Высоковольтный стабилизированный источник питания постоянного тока

 

Союз Совете кик

Социапистичесиик

Рес ублии

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 27. 01. 81. (21) 3249798/24-07 (51)М. Кл. с присоединением заявки М

0 05 F 1/56

Вкуйврстювй квивтвт.СИР ав аалаи втабрвтенкй и открытн1 (23) П риоритет

Опубликовано 30. 08. 82. Бюллетень М 32 (53) УДК 621. 316. .727.1(088.8) Дата опубликования описания 30.08.82 (72) Авторы изобретения

1 °

Ю.Б.Несвижский, С.В, Павлов и В. А: Сахаров

Ленинградский электротехнический институт- связи им. проф. И.А.Бонч-Бруевича . (7l) Заявитель (54) ВЫСОКОВОЛ6ТНЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано, например, в устройствах для высоковольтной тренировки электровакуумных приборов, для питания раз личных электронных приборов, а также в различных технологических процессах, требующих применения высоковольтных источников, имеющих сравнительно небольшую мощность. . Известны высоковольтные стабилизированные источники. постоянного тока, содержащие выпрямитель-умножитель, импульсный преобразователь, транзисторный усилитель, генератор импульсов, источник питания и регулирующий транзистор. В указанных ис" точниках регулирующий транзистор включен последовательно с источником питания преобразователя, а выход выпрямителя-умножителя через усилитель связан с входом регулирующего транзистора. Стабилизация выходного нап2 ряжения в этих источниках осуществляется путем изменения питающего напря« жения преобразователя с помощью проходного транзистора при постоянной частоте преобразования 1 11 и (2) .

Недостатками таких,источнйков являются принципиально низкая экономичность и в связи с этим тяжелый тепловой режим стабилизирующего элемента, та а также сравнительно невысокий коэффициент стабилизации, особенно при изменениях нагрузки источника.

Известен также стабилизированный источник высокот о напряжения. Пере"

>g менное напряжение для последующего выпрямителя-умножителя получают в этой схеме путем возбуждения колебательного контура импульсами тока с частотой следования, равной собст2о венной частоте колебаний этого контура. Колебательный контур образован повышающей обмоткой трансформатора и суммарной емкостью схемы. Стабили»

7 ф ней мере одного разделительного транратора, а последовательно с конденсаусилителя постоянного тока, при этом импульсный. преобразователь выполнен с возможностью регулирования амплитуды выходных импульсов при изменении копительного конденсатора, параллельно которому включена цепочка из тириключены к соответствующим выходам блока управления.

На фиг. 1 и 2 изображены принципиальные электрические схемы предла" гаемого стабилизированного источника с различным: выполнением импульсного преобразователя напряжения; на фиг. 3 и 4 " осциллограммы напряжений в преобразователе; на фиг ° 5нагрузочные характеристики предлагаемого стабилизированного источника.

Предлагаемый высоковольтный стабилизированный источник питания постоянного тока содержит импульсный преобразователь 1 напряжения, выпрямитель-умножитель 2, вход которого связан с выходом импульсного преобразователя, а выход - с входом постоянного тока усилителя 3, и блок управления, выполненный в виде мульти3 95497 зация выходного напряжения осуще твляется путем изменения длительности сформатора и зарядного разрядной цеимпульсов тока, возбуждающих коле- пи, состоящей из резистора и конден-. бательный контур (31 сатора, точка соединения через диод

Недостаток этой схемы заключается 5 подключена к коллектору мультивибв том, что стабилизация выходного напряжения может осуществляться толь- тором рключена первичная обмотка ко в узких пределах изменения нагруз" разделительного трансформатора, втоки источника. Например, в режиме хо- ричная обмотка которого соединена с лостого хода или в близком к нему 16 одним из выходов блока управления, режиме стабилизация выходного напря" причем база транзистора мультивибжения вообще невозможна, так как кон- ратора через две введенные цепочки денсаторы выпрямителя будут заряжать- из последовательно соединенных диося до максимального напряжения неэа- да и резисторов соединена с выходом висимо от длительности импульса тока, 15

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является высоковольтный стабилизированный источник питания постоянного тока ко частоты преобразования импульсный

v торыи содержит импульсныи преобразо- 3В (преобраэователь выполнен из последо" ватель, входом подключенный к входным 1вательно соединенных дросселя и наклеммам, выпрямительный умножитель напряжения, вход которого соединен с выходом импульсного преобразователя, стора и первичной обмотки выходного а выход - с выходными клеммами и вхо- 35 повышающего трансформатора, причем дом усилителя постоянного тока, и управляющий электрод тиристора под" блок управления (4J . ключен к одному иэ выходов блока упНедостатками такого устройства и равления, импульсный преобразовадругих аналогичных высоковольтных тель выполнен в виде последовательстабилиэированных источников явля- 3О ного соединения дросселя и двух .конется их низкий КПД за счет потерь туров, каждый из которых состоит из в регулирующем элементе и невысокий накопительного конденсатора; тирискоэффициент стабилизации напряже- тора и половины первичной обмотки ния, особенно при изменении нагрузки выходного повышающего трансформатора, из-за высокого внутреннего сопротив- причем средняя точка упомянутой обления выпрямителя. Последний недос"

35 мотки подсоединена к точке соединетаток с наибольшей степенью проявляет- ния накопительных конденсаторов, а ся в высоковольтных устройствах, со- управляющие электроды тиристоров поддержащих вентильно-конденсаторные умножители напряжения, так как внутреннее сопротивление таких умножителей достигает весьма больших значений.

Отмеченное обстоятельство ограничивает возможности применения таких источников, так как во многих прак45 тически важных случаях требуется иметь неизменное выходное напряжение источника при широких пределах изменения нагрузки вплоть до режима холостого хода. Цель изобретения - повышение КПД и коэффициента стабилизации выход" ного напряжения.

Указанная цель достигается тем, что в высоковольтном стабилизированном источнике питания постоянного тока блок управления состоит из мультивибратора с двумя выходами,,по край5 9549 вибратора с двумя выходами, один из которых подключен к входу импульсного преобразователя 1 через разделительный трансформатор 5 и зарядноразрядную цепь, состоящую из резис- s тора 6 и конденсатора 7, точка соединения которых через диод 8 подключе-, на к коллектору транзистора мультивиб ратора. Последовательно с конденсатором 7 разрядной цепи включена пер- 10 вичная обмотка разделительного трансформатора 5. Коллектор выходного транзистора усилителя 3 постоянного тока через резистор 9 и две диоднорезисторные цепочки 10 подключен к базам транзисторов мультивибратора.

Импульсный преобразователь 1 выполнен из последовательно соединенных дросселя 11 и накопительного кон. денсатора 12, параллельно которому 20 включены последовательно соединенные тиристор 13 и выходной повышающий трансформатор 14.

При другом варианте выполнения импульсного преобразователя (фиг. 2) 2$ дроссель 11 соединен последовательно с двумя контурами, состоящими из накопительных конденсаторов 12 и 15, тиристоров 13, 1& и двух половин пер- вичной обмотки повышающего трансфор- зр матора 14, средняя точка которого подсоединена к точке соединения конденсаторов 12 и 15. Управляющие электроды тиристоров 9 и 16 соединены с выходами мультивибратора через раз- .:; делительные трансформаторы 5 и 17 ,и зарядно-разрядные цепи, содержащие элементы 6 и 7, 18 и 19, подключенные к коллекторам транзисторов мультивибратора через диоды 8 и 20.

Таким образом, источники напряжения (фиг. 1 и фиг. 2) отличаются только схемами импульсного преобразователя 2. Однотактная схема (фиг.1) более проста, но в условиях сильных электромагнитных помех, воздействующих на генератор импульсов 4 и нарушающих периодическую последователь- . ность запирающих импульсов, эта схема подвержена срывам в работе. Двух тактная схема преобразователя (фиг.2) более сложная, но зато обладает высокой устойчивостью работы при воздействии помех на генератор импуль5S сов.

Особенностью предлагаемого высоковольтного стабилизированного источника является применение в нем им"

77 6 пульсного преобразователя, амплиту" да выходных импульсов которого в очень широких пределах регулируется путем изменения частоты генератора запускающих импульсов, т.е. частоты преобразования. При этом, как s однотактнай (фиг. 1), так и в двухтактной (фиг. 2) схемах преобразователя амплитуда выходных импульсов возрастает с увеличением частоты преобразования. Это обстоятельство и позволяет построить высоковольтный стабилизированный источник, обладающий большим коэффициентом стабилизации при высоком КПД.

Принцип работы источника заключается s следующем.

8ыходное высокое напряжение источника измеряется с помощью микроамперметра 15 с добавочным резистором l6. Ток, протекающий по измерительной цепи, усиливается усилителем 3 постоянного. тока.

Переход коллектор-эмиттер выходного транзистора 17 этого усилителя включен последовательно с резистором 9. Резистор 9 совместно с резисторами, подключенными к базам мультивибратора, определяет частоту колебаний мультивибратора. Между первым и вторым каскадами усилителя 3 включен пороговый (опорный) элемент, представляющий собой два последовательно включенных в прямом направле" нии кремниевых диода 18. Если величина выходного напряжения источника такова, что напряжение,. снимаемое с эмиттерного повторителя 19, менЬше значения порогового напряжения диодов, то резистор 20 заперт, а транзистор 17 находится в состоянии насыщения и величина сопротивления перехода коллектор-эмиттер этого транзистора близка к нулю. Частота колебаний мультивибратора и выходное напряжение источника определяются в этом случае величиной резистора 9, резисторов, входящих в состав цепочки 10, и резисторов между базами транзисторов мультивибратора и источником питанйя.

Режим стабилизации выходного нап" ряжения возникает при увеличении напряжения до величины, при которой. напряжение, снимаемое с эмиттерного повторителя, больше значения порого вого напряжения диодов. При этом транзистор 20 начинает открываться, а транзистор 17 запираться, вследствие

54977 8

7 9 чего сопротивление перехода коллектор-эмиттер транзистора 17 возрастает, а частота мультивибратора уменьшается, поддерживая выходное напряжение источника на постоянном уровне. Величина этого уровня может устанавливаться с помощью потенцио" метра 17. Точность поддержания уровня определяется общим коэффициентом усиления по кольцу обратной связи.

Аналогично работает и высоковольтный источник с двухтактной схемой преобразователя (фиг. 2).

Принцип действия импульсного преобразователя 4 рассмотрим на примере одяотактной схемы (фиг.. 1).

На фиг. 3 и 4,приведены осциллограммы напряжения на накопительной емкости 12 преобразователя и напряжения на повышающей обмотке трансформатора 14 в режимах минимальной и мак сиивльной амплитуды выходных импуль" сов. При включении тиристора 13 под воздействием управляющего импульса конденсатор 12, заряженный до некоторого положительного напряжения, разряжается на первичную обмотку трансформатора 17, вследствие чего на повышающей обмотке формируется импульс переменного напряжения, амплитуда которого пропорциональна напряжению на конденсаторе. Длительность этого импульса равна половине периода Ть собственных колебаний

° ° ° азрядной цепи, так как только в этом нтерваме времени (t ...t ) тиристор находится в проводящем состоянии, В момент времени и ток через тиристор в процессе колебательного разряда конденсатора изменяет свой знек, тиристор выключается и наминается цикл колебательного заряда конденсатора через дросеель- 11. Если период коммутации Т тиристора выбрать равным периоду Т собственных колебаний зарядной цепи и выполнить условие Т >ъ Тр, то в схеме установятся колебания, форма которых показана на фиг. 3. Как видно, накопительный конденсатор в этом режиме периодически разряжается на трансформатор 14 в моменты времени, когда напряжение на нем минимальное:

Величина этого минимума зависит от . добротности зарядной цепи и может быть во много раз меньше напряжения источника питания. Амплитуда импульса выходного напряжения преобразователя в этом случае минимальная.

При значении периода коммутации

Т„ = 0,5 Т (фиг. 4) конденсатор 12 з периодически разряжается на трансформатор 14 в моменты времени, ковда циркулирующая в зарядной цепи энергия оказывается сосредоточеннбй в конденсаторе и напряжение на нем

1О проходит максимум. При этом амплитуда импульса выходного напряжения преобразователя также будет максимальной. Таким образом, изменение периода коммутации тиристора Тк в

1з интервале 0,5 Т Т Т приводит к изменению амплитуды импульса выходного напряжения в весьма явироких пределах. Относительная величина изменения амплитуды в реальных услови20 ях может составлять 10- 15. В такой же пропорции изменяется и выходное выпрямленное напряжение высоковольтного источника. При этом в возрастанием периода Т (с уменьшением час25 тоты генератора импульсов) выходное напряжение источника уменьшается.

Двухтактная схема преобразователя (фиг. 2) работает аналогично.

Осциллограммы суммарного напряжения зр на накопителвных конденсаторах 12 и 15 и напряжения на повышающей обмотке трансформатора 14 полностью совпадают с осциллограммами, приве" денными на фиг. 3-4.

Вь1сокая устойчивость этой схемы к воздействию помех объясняется на. личием магнитной связи между полуобмотками трансформатора 14.

Благодаря такой связи исключается одновременный запуск тиристоров

13 и 1б под воздействием импульсных помех и, следовательно, исключаются условия, при которых оба тиристора могли бы оказаться в устойчивом,Ьткрытом состоянии.

На фиг. 5 показаны нагрузочные ха .рактеристики макета источника без стабилизации (пунктир) и со стабилизацией. Как видно, при постоянной частоте преобразования и изменении режима нагрузки напряженИе источника без стабилизации может изменяться бо. лее, чем в два раза. Это может привести к выходу из строя умножителя напряжения и других элементов устройства. В режиме стабилизации выходное напряжение почти не изменяется относительно установленного уровня при широких пределах измере9 95497 ния нагрузки вплоть до режима холостого хода.

Таким образом, основные отличия предлагаемого высоковольтного стабилизированного источника от известного устройства заключаются в том, что импульсный преобразователь источника выполнен с воэможностью регули- . ровки амплитуды выходных импульсов путем изменения частоты преобразова- 1ф ния, а источник питания подключен непосредственно к преобразователю без каких-либо регулирующих элементов.

При этом стабилизация выходного напряжения источника при изменениях наг-и рузки или питающего напряжения осуществляется при помощи изменения частоты генератора .импульсов преобразователя. Благодаря широким пределам изменения выходного напряжения 2в преобразователя при изменении частоты генератора достигается весьма высокий коэффициент стабилизации выходного напряжения.

Кроме того, исключение из схемы источника регулирующего элемента . (проходного транзистора) существен" но повышает КПД предлагаемого устройства.

Предлагаемый высоковольтный ста" зр билизированный источник предполага- . ется использовать при разработке устройств для тренировки электровакуумных приборов,, Формула изобретения

1. Высоковольтный стабилизированный источник питания постоянного тока, содержащий импульсный преобразователь, входом подключенный к вход" ным клеммам, выпрямитель-умножитель напряжения, вход которого соединен с выходом импульсного преобразователя, выход " с выходными клеммами и с входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с входом, блок управления, выход которого подключен к управляющему входу, о тл и ч а ю шийся тем, что, с це1пью повышения КПД и коэффициента стабилизации, блок управления состоит из мультивибратора с двумя выходами, по крайней мере одного разделительного трансформатора и зарядно-разрядИ ной цепи, состоящей из резистора и конденсатора, точка соединения кото рых через диод подключена к коллек7 l0 тору транзистора мультивибратора, а последовательно с конденсатором включена первичная обмотка разделительного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с соответствующим выходом блока управления, причем базы транзисторов мультивибратора через две введенных цепочки из последовательно соединенных диода и резистора соединены с выходом усилителя постоянного тока, при этом импульсный преобразователь выполнен с возможностью регулирования амплитуды"выходных импульсов при изменении частоты преобразования.

2. Истдчник по и. 1, о т л ич а ю шийся tBM» что импульсный преобразователь выполнен иэ последовательно соединенных дросселя и накопительного конденсатора, параллельно которому включены цепочки из тиристора и первичной обмотки повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к выходу импульсного преобразователя, причем управляющий электрод тиристора подключен к управляющему входу импульсного преобразователя.

3. Источник по и. 1, о т л и " ч а ю шийся тем, что импульснйй преобразователь выполнен в виде пос" ледовательно соединенных дросселя и

»двух контуров, каждый из которых состоит иэ накопительного конденсатора, тиристора и половины первичной обмотки выходного повышающего транс-. форматора, причем средняя точка упо".: мянутой обмотки подсоединена к точке соединения накопительных конденсаторов, а управляющие электроды ти.ристоров подключены к соответствующим управляющим входам импульсного преобразователя, при этом вторичная обмот-, ; ка повышающего трансформатора подключе-, : на к выходу импульсного преобразователя Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Белопольский И. И., Тихонов В.И.

Транзисторные стабилизаторы на повы;-. шенные и высокие напряжения. И., "Энергия", 1971, с. 57, рис. 4-4.

2. Источники электропитания на полупроводниковых приборов. Под ред.

С. Д. Додик и Е. И. Гальперин, M., "Cos.ðàäèî", 1969, с . 397, рис. 1Х. 13.

3. Авторское свидетельство СССР

У 257588, кл. H 02 M 3/28, 1969.

4. Информационный листок "

76-0926, ВНИИИ, 1976.

954977

800

0N&r тс S00

500 б00

Al8. Х

Составитель E. Финогенов

Техред З.Палий.. Корректор М. Демчик

Редактор A. Мотыль филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 6433/49 Тираж 914 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, N-35, Раушская наб.,д. 4/5