Высоковольтные блоки питания

Основным элементом схемы высоковольтного блока является преобразователь тока. По принципу действия высоковольтный блок является усилителем напряжения. Скелетная схема блока показана на рис.1

Постоянный ток низкого напряжения от первичного источника 1 поступает на преобразователь 2, дающий на выходе переменный ток. Импульс переменного тока, поданный на первичную обмотку индукционной катушки 3 возбуждает в ней затухающие электромагнитные колебания, амплитуда и частота которых зависит от емкости контура преобразователя тока и индуктивности обмотки.

Контур преобразователя тока и первичной обмотки настраивается в резонанс с высоковольтным контуром вторичной обмотки. Благодаря этому, во вторичной обмотке индуктируются электромагнитные колебания той же частоты, но высокого напряжения. Повышение напряжения осуществляется за счет коэффициента трансформации катушки и резонансного усилителя напряжения. Такой способ позволяет получить коэффициент усилия по напряжению до 3000…5000, т. е. повышать напряжение с 2…4 В до 8…10 кВ. так как для питания приемников излучения необходим постоянный ток, то после индукционной катушки 3 включается выпрямитель-умножитель 4, с выхода которого и снимается постоянный ток высокого напряжения. Для устранения колебаний напряжения на режим работы преобразователя устанавливаются стабилизаторы 5. он может входить в состав отдельных блоков.

Для обеспечения высоким напряжением различных номиналов в схеме предусматривается делитель напряжения 6. Ограничитель тока 7 служит для защиты приемника излучения от пробоя при сильных засветах и резком увеличении фототока.

Основными характеристиками высоковольтного блока является напряжение и сила тока на выходе, потребляемая мощность и напряжение на входе. Требования к величине и стабильности этих характеристик обусловлены назначением прибора, схемами и конструктивными параметрами нагрузки блока питания.

Основным элементом схемы высоковольтного блока является преобразование тока. В зависимости от его схемы и устройства высоковольтные блоки можно разделить на следующие группы: вибрационные, релаксационные, с полупроводниковым преобразователем тока.

В вибрационных преобразователях преобразование постоянного тока в переменный осуществляется при помощи вибраторов, представляющих собой электромеханические прерыватели.

Основными недостатками схем с вибропреобразователями является наличие контактных устройств, для работы которых требуются искрогасители, а иногда и глушители шума, повышенная мощность первичных источников, а также ограниченный срок непрерывной работы в зависимости от ресурса вибратора.

В схеме релаксационного блока (рис. 2) в качестве преобразователя тока используется генератор релаксационных колебаний, обеспечивающий периодическое изменение напряжения в первичной обмотке индукционной катушки в виде пилообразных импульсов тока.

Рис. 2. Релаксационный генератор

Контур релаксационного генератора состоит из первичного источника напряжения Б, регулируемого резистора R, разрядника Р, конденсатора С1 и первичной обмотки трансформатора. Разрядник представляет собой стеклянный баллон, наполненный инертным газом, с двумя металлическими электродами. При малой разности потенциалов на электродах разрядник является сопротивлением. Увеличение разности потенциалов на электродах до критического значения, соответствующего потенциалу разряда Up (для РБ-3Up = 250…300 В), вызывает искровой разряд между электродами. При включении в контур первичного источника, напряжение которого Uб должно быть больше Uр, конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R. В момент, когда напряжение Uсi на обкладках конденсатора станет равным Uрi конденсатор заряжается через разрядник, и в первичной обмотке Тр возникает импульс затухающих колебаний напряжения. Характер изменения потенциала Uс1 на обкладках конденсатора С1 в зависимости от времени t показан на рис. 3. В дальнейшем процессе релаксационных колебаний напряжение повторяется с определенной частотой, причем, потенциал на обкладках конденсатора изменяется от начального значения Uо (для РБ-3 Uо = 50 В) до потенциала разряда Uр.

Периодические импульсы напряжения в первичной обмотке Т_р индуктируют во вторичной обмотке переменный (прерывистый) ток высокого напряжения.

Как видно из принципа работы, первичный источник для релаксационного блока должен обеспечивать достаточно высокое напряжение – не ниже 250…300 В при сравнительно малой мощности. Это позволяет применять в качестве первичных источников для таких блоков сухие галетные высоковольтные батареи или специальные полупроводниковые преобразователи, служащие для повышения напряжения от 2…2,5 до 300…400 В.

К положительным качествам релаксационных блоков относятся:

- бесшумность в работе;

- отсутствие электромеханических устройств;

- малые габаритные размеры.

Недостатками являются:

- сравнительно малая мощность на выходе, не позволяющая использовать их при больших нагрузках;

- критичность к утечкам;

- зависимость режима работы от температурных условий.

Одним из наиболее распространенных, в настоящее время, типов блоков питания для ОЭП является высоковольтный усилитель напряжения на полупроводниках. Это объясняется их малыми размерами, массой, надежностью, экономичностью и бесшумностью в работе. Существует много вариантов схем усилителей напряжения на полупроводниках, применяемых в радиотехнике и электронике. Наибольшее распространение получили генераторы однотактные и двухтактные с прерывистой и непрерывной генерацией.

Однотактный преобразователь (рис. 4) имеет триод, работающий в ключевом режиме.

Рис. 3. Однотактный генератор

Он включен в цепи обмоток L1 и L2 индукционной катушки так, что образуется контур генератора переменного тока с обработкой трансформаторной связью. При включении питания U_n d цепи эмиттер-коллектор-L1 происходит нарастание тока. При этом, в L1 индуктируется напряжение такой полярности, что плюс его приложен к эмиттеру, а минус – к базе триода. В результате ток в цепи L1 достигает максимального значения и увеличение его прекращается. В этот момент напряжение на L3 начинает снижаться, что вызывает уменьшение тока на L1. Последнее является причиной возникновения в L3 напряжения обратной полярности (к базе приложен полюс L3). В результате происходит запирание триода и ток в цепи L1 становится равным нулю. Далее этот процесс многократно повторяется. Таким образом, через первичную обмотку трансформатора протекают импульсы тока.

Режим прерывистой генерации создается включением емкости С в цепь базы триода. При каждом импульсе происходит заряд С от 3 в первый полупериод, когда к эмиттеру приложен плюс напряжения обратной связи. Во второй полупериод происходит незначительный разряд С, так как напряжение от L3 приложено в непроводящем направлении база-эмиттер.

Серия импульсов заряжает С до напряжения U_c, при котором происходит запирание триода, так как плюс приложен к базе. В результате происходит срыв генерации, наступает пауза, в течение которой емкость С разряжается через R2 источник питания и L3. затем генерируется следующий пакет импульсов.

По сравнению с рассмотренными выше однотактными схемами двухтактные имеют большой КПД, позволяют преобразовывать большую мощность и лучше использовать трансформатор.

В двухтактной схеме (рис. 5) используются два триода ПП1 и ПП2. первичная обмотка трансформатора (L1′ и L1″) и обмотка обратной связи (L3′ и L3″) состоят из двух секций каждая. Напряжение смещения снимается с резистора R1 делителя R1-R2 и приложено плюсом к эмиттерам, а минусом – к базам.

При включении питания U_n через оба периода по цепям эмиттер-коллектор – соответствующая секция первичной обмотки трансформатора начинают протекать точки i₁^′ и i₁^″. Эти токи создают в сердечнике трансформатора магнитные потоки обратных направлений. Вследствие неидентичности параметров триодов величины токов i₁^′ и i₁^″, а следственно и магнитных потоков в сердечнике трансформатора неодинаковы.

Рис. 5. Двухтактный генератор

Результирующий магнитный поток индуктирует в секциях L3′ и L3″ обмотки обратной напряжения. При этом, если к базе одного триода прикладывается плюс напряжения обратной связи, то к базе другого открывается. Так же как и в однотактных генераторах, при достижении током через первый триод своего максимального значения, его величина начинает уменьшаться и полярность напряжения обратной связи изменяется на обратную. Далее происходит закрытие второго триода и открывание первого. Этот процесс непрерывно повторяется, а через секции первичной обмотки проходят импульсы тока.

Напряжение переменного тока после преобразователя усиливается с помощью индукционных катушек или трансформаторов. Индукционные катушки применяются в малогабаритных блоках питания. Коэффициент усиления для полупроводниковых и релаксационных блоков обычно составляет 30…40; для вибрационных блоков, имеющих меньшее значение напряжения в первичной обмотке катушки, этот коэффициент равен 50…60. первичные обмотки являются элементами колебательного контура преобразователя. Для устранения утечек, особенно опасных для маломощных блоков, индукционные катушки тщательно изолируют путем заливки компаундом или запрессовки в корпус из диэлектрика.

Обычно индукционные катушки и, повышающие трансформаторы рассчитывают на выходное напряжение на свыше 10…12 кВ. для увеличения напряжения до 18…45 кВ применяют схемы умножения и выпрямления напряжения.

Для выпрямления и умножения напряжения используют накальные и безнакальные кенотроны и селеновые столбики. Эти элементы должны выдерживать обратное напряжение не менее 20 кВ.

Накальные кенотроны, применяемые в блоках питания мощностью до 2…5 Вт, обеспечивают выпрямление тока до 100 мА при напряжении до 20…25 кВ (КВ-20, ВЭИ, ВК-20).

Основными преимуществами накальных кенотронов являются:

- возможность получить значительные мощности на выходе;

- стабильность характеристик;

- надежность в работе.

Основными недостатками являются:

- необходимость питания цепей накала;

- большие габариты.

Безнакальные кенотроны применяются в высоковольтных блоках малой мощности. Действие безнакального кенотрона основано на явлении холодной или автоэлектронной эмиссии (ЦБК-1, ЦБК-16).

Один безнакальный кенотрон обеспечивает выпрямление тока мощностью не более 0,01…0,02 Вт при напряжении до 18 кВ. При необходимости увеличить мощность включают кенотроны параллельно.

Преимущества безнакальных по сравнению с накальными кенатронами являются малые габариты и отсутствие цепи накала.

К недостаткам относятся:

- малая выходная мощность;

- нестабильность характеристик при изменении внешней температуры.

Селеновые выпрямительные столбики обладают большой надежностью и могут использоваться при относительно больших выпрямляемых токах.

Работу схемы выпрямления и умножения рассмотрим на примере схемы учетверения напряжения (рис. 6). Принцип работы схемы умножения основан на параллельном включении в цепь высоковольтного контура выпрямителей В1…В4 и конденсаторов 01…04.

В первый полупериод происходит заряд конденсатора С1 до напряжения через выпрямительный элемент В1. Во второй полупериод элемент В1 заперт и через В2 происходит заряд С2 до напряжения 2U, так как С2 приложены напряжения последовательно соединенных источников – вторичной обмотки L2 и конденсатора С1. В третий полупериод через выпрямительный элемент В3 происходит заряд конденсатора С3 до напряжения элементов L2, С1 и С2, причем, напряжение конденсатора С1 приложено навстречу напряжениям L2 и С2. в этот же полупериод происходит подразряд емкости С1 через В1. В четвертый полупериод конденсатор С4 заряжается через выпрямительный элемент В4 до напряжения 2U и одновременно происходит подзаряд С2 через В2. Зарядка емкости С4, С2 и С3 и вторичной обмотки трансформатора L2. Как видно из схемы, в данном слусае напряжение конденсатора С2 приложено навстречу другим источникам и суммарное напряжение их равно 2U.