一款轻便大功率高压低频脉冲机(打鱼时称
电鱼机、捕鱼机或捕鱼器)制作过程
一、简介
1、技术指标:(本机只适用于淡水)
(1)输入电压12V蓄电池(>20AH)
(2)输入电流20-48A连续可调(设定值约54A时电流保护动作),空载电流≈286mA(风扇15mA)
(3)输出电压:直流端800V限压
(4)输出型式:单硅脉冲输出. 2、有相对健全的保护功能:
(1)输入电流保护:采用电流互感取样,不消耗有限的电池电能,也是最快的纳秒(ns)级电流保护.
(2)输出电压保护:直流电压自动限压在800V左右.保证在空载时开机不损坏机子.
(3)欠压保护(bǎo hù )防:电池低于8.5V时关机,既保护了机子也保护电池不致于损坏.
(4)防反接保护:在机器内部不再加入电子类防反接电路,在使用时需要自己在电瓶线上加装63A空气开关作为电池线接反时保护开关.
(5)冗余量大:用12只功率（指物体在单位时间内所做的功的多少）场管,最大电流ID=50*12=600A,最大功率PW=12*131=1572W;大功率变压器（Transformer）磁芯(823.13W),在连续长时间通电时只有微热,无需过热保护. 3、重量:0.83Kg左右
4、体积:20cm*12cm*7cm(长*宽*高)
装配、调试过程
(1)将功率管安装在散热器上
(2)将小个头元件(电阻、电容、二极管等)安装在PCB板上,以及装好的散热器的功率管安装在PCB板.
(3)将变器安装在PCB板上
(4)将其它所有的元件安装完毕后
(5)调试.如果用12V蓄电池作为调试电源时在输入端要串接63A的空气开关和50A的电流表,最好是用可调直流电源作为调试输入电源.注意检查安全问题,一是输出端有高压,防止无意碰触,二是防止元器件(Components)伤人,不要将PCB板上安装的元器件对着人
(6)输出电压检测:输出端带上负载,一般用200W的灯泡,将输出调节器调到最大位置（position )上.间隔通电,看灯泡能否发光,如正常,灯泡发光.无论正常与否,先检测输出端直流电压是否在设定值,因为输出端的电容器耐压只有900V,余量不多,万一电压闭环出错,输出电压将超出电容耐压;将输出调节器调置最小,再检测电压,如果还是在设定值上,输出自动稳定基本正常,但还必须作最后的空载检测,三次的电压检测都不能超过设定值,更不能超过电容耐压.会计算变器的人都知道,有电压回环的计算,是按照最低的输入电压带最大负载时输出电压计算.如果输入电在最高且输出为空载且电压环失效时,输出电压将高出很多,容易使滤波电容过压而爆炸伤人.
(7)输入电流设定:将调节电阻R31暂用100欧的可调电位器替上,调节电位器,使输入电流在设定值时保护
(8)首次通电不正常,空气(Basin air)开关跳闸.则电流太大,第一步,将功率管推动信号断开后再通电,检测推动输出端,可用视波器观察波形或测其电压在3.8-5V,第二步,断开变压器高压输出端再测,第三步,断开输出硅再测,用分块检测排除
(9)首次通电不正常,空气开关不跳闸,无任何动静.首先检测IC电流保护端电压,一般为0V.其次检IC是否正常工作(gōng zuò)
(10)装上外壳,完工.整机外形
-------------------------------------------------------------------------------------------
所生产的捕鱼器选型：
----------------------------------------------------------------------------
二、技术问题(以下是指单硅淡水机)
1、变压器
变压器与频率关系很大,第一次做这东西时用的是EE40旧磁芯,20KHz都老出问题,不稳定,漏感太大,输入端并上3只2200UF/50V电解、2只2UF/200V涤纶电容器都不行,总把电容腿烧断,接着烧风扇,再就是炸管了.后来改用TDK全新PC40 系列的EC42,上到190KHz都能稳定.初级用0.4*16的紫铜带绕2+2T.给绝缘纸包着,看不到.电源(power supply)端只并2只10UF/100V的涤纶电容就可以了.
变压器是令很多爱好者头痛的部分,因变器的磁芯除了看得见的外形及尺寸外还有很多看不见的重要参数,并具这些参数在没有专业设备下也难以测出.另外磁芯材料重要参数之一的磁导率Ue允许偏差范围很大,是±25%.在计算的时候就要先考虑到这个,所以同一个线圈,将不同磁芯时的电感量有很大的不同.如果是买一批新的磁芯回来,一般要用标准线包对磁芯进行筛选分类.国产的磁芯一般在2000-4000±25%之间,TDK的磁芯,现在最高的是4800±25%.
另外买磁芯时,如果数量比量多,要问清是用什么包装的,常见的是用纸板包装和泡沫包装,在收货时一定要当场打包检查会不会损坏,特别是用纸板包装的.我有一回在TDK亚太地区代理处买了一件(共135付)磁芯,全一快递送的货,回来就忘了验货,结果有30付全碎了.找供货商,他的回答是 ;我们是TDK厂家专车送货,专人装卸,这里绝对没问题,你找快送吧 ，快递说:包装完好无损,你找供货商吧.
2、输出电感、电容(后级关断电感、电容)
输出电感发热严重,输出电感要多少圈,电感量取多少,空心电感好,还是铁芯电感好;关断电容多大……要弄好这些之前,我着得要明白以下几点:
1)捕鱼靠的是在鱼身上流过的电流大小,是电流把鱼击晕;
2)输出电压的高低主要决定有效的距离的大小,与捕鱼效果关系不是很大;
3)水不是阻性负载,中间还有脉冲电路,输出电流不完全由输出电压决定,输出电容与输出电流的关系比输出电压与输出电流的关系更为紧密.
在设计电鱼机的第一步应该考虑好输出电流的最小值或最佳值.因为输出电流小于此值时,捕不到鱼,机子也就没有实用价值了.那么这个输出电流值以多大为好?这也不是单纯的问题,还要考虑相关(related)的几个因素,第1是,所在地理位置,因为南方比北方要求要高;第2是季节问题,夏秋季比冬春季要求要高2位左右;第3是鱼类问题,在南方最顽强的是罗非鱼(也叫福寿鱼、非洲鲫);第4,水的深度相关.在南方比较理想的电流值在1.0A-2A左右.把电流设计得大一点好不好,太大了,鱼还没反应过来就安乐死于深水中,太小了,它跑得比 ;萝卜丝 ;还潇洒,比刘翔还快.
确定好输出电流之后,接着确定输出电压了,这个就容易了.如果前级已经确定,比如是300W,那么将前级乘以逆变效率,比如是90%,那么后级能够得到的有效功率就是300*0.90=270W,输出电压就是270W/1A=270V了,这电压是带满载时的电压了.如果不先考虑前级,就先考虑输出电压了,比如是600V,那么后级要求600V*1A=600W的功率,再将600W/0.9=667W,得出了前级必须提供667W以上的功率了.
那么270V与600V的电压(Voltage)是否都可以捕鱼,答案是肯定的,它们的区别就在于有效范围大小.
看了也许你不信,再看看下面两个相关例子吧,
1)用500W-1000W的UPS捕鱼,直接捕鱼,效果不理想;加单硅后级之后捕鱼,效果好,但很容易使UPS进入保护状态.
2)海水机,输出电压才80V左右,电流(Electron flow)10A以上.
从上面两个例子,我们是否应该得到启发,捕鱼效果起关键的参数在于输出电流.确定了输出电流与电压之后,整机和变压器等参数也就基本确定了.
后级电路参数要怎样确定?
从上面可以知道实以上几个都是有关联的,首先说一下匝数问题,在反复试验中发现,匝数在80-92之间时效果为最佳.匝数少了不好关断并容易损坏关断电容器;圈数太多了,容易关断,但容易发热并使频率升高.电感量大小与关断电容量有密切关系,电容量在2.4UF时电感量在0.50-0.75mH之间,电感量太小,不好关断且容易损坏关断电容器,大了容易关断但发热利害.随着关断电容量的不断加大,电感量相应的减小并且电感线径要相应的加大.在8UF的关断电容时,电感与电容相联接处有25A左右的电流(Electron flow).用空心电感时,无法同时达到上述两个条件,用磁芯电感一定要调节(adjust)其间隙来调节其电感量.
输出电容量问题,输出电容量的大小与输出电流有很密切的关系,一般在4uF-10uF.当输出电压值越低时,要保证输出电流不变,输出电容量就越大.调整输出电容量,使输出电流能轻松达到设定值为准.我用1200V25A的硅,磁芯是EI33,用大线径的线绕不下多少圈,我改用3股0.53的线并绕,绕80圈左右,直接将磁芯装上时,电感量有22.1mH,再将磁芯的两边敲掉,只用中心部分,电感量在0.3mH左右.
3、硅的问题
有人说用双向硅,有人说用单向硅.用双向硅,硅和电感都极度发热,并严重干扰电源,我用电瓶试机时,电瓶边充电,调到在某一频率处,充电器突然发生极严重的嗡嗡嚎叫.现在用单向硅,硅和电感基本上未觉发热
.
4、输出电压
输出电压是多少,直接输出还是倍压输出?
输出电在理想状态下当然是越高越好,但机器偏偏要在现实中使用.输出压在850V时,人双手拿着鱼杆作业时已有微麻的感觉了,如穿上半身高的防水连衣靴还是安全的,再高也就安全就很难保障(起保障作用的事物)了,并且在实际使用时,鱼杆难免会弄湿,就更没有安全保障了.另外输出电解电容耐压单只高的也只有450V,再高的就没见过了.我见过几种机子中,在空载或轻载时,电压都很高,将近900V或以上,但一带上负载或重一点负载时,直流端电压迅速下降,只有380-450V之间,所以这些机子一但下水稍深点点就只能赶鱼了,因为下水越深负载越重.这类机子作业时也不可能象UPS和EPS那样时刻在检测电池电压,电池电压变化也较大,输出电压就更低了.其主要原因就在于输出电压完全开环,电压没有闭环,输出电压是虚的.万用表测输出端电压时只能反映出脉冲电压的平均值,就更低了,它一般作为参考用.如果用倍压输出,效率不如直接输出,负载越重效率越低.
5、功率、效率问题
很多人问,功率多大好,我个人认为输入功率在300W-500W转换效率高就很好了.大家都知道,功率大了,耗电就大,500W时,输入电流有42A了,35AH的电池半小时就没电了,大于35AH的电池一个人就很难带着电池作业了.半个小时,也许鱼都还没找到就要收工了.如果用大电池在船上用,还不如直接弄部发电机更好.还有一个就是转换效率很重要,这样的脉冲机有两次换能过程(guò chéng),第一次是将低压直流变成高压直流电,第二次是将高压直流电变成高压脉冲电.第一次转换时,如果用高频,则效率要高很多,高出四分之一以上,第二次转换效率很重要,但一般不如第一次高.
市面很多机子外壳做得很大,标着20管800W/40管1600W之类,20管机
我看了这样机都不知说什么好,它用了20只3DD303A功率管(3DD303A金封;NPN TO-3;150V;2A;40W),档位手动调压.实测,全部最小(低)输入12V/12A时脉冲输出57V/275mA (220欧负载);全部最大(高)输入12V/24.2A时脉冲输出102V/405mA(220欧负载),大家可以算一下其功率及效率,我就不多说了.还说有什么短路保护(bǎo hù )之类,这机与下面的原理图连参数都一模一样.这些人也太逗了,这样的玩笑也会开……
话归正传,我自己的机在输入30A电流(Electron flow)时带220欧负(200W/200灯炮)载脉冲电压约165V,灯泡雪白,换100灯泡就很容易烧掉;如果输入电流在40A时,再带100W/220V灯炮,有多少烧多少.在大功率时第二次转换的效率显然很重要.初级端的电流较大,线耗也不能忽略,尽量要短,电池夹一般是铁制,接线也就要考究了,在输入电流30A时电池夹会发热,所以要让电源引线尽量焊接在与电池极相接触(contact)的位置上.
【对于功率管的选用】选用时要注意耐压值,电流值等.耐压值并不是越高越好,而是选择比较适合的值,一般按使用工作电压的2-3倍选用,选高了和选低了都不好用,选高时内阻一般也跟着上去,发热较大,结电容也大,并断耗损也跟着上去,结果是效率低.选低了容易烧管.推挽结构的工作电压是供电电压的2倍,比如12V供电的电路场管选55V-75V之间的.对于电流的选用方法,单管时选最大电流值的的4分之一或以下.如果取大了,发热量大,散热要求就高了,也容易烧管.多管并联时,每只管的取值还要低些.只要知道了这个规则,看看一台机子用了多少只什么管,查出相应的参数,就基本知道这台机有多少能耐了.对于推挽结构的电路,一边只负责一半的功率.我的机子共用12只50N06的场管(50A 60V)总共电流值为600A,实际总电流最大使用到45A,才13分之一左右.管的冗余量很大.为什么要这么大冗余量?最主要是因为水属容性负载,万不可与阻性负载相提并论.
6、高频机的工作(gōng zuò)的频率
所谓高低频机是指将电池低压用高频还是低频的方法升压到高压,理想状态下应该一样,但实际却有很大的区别,大家都知道,有配套的磁芯时,频率越高,每伏所需匝数就越少,铜损就少,第一次升压转换的效率也就越高.高频机频率设定时,要联合考功率管开关速度,所用磁芯最理想的频率和高压整流管的参数.一般在20-40KHz时上述元件就容易匹配.我这机的频率设定100KHz,整流管1200V-1600V/3A/ Trr=35nS,在这个问题上我也费了好大的一番周折.
7、可调电位器接电压哪?
从上图中可以看到R14上电源正极接自两电容的中点,很多机器都是这样.其实这样接很容易使两容的电压失去平衡,如果电容耐压余量足够时倒无所谓,而在实际中电容耐压都已接近电源电压,这时则极易使一只电容过压而发热,使焊锡脱落.虽然两只电容上都并有均压电阻,但其阻值都较大(180K以上),电位器上流过的电流要小于均压电阻上的十分之以上即均压电阻要较小时,均压电阻才有效.实际并不是这样,均压电阻值小了,其消耗又将成为一个问题.所以最好将电位器正极直接接从电源正极,这样电压虽较高,只要将串接的电阻值加大即可了,如本机的R83与R84.
8、功率管两边发热相差较大
在所有功率管工常,但使用(use)时发现两组功率管的散热器上温差明显,这主要是推动(promote)功率不够所致.发热的那组管推动不足.不要直接用IC输出(Output)推动,加上一级腾图柱式推动之后就没有再发现此现象.
9、防反接问题
这个问题也是很多人在关注,也有部分朋友来电询问过,在这里我也一并解释一下. 其实关注这个问题的朋友就是问:万一在输入电源的正、负极接反时机器会不会损坏.对于直流输入且经常要装卸的机器来确实也难免会接错.一般而言,具有防反接的机器是指在输入端正、负极接反时要求机器不损坏就行(有些要求是不分正负极都能正常工作.)对于不同的电路,电池正负极接反会带来不同的结果.重要的就是看是什么样的功率输出电路了.
(1)功率管是三极管的输出电路(象上面所见),只考虑振荡控制（control)部分的电路加防反接就行了(因为这里有电解电容器),这里的电流很小,一般串一只二极管就可以解问题.对于普通功率输出三极管(3DD303A 2N3055等)就是电源接反了也不会工作也不会坏.根本不用考虑防反问题,也谈不上防反接技术(technology)了.
(2)功率管是场效应管的输出电路(象我的机子),对于功率场效应管来说,基本上在D和S之间都并有一只反向保护二极管,输入电源(power supply)接反时,就是D和S的电源极性反过来,那么并在D和S之间的反向二极管就成了正向导通,电池就能过并在D和S之间的反向二极、变压器初级回路(相当于短路了).这里就成了防反接的重点问题了,因为这里的电流很大(约40A且电池输入电压较低,只有12V),如果只是用串接大电流二极管,虽然是可以,但有三个问题,一是二极管的正向压降,二是二极的发热问题,三是二极的体积问题.但我自己觉得比较好的解决方法有下面三种.方法
A、用12V40A汽车灯光继电器来解决极性问题,在继电器线圈上串一只二极管,电池线接反时继电器线圈上的二极管反向不通,当然继电器线圈上没有电流,继电器就不会动作了.但也要考虑（consider)三个问题,一是正常工作时继电器要白白消耗电池电能,二是电池电压下降时,触点吸合不够紧,三是电流冗余问题,要用40A的电流就要有2个40A的继电器,不然继电器发热严重.方法
B、在输入端串接63A的空气开关,电源接反时,空气开关自然会断开.但必须是在输出功率冗余量很大时才行,象我上面的机子就完全可以采用这种方法.通40A的电流时,空气开关上也有0.1V左右的压降.方法
C、用电子(electronic)开关(switch),既然是场效管引来的问题就交给场效管来完成,其实就是用同步整流方法,如果你对同步整流技术熟悉就很简单,如果不熟悉也没关系,下面的一张图,照搬就行了.如果还不信可以这样试一下,按下图接好电路,负载随便找一个12V20W左右的电灯接上,先断开G极,这时电炮是点亮的,但测SD两点电压应该为0.7V左右,很明显然,这时电流是通过反向二极导通的,0.7V是二极管的正向压降.接下来将G极接上,你会发现电炮会变亮,这时是场管在工作了,再测SD两点的电压,几乎为零,这时的电压应该是场管导通电阻*电流,因为场管的导通电阻一般为几个毫欧,所以这时SD两端的电压是小到几乎测不出来的,虽然二极处于正偏,但由于场管已经工作,且导通电压远远低于0.7V,根本就不可能让二极管再工作了.
(3)用3-5只英飞凌的IPB10N03L(73A/30V/8.9mΩ/100W)的场效管来作电子开关,如果加散热片用3只就够了,不加散热片用5只会好点,通40A电流时压降只有(0.0089/5)*40=0.0071V,每管承受的功率为(40/5)*(40/5)*0.0089=0.5696W,基本感觉不到发热了.用5只P75NF75的场管,输入电流22A时用MP47F表的DC 0.25V量程测,Vsd=0.04V;输入电流41A时测得Vsd=0.085V
(4)经过不断地使用和调试发现,用二极管和场管等这些具有单向性的元器件串在主电路中做为防反接的方法也有一些弊病,就机子在工作的时候会产生一些杂波没办法反向颧回电瓶,使机子的性能变差.要把这些杂波吸收,就必须在防反电路之后加大容量的电容,50A输入电流要有4700UF*4至4700UF*8,输入电流太大时就很难满足这个要求了.
(5)对于用哪种方法及成本问题就仁者仁见了,我机子现在的输入电流在50A以上,所以选用方法B了,即在机器内部不再加入电子防反接电路(Circuits),在使用时需要自己在电瓶线上加装63A空气开关作为电池线接反时保护开关.
10、测试负载
淡水属容性负载,其电阻在220欧以上,用200W的灯泡(冷态电阻为22.1欧)作为调试负载,既方便又直观.看到很多帖子都写着自己的机子带上500W-2000W的太阳灯能雪亮.为此,我也说几句.
1)'雪亮'这个词语本身就是一个模糊的概念,每个人所说的"雪亮"都存在很大的区别.因此,不能用"雪亮"这个没有具体数据标准的词来证明机子的输出功率.
2)多只太阳灯没有指明是怎样连接,是串联还是并联,或是串.并联混合联接.还不如干净利落指明电阻值.
3)不同电灯、太阳灯都好,其冷态电阻都不相同.我亲自测试过有下面的数据:
100W 220V白炽灯冷态电阻:47.6欧 (都是FK830L数字表测)
200W 220V白炽灯冷态电阻:22.1欧300W 220V太阳灯冷态电阻:201欧 (两百多欧)
500W 220V太阳灯冷态电阻:8.1欧
1000W 220V太阳灯冷态电阻:4.7欧
从上面的数据我们可以看出,不同的灯用不同的材料时,其参数有很大的变化.
11、控制开关
非常多电路图上我们可以看到电源开关设在总电路中,这并不科学.在实际使用中,控制开关使用频率很高,特别是用于捕鱼,基本上是处于间歇接通状态,接通工作时间比断开时间少得很,如果是用IC主控,则要考虑软启动时间不能长,接灯泡测试时,不能有肉眼能感觉得出灯丝是由红变白的过程,不然就尽是赶鱼游泳了.控制开关要设在小电流电路中才能耐用又不消耗有限的电能,我只控制IC的供电电源.
12、输入电流控制
输入电流控制最好用互感取样,不消耗电能,又能精确.电流保护方式最好采取打嗝式的,即超过最大电流时关机,解除后又能自动快速恢复工作.因为使用中常有短时间的碰杆即将输出短路,如果采用到最大电流后恒流方式,将会浪费电能.曾经用过干簧管作为输入电流限流控制,这种方式在电池电压变化时,机器在移动时,输出负载变化时,其动作所需电流都径不相同,很难调整.而这些机器在工作时各种条件都是不断变化的.
【几个实测参考电流值】
1)场管没有接入时,输入电流值25mA;
2)变压器没有接入时,输入电流值100mA;
3)变压器主输出绕组没有接入时,输入电流值36mA,电压闭环已工作,将输出脉宽调小,使输出电压稳定在设定值.
4)空载(负载没有接入)时,输入电流值272mA
13、原理图,下面这张是本机的原理图.仅供大家参考.
