ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ МАГНЕТРОНА Российский патент 2015 года по МПК H05B6/68 

Настоящее изобретение относится к источнику питания для магнетрона, в частности, но не исключительно, для использования с магнетроном, питающим лампу.

Известные источники питания магнетрона включают схему преобразователя, содержащую:

• преобразователь, приспособленный приводиться в действие источником постоянного напряжения и создавать выход переменного тока, преобразователь имеет:

• колебательный контур, включающий индуктивность и емкость («LC-цепь»), демонстрирующий резонансную частоту и

• переключательную схему, приспособленную переключать индуктивность и емкость, чтобы генерировать коммутируемый переменный ток, имеющий частоту большую, чем частота резонанса LC-цепи;

• выходной трансформатор для увеличения напряжения выходного переменного тока и

• схему сглаживания и выпрямления, подключенную к вторичной обмотке выходного трансформатора, для подачи увеличенного напряжения на магнетрон.

В данном документе описывается такой контур как «цепь питания коммутируемого преобразователя, магнетрона» или MSCPC.

В известных источниках питания магнетрона источник постоянного напряжения для преобразователя, как правило, включает (с целью регулирования) коррекцию коэффициента мощности (PFC), чтобы позволять ему демонстрировать в значительной мере омические характеристики во время подключения к сети переменного тока.

Как PFC источники напряжения, так и преобразователи, то есть каскады PFC и каскады преобразователя, обычно представляют собой высокочастотные переключательные устройства, то есть они содержат электронные переключатели, переключаемые на высокой частоте по отношению к частоте сети. Оба каскада имеют характеристики эффективности, в соответствии с которыми при определенных рабочих условиях их КПД падает.

КПД каскада PFC падает, когда он работает, чтобы генерировать все более и более высокое постоянное напряжение. КПД каскада преобразователя падает, когда он работает на более высокой частоте переключения, дальше от резонанса его компонентов, и при генерировании меньшего тока, чем его максимальный ток.

Дихотомия максимального КПД PFC при более низком напряжении и максимального КПД преобразователя ограничивает общий КПД источника питания.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить эффективный источник питания.

В соответствии с изобретением предоставляется источник питания для магнетрона, источник питания содержит:

• «Цепь питания коммутируемого преобразователя, магнетрона» (MSCPC), имеющую управляющий сигнал и приспосабливаемую генерировать увеличенное напряжение при определенной кратности постоянного напряжения, прикладываемого к ней, когда нормальное управляющее напряжение или управляющее напряжение, отклоняющееся в одном направлении от нормального, прикладывается к управляющему сигналу, одно направление является недействующим на кратность, и увеличенное напряжение при уменьшающейся кратности с отклонением управляющего напряжения от нормального в другом направлении, другое направление является действующим на кратность, т.е. уменьшает его;

• источник постоянного напряжения, приспособленный подавать постоянное напряжение или постоянное напряжение вместе с увеличением в нем на MSCPC;

• устройство для измерения мощности или тока от источника постоянного напряжения, проходящих через MSCPC для приведения в действие магнетрона;

• устройство управления преобразователем для прикладывания управляющего напряжения к MSCPC в соответствии с функцией разности между желаемой мощностью магнетрона и указанной измеренной мощностью или током; и

• устройство управления постоянным напряжением для прохождения отклонения управляющего напряжения в недействующем на кратность направлении к источнику постоянного напряжения, чтобы вынуждать его подавать на MSCPC увеличенное напряжение;

устройство является таким, что в использовании:

• когда устройство управления преобразователем прикладывает нормальное напряжение к MSCPC, последняя снабжается постоянным напряжением и прикладывает нормальную мощность к магнетрону для его эксплуатации на нормальной мощности;

• когда устройство управления преобразователем прикладывает нормальное напряжение, отклоненное в действующем на кратность направлении, MSCPC снабжается постоянным напряжением и прикладывает меньшую мощность к магнетрону для его эксплуатации на мощности, меньшей нормальной, и

• когда устройство управления преобразователем прикладывает нормальное напряжение, отклоненное в недействующем на кратность направлении, MSCPC снабжается увеличенным постоянным напряжением и прикладывает большую мощность к магнетрону для его эксплуатации на мощности, большей нормальной.

Предусматривается, что устройство управления постоянным напряжением для прохождения отклонения управляющего напряжения может представлять собой микропроцессор, запрограммированный управлять энергоснабжением в изложенной манере. Однако в предпочтительном варианте осуществления устройство управления постоянным напряжением (DCVCM) для прохождения отклонения управляющего напряжения представляет собой аппаратную схему для получения управляющего напряжения для источника напряжения из управляющего напряжения для преобразователя. В частности, DCVCM представляет собой аппаратную схему, предоставляемую между выходом устройства управления преобразователем и управляющим сигналом источника постоянного напряжения, схема приспосабливается и компонуется для того, чтобы:

• изолировать управляющий сигнал источника постоянного напряжения от выхода устройства управления преобразователем, когда требуемый выход магнетрона нормальный или меньший, и

• проводить управляющее напряжение, отклоненное в недействующем направлении, или сигнал, соответствующий ему, к управляющему сигналу источника постоянного напряжения.

В предпочтительном варианте осуществления устройство управления преобразователем представляет собой:

• микропроцессор, запрограммированный производить управляющее напряжение, указывающее на желаемую выходную мощность магнетрона и

• интегральную схему, устроенную в цикле обратной связи и приспособленную прилагать управляющий сигнал к MSCPC в соответствии со сравнением напряжения от устройства измерения с напряжением от микропроцессора для регулирования мощности магнетрона до желаемой мощности.

Предпочтительно устройство измерения представляет собой резистор, через который проходит ток MSCPC и который генерирует напряжение сравнения.

Предпочтительная аппаратная схема представляет собой транзисторную схему, подключенную к общей точке делителя напряжения, контролирующего источник напряжения, транзисторная схема смещает вверх напряжение делителя только когда требуется мощность, большая нормальной.

Чтобы способствовать пониманию изобретения, далее будет описан его конкретный вариант осуществления в качестве примера и со ссылкой на сопутствующие графические материалы, на которых:

фиг. 1 представляет собой принципиальную схему источника питания в соответствии с изобретением.

Обращаясь к фиг. 1, источник питания 1 для магнетрона имеет источник постоянного напряжения PFC 2 и ВВ (высоковольтный) преобразователь 3. Источник напряжения питается от сети и подает постоянное напряжение выше сетевого напряжения по линии 5, сглаженное конденсатором 4, на ВВ преобразователь. Последний подает коммутируемый переменный ток на трансформатор 6. Тот подает переменный ток более высокого напряжения на выпрямитель 7, в свою очередь снабжает магнетрон высоким, питающим магнетрон, анодным напряжением по линии 8. Источник напряжения и преобразователь имеют КПД порядка 95% или выше. Тем не менее, желательно эксплуатировать весь источник питания при условиях, при которых компоненты являются настолько эффективными, настолько практичными, как и общий КПД. Это, в частности, так в случае лампы, питаемой магнетроном. Последний требует больше мощности, чем обычно, во время запуска и чтобы поддерживать свой выход к моменту завершения срока своей эксплуатации. Это изобретение направлено на обеспечение этого и в то же время на обеспечение эффективности во время обычной работы. Это последнее достигается путем работы как источника постоянного напряжения, так и ВВ преобразователя в их наиболее эффективных условиях во время обычной работы.

Поскольку сам ВВ преобразователь является эффективным, его можно контролировать путем измерения тока через него, справедливо ожидая, что мощность, подаваемая на магнетрон, близка к той, что подается на и проходит через ВВ преобразователь. Соответственно, ток через преобразователь можно было бы проводить через низкоомный резистор и напряжение на нем подавать на микропроцессор в качестве индикатора тока, подаваемого на магнетрон и, более того, - мощности, подаваемой на него, в предположении, что напряжение, подаваемое на магнетрон остается постоянным, как оно и есть во время большей части рабочего режима, как объясняется более подробно ниже.

Однако в этом варианте осуществления, как и в предпочтительном варианте осуществления родственной международной патентной заявки PCT/GB2011/000920 под этим же авторством от 17 июня 2011, которая описывает усовершенствование в управлении ВВ преобразователем, напряжение на низкоомном резисторе 9 подается на один вход интегрирующего усилителя 10 сигнала ошибки, реализованного в виде операционного усилителя. Микропроцессор 12 подает сигнал, указывающий на желаемый ток для желаемой мощности на другой вход операционного усилителя. Операционный усилитель имеет интегрирующий конденсатор 14 обратной связи и передает напряжение, указывающее на требуемый ток, на стабилизатор 15 частоты для ВВ преобразователя, через входные компоненты 15₁, 15₂, 15₃. Микропроцессор получает входной сигнал по линии 16, указывающий на напряжение источника напряжения, и рассчитывает требуемый ток в соответствии с требуемой в данный момент мощностью. Преобразователь, также называемый цепь питания коммутируемого преобразователя, магнетрона, имеет переключатели 17 и LC компоненты 18, включая первичную обмотку трансформатора 6. Вторичная обмотка 20 трансформатора питает выпрямитель 21 для приложения постоянного анодного напряжения к магнетрону. Коэффициент трансформации трансформатора является таким, чтобы обеспечивать магнетрону оптимальное анодное напряжение. Обычно, соотношение десять к одному дает 3,5 кВ для нормальной работы магнетрона.

Ответ на входной сигнал по линии 16 ВВ преобразователя следующий:

• когда к преобразователю прикладывается нормальное управляющее напряжение, т.е. напряжение, подходящее для нормальной работы магнетрона на полной мощности, так чтобы контролировать, чтобы его ток через преобразователь и измерительный резистор был максимальным, он прикладывает нормальное высокое напряжение и мощность к магнетрону для его работы на нормальной высокой мощности. Высокое напряжение - это напряжение источника постоянного напряжения, умноженное на коэффициент трансформации трансформатора;

• когда к преобразователю прикладывается управляющее напряжение выше нормального, заставляя частоту преобразователя возрастать и его ток ослабевать, он прикладывает к магнетрону мощность, меньшую нормальной. Номинальное напряжение не изменяется, нормальное постоянное напряжение прикладывается к преобразователю, но индуктивные компоненты преобразователя ослабляют и уменьшают ток, уменьшая мощность магнетрону. Работа преобразователя на мощности ниже нормальной на самом деле включает выведение его из его наиболее эффективного состояния;

• когда к преобразователю прикладывается управляющее напряжение ниже нормального, он не может передавать больше своего нормального максимального тока. Однако, как поясняется ниже, управляющее напряжение выше нормального вынуждает источник постоянного напряжения увеличивать свое напряжение, посредством чего преобразователь прикладывает к магнетрону напряжение и мощность выше нормальных. Работа источника постоянного напряжения при напряжении выше нормального на самом деле включает выведение его из его наиболее эффективного состояния.

Источник постоянного напряжения имеет PFC катушку 22, которая переключается транзисторным переключателем 23 под управлением интегральной схемы 24. Это катушка, которая позволяет источнику напряжения обеспечивать изменяющееся постоянное напряжение. Входной выпрямитель 25 предоставляется для выпрямления напряжения сети. Выходное напряжение источника напряжения отслеживается и подается обратно на интегральную схему делителем 26 напряжения.

В соответствии с изобретением это напряжение обратной связи изменяется, как необходимо, чтобы контролировать схемой 27 управления, чтобы требуемое напряжение прикладывалось к ВВ преобразователю.

ВВ преобразователь наиболее эффективен, когда эксплуатируется на частоте, немного превышающей резонансную частоту LC. Обычно эта последняя частота составляет 50 кГц, и преобразователь работает между 52 кГц и 55 кГц. Для нормальной работы и мощности магнетрона ВВ преобразователь эксплуатируется на нижней границе этого диапазона. Работа выше нижней граничной частоты, что может требоваться для уменьшенных тока преобразователя и мощности магнетрона, как в случае уменьшения свечения лампы, питаемой магнетроном, включает уменьшение КПД. Для такого режима схема управления (для управления напряжением источника напряжения) является неэффективной в том, что не изменяет напряжение, генерируемое источником напряжения. Это включает только одно уменьшение КПД и избегает смешения уменьшения КПД ВВ преобразователя с уменьшением КПД PFC источника напряжения.

Во время запуска (особенно при запуске в холодных внешних условиях) магнетрон требует высокого напряжения и мощности. Также, когда более высокое напряжение может потребоваться к концу срока эксплуатации магнетрона или когда он нагревается вследствие ухудшенного охлаждения, магнетрону требуется более высокая мощность. Это обеспечивается путем поддержки ВВ преобразователя на его максимальных токе и КПД, а также временным увеличением напряжения. Для этого режима схема управления работает, чтобы изменить напряжение обратной связи от делителя 26 напряжения.

Схема управления (для управления напряжением источника напряжения) использует напряжение от контролирующего ток операционного усилителя. Пока это напряжение находится на уровне, соответствующем нормальным току и мощности магнетрона или даже выше этого уровня - более высокое напряжение соответствует более высокой частоте ВВ преобразователя и более низкому току на магнетрон - схема управления не действует. Когда микропроцессор требует ток ВВ преобразователя выше нормального, выход операционного усилителя уменьшается. ВВ преобразователь находится на своей самой низкой рабочей частоте - максимальном токе - и не может реагировать. Пониженное напряжение передается на источник напряжения, который может реагировать и делает это путем увеличения напряжения, производимого источником напряжения. Это имеет эффект увеличения мощности на магнетрон в виде увеличенного анодного напряжения, которое увеличивает анодный ток (как отличный от тока ВВ преобразователя).

Схема управления содержит транзистор 31, на базу которого по линии 32 подается опорное напряжение. Его коллектор соединен с общей точкой делителя 26 напряжения, которая является точкой обратной связи. Эмиттер соединен с выходом операционного усилителя через резистор 33.

Характеристики компонентов, специфичных для этого варианта осуществления, следующие:

• Последовательный резистор измерения тока 100 мОм, т.е. 0,1 Ом

• Резистор R5 обратной связи 470 Ом

• Резистор 33 контроля напряжения 100 кОм

• Резистор 26₁ делителя напряжения 2 МОм

• Резистор 26₂ делителя напряжения 13 кОм

• Входной резистор 15₁ 18 кОм

• Входные конденсаторы 15₂, 15₃ 470 пФ

• Интегрирующий конденсатор 14 470 нФ

Напряжение эмиттера определяется базовым напряжением, где первое ниже. Когда опорное напряжение на базовой линии 32 устанавливается так, что напряжение эмиттера равно выходному напряжению операционного усилителя, никакой ток не проходит через резистор 33, так чтобы возмущать указанный делитель напряжения. Таким образом, коллекторное напряжение определяется только делителем напряжения, который в свою очередь заставляет PFC источник напряжения производить свое нормальное постоянное напряжение, усиленное выше напряжения сети обычным образом. Это нормальная ситуация. Другими словами, базовое напряжение устанавливается так, чтобы заставлять напряжение эмиттера равняться напряжению операционного усилителя, соответствующему нормальному (и по сути максимальному) току ВВ преобразователя и нормальной мощности магнетрона.

Если выход из операционного усилителя возрастает, в ответ на внешний управляющий сигнал, уменьшающий мощность магнетрона путем увеличения частоты преобразователя, что уменьшает анодный ток, увеличенное напряжение изолируется от делителя напряжения для источника тока, переход база/эмиттер транзистора смещен обратно.

Если выход из операционного усилителя уменьшается, требуя больше мощности магнетрона, чем ВВ преобразователь может дать при нормальном напряжении, имеется разность потенциалов на резисторе 33 в некотором направлении, так что ток может течь и на самом деле течет. Напряжение на переходе делителя 26 напряжения падает, и интегральная схема в источнике напряжения реагирует, чтобы поднять производимое напряжение на линии 5, что имеет эффект восстановления вверх напряжения на переходе делителя. Цепи стабилизируются, и на магнетрон подается увеличенная мощность. Если это требуется для запуска лампы, нормальная мощность восстанавливается по прошествии некоторого периода. Если это требуется из-за того, что магнетрон достигает конца своего срока эксплуатации, увеличенная мощность сохраняется. В случае если магнетрон износился до такой степени, что требует чрезмерной мощности, микропроцессор отключит источник питания средствами, которые не показаны.

Будет понятно, что микропроцессор на самом деле контролирует PFC источник напряжения, хотя и посредством промежуточного средства в виде схемы управления.

Изобретение не предполагается как ограничиваемое деталями вышеописанного варианта осуществления. Например, микропроцессор может быть запрограммирован поддерживать постоянное, или, по меньшей мере, до значения делителя напряжения, управляющее напряжение до интегральной схемы источника напряжения; и уменьшать управляющее напряжение (увеличивать линейное напряжение 5) только во время запуска или когда требуется другая необычно высокая мощность.

Кроме того, в родственной заявке на международную патентную заявку PCT/GB2011/000920 под этим же авторством от 17 июня 2011 описывается второй вариант осуществления, в котором одновременно путем регулирования тока ВВ преобразователя компенсируются колебания в напряжении от источника постоянного напряжения, чтобы позволить поддерживать мощность магнетрона постоянной на протяжении всего цикла колебаний. Это достигается путем присоединения резистора между входом измерения операционного усилителя и линией постоянного напряжения. Это усовершенствование может также осуществляться и в настоящем изобретении.

Изобретение относится к области электротехники. Источник питания (1) для магнетрона имеет источник постоянного напряжения (2) и высоковольтный преобразователь (3). Источник напряжения питается от сети и подает постоянное напряжение выше напряжения сети по линии (5), сглаженное конденсатором (4), на преобразователь (3). Последний подает коммутируемый переменный ток на трансформатор (6). Тот подает переменный ток более высокого напряжения на выпрямитель (7), в свою очередь снабжающий магнетрон высоким, питающим магнетрон, анодным напряжением по линии (8). Источник постоянного напряжения имеет катушку индуктивности (22), которая переключается транзисторным переключателем (23) под управлением интегральной схемы (24). Это катушка индуктивности, которая позволяет источнику напряжения подавать изменяющееся постоянное напряжение. Входной выпрямитель (25) предоставляется для выпрямления напряжения сети. Выходное напряжение источника напряжения отслеживается и подается обратно на интегральную схему делителем (26) напряжения. Напряжение обратной связи изменяется, как требуется, чтобы контролировать, чтобы требуемое напряжение прилагалось к преобразователю (3) схемой управления (27). Схема управления содержит транзистор (31), на базу которого по линии (32) подается опорное напряжение. Его коллектор соединен с общей точкой делителя (26) напряжения, которая является точкой обратной связи. Эмиттер соединен с выходом операционного усилителя посредством резистора (33).Технический результат - повышение КПД. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Источник питания магнетрона, где источник питания содержит:
• цепь питания коммутируемого преобразователя, магнетрона (MSCPC), имеющую управляющий сигнал и приспосабливаемую генерировать увеличенное напряжение при определенной кратности постоянного напряжения, прикладываемого к ней, когда нормальное управляющее напряжение или управляющее напряжение, отклоняющееся в одном направлении от нормального, прикладывается к управляющему сигналу, одно направление является недействующим на кратность, и увеличенное напряжение при уменьшающейся кратности с отклонением управляющего напряжения от нормального в другом направлении, другое направление является действующим на кратность, т.е. уменьшает его;
• источник постоянного напряжения, приспособленный подавать постоянное напряжение или постоянное напряжение вместе с увеличением в нем на MSCPC;
• устройство для измерения мощности или тока от источника постоянного напряжения, проходящих через MSCPC для приведения в действие магнетрона;
• устройство управления преобразователем для прикладывания управляющего напряжения к MSCPC в соответствии с функцией разности между желаемой мощностью магнетрона и указанной измеренной мощностью или током; и
• устройство управления постоянным напряжением для прохождения отклонения управляющего напряжения в недействующем на кратность направлении к источнику постоянного напряжения, чтобы вынуждать его подавать на MSCPC увеличенное постоянное напряжение;
устройство является таким, что в использовании:
• когда устройство управления преобразователем прикладывает нормальное напряжение к MSCPC, последняя снабжается постоянным напряжением и прикладывает нормальную мощность к магнетрону для его эксплуатации на нормальной мощности;
• когда устройство управления преобразователем прикладывает нормальное напряжение, отклоненное в действующем на кратность направлении, MSCPC снабжается постоянным напряжением и прикладывает меньшую мощность к магнетрону для его эксплуатации на мощности, меньшей нормальной, и
• когда устройство управления преобразователем прикладывает нормальное напряжение, отклоненное в недействующем на кратность направлении, MSCPC снабжается увеличенным постоянным напряжением и прикладывает большую мощность к магнетрону для его эксплуатации на мощности, большей нормальной.

2. Источник питания магнетрона по п. 1, отличающийся тем, что устройство управления постоянным напряжением для прохождения отклонения управляющего напряжения представляет собой микропроцессор, запрограммированный создавать управляющее напряжение, указывающее на желаемую выходную мощность магнетрона, на MSCPC для управления мощностью магнетрона.

3. Источник питания магнетрона по п. 2, отличающийся тем, что устройство измерения мощности или тока представляет собой резистор, подключенный последовательно с MSCPC, один конец резистора заземлен, а другой конец подключен к MSCPC и микропроцессору.

4. Источник питания магнетрона по п. 2 или 3, отличающийся тем, что устройство управления преобразователем представляет собой приспособление микропроцессора, запрограммированного управлять источником напряжения заданным образом.

5. Источник питания магнетрона по п. 1, отличающийся тем, что устройство управления преобразователем представляет собой:
• микропроцессор, запрограммированный производить управляющее напряжение, указывающее на желаемую выходную мощность магнетрона и
• интегральную схему, устроенную в цикле обратной связи и приспособленную прилагать управляющий сигнал к MSCPC в соответствии со сравнением напряжения от устройства измерения с напряжением от микропроцессора для регулирования мощности магнетрона до желаемой мощности.

6. Источник питания магнетрона по п. 5, отличающийся тем, что устройство измерения мощности или тока представляет собой резистор, соединенный последовательно с MSCPC, один конец резистора заземляется, а другой соединяется с MSCPC и с входом интегральной схемы, предпочтительно через резистор обратной связи.

7. Источник питания магнетрона по п. 5 или 6, отличающийся тем, что интегральная схема представляет собой операционный усилитель, подключенный как усилитель сигнала ошибки, сигнал ошибки представляет собой разность между сигналами, указывающими на измерение тока преобразователя и желаемую выходную мощность магнетрона.

8. Источник питания магнетрона по п. 7, отличающийся тем, что резистор сглаживания колебаний включается между входом интегральной схемы, к которой подключен последовательный резистор, и линией источника постоянного напряжения.

9. Источник питания магнетрона по п. 8, отличающийся тем, что интегральная схема устроена как интегратор с конденсатором обратной связи, посредством чего ее выходное напряжение приспособлено управлять схемой преобразования напряжения в частоту для управления преобразователем.

10. Источник питания магнетрона по п. 9, отличающийся тем, что устройство управления постоянным напряжением для прохождения отклонения управляющего напряжения представляет собой аппаратную схему и предоставлено между выходом интегральной схемы и управляющим сигналом источника постоянного напряжения, схема приспосабливается и компонуется для того, чтобы:
• изолировать управляющий сигнал источника постоянного напряжения от выхода интегральной схемы, когда требуемый выход магнетрона нормальный или меньший, и
• проводить управляющее напряжение, отклоненное в недействующем направлении, или сигнал, соответствующий ему, к управляющему сигналу источника постоянного напряжения.

11. Источник питания магнетрона по п. 10, отличающийся тем, что аппаратная схема представляет собой транзисторную схему эмиттерного повторителя, подключенную чтобы смещать общую точку делителя напряжения, управляющего источником постоянного напряжения, транзисторная схема смещает вверх делитель напряжения только когда требуется мощность выше нормальной.