您现在的位置是:主页 > 电路技术 > 电源管理 >


基于ARM信号源的扫频电磁除垢器功放电路设计

2020-03-02 23:28电源管理 人已围观

简介电磁防垢与化学药剂防垢相比,其特点是不消耗化学试剂、少腐蚀、无污染、成本低、维修简单、安装管理方便. 该文将介绍基于 ARM 信号源的扫频电磁除垢装置的功率放大电路部分...

  电磁防垢与化学药剂防垢相比,其特点是不消耗化学试剂、少腐蚀、无污染、成本低、维修简单、安装管理方便. 该文将介绍基于 ARM 信号源的扫频电磁除垢装置的功率放大电路部分,扫频除垢装置的优点是电压可分档调节,输出功率较大且功率可变,且信号源的频率从 30 Hz 连续变到 14.3 kHz,能有效的运用共振频率去除水垢. 该文所述功率放大电路的优点是两组 IGBT轮流导通且能保证不会同时导通,功率放大电路会输出较大功率带动负载线圈工作.
  

  1 电源及功率放大电路的实现

  
  1.1 系统整体描述
  
  科学研究表明,水分子是由一个氧原子和两 个氢原子组成的. 通常情况下,水分子是由氢键链接成水分子团共同存在的. 当交变电磁场作用于水中,即变化的电场作用在水分子团上,水分 子在合适频率的电磁场作用下产生共振,由于氢 键不像共价键那样牢固,当震动的能级较大,高 于氢键的键能时,氢键会因为震动过于强烈而断 开,此时分子的结构被改变了. 改变后的水分子中的结垢晶体颗粒的溶解度增加了,使水垢物质 比较不容易析出. 同时变化中的电磁场会使水中的钙离子和碳酸根离子相互碰撞,形成特殊的文石碳酸钙体,由于其不易吸附在管道壁上,从而达到了预防水垢的目的. 该文设计的除垢装置优点是电磁场的频率是连续变化的,从而其中 一定会有一个最佳的频率使水分子与其达到共 振,使氢键断裂,因此达到更好的防垢、除垢的效 果. 而且变化的频率使该装置的使用范围更广泛,除垢效果更好.
  
  如图 1 所示是本系统的整体结构框图. 该装置主要由信号发生电路、IGBT 全桥驱动模块、分档可调电源、以及可调节负载线圈组成.
  图 1 系统整体结构框图
  图 1 系统整体结构框图
  
  其中变压器是 B0D600 环形变压器,电路中采用抽头方式改变电压值. 电压值从 0V 到 30V 分档变化,一方面能满足装置所需要的工作方式可变及功率可调节的要求,另一方面变压输出比较稳定且成本低廉. 变压器输出电压经过大功率继电器实现大电流输出,继电器输出电压由旋钮选择,同时 LED 小灯直观的指示继电器的输出电压值. 输出电压经过整流滤波后输送到 IGBT功率放大模块,同时单片机 STM32 输出四路带死区的方波信号,驱动两组 IGBT 轮流导通,从而使负载线圈中电流发生变化产生变化电磁场,带动负载达到除垢的目的.
  
  1.2  电源的实现
  
  首先电源通过保险丝,再经过整流滤波实现电源的稳定供给. 电压通过变压器、继电器模块以及 switch 连接的旋钮选择开关及 LED 小灯指示模块,来完成电压的分档可调节. 拨动旋钮开关来选择继电器输出电压档位,通过 L1—L10 显示当前选择的电压值. 输出的电压值再经过整流滤波送到 IGBT 驱动模块,电压值选择及指示模块如图 2 所示,继电器连接电路图如图 3 所示.
  图 2  电压值选择及指示模块
  图 2  电压值选择及指示模块
  图 3  继电器连接电路图
  图 3  继电器连接电路图
  
  该方法可以实现电压值的分档可调节,既有稳定的电压值输出又有 LED 指示灯的直观显示,高效方便.
  
  1.3  功率放大电路的实现
  
  该装置采用 IGBT 全桥驱动的方法实现功率的 放 大,功率放大电路中的  IGBT  选 用 2MBI100VA - 060 - 50 模块,耐压值 600 V,最大电流 100A. IGBT 具有电压控制、输入阻抗高、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快和工作频率高等优点.
  图 4 全桥功率放大电路
  图 4 全桥功率放大电路
  
  该装置的全桥功率放大电路图如图 4 所示. CD4013BCM 是触发器 CD4011BCM 是异或门电路. 组成 N /2 分频电路. TLP250 为光耦隔离驱动. IGBT 的开关特性和其安全工作区随着栅极驱动电路的变化而变化的特性要求驱动电路必须有很好的性能. 为了使 IGBT 能稳定安全的工作,IGBT 的驱动电路应该满足以下几点: 第一,栅极驱动电路向 IGBT 提供的正向栅压应该适当. 在 IGBT 导通后,栅极驱动电路提供给 IGBT的驱动电压和电流要有足够的幅度,满足使 IG- BT 的功率输出级总是处在饱和的状态. 当出现瞬时过载现象时,栅极驱动电路提供的驱动功率应该足以保证 IGBT 不退出饱和工作区. 第二,驱动电路满足能向 IGBT 提供足够的反向栅压. 在 IGBT 关断期间,最佳的状态是给处于截止状态的 IGBT 加上一个足够的反向栅压,使 IGBT 在栅极出现开关噪声时仍能保证处于截止状态. 第三,驱动电路应该有栅极电压限幅电路部分,保护栅极不被击穿. 第四,驱动电路要求有足够的输入、输出电隔离的能力. 因为 IGBT 多用于高压场合,所以驱动电路应该与整个控制电路在电位上严格隔离,在隔离电路中,多采用高速光耦合隔离或变压器耦合隔离,该文所设计的功率放大电路采用光耦隔离的方法. 第五,IGBT 的栅极驱动电路要尽可能的使用且简单. 应该有很强的抗干扰能力和 IGBT 的完整保护功能,同时输出阻抗应尽可能的低.
  
  1N4747A 是稳压二极管,组成栅极过压保护电路. 目的是为了在运行过程中,使 IGBT 受到保护以避免其脱离其安全工作区,使 IGBT 的寿命缩短甚至损坏的情况出现. 当 IGBT 发生短路时,集电极会造成 IGBT 栅极电位的抬升,此时栅极过压保护电路就会动作,通过稳压管,将门极电压钳位住,短路电流不至于超过规定的范围.
  
  1N4739A 稳压二极管的参数为 9. 1V、1W,用于提供 0V 以下负电压.
  
  1.4 工作过程描述
  
  为了解决装置多部分需要交流 220V 电源的问题,首先将输入的 220V 电源通过整流滤波,输出多个 220V 供电电压,装置如图 5 所示. 电源经过变压器,变压器抽头的方式输出 2V、4V、6V… 30 V 电压与大功率继电器相连接,通过旋钮开关选择继电器输出电压值并有 LED 指示相应的输出电压档位. 继电器输出的电压,经过电容器的整流滤波作用给 IGBT 供电,STM32 输出四路带死区的方波信号,驱动两组 IGBT 轮流导通,在负载线圈中产生交变的电磁场,带动负载工作. 信号从 30Hz 连续变到 14.3KHz,适用范围广泛且除垢效果良好.
  图 5  供电电源电路图
  图 5  供电电源电路图
  

  2 结束语

  
  该文设计的基于 ARM 信号源的扫频电磁除垢器的功率放大电路具有较好的工作稳定 性. 电路中采用的驱动电路为光耦驱动方式, 保证了 IGBT 稳定安全的工作. 此外栅极过压保护电路使 IGBT 在工作过程中受到保护,原理是避免 IGBT 在工作过程中出现脱离安全工作区的情况,以保证 IGBT 能有较长的使用寿命.

Tags:

标签云