Высоковольтный стабилизатор с изменяемой полярностью выходного напряжения Советский патент 1987 года по МПК G05F1/569 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, для питания электронных и ионных пушек.

Цель изобретения - повышение надежности.

На фиг.1 представлена функциональная электрическая схема высоковольтного стабилизатора с изменяемой по- лярностьго выходного напряжения; на фиг.2 и 3 - схемы, поясняющие работу устройства.

Стабилизатор состоит из регулятора I напряжения, транзисторного пре- образователя 2, умножителя 3, фильтра 4, гасящей RC-цепи 5 делителя выходного напряжения, схемы 6 управления , включающей в себя усилитель 7 сигнала рассогласования, мостовой выпрямитель 8, резистор 9 нижиего плеча делителя выходного напряжения и источник 10 опориого напряжения, датчика 11 тока нагрузки, компаратора 12 резисторов 13 и 14, последовательной RC-цепи 15, 16 положительной обратной связи, диодов 17, 18 и 19, резистора 20, развязывающих диодов 21 и22 и обратно включенных диодов 23, 24, 25 и 26.

Регулятор 1 подключен к входу транзисторного преобразователя 2, нагруженного на умножитель 3, выходы которого подключены через фильтр 4 к выходам стабилизатора. Гасящая КС-цепь 5, включающая в себя параллельно связанные резистор и конденсатор, соединена с входом схемы 6 управления , усилитель 7 рассогласования которой подключен своим выходом к выходу указанной схемы, а входами соединен с выходами мостового вьтря- мителя 8 и последовательно связанными резистором 9 нижнего плеча делителя выходного напряжения и источни- ком 10 опорного напряжения. Датчик 11 тока нагрузки через резистор 20 соединен с общей точкой последовательно включенных диодов 18 и 19, связанных с входами компаратора 12, которые в то же время через резисторы 13 и 14 соединены соответственно с источником напряжения уставки и общей шиной стабилизатора.

Выход компаратора 12 через после- довательную RC-цепь 15, 16 положительной обратной связи связан с одним их его входов. Средняя точка упомянутой цепи соединена с общей шиной стабилизатора через диод 17. Выходы схемы 6 управления и компаратора 12 через развязьгоающие диоды 21 и 22 подключены к управляющему входу регулятора 1. Вход схемы 6 управления и точка связи диодов 18 и 19 через обратно включенные диоды 23, 24 и 25, 26 подключены соответственно к источникам разнополярных напряжений.,

Работа стабилизатора протекает следующим образом.

Выходное напряжение регулятора 1 определяет уровень переменного напряжения, поступающего с выхода преобразователя 2 на вход умножителя 3. Увеличенное и выпрямленное напряжение с выхода умножителя 2 поступает через фильтр 4 на выход стабилизатора. Узел 6 путем сравнения выходного напряжения стабилизатора с напряжением опорного источника 10 воздействует на управляющий вход регулятора 1 таким образом, чтобы обеспечивалось постоянство выходиод-о напряжения;

Изменение полярности выходного напряжения достигается перекоммутацией внешних вьшодов умножителя 3.

Узел 6 управления реагирует только на абсолютное значение выходного напряжения так, что при уменьшении . сигнала рассогласования воздействие узла 6 на регулятор 1 вызывает уменьшение его выходного напряжения и наоборот.

Цепь защиты от перегрузок по току

1

включает в себя датчик 11 тока и компаратор 12. При положительной полярности выходного напряжения с резистора 11 снимается сигнал отрицательной полярности, что определяет открытое состояние диода 18 и закры- тое состояние диода 19.

Схема замещения цепи за1циты для этого случая представлена на фиг.2 а Срабатывание компаратора происходит тогда, когда из-за перегрузки по току напряжение на его инвертирующем входе становится отрицательным, т.е. когда вьтолняется условие

---IT C,

где IH - ток нагр узки;

(I)

и,

- напряжение уставки.

При отрицательной полярности выходного напряжения сигнал с датчика 11 имеет положительную полярность, при этом открыт диод 19, а диод 18 закрьгг (фиг.2 б).

На резисторе 14образуется напря,(-t) 1нК,1о

о-75-R,. , пропорциональ

жеиие и

ное току нагрузки. Срабатьшание компаратора 12 происходит в момент, когда напряжение U становится больше, чем напряжение уставки :

IiEii-Bit. и

,4

(2)

Одинаковый уровень тока нагрузки, при котором происходит срабатывание компаратора для любой полярности выходного напряжения, устанавливается выбором соответствующих значений ре- зисторов 13, 14.

Всякий раз, когда срабатьгвает компаратор 12, напряжение на его выходе становится положительным, чем осуществляется полное закрытие силового транзистора регулятора 1 и уменьще- ние до нуля входного напряжения преобразователя 2. Таким образом, при пробоях или коротких замыканиях на выходе стабилизатора происходит прак- тически мгновенное (доли единицы микросекунд ) прекращение подачи мощности в цепь умножителя и фильтра, что существенно уменьшает энергию, выделяемую при пробоях, и время протека- ния неконтролируемых по величине токов пробоя. Этим осуществляется защита элементов регулятора 1, преобразователя 2, умножителя 3 и фильтра А от тепловых и токовых перегрузок.

Компаратор 12 снабжен цепочкой 15, 16 и 17 обратной связи. Когда на выходе компаратора 12 появляется положительное напряжение, на реэис- тор 14 через емкость 15 и резистор 16 подается положительное напряжение обратной связи U(,c

t

и

ос

Ujn-Rii- , CfflRii fi)

..,

которое удерживает компаратор некоторое время ir«3C j. ( 4) в состоянии, запрещающем подачу энергии в выходные цепи, даже при исчезновении сигнала перегрузки по току с датчика II. После того, как через время Т компаратор 12 вернется в исходное состояние (напряжение U станет отрицательным), конденсатор 15 через диод 17 быстро перезарядится, чем осуществляется мобильная подготовка схемы защиты к повторному срабатыванию.

„

5

0 5 О

O

0

5

g

Защита от перенапряжений организована с помощью диодов 23-26 и разно- полярных источников и, и Uj.

При коротких замыканиях на выходе стабилизатора в известных схемах все напряжение на конденсаторе 5 (служит для улучшения динамических характеристик устройства) прикладывается к входу узла 6 управления. Это напряжение практически равно выходному напряжению Ug , составляя в высоковольтных схемах сотни и тысячи вольт. Поэтому разряд конденсатора 5 через элементы схемы 6 практически всегда приводит к отказу цепей управления и стабилизатора в целом. Отказы устройства могут происходить также из-за того, что при пробоях или коротких замыканиях в потребителе к резистору датчика 11 тока прикладывается напряжение, уровень которого может существенно превысить допустимую величину для компаратора 12.

Подключение входа компаратора (точка связи диодов 18 и 19) и входа узла 6 через обратно включенные диоды 23 и 24 к источнику U положительной полярности фиксирует максимально, возможное положительное напряжение в указанных точках на уровне

и и, ж и,.

Аналогичным образом диоды 25 и 26 и источник Uj отрицательной полярности гарантируют, что уровень отрицательного напряжения на входах цепей управления не может превысить величины Uj. Напрфкение указанных источников выбирается в пределах нескольких вольт, что является безопасным для цепей управления стабилизатора.

Уменьшение амплитуды пульсаций выходного напряжения в предложенном стабилизаторе осуществляется за счет увеличения помехоустойчивости узла 6 управления. В схеме прототипа оба входа усилителя 7 сигнала рассогласования отделены от общей шины стабилизатора высокоомньми резисторами (при выходных напряжениях в несколько тысяч вольт сопротивление резисторов может достигать сотен килоом ), что существенно увеличивает влияние синфазных помех на качество выходного напряжения. В частности,становится необходимой тщательная экранировка как цепей управления, включая КС- цепь 5, так и источников электромагнитных помех, прежде всего преобразователя 2 и умножителя 3.

В предложенной схеме стабилизатора Один из входов усилителя 7 сигнала рассогласования связан с общей ши- ной устройства через открытый диод, что обеспечивает практически нулевое сопротивление между отмеченными точками схемы.

Рассмотрим, например, случай, когда мостовой выпрямитель выполнен в диодном варианте (принципиально выпрямитель может быть реализован на других элементах).

При положительном выходном напря- жении ток делителя протекает по резистору гасящей цепи 5, диоду 8, источнику 10 опорного напряжения, резистору 9 нижнего плеча делителя и диоду 8 (фиг.1). Диод 8 при этом за- крыт. Из схемы замещения для этого случая (фиг.З а) имеем, что величина тока делителя 1 равна

-,(0 lUfttixl+U,, ,„.

-

где и,о и Uj - напряжение источника 10 и напряжение на открытом диоде выпрямителя соответственно.

Так как в высоковольтных стабили- заторах (и,, 71000 В) всегда выполняется соотношение Uj,, ; Ua, ток практически не зависит от значения и (фиг, 36).

Из этого следует, что температур- ная нестабильность параметров вольт- амперной характеристики диодов практически не сказывается на точностных показателях стабилизатора. Например, при токе делителя в доли миллиампера температурная нестабильность напряжения на открытом переходе диода не превьпяает величины (0,05-0,1) В, что при , 1000 В определяет температурную нестабильность тока (а еле- довательно, и напряжения U g,,,) не более, чем 10 ,

Согласно схеме по фиг.З б по входу усилителя 7 прикладывается разностный сигнал (напряжение между неинверти- рующим и инвертирующим входами усилителя 7) :

,и ,IyL J-|lIU.Rs,(4)

Для отрицательной полярности выходного напряжения схема замещения управления представлена на

фиг.З и и г. В -vrtiM глучле тоь le-iniтеля Г

равен

y iiy ll2y и ek.j+у,. ,

+ R,

Ry -t- R,

a разностный сигнал определяется по (А):

.и -(u,,,)-iyi « iyi - и,о

(6)

,

Сравнивая (4) и (6), получаем, 4TQ разностный сигнал зависит только от абсолютного значения выходного напряжения и не зависит от полярности последнего. Поэтому и схема 6 управления обеспечивает стабилизацию выходного напряжения на одном и том же уровне независимо от его полярности.

В обоих случаях один из входов усилителя 7 практически накоротко связан с общей шиной схемы, что существенно снижает влияние на схему электромагнитных помех, а следовательно , уменьшает мплитуду пульсаций выходного напряжения.

Таким образом, предложенный высоковольтный стабилизатор по сравнению с прототипом имеет больщую надежность и меньшие пульсации напряжения.

Формула изобретения

1. Высоковольтный стабилизатор с изменяемой полярностью выходного напряжения, содержащий последовательно соединенные регулятор напряжения, транзисторный преобразователь, умножитель и фильтр и узел управления, состоящий из усилителя сигнала рассогласования и источника опорного напряжения, соединенный своим входом с выходом стабилизатора через гасящую КС-цепь делителя выходного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в него введены датчик тока нагрузки, компаратор, резистор смещения, первый и второй резисторы, последовательная конденсаторно-резистивная цепь положительной обратной связи, диод, цепочка из двух последовательно соединенных диодов, диодный мост, два разделительных диода, источник напряжения уставки и разнополярные источники напряжения, при этом датчик тока включен между выходной общей шиной и одним из выводов выходной обмотки трансформатора преобразователя, который через второй резистор подключен к одному разнополярноь у выводу диодного мрста и к разнополярному выводу диодной цепочки-, включенной между входами компаратора, нз которых инвертирующий через первый резистор подключеи к источнику напряжения уставки, а неинвертирующий через резистор смещения - к общей шине, а через цепь обратной связи - к выходу компаратора, причем средний вывод цепи обратной связи через указанный диод соединеи с общей шиной, одноименные выводы диодного моста подключены к разнополярным источникам напряжения, а его другой разнополярный вьгаод - к входу узла управления, выход которого, а также выход компаратора через разделительные диоды соединены с управляющим входом регулятора напряжения.

2. Стабилизатор по п.I, отличающийся тем, что, с целью уменьшения амплитуды пульсаций выходного напряжения, в узле управления входы усилителя сигнала рассогласования подключены к выходам введенно- . го мостового выпрямителя и к последовательно соединенным источнику опорного напряжения и резистору нижнего плеч51 делителя напряжения, один из входов выпрямителя подключен к общей шине стабилизатора, а другой является входом узла управления.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, для питания электронных и к 3 п ионных пушек. Цель - повышение надежности. Узел управления 6 реагирует на абсолютное значение выходного напряжения, обеспечивая при помощи регулятора 1 стабилизацию напряжения. Защита от перегрузки по току обеспечена датчиком 11 тока и компаратором, который снабжен цепями задержки сработанного состояния (15, 16 и 17), защита от перенапряжений осуществлена при помощи диодов 23-26 и разнопо- лярных источников. Амплитуда пульсаций уменьшена за счет увеличения мехоустойчивости узла 6 управления посредством мостового выпрямителя 8 и схемы его соединения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. SR п § (Л С 00 ее о 05 QJf/ f

Й-ib

rj

г U

Фиг.г

i«

0

-

Ю

ю

Редактор М.Дылын

Ck}cтaвитeль О.Овсянникова Техред В.Кадар

Заказ 3582/50 Тираж 863Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий П3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

(

Корректор М.Демчик