Автор Тема: Мощный мостовой УМ с сетевым бестрансформаторным питанием на 2-3 кВт (RN3AUS)  (Прочитано 939 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
Наконец-то завершил новый проект, которым был занят 5 месяцев, с конца лета.
Хотелось создать действительно мощный передатчик, на 2-3 кВт.
Примером для подражания служили три конструкции:
- усилитель DK7FC, это мостовой двухкиловатный УМ с прямым бестрансформаторным питанием от сети (схема есть здесь: http://136.su/index.php/topic,99.0.html )
- фирменный (Racal) передатчик навигационной системы Decca, мостовой, 1 кВт, питание трансформаторное 67 В
- полумостовой УМ G4JNT, 700 Вт, прямое питание от сети. (http://rn3aus.narod.ru/700WSMT.pdf )

Какие недостатки и достоинства имеют упомянутые конструкции:
- у DK7FC нет быстродействующей защиты от перегрузки и аварийных ситуаций с антенной, хотя он самый мощный из всех. Нет защиты от сквозных токов при неправильной работе драйвера.
- Decca имеет защиту и от перегрузки и от сквозных токов, но требует мощного БП на 67 В
- УМ G4JNT слабоват, всего 700 Вт, хотя имеет такую же защиту, как и в Decca
« Последнее редактирование: 28 Декабрь 2018, 22:29:16 от rn3aus »

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
В результате "компиляции" схемных решений и изучения книг по сварочным инверторам (Володин "Создаем современные сварочные аппараты", 2011), была разработана следующая схема и рассчитаны ее элементы.
Получился мостовой УМ H-типа с прямым (бестранформаторным) питанием от сети 220 В с резонансной системой на выходе, защитой от сквозных токов и перегрузки. В состав усилителя входят четыре силовых модуля (по два в верхних и нижних плечах). Каждый модуль имеет в своем составе два силовых MOSFET транзистора SIHG20N50 (IRFP460) и схему защиты и управления затворами. Также есть традиционные антидребезговые RC-цепочки и диоды подавления выбросов. Каждый модуль защищен пллавким предохранителем.
Модули подключаются к нагрузке (это резонансная система и выходной трансформатор) через индуктивности L1 и L4 (отводы от середины), служащие для "перехвата" бросков сквозных токов, если таковые все же будут появляться. Вместо мощного сквозного импульса (короткого замыкания) возникает ВЧ-звон, который не так разрушителен. Индуктивности зашунтированы демпфирующими резисторами.
« Последнее редактирование: 01 Январь 2019, 17:09:47 от rn3aus »

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
Вид силовых модулей в сборе с катушками

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
Выходной трансформатор собран на 4-х сердечниках от строчных трансформаторов старых мониторов. Рассчет обмоток делался исходя из максимальной мощности до 4 кВт. Первичная обмотка 7 витков. Вторичная - состоит из четырех независимых обмоток с числом витков 2, 3, 4, 6. Их можно коммутировать четырьмя тумблерами, задавая любой желаемый коэффициент трансформации. Замечу, что лучше было бы сделать обмотки: 1, 2, 4 и 8 витков (целые степени двойки, а не корень из двух). Но уж как сделал так сделал.
Так как, может быть, трансформатор будет греться на большой мощности, он снабжен своим собственным обдувом.

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
Выходной трансформатор в сборе, с переключателями выходных обмоток

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
Катушка резонансного контура намотана без использования магнитного сердечника на платиковой трубке 30 мм. Катушка получилась довольно громоздкой. Расчет необходимой индуктивности можно найти в статье G4JNT, нужно получить добротность около 6.
Отдельно нужно сказать про обмоточный провод. Чтобы избежать скин-эффекта и как следствие значительно нагрева катушки и трансформатора, пришлось изготовить самодельный литцендрат из 21 жилы эмалированного провода 0,4 мм. Три пряди по семь проводников в каждой заплетены в длинные косички длиной по 5 метров (больше не позволяла комната). Затем косичка обматывалась по всей длине хлопчатобумажной изолентой внахлест. Такой тип изоляции выбран для того, чтобы при сильном нагреве она не плавилась. Это меня научили специалисты-энергетики. У них в силовых агрегатах идет именно такая "дедовская" изолента на х\б основе.
Такая методика изготовления обмоток описана и в книге по сварочным аппаратам. Возможно, это несколько избыточно, но лучше всегда заложить запас прочности. Хуже оно всегда и само получится.
Поверх резонансной катушки намотана обмотка для системы защиты от перегрузки. Она также из трех секций 20, 10 и 5 витков, коммунтируемых бвумя переключателями. Это позволяет подбирать необходимую степень защиты, но не отключать ее совсем. Зачем это нужно и как защита работает - описано в отличной статье G4JNT OverloadProtection.pdf
В двух словах, когда сопротивление нагрузки слишком мало, в контуре увеличивается ток, кроме того возрастает добротность контура. На защитной обмотке увеличивается напряжение, и когда оно становится больше напряжения питания УМ, эта обмотка начинает отбирать мощность, возвращая ее в шины пиатния, что эквивалентно увеличению нагрузочного сопротвиления в контуре. Такая система защиты работает мгновенно, в ней ничего не может "зависнуть", она очень надежна.
« Последнее редактирование: 28 Декабрь 2018, 18:10:24 от rn3aus »

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля

Емкость контура, на которой может быть напряжение в несколько раз выше напряжения питания, набрана из нескольких последовательно-параллельно включенных конденсаторов с рабочим напряжением 2 кВ, то есть контур может выдержать до 6 кВ. Кроме того, параллельно включены еще несколько маленьких конденсаторов по два последовательно 300, 150 и 47 пФ (3 кВ) для достижения резонансна.

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
Питание на УМ подается через вакуумный контактор В-1В (10А 3кВ). Однако оказалось, что коммутировать его нужно на холостом ходу, без тока, иначе контакты несколько залипают.
Блок питания УМ - выпрямитель на мощной диодной сборке 50А 800 В и батарее высоковольтных электролитов 470 мкф х 450 В. Чтобы при включении не было большого броска тока, введен мощный балластный резистор из 9 сопротивлений 47 Ом 10 Вт. Вначале подают питание одним выключателем и ток идет через балластный резистор, затем его (резистор) закорачивают вторым тумблером. Так оказалось удобнее, чем ставить термистор или пусковое реле - можно во время настройки антенны в резонанс и подборе связи с выходным трансформатором включить ненадолго этот резистор, что гарантирует нам отсуствие неприятностей, так как усилитель будет работать в щадящем режиме.

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
Ответственный узел - блок управления мостовым УМ. Он должен обеспечивать такие импульсы управления усилительными модулям, чтобы не могла возникнуть ситуация сквозных токов. Между импульсами должен быть зазор "deadtime", когда все модули закрыты. Есть конечно разные специализированные микросхемы, но я решил обойтись дедовскими способами.
Сигнал от внешнего возбудителя, работающего на номинальной частоте (137 кГц), через разъем и ФНЧ подается на простой диодный удвоитель частоты и затем на формирователь импульсов (два элемента К561ЛА7). На выходе формирователя идут несимметричные прямоугольные импульсы удвоенной частоты. Эти импульсы подаются на триггер, который формирует два парафазных и строго симметричных меандра на своих выходах. Так обеспечивается правильная работа драйвера даже на любом самом неправильном и кривом входном сигнале, можно использовать любой возбудитель какой пожелаете.

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
Теперь между каналами нужно ввести зазор deadtime. Для этого использованы еще два элемента ЛА7. На первый вход элемента И сигнал поступает непосредственно, на второй - через интегрирующую RC-цепочку. От ее постоянной времени зависит задержка срабатывания И. При налаживании очень удобно и наглядно поставить подстроечные резисторы и смотреть на двухлучевом осциллографе как меняется задержка между импульсами. Я проверил, не будет ли плыть эта задержка с изменением теплового режима. Грел схему монтажным феном градусов до ста - изменений как-то не заметил.

Дальше импульсы обоих каналов усиливаются по мощности и подаются на трансформаторы гальванической развязки. Их надо делать с большой внимательностью, хорошо изолируя обмотки друг от друга, так как разность напряжения между ними будет более 300 В. Расчет обмоток по методике из книжки дал количество витков примерно 40-50 в каждой обмотке. Индуктивность (1-1,5 мГн) получилась несколько, кажется, великовата, но ведь умные люди так пишут делать, да и на практике это заработало нормально... Ключевые транзисторы лучше поставить быстрые, как у меня - IRF510. С IRF540 (у них мощность выше, но емкость намного больше) форма импульсов на затворах была уже не такая прямоугольная, а с заметным затягиванием фронтов.

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
Для создания мягкого старта и стопа введен танзистор VT1 КТ816А в цепь питания выходных каскадов драйвера. Он открывается и закрывается не мгновенно, а плавно. На выходе также амплитуда управляющих импульсов будет плавно нарастать и модули УМ будут формировать плавные фронты включения и выключения. Было проверено на сигнале 137 кГц, модулированном по амплитуде частотой 1 кГц или 400 Гц. Работает...
Кроме того, так как в отсутствие входного сигнала питание на выходные каскады блока управления не подается, то они и не греются.
На плате блокау правления стоит так же традиционная для меня цепочка формирования сигнала РТТ, подаваемого по коаксиальному кабелю от синтезатора.
Мне кажется, блок управления получился, простой, понятный, всего на двух самых обыкновенных микросхемах, без всякого программирования. Отсутствие сквозных токов и мягкий старт он обеспечивает, работает от любого источника сигнала и на номинальной частоте...


Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
Чтобы видеть, в каком режиме работает УМ, есть стрелочные приборы - напряжения питания, потребляемого тока, выходного тока в антенну. Поставил также и фозометр по схеме M0BMU. Есть ручной включатель РТТ и индикатор подачи питания на усилительные модули.
Охлаждение с помощью трех внешних вентиляторов.
Вот такой получился УМ. Хотелось сделать конструктивный шедевр, но все же это не совсем удалось, монтаж очень плотный, трудно разбирать.

« Последнее редактирование: 28 Декабрь 2018, 18:24:45 от rn3aus »

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
Испытания на эквивалент нагрузки 75 Ом (от промышленного передатчика, дали попользоваться на время) и на кипятильник 1200 Вт (40 Ом DC) показали, что УМ развивает мощность 1 кВт, нужно только подбирать нужный коэффициент трансформации выходного трансформатора. Наверняка можно и больше, но я что-то боюсь пока.
На выходе почти синусоида. Если же питать усилительные модули более низким напряжением (при наладке я их включал от 30 В), то вообще чистая синусоида.

Очень трудно снять осциллограммы на затворах силовых ключей - они все относительно заземления под +-300 В. Снял картинку на стоках нижних плечей. Вроде звона и наложения импульсов нет. Включение на холостом ходу также показывает, что ток почти не потребляется, значит сквозных токов нет. Отключение любого силового модуля от блока управления вызывает падение выходной мощности в 2 раза (напряжение уменьшается в 1,4 раза). Значит, работают оба плеча.

Интересно, что УМ усиливает сигнал только в полосе примерно от 132 до 140 кГц. Вне этой полосы выходного сигнала нет - по входу стоит ФНЧ, да и в самом УМ резонансный контур в цепи нагрузки. Включение комплексной нагрузки (катушка или конденсатор последовательно с кипятильником) вызывает отклонение стрелки фазометра в разные стороны.
КПД получился, похоже высокий - потребляемая и выходная мощности очень близки, да и не греется ничего на 1 кВт.
Единственно, измеритель тока антенны немножко занижает показания, видимо емкость диодов великовата.

Подводя итог, бестрансформаторное питание от сети оказалось не таким страшным, как кажется. Все надежно работает, мощность получается большая. Нужно только быть аккуратным...
« Последнее редактирование: 28 Декабрь 2018, 18:09:28 от rn3aus »

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
Ну и вдруг кому-то пригодятся - платы
« Последнее редактирование: 31 Декабрь 2018, 12:11:08 от rn3aus »

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2279
    • Просмотр профиля
и еще

PS: *.lay - pcb file -  SprintLayout 5.0 software
      *.spl7 - file of the scheme of the device - sPlan 7.0 software
« Последнее редактирование: 31 Декабрь 2018, 12:16:03 от rn3aus »