рис. 1
РЭ - регулирующий элемент; Тр - силовой трансформатор; В - выпрямитель; Ф - фильтр; ВН - выпрямитель низковольтный; ОИ - опорный источник; УПТ - усилитель постоянного тока; Д - делитель выходного напряжения.
(Описание к выбору структурной схемы)
На рис.1 показана простейшая структурная схема стабилизатора, которая позволяет стабилизировать любые напряжения переменного и постоянного тока. Напряжение сети Uc через регулирующий элемент через понижающий элемент подаётся на силовой трансформатор. Напряжение вторичной обмотки трансформатора преобразуется фильтром и подаётся на нагрузку. Для поддержания выходного напряжения с заданной точностью, между выходов стабилизатора и регулирующим транзистором принимается обратная связь. Характерной особенностью работы транзисторных регуляторов в цепях переменного тока является независимость величины напряжения, приложенного к регулятору, от величины выходного напряжения. Действительно напряжение на регулирующем напряжении,включенного в цепь переменного тока с учетом падения напряжения на обмотки трансформатора не превышает амплитудного значения напряжения сети. Это является основным преимуществом схем подобного типа.
По заданному значению Uo=Uвых выбираем предварительно число каскадов умножения k.
Расчет высоковольтного стабилизатора напряжения на 24 кВ при токе нагрузке 3 мА.
Расчет стабилизатора ведется в следующей последовательности:
Для обеспечения исходных данных выбираем однофазную схему стабилизатора с транзисторным регулятором в цепи переменного тока по схеме рис.2. Для гальванической развязки выходного напряжение от напряжения сети в схеме используется разделительный трансформатор. Схема стабилизатора изображена в приложение на рис. Принципиальная схема.
|
|
Расчет усилительного каскада. Расчёт выпрямителя и
Сглаживающего фильтра.
Для получения заданного напряжения на выходе высоковольтного выпрямителя применим симметричную схему многократного умножения, состоящую из двух несимметричных схем умножения, рассчитанных каждая на половину заданного напряжения, т.е. на 12 кВ. Так как в данной схеме количество конденсаторов равно 8, то принимаем U2mp2=2,5 кВ, откуда число каскадов умножения по формуле 
,
(где n = 2k – число конденсаторов (вентилей) в схеме) равно
k= (при В=1)
По формуле 
, находим коэффициент 
kr= = 750
.
Ток делителя равен
,
=+ = 4 мА
Величину сопротивления трансформатора, при 
определим по формуле
= 7508,7 кОм
где s – число стержней трансформатора, несущих обмотки (для однофазной схемы s = 1).
Задаваясь предварительно В = 1, находим величину обратного напряжения,
приложенного к вентилям
8,4кВ
Выберем в качестве вентилей диоды типа Д1008 с параметрами Uобр = 10кВ > 8,4кВ,
Iов = 50мА >4мА. Из справочных данных Uпр = U0в = 2 В. Сопротивление вентилей
=1кОм
Далее определяем сопротивление фазы
r = =8,79,2 кОм
Находим параметр А
= = 0,09
По кривым зависимости B = f(A), D = f(A), F = f(A), H = f(A) (см. приложение) находим значения параметров
В = 0,7; D = 2,4; F =7,5; H =19 (при m = 2).
Действующие значения напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора соответственно по формулам 
и 
, =1,4мА
Далее находим максимальное значение тока вентилей
Iв макс=I0F=410-37,5=30мА
|
|
Определим величину пульсации при коэффициенте пульсации q2=10-5
откуда
Для получения заданных пульсаций включаем после выпрямителя дополнительный RC-фильтр:
Rф =R12= 0,25 · Rн =2МОм, где = 8 МОм
при A = 0,09, H = 19
, Kп = 10-4 =0,21 мкФ
Посчитаем коэффициент сглаживания фильтра q== = 333,5
Где коэффициент пульсации для однофазного выпрямителя.
Выбираем конденсатор марки К41-1: С12=0,25мкФ и резистор R12: ОМЛТ-0,25
Расчёт стабилизатора.
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора Тр2 (с учетом тока делителя Iдел = 4мА) найдем по формуле:
,
где μсх= μв μтр - к. п. д. силовой части стабилизатора,равный произведению к.п.д. выпрямителя μв и трансформатора μ тр и равно 0,67, косинус угла 0,86, мощность РН= IНmax*Uвых=72Вт
Получим
I1mp1=72/179,5*0,67*0,86=0,696А=0,7А
Перейдем к расчету регулирующего элемента. Действующее значение тока коллектора регулирующего транзистора в соответствии с Iк=I1тр1 равно току трансформатора,т.е Iк= 0,7А. Ток вентилей имеет значение
Iов=√2\π∙I1тр1=0,45∙0,7=0,31А
Мощность рассеиваемую на коллекторе регулирующего транзистора, определим по формуле Рк=(dUc+1,11Uк.ср.мин.)*Iк, подставив вместо dUc подставляем изменение напряжения на вторичной обмотке разделительного трансформатора, равное dUc=242-198=44В:
Рк=(dUc+1,11Uк.ср.мин.)*Iк=(44+3,33)*0,7=32,94Вт
Амплитуда напряжения на коллекторе регулирующего транзистора при сбросе нагрузки найдем по формуле
Uк.макс.=(Uc.макс.- U1mp1мин.)=1,4(242-179,5)=87,5В
где U1mp1мин= U1mp1=179,5В
Из соотношения Uк.макс=Uобр., обратное напряжение, приложенное к коммутирующим вентилям,будет равно 87,5 В. В качестве вентилей выберем диоды КД226А (в плече по два диода параллельно).
|
|
В данном стабилизаторе величина опорного напряжения составляет 18в. Вместе с тем это не ухудшает стабилизирующие свойства схемы. Действительно, из выражения
произведение коэффициентов
mN=18/179,5=0,1
Расчет трансформатора.
Исходя из наличия транзисторов типа КТ818Г с напряжением Uк.доп = 100 В, напряжение на первичной обмотке Тр2 принимаем равным 70 В. В зависимости от режима работы стабилизатора и напряжения на первичной обмотке трансформатора величины Uк.ср.мин. выбирается в пределах от 3 до 8 В. Величина напряжения на коммутирующих вентилях зависит от их типа и составляет Uов = 0.3 ÷ 1.5 В. С учетом характеристик транзистора КТ818Г и падения напряжения на коммутирующих вентилях по формуле
,
где n- количество последовательно включенных вентилей определим минимальное действующее напряжение на регулирующем элементе
(3+4)=7,7В
Пользуясь выражением U1тр=Uс.мин-Uр.э.мин, найдем напряжение на первичной обмотке трансформатора
U1mp1=(Uc-0,15 Uc)-=(220-33)-7,7=179,5В
На вторичной обмотке:
U2mp1= U1mp1+=70+7,7=77,7В
Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора Тр1 найдем по формуле
,
где μсх= μв μтр - к. п. д. силовой части стабилизатора,равный произведению к.п.д. выпрямителя μв и трансформатора μтр и равно 0,67, косинус угла 0,86, мощность РН= IНmax*Uвых=72Вт
Получим
I1mp1=72/179,5*0,67*0,86=0,696А=0,7А
7. Расчет регулирующего элемента:
Для регулирующего элемента выбираем схему рис.3.
Рис.3
Действующее значение тока коллектора регулирующего транзистора в соответствии с 
равно току трансформатора,т.е 
0,7А. Ток вентилей имеет значение
Iов=√2\π∙I1тр1=0,45∙0,7=0,31А
Мощность, рассеиваемую на коллекторе регулирующего транзистора, определим по формуле
Рк=(dUc+1,11Uк.ср.мин.)*Iк=(44+3,33)*0,7=32,94Вт
где 
- заданные колебания напряжения сети. Вместо 
подставляем изменение напряжения на вторичной обмотке разделительного трансформатора, равное
dUc=242-198=44В
Амплитудное напряжение на коллекторе регулирующего транзистора при сбросе нагрузки найдем по формуле
Uк.макс.=(Uc.макс.- U1mp1мин.)=1,4(242-179,5)=87,5В
где U1mp1мин= U1mp1=179,5В
Из соотношения Uк.макс=Uобр., обратное напряжение, приложенное к коммутирующим вентилям,будет равно 87,5 В. В качестве вентилей выберем диоды КД226А (в плече по два диода параллельно).
8. Построение и расчет измерительного элемента.
Рис.4
Универсальная схема измерительного элемента для стабилизаторов на повышенные и высокие напряжения.
В транзисторных стабилизаторах, регулируемых по цепи переменного тока целесообразно применение низковольтного источника опорного напряжения (10-20В).
Возьмём стабилизатор 2С216Ж
Rд=125 Ом,
ТКН = 0,1 %/град,
величина опорного напряжения составляет 18В
Uст.=15,2..18,6В
Iст=0,5..6,3мА
При данном опорном источнике коэффициент передачи измерительного элемента будет равен:
- коэффициент передачи напряжения с первичной обмотки трансформатора на выход стабилизатора. Произведение коэффициентов
mN=18/179,5=0,1
Коэффициент стабилизации опорного источника выбирается в 2-3 раза больше коэффициента стабилизации схемы стабилизации и составляет
(kст)оп=(2..3)(kст)U=2,5*200=500
Рассчитаем балластные сопротивления R1 и R4 по формуле:
Rб=,
где Iн.оп=ток, потребляемый от опорного источника, U0вх= U1mp1=179,5В, Iоп-возьмём равным 5мА.
Получим R1=29кВ и R4=14кВ