8 Расчет высоковольтного усилителя напряжения

Принцип действия высоковольтных усилителей: низкочастотные напряжения от источника опорного напряжения выпрямляется низковольтным выпрямителем и подается для питания конвертора, который вырабатывает высокочастотные колебания, поступающие через высоковольтный трансформатор на умножитель напряжения.

Достоинствами высоковольтных усилителей являются малые габариты и вес, а также возможность плавного регулирования выходного напряжения с большим коэффициентом усиления по мощности. Уменьшения весогабаритных параметров происходит за счет высокой частоты, а плавное изменение выходного напряжения возможно благодаря использованию в конверторах регулируемых элементов: ламп, транзисторов, теристоров.

Все разновидности высоковольтных усилителей обусловлены различием либо в схемах конверторов, либо в конструкциях трансформаторов, либо в схемах умножителей напряжения.

Исходные данные:

- мощность источника на выходе P_вых, Вт 6;

- напряжение на выходе U_вых, кВ 17;

- число каскадов (ступеней) умножителя n 5;

- необходимость применения ВВУ в ДП в качестве необходимого элемента, обеспечивающего работу всей системы;

- в случае очевидной несуразности несимметричной схемы обосновано необходимость перехода к симметричной схеме.

Расчет:

1. Определяем напряжение на выходе трансформатора U_тр

2. По уровню напряжения на выходе трансформатора U_тр выбираем тип трансформатора. Поскольку P_вых<100 Вт в качестве базового возьмем трансформатор выходной строчный ТВЦ90ЛЦ2-1 с следующими параметрами

[ , страница 43]:

- мощность на выходе трансформатора P^/_тр, Вт 110;

- рабочая частота трансформатора f, Гц 6250;

- выходное напряжение трансформатора U_тр, кВ 4,5;

- индуктивность трансформатора в рабочей точке L_тр, Гн 1,68.

Если расчетное напряжение трансформатора меньше напряжения выбранного трансформатора, то трансформатор берется один

U_тр.р<U_тр, то m=1,

где m – число трансформаторов.

3) Число каскадов умножителей напряжения (УН) на каждый трансформатор считается по формуле

Все дальнейшие расчеты производятся для одного блока трансформатора, питающий один умножитель напряжения.

4) Предположим что задан согласованный режим, т.е. каждое внутреннее выходное сопротивление трансформатора равно внутреннему входному УН.

Подсчитаем величины емкости УН по формулам [ , страница 38, формула 2.7]

,

где n=n_­^/ - число каскадов, рассчитанных в п.3;

i – целое число, порядковый номер конденсатора

=2f=23,146250=3,92710⁴.

Емкости первых двух конденсаторов равны между собой и индекс i берется равным 1, а индексы остальных конденсаторов для пяти каскадов УН, начиная с третьего конденсатора: 3, 4 и 5.

5) По следующей формуле [ , страница 39, формула 3.14] для нечетного числа каскадов в УН рассчитаем необходимую мощность трансформатора, питающего УН в блоке, Вт

где U_тр – напряжение на трансформаторный блок, который считается по формуле

Тогда

Поскольку P_тр>>P_тр=110 В, то в данном случае расчет для согласованного режима при выбранных емкостях нецелесообразен.

6) Уходим от согласованного режима и переходим к режимам с неравными емкостями УН, которые близки к согласованным.

Для этого считаем КПД загрузки трансформатора в режиме близкого согласованному по следующей формуле в зависимости от четности числа каскадов n=5 [ , страница 39, формула 3.5]

7) Определим потребляемую мощность блока трансформатора, необходимую для питания одного блока УН по формуле

8) Определим число трансформаторов

9) Определим мощность каждого трансформаторного блока

этой мощностью обладает каждый трансформатор при индивидуальной накачке.

Так как P_тр<100 Вт, то в качестве мультивибратора берут мультивибратор Роера, схема которого приведена в [ , схема 76].

10) По следующей формуле, при условии, что число каскадов нечетно n=5, определяют емкость C₂ и C₄ конденсатора УН (индекс рассчитываемых емкостей выбирается с учетом принципиальной электрической схемы высоковольтного усилителя напряжения, рисунок ) [ , страница 39, формула 3.14], пФ

;

Величина емкости следующего конденсатора по порядку в УН в два раза меньше предыдущего. Тогда

Конденсаторы подбираем по стандартному ряду Е12 (т.к. он более часто применяется для конденсаторов), при необходимости с учетом отклонения от номиналов вычисленных параметров емкостей не более чем на 5%. Величина емкости С8=12 пФ соответствует ряду Е12. Величины емкостей C2 ,C4, C5 и C8 не соответствует стандартному ряду Е12, то их подбирают в виде батарей конденсаторов, соединенных последовательно или параллельно. Для получения емкости С2=С4=96 пФ можно соединить параллельно два конденсатора с емкостью в 47 пФ (с учетом отклонения 5%), их емкости при этом складываются, на схеме электрической принципиальной они соответственно обозначены: для С2 - С2.1 и С2.2, а для С4 – С4.1 и С4.2. Для получения емкости С5=48 пФ можно соединить параллельно конденсаторы с емкостями 33 и 15 пФ, на схеме они обозначены как С5.1 и С5.2. Для получения емкости С6=24 пФ можно соединить параллельно два конденсатора с емкостью 12 пФ, на схеме они обозначены как С6.1 и С6.2. Соединение конденсаторов в батареи показано на рисунке .

Пробивное напряжение конденсаторов определяется по формуле

U_пр = 2U_тр = 23,4 = 6,8 кВ

По полученному U_пр и номиналам емкостей выбираем конденсаторы марки [ , страница 97]:

К15У-1-П100-10 кВ ряд Е12 со всеми выбранными емкостями.