РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Введение

Как известно существуют ряд приборов, которые требуют высокое напряжение, к примеру клистроны, лампы бегущей и лампы обратной волны, магнетроны, платинотроны, митроны, фотоэлектронные умножители, рентгеновские трубки [5]. Одними из основных требований данных приборов, предъявляемых к источнику высокого напряжения, является надежность и высокая стабильность выходного напряжения. Для таких приборов и разрабатывается данное устройство [2].

Разрабатываемый источник питания должен обеспечивать стабилизированным высоким напряжением, при потребляемой силе тока до нескольких миллиампер.

В статье предлагается вариант лабораторного высоковольтного источника питания, с исходными данными: напряжение питания – 1000 В, максимальный ток – 1 мА, коэффициент пульсаций – 0,02%.

Разработка и обоснование структурной схемы

В качестве приборов для которых разрабатывается устройство, был выбран ряд типовых электровакуумных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) R1617, R13096, R5984, R821, R8486 напряжения питания, которых 1000±5 В, ток 1 мА [1].

Питающее напряжения аппаратуры: аппаратура запитывается от сетевого напряжения 220В при частоте 50 Гц. Структурная схема источника питания представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема высоковольтного источника питания

Питание от сети переменного тока поступает на выпрямитель (мостовой выпрямитель напряжения), который будет преобразовывать переменное напряжение 220В 50Гц в постоянное напряжение.

Дальше напряжение делится на два канала – канал формирования выходного напряжения и управления выходным напряжением.

Канал формирования выходного напряжения представляет собой стабилизатор напряжения, инвертор напряжения и высоковольтный блок (ВВБ).

Здесь ВВБ представляет собой высоковольтный трансформатор и двухполупериодный выпрямитель.

Канал управления выходным напряжением представляет собой источник опорного напряжения (ИОН), регулирующий элемент (РЭ), усилитель ошибки, делитель напряжения (ДН).

Сигнал постоянного тока со стабилизатора напряжения подается на двухтактный инвертор напряжения и на регулирующий элемент. Напряжение постоянного тока на инверторе, преобразуется в два сигнала высокой частоты, которые при условии замыкания регулирующего элемента в противофазе попадают на высоковольтный блок, с которого высокое постоянное напряжение подается на делитель напряжения и на фотоэлектронный умножитель.

Канал управления выходным напряжением необходим для защиты источника питания и фотоэлектронного усилителя. В случае превышения выходного напряжения заданного уровня. Усилитель ошибки сравнивает сигналы, полученные с источника опорного напряжения и делителя высокого напряжения. Если сигнал, полученный с источника больше сигнала с делителя напряжения, то ключ замкнут, в противном случае разомкнут. Таким образом, источник питания имеет систему блокировки (защиты) от перенапряжений выходного напряжения, предотвращающий повреждение прибора и самого источника при возникновении нештатных ситуаций.

Расчетно-моделируемая часть

Коэффициент пульсаций после прохождения сглаживающего фильтра равен [2]:

                                                                                                               (1)

Коэффициент сглаживания такого фильтра вычисляется по формуле [3]:

                                                                                                     (2)

где  – круговая частота пульсаций,  – сопротивление нагрузки (0,3 МОм),  – емкость фильтра,  – сопротивление фильтра.

Параметр m зависит от схемы выпрямителя например: m=1 для однополупериодного выпрямителя, а m=2 для двухполупериодного выпрямителя.

Складывая коэффициенты пульсаций двух однополупериодных выпрямителей получаем коэффициент пульсаций  = 4 %. Подставим в формулу 1. Рассчитаем по формуле 2 коэффициент сглаживания фильтра и подставим в формулу 1:

Коэффициент пульсаций выходного напряжения соответствует техническому заданию.

Складывая напряжения двух однополупериодных выпрямителей и учитывая максимальный коэффициент пульсаций и номинальное напряжение, получаем минимальное значение выпрямленного напряжения равное [4]:

                                                                                  (3)

где  – напряжение на вторичной обмотке трансформатора,  – прямое падение напряжения на диоде,   – номинальное выходное напряжение.

Подставим значения в формулу 3:

Полученное значение напряжения соответствует с данными из документации на ФЭУ.

Промоделируем высоковольтный блок в среде NI Multisim, моделирование проводится с целью проверки коэффициента пульсации напряжения после RC фильтра.

Рисунок 2. Осциллограмма напряжений после RC фильтра

Определим коэффициент пульсаций после RC фильтра:

                                                                                                 (4)

где  – максимальное значение напряжения,  – минимальное значение напряжения,  – номинальное значение напряжения.

Полученный коэффициент пульсаций по заданному значению 0,02% соответствует.