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

умножитель

зовать поле высокой частоты от специального генератора, как это сделано в аппарате АФ-3, либо осуществлять питание нити накала с помощью индивидуального трансформатора накала через ем­ кость анод-катод кенотронов.

Из вышесказанного следует, что использование промежуточ­ ной частоты и выпрямление высокочастотного напряжения облада­ ет следующими преимуществами: малыми величинами зарядных емкостей; небольшими габаритами повышающего трансформатора и выпрямительных устройств; безопасностью в эксплуатации ввиду небольшого запаса энергии в элементах выпрямителя и сглажи­ вающего фильтра; отсутствием мощного искрения в нагрузке, вследствие малых выходных емкостей; большими возможностями модулирующих устройств, так как модуляция может быть осуще­ ствлена в любом каскаде, легкостью использования в системах ав­ томатического регулирования; высоким быстродействием.

Недостатками следует считать: наличие специального высоко­ частотного генератора синусоидального напряжения, сравнитель­ но сложную схему устройства.

Большим к. п. д. преобразования обладает схема, преобразую­ щая постоянное напряжение в переменное не синусоидальной, а прямоугольной формы, при этом уменьшаются габариты за счет радиаторов охлаждения мощного выходного каскада преобразова­ теля. Имеет место и уменьшение пульсаций на выходе по сравне­ нию с синусоидальной формой. Все преимущества выпрямления высоковольтного высокочастотного напряжения синусоидальной формы остаются справедливыми и для прямоугольной формы пре­ образуемого напряжения. Требования к повышающему контуру в случае высокочастотного источника высокого напряжения сущест-

20

венно отличны от требований к повышающей обмотке выпрямите­ ля, работающего от низкочастотного источника тока. В последнем случае, вследствие малых значений рабочей частоты, собственная емкость повышающей обмотки, емкости монтажа и вентилей прак­ тически не оказывают влияния на работу выпрямителя. Здесь с успехом можно применять вентили, собранные из полупроводнико­ вых диодов, что затруднительно выполнить в случае высокочастот­ ного источника высокого напряжения из-за больших величин ем­ костей и потерь, которые они вносят в повышающий контур. Тре­ бования к повышающему контуру, также как и к выпрямителю, при использовании высоких частот значительно возрастают [6].

§ 3. ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ ЯВЛЕНИЯ САМОИНДУКЦИИ

Рассмотрим метод получения высокого напряжения за счет резкого изменения тока в индуктивности и последующего выпрям­ ления и сглаживания (схемы с ударным возбуждением контура и др., рис. 1.10). Особенность работы генератора с ударным конту­ ром, работающим на схему выпрямления, заключается в том, что не все генерируемые колебания используются для выпрямления переменного тока. При однотактном выпрямлении (без умноже­ ния напряжения) используется только один импульс первого коле­ бания, имеющего наибольшую амплитуду. При двухтактном вы­ прямлении используются только первые два импульса, т. е. одно полное колебание.

Такой режим работы устройства является нормальным, так как при наличии достаточно большого эквивалентного затухания в

Рис. 1.10. Принципиальная схема импульсного генератора

21

контуре амплитуды последующих импульсов напряжения будут значительно меньше предыдущих, и дальнейшее прохождение им­ пульсов тока через кенотроны оказывается невозможным. Предпо­ лагается, что величины накопительных емкостей и частота преры­ вания тока генераторной лампы выбраны, исходя из-условия обес­ печения нормального режима работы импульсного источника высокого напряжения.

Если же для получения высокого напряжения постоянного то­ ка используются затухающие высокочастотные колебания со зна­ чительными интервалами во времени между сериями колебаний (период высокочастотных колебаний значительно меньше периода прерывания тока), то в этом случае кенотроны работают в импульс­ ном режиме. Импульсный режим характеризуется относительно большой амплитудой тока через кенотрон за короткий промежуток времени со значительной паузой между выпрямляемыми импуль­ сами тока. Такой выпрямитель называется и м п у л ь с н ы м в ы­ п р я м и т е л е м в ы с о к о г о н а п р я ж е н и я .

Из изложенного следует, что в импульсном выпрямителе с кас­ кадами умножения напряжения затухающие колебания в контуре, начиная со второго периода, непосредственно не используются для получения высокого напряжения постоянного тока [6]. Однако эти колебания могут быть использованы для питания трансформа­ торов накала кенотронов.

Работа схемы умножения напряжения в импульсном выпрями­ теле в принципе не отличается от рассмотренной выше работы схе­ мы умножения в случае высокочастотного выпрямителя. Однако в силу того, что в импульсном выпрямителе используются затухаю­ щие высокочастотные колебания, кенотроны положительной груп­ пы будут работать в несколько отличном режиме, чем кенотроны

нов.

Отмеченная особенность работы импульсного источника высо­ кого напряжения с ударным контуром отличает его от высокоча­ стотного источника высокого напряжения. В последнем для вы-, прямления используются все высокочастотные импульсы, по­ скольку колебания не затухают. Кенотроны работают в нормаль­ ном выпрямительном режиме [7].

В работе высокочастотного и импульсного источников высоко­ го напряжения имеются существенные различия, которые были указаны выше. Однако в их работе можно отметить и общие чер­

.22

ты. Они заключаются в использовании для выпрямления тока вы­ соковольтных высокочастотных колебаний. Это обстоятельство позволяет производить анализ работы повышающего (высоко­ вольтного) контура в обоих случаях по единой методике. При этом за основу следует принять анализ работы повышающего контура импульсного источника высокого напряжения при наличии зату­ хающих колебаний.

Преимущества схем ударного возбуждения контура по сравне­ нию со схемами, использующими незатухающие колебания высо­ кой частоты, заключаются в лучшем использовании анодного напряжения генераторных ламп (или коллекторного — для транзи­ сторов) при уменьшенном числе витков высоковоль'тного транс­ форматора, отсутствии обмоток обратной связи.

К недостаткам следует отнести большие перенапряжения в схеме генератора, не позволяющие эффективно использовать тран­ зисторы; малый к. п. д. преобразования, так как используется только один или два высокочастотных импульса; малое быстродей­ ствие, определяемое частотой следования управляющих импульсов; увеличенную пульсацию высокого напряжения, определяемую ча­ стотой запускающих импульсов; большие перегрузки высоковольт­ ных кенотронов по току.

Все вышесказанное позволяет сделать вывод о нецелесообраз­ ности применения схем ударного возбуждения контура в модули­ рованных источниках высокого напряжения.

§ 4. ДРУГИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Для получения высокого напряжения широко используются электростатические генераторы. Принцип действия их заключается в перемещении электрических зарядов против сил электрического поля, причем работа, затрачиваемая на перемещение заряда, прев­ ращается в электрическую энергию. Существует много типов элек­ тростатических генераторов, отличающихся способом транспорти­ ровки зарядов [8—12], например, генератор с жестким ротором

ввиде цилиндров или дисков, с гибкими лентами (Ван-деГраафа),

спылевидным или жидким транспортером и др.

Для улучшения электроизолирующих свойств среды и уменьше­ ния габаритов электростатических генераторов используется сжа­ тый газ или вакуум. Генераторы применяются обычно в тех случа­ ях, когда не требуется большая мощность, диапазон рабочих на­ пряжений— от десятков до .сотен киловольт.

Электростатические генераторы отличаются постоянством гене­ рируемого напряжения и возможностью достижения высокой сте­ пени стабильности выходного напряжения. Преимущества генера­ торов — отсутствие больших фильтрующих емкостей и перенапря­ жений при коротком замыкании нагрузки; более эффективно их

23.

7 — отпайка; 8 — провод; 9 — резиновый цоколь

работа проявляется в области слабых токов нагрузки при выходном напряжении более 60 кв. При меньшем напряжении они эко­ номически менее выгодны по сравнению с преобразовате­ лями.

Существенным недостатком электростатических генераторов яв­ ляется сложность модуляции выходного напряжения, так как ши­ рокополосная модуляция может быть осуществлена включением управляющего элемента на стороне высокого напряжения. Регули­ рующий элемент при этом должен рассчитываться н-а максималь­ ную величину высокого напряжения, а их цепи управления весьма сложны.

При включении регулирующего элемента на стороне низкого напряжения или в цепи обратной связи полоса воспроизводимых частот не превышает нескольких герц. Большое внутреннее сопро­ тивление не позволяет получить значительные токи в импульсе.

Кроме рассмотренных способов получения высоких напряжений существуют еще электрохимический (гальванические и топливные

,элементы, аккумуляторы и т. д.) и электретный (фото-, термо-, электроэлектретный). Однако для получения высокого напряже­ ния с помощью таких источников необходимо соединять последова-

24

тельно большое количество элементов, что является существенным недостатком.

Наибольший интерес представляют атомные батареи, в кото­ рых энергия ядерной реакции непосредственно превращается в электрическую Ш-

Допустимая величина тока нагрузки высоковольтной батареи зависит от скорости распада используемого радиоактивного веще­ ства. Различные радиоактивные вещества характеризуются посто­ янной времени, так называемым периодом полураспада. Эта по­ стоянная времени для разных веществ исчисляется от долей секун­ ды до десятков миллиардов лет. Чем больше период полураспада', тем дольше может служить атомная батарея, но тем меньше чис­ ло атомов распадается в единицу времени и, следовательно, тем меньше возможный ток нагрузки. Такие источники обеспечивают получение токов от единицы до десятков микроампер при напря­

Это напряжение может достигать десятков тысяч вольт, вследст­ вие чего такие б'атареи названы высоковольтными.

Другая конструкция высоковольтного атомного элемента пока­ зана на рис. 1. 11 б. На торце массивного электрода 5 помещен препарат радиоактивного стронция 6. Цилиндр 7, являющийся корпусом прибора, служит изолятором между электродами 5 и 5. Внутри он снабжен тонкой перегородкой.

Если перегородка имеет толщину 0,5 мм и активность радио­ активного препарата составляет 25 милликюри, то начальный ток нагрузки равен 1,1- 10-11 а, а предельное напряжение на элементе составляет 3700 в. При радиоактивном препарате активностью в 54 милликюри напряжение’поднимется до 6600 в.

Атомный источник высокого напряжения, пригодный для ис­ пользования в переносной аппаратуре и для питания различных устройств ЭИТ, показан на рис. 1. 11 в. Источник представляет со­ бой стеклянный баллон, состоящий из двух цилиндров, сваренных друг с другом через металлическое кольцо. Внутри этого кольца при помощи пружинных защелок укреплен коллектор (3-частиц. Противоположный конец коллектора центрируется слюдяным кольцом. Коллектор двухслойный: наружный цилиндр •— из ни­ келя, внутренний — из алюминия. Благодаря такой конструкции обратное рассеяние р-частиц коллектором составляет 14% от

25

общего потока (3-частиц, падающих на коллектор. Обратное рассея­ ние нщеля — 22% [13].

Соосно с коллектором, на двух ножках, укреплен источник (3- излучения. Он представляет собой бесшовную никелевую трубку толщиной в несколько микрон, внутри которой нанесен равномер­ ный тонкий слой активного препарата.

Торцы эмиттера и коллектора закрыты электродами и закруг­ ленными краями. Благодаря этому градиенты потенциала у краев распределяются более равномерно, а также предотвращается по­ падание некоторых (3-частиц на поверхность стеклянной колбы.

Вывод положительного электрода осуществляется платинитовым

Вготовом виде источник помещается в металлический корпус

столщиной стенки, достаточной для ослабления тормозного излу­ чения. Вывод провода от положительного электрода осуществля­ ется при помощи резинового цоколя через отверстие в корпусе. Отрицательным электродом служит сам корпус, в котором закреп­

ляется кольцо колбы. Герметичность корпуса достигается резино­ выми уплотнениями.

Источник в корпусе совершенно безопасен: тормозное рентгенов­ ское излучение достаточно ослабляется стенками; в случае меха­ нического повреждения баллона корпус предотвращает рассыпа­

ние до 24 кв при сопротивле'нии 1,6-1013 ом (сопротивление источ­ ника и электростатического вольметра С—96) и при постоянной времени около 6- 102 сек.

Так как средняя энергия (3-спектра S90—/90 около 1,4 Мэе и

спектр содержит незначительное количество электронов с энерги­ ей ниже 24 кэв, то ток, развиваемый источником, при изменении напряжения от 0 до 24 кв практически не зависит от напря­ жения.

Очень ценным качеством высоковольтных атомных источников является то, что они не боятся коротких замыканий и совершенно безопасны с точки зрения возможности получения электрической травмы. Источники допускают параллельное и последовательное соединение. Работа источников не сопровождается шумом и не вы­ зывает радиопомех.

Атомные батареи не чувствительны к изменениям окружающей температуры и давления.

Основным недостатком описанных атомных батарей высокого напряжения является их малая мощность. Модуляция возможна лишь включением регулирующего элемента на стороне высокого напряжения.

26

§ 5. ПРИМЕРЫ ИСТОЧНИКОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ПО ЧАСТОТЕ

а) Портативный транзисторный источник высокого напряжения»

Высоковольтный источник напряжения (ВИН) — малогабаритный прибор, собранный на транзисторах. Принципиальная схема ВИН приведена на рис. 1. 12.

Каскад задающего генератора представляет собой генератор прямоугольных колебаний, собранных на транзисторах Т\ и Т2. Частота его изменяется в пределах от 2 до 8 кгц. Усилитель напря­ жения собран на транзисторах Тг и Г4. Для повышения темпера­ турной стабильности усилителя введена параллельная обратная

СВЯЗЬ ПО ПОСТОЯННОМУ ТОКУ {RW, Ri5,C7).

Предоконечный мостовой усилитель, предназначенный для «раскачки» мощного оконечного каскада, собран на транзисторах Т5—Ts и должен развивать мощность на выходе около 10 вт. Этот каскад также охвачен последовательной отрицательной обратной связью по напряжению, снимаемому с обйоток . (IV—V) транс­ форматора Тр-1.

Оконечный усилитель мощности является основным блоком ВИН и представляет собой двухтактный усилитель мощности на

схему прибора от источника питания.

Нормально разомкнутые контакты 7—8 замыкаются -и подклю­ чают обмотку реле Р2, в результате замыкаются контакты 9—10 и размыкаются контакты 5—6, отключающие обмотку реле Pj от источника питания.

Нагрузкой оконечного каскада является высоковольтный тран­

производится с помощью резистора Рэ, а также при изменении то­ ка нагрузки — подстройкой амплитуды и частоты задающего гене­ ратора. Выходное напряжение контролируется с помощью вольт­ метра, подключенного к высоковольтному делителю.

Внутри прибора помещены аккумуляторы для автономной рабо­

27

T,cTu/72tPA 2»чЪс№в-2М

Рис. 1.13. Схема высоковольтного стабилизированного источника

Схема высоковольтного стабилизированного источника приведена на рис. 1.13. Задающий генератор состоит из двухкаскадного уси­ лителя, охваченного положительной обратной связью, на транзи­ сторах 7*1 и Т2. С резистора R3 снимаются прямоугольные колеба­ ния амплитудой до 8 в. Частота этих колебаний может изменяться с помощью резистора R$ от 500 до 5000 гц.

На транзисторе Т3 собран управляемый усилитель-ограничи­ тель. На базу этого транзистора подаются прямоугольные колеба­ ния с резистора R3. Величина коллекторного напряжения транзи­ стора Т3 регулируется с помощью схемы сравнения. Таким обра­ зом, выходное напряжение* снимаемое с резистора Rw, полностью определяется работой схемы сравнения.

Усилитель напряжения выполнен по схеме с общим эмиттером на транзисторе Т4, а на транзисторах Г5—Тц собран усилитель мощности. ^

Диоды Д4—Д9 предохраняют мощные транзисторы Тю, Тп от перенапряжений, возникающих в схеме. Трансформатор ТрЗ — вы­ соковольтный, работает на частоте собственного резонанса. Наст­ ройка в резонанс производится переменным резистором R$ в за­ дающем генераторе.

Выпрямитель выполнен по схеме утроения напряжения на дио­ дах Дю—Д21 и конденсаторах С8, Сю, Сп . На выходе утроителя, при настройке в резонанс трансформатора ТрЗ, образуется напря­ жение 50 кв. При этом ток, потребляемый нагрузкой доходит до

2 ма.

Для измерения амплитуды выходного напряжения и контроля за настройкой ТрЗ в резонанс, а также для работы схемы сравнения к выходу выпрямителя подключен резисторно-емкостный высоко­ омный делитель. Для увеличения быстродействия цепи обратной

29