[Kannikkiy 0]

Здравствуйте!

Хотим модернизировать старый блок питания электромагнита (ЭМ) от масс-спектрометра. ЭМ питается постоянным током 0,15-5,8 А. Нестабильность тока по дрейфу не превышает 5*10-3% за 20 мин. Активное сопротивление обмоток ЭМ составляет 11 Ом, максимальная мощность рассеяния 270 Вт. Существующая схема проектировалась в 1980 г и устарела. Компонентов на замену уже практически не найти. Главную неприятность составляет регулирующий силовой элемент стабилизатора - составной транзистор на германиевых транзисторах структуры PNP, т.н. блок радиаторов (см. приложенную схему). Он требует водяного охлаждения и легко сгорает в случае отключения воды. Как он примерно работает можно посмотреть здесь. Собственно вопрос: можно ли заменить этот проходной каскад на современные аналоги, и если да, то на какие? Схема работает на германиевых транзисторах, можно попробовать подобрать что-то близкое из современного ассортимента, но там в основном кремниевые транзисторы. Может быть есть эквивалентные схемы на силовых MOSFET или IGBT? Нужно учитывать, что регулирование тока должно происходить с высокой дискретностью, порядка 50 мкА.

[Tanya 4]

Как ни меняй транзисторы, а тепловыделение зловредным образом не изменится. Тут в законе сохранения и превращения энергии прогресс человечества застопорился давно. Но можно менять напряжения питания.

[Kannikkiy 0]

7 minutes ago, Tanya said:

Как ни меняй транзисторы, а тепловыделение зловредным образом не изменится. Тут в законе сохранения и превращения энергии прогресс человечества застопорился давно. Но можно менять напряжения питания.

Во-первых, вариант с биполярными транзисторами не отбрасывается. Просто найти сейчас транзисторы П210 затруднительно, как и их аналоги среди зарубежных. Во-вторых, и самое главное, хотелось бы отвязаться от водяного охлаждения. Непредвиденные отключения воды приводят к быстрому перегоранию всех мощных транзисторов. Возможна замена на обыкновенные радиаторы с воздушным принудительным охлаждением

[rx3apf 0]

Естественно, что германиевые П210 и не найти, и не нужно искать - всяко у кремниевых с рабочей температурой лучше. Что-нибудь в TO247 и, наверное, четырех плечей хватит, и, вероятно, воздушного охлаждения. Ну а чтобы не сгорало (не важно, вода там кончилась, или вентилятор заклинило) - термоконтроль (если не на общем теплоотводе, то на каждом транзисторе свой датчик, чтобы уж наверняка).

[Michael Michael 0]

1 час назад, Kannikkiy сказал:

ЭМ питается постоянным током 0,15-5,8 А. Нестабильность тока по дрейфу не превышает 5*10-3% за 20 мин. Активное сопротивление обмоток ЭМ составляет 11 Ом, максимальная мощность рассеяния 270 Вт.

Может быть, 370W?

...какое напряжение питания у этой  чудо-схемы, чтобы регулирующий элемент потребовалось охлаждать водой?

Изменено 16 июня, 2021 пользователем Michael Michael

[rx3apf 0]

Наверное не больше допустимого у П210 (а оно вообще-то 60V), но и не меньше 64V (иначе не выйдет 5.8A через обмотку). Т.е. транзисторы-то в запредельном режиме...

 

А, пардон, они же последовательно стоят... Тогда действительно любопытно, сколько. Логично бы попробовать переделать на параллельно включенные кремниевые.

Изменено 16 июня, 2021 пользователем rx3apf

[mantech 54]

10 минут назад, rx3apf сказал:

Тогда действительно любопытно, сколько.

Так вроде написано на схеме Uвх - 100В.

А так напрашивается регулирование напряжения каким-либо ИБП, а затем линейный регулятор тока, с уже более меньшим падением на нем.

Изменено 16 июня, 2021 пользователем mantech

[rx3apf 0]

Если приглядеться, то вроде бы да. Но настолько поганого скана/фото давно не встречал... 

 

Т

[HardEgor 89]

1 час назад, Kannikkiy сказал:

Может быть есть эквивалентные схемы на силовых MOSFET или IGBT? Нужно учитывать, что регулирование тока должно происходить с высокой дискретностью, порядка 50 мкА.

Сделать импульсный стабилизатор с грубой настройкой, который будет питать эту схему для снижения выделения тепла.

Но вначале надо разобраться  с факторами дестабилизирующими ток электромагнита, чтобы понять в каком лиапазоне необходима стабилизация.

[controller_m30 1]

По закону Ома I=U/R. R - известно (11 Ом). I - известен диапазон (0.15А .. 5.8А). Осталось вычислить U. U=I*R.

При R=11 Ом, I=0.15A U=11*0.15 =1.65 Вольт

Надо изменять ток с шагом 50 мкА. Считаем дальше:

I=0.150050 A, U=11*0.150050 =1.65055 Вольт

I=0.150100 A, U=11*0.150100 = 1.6511 Вольт

I=0.150150 A, U=11*0.150150 = 1.65165 Вольт

.......

I=5.8 A, U=11*5.8 = 63.8 Вольт

Т.е. нужно регулирование напряжения в диапазоне 1,65 .. 63,8 Вольт, с шагом 550 мкВ или 0.00055 Вольт. Круто...

 

А мощность схемы регулирования будет такая:

0.15 А * 1.65 В = 0.2475 Вт - минимум

.......

5.8 А * 63.8 В = 370 Вт - максимум

 

Таким образом, охлаждение на 370 Вт придётся всё-таки сделать даже для кремниевых деталей. А поскольку нужно исключить дрейф напряжения на уровне сотен микровольт от нагрева (в общем правильнее здесь говорить о необходимости термостатировать схему) - значит охлаждать надо самыми передовыми методами известными на сегодня.

Могу навскидку предложить компьютерные варианты: вода, элементы Пельтье, спиртовые трубки, кулеры, и т.д. Прям снять это всё с какого-нить сервака и испытать. Или может такая система нужна не одна, а сразу несколько... По крайней мере известно где эти системы искать, в отличие от техники 80-х годов.

[rx3apf 0]

На регулирующем элементе 370 никогда не будет. Но больше двухсот. Сделать в четыре параллельных секции на TIP142/TIP147, снизив напряжение до 70..80V (ну или поискать более высоковольтные), так вообще детская мощность на транзистор придется, воздухом без труда, ширпотребные компьютерные кулеры прежних лет справятся (алюминиевые, под 80-mm вентилятор). Даже и четыре секции избыточно, три, а то и вообще две (при снижении напряжения).

[controller_m30 1]

6 минут назад, rx3apf сказал:

ширпотребные компьютерные кулеры прежних лет справятся (алюминиевые, под 80-mm вентилятор). Даже и четыре секции избыточно, три, а то и вообще две (при снижении напряжения)

Для того чтобы схема не сгорела - да, справятся. Как это в ПК делается.

А вот чтобы в схеме не было ещё и дрейфа на сотни микровольт (а может и десятки мкВ) - надо схему зафиксировать по температуре в очень узком диапазоне. Или проще говоря термостатировать. Иначе, как мне кажется, будет дрейф.

[Kannikkiy 0]

9 minutes ago, mantech said:

Так вроде написано на схеме Uвх - 100В.

А так напрашивается регулирование напряжения каким-либо ИБП, а затем линейный регулятор тока, с уже более меньшим падением на нем.

 

Чтобы было понимание, что это за вещь, приведу описание из руководства по эксплуатации (начало стр. 17). Осторожно, много текста.

И еще несколько схем, для сопровождения описания

[rx3apf 0]

9 минут назад, controller_m30 сказал:

 Или проще говоря термостатировать. Иначе, как мне кажется, будет дрейф.

Это уже вопрос схемы управления (который выходит за рамки первоначальной задачи) и, вероятно, он как-то решен. Пока обсуждается исполнительная часть регулятора. Ее совершенно нет необходимости как-то стабилизировать.

[Kannikkiy 0]

1 minute ago, rx3apf said:

Это уже вопрос схемы управления (который выходит за рамки первоначальной задачи) и, вероятно, он как-то решен. Пока обсуждается исполнительная часть регулятора. Ее совершенно нет необходимости как-то стабилизировать.

Действительно, интегрирующий усилитель на входе и буферный усилитель, работающий по схеме МДМ, имеют активный термостат для ключевых элементов. Задача, как правильно сказано, заменить регулирующий исполнительный элемент. Вода здесь нужна, лишь для отвода излишнего тепла от транзисторов.

Питается схема от 100 В, но проходной каскад включен последовательно с нагрузкой (электромагнитом), поэтому на нем и остается 4-60 В.