50D整流柜脉冲放大电路的设计.doc

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1、50D整流柜脉冲放大电路的设计摘要：在脉冲放大电路中用555单稳态触发电路对通过光电耦合器输出到单稳态触发电路的脉冲信号进行整形，经过整形后得到一个幅度和宽度都基本相同的脉冲波形，整形后的脉冲信号通过场效应管放大电路的放大和脉冲变压器的隔离，输出作为可控硅的触发信号。此电路不仅降低了对光电耦合器等元器件的要求，延长了元器件的使用寿命，而且增加了可控硅触发脉冲信号和系统的稳定性，基本上达到了设计的要求。1 脉冲放大电路原理 输入脉冲经过光电耦合器4N25的隔离输出到一个555单稳态触发电路，单稳态触发电路的电源通过一个三端集成稳压器提供，将输入脉冲经过整形输出到场效应管放大电路进行信号放大，放大

2、后的脉冲信号驱动脉冲变压器，经过脉冲变压器的隔离后输出到可控硅，作为触发信号。由于单稳态触发器555对所需要的触发电源要求非常高，输入的电压必须精确稳定不变而且不能超过15V，超过15V会使单稳态触发器555无法正常工作，而电压不稳则会造成电路VCC电压的波动，无法输出规则的脉冲波形，因此在设计电路过程中选择三端集成稳压器78L10，输入端接一个12V的电压，在输出端输出一个10V稳定的电压，给555单稳态触发器提供电源。单稳态触发器主要功能是对脉冲信号经行整形，它能够把不规则的输入信号整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲，矩形脉冲的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，脉冲宽度决定于暂稳态

3、时间。场效应管是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。场效应管放大电路主要功能是对整形后的脉冲信号经行放大，在电路的选择时主要是通过负载电流的大小，此电路工作在饱和状态，信号被放大后输出到脉冲变压器的原边，变压器原边接有一个RDC三相（一个由电阻，电容和二极管组成）阻容吸收电路，用于吸收和消耗场效应管由导通状态变成关断状态的时候脉冲变压器原边还存有的能量。脉冲变压器一般用于脉冲变换或作为触发驱动，脉冲变压器一般是做脉冲高频信号耦合、阻抗变换、电压变换之用，在此电路中脉冲变压器主要是用于可控硅的触发驱动，将场效应管放大的脉冲信号隔离后输出到可控硅。2 脉冲放大电路的组成部分

4、2.1 三端集成稳压器三端集成稳压器是一种将功率调整管、取样电路、基准稳压、误差放大、启动和保护电路等全部集成在一个芯片上的集成电路。所谓三端是指电压输入端、电压输出端和公共接地端（或电压调整端）。三端集成稳压器按性能和用途可分为三端固定输出正稳压器、三端固定输出负稳压器、三端可调输出正稳压器和三端可调输出负稳压器四大类。2.1.1 三端集成稳压器的选用（1）首先根据直流稳压电源输出电压的需要，选择三端稳压器的输出电压极性，是输出正电压还是输出负电压。输出正电压的可选用78XX系列，如7805、7812等，其中78后面的数字代表该稳压器输出正电压的数值，以伏特为单位。例如7805表示稳压输出为

5、+5V，7812表示稳压输出为+12V等；输出负电压的可选用79XX系列，如7906、7924等，其中79后面的数字代表该稳压器输出负电压的数值，例如7906表示稳压输出为-6V，7924表示稳压输出为-24V等。通常都选用78XX系列的三端固定输出正稳压器，其优点是使用简单。（2）其次根据电路要求选择三端稳压器的输出电流。以78XX系列为例，78LXX系列最大输出电流为100mA，78MXX系列最大输出电流为500mA，78XX系列最大输出电流为1.5A。在选用时，要考虑三端稳压器的最大输出电流Imax，Imax是指稳压器能够输出的最大电流值，使用时按其60%选择为妥。（3）最后根据选定的三

6、端稳压器考虑其输入端允许输入的最大电压，一般输出、输入的电压差最小为1.7V左右。在不超出最大输入电压值的情况下，输出与输入电压差越大越稳定。2.1.2 三端集成稳压器电路如下图 图 1 三端集成稳压器电路三端稳压电路的输出电压U=Uo(1+R2/R1),式中Uo通过选择的三端稳压器得出，R1和R2为串联在2管脚和地之间的电阻，由于单稳态触发器555所需要的电源要求输入的电压必须稳定不变而且不能超过15V，超过15V会使单稳态触发器555无法正常工作，因此在设计电路过程中三端集成稳压器选择78L10，所以U=10(1+R2/R1),由于2管脚直接接地，所以U=10V，三端集成稳压器输出一个稳定

7、的10V，给单稳态触发器提供电源，而输入电压必须大于输出电压，并且要小于稳压器的极限电压35V，所以输入电压选择12V。 2.2 单稳态触发器单稳态触发器具有下列特点：第一，它有一个稳定状态和一个暂稳状态；第二，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳状态；第三，暂稳状态维持一段时间后，将自动返回到稳定状态，而暂稳状态时间的长短，与触发脉冲无关，决定于电路本身的参数。2.2.1 电路组成及其工作原理由555定时器构成的单稳态触发器及工作波形如图2所示将555定时器的6号脚和7号脚接在一起，并添加一个电容和一个电阻，就可以构成单稳态触发器我们简记为“七六搭一，上R下C”。（1）无触发信号输

8、入时电路工作在稳定状态当电路无触发信号时，输入脉冲VI保持高电平，电路工作在稳定状态，即输出端Vo保持低电平,555定时器内放电三极管T饱和导通，管脚7“接地”，电容电压Vc为0V。（2）VI降沿触发当VI下降沿到达时,555定时器触发输入端（2 脚）由高电平跳变为低电平，电路被触发，Vo由低电平跳变为高电平，电路由稳态转入暂稳态。（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，555定时器内放电三极管T截止,VCC经R向C充电。其充电回路为VCCRC地，时间常数1=RC，电容电压Vc由0V开始增大，在电容电压VCC上升到阈值电压2/3Vcc之前，电路将保持暂稳态不变。（4）自动返回（暂稳态结束）时间当V

9、c上升至阈值电压2/3Vcc时，输出电压Vo由高电平跳变为低电平，555内放电三极管T 由截止转为饱和导通，管脚7“接地”，电容C经放电三极管对地迅速放电，电压Vc由2/3Vcc迅速降至0V（放电三极管的饱和压降）,电路由暂稳态重新转入稳态。（5）恢复过程当暂稳态结束后，电容C通过饱和导通的三极管T放电，时间常数2=RCESC，式中RCES是T的饱和导通电阻，其阻值非常小，因此2之值亦非常小。经过（35）2后，电容C放电完毕，恢复过程结束。图 2 用555 定时器构成的单稳态触发器及工作波形2.2.2 主要参数估算(1) 输出脉冲宽度tw输出脉冲宽度就是暂稳态维持时间，也就是定时电容的充电时间

10、。由图2（b）所示电容电压Vc的工作波形不难看出Vc（0+）0V，Vc（）=VCC，Vc（tw）= 2/3Vcc，代入RC过渡过程计算公式，可得：此电路中R选用的是5.6K的电阻，电容选用的是103，所以脉冲宽度tw=1.1*5600*10000PF=61.6us上式说明，单稳态触发器输出脉冲宽度tw仅决定于定时元件R、C的取值，与输入触发信号和电源电压无关，调节R、C的取值，即可方便的调节脉冲宽度tw。2.2.3 单稳态触发器的作用单稳态触发器能够把不规则的输入信号VI，整形成为幅度和宽度都相同的标准矩形脉冲Vo。Vo的幅度取决于单稳态电路输出的高、低电平，宽度tw决定于暂稳态时间，如图3所

11、示。 图 3 单稳态触发器用于波形的整形2.3 场效应管放大电路场效应管是利用改变外加电压产生的电场强度来控制其导电能力的半导体器件。它具有双极型三极管的体积小、重量轻、耗电少、寿命长等优点，还具有输入电阻高、热稳定性好、抗辐射能力强、噪声低、制造工艺简单、便于集成等特点。在大规模及超大规模集成电路中得到了广泛的应用。场效应管的分类根据结构和工作原理的不同，场效应管可分为两大类：结型场效应管(JFET)和绝缘栅型场效应管(IGFET)。2.3.1 工作原理（1）VGS对ID的控制作用为便于讨论，先假设漏源极间所加的电压VDS =0。(a) 当VGS =0时，沟道较宽，其电阻较小。(b) 当VG

12、S 0，且其大小增加时，在这个反偏电压的作用下，两个PN结耗尽层将加宽。由于N区掺杂浓度小于P+区，因此，随着| VGS | 的增加，耗尽层将主要向N沟道中扩展，使沟道变窄，沟道电阻增大。当| VGS | 进一步增大到一定值|VP| 时，两侧的耗尽层将在沟道中央合拢，沟道全部被夹断。由于耗尽层中没有载流子，因此这时漏-源极间的电阻将趋于无穷大，即使加上一定的电压VDS，漏极电流ID也将为零。这时的栅源电压VGS称为夹断电压，用VP表示。在预夹断处：VGD=VGSVDS =VP。上述分析表明：(a)改变栅-源电压VGS的大小，可以有效地控制沟道电阻的大小。(b)若同时在漏-源极间加上固定的正向电

13、压VDS，则漏极电流ID将受VGS的控制，| VGS |增大时，沟道电阻增大，ID减小。(c)上述效应也可以看作是栅源极间的偏置电压在沟道两边建立了电场，电场强度的大小控制了沟道的宽度，即控制了沟道电阻的大小，从而控制了漏极电流ID的大小。（2）VDS对ID的影响设VGS值固定，且VP VGS 0。(a)当漏-源电压VGS从零开始增大时，沟道中有电流ID流过。(b)在VDS的作用下,导电沟道呈楔形由于沟道存在一定的电阻，因此，ID沿沟道产生的电压降使沟道内各点的电位不再相等，漏极端电位最高，源极端电位最低。这就使栅极与沟道内各点间的电位差不再相等，其绝对值沿沟道从漏极到源极逐渐减小，在漏极端最

14、大(为 |VGD| )，即加到该处PN结上的反偏电压最大，这使得沟道两侧的耗尽层从源极到漏极逐渐加宽，沟道宽度不再均匀，而呈楔形。(c)在VDS较小时，ID随VDS增加而几乎呈线性地增加。（3）它对ID的影响应从两个角度来分析：一方面VDS增加时，沟道的电场强度增大，ID随着增加；另一方面，随着VDS的增加，沟道的不均匀性增大，即沟道电阻增加，ID应该下降，但是在VDS较小时，沟道的不均匀性不明显，在漏极附近的区域内沟道仍然较宽，即VDS对沟道电阻影响不大，故ID随VDS增加而几乎呈线性地增加。随着VDS的进一步增加，靠近漏极一端的PN结上承受的反向电压增大，这里的耗尽层相应变宽，沟道电阻相应

15、增加，ID随VDS上升的速度趋缓。(d)当VDS增加到VDS = VGS -VP，即VGD= VGS - VDS =VP(夹断电压)时，沟道预夹断此时,漏极附近的耗尽层即在A点处合拢，这种状态称为预夹断。与前面讲过的整个沟道全被夹断不同，预夹断后，漏极电流iD0。因为这时沟道仍然存在，沟道内的电场仍能使多数载流子(电子)作漂移运动，并被强电场拉向漏极。(e)若VDS继续增加，使VDSVGSVP,即VGDVP时，耗尽层合拢部分会有增加，即自A点向源极方向延伸，夹断区的电阻越来越大，但漏极电流I D不随VDS的增加而增加,基本上趋于饱和。因为这时夹断区电阻很大，VDS的增加量主要降落在夹断区电阻上

16、，沟道电场强度增加不多，因而ID基本不变。但当VDS增加到大于某一极限值(用V(BR)DS表示)后，漏极一端PN结上反向电压将使PN结发生雪崩击穿，ID会急剧增加，正常工作时VDS不能超过V(BR)DS。2.3.2 场效应管放大电路如下图： 图 4 场效应管放大电路当场效应管由导通变为关断状态的时候，脉冲变压器的原边还存有一定的能量，所以电路的设计中必须在脉冲变压器的原边再加一个阻容吸收电路，如上图所示，脉冲变压器原边输入端通过一个RDC阻容吸收电路与+12V和放大后的脉冲信号输出连接，这个阻容吸收电路由电阻、电容、二极管各一个组成，其中电阻和电容并联后与二极管串联，这个电路的作用是在场效应管

17、关断的时候，通过电阻和电容吸收消耗掉变压器原边剩余的能量，使场效应管关断过电压能得到有效抑制并减小关断损耗。2.4 脉冲变压器脉冲变压器一般用于脉冲变换或作为触发驱动，脉冲变压器一般是做脉冲高频信号耦合、阻抗变换、电压变换之用，指标要求比一般工频变压器高，铁芯常用高导磁铁合金或铁氧体，绕制要求比较严格。脉冲变压器是电子变压器一种特殊类型，它所变换的不是正弦电压，也不是交流方波，而是接近矩形的单极性脉冲；脉冲变压器现已极其广泛地应用于各种电子设备之中。2.4.1 脉冲变压器的主要用途脉冲变压器广泛用于负载电阻与馈线特性阻抗的匹配；升高或降低脉冲电压；改变脉冲的极性；变压器次级电路和初级电路的隔离

18、应用几个次级绕组以取得相位关系；隔离电源部分的直流成分；采用若干个次级绕组，以便得到几个不同幅值的脉冲，使电子管的板极回路和栅极回路，或晶体管的集电极与基极间形成正反馈，以便产生自激振荡；作为功率合成及变换元件等。在脉冲放大电路中主要用到的是它的隔离作用。2.4.2 脉冲变压器输出端电路如下图 图 5 脉冲变压器输出端电路电路中二极管的选用的是FR107,电容为100nF，电阻阻值为100。电路中二极管的作用：触发脉冲在经过脉冲变压器后会在Y轴下半部分形成感应波形，通过二极管的滤波作用可以去掉感应波形，对脉冲进行整形。而电路中的电阻能够有效的消除尖峰电压，由于脉冲变压器副边是感应电动势，如果副

19、边电路空载会形成一个很大的尖峰电压，对可控硅造成很大的损害，所以接一个负载电阻，用来消除尖峰电压。3 总结脉冲放大电路是一个对脉冲信号的整形、放大、隔离等处理过程的综合电路，三端集成稳压器、555单稳态触发电路、场效应管放大电路、脉冲变压器，每一部分都基本上完成了对电路的设计和元器件的选择，输出的脉冲触发信号也能符合系统要求，使可控硅的触发脉冲信号和整个整流柜系统能够稳定运行。我们的交流电控技术已经日渐成熟，我们的直流电控技术才刚刚起步，还有很多方面需要我们不断去完善，在以后的工作中，我们应该继续通过对整个系统在钻井过程中经行观察分析，发现问题，分析问题，找出直流系统技术的优点和不足之处，对电路以及整个系统进行进一步的改进，逐渐完善整个直流电控系统，提高钻机电控系统的质量和技术含量，使我们的直流钻机在国内和国际市场中立于不败之地。参考文献1 康连福,苏联芳 可控硅触发电路中脉冲变压器的设计 长春理工大学学报2002年25卷2期2 康华光 模拟电子技术基础 高等教育出版社 2006.43 阎石 数字电子技术基础 高等教育出版社 2007.7