晶闸管触发脉冲变压器的设计_冯明远
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矿
机
电
2009 年第 5 期
并不妨碍晶闸管的导通。脉冲的上升时间小于晶闸 管开通所要求的 10 L s , 持续时间也足够晶闸管顺利
导通。经过测试, 验证了在实际电路应用中 , 设计制 作的这组变压器输出变比、 温升、 脉冲声音均达到了 设计要求 , 能够正确完成晶闸管的触发。 5 结论 通过对计算出的参数进行了仿真并由波形分析 可以看到 , 简化模型中有些参数的变化不会对输出 有很大的影响 , 设计中只要注意漏感、 分布电容、 变 比这几个主要参数 , 就可以得到较理想的输出, 实测
[ 3]
代入参数 S c = 0 . 69 cm , 可得 N 1 = 69 . 6 匝, 取 为 69匝 , 故 N 2 = 23 匝。 3 ) 漏感、 分布电容等的计算 由公式 : L s = 0 . 4P N l @ 10 2hm
2 1 m [ 2]
6 dm i , 其中 3 lm 表示线圈平 均匝长 , hm 表示 初次级平 均绕组厚 D z + 度, D z 表初次级间绝缘厚度, 6 dm i表示各绕组厚度。 代入数据计算可得 L s = 1 . 31 L H。 0 . 0886 lm hm Ei 2 由公式 : C c 6 ( Uai + Uai Ubi + s = 2 D 3U1 zi U bi ), 其中 E i 表示各绕组介电常数, Ua i 表示被计算
确性。 制作了一组晶闸管触发脉冲变压器 , 并对其进行了实测 , 结果表明满足应用要求。 关键词 : 中图分类号: TM 417
Design of S ilicon Controlled Rectifier Trigger Pulse Transfor mer
FENG M ing-yuan, SH I X iu-guang
图 6 实测脉冲变压器输入 、 输出对比图
( 收稿日期 : 2009- 04- 21; 责任编辑 : 姚克 )
( 上接第 7页 ) ( 3) CAN 总线通信电路 考虑到通信实时性和安全性的因素, CAN 总线 收发器和控制器间采用 10 M 高速光耦来进行隔离。 另外, 板卡主控 MCU 自身带有两路 CAN 总线控制 器 , 省掉了 SJA1000 的设计 , 节省了成本。 CAN 总 线通信电路如图 4 所示。
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2009 年第 5 期
晶闸管触发脉冲变压器的设计
冯明远, 师修广
( 河南理工大学 电气学院 , 河南 焦作 454003)
摘
要:
分析了脉冲变压器工作原理, 建立了集中参数等效模型, 通过仿真验证了设计参数的正 脉冲变压器 ; 设计 ; 测试 文献标识码: B 文章编号: 1001- 0874( 2009) 05- 0008- 03
2 100 @ 24 @ 200 = 0 . 69 ( cm ) 250 @ 3000 @ 0 . 93
图 3 仿真模型图
2 ) 绕组匝数选择 脉冲变压器绕组通过的电流为瞬时通断 , 发热 甚微, 一般可选直径 0 . 2 mm 的高强漆包线。由 : N1 = U1 td -2 @ 10 $ BS c
1 脉冲变压器工作原理 脉冲变压器是一种特殊类型变压器, 它应用电 磁感应原理 , 即原边交变的电流在铁心激发交变的 磁场, 在副边线圈中感应交变的感应电动势。目前 , 对脉冲变压器的分析主要有两种方法: 一种是采用 集中参数等效电路, 另一种是采用分布参数等效电 路。从工程应用出发, 使用了集中参数等效电路的 分析
( E lectr ica l Co llege , H enan P olytechn ic U n iversity , Jiaozuo 454003, China)
Ab stract : Based on analyzing o f the wo rk ing prin ciple o f pulse transform er , the equivalent m odel of lum ped param eter is estab lished , the co rrectness o f desig n param eters is verif ie d by si m ulation. A series o f silicon contro lled rectifiers are m ade up , and then are practically detected , the resu lt m eets the applied requ irem ents. Keyw ords : pu lse transfo r m er ; design; test
图 5 脉冲变压器测试电路图
结果证明了设计的正确性, 该种方法对于设计高阶 复杂电路也是一种很好的借鉴。
参考文献 : [ 1] [ 2] [ 3] 杨哲 , 鞠 晓 东 . 小型 脉 冲 变 压 器 的 设 计 [ J] 变 压 器 , 2006 ( 12 ). 王瑞华 . 脉冲变压器的设计 ( 第二版 ) [ M ] . 北京 : 科学技术出 版社 , 1996. 强峰 . 功率脉冲变压器子电路建模方法研究 [ J] . 油气田地面 工程 , 2008( 8 ) . 作者简介 : 冯明远 ( 1984- ), 男 , 在读 硕士 研究生 。 主 要研 究方向 为电气传动自动化。
参考文献 : [ 1] [ 2] 陈伟 , 曾荣登 . 基于 CS5532的高精 度自动称重系统 设计 [ D ]. 厦门大学 , 2009 . 张国华 . 基 准电 压源的 设计 与选 用 [ J ] . 中 国电子 制作 , 2005 ( 11 ). 作者简介 : 杨晶 ( 1962 - ) , 女 , 工程师 。 1989年 毕业于 昆明 工学院 环境工程系 , 现主要从事安全工程设计 。 ( 收稿日期 : 2009- 04- 27; 责任编辑 : 姚克 )
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图 4 仿真结果图
( 2) 实际制作 按照以上计算选择了铁芯尺寸、 绕组匝数后 , 使 用骨架及铜线 , 按照绕组配置绕线绕制成后将铁芯 插入 , 用绝缘胶带固定, 再将引线接在变压器引脚上 即可应用。在制作过程中, 要注意 : 1) 绕制时要注意同名端的问题, 否则输出脉冲 为反极性脉冲将不能触发晶闸管导通; 2) 调节最佳气隙 , 使输出脉冲波形畸变最小; 意
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来自百度文库
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3) 匝 间 及 一、 二 次 绕 组 间绝 缘 也 要 同 时 注 。
4 性能测试 模拟实际应用电路 , 设计测试电路如图 5 所示。 用 H S801 虚拟示波器测得的波形如图 6 所 示。从 输入、 输出波形可 以看到, 当 晶闸管处于开 关状态 时, 加在脉冲变压器一次侧的脉冲电压为 + 24 V 直 流电压, 通过 5 k H z的脉冲源控制形成 24 V 的脉冲 源, 输出为 8 V 多的尖脉冲电压, 这是由于在计算和 绕制中, 变压器的参数都有的估计成分造成的, 但这
。
典型的脉冲变压器集中参数等效电路如图 1 所 示 ( 所有阻抗参数均折算到一 次侧, 折算后的参数 用带撇的符号表示 ) 。由于这个电路存在 6 个储能 元件, 分析依然复杂, 现依据实际应用, 令 Cp = C 1 + C i, C c 二次侧等效电阻分别合 S = Cc 2+ Cc L , 再将一、 并入一、 二次侧, 即 R 1 = R i + r1, R c 2= Rc L + rc 2, 这样 就得到图 2 所示的脉冲变压器简化等效电路图。 2 触发脉冲变压器设计 ( 1) 设计要求 为保证触发脉冲变压器能够实现晶闸管的可靠 强触发 , 要求电磁干扰尽量小, 满足安装尺寸需要 , 发热小及噪声小。据此脉冲变压器参数为 :
[ 1]
图 1 脉冲变压器的基本等效 电路
R i - 信号源内阻 ; C j - 输入电路等效电容 ; C 1 - 初级分布电空 ; r1 、 rc2 - 绕组电阻 ; L s - 绕组等效漏感 ; C 2 - 二次绕组等效分布电容 ; Cc Rc L、 L - 折算后的负载等效电阻和负载电阻 ; Lm - 磁化电感
图 2 脉冲变压器简化等效电 路图 输出脉冲幅度 /V 输出脉冲电流 /A 变比 脉冲宽度 /L s 脉冲上升时间 /L s 脉冲重复频率 /个 # s 体积尺寸 /mm
- 1
8 4 n = N 2 /N 1 = 1 / 3 50~ 80 [ 10 5000 22 @ 26 @ 20
( 2) 主要参数计算 依据简化等效电路图 2 , 计算各参数。忽略 Cp 的影响, 认定 R 1 = 2 8 , R c 2 为晶闸管控制极内阻折
图 4 CAN 总线通信电路图
4 固件程序设计 程序设计与硬件电路设计一一对应, 每个硬件 电路设计均有对应的子程序设计。板卡固件总程序 基本为 : 程序首先初始化 CPU、 DP, 等待接收参数数 据 PRM _DATA 与配置数据 CFG_DATA, 然后根据配 置数据的内容分别进行两个分支程序的运行。分支
由于脉冲宽度要求在 50 ~ 80 L s之间 , 故选用 厚 0 . 08 mm 冷轧硅钢薄带, 铁芯形式选择 BCD 型标 准铁芯。已知脉冲变压器一次线圈两端是通过晶体 管施加一直流电势 E 1, 靠晶体管的开关作用, 瞬时 通断获得一个方波或尖形波的直流脉冲, 从而在变 压器铁心中产生一个 $5 , 初、 次级有 $7 1、 $7 2 产 生 , 则有 E 1、 E 2 呈方波 或尖形波感应 电动势产生。 当给定初级脉冲电压的幅度, 宽度的方波时, 则 : E 1 = $7 1 /T 由以上参数要求及铁磁材料性能知: $7 1 = SF e @K c @ $ B @ 10
2009年第 5 期 算而来 , 并计算得 R c 2 = 18 8 。 1 ) 铁芯截面计算
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3 仿真及制作 ( 1 ) 仿真模型 依据已建 立的 脉冲变 压 器简 化等 效模 型, 在 mu lt isi m 9中建立仿真模型 , 如图 3所示。仿真波形 如图 4 所示, 其中横坐标为 200 L s/ div , 纵坐标为 2 V /d iv。从波形分析可知 , 其触发脉冲输出电压值为 8 V, 持续时间在 50 L s以上, 达到了设计要求 , 可依 [ 3] 次来进行脉冲变压器的实际制作 。
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@ 10 @N 1
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= SF e @K c @ $ B @ 100 @N 1 $B = B m - B r 100 @ E 1 @ T SFe = N 1 @ $B @ K c 代入参数 $ B = 3000 Gs, E 1 = 24 V, T = 200 Ls, Kc = 0 . 93 , 则可得: SF e =
1 : 若配置数据为生产检验时的配置数据 , 则进行 A / D 校准与系数修正 ; 分支 2 : 若配置数据为正常工作 时的配置数据 , 则首先检查 DP 的运行状态 , 再开始 数据采集工作 , 根据采集结果判断通道是否存在断 线故障, 并将通道状况和采集结果传送到 DP 主站, 如此反复 , 形成闭环系统。 5 结语 ( 1) 本板卡为煤矿安全参数监测板卡, 其采集 精度可 以 达到 0 . 05 % , 板 卡的 高 速 M CU 和高 速 CAN 模式保证了板卡的采集速度 , 即保证了煤矿的 安全实时性监测。 ( 2) 组建系统方面, 该板卡不仅可以通过系统 总站进行配置采集量程范围以及某一板卡在系统中 的编号, 进一步提高了其通用性和安全性, 而且可在 系统正常工作时将板卡更换, 并不影响系统其他板 卡的运转 , 更好地保证了对煤矿的实时安全监测。
各绕组电容两电极间一端的电位差 , U bi表示另一端 的电位差。代入数据得 C c . 8 pF。 s = 28 0 . 4PL p N 1SF e , 其中 L p 表示脉冲磁 2 lc @ 10 导率, 取值为 1 500, lc 表示铁芯平均磁路长度, 且计 由公式 , Lm = 算可得 lc = 6 . 9 cm, 从而可得 Lm = 8 969 L H。
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并不妨碍晶闸管的导通。脉冲的上升时间小于晶闸 管开通所要求的 10 L s , 持续时间也足够晶闸管顺利
导通。经过测试, 验证了在实际电路应用中 , 设计制 作的这组变压器输出变比、 温升、 脉冲声音均达到了 设计要求 , 能够正确完成晶闸管的触发。 5 结论 通过对计算出的参数进行了仿真并由波形分析 可以看到 , 简化模型中有些参数的变化不会对输出 有很大的影响 , 设计中只要注意漏感、 分布电容、 变 比这几个主要参数 , 就可以得到较理想的输出, 实测
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代入参数 S c = 0 . 69 cm , 可得 N 1 = 69 . 6 匝, 取 为 69匝 , 故 N 2 = 23 匝。 3 ) 漏感、 分布电容等的计算 由公式 : L s = 0 . 4P N l @ 10 2hm
2 1 m [ 2]
6 dm i , 其中 3 lm 表示线圈平 均匝长 , hm 表示 初次级平 均绕组厚 D z + 度, D z 表初次级间绝缘厚度, 6 dm i表示各绕组厚度。 代入数据计算可得 L s = 1 . 31 L H。 0 . 0886 lm hm Ei 2 由公式 : C c 6 ( Uai + Uai Ubi + s = 2 D 3U1 zi U bi ), 其中 E i 表示各绕组介电常数, Ua i 表示被计算
确性。 制作了一组晶闸管触发脉冲变压器 , 并对其进行了实测 , 结果表明满足应用要求。 关键词 : 中图分类号: TM 417
Design of S ilicon Controlled Rectifier Trigger Pulse Transfor mer
FENG M ing-yuan, SH I X iu-guang
图 6 实测脉冲变压器输入 、 输出对比图
( 收稿日期 : 2009- 04- 21; 责任编辑 : 姚克 )
( 上接第 7页 ) ( 3) CAN 总线通信电路 考虑到通信实时性和安全性的因素, CAN 总线 收发器和控制器间采用 10 M 高速光耦来进行隔离。 另外, 板卡主控 MCU 自身带有两路 CAN 总线控制 器 , 省掉了 SJA1000 的设计 , 节省了成本。 CAN 总 线通信电路如图 4 所示。
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2009 年第 5 期
晶闸管触发脉冲变压器的设计
冯明远, 师修广
( 河南理工大学 电气学院 , 河南 焦作 454003)
摘
要:
分析了脉冲变压器工作原理, 建立了集中参数等效模型, 通过仿真验证了设计参数的正 脉冲变压器 ; 设计 ; 测试 文献标识码: B 文章编号: 1001- 0874( 2009) 05- 0008- 03
2 100 @ 24 @ 200 = 0 . 69 ( cm ) 250 @ 3000 @ 0 . 93
图 3 仿真模型图
2 ) 绕组匝数选择 脉冲变压器绕组通过的电流为瞬时通断 , 发热 甚微, 一般可选直径 0 . 2 mm 的高强漆包线。由 : N1 = U1 td -2 @ 10 $ BS c
1 脉冲变压器工作原理 脉冲变压器是一种特殊类型变压器, 它应用电 磁感应原理 , 即原边交变的电流在铁心激发交变的 磁场, 在副边线圈中感应交变的感应电动势。目前 , 对脉冲变压器的分析主要有两种方法: 一种是采用 集中参数等效电路, 另一种是采用分布参数等效电 路。从工程应用出发, 使用了集中参数等效电路的 分析
( E lectr ica l Co llege , H enan P olytechn ic U n iversity , Jiaozuo 454003, China)
Ab stract : Based on analyzing o f the wo rk ing prin ciple o f pulse transform er , the equivalent m odel of lum ped param eter is estab lished , the co rrectness o f desig n param eters is verif ie d by si m ulation. A series o f silicon contro lled rectifiers are m ade up , and then are practically detected , the resu lt m eets the applied requ irem ents. Keyw ords : pu lse transfo r m er ; design; test
图 5 脉冲变压器测试电路图
结果证明了设计的正确性, 该种方法对于设计高阶 复杂电路也是一种很好的借鉴。
参考文献 : [ 1] [ 2] [ 3] 杨哲 , 鞠 晓 东 . 小型 脉 冲 变 压 器 的 设 计 [ J] 变 压 器 , 2006 ( 12 ). 王瑞华 . 脉冲变压器的设计 ( 第二版 ) [ M ] . 北京 : 科学技术出 版社 , 1996. 强峰 . 功率脉冲变压器子电路建模方法研究 [ J] . 油气田地面 工程 , 2008( 8 ) . 作者简介 : 冯明远 ( 1984- ), 男 , 在读 硕士 研究生 。 主 要研 究方向 为电气传动自动化。
参考文献 : [ 1] [ 2] 陈伟 , 曾荣登 . 基于 CS5532的高精 度自动称重系统 设计 [ D ]. 厦门大学 , 2009 . 张国华 . 基 准电 压源的 设计 与选 用 [ J ] . 中 国电子 制作 , 2005 ( 11 ). 作者简介 : 杨晶 ( 1962 - ) , 女 , 工程师 。 1989年 毕业于 昆明 工学院 环境工程系 , 现主要从事安全工程设计 。 ( 收稿日期 : 2009- 04- 27; 责任编辑 : 姚克 )
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图 4 仿真结果图
( 2) 实际制作 按照以上计算选择了铁芯尺寸、 绕组匝数后 , 使 用骨架及铜线 , 按照绕组配置绕线绕制成后将铁芯 插入 , 用绝缘胶带固定, 再将引线接在变压器引脚上 即可应用。在制作过程中, 要注意 : 1) 绕制时要注意同名端的问题, 否则输出脉冲 为反极性脉冲将不能触发晶闸管导通; 2) 调节最佳气隙 , 使输出脉冲波形畸变最小; 意
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来自百度文库
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3) 匝 间 及 一、 二 次 绕 组 间绝 缘 也 要 同 时 注 。
4 性能测试 模拟实际应用电路 , 设计测试电路如图 5 所示。 用 H S801 虚拟示波器测得的波形如图 6 所 示。从 输入、 输出波形可 以看到, 当 晶闸管处于开 关状态 时, 加在脉冲变压器一次侧的脉冲电压为 + 24 V 直 流电压, 通过 5 k H z的脉冲源控制形成 24 V 的脉冲 源, 输出为 8 V 多的尖脉冲电压, 这是由于在计算和 绕制中, 变压器的参数都有的估计成分造成的, 但这
。
典型的脉冲变压器集中参数等效电路如图 1 所 示 ( 所有阻抗参数均折算到一 次侧, 折算后的参数 用带撇的符号表示 ) 。由于这个电路存在 6 个储能 元件, 分析依然复杂, 现依据实际应用, 令 Cp = C 1 + C i, C c 二次侧等效电阻分别合 S = Cc 2+ Cc L , 再将一、 并入一、 二次侧, 即 R 1 = R i + r1, R c 2= Rc L + rc 2, 这样 就得到图 2 所示的脉冲变压器简化等效电路图。 2 触发脉冲变压器设计 ( 1) 设计要求 为保证触发脉冲变压器能够实现晶闸管的可靠 强触发 , 要求电磁干扰尽量小, 满足安装尺寸需要 , 发热小及噪声小。据此脉冲变压器参数为 :
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图 1 脉冲变压器的基本等效 电路
R i - 信号源内阻 ; C j - 输入电路等效电容 ; C 1 - 初级分布电空 ; r1 、 rc2 - 绕组电阻 ; L s - 绕组等效漏感 ; C 2 - 二次绕组等效分布电容 ; Cc Rc L、 L - 折算后的负载等效电阻和负载电阻 ; Lm - 磁化电感
图 2 脉冲变压器简化等效电 路图 输出脉冲幅度 /V 输出脉冲电流 /A 变比 脉冲宽度 /L s 脉冲上升时间 /L s 脉冲重复频率 /个 # s 体积尺寸 /mm
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8 4 n = N 2 /N 1 = 1 / 3 50~ 80 [ 10 5000 22 @ 26 @ 20
( 2) 主要参数计算 依据简化等效电路图 2 , 计算各参数。忽略 Cp 的影响, 认定 R 1 = 2 8 , R c 2 为晶闸管控制极内阻折
图 4 CAN 总线通信电路图
4 固件程序设计 程序设计与硬件电路设计一一对应, 每个硬件 电路设计均有对应的子程序设计。板卡固件总程序 基本为 : 程序首先初始化 CPU、 DP, 等待接收参数数 据 PRM _DATA 与配置数据 CFG_DATA, 然后根据配 置数据的内容分别进行两个分支程序的运行。分支
由于脉冲宽度要求在 50 ~ 80 L s之间 , 故选用 厚 0 . 08 mm 冷轧硅钢薄带, 铁芯形式选择 BCD 型标 准铁芯。已知脉冲变压器一次线圈两端是通过晶体 管施加一直流电势 E 1, 靠晶体管的开关作用, 瞬时 通断获得一个方波或尖形波的直流脉冲, 从而在变 压器铁心中产生一个 $5 , 初、 次级有 $7 1、 $7 2 产 生 , 则有 E 1、 E 2 呈方波 或尖形波感应 电动势产生。 当给定初级脉冲电压的幅度, 宽度的方波时, 则 : E 1 = $7 1 /T 由以上参数要求及铁磁材料性能知: $7 1 = SF e @K c @ $ B @ 10
2009年第 5 期 算而来 , 并计算得 R c 2 = 18 8 。 1 ) 铁芯截面计算
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3 仿真及制作 ( 1 ) 仿真模型 依据已建 立的 脉冲变 压 器简 化等 效模 型, 在 mu lt isi m 9中建立仿真模型 , 如图 3所示。仿真波形 如图 4 所示, 其中横坐标为 200 L s/ div , 纵坐标为 2 V /d iv。从波形分析可知 , 其触发脉冲输出电压值为 8 V, 持续时间在 50 L s以上, 达到了设计要求 , 可依 [ 3] 次来进行脉冲变压器的实际制作 。
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@ 10 @N 1
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= SF e @K c @ $ B @ 100 @N 1 $B = B m - B r 100 @ E 1 @ T SFe = N 1 @ $B @ K c 代入参数 $ B = 3000 Gs, E 1 = 24 V, T = 200 Ls, Kc = 0 . 93 , 则可得: SF e =
1 : 若配置数据为生产检验时的配置数据 , 则进行 A / D 校准与系数修正 ; 分支 2 : 若配置数据为正常工作 时的配置数据 , 则首先检查 DP 的运行状态 , 再开始 数据采集工作 , 根据采集结果判断通道是否存在断 线故障, 并将通道状况和采集结果传送到 DP 主站, 如此反复 , 形成闭环系统。 5 结语 ( 1) 本板卡为煤矿安全参数监测板卡, 其采集 精度可 以 达到 0 . 05 % , 板 卡的 高 速 M CU 和高 速 CAN 模式保证了板卡的采集速度 , 即保证了煤矿的 安全实时性监测。 ( 2) 组建系统方面, 该板卡不仅可以通过系统 总站进行配置采集量程范围以及某一板卡在系统中 的编号, 进一步提高了其通用性和安全性, 而且可在 系统正常工作时将板卡更换, 并不影响系统其他板 卡的运转 , 更好地保证了对煤矿的实时安全监测。
各绕组电容两电极间一端的电位差 , U bi表示另一端 的电位差。代入数据得 C c . 8 pF。 s = 28 0 . 4PL p N 1SF e , 其中 L p 表示脉冲磁 2 lc @ 10 导率, 取值为 1 500, lc 表示铁芯平均磁路长度, 且计 由公式 , Lm = 算可得 lc = 6 . 9 cm, 从而可得 Lm = 8 969 L H。