TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT

Átírás

1 MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR TUDOMÁNYOS DIÁKKÖRI DOLGOZAT Villamos ív előállító berendezés tervezése és szimulációja Beleon Krisztián BSc villamosmérnök szakos hallgató Eckl Bence MSc villamosmérnök szakos hallgató Konzulens: Dr. Blága Csaba egyetemi docens Miskolc,

2 Villamos ív előállító berendezés tervezése és szimulációja Design and simulation of electric arc generator device Kézirat lezárása 2

3 Tartalomjegyzék Bevezető Szakirodalom tanulmányozása A villamos ív keletkezése Az ívek fajtái Egyenáramú ív Váltakozó áramú ív A levegő ionizációja során keletkező ív Ív létrehozásához szükséges eszközök Belsőégésű motorok gyújtása Analógia a belsőégésű motor gyújtása és az ívgyújtó berendezés között A villamos ív előállításának módszerei Elektromos kisülés létrehozása piezoelektromos elvvel Periodikus ívkisülések létrehozása transzformátorral A villamos ívet előállító berendezés felépítése és méretezése A transzformátor A transzformátor menetszám áttételének megállapítása méréssel Transzformátor egyéb paramétereinek meghatározása méréssel Transzformátor szimulációs programbeli modellje A vezérlő áramkör elvi felépítése és kapcsolási vázlata A vezérlő áramkör blokk vázlata A nagyfrekvenciás vezérlő kapcsolási rajza, működésének leírása A kisfrekvenciás vezérlő, illesztő áramkör és a megszakítást vezérlő tranzisztor kapcsolása A nagyfeszültséget előállító berendezés áramköri rajza A tervezés visszaigazolása szimulációval

4 4.1 Nagyfrekvenciás vezérlőáramkör működésének szimulációs eredményei A kisfrekvenciás megszakítást vezérlő áramkör működésének szimulációs eredményei Az ívgyújtó berendezés működési jellemzőinek szimulációs eredményei Az ívgyújtó áramkör szimulációs eredményei állandósult állapotban Az ívgyújtó áramkör szimulációs eredményei átmeneti állapotokban Hibaanalízis szimuláció segítségével Gyújtótranszformátor meghibásodásának szimulációja Fordított polaritású megtáplálás szimulációs eredményei Vezérlő elektródák szakadásának hibaanalízise szimulációval Kivitelezés, a szimulációs eredmények visszaigazolása méréssel Összeszerelés, első indítás A létrejött áramkör kapcsolási rajza a változtatásokkal kiegészítve Bekapcsolási állapotok vizsgálata A vezérlő elektródákon lévő jelalakok vizsgálata A nagyfeszültségű oldal működési jellemzői A működés során felvett áram és teljesítmény adatok Vezérlő elektródák szakadása esetén fennálló működési paraméterek Szerkezeti megvalósítás Megfelelő elem kiválasztása, működési idő kiszámítása Konklúzió Az elért eredmények Fejlesztési megfontolások További alkalmazási lehetőségek Irodalomjegyzék

5 BEVEZETŐ A villamos ívvel, mint természeti jelenséggel gyakran találkozhatunk a mindennapokban. Láthatjuk vihar alkalmával villám formájában, egyes élőlények képesek áramütés létrehozására. Az ember számtalan módon alkalmazza, belsőégésű motorban és gázüzemű berendezésekben gyújtásra, ívkohóban és ívkemencében melegítésre, fénycsövekben világításra, a kozmetikában, de még látványelemként is. Nem is gondolnánk milyen sokoldalúan kiaknázhatóak a villamos ív tulajdonságai. A dolgozatban szakirodalom alapján tanulmányozzuk a jelenséget, a villamos ívet. Készítünk egy számítógépes modellt, amely alapján szimulálható a villamos ív létrehozása, és amelynek alapján elkészülhet a berendezés. Ezután elvégezzük az áramkör megépítéséhez szükséges szimulációkat, majd méretezzük a szükséges alkatrészeket. A cél egy eszköz szimulációk és mérések alapján történő optimalizálása, majd megépítése, amely a lehetőségekhez mérten a legkedvezőbb körülmények között ívet hoz létre. A szimulációk készítéséhez a National Instruments Multisim szimulációs programját használjuk. Ez képes valós idejű méréseket szimulálni, valamint lehetővé teszi a rendkívül gyors átmeneti jelenségek vizsgálatát. A munkák során az elkészült eszköz tesztelését is elvégezzük. A tesztelés alatt nem egyszerű működési feltételek vizsgálatára gondolunk, hanem hogyan képes működni a berendezés meghibásodás esetén. A szokványos meghibásodásokon kívül, mint például testzárlat, vagy elektródák elszakadása, leteszteljük az eszközt különféle környezeti behatásokra, és mechanikai sérülésekre. A dolgozat végére várhatóan egy olyan villamos ívet előállító eszköz készül el, amely elsősorban hordozható, szabványos feszültségű telepről működik és illeszthető különböző alkalmazásokhoz. Oktatási szerepe szintén számottevő, nagyfeszültségű laboratóriumi mérésekbe könnyedén integrálható. Segítségével számos természeti jelenség, vagy problémát jelentő hibajelenség szimulálható, hogy azt megértsük, vagy éppen kiküszöböljük. Alkalmazási területeit illetően nagyon rugalmas. Kis teljesítményű ívkisülések létrehozásához bármely alkalmazásban megállja majd a helyét. A munka végén létrejött eszközt szeretnénk felhasználni szigetelésvizsgálatra, valamint ívkisülések demonstrálására. 5

6 1. SZAKIRODALOM TANULMÁNYOZÁSA 1.1 A villamos ív keletkezése A villamos ív a gázkisülések egyik fajtája. Az érintkezők szétválásakor, vagy induktív áram megszakításakor csökken az érintkezők közti nyomás, csökken az érintkező felületek nagysága. Megnő az áramsűrűség. Az érintkezők felmelegednek, megolvadt fémcsepp keletkezik, melynek hőmérséklete nő. A megolvadt fémcsepp elgőzölög, és az ív felgyullad. Az ív két fém elektróda között ég, a pozitív anód és a negatív katód között. Az ív talppontján a magas hőmérséklet hatására a katódból nagymennyiségű töltéshordozó lép ki. Ez a termikus emisszió, ami az ív fenntartásához szükséges elektronokat hozza létre. Az elektronok az érintkezők közti nagy villamos tér hatására felgyorsulnak és az ívoszlopban lévő semleges atomokból ütközési ionizációval pozitív (+) és negatív (-) ionokat hoznak létre. Az ív keletkezésének és fennmaradásának három feltétele van. A termikus emisszió létrejötte, a nagy ívhőmérséklet és az érintkezők közötti nagy villamos térerősség, aminek hatására létrejön az ütközéses ionizáció. A következő ábrán látható az ív oszlopában lévő töltések eloszlása. 1. ábra. Az ívoszlopban lévő töltések eloszlása és az ívfeszültség változása a távolság függvényében [1] A katódesés az a feszültségkülönbség, amely a katód elektródánál jön létre. Értéke azért nagyobb az anódesésénél, mert a nagy tömegű ionok kiegyenlítődéséhez több idő kell, mint a kis tömegű töltések kiegyenlítődéséhez. Az ívesés az ívoszlopban lévő feszültségesés, ami a kis és nagy tömegű töltések áramlása miatt jön létre. 6

7 1.2 Az ívek fajtái Az íven átfolyó áram jellege szempontjából két különböző ívtípust különböztetünk meg. Az egyik az egyenáramú ív, a másik a váltakozó áramú ív. A két különböző típusú áram által létrehozott ívet minden esetben külön tárgyaljuk Egyenáramú ív U ív U L U R UL U Rt 2. ábra. Tekercset tartalmazó áramkör kapcsolási vázlata érintkező nyitásakor Egy induktivitást tartalmazó áramkör helyettesítő kapcsolási rajza látható az ábrán. Az áramkör kapcsolójának kikapcsolásakor az érintkezők között villamos ív jön létre és U ív feszültség mérhető. A kapcsoló megszakítása előtt az áramkör állandósult állapotában volt. A bekapcsolást követő tranziensek már lezajlottak. A kapcsoló nyitásakor az érintkezők között ív keletkezik. Kirchoff II. törvényét felírva az ív feszültsége az alábbi differenciálegyenlet szerint alakul. U T = U ív + U L + U R + U Rt = U ív + L di dt + ir + ir t (1) U T a tápfeszültség értéke, U ív az ívfeszültség, U L az induktivitás feszültsége, U R az ellenálláson eső feszültség, U Rt a terhelésen eső feszültség. A di/dt az áram nagyságának változását adja meg. 7

8 1.2.2 Váltakozó áramú ív Az U T, U ív és az I áram periodikus lefolyását láthatjuk a következő ábrán. t t 3. ábra. Váltakozó áramú ív áramának időfüggvénye kialváskor és újragyulladáskor (vízszintes tengely t idő, függőleges tengely U feszültség) [1] Az ábra jelölései között szerepel a villamos ív dinamikus jelleggörbéjéből ismert U gy gyújtási és U a kialvási feszültség. Hatásos terhelés esetén az áram a feszültséggel fázisban van. A villamos ív akkor jön létre, amikor az U T feszültség eléri és nagyobb lesz az U gy gyújtási feszültség értékénél. A létrejövő íváram követi az U T változását egészen addig, amíg az U a kialvási feszültség értékre, ill. az alá csökken. Ekkor az ív kialszik és csak néhány ezredmásodperc eltelte után gyullad újra. A váltakozó áramú ív minden periódusban kétszer kialszik, és ismét újragyullad A levegő ionizációja során keletkező ív A gyakorlati alkalmazásokban leggyakrabban keletkező ívtípus, rendszerint valamilyen alkalmazás működési elve teszi szükségessé az ív létrehozását. Lényege, hogy két érintkező közötti potenciál különbség olyan mértékben megnő, hogy töltéshordozók felszaporodnak az elektródák csúcsain. A villamos térerősség nagymértékben megnő, és a gáz ionizálódik. A keletkezett pozitív ionok a katód felé, a negatív ionok az anód felé gyorsulnak. Mozgás közben még több ion keletkezést váltják ki. Az így kialakuló láncreakcióban a töltéshordozók száma rendkívüli mértékben megnő és nagy mennyiségű töltés halad át a gázon. A szikrakisülés során hallható sercegő hang az ionizált gáz gyors tágulása miatt hallható. Hasonlóképp írható le a villámcsapás folyamata. Berendezésünkben ezt az ívtípust alkalmazzuk. 8

9 1.3 Ív létrehozásához szükséges eszközök A legtöbb olyan berendezés, amely képes ívet előállítani valamilyen nagyfeszültségű áramkört tartalmaz. Fontos tehát kijelenteni, hogy az ilyen eszközök veszélyesek az egészségünkre, sőt sokszor az életünkre. Villamos ívet öngyújtókban, ívlámpákban, gépjármű gyújtásban, valamint önvédelmi alkalmazásokban is használunk. Az általunk létrehozni kívánt ív tárgyalásához nézzük a belsőégésű motorokban használt gyújtási eljárást, mivel anyagi korlátaink miatt egy belső égésű motor gyújtótranszformátorát alkalmazzuk Belsőégésű motorok gyújtása A hagyományos gyújtórendszereknél az energia tárolásáról egy gyújtótranszformátor gondoskodik, amely lemezelt vasmagból áll. A menetszámát tekintve a szekunder oldalon kb ezer menet a primer oldalon menet található gyártótól és gépkocsitól függően. A következő ábrán egy gépjármű gyújtóegysége látható. 4. ábra. Belső égésű motor gyújtásának elvi kapcsolási rajza [1] A kapcsoláson látható 5 jelzéssel a gyújtótranszformátor, amellyel a nagyfeszültséget állítjuk elő. A nagyfeszültség előállítása a mágneses mező gyors változásával történik. Ahhoz hogy a mezőt gyorsan változtathassuk, egy kapcsolóra (7) van szükség, ami megszakítja a primer áramot, ezzel létrehozva az indukált feszültséget a primer oldalon (L1). Ennek a feszültségnek a százszorosa jelenik meg a szekunder oldalon (L2) a menetszám áttételből adódóan. A nagyfeszültség hatására a szikraközökben (9), villamos 9

10 ív keletkezik, ami a hengerekben lévő üzemanyag levegő keverékét begyújtja és létre jön az égés. A kapcsoláson jelzett kondenzátor az érintkezők beégését igyekszik megakadályozni, és biztosítja az áram megszakításának megfelelő meredekségét Analógia a belsőégésű motor gyújtása és az ívgyújtó berendezés között Az általunk tervezett ívgyújtó hasonló elven alapul, mint a gépjármű gyújtás. Nagyfeszültség előállításához a fent tárgyalt elvet alkalmazzuk, ugyancsak egy gyújtótranszformátorral. Azonban a trafót vezérlő áramkör felépítése részleteiben más, mint a gépjármű gyújtásáé. A gyújtás jellege állítható. A gyújtófeszültség és az íváram szabályozható és a szikraköz is más jellegű, mint egy egyszerű gyújtógyertya. A berendezés részletesen azonban csak később kerül ismertetésre. 10

11 2. A VILLAMOS ÍV ELŐÁLLÍTÁSÁNAK MÓDSZEREI Az ív vagy szikrakisülés létrehozásához többféle módszer ismert a szakirodalomban. A következőkben ezeket tárgyaljuk. 2.1 Elektromos kisülés létrehozása piezoelektromos elvvel A piezoelektromosság olyan elektromos jelenség, melynek során, bizonyos anyagokon (kristály, kerámia) összenyomás hatására elektromos feszültség keletkezik, illetve elektromos feszültség hatására alakváltozás jön létre. Az egyik leggyakrabban alkalmazott kristály a kvarc, mely hexagonális rendszerben kristályosodik, és a rácspontokban pozitív és negatív ionok helyezkednek el felváltva. Egy ilyen kristályt két fémlap közé helyezve, majd összenyomva azt, a fémlemezek töltöttekké válnak, amivel elektromos szikrát lehet gerjeszteni. Az öngyújtókban található gyújtóberendezés ezen az elven működik. Ennek a szikrának a nagyságát meghatározza a felületeket összenyomó erő, és a kvarc kristály bizonyos paraméterei. A szikrának ez a fajtája azonban nem elég nagy energiájú, és vezérlését illetően komplikáltabb, mint az általunk kigondolt eszköz. [2] 2.2 Periodikus ívkisülések létrehozása transzformátorral Valamilyen primer váltakozó feszültség hatására, a szekunder oldalon arányosan nagyobb váltakozó feszültség jelenik meg. Speciális transzformátorok lehetővé teszik, hogy több 10 kv nagyságrendű feszültség is megjelenhet a szekunder oldalon. Ilyen transzformátort használunk mi is. Ennek a transzformátornak a szekunder tekercselése nagyobb mértékben szigetelt a primer oldalhoz képest, annyira hogy 15 kv feszültséget is képes elviselni. Itt azonban a legkisebb zárlat is a transzformátor végleges károsodását okozhatja, ezért gondosan ügyelni kell milyen terhelést teszünk a kimenetére. Az ív előállításának a menete tehát a következő. Veszünk egy stabil tápfeszültségű feszültségforrást, például egy 9 V feszültségű alkáli elemet hogy könnyen beszerezhető legyen, majd ezt a feszültséget a kellő értékre alakítjuk. Ezután a már közel 100 V körüli feszültséget egy teljesítménytranzisztorral szaggatjuk. A tranzisztor kollektora és a tápfeszültség közé a gyújtótranszformátor primer tekercsét csatlakoztatjuk. Az elvi felépítést a következő ábra szemlélteti. 11

12 5. ábra. Ívkisülést létrehozó berendezés elvi kapcsolási rajza A szekunder oldal kapcsait egy szikraköznek megfelelő anyagú eszközhöz illesztjük, és elegendően nagy feszültség elérésekor ívkisülés jön létre. Ezt az elvet tovább gondolva igyekszünk megvalósítani egy egyszerű, szabályozható, biztonságos áramkört, amelyet oktatási és kutatási célokra felhasználhatunk. 12

13 3. A VILLAMOS ÍVET ELŐÁLLÍTÓ BERENDEZÉS FELÉPÍTÉSE ÉS MÉRETEZÉSE 3.1 A transzformátor Az előző fejezetben már formát öltött elvi kapcsolás, amely képes lehet nagyfeszültség előállítására, valamint ideális körülmények között szikra létrehozására is. Ebben a fejezetben az áramkör kivitelezésével kapcsolatos ötletekről és méretezési eljárásokról lesz szó, valamint a későbbi szimulációkhoz szükséges paraméterek meghatározásáról A transzformátor menetszám áttételének megállapítása méréssel Kutatási projektről van szó, ezért költséghatékony döntések meghozása szükséges. Az Elektrotechnikai-Elektronikai Intézeti Tanszék birtokában lévő gyújtótranszformátort használjuk a későbbiekben nagyfeszültség előállítására. Ahhoz, hogy tudjuk, milyen áramkört illeszthetünk a primer oldalra, valamint milyen paraméterekkel rendelkezik a transzformátor, méréseket kell végeznünk. Az első ilyen mérés a menetszám áttétel meghatározása. Köztudott hogy a transzformátor tekercselése két részből áll. Egy primer és egy szekunder tekercselésből. A mi esetünkben használt transzformátor speciális, a primer és a szekunder tekercs egy-egy kivezetése össze van kötve. Azonban így is meghatározható egy menetszám áttétel, a következő összefüggés alapján. N 2 N 1 = a 21 Ahol N 2 a szekunder tekercs menetszáma, N 1 a primer tekercsé, valamint a 21 a szekunder oldalra vonatkoztatott menetszám áttétel. Esetünkben ismeretlen mindkét menetszám, de az áttétel meghatározható a primer és szekunder feszültségek hányadosából is. U 2 U 1 = a 21 Ahol U 1 primer feszültség hatására, U 2 szekunder feszültség mérhető. A kettő hányadosa a mentszám áttétel. A méréshez szükséges volt egy függvénygenerátor és egy oszcilloszkóp, valamint maga a trafó. A mérési összeállítás a következő ábrán látható. (2) (3) 13

14 6. ábra. Transzformátor optimális átvitelének meghatározásához szükséges mérés összeállítása Amint az ábrából kiderül, egy függvénygenerátorral váltakozó feszültségű jelet adunk a transzformátor bemenetére, majd oszcilloszkóppal vizsgáljuk a transzformátor szekunder kivezetését. A mérés során megállapítjuk, hogy melyik frekvencián van az áttétel maximuma, és hogy itt mekkora az áttétel értéke. A mérés rövid összefoglalója a következő táblázatban jelenik meg. 1. táblázat. Transzformátor optimális átviteli mérésének összefoglalója Frekvencia [Hz] Szekunder feszültség jelalakja Négyszög [V] 8 8 7,9 7,9 7,8 7,75 7,5 7,3 6,8 6,2 Szinusz [V] 1 1,8 2,6 3,2 3,6 4 4,2 4,3 4,6 4,7 Háromszög [V] 0,62 1,5 1,9 2,3 2,9 3,3 3,7 3,8 4 4,1 A mérés során a primer feszültség csúcsértéke 100 mv értékű volt, valamint a táblázatban megjelenített összes érték csúcsérték. Így jól látszik, hogy a primer tekercsre kapcsolt négyszögjel hatására lesz a legnagyobb az áttétel, mégpedig a Hz tartományban. Így tehát a primer tekercset Hz közötti négyszögjellel kell gerjeszteni, vagyis erre megfelelő áramkört kell építeni. Lássuk most a transzformátor áttételét különböző gerjesztő jelek esetén a frekvencia függvényében. 14

15 Szekunder feszültség - frekvencia karakterisztika 9 V 8 V 7 V 6 V 5 V 4 V 3 V 2 V 1 V 0 V Négyszög jel Szinusz [V] Háromszög [V] 7. ábra. Transzformátor szekunder feszültsége a frekvencia függvényében A diagramból jól látszik, hogy a legmegfelelőbb a négyszög alakú gerjesztő jel alkalmazása. Alacsony frekvencián az áttétel itt a legnagyobb, nyolcvanszorosa a szekunder feszültség a primer feszültségnek Transzformátor egyéb paramétereinek meghatározása méréssel A továbbiakban szükség van a transzformátor primer és szekunder jellemzőire is. Ez azért szükséges, hogy szimuláció segítségével a lehető legoptimálisabb megoldást válasszuk az alkatrészek méretezése, és az áramkör elkészítése során. A következő paraméterekre lesz szükségünk. Primer tekercs induktivitása, primer tekercs ellenállása, és ugyanezek a szekunder oldalon is. Méréssel határoztuk meg ezeket az értékeket az alábbi módon. A mérés szempontjából mind a primer mind a szekunder oldalt külön választottuk. Az elv az, hogy ha egy egységugrást adunk egy adott sorosan kapcsolt ellenállás-induktivitás áramkörre, akkor az egy meghatározott időállandóval fog beállni az állandósult állapotára. Ha ismert az ellenállás, és a bekapcsolási időállandó (továbbiakban τ), meghatározható az áramkör induktivitása. U L (t) = U 0 ε(t) e t τ (4) U L (t) a tekercs feszültségének időfüggvénye, U 0 a gerjesztő impulzus amplitúdója, ε(t) a gerjesztő jel időfüggvénye és τ az áramkör bekapcsolási időállandója. Ha az áramkör csak egy ellenállást és induktivitást tartalmaz, akkor ez az időállandó egyenlő L/R-el, ahol L az 15

16 áramkör induktivitása, és R a vele sorba kapcsolt ellenállás. A következő ábrán a mérési összeállítás látható. 8. ábra. Transzformátor primer induktivitásának mérési vázlata A mérő ellenállás értéke 1 kω, a tekercs induktivitása pedig ismeretlen. A mérőellenállás a bekapcsolási időállandó vizsgálatához szükséges. Ezzel tudjuk beállítani az időállandót a megfelelő mértékűre, hogy nagy pontossággal vizsgálható legyen. Az oszcilloszkóp képernyőjéről leolvasva 12 µs-os időállandót állapítottunk meg. Ha ebből kifejezzük az induktivitás értékét 12 mh-t kapunk. A tekercs ellenállását digitális multiméterrel határoztuk meg, ami 4,1 Ω. A szekunder induktivitás meghatározása hasonlóképp zajlott, azonban egy jelentős különbség van. Egyrészt a szekunder ellenállás olyan nagy, hogy a bekapcsolási feszültség-idő függvény jelalakja egészen más, mint a primer oldalon. Másrészt az ellenállás értéke nem elhanyagolható a bekapcsolás szempontjából, így ezt mértük meg először. A szekunder tekercs ellenállása 7815 Ω. A mérési módszer egyáltalán nem változott. Itt az 1 kω-os ellenállás elhagyható az áramkörből. Ebben az esetben is az időállandóból határozzuk meg az induktivitást. Az oszcilloszkópról leolvasva τ értéke 3,5 ms. Így az induktivitás értéke a fentebb említett összefüggésből 27,35 H. A következő táblázatban láthatók a transzformátor szignifikáns paraméterei. 2. táblázat. A transzformátor villamos paraméterei Transzformátor paraméterei a MAX R 1 L 1 R 2 L ,1 Ohm 12 mh 7815 Ohm 27,35 H A paraméterek meghatározása után definiálhatunk egy modellt, ami használható szimulációs programokban. A továbbiakban a Multisim szimulációs programot használjuk a tervezési és szimulációs feladatokhoz. 16

17 3.1.3 Transzformátor szimulációs programbeli modellje Ahhoz, hogy a későbbiekben az általunk alkotott modell helytálló legyen, ellenőriznünk kell a mérési és a szimulációs eredmények egyezését. Ha a mérés során tapasztalt eredmények egyeznek a szimulált eredményekkel, akkor a megalkotott modell helytálló, további munkára alkalmas. A felépítését illetően a szimulációs modellben csatolt tekercseket használunk a jobb paraméter beállítás érdekében. Az előzőekben megkapott értékek alapján a transzformátor modellje a következő. 9. ábra. A szimulációkhoz szükséges transzformátormodell kapcsolási vázlata A transzformátor primer tekercsének paramétereit írja le R 1 és L 1, a szekunder tekercsét pedig R 2 és L 2. Ezeket az értékeket a mérési eredmények alapján adtuk meg. Nagyon fontos figyelembe venni, hogy a tekercsek ellenállása megváltozik, ha a frekvencia nagymértékben megváltozik. A fent említett ellenállás értékek az egyenáramú ellenállást adják meg. Ennélfogva 300 Hz frekvencián az adott induktivitású tekercs frekvenciafüggését figyelembe kell venni. A következő összefüggéssel számolva juthatunk helyes eredményre. A tekercs induktív reaktanciája X L, ez az érték a körfrekvenciától (ω) és az induktivitástól (L) függ, a következő módon. X L = ω L (5) Az így adódott ellenállást sorosan vesszük figyelembe a tekerccsel. Ez a korrekció a primer és a szekunder oldalra egyaránt vonatkozik. Ha az elmélet és a matematika nem csal a modellünk helytálló. Elsőként nézzünk egy mérést, melynek során 300 Hz frekvenciájú, 100 mv csúcsértékű négyszögjelet kapcsolunk a transzformátor primer tekercseire. Az eredmény az oszcilloszkóp kijelzőjéről leolvasható. 17

18 10. ábra. A szekunder feszültség-idő függvénye (függőleges osztás 2 V) A feszültség csúcsértéke 7,92 V. Most nézzük a szimuláció eredményét. 11. ábra. A szekunder feszültség-idő függvénye (függőleges osztás 5 V) A csúcsérték a képről nehezen, de leolvasható. 8,067 V. Eszerint az eredmény közel megegyezik a mérési eredményekkel. Tovább folytatva a verifikációt, a transzformátor 18

19 bemenetére 100 mv csúcsértékű szinusz jelet kapcsolunk. A szekunder feszültség-idő függvény a következő ábrán látható. 12. ábra. A szekunder feszültség-idő függvény (függőleges osztás 2 V) Az oszcilloszkóp kijelzőjéről leolvasható, hogy a feszültség csúcsértéke 2,7 V értékű. A szimuláció eredménye a következő. 13. ábra. Szekunder feszültség-idő függvény (függőleges osztás 2 V) 19

20 A szimuláció ugyancsak visszaigazolt a transzformátor modell helyességét. Az utolsó verifikációs lépés, hogy háromszög jelet a bemenetre adva, mit ad a transzformátor a kimenetén. A háromszög jel 100 mv csúcsértékű és 300 Hz frekvenciájú. 14. ábra. Szekunder feszültség-idő függvény (függőleges osztás 2 V) A szekunder feszültség csúcs értéke 1,9 V. A szimulációs program által számolt eredmény a következő. 15. ábra. A szekunder feszültség idő függvénye (függőleges osztás 2 V) A program által számolt csúcsérték 1,964 V, ez megközelítőleg ott van ahol a valós eredmény. Azonban ebben az eredményben a jel alakjában van némi különbség. Úgy 20

21 véljük, ez a transzformátor nem lineáris jellegéből adódik. Mivel a vasmag nem lineárisan mágneseződik, ezért a valóságban mért jelalak kismértékben eltér a szimulált jelalaktól. A szimulációk során, a vasmag nemlineáris mágneseződését, el fogjuk hanyagolni. 3.2 A vezérlő áramkör elvi felépítése és kapcsolási vázlata A nagyfeszültségű szikra előállításához és biztonságos kezeléséhez szükséges volt egy vezérlő áramkör megtervezése. A tervezési szempontok során figyelembe vettük, a már fentebb említett transzformátor paramétereit (maximális szekunder feszültség, ellenállások induktivitások). Annak érdekében, hogy jól átlátható legyen a rendszerünk működése, részletesen ismertetünk minden működési egységet A vezérlő áramkör blokk vázlata Az első fejezetben említettek alapján egy olyan áramkörre volt szükségünk, amely képes a gyors áramváltozást kezelni. Először a transzformátorban felépítünk egy mágneses mezőt, majd ezt minél gyorsabban megszakítjuk, annál nagyobb lesz az indukált feszültség. Ez a primer és a szekunder oldalra egyaránt vonatkozik. Másodsorban megfelelő mágneses mező létrejöttéhez megfelelő nagyságú feszültségre és áramra van szükségünk. A feszültségbeli korlátok a legnagyobb jó indulattal sem mondhatók rugalmasnak, ugyanis egy telepről szeretnénk működtetni az ívhúzó áramkört. Ebből adódóan szükség volt egy ún. DC/DC átalakítóra, ami a 9 V feszültségű alkáli elemből V körüli értéket állít elő. Majd ezt a feszültséget megfelelő szaggató-vezérlő áramkörökkel úgy meg kell szakítani, hogy a transzformátorban keletkezett mágneses mező a lehető leggyorsabban változzon. Ilyen kritériumok alapján fogalmazódott meg a 16. ábrán látható elvi felépítés. 21

22 16. ábra. A vezérlő áramkör elvi felépítése Amint látható, egy kissé bonyolultabb az elrendezés, mint a klasszikus gyújtóáramkör kapcsolás a gépjárművekben, azonban remélhetőleg nagyobb szikra előállítására lesz képes a berendezés. Elsőként a két különböző frekvenciájú vezérlő szorul némi magyarázatra. A nagyfrekvenciás vezérlést, a tervezett DC/DC átalakító teszi szükségessé. Általánosan az ilyen jellegű átalakítók nagy frekvenciát (10 khz feletti) igényelnek, ugyanis kisebb frekvencián az azt felépítő elemek mérete túlságosan nagy lenne. Úgy is mondhatnánk, minél kisebb a frekvencia annál nagyobb dobozra van szükség. A kisfrekvenciás vezérlő 300 Hz frekvenciájú négyszög alakú jelet állít elő, amellyel a transzformátor primer tekercsével sorba kötött tranzisztort vezéreljük. Illesztő áramkörre azért van szükség, hogy a tranzisztor bázis áramát a megfelelő értékre állítsuk be, ezzel biztosítva az ideális munkapontot. Az ábra jobb oldalán elhelyezkedő háromszögek szimbolizálják a csúcsokat és közöttük lévő szikraközt, ahol a nagyfeszültségű impulzusok hatására az energia szikra formájában kisül. A továbbiakban az összetett blokkokat egyenként tárgyaljuk A nagyfrekvenciás vezérlő kapcsolási rajza, működésének leírása Az áramkör központi részét egy 555-ös analóg időzítő áramkör képezi, amelynek a villamos paramétereit úgy kell beállítani, hogy 10 khz frekvenciájú négyszög alakú feszültséget állítson elő a kimenetén. Ezt a feszültséget, illeszteni kell, az egyenfeszültségű 22

23 átalakító kapcsoló tranzisztorához (magyarázat később), amelyet szintén megfelelően kell méretezni. Nézzük tehát a 17. ábrán látható kapcsolási rajzot. 17. ábra. A 10 khz frekvenciájú időzítő áramkör kapcsolási rajza A kapcsolási rajzon a már méretezett ellenállás és kapacitás értékek láthatók. A méretezés a gyártó által biztosított dokumentumok segítségével történt, ugyancsak ezek segítségével határoztuk meg a kimenő jel frekvenciáját. Az így létrejött áramkör OUT lábán, a 10 khz frekvencia előállt. A kimeneten ugyancsak fontos paraméter az áram. Az időzítő kimenetének maximális terhelhetősége folyamatosan 10 ma. Ezt az áramot nem szabad meghaladnunk, de a tranzisztor vezérléséhez sem szabad akármilyen kis áramot megengedni. Ezért egy 1 kω-os ellenállással beállítható a tranzisztorunk vezérlő árama. Tovább haladva nézzük meg, hogyan vezérli ez az áramkör az egyenfeszültségű átalakítót. A kapcsolási rajz a következő ábrán található. 23

24 18. ábra. A DC/DC átalakító kapcsolási rajza Az előző kapcsolást kiegészítve egy pár alkatrésszel, kapunk egy ún. BOOST konvertert, ami a bemenetére adott feszültségből a kimenetén nagyobb feszültséget állít elő. A működés elvét most nem tárgyalnánk, inkább a méretezés és az alkatrészek megválasztásáról ejtsünk pár szót. Az induktivitás maximális feszültsége 200 V, ellenállása 0,71 Ω. Ennél nagyobb feszültség nem veheti igénybe a tekercset. Az azt követő speciális (Schottky) dióda, 200 V maximális záró irányú feszültséget képes elviselni, maximális megengedett árama 2 A. A kondenzátor egyszerű fólia kondenzátor maximális feszültsége 400 V. Ezen az elemen fog megjelenni a gyújtáshoz szükséges primer feszültség A kisfrekvenciás vezérlő, illesztő áramkör és a megszakítást vezérlő tranzisztor kapcsolása Az alacsonyabb frekvencia előállítása ugyancsak kulcsfontosságú. Ennek értékét igyekeztünk úgy megállapítani, hogy valahol a frekvencia átviteli karakterisztika középső tartományában legyen négyszög alakú vezérlőjel esetén. Az általunk megválasztott frekvencia 350 Hz. A választásnak több oka is volt. Az első, hogy a transzformátort megvédjük a túl magas szekunder feszültségtől, még ha a primer oldalon el is érjük a maximális megengedett értéket. A második inkább kutatási, mint műszaki jellegű. Ez az alacsony frekvencia, akár olcsóbb nagysebességű kamerával is követhető eseményeket produkál, így ha szeretnénk pontosabb információt egy szikra keletkezéséről, elegendő egy olcsóbb nagysebességű kamerát beszereznünk. Nézzük tehát a 350 Hz frekvenciájú megszakítás vezérlő felépítését. 24

25 19. ábra. Kisfrekvenciás megszakítás vezérlő kapcsolási rajza Amint látható, itt is egy 555-ös időzítővel állítjuk elő a 350 Hz-es négyszög alakú jelet, azonban az illesztett ellenállások és kondenzátorok értéke jóval másabb. A kimenetén itt is BD241C típusú tranzisztor van, ez azonban csak egy illesztést végez. Ez a tranzisztor biztosítja a megszakító tranzisztor bázisáramát, a helyes munkapontban való működéshez. Most hogy az alapvető építőelemeket bemutattuk, következzen a nagyfeszültséget előállító áramkör teljes egészében. 25

26 3.2.4 A nagyfeszültséget előállító berendezés áramköri rajza 20. ábra. A tervezett áramkör kapcsolási rajza Ahogy az eddigi rajzok, ez is magyarázatra szorul. Látható, hogy a transzformátor egy 1 kω-os ellenálláson keresztül csatlakozik a tápvonalhoz. Ez az ellenállás állítja be a mágneses mező felépüléséhez szükséges áramot. Ha úgy tetszik, az itt folyó áram megszakításával jön majd létre az indukált feszültség, ami majd a szekunder oldalon a szikrát létrehozza. Éppen ennek korlátozására alakítottuk ki a primer tekerccsel párhuzamosan kapcsolt szabályozó kört. Lényegében, ha az áram kikapcsolását követően létre jön az indukált feszültség, az itt lévő áramkör szabályozza ennek a nagyságát. Az 50 kω-os potenciométer segítségével lesz beállítható az indukált feszültség nagysága. A szélsőségeket nézve, ha nagyon nagy szikrát szeretnénk a potenciométert 100% értékre kell állítani. Az elv a következő: Az indukált feszültség létrejöttekor, az ellenpárhuzamosan kapcsolt dióda kinyit, és vezetés állapotba kerül. Azt hogy milyen nagy áramot vezessen, a fent említett potenciométerrel tudjuk beállítani. Ha az áram relatíve nagy, a szekunder oldali feszültség kicsi lesz (3-4 kv). Azonban ha az áram nagyon kicsi, az indukált feszültség a szekunder oldalon nagyon nagy lesz (12-15 kv). A megszakítást az MJE15032G típusú teljesítménytranzisztor végzi. A tápvonalon, 26

27 elhelyezkedő lomha olvadó biztosító 2 A áramerősség esetén olvad ki, ezzel megvédve az áramkör többi elemét. Összességében az áramkör felépítése csak minimálisan összetettebb, mint a klasszikus gyújtóáramköröké. Remélhetőleg ezzel a vezérlési eljárással megfelelő nagyságú feszültséget érhetünk el a szikra létrehozásához. 27

28 4. A TERVEZÉS VISSZAIGAZOLÁSA SZIMULÁCIÓVAL 4.1 Nagyfrekvenciás vezérlőáramkör működésének szimulációs eredményei A kritikus szempontokból kell megvizsgálnunk az áramkör viselkedését. Ilyen kritikus paraméterek például a kimeneti feszültség, frekvencia, és áram. E három paraméter ismeretében viszonylag jól meghatározható, hogy az általunk tervezett eszköz helyesen működik vagy sem. Először nézzük a vezérlő kimenetén lévő jelalakot. 21. ábra. A nagyfrekvenciás vezérlő kimenetén lévő jelalak Az ábráról jól leolvasható, hogy a periódusidő 107 µs, a feszültség amplitúdója pedig 9 V. A periódus időből kiszámítható a frekvencia, ami 9400 Hz-re adódik. Ez közel 10 khz. A vezérlés szempontjából nem égetően fontos hogy pontos legyen az érték, azonban ha az 28

29 alkalmazás szükségessé teszi később a megépítés során módosítunk az alkatrészeken. Most nézzük az egyéb áramköri jellemzőket. A kapcsolási rajzon elhelyezett szondák kijelzőiről leolvashatók az adott pontban jellemző paraméterek. 22. ábra. Az áramkör munkaponti jellemzői állandósul állapot esetén A PROBE1 az időzítő kimenetén lévő adatokat jeleníti meg, a PROBE2 a DC/DC átalakító tranzisztorának munkaponti értékeit jeleníti meg. Az ábrán jól látszik, hogy a 3. fejezetben megfogalmazott maximum értékeket nem haladja meg egyik érték sem. Így a szimuláció szerint az áramkör stabilan működhet a fent megadott paraméterekkel. A továbbiakban vizsgáljuk meg a DC/DC átalakító kimenetét. Szimulációval határozzuk meg a maximális kimeneti feszültséget, üres járási, és névleges terheléssel. 29

30 23. ábra. A DC/DC átalakító kimenete bekapcsolás után terhelésmentes üzemállapotban 24. ábra. A DC/DC átalakító kimenete állandósult terhelésmentes üzemállapotban 30

31 25. ábra. A DC/DC átalakító kimenete bekapcsolás után terhelt állapotban 26. ábra. A DC/DC átalakító állandósult terhelt állapotban 31

32 A fent említett szimulációs eredményeket kiértékelve arra jutottunk, hogy az átalakító a célnak megfelel, a kivitelezésre alkalmas. Az utolsó eredmény elgondolkodtatott, hogy érdemes-e növelni az átalakító kimenetén lévő kondenzátor kapacitását vagy sem. Erre a kérdésre a választ majd a gyakorlatban megvalósított áramkör adja meg. 4.2 A kisfrekvenciás megszakítást vezérlő áramkör működésének szimulációs eredményei Hasonlóképp, mint az előzőekben itt is megvizsgáltuk a munkaponti paramétereket, állandósult és tranziens állapotokban. A frekvenciát és a megfelelő jelalakok meglétét ellenőriztük és az áram és feszültség jellemzőket egyaránt meghatároztuk. 27. ábra. A kisfrekvenciás megszakítást vezérlő kapcsolás kimenetén lévő jelalak Az ábrán jól látszik, hogy a maximális feszültség 9 V, a frekvencia pedig 350 Hz. A kitöltési tényező áram megszakítási szempontokból ilyen nagy. Ez alapján a vezérlő jel alapján a tranzisztor hosszabb ideig vezet, mint megszakít. Most nézzük a vezérlő tranzisztor kollektor emitter feszültségét az idő függvényében. 32

33 28. ábra. A megszakítást végző tranzisztor kollektor-emitter feszültségének időfüggvénye A fenti ábráról leolvasható, hogy a tranzisztort maximálisan 130 V feszültség veszi igénybe. Ez bőven 250 V alatt van ezért a kiválasztott tranzisztor megfelelő a feladatra. Ez az érték azonban úgy nő, ahogy növeljük az indukált feszültségét. Tehát nézzük most meg mekkora lesz a kollektor-emitter feszültség, maximális indukált feszültség esetén. 29. ábra. A teljesítménytranzisztor kollektor-emitter feszültsége az idő függvényében 33

34 Máris egy hatalmas hibára lettünk figyelmesek. A feszültség csúcsértéke 385 V. Igaz ez nagyon rövid ideig tart, de ennek ellenére ki kell alakítanunk valami védelmet. Védelmi eszközként használtunk egy párhuzamos RC tagot, melynek lényege a következő. Az indukált feszültségcsúcs levágására szolgál a kondenzátor, és azért hogy ez az energia biztonságban átalakuljon egy ellenállás kapcsolunk párhuzamosan. Az alkatrészek méretezését az indukált feszültségcsúcs frekvenciájából származtattuk. Ez a frekvencia, megegyezik az RC tag időállandójának reciprokával. Csak ebben az esetben fog hatékonyan működni az indukált feszültség elvezető. Viszont annak érdekében, hogy ezt a csúcsot ne vágja le teljesen az RC tagot egy kissé elhangoljuk az ideálistól, és ezzel beállítjuk az indukált feszültség maximumát a megengedett érték alá. A következő ábrákon látható a módosított kapcsolás és az azon elvégzett szimuláció. 30. ábra. Az ívkisülést előállító berendezés módosított kapcsolási rajza Egy apró módosítás látható az MJE15032G típusú tranzisztor kimenetén. Párhuzamosan kapcsoltunk vele egy párhuzamos RC tagot, ami gondoskodik az indukált feszültség korlátozásáról. Amennyiben nagyobb feszültségű tranzisztort tennénk ide, az indukált feszültséget nem kellene lekorlátozni. De mivel a transzformátor átütési szilárdsága véges, így ez a megoldás feltétlenül szükséges. A következőkben tekintsük meg a szimulációs eredményeket, maximális kivezérlés esetén. 34

35 31. ábra. Az indukált feszültség maximuma a párhuzamos RC tag alkalmazásával A szimuláció szerint a maximális feszültség 184,83 V, ami a tranzisztor biztonságos működési tartományán belül van. Valószínűleg a kivitelezés során még számos ilyen jellegű problémát kell megoldanunk, ezért a továbbiakban is maximális odafigyeléssel végeztük a feladatunkat. 4.3 Az ívgyújtó berendezés működési jellemzőinek szimulációs eredményei Az ívgyújtó áramkör szimulációs eredményei állandósult állapotban A továbbiakban ismertetjük a fontosabb, működés során fennálló paramétereket. Szimuláljuk azokat a hibalehetőségeket, amelyek a működés során bekövetkezhetnek és ezek megakadályozására különböző alternatívákat mutatunk be. Elsőként a működés során fennálló áram és feszültségviszonyokat ismertetjük ideális esetben. A szimuláció során állandósult állapot jellemzőit tárgyaljuk, a bekapcsolási valamint kikapcsolási tranziensek 35

36 esetére a fejezet későbbi részében térünk ki. A következő ábrán láthatók a szimulációs eredmények az áramkör különböző pontjaiban. 32. ábra. A teljes áramkör működési jellemzői A tápfeszültség felől haladva nézzük az egyes szimulációs pontokat. A tápfeszültség 9V, ebben az esetben az áramkör eredő áramfelvétele 446 ma. Az egyes vezérlők kimenetein lévő áramok, amelyek egyben a tranzisztorok bázisáramai 6,75 ma és 7,26 ma. Ezek nem haladják meg a vezérlők maximális kimeneti értéket, tehát az eredmény megfelelő. A transzformátor tápvonalán lévő maximális feszültség 187 V (csúcsérték), az itt folyó áram pedig 2,11 ma. A megszakító tranzisztor bázisárama 20,3 ma. Ezek a működési adatok megfelelnek az általunk vártaknak, ezért további szimulációkat végzünk Az ívgyújtó áramkör szimulációs eredményei átmeneti állapotokban Elsőként tekintsük a bekapcsolás szempontjából legfontosabb, bekapcsolási áram tranziensét. A bemeneten elhelyezett puffer kondenzátor miatt, a bekapcsolás során több amper áram is folyhat néhány ezredmásodpercig. Ezért fontos, hogy meghatározzuk a bekapcsolási áramlökést. 36

37 33. ábra. A bekapcsolási áram maximuma az idő függvényében A szimuláció a következő módon zajlott. Egy nagyon kis értékű (10 mω) ellenállást kötöttünk sorba a tápvonallal, majd az ezen eső feszültséget figyeltük az idő függvényében. A maximális feszültség értéke 772 mv, ami azt jelenti, hogy a bekapcsolás után 10 µs-al érte el az áram a maximumát 7,72 A-t. Ez egy igen nagy érték, azonban ha figyelembe vesszük, hogy ez nagyon rövid ideig áll fenn, akkor az áramkör szempontjából nem veszélyes. Amennyiben ez az áram a telep károsodását okozza, célszerű a kondenzátor kicserélése kisebb értékűre. Tovább haladva tekintsük az áramkör egyes pontjait a bekapcsolás után néhány milliomod másodperccel. 37

38 33. ábra. A bekapcsolás utáni csomóponti adatok Az ábrát figyelmesen tanulmányozva jól látszik, hogy az áram sehol sem haladja meg a megengedett értékeket. Az adatokból az is kiderül, hogy a frekvencia bekapcsoláskor eléggé ingadozik, ami okot ad némi aggodalomra, azonban ha belegondolunk, hogy egy 0,01 ezredmásodpercig tart, nincs miért aggódnunk. A szimuláció szerint a tranziens üzemállapotok esetén is megfelelő az alkatrészek méretezése. 4.4 Hibaanalízis szimuláció segítségével Gyújtótranszformátor meghibásodásának szimulációja A leggyengébb láncszem az általunk megalkotott gépezetben a gyújtótranszformátor. Erről az alkatrészről ismerjük a legkevesebbet, és ami korát illeti nem egy mai darab. Így tehát a meghibásodásának esélyét nagyon fontos számításba venni. Többféle módon mehet tönkre a transzformátor, de most tárgyaljuk a lehető legvalószínűbbet. Túl nagy primer vagy szekunder feszültség esetén, a transzformátor tekercseinek szigetelése elveszíti szigetelő képességét, és átüt. Nagy esély van rá, hogy egy ilyen átütés, a trafó fém házán keresztül történik, ami permanens károsodást okoz. Trafó szempontjából ez sajnos javíthatatlan, azonban hogy az áramkör ne károsodjon, le kell szimulálnunk ezt a folyamatot. Az eredményekből következtethetünk, hogy mi történik az áramkörrel egy ilyen hiba esetén. 38

39 A következő ábrán megtekinthető primer feszültség alakulása az előbb ismertetett hibajelenség lefolyása közben. 34. ábra. A primer feszültség alakulása transzformátor testzárlata esetében A testzárlat bekövetkezése közvetlenül az első rövid impulzus után történik. Látható hogy a zárlat után a feszültség megemelkedik 96 V-ra. Az alkatrészek kibírják ezt a szintemelkedést, ezért a primer oldalra nem szükséges egyéb védőáramkört beiktatni. Mivel a szekunder oldalon nincs áramkör csupán egy szikraköz, ezért egyéb intézkedést nem szükséges elvégezni Fordított polaritású megtáplálás szimulációs eredményei A leggyakrabban előforduló hiba, amit felhasználó elkövethet. Ez ellen mindenképp védeni kell minden egyenáramú áramkört. Az érdekesség kedvéért nézzük meg, mi történik a tervezett áramkörrel fordított polaritású megtáplálás esetén. 39

40 35. ábra. A működési jellemzők fordított polaritású táplálás esetén Az ábrán jól látszik, hogy szinte semmi áram nem tud folyni az áramkörben. Ennek oka, hogy a vezérlők GND lábán elhelyezett diódák megakadályozzák az áram fordított irányát, így védve a többi alkatrészt. Viszont annak érdekében, hogy a tápvonallal párhuzamosan kapcsolt elektrolit kondenzátor ne károsodhasson, elé egy 1N4004 típusú diódát kötünk sorban a tápvonallal. A módosított kapcsolás a következő ábrán látható. 40

41 36. ábra. A módosított ívgyújtó áramkor kapcsolási rajza A dióda beépítése mindenképp szükséges, ugyanis az elektrolit kondenzátorok szerkezetükből adódóan nagyon kicsi ellenkező irányú feszültséget tudnak elviselni. Ezzel a diódával megvédjük a kondenzátort, és a többi áramköri elem többszörös védelmet kap Vezérlő elektródák szakadásának hibaanalízise szimulációval A meghibásodás során a többszörös hibák a legvalószínűtlenebbek, azonban ha szükséges ez ellen is ki kell alakítani védelmet. Vizsgáljuk meg a berendezést abban az esetben, mikor mindkét 555-ös időzítő kimenete elszakad, és sem a megszakító tranzisztor, sem a DC/DC átalakító tranzisztora nem kap vezérlő áramot. A szimuláció után a következő eredményeket kaptuk. 41

42 37. ábra. A transzformátor primer feszültségének változása a vezérlő elektródák szakadása esetén Az előbbi feszültség-idő függvényen a szakadás pillanata a kék kurzornál található. Az itt lévő maximális feszültség 156 V. Ez az érték sem károsítja az alkatrészeket, ugyanis az alkatrészek 250 V-os maximális feszültségre lettek méretezve. Megint levonható a következtetés, hogy a szimuláció alapján további védelmi áramkör kialakítása nem szükséges. 42

43 5. KIVITELEZÉS, A SZIMULÁCIÓS EREDMÉNYEK VISSZAIGAZOLÁSA MÉRÉSSEL 5.1 Összeszerelés, első indítás A korábban megrendelt alkatrészekből összeállítottuk a kapcsolást egy próba NYÁK lapon. Ez egy speciális nyomtatott áramkör, amelyeken cellák vannak. A cellák közé forraszthatók az egyes alkatrészek lábai, valamit a huzalozáshoz szükséges vezetékek. Ilyen NYÁK lap látható a következő ábrán. 38. ábra. Az összeállításhoz használt próba NYÁK lap A kis cellákra ráépítettük a szükséges elemeket a megfelelő sorrendben, majd az első bekapcsolás következett. Természetesen elsőként terheletlenül kapcsoltuk be. Az összeállított áramkör a következő ábrán látható. 43

44 39. ábra. Az összeépített áramkör képe Jobb oldalt látható a táp csatlakozás, valamint az időzítő áramkörök. Alul a fekete henger a fojtótekercs, felette a meghajtó és megszakító tranzisztorok. A legfelül látható potenciométerrel szabályozható a kimeneti feszültség mértéke. Az első indításkor nagyon intenzív sípoló hangot lehetett hallani, melynek az amplitúdója egyre nőtt. Később kiderült, hogy ezt a hangot a fojtótekercs adja ki. A sípoló hang frekvenciája 10 khz körüli. Ezt a hangot azért halljuk, mert a tranzisztor 10 khz-es frekvenciával szakítja meg az áramát a tekercsnek, és az áram megszakításakor keletkező apró a tekercsek menetei között bekövetkező mechanikai változások hanghullámokat eredményeznek. A 10 khz frekvenciájú hanghatás a magnetostrikcióval magyarázható. Erre azonban most nem térünk ki, ugyanis a dolgozat szempontjából ez a kérdés nem fontos. Az indítás után az áramkör működött. Következhetett a nagyfeszültség előállítása, a transzformátor segítségével. Az összeállítás a 16. ábrán látható. A nagyfeszültségen való mérésre nem volt lehetőségünk ezért a működést azzal ellenőriztük, hogy egy szikraközt tettünk a szekunder oldal kivezetéseire. Ha a szekunder feszültség a megfelelő mértékűre megnő, a levegő ionizálódik, és villamos ív keletkezik. A várakozásoknak megfelelően a feszültség átütött, azonban a szikraközt nagyon apróra kellett állítani, ami aggodalomra adott okot. Ennek következtében végrehajtottunk némi módosítást az áramkörön, hogy számunkra megfelelőbb legyen a működése. Mivel ezek a módosítások nagyban befolyásolják a szimulációs eredményeket, elsőként bemutatjuk az átalakított áramkör kapcsolási vázlatát, majd a szimulációkat újra elvégezve ismertetjük a mérési eredményeket. 44

45 5.2 A létrejött áramkör kapcsolási rajza a változtatásokkal kiegészítve 40. ábra. A végleges kapcsolási rajz Végre hajtottunk pár módosítást az áramkörön, a feszültség átalakító kimeneti kondenzátorának kapacitását megnöveltünk 16 µf értékűre, a megszakító tranzisztor kollektor-emitter körébe beiktattunk egy Schottky-diódát, valamint az itt lévő RC tag kondenzátorát is kicseréltük 5 nf kapacitásúra. A transzformátor primer körében felépített oltó áramkört megszűntettük. A következőkben a mérési eredményeket az új kapcsoláson elvégzett szimulációs eredményekkel ismertetjük. 5.3 Bekapcsolási állapotok vizsgálata Az egyik legfontosabb működést jellemző üzemállapot a bekapcsolási üzemállapot. Fontos tudni, hogy milyen tényezők játszanak szerepet a bekapcsoláskor a feszültség és áram viszonyok változásában. Fontos még, hogy ismerjük az áramkör bekapcsoláshoz szükséges idejét, és hogy tudjuk visszaigazolja-e a valóság a szimulációval meghatározott jellemzőket. A következő ábrán a bekapcsolási feszültség látszik a tápvonalon terhelés mentes állapotban 4,5 V feszültségű megtáplálás esetén. 45

46 41. ábra. Bekapcsolási feszültség 4,5 V tápfeszültség esetén Az előző ábrán látható, hogy 30 milliszekundumon belül elérte a 4,5 V-os értéket. Most nézzük ugyan ezt a bekapcsolást a névleges 9 V tápfeszültség esetén. 42. ábra. A bekapcsolási feszültség 9 V tápfeszültség esetén A bekapcsolás ebben az esetben is hasonlóan zajlik le. 30 ezredmásodperc alatt a kellő értékre beáll az áramkör. A mérési eredmények mellet látszanak a szimulációs eredmények. A közelítés hellyel-közzel megfelelő, mivel a tekercs mágneses tulajdonságait a program nem tudja figyelembe venni, ezért a szimulációról hiányzik a tekercs hatása bekapcsolás során. Az előzőekből megállapítható, hogy a bekapcsolási idő a valóságban 30 ezredmásodpercnek felel meg. Tovább haladva tekintsük a következő blokkot, a feszültség átalakító kimenetét. Mivel a működés szempontjából a DC/DC átalakító feszültsége a lényeges, ezért vizsgáljuk az itt lévő bekapcsolási tranziens jelenséget méréssel és szimulációval. 46

47 43. ábra. A feszültség átalakító kimenetén lévő bekapcsolási feszültség Az első szembetűnő dolog az ábrán, hogy a feszültség csúcsértéke 50 V, tehát a méretezés megfelelőnek bizonyult. Másodsorban észrevehető, hogy az átmeneti állapot sokkal tovább tart ebben az esetben, mint a tápvonalon. A bekapcsolási idő majdnem eléri a 2 másodpercet, a szimuláció eredménye azonban mást mutat. Ugyan itt is eléri az 50 V feszültséget, azonban lényegesen rövidebb idő alatt. Ennek oka, az átalakító kimenetén elhelyezett kondenzátor kapacitása. Természetesen nem ez az egyetlen befolyásoló tényező, de legfőképpen emiatt van, hogy az itt lévő átmeneti állapot relatíve sokáig tart. Mivel nincs semmilyen általunk támasztott kritérium a bekapcsolási idővel kapcsolatban, ezért ezt az érték elfogadjuk. Az eddig bemutatott mérési eredmények során az áramkör terheletlen állapotban volt, vagyis a transzformátor nem volt csatlakoztatva az áramkör kimenetéhez. Most azonban vizsgáljuk meg a legfontosabb bekapcsolási paramétereket terhelt áramkör esetén. A mérések során csak az egyenfeszültségű átalakító kondenzátorán változott jelentősen a bekapcsolás jellege. Ezt mutatjuk be a következőkben. 44. ábra. A bekapcsolást követő feszültség-idő függvénye a DC/DC átalakító kondenzátorán 47

48 Rögtön szembe tűnik az, hogy a bekapcsolás ideje nagyságrendekkel csökkent. Összesen 50 ezredmásodpercet vesz igénybe a maximális feszültségre való feltöltődés. Az is látszik az előbbi ábrán, hogy az itt lévő feszültség értéke jóval kisebb, mint terheletlen állapotban, maximálisan 15 V. A bekapcsolási tranziens állapot megszűnése után az állandósult állapotban a következő szerint alakul az átalakító feszültség-idő függvénye. 45. ábra Az átalakító kimenetének feszültség-idő függvénye állandósult terhelt állapotban A hullámosság hasonló, mint a bekapcsoláskor, csak nagyobb felbontást állítottunk be az oszcilloszkópon, hogy jobban megfigyelhető legyen a jelalak. Csúcsértékét illetően 15 V. Mikor azonban áram folyik, lecsökken 10 V-ra. Ez annak tudható be, hogy a transzformátor primer tekercse nagyon nagy terhelést jelent a kapcsoló üzemű tápegység számára. A működés szempontjából ez a jelalak számunkra szintén megfelelő. 5.4 A vezérlő elektródákon lévő jelalakok vizsgálata A jelalakok szempontjából a legkritikusabb a vezérlő jelalakok. Ezek döntik el, hogy a vezérlő tranzisztorok hogyan kapcsolgatják az áramkörben folyó áramot, és hogy alakulnak majd az energia viszonyok. Elsőként tekintsük a nagyfrekvenciás vezérlő kapcsoló tranzisztorát vezérlő jelet. 48