помнить, что емкость каждой цепочки будет равна половине емкости конденсатора, включенного в нее, поэтому конденсаторов потребуется вдвое больше. В данном случае (пусть требуемая емкость будет 700 мкФ) нам потребуются 2 цепочки по 2 штуки вышеупомянутых конденсаторов (680 мкФ, 450В). В обоих случаях каждый конденсатор весьма желательно зашунтировать импульсным конденсатором (К78-2, Х2, и т.п.) емкостью порядка 0.5 мкФ для уменьшения нагрузок на "электролиты" импульсными токами.
Ну и наконец, что касается диодов. Предпочитаемые марки называть не буду, скажу лишь, что их нужно выбирать с запасом по напряжению не менее, чем в 1.5 раза и по току. Потребляемый ток (средний) составит
I = P/(U*eta), где eta - КПД схемы (ориентировочно берем 0.9)
Для 380 вольт I = 7000/(0.9*380) = 20.47А;
Для 220 вольт I = 7000/(0.9*220) = 35.35А.
Исходя из полученных данных можно выбирать любые диоды. Они работают на 50 Гц, поэтому ультрафасты, шоттки и прочие импульсные диоды здесь просто не нужны. Подойдут также монолитные диодные мосты, отвечающие данным требованиям.
Ну и наконец, такое. Чтобы меньше срать в сеть, на питающий провод нужно надеть фильтр радиопомех. Это большое ферритовое кольцо (например 120х80х10), на которое намотан провод, идущий из сети, хотя бы до заполнения пространства на кольце.
В следующий раз выложу набросок схемы девайса с комментариями.
. Настал заключительный этап "разбора полетов" по силовой части преобразователя для питания ксеноновой лампы на 7 квт. Начну со сглаживающего фильтра. Что касается однофазного 220-вольтового варианта, то тут все просто - емкость конденсаторов берется исходя из соотношения не менее 1 мкф на 1 ватт потребляемой мощности, т.е не менее 7000 мкф. В таких цепях применяются обычно электролитические конденсаторы, имеющие большие ESR и ESL (эквивалентные последовательные сопротивление и индуктивность соответственно), поэтому имеет смысл поставить достаточно большое их число, например 12 штук 680мкФ, 400В, соединенных параллельно - общая емкость составит 8160 мкф - даже с запасом (в т.ч. по напряжению), да и потребляет не только лампа. Несколько сложнее обстоят дела с 380-вольтовым 3-фазным вариантом. Хотя емкость конденсаторов можно существенно уменьшить (более чем на порядок), технические проблемы до сих пор не позволяют создать электролитический конденсатор на рабочее напряжение более 450-500В. Эта проблема решается таким способом. Берутся 2 конденсатора на рабочее напряжение 450В (максимальное из серийно выпускаемых) и соединяются последовательно, параллельно каждому конденсатору включается выравнивающий резистор на несколько (2-4) МОм. И уже эти цепочки параллелятся. Необходимо помнить, что емкость каждой цепочки будет равна половине емкости конденсатора, включенного в нее, поэтому конденсаторов потребуется вдвое больше. В данном случае (пусть требуемая емкость будет 700 мкФ) нам потребуются 2 цепочки по 2 штуки вышеупомянутых конденсаторов (680 мкФ, 450В). В обоих случаях каждый конденсатор весьма желательно зашунтировать импульсным конденсатором (К78-2, Х2, и т.п.) емкостью порядка 0.5 мкФ для уменьшения нагрузок на "электролиты" импульсными токами.
Ну и наконец, что касается диодов. Предпочитаемые марки называть не буду, скажу лишь, что их нужно выбирать с запасом по напряжению не менее, чем в 1.5 раза и по току. Потребляемый ток (средний) составит
I = P/(U*eta), где eta - КПД схемы (ориентировочно берем 0.9)
Для 380 вольт I = 7000/(0.9*380) = 20.47А;
Для 220 вольт I = 7000/(0.9*220) = 35.35А.
Исходя из полученных данных можно выбирать любые диоды. Они работают на 50 Гц, поэтому ультрафасты, шоттки и прочие импульсные диоды здесь просто не нужны. Подойдут также монолитные диодные мосты, отвечающие данным требованиям.
Ну и наконец, такое. Чтобы меньше срать в сеть, на питающий провод нужно надеть фильтр радиопомех. Это большое ферритовое кольцо (например 120х80х10), на которое намотан провод, идущий из сети, хотя бы до заполнения пространства на кольце.
В следующий раз выложу набросок схемы девайса с комментариями.
Вот собственно, набросок того, что примерно должно получиться. Я намеренно не стал расписывать содержимое прямоугольников с надписями - думаю, многим уже понятно, что блок питания такой лампы - это _очень_ серьезный девайс и своими силами без должного опыта, знаний, наличия прямых рук, тестера и осциллографа (обязательно!) такое не сделать. Возможно, и я не учел каких-либо подводных камней - а в устройствах такого класса и такой мощности их сколько угодно может быть, причем связанных не только со схемотехникой, но и с компоновкой, охлаждением, и т.п. Мой предел на сегодняшний день - это сварочный преобразователь примерно на 3.5 кВт, который увы, не избежал "принятия ислама" силовыми транзисторами в процессе наладки, но все же я смог довести конструкцию до ума и уже достаточно много им поработал. Девайс для поджига мощной ксенонки требует более серьезной проработки еще и потому, что в отличие от сварочного аппарата должен работать непрерывно часами. К чему я это говорю? К тому, что хоть у меня и есть какой-то опыт в силовой электронике, но я не могу поручиться за то, что кто-то, следуя моим рекомендациям, сразу получит нормально работающее устройство. Это лишь мои общие соображения по поводу того, как оно должно быть. Впрочем при наличии интереса к данной теме я готов продолжить свои размышления по поводу тепловых расчетов силовых элементов и того, что у меня условно показано в виде прямоугольников. Если интерес будет серьезный - рассмотрю предложения по воплощению данного проекта в жизнь. Продолжать?
Последнее редактирование:
Re: Лампочка???
Знающие люди, подскажите плиз!!!
Что это за лампа и для чег
о она нужна???
Знающие люди, подскажите плиз!!!
Что это за лампа и для чег
о она нужна???
