книги из ГПНТБ / Медников, В. А. Высоковольтные модулированные униполярные генераторы

§ 7. ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ И ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

СХЕМ МОДУЛИРОВАННОГО ГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полная функциональная схема модулированного генератора представлена на рис. 3.23. Она состоит из задающего генератора, работающего на частоте 100 кгц, буферного усилителя и усилите­ ля-формирователя колебаний. Прямоугольные импульсы с выхода усилителя-формирователя поступают на вход двухтактного ши­ ротно-импульсного модулятора, формируются по длительности и разделяются по двум каналам. Сформированные колебания по­ ступают на двухтактный оконечный импульсный усилитель через усилители-формирователи. Усиленные по мощности импульсы противофазно складываются в первом трансформаторе, повышаются до необходимого уровня во втором, выпрямляются, фильтруются и поступают в нагрузку.

Прибор представляет замкнутую систему автоматического ре­ гулирования с жесткой отрицательной обратной связью, его вы­ ходное напряжение сравнивается с модулирующим, а сигнал рас­ согласования после усиления поступает в обмотки управления ШИМ.

Принципиальная схема модулированного генератора пред­ ставлена на рис. 3.24.

Генератор высокой частоты (/=100 кгц) выполнен на транзи­

ется резисторами R u R2, Rf, L\ R3 — представляют Особой комп­ лексную нагрузку транзистора Т\, работающего в схеме с общей базой. Т2 — выполняет функцию эмиттерного повторителя с боль­ шим входным и малым выходным сопротивлениями.

Рис. 3.23. Функциональная схема модулированного высоко­

вольтного источника.

100

баний на частоте резонанса колебательного контура. Индуктивность L] по переменному току увеличивает сопротив­

ление нагрузки для Ти Для исключения влияния последующих каскадов на работу генератора введен буферный усилитель, пред­ ставляющий схему с общим коллектором, собранным на транзи­ сторе Г3. Режим работы по постоянному току обеспечивается ре­ зисторами R5 R6 и транзистором Т2Нагрузка каскада по перемен­ ному току — обмотка I первого трансформатора. Обмотка II и III управляют работой усилителя-формирователя, собранного на 74, Т5, С4, R?. Сердечник трансформатора Тр1 —кольцевой из ферри­ та марки 100 НН, размером 10X6X3 мм.

Режим работы следует выбирать таким, чтобы при открытом Г5—Та был закрыт, и наоборот.

Широтно-импульсный модулятор состоит из дросселей насы­ щения Dpi и Dp2, содержащих сердечник с ППГ марки ВТ-2 раз­

Резистор Rw и стабилитрон D\ обеспечивают параметрическую стабилизацию задающего генератора и ШИМ.

Импульсы с выхода ШИМ по форме отличаются от прямо­ угольной, а их мощность недостаточна для возбуждения оконеч­ ного усилителя, поэтому в схему введены усилители-формировате­ ли, собранные на транзисторах Т6—Т9.

В трансформаторах 7р2, 7р3 использованы ферритовые сердеч­ ники марки 100 НН размером 20X10X4 мм и содержат 36 витков в первичных обмотках и 4 витка во II и III обмотках, намотан­ ных проводом ПЭВ диаметром 0,2 мм.

Для согласования усилителя-формирователя с оконечным уси­ лителем мощности служат трансформаторы 7р4, 7ps имеющие 97 витков первичных и 30 витков вторичных обмоток, выполненных из этого же провода ПЭВ диаметром 0,2 мм, намотанных на коль­ цевом сердечнике из феррита 100 НН размером 20X10X4 мм.

С вторичных обмоток трансформатора 7р4, Гр5, подаются пооче­ редно прямоугольные импульсы на оба плеча двухтактного усили­ теля мощности. Этот усилитель состоит из Т12, Г13, 716, Т17, пред­ ставляющих батареи из 15 параллельно соединенных транзисторов типа МП21. Тю, 7ц, 714 и 7i5 осуществляют управление бата­ реями транзисторов мощного каскада. Согласование обоих плеч усилителя и нагрузки осуществляется с помощью трансформатора 7р6. Обмотки трансформатора с выводами 1—6 силовые и содер­ жат по 2X9 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,1 мм. Выходная обмотка, подключенная между выводами 10—11, содежит 270 вит­

102

создания на коллектор-эмиттерном переходе открытых управляю­ щих транзисторов Тю, Тц, Тц, Г15 напряжения в два вольта, содержат по 4 витка (2X2) провода ПЭВ-2 диаметром 1,1 мм. Кремниевые стабилитроны De-^Dg и Dn-^-D^ предохраняют бата­ реи транзисторов от перенапряжений, возникающих в схеме при переключении.

Через диоды Z)4, Z)5, Dю, Dn подаются положительные напря­ жения смещения для запирания батарей транзисторов. Одновре­ менно они ограничивают обратные напряжения на эмиттер-базо- вом переходе управляющих транзисторов.

Трансформатор Т& — высоковольтный, состоит из прямоуголь­ ного сердечника, изготовленного из никель-цинкового феррита НН-600. Первичная обмотка содержит 10 витков провода ПЭЛШО диаметром 0,27 мм, три высоковольтных — 300 витков провода ПЭЛШД диаметром 0,1 мм каждый. Для увеличения электрической прочности изоляции обмотки пропитаны полисти­ ролом.

Высоковольтный выпрямитель собран на вакуумных лампах которые питаются от индивидуальных трансформаторов ГР8—7pi3. Трансформаторы накала выполнены на кольцевых фер­ ритовых сердечниках НЦ-2000 размером 20X10X4 мм. Обмотка содержит 169 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,2 мм с отводом

от пятого витка для накала кенотрона.

Выходное высокое напряжение преобразуется в низкое каска­ дом, собранным на транзисторах Т21, Т22, высоковольтных рези­ сторах делителя Д18Э-Д2о. Переключатель В\ изменяет режим ра­ боты схемы с измерения напряжения на режим измерения тока.

Измерение высокого напряжения осуществляется прибором ИПЬ ток нагрузки — ИП2. Ток полного отклонения ИГД—50 мка и ИП2—2 ма. Кремниевый стабилитр9н Д2о и резистор защищают схему измерения от перегрузок при перенапряжениях. Входное на­ пряжение от источника модулирующего сигнала и измеренное вы­ сокое напряжение поступают на дифференциальную схему сравне­

через диоды Д 16—Д 17 поступает ток в обмотки управления ШИМ. Резисторы Д23 и кремниевый стабилитрон Д 18 образуют цепоч­ ку параметрической стабилизации напряжения. В схеме преду­ смотрена ручная установка уровня высокого напряжения. Гнезда Г1 служат для подключения внешнего модулятора с использовани­ ем постоянной составляющей источника модулирующего сигнала. Выходное напряжение модулированного генератора изменяется от 0 до 50 кв при изменении входного сигнала от 0 до 5 в. Это

соответствие устанавливается резистором Д2g.

103

Г лава ч е т в е р т а я

СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛИРОВАННЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Статические и динамические характеристики модулированных генераторов высокого напряжения наиболее полно раскрывают возможности устройства, целесообразность их применения в техно-, логических процессах, системах, физических экспериментах.

Наиболее важными из статических характеристик являются диапазон выходных напряжений, токов и допустимых мощностей, стабильность выходных параметров при изменении внешних усло­ вий.

' К динамическим характеристикам следует отнести точность воспроизведения формы модулирующего напряжения, спектр мо­ дулирующих частот, запас устойчивости по амплитуде и фазе сиг­ нала. Статические и динамические параметры модулированного генератора униполярного напряжения определяются структурой и работой всех блоков и систем в целом.

§ 1. ДИАПАЗОН РЕГУЛИРУЕМЫХ НАПРЯЖЕНИИ

Диапазон регулируемых напряжений и токов определяется принципом работы самой схемы источника и конструкцией высоко­ вольтных выходных каскадов. Дополнительное ограничение на выходной ток обусловливается допустимой мощнортью в нагрузке, определяемой максимальным током в цепях электродов импульс­ ного усилителя мощности. Глубокая обратная связь трансформи­ рует внешние характеристики разомкнутой системы, но в преде­ лах вышесказанных ограничений.

При работе прибора в качестве источника стабилизированно­ го высокого напряжения можно построить его внешнюю характе­ ристику (рис. 4.1). На рисунке заштрихована зона допустимых величин токов и напряжений. По краям рабочая зона ограничена внешней характеристикой разомкнутой системы, а в средней ча­ сти — допустимой мощностью, отдаваемой источником. Линия защиты от перегрузок на рис. 4.1 обозначена штрихами.

104

Рис. 4.1. Внешняя характеристика модулированного источ­ ника высокого напряжения в статическом режиме

На том же рисунке штриховыми горизонтальными линиями по­ казана внешняя характеристика высоковольтного источника с замкнутой системой обратной связи в режиме стабилизации напря­ жения. Наклон этих прямых характеризует внутреннее сопротив­ ление источника в динамическом режиме. Вертикальные штрихо­ вые линии характеризуют работу источника в режиме стабилиза­ ции тока.

Такая универсальность прибора, позволяющая работать в ре­ жиме стабилизации как тока, так и напряжения, делает его при­

Максимальное напряжение источника может быть определено в режиме холостого хода и отах=Пк U \—AU0, где AU0 обусловле­

на потерями в насыщенных транзисторах, выходных трансформа­ торах, вентилях выпрямителей и фильтре. По своей величине AU0 не превышает нескольких киловольт.

Минимальное выходное напряжение определяется работоспо­ собностью схемы измерения и сравнения при малых напряжениях.

Так как выходное напряжение со схемы измерения не может быть получено менее 0,4 в, то с учетом нестабильности других элементов, минимальное управляемое выходное напряжение опре­

деляется величиной порядка 2,5 кв.

Таким образом, диапазон выходных напряжений Н0= 2,5-1-50 кв; при токе 20-4-1,5 ма соответственно (при малых напряжениях большие токи и наоборот).

§ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА СТАБИЛИЗАЦИИ И ТОЧНОСТИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ МЕДЛЕННО МЕНЯЮЩЕГОСЯ СИГНАЛА

Модулированный источник по существу является автоматиче­ ским регулятором, который управляет мгновенными значениями напряжений обратной связи Uос по мгновенным значениям входно­ го напряжения UBх. Для определения статических, параметров прибора рассмотрим его упрощенную схему (рис. 4.2).

Предположим, что Пвх увеличивается на некоторую величину, тогда увеличивается напряжение рассогласования Up и напряже­ ние обратной связи, а следовательно, и, выходное напряжение UвыхТак как UV= U SX— $UBых, то Uv уменьшается. Уменьшение и р будет происходить до тех пор, пока в схеме не наступит равно­ весие, при котором все напряжения будут пропорционально уве­ личены по сравнению с прежними значениями. При дораточно большом i(0Рос имеет место неравенство

Если Uвх непрерывно изменяется, то напряжение обратной свя­ зи также изменяется, т. е. £У0С повторяет t/BX. В этом случае уси­ литель с коэффициентом передачи Ко работает в качестве нульиндикатора, который обнаруживает и усиливает отклонения на­

' Л :

Рис. 4.2. Упрощенная схема модулированного источника высокого напряжения

106

исправляет эти отклонения. Чем больше Л'оРос, тем точнее регули­ рование. Абсолютный коэффициент стабилизации h можно найти из формулы

Выходное сопротивление определится

в1 —РосА'о

Анализ схемы источника показывает, что

Коэффициент передачи петли обратной связи

Рос = - 2 - 1 0 - 4.

Для (4—1) имеем

Z b = 1 —рос к 0 = ~2л ¥ = 103 о м = 1 к о м "

Такая величина выходного сопротивления обеспечивает малый на­ клон нагрузочных кривых и слабую зависимость формы выходно­ го сигнала от нагрузки.

Точность воспроизведения модулирующего сигнала зависит от стабильности параметров элементов схемы и коэффициента усиле­ ния.

Определим величину нестабильности при изменении коэффици­ ента усиления прямой цепи. Полагая, что все величины вещест­

При изменении температуры окружающей среды коэффициент усиления транзисторов изменяется. Если принять, что максималь­ ная величина коэффициента усиления равна двум, то нестабиль­ ность коэффициента передачи модулированного генератора высо­ кого напряжения равна 0,4 -10—3. Однако точность воспроизведе­ ния модулирующего сигнала ограничена погрешностью схемы из­ мерения высокого напряжения уп, которая не превышает 1 %.

§ 3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ

Для нормального функционирования прибора необходимо иметь достаточный запас устойчивости, чтобы обеспечить высо­ кое качество регулирования [46].

5* 107

Л Х

Рис. 4.3. Упрощенная функциональная схема мо­

дулированного источника высокого напряжения

Анализ производится после составления структурной схемы прибора по функциональной. Упрощенная функциональная ' схема представлена на рис. 4.3.

Для составления структурной схемы выделим динамические звенья, описываемые определенными передаточными функциями.

Входной и выходной сигналы могут иметь различную физиче­ скую природу. Динамические свойства системы должны обладать

108

Рис. 4.4. Структурная схема широтно­

импульсного модулятора

Рис. 4.5. Форма напряжения на выходе импульс­

ного усилителя мощности

Рис. 4.6. Структурная схема импульсно­

го усилителя мощности

Рис. 4.7. Функциональное звено передаточной функции

высоковольтного трансформатора