Высоковольтный стабилизированный источник питания постоянного тока Советский патент 1982 года по МПК G05F1/56 

(5) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использо- вано, например, в устройствах для высоковольтной тренировки электровакуумных приборов, для питания различных 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 источниках регулирующий транзистор включен последовательно с источником питания преобразователя, а выход вып рямителя-умножителя через усилитель связан с входом регулирующего транзистора. Стабилизация вь ходного напряжения в этих источниках осуществляется путем изменения питающего напряжения преобразователя с помощью проходного транзистора при постоянной частоте преобразования .l3 С Недостатками таких ; источников являются принципиально низкая экономичность и в связи с этим тяжелый тепловой режим стабилизирующего элемента, а также сравнительно невысокий коэффициент стабилизации, особенно при изменениях нагрузки источника. Известен также стабилизированный источник высокого напряжения. Переменное напряжение для последующего выпрямителя-умножителя получают в этой схеме путем возбуждения колебательного контура импульсами тока с частотой следования, равной собственной частоте колебаний этого контура. Колебательный контур образован повышающей обмоткой трансформатора и суммарной емкостью схемы. Стабили- зация выходного напряжения осуществляется путем изменения длительности импульсов тока, возбуждающих колебательный контур 3. Недостаток этой схемы заключается в том, что стабилизация выходного напряжения может осуществляться только в узких пределах изменения нагрузки источника. Например, в режиме холостого хода или в близком к нему режиме стабилизация выходного напряжения вообще невозможна, так как конденсаторы выпрямителя будут заряжаться до максимального напряжения независимо от длительности импульса тока, Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является высоковольтный стабилизированный источник питания постоянного тока, который содержит импульсный преобразователь, входом подключенный к входным клеммам, выпрямительный умножитель напряжения, вход которого соединен с выходом импульсного преобразователя. а выход - с выходными клеммами и вхо- 75 дом усилителя постоянного тока, и блок управления , Недостатками такого устройства и других аналогичных высоковольтных стабилизированных источников является их низкий КПД за счет потерь в регулирующем элементе и невысокий коэффициент стабилизации напряжения, особенно при изменении нагрузки из-за высокого внутреннего сопротивления выпрямителя. Последний недостаток с наибольшей степенью проявляе ся в высоковольтных устройствах, содержащих 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 практически 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 выходного напряжения. Указанная цель достигается тем, что в высоковольтном стабилизированном источнике питания постоянного тока блок управления состоит из муль тивибратора с двумя выходами, по кра ней мере одного разделительного трансформатора и зарядного разрядной цепи, состоящей из резистора и конденг сатора, точка соединении через диод подключена к коллектору мультивибратора, а последовательно с конденсатором рключена первичная обмотка разделительного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с одним из выходов блока управления, причем база транзистора мультивибратора через две введенные цепочки из последовательно соединенных диода и резисторов соединена с выходом усилителя постоянного тока, при этом импульсный преобразователь выполнен с возможностью регулирования амплитуды выходных импульсов при изменении частоты преобразования, импульсный преобразователь выполнен из последовательно соединенных дросселя и накопительного конденсатора, параллельно которому включена цепочка из тиристора и первичной обмотки выходного повышающего трансформатора, причем управляющий электрод тиристора подключен к одному из выходов блока управления, импульсный преобразователь выполнен в виде последовательного соединения дросселя и двух контуров, каждый из которых состоит из накопительного конденсатора, тиристора и половины первичной обмотки выходног.о повышающего трансформатора, причем средняя точка упомянутой обмотки подсоединена к точке соединения накопительных конденсаторов, а управляющие электроды тиристоров подключены к соответствующим выходам блока управления. На фиг. 1 и 2 изображены принципиальные электрические схемы предлагаемого стабилизированного источника с различным : выполнением импульсного преобразователя напряжения; на фиг. 3 и 4 - осциллограммы напряжений в преобразователе; на фиг. 5 нагрузочные характеристики предлагаемого стабилизированного источника. Предлагаемый высоковольтный стабилизированный источник питания постоянного тока содержит импульсный преоб|эазователь 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 мультивибратора с двумя выходами, один из которых подключен к входу импульсного преобразователя 1 через разделительный трансформатор 5 и зарядноразрядную цепь, состоящую из резистора 6 и конденсатора 7, точка соеди нения которых через диод 8 подключена к коллектору транзистора мультиви ратора. Последовательно с конденсатором 7 разрядной цепи включена первичная 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 включены последовательно соединенные тиристор 13 и выходной повышающий трансформатор Ik. При другом варианте выполнения импульсного преобразователя (фиг. 2) дроссель 11 соединен последовательно с двумя контурами, состоящими из на копительных конденсаторов 12 и 15, тиристоров 13, 1б и двух половин пер вичной обмотки повышающего трансформатора И, средняя точка которого подсоединена к точке соединения конденсаторов 12 и 15. Управляющие элек роды тиристоров 9 и 1б соедин1ены с выходами мультивибратора через разделительные 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.О более проста, но в условиях сильных электромагнитных помех, воздействующих на генератор импульсов и нару шающих периодическую последовательность запирающих импульсов, эта схема подвержена срывам в работе. Двухтактная схема преобразователя (фиг.2 более сложная, но зато обладает высокой устойчивостью работы при воздействии помех на генератор импульсов. Особенностью предлагаемого высоковольтного стабилизированного источ ника является применение в нем импульсного преобразователя, амплиту- да выходных импульсов которого в очень широких пределах регулируется путем изменения частоты генератора запускающих импульсов, т.е. частоты преобразования. При этом, как в однотактной (фиг. 1), так и в двухтакт ной (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 в следующем. Выходное высокое напряжение источника измеряется с помощью микроамперметра 15 с добавочным резистором 16. 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 включеннь1х в прямом направлении 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 питания. Режим стабилизации выходного напряжения 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 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 потенциометра 17. Точность поддержания уров ня определяется общим коэффициентом усиления по кольцу обратной связи. Аналогично работает и высоковольтны источник с двухтактной схемой преоб разователя (фиг. 2). Принцип действия импульсного . преобразователя рассмотрим на при мере однотактной схемы (фиг. 1). На фиг, 3 и 4.приведены осциллограм мы напряжения на накопительной емкости 12 преобразователя и напряжения на повышающей обмотке трансформатора 14 в режимах минимальной и м симальной 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, амп литуда которого пропорциональна нап ряжению на конденсаторе. Длительность этого импульса райна половине периода Тр собственных колебаний разрядной цепи, так как только в эт интёреалё времени (t ,j.,. tg) тиристо находится в проводящем состоянии. В момент времени tg ток через ти ристор в процессе колебательного разряда конденсатора изменяет свой знак, тиристор выключается и начинается цикл колебательного заряда конденсатора через дроссель 11. Есл период коммутации Т тиристора выбрать равным периоду Т собственных колебаний зарядной цепи и выполнить условие Tj Тр, то в схеме установятся колебания, форма которых показана на фиг. 3. Как видно, накопи тельный конденсатор в этом режиме периодически разряжается на трансформатор t 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 им пульса выходного напряжения преобразователя в этом случае минимальная. При значении периода коммутации Т 0,5 Т(фиг. k) конденсатор 12 периодически разряжается на трансформатор Н в моменты времени, когда циркулирующая в зарядной цепи энергия оказывается сосредоточенной в конденсаторе и напряжение на нем проходит максимум. При этом амплитуда импульса выходного напряжения преобразователя также будет максимальной. Таким образом, изменение периода коммутации тиристора Т, в интервале 0,5 (Т приводит к изменению амплитуды импульса выходного напряжения в весьма широких пределах. Относительная величина изменения амплитуды в реальных условиях может составлять 10-15. В такой же пропорции изменяется и выходное выпрямленное напряжение высоковольтного источника. При этом в возрастанием периода Т (с уменьшением частоты генератора импульсов) выходное напряжение источника уменьшается. Двухтактная схема преобразователя (фиг. 2) работает аналогично. Осциллограммы суммарного напряжения на накопительных конденсаторах 12 и 15 и напряжения на повышающей обмотке трансформатора И полностью совпадают с осциллограммами, приведенными на фиг. 3. Высокая устойчивость этой схемы к воздействию помех объясняется наличием магнитной связи между полуобмотками трансформатора И. Благодаря такой связи исключается одновременный запуск тиристоров 13 и 16 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 более, 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 измерения нагрузки вплоть до режима холостого хода. Таким образом, основные отличия предлагаемого высоковольтного стабилизированного источника от известного устройства заключаются в том, что импульсный преобразователь источ ника выполнен с возможностью регулировки амплитуды выходных импульсов путем изменения частоты преобразования, а источник питания подключен не посредственно к преобразователю без каких-либо регулирующих элементов. При этом стабилизация выходного напряжения источника при изменениях наг рузки или питающего напряжения осуществляется при помощи изменения час тоты генератора импульсов преоб- разователя. Благодаря широким пределам изменения выходного напряжения преобразователя при изменении частоты генератора достигается весьма высокий коэффициент стабилизации выход ного напряжения. Кроме того, исключение из схемы источника регулирующего элемента (проходного транзистора) существенно повышает КПД предлагаемого устрой ства. Предлагаемый высоковольтный ста билизированный источник предполагается использовать при разработке устройств для тренировки электровакуумных приборов.. . Формула изобретения 1. Высоковольтный стабилизированный источник питания постоянного тока, содержащий импульсный преобразователь, входом подключенный к входным 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 тличающийся тем, что, с повышения КПД и коэффициента ста билизации, блок управления состоит из мультивибратора с двумя выходами, по крайней мере одного разделительного трансформатора и зарядно-разряд ной цепи, состоящей из резистора и конденсатора, точка соединения коточ рых через диод подключена к коллек- тору транзистора мультивибратора, а последовательно с конденсатором включена первичная обмотка разделительного трансформатора, вторич1Тая1 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,ИстЬчник по п. 1, о т л и чающийся тем, что импульсный: преобразователь выполнен из 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 управляю1цему входу импульсного преобразователя. 3.Источник по п. Т,отличающийся тем, что импульсный преобразователь выполнен в виде последовательно соединенных дросселя и двух контуров, каждый из которых состоит из накопительного конденсатора, тиристора и половины первичной обмотки выходного повышающего трансформатора, причем средняя точка упо-. мянутой обмотки подсоединена к точке соединения накопительных конденсаторов, а управляющие электроды тиристоров подключены к соответствующим управляющим входам импульсного преобразователя, при этом вторичная обмот- , ка повышающего трансформатора подклоче- , на к выходу пульсного преобразователя , Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Белопольский И. И,, Тихонове.И. Транзисторные стабилизаторы на повы-. шенные и высокие, напряжения. М., Энергия, 1971, с. 57, рис. . 2.Источники электропитания на полупроводниковых приборов. Под ред. С. Д. Додик и Е. И. Гальперин, М., Сов.радио, 1969, с. 397, Рис. IX.13. 3.Авторское свидетельство СССР f 257588, кл. Н 02 М 3/28, 1969. k. Информационный листок 76-0926, ВНИМИ, 1976. .

w,/

«ttft

Льп., KB fOO

50

If 00500600700 SCO Fnp.fi4

/,

K -: OfiOfi

К(-ЮОМОм

Фиг.