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

Г л а в а т р е т ь я

РАЗРАБОТКА МОДУЛИРОВАННОГО ГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Возможны два принципа построения блок-схем модулирован­ ных генераторов, которые воспроизводят выходные параметры, со­

риант б сложнее, чем а. Однако он имеет ряд преимуществ:

1) блок-схема (рис. 3,16.) точнее воспроизводит форму моду­ лирующего напряжения, стремясь к нулевой разнице этих двух величин;

2) при изменении нагрузки система, собранная по блок-схеме (рис. 3.1 6), меньше изменит выходное напряжение, чем в вари­ анте а по причине, указанной в п. 1;

3) блок-схема (рис. 3.1 6) меньше подвержена действию дрейфа, так как система «следит» за разностью выходного напря­ жения и модулирующего. По этой схеме дрейф может существенно влиять только в схеме сравнения в отличие от блок-схемы (рис. 3.1 а), где дрейф возможен во всех каскадах и может непо­ средственно изменять Uиых-

в несколько раз снизится и дрейф напряжения, вызванный неста­ бильностью элементов схемы. Более выгодно использовать блоксхему рис. 3.1 6 с точки зрения качественных показателей, хотя она и сложнее за счет усилителя постоянного тока и схемы срав­ нения, но эти усложнения вполне окупаются лучшими характери­

(рис. 3.1 6), то это приведет к необходимости значительно умень­ шить выходное сопротивление источника, что будет связано с до­ полнительным увеличением габаритов, веса и стоимости

60

Рис. 3.1. Блок-схема модулированного генератора высокого напряжения с широт­

но-импульсной модуляцией а) разомкнутого типа; б) замкнутого типа, работающего по принципу системы

автоматического регулирования с замкнутой петлей отрицательной обратной связи

Из всего сказанного можно сделать выводы.

1. Для получения высокого к. п. д., уменьшения габаритов и веса, увеличения быстродействия регулируемых высоковольтных установок следует проектировать преобразовательные устройства

сширотно-импульсной модуляцией.

2.Для обеспечения жесткости регулировочной характеристики и уменьшения выходного сопротивления следует создавать высо­ ковольтные преобразователи, работающие по принципу замкнутой, системы автоматического регулирования.

Главные требования, ' предъявляемые к элементам блоксхемы.

Быстродействие. Генератор должен обеспечить эффективное уп­ равление постоянной и переменной составляющими выходного на­

должны быть построены так, чтобы эффективно пропускать задан­ ную полосу частот. Высокое быстродействие налагает ряд специ­ фических требований к общеизвестным блокам, особенно к блоку выпрямителя 7 и фильтра 8.

Экономичность. Разрабатываемый генератор должен обладать значительной универсальностью в применении, что невозможно осуществить без выполнения требований экономичности. Следует обратить особое внимание на блоки, где происходит основное пре­ образование энергии (блоки 3, 5, 7, 8). Блоки, по которым переда­ ется информация, могут и не обладать достаточной степенью

61

экономичности, так как преобразование информации идет со значи­ тельно меньшей затратой энергии. Такими блоками можно считать

4, 9, 10, 11 -(рис. 1.4).

Надежность. Это требование к отдельным блокам и всему при­ бору предъявляется в целом достаточно высокое с тем, чтобы во­ время экспериментов, проводимых с помощью модулированного генератора высокого напряжения, получить достоверные сведения. При этом необходимо особо обратить внимание на надежность элементов при воздействии случайных и переходных процессов,, возникающих в приборе при работе его в динамическом режиме.

Точность цоспроизведения модулирующего сигнала удовлетворя­ ется рациональным выбором динамических свойств и оптималь­ ным коэффициентом усиления в петле обратной связи при надле­ жащей динамической устойчивости работы всего устройства.

импульсов. От его характеристик зависит эффективность работы устройства. Более экономичной является работа инвертора в ре­ жиме прямоугольных колебаний, а управление мощностью, посту­ пающей в высоковольтную нагрузку, следует осуществлять измене­ нием ширины импульсов несущего колебания.

Этот блок должен состоять из задающего генератора, опреде­ ляющего частоту преобразования, широтно-импульсного модулято­ ра, преобразующего колебания задающего генератора в прямо­ угольные импульсы, ширина которых определяется управляющим

ляции, с увеличением же — растут потери на переключение в тран­ зисторах силового каскада. Практически оптимальная частота оп­

предъявляет к длительности фронтов как управляющих, так и вы­ ходных импульсов высокие требования. Поэтому необходимы фор­ мирователи импульсов с тем, чтобы время нарастания и время спада импульсов выходного каскада было минимальным.

К широтно-импульсному модулятору могут быть предъявлены такие специфические требования, как наличие двухтактного выхо­ да. Длительность выходных импульсов должна изменяться от ну-

62

Рис. 3.2. Функциональная схема мощного управляемого инвертора

К

5л5

Рис. 3.3. Функциональная схема высоковольтного трансформатора

ля и не превышать половины периодов колебаний задающего ге­ нератора, чтобы не было перекрытия импульсов противоположных плеч усилителя мощности. Это перекрытие резко увеличит потери в выходном каскаде. Формирователь импульсов широтно-импульс­ ного модулятора должен обеспечить высокую крутизну фронтов, а также развить мощность, достаточную для надежного управле­ ния усилителем мощности.

Особое внимание следует уделить оконечному каскаду усили­ теля широтно-модулированных импульсов, так как от его работы зависит экономическая эффективность всего устройства. Полная функциональная схема блока 5 (мощного управляемого инверто­ ра) представлена на рис. 3.2.

Повышающий высоковольтный трансформатор (рис. 1.4, блок

6) необходим для повышения напряжения импульсов с выхода мощного инвертора до величины порядка 10 кв. Разработка, его связана со значительными трудностями, так как при большом ко­ эффициенте трансформации и высоких выходных напряжениях сложно добиваться малых величин индуктивности рассеяния, что делает работу трансформатора мало эффективной.

Для уменьшения индуктивности рассеяния и увеличения жест­ кости нагрузочных характеристик,блок-схему трансформатора сле­ дует разбить на два самостоятельных функциональных узла (рис. 3.3.) Один должен обеспечить необходимое совмещение обо­ их каналов усилителя мощности и обеспечить их эффективную ра­ боту. Кроме того, он должен осуществить предварительное увели­ чение амплитуды имйульсов. Другой — увеличивает напряжение

63

Рис. 3.4. Ф ун к ц и он ал ьн ая сх ем а и зм ер и т ел ь н о го бл ок а срав нен и я

до необходимой величины. Целесообразнее коэффициент трансфор­ мации обоих трансформаторов разбить на равные величины, опре­ деляемые как

«1 = «2 = У «общ .

В этом случае индуктивности рассеяния обмоток могут быть вы­ полнены примерно одинаковыми и значительно меньшими, чем в случае применения только одного трансформатора.

Функциональные схемы блоков 7, 8 не обладают существенны­ ми особенностями, поэтому перейдем сразу к блокам 9, 10.

Схема «сравнения» и высоковольтный преобразователь (рис. 1.4, блоки 9, 10). Блок 9 необходим для нормальной работы схемы «сравнения».

Она должна быть «развязана» со стороны модулирующего сигнала буферным каскадом так, чтобы внутреннее сопротивление источника модулирующего напряжения не влияло на работу схемы «сравнения». Функциональная схема блока «сравнения» представ­ лена на рис. 3.4.

Блок питания (рис. 1.4, блок 3) обеспечивает нормальное функ­ ционирование прибора в стационарных условиях при питании от сети переменного тока промышленной частоты и от внешних акку­ муляторов в условиях работы на подвижных объектах.

Так как напряжение сети переменного тока может колебаться в пределах у = ± 30% и более, то встает вопрос о стабилизации выпрямленного напряжения.

Возможно применение нескольких типов стабилизаторов. Из­ вестны две группы стабилизаторов: параметрические, в которых используются нелинейные свойства отдельных элементов схемы и стабилизаторы, работающие по принципу замкнутой системы авто­ матического регулирования. Для регулирующего элемента воз­ можны два режима работы: в качестве переменного сопротивле­ ния; импульсный, где регулирующий элемент работает в режиме ключа [35].

Рассмотрим более подробно эти способы.

Регулирующий элемент играет роль переменного активного сопротивления и включен последовательно с нагрузкой. При этом считаем, что нагрузка постоянна и меняется лишь напряжение ис­ точника питания.

64

Максимальное и минимальное напряжения питающей сети вы­ разим через у, тогда

Считаем, что регулирующий элемент идеальный, т. е. 0^ /? у^оо , поэтому можно принять

Мощность, рассеиваемая в управляющем элементе, может быть

тогда для к, п. д. стабилизатора; используя (3—4) и (3—5), будем иметь

При максимальном напряжении сети

Т]стабт1п = 0 ,5 3 8 ,

поэтому мощность потерь в управляющем элементе выразится из

(3—6) так:

Задаваясь к. п. д. преобразования низкого напряжения в высо­ кое Т|п—— 0 ,8 при мощности высоковольтной нагрузки, Р 0 , получим, что потери в управляющем элементе достигают величины

Р у = 0 ,8 5 8 - ^ = 1 , 0 7 Я 0.

3 Уп

Расчеты показывают, что при Р0=100 вт нормальная работа управляющего элемента требует теплоотвода с охлаждающей по­ верхности более 5-103 см2, что резко увеличивает габариты, вес и стоимость конструкции; к тому же тепло, идущее от радиатора будет нагревать другие элементы схемы, это приведет к резкому снижению надежности работы устройства.

Рассмотрим другой способ стабилизации напряжения на выхо­ де блока питания при помощи регулятора, работающего в режиме

ключа.

Напряжение в нагрузке определится из соотношения

Для стабилизации необходимо выполнить условие

т. е.

Определим потери в регулирующем ключе, которые состоят из трех частей: потери в открытом ключе, в закрытом и при переклю­ чении. Они будут как в силовой, так и в управляющей цепи. В слу­ чае применения транзисторов это соответствует цепям базы и кол­ лектора

дов, потери не превышают 8 вт при максимальном напряжении пи­ тания и падают с его уменьшением. Рассеяние мощности в 8 вт потребует лишь 100 см2 охлаждающей поверхности радиатора.

Импульсный стабилизатор рациональнее использовать с час­ тичной модуляцией выходного напряжения. Этот метод обладает высоким к. п. д. и меньшими пульсациями по сравнению с им­

66

ром, с другого — на схему сложения. Суммарное напряжение поступает на фильтр, после чего измеряется и сравнивается с опор­ ным. Сигнал рассогласования управляет длительностью импуль­ сов широтно-импульсного модулятора.

§ 2. СИНТЕЗ ИМПУЛЬСНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

Усилитель мощности является одним из основных блоков ус­ тройства. Режим его работы определяет основные технические характеристики прибора: выходную мощность, к. и. д., быстродейст­ вие, тепловой режим. Для его расчета необходимо задаться мощ­ ностью в нагрузке Р0, напряжением источника питания Еи, дли­ тельностью возбуждающих импульсов ти и частотой их следова­ ния f.

В расчетах примем

питания, т. е. способностью работать от сети переменного и посто­ янного тока. Сеть постоянного тока непосредственно используется для питания усилителя мощности, без промежуточных преобразо­ вателей энергии, этим достигается более экономичный режим ра­ боты. Обычно подвижные установки оборудованы сетью постоян­ ного тока с напряжением в 12 в, поэтому целесообразно выбрать напряжение питания ИУМ и всего прибора таким же.

При проектировании усилителя следует стремиться получить наиболее выгодные энергетические соотношения при высокой на­ дежности. Расчет целесообразно начать с определения типа и ко­ личества параллельно илй последовательно соединенных транзи­ сторов в зависимости от их параметров. Для этого определим ам­

/^пар

^ к max

7цэдоп

Транзисторы выходного каскада должны выдерживать напря­ жение между коллектором и эмиттером не менее, чем

3* 67

Количество последовательно соединенных транзисторов в схеме можно подсчитать так:

Транзисторы выходного каскада необходимо выбирать сравни­ вая между собой наиболее подходящие типы и остановиться на тех, которые окажутся наиболее экономичными. С этой целью оп­ ределяют потери мощности, возникающие при работе.

Общие потери в выходном каскаде

Р = ( Д Р н а с + Д Р п е р + ■АДо тс ) Д в -

Для более удобного выбора транзисторов рассмотрим таблицу, в которой отражены составляющие потерь импульсного усилителя мощности (табл. 3). Анализируя ее, убеждаемся, что ни один из рассмотренных транзисторов не удовлетворяет в полной мере тре­ бованиям как по максимальному значению тока коллектора, так и по частотным свойствам одновременно. Поэтому неизбежно воз­ никает необходимость параллельного соединения транзисторов в схеме выходного каскада.

С точки зрения минимального количества наиболее подходя­ щими являются транзисторы типа П702, но в этом случае будут большие потери мощности на их нагрев. .При использовании тран­ зисторов типа Г120—П21 снижаются потери, но увеличивается об­ щее. количество триодов.

Параллельное включение большого количества маломощных транзисторов таких, как П20, отличается еще одним очень важ­ ным преимуществом перед мощными транзисторами. Дело в том, что в мощных триодах при больших плотностях тока существует сильная неравномерность в его распределении по переходу. Мощ­ ность при этом локализуется, что приводит к уменьшению пере­ грузочной способности и снижению надежности. Такая локализа­ ция часто приводит к местному перегреву перехода транзистора, в результате чего он выходит из строя. В маломощных транзисто­ рах площадь перехода мала и такой локализации мощности в

68