Силовая электроника №4'2011

Мощные высоковольтные источники питания. Часть 4

Владимиров Евгений

Ланцов Владимир


Продолжение. Начало в №5’ 2010

В очередной статье цикла рассмотрены высоковольтные источники питания (ВВИП) с выходом на постоянном токе. Приведены схемы таких ВВИП на основе высокочастотных преобразователей для питания мощных электровакуумных приборов, в частности рентгеновских трубок. Описаны особенности функционирования конкретных ВВИП и их устройств, даны сведения о применяемых компонентах.

В статье [1] приводятся сведения об областях применения мощных высоковольтных источников питания и их классификация. Рассмотрены существенные отличия ВВИП от низковольтных источников питания и дан обзор структур построения мощных ВВИП в аспекте их развития. В работе [2] отмечаются особенности высоковольтных (ВВ) блоков и модулей источников высокого напряжения и приводятся основные характеристики входящих в них высоковольтных компонентов. Также изложены принципы и элементы технологии изготовления ВВ-блоков и модулей, в том числе характеристики изоляционных материалов.

В работе [3] рассмотрены некоторые ВВИП большой мощности с импульсным выходом, для краткости обозначенные термином «импульсные ВВИП» или «высоковольтные импульсные генераторы или модуляторы». Приведены основные области их применения:

  1. специальные испытательные установки для генерации мощных ВВ-импульсов;
  2. рентгеноимпульсные аппараты для диагностики и дефектоскопии различных металлоизделий;
  3. рентгенолюминесцентные сепараторы (сортировщики) для выделения алмазов в алмазосодержащей руде и т. д.

Также в статье [3] конкретно анализируются применения ВВИП типа б) и в), исходя из известной информации и личного опыта авторов. Приведены основные схемы формирования высоковольтных импульсов. Даны сведения об основных узлах и компонентах импульсных ВВИП, включая рентгеновские импульсные трубки, высоковольтные коммутаторы (разрядники, тиратроны, полупроводниковые приборы), ВВ-импульсные трансформаторы. Большое внимание уделено описанию и особенностям работы высоковольтного импульсного источника питания рентгеновской трубки мощностью порядка 10 кВт в импульсе (33 кВ/330 мА) и с управлением на основе микроконтроллеров типа PIC16F877 фирмы Microchip.

В настоящей статье цикла рассматриваются ВВИП с выходом на постоянном токе на основе высокочастотных преобразователей для питания мощных электровакуумных приборов, в основном рентгеновских трубок. Рассмотрение для наглядности ведется на примере реальных моделей ВВИП.

Высоковольтный источник питания мощностью 3,5 кВт (55 кВ/60 мА)

Предварительно выскажем несколько соображений по истории проектирования преобразовательных ВВИП большой мощности. В частности, в 70–80-х гг. НПО «Буревестник» (Ленинград), ныне ОАО «НПП «Буревестник» (Санкт-Петербург) [4], на котором работали авторы, в числе прочей аналитической аппаратуры выпускало большими партиями (100 и более штук в год) рентгеновские аппараты (РА) для структурного анализа веществ. Это были дифрактометры общего назначения типа ДРОН: ДРОН-3 и ДРОН-4 в различных исполнениях. Неотъемлемой частью этих аппаратов являлся мощный 1–3-кВт высоковольтный до –(50–60) кВ источник питания рентгеновской трубки (РТ), например БСВ-30. Такой ВВИП должен иметь регулируемые в широком диапазоне параметры выхода как по высокому напряжению (Uв), так и по анодному току (Ia). Кроме того, он должен обладать высокой стабильностью поддержания Uв и Ia (десятые и сотые доли процента). Первоначально в этих целях использовался отечественный низкочастотный 50-Гц высоковольтный источник ИРИС-М1 для питания РТ с симисторным регулятором на сетевом входе, масляной изоляцией и водяным охлаждением ВВ- блока. Его выходные параметры: Pвых.max = 3/3,5 кВт; Uв = –(2–60) кВ; Iвых = Iа = 2–60 мА; нестабильность порядка ±(0,1–0,2)% (за 12 ч работы). Габаритные размеры — 1200×1130×1000 мм (объем V = 1360 дм3), масса — 500 кг, то есть удельные показатели составляют: по объему pV = 2,6 Вт/дм3, по массе — pM ≈ 6 Вт/кг [1]. По электрическим параметрам источник полностью удовлетворял всем требованиям рентгеновских аппаратов, но габаритные размеры и масса были недопустимо велики. Понятно, что использование такого крупногабаритного ВВИП резко снижало конкурентоспособность РА типа ДРОН-4 и последующих поколений. В связи с этим со средины 80-х гг. остро возник вопрос о замене блока ИРИС-М (или ИРИС-М1) на малогабаритный ВВИП, построенный на основе высокочастотного (ВЧ) преобразователя. Это позволило бы также или значительно уменьшить объем трансформаторного масла в высоковольтном блоке (генераторном устройстве, ГУ), применяемом для изоляции высоковольтного трансформатора и умножителя напряжения, или вообще обойтись без него. Подобные высоковольтные источники уже давно выпускались за рубежом. В этой связи в 1987 г. НПО «Буревестник» при поддержке Министерства приборостроения СССР был закуплен источник высокого напряжения модели Kristalloflex 710H фирмы Siemens для последующего воспроизводства.

ВВИП Kristalloflex 710H [5] выполнен с преобразованием на повышенной частоте (20 кГц) и имеет следующие параметры: Uв = (20–55) кВ, Ia = (5–60) мА, Рвых.max = 2,7 кВт. Нестабильность ≤±0,02% при работе от однофазной сети 220 В 50(60) Гц; коэффициент пульсаций Кп≤5%. Габаритные размеры 438×253×704 мм; масса 75 кг, то есть удельная мощность составляет: по объему pV = 35 Вт/дм3, по массе — pM = 36 Вт/кг.

Схема высоковольтного источника питания Kristalloflex 710H (Siemens)

Рассмотрим упрощенную схему ВВИП модели Kristalloflex 710H, выполненную на основе его технического описания и представленную на рис. 1.

Схема преобразовательного ВВИП мощностью 3,5 кВт

Рис. 1. Схема преобразовательного ВВИП мощностью 3,5 кВт (55 кВ/60 мА) типа Kristalloflex 710H фирмы Siemens

Структурно ВВИП модели Kristalloflex 710H включает в себя:

  • устройство включения (УВкл);
  • управляемый тиристорный выпрямитель-удвоитель (ТВУ) с устройством управления УУ1;
  • мостовой транзисторный инвертор (И) с устройством управления УУ2;
  • высоковольтный (ВВ) блок (или ГУ).

На схеме (рис. 1) достаточно подробно показан только стабилизированный канал Uв или стабилизатор высокого напряжения (СВН). Канал стабилизатора анодного тока (САТ) для простоты не изображен и представлен только узлом датчика aнодного тока Ia (R7) и выходным накальным трансформатором TV2 (все в ВВ-блоке).

В УВкл объединены: силовой автоматический пускатель K1 (или контактор), плавкий предохранитель, схема пуска при нулевом напряжении сети, детектор контроля сетевого напряжения, сетевой фильтр помех. В качестве ограничителя пусковых токов и токов заряда конденсаторов сетевого выпрямителя использован низкочастотный дроссель L1 без зазора (на схеме расположен в ТВУ).

Назначение управляемого ТВУ — повысить напряжение питания Uo инвертора (И) для уменьшения тока через его ключевые транзисторы, а также стабилизировать Uo для получения более высокого качества высокого напряжения Uв. (Отметим, что в настоящее время при питании от однофазной сети переменного тока и мощности до 3–5 кВт в этих целях используется активный корректор коэффициента мощности, описанный, например, в [1].) ТВУ выполнен по схеме однополупериодного удвоителя на тиристорах VS1, VS2 и конденсаторах С1, С2. Он позволяет получать на выходе стабилизированное напряжение питания, регулируемое в диапазоне Uо = +(120–400) В для мостового транзисторного инвертора в разных режимах работы. На выходе ТВУ включена цепь R3K1 (блок-контакт пускателя или контактора) для разряда конденсаторов С1, С2 большой емкости при выключении всего ВВИП. Управление тиристорами VS1, VS2 (URRM = 800 В, IF AV = 40 A) осуществляется устройством фазо-импульсного управления УУ1 как по сигналу с выхода ТВУ, так и сигналами уставки напряжения из центрального устройства УУ2, в зависимости от рабочего поддиапазона.

Мостовой инвертор выполнен на транзисторах VT1–VT8 типа BUV98A (Philips) [6] — по две штуки параллельно в каждом плече. Параметры транзистора: UCE0 = 450 В/UCB0 = 1000 В, IC = 30 А (60 А имп.), Ptot = 150 Вт; UCE sat = 1,5 В; H21E (HEE) ≥ 5(при IC = 6 А). В эмиттеры нижних транзисторов VT3 (VT4) и VT7(VT8) включены резисторы R4, R6, используемые как датчики тока перегрузки инвертора. Для простоты в схеме не показаны снабберы (VDRC-цепи) в каждом плече моста, ограничивающие скорость нарастания напряжения на коллекторах транзисторов VT1–VT8. Резонансный характер нагрузки инвертора, из-за паразитных параметров (Ls, Cs) ВВ-трансформатора TV1, обеспечивает минимальные коммутационные потери мощности в транзисторах в момент их выключения. Для исключения подмагничивания высоковольтного трансформатора первичная обмотка высоковольтного трансформатора TV1 подключена через разделительный конденсатор С3 последовательно с демпфирующим резистором R5. Управление ключевыми транзисторами VT1–VT8 производится последовательностями разнополярных импульсов, сдвинутыми по фазе на 180° с паузой между ними («мертвое время») через управляющие трансформаторы (на схеме не показаны) с выходов центрального устройства управления УУ2. Изменение параметров импульсов происходит по сигналу обратной связи (ОС) с делителя высокого напряжения (ДВН) на резисторах R27–R32 в высоковольтном блоке.

Высоковольтный блок включает в себя:

  • высоковольтный трансформатор TV1;
  • умножитель напряжения по диодно-мостовой псевдосимметричной схеме (диоды VD1–VD14, конденсаторы C5–C16);
  • датчик обратной связи по анодному току Ia: R7, C4, разрядник F1;
  • датчик обратной связи по высокому (анодному) напряжению — ДВН из резисторов R27–R32, разрядник F3;
  • токоограничительные резисторы R9–R26 (всего 18);
  • резистор R8 — задатчик тока компенсации;
  • высокопотенциальный трансформатор TV2 питания цепи накала РТ;
  • датчик температуры внутри масла на термопаре (на схеме не показан).

ВВ-трансформатор TV1 выполнен на сердечнике из четырех ферритов типа ПП 90×80×30 мм с высокой магнитной проницаемостью, имеющем зазоры для ослабления подмагничивания и одновременно охлаждения. Обмотки расположены на одном керне. Первичная обмотка w1 — бескаркасная прямоугольной конфигурации, ближайшая к керну. Вторичная обмотка w2 — трапецеидальная, из нескольких секций, выполненная виток к витку проводом с повышенными изоляционными свойствами. ВВ-обмотка имеет барьерную изоляцию от второго керна сердечника. ВВ-умножитель собран на высоковольтных быстродействующих диодах (URRM = 10 кВ, IF AV = 100 мА) фирмы ASSY по два диода последовательно в каждом выпрямительном элементе VDi (VD1–VD14). Малогабаритные конденсаторы 10 нф/8 кВ (∅16×44 мм) фирмы Siemens [5], обозначенные на схеме как Cj (C6–C16), соединены последовательно-параллельно с увеличением числа конденсаторов по мере удаления от низковольтной ступени умножения. Правила соединения высоковольтных компонентов описаны авторами в [2]. Каждый из конденсаторов Cj зашунтирован разрядным высоковольтным резистором R с сопротивлением 48 МОм.

Токоограничительные объемные резисторы R9–R26 типа отечественных ТВО-10 Вт (суммарное сопротивление Ro = 1,78 кОм × 18 шт. ≈ 32 кОм) включены последовательно с выходом умножителя. Компенсация влияния падения высокого напряжения на токоограничительных резисторах R9–R26, включенных вне контура ОС по высокому напряжению, производится с помощью резистора R8. ДВН состоит из пяти высоковольтных (20 кВ) высокоомных (40 МОм ±1%) резисторов R27–R31 (мощностью не менее 5 Вт), соединенных последовательно, с суммарным сопротивлением 200 МОм, т. е. ток через ДВН равен IДВН ≈ 0,27 мА. Низковольтный резистор R32 имеет cопротивление 20 кОм. Выходы сигналов ОС по анодному току и высокому напряжению с датчиков Ia и Uв, а также схемы компенсации (R8, VD15) защищены от пробоя искровыми разрядниками F1–F3. Высоковольтный блок выполнен в металлическом кожухе, заполненном трансформаторным маслом, и имеет устройство воздушного охлаждения посредством мощных вентиляторов.

В источнике Kristalloflex 710H предусмотрены следующие виды защит от перегрузок и аварий по высоковольтному выходу со световой индикацией на лицевой панели блока управления:

  • от недопустимых изменений питающего сетевого напряжения (выход за допуск или пропадание напряжения) — путем выключения;
  • от токовых перегрузок и коротких замыканий (КЗ) — выключением инвертора, ТВУ и контактора в УВкл, а также разрядом конденсаторов большой емкости в ТВУ;
  • от перенапряжений:
    а) включением упомянутых токоограничительных резисторов R9–R26, устойчивых к кратковременным перенапряжениям большой величины;
    б) срабатыванием триггерной защиты в УУ1 при превышении допустимой величины сигнала обратной связи по напряжению с ДВН;
  • от обрыва цепи накала нагрузки (РТ);
  • от пропадания высокого напряжения;
  • от превышения допустимой мощности на выходе (нагрузке), поскольку Pвых max = 2,7 кВт > Uв max × Iа max = 55 кВ × 60 мА = 3,3 кВт;
  • от недопустимого перегрева масла в ВВ-блоке — с помощью датчика температуры на термопаре.

Об истории разработки отечественного аналога высоковольтного источника питания Kristalloflex 710H (Siemens)

В общем контексте статьи определенный интерес представляют проблемы разработки в то время отечественного аналога ВВИП типа Kristalloflex 710H с учетом возможностей отечественных компонентов. В принципе, они характерны для многих изделий подобного рода, кроме, возможно, изделий военного назначения, и в том или ином виде существуют и в настоящее время.

Натурный образец источника Kristalloflex 710H (Siemens) вместе с техническим описанием был изучен в НПО «Буревестник» ведущими специалистами Старчиковым А. Н. и Власовым К. К. Несмотря на наличие полномасштабного аналога, основные трудности были связаны, прежде всего, с определением возможности осуществления адекватных замен силовых компонентов (транзисторов BUV 98 А и антипараллельных диодов к ним), высоковольтных диодов и некоторых других компонентов [7]. Также требовали серьезной проработки вопросы рациональной структуры преобразовательного ВВИП, обеспечения его устойчивой работы в разных режимах. Особое значение имело создание надежной комплексной защиты.

Первоначально рассматривалась возможность прямых замен компонентов. Так, мощный транзистор BUV 98A (UCE0 = 450 В/UCB0 = 1000 В, IC = 30 А/60 А имп, Ptot = 150 Вт) можно было бы заменить параллельным соединением нескольких отечественных транзисторов, например:

  • КТ840А (UCE0 = 400 В/UCB0 = 900 В, IC = 6 А (8 А имп), Ptot = 60 Вт) — 6 шт.;
  • КТ841А (UCE0 = 400 В/UCB0 = 600 В, IC = 10 А (15 А имп), Ptot = 50 Вт) — 5 шт.;
  • КТ872А (UCE0 = 700 В/UCB0 = 1500 В, IC = 8 А (15 А имп), Ptot = 100 Вт) — 5 шт.

При этом необходимо было дополнительно: а) включать симметрирующие резисторы в эмиттер каждого транзистора; б) производить определенный отбор транзисторов, избегая, например, использования образцов транзисторов с аномально хорошими параметрами (значительно лучшими, чем средний уровень). Для применения в качестве обратно включенных (антипараллельных) диодов для транзисторов можно было использовать 3–4 последовательно соединенных быстродействующих диода типа КД2997 (URRM = 200 В, IF AV = 30 А, fmax = 100 кГц). Примерно так же обстояло дело и с выбором отечественных ВВ-диодов. В наличии практически были только маломощные высоковольтные столбы типа КЦ106Г с параметрами: URRM = 10 кВ, IF AV = 10 мА, fmax = 20 кГц. Для обеспечения тока порядка 60 мА требовалось параллельно включить не менее восьми таких столбов, то есть всего более 150 штук. При этом следовало отбирать их по величине прямого падения напряжения UF. Определенную сложность представляло проектирование ВВ-трансформатора из-за отсутствия отечественных ферритовых сердечников с большим сечением и параметрами (Bm, потери), близкими к зарубежным.

По этим причинам начальные попытки проработать основные блоки по прямой аналогии с ВВИП типа Kristalloflex 710 H потерпели неудачу. Более реальными были усилия по разработке модулей и блоков преобразовательного ВВИП с мощностью 1(1,5) кВт. Тем более что для некоторых модификаций рентгеновских аппаратов типа ДРОН требовались облегченные режимы работы ВВИП, например: 30 кВ/30 мА; 40 кВ/25–30 мА; 50 кВ/20–25 мА. Далее можно было комплексировать в одном ВВИП разработанные менее мощные модули и блоки: параллельно — на стороне низкого напряжения, последовательно — на стороне высокого. (Отметим, что и в настоящее время разработка мощных ВВИП является далеко не простым делом, хотя трудностей с компонентами стало значительно меньше.) Заканчивая поучительную историю о разработке мощного источника высокого напряжения в конце 80-х гг., скажем, что в 90-х аппараты типа ДРОН-4, ДРОН-6 продолжали по-прежнему комплектоваться громоздкими низкочастотными ВВИП типа ИРИС-М, что вызывало все более серьезные претензии заказчиков. Учитывая все это, в 2001 г. было принято решение о приобретении импортных преобразовательных ВВИП типа Compact 3K5 итальянской фирмы Ital Structures [8], что экономически оказалось более выгодно, чем своя длительная разработка. Электрические параметры этого блока несколько лучше по параметрам ВВИП Kristalloflex 710H. К тому же сам блок выполнен на современных компонентах (IGBT, драйверы) и более совершенен по конструкции.

Высоковольтный источник питания 250 Вт (50 кВ/5 мА)

Кроме преобразовательных источников высокого напряжения мощностью в несколько киловатт, в ОАО «НПП «Буревестник» также существовала потребность в ВВИП на мощности в сотни ватт. К примеру, много лет не удавалось по разным причинам создать преобразовательный источник на 250–300 Вт для сканирующего рентгеновского спектрометра СПАРК-3. В самом начале 2000-х гг. на предприятии для модернизированного аппарата СПАРК-3М был разработан преобразовательный ВВИП-50 кВ/5 мА. В процессе создания этого источника было выполнено несколько версий, в том числе первая версия под руководством одного из авторов (Ланцов В. В.). В разработке ВВИП-50 кВ/5 мА принимали участие ведущие специалисты предприятия: блок управления — Кирсанов А. Л., Орлова Н. Е.; высоковольтный блок (ГУ) — Старчиков А. Н. и, в основном, Мищенко Л. С. Доработка ВВИП (вторая версия) и его испытания производились под руководством Орлова В. А. Вниманию читателей предлагается усовершенствованная (третья) версия этого источника, доработанная авторами статьи с заменой некоторых модулей и компонентов.

На рис. 2 представлена упрощенная схема преобразовательного ВВИП-50 кВ/5 мА.

 Схема преобразовательного ВВИП типа ВВИП-50/5

Рис. 2. Схема преобразовательного ВВИП мощностью 250 Вт (50 кВ/5 мА) типа ВВИП-50/5

Структурно ВВИП-50кВ/5мА включает в себя:

Блок управления в составе:

  • низковольтный источник вторичного электропитания (А1) с выходной мощностью до 350 Вт, имеющий пять выходных каналов: +200, +24, ±15 В; 1(+15 В.1 — 0 В.1 — -15 В.1); +15 В.2 (0 В.2);
  • модуль ВЧ-преобразователя СВН (А2) на основе полумостового инвертора с питанием силовых ключей от напряжения +200 В, а управляющих драйверов — от +15 В.1 и +15 В.2;
  • модуль преобразователя САТ (А3) на основе двухтактного инвертора с трансформатором TV1, питанием силовых ключей от напряжения +24 В, а управляющего драйвера — от +15 В.1;
  • устройство управления (А4) с питанием от ±15 В.1.

Высоковольтный блок (ГУ) в составе:

  • высоковольтные трансформаторы TV2, TV3;
  • модули выпрямителей-умножителей В1, В2;
  • накальный высокопотенциальный трансформатор TV4;
  • датчик обратной связи (ОС) по анодному току Iа на резисторе R1;
  • датчик ОС по высокому (анодному) напряжению –Uв(–Uа) — делитель высокого напряжения (ДВН) на резисторах R8–R20;
  • защитные компоненты: варисторы R1, R4, токоограничительные резисторы R5–R7 и термоконтактор K.

Основные параметры компонентов ВВИП-50/5 в обобщенном виде приведены в таблице.

Таблица. Основные параметры компонентов в схеме ВВИП-50 кВ/5 мА (рис. 2)

Блок, модуль Обозначение компонента Тип (фирма) Основные параметры Примечание
Блок управления (БУ)
Источник питания (А1) ПВГ-01 (ЗАО НПП «ПИК», СПб) Pвых max = 350 Вт; Uвых/Iвых = +200 В/1,5 А; +24 В/1,5 А; ±15 В.1/0,2 А; +15 В.2/0,1 А Импульсный ИВЭ. Габариты: 220×95×40 мм
Модуль преобразователя СВН (А2) VT1, VT2 IRFP 460 (IR) MOS: UDSS = 500 В, ID = 20 А, PD = 280 Вт;
RDS on = 0,27 Ом; ton/toff = 77/170 нс
Диод: IF AV = 20 А, UF = 1,8 В; trr< 570 нс
MOSFET, N-канал. Корпус ТО-247АС
VD1 1N4148 URRM = 75 В, IF AV = 0,15 А, UF = 1 В (10 мА), IR = 25 нА; trr = 4 нс Корпус DO-35
VD2 BYT11/1000/ST (STM) URRM = 1000 В, IF AV = 1 А, UF = 1,3 В; trr = 1000 нс Корпус DO-14
DA1, DA3 6N136-SIE (Siemens) Вход (оптодиод): IF max = 25 мА. Выход (оптотранзистор):
UCE max = 15 В, IC max = 8мА, UCE sat = 0,4 В; CNR > 15%, Uisol = 2500 В; ton/toff = 200/300 нс
Оптопара транзисторная быстродействующая. Корпус DIP8
DA2, DA4 IR2125 (IR) Uo max = 18 В, Io max = Iвых max = +1A/–2А, UCS = 230 мВ,
Uoffset = Uв = 600 В, Us = Uп = +18 В; ton/toff = 150/150 нс
Одноканальный драйвер верхнего уровня (PDIP8)
С1, С3 К53-34-2 32 В–3,3 мкФ ±20% Оксидно-полупроводниковый
С2 К10-73-1б-М47 50 В–820 пФ ±10% Керамический
С4, С5, С6 К10-73-1б-Н50 50 В–0,033 мкФ ±10%
C7, C9 К15-5 1,6 В–1500 пФ
C8 МKS4 400 В–2,2 мкФ ±10% Пленочные полиэтилентерафталатные
C10, C11 ЕLP / LLQ2A (Nihon) 250 В–220 мкФ ±20% Электролитический
R1 С2-33Н 0, 25 Вт–1,2 кОм ±5% Непроволочные неизолированные
R2 С2-33Н 0,125 Вт–3,3 кОм ±5%
R4 С2-33Н 0, 25 Вт–8,2 кОм ±5%
R6, R9 AX5W 5 Вт–0,33 Ом ±10% Проволочный цементный
R7 AX9W 9 Вт–1 Ом ±5%
R8, R10 С2-33Н 2 Вт–75 Ом ±5% Непроволочные неизолированные
Модуль преобразователя САТ (А3) VT3, VT4 IRF 540 (IR) MOS: UDSS = 100 В, ID = 28 А, PD = 150Вт; RDS on = 0,08 Ом; ton/toff = 80/160 нс.
Диод: IF AV = 20 А, UF = 1,3 В; trr< 250 нс
MOSFET, N-канал. Корпус ТО-220
DA5 IR2113 (IR) Uo max = Uвых max = 20В, Io max = Iвых max ±2 А, Uoffset = Uв = 600 В,
Us = Uп = +20 В; tD = 20 нс, ton/toff = 120/94 нс
Двухканальный драйвер. Корпус DIP14
Устройство управления — УУ (А4) LF355N (NSC) KU ≥ 2×105, Iвх ≤ 3пА, ΔUвх ≤ 0,5 мВ; Fmax = 2,5 МГц Одноканальные ОУ (DIP8)
LT1431 (LT) Uref = 2,4–36 В, Imax = 100 мА, δUref T° ≤ ±0,005%/°С Источник опорного напряжения
LM339 (NSC) KU ≥ 2×105, Iвх ≤ 25 нА, ΔUвх ≤ 3 мВ; tD ≤ 1,3 мкс 4-канальные компараторы (DIP14).
TL494CN (Fairchild) ΔUFB ≤ 2 мВ(тип), Uref = 5±0,25 В; UCC = 7–40 В IC1 = IC2 ≤ 0,2(0,5) А, fmax = 200 кГц, tr/tf = 200/100 нс, DTC («мертвое время») — до 5% периода ШИМ-контроллеры (DIP16)
К561 (КМОП-логика) Us = +(3–15) В, U0 = 0,5 В, U1 = Us–0,05 В; tD = 20–60 нс Логические микросхемы (DIPxх)
Высоковольтный блок (ГУ)
Выпрямитель-умножитель (В1, В2) VD1…VD16 DD1800 (Diotec) URRM = 18 кВ, IF AV = 20 мА, UF = 40 В, IR = 25 мкА; trr = 150 нс Корпус ∅3×2мм («тело»)
С1…С10 К73-14 10 кВ–2200 пФ ±10% Пленочные полиэтилентерафталатные
С11…С13 К73-17 400 В–0,047 мкФ ±20% Полиэтилентервафталатные металлизированные
С14…С19 (Panasonic) 15 кВ–470 пФ Керамические
R1, R4 595-30 (Philips) Umax~ = 30 Вэфф, Umax=/U1 = 38 В/47 В (1 мА), Imax = 1 кА (8/20 мкс) Варистор металлооксидный
R2 С5-5В 2,4 кОм ±0,2% Проволочный прецизионный
R3 C2-29В 0,25 Вт–100 Ом ±1% Непроволочный прецизионный
R5…R6 ТВО- 5 Вт–75 кОм ±5% Объемные резисторы
R7 ТВО- 2 Вт–10 кОм ±5%
R8…R19 VR-68 1 Вт–68 МОм ±1%; 10 кВ=/7 кВэфф Металлопленочные высоковольтные
R20 МРХ 0,125 Вт–505 кОм ±0,05% Микропроволочный
К BTL-050 +50±3 °С Термоконтактор
ТV2, TV3 Сердечник: М3000 НМС-1 ПК 30×16
Первичная: W1 = 120 витков (4 ряда, 2 слоя бумаги между рядами) ПЭТВ-2 ∅ 0,25 мм.
Вторичная высоковольтная: W2 = 4×495 (4 секции) ПЭТВ-2 ∅0,14 мм, R = 250 Ом
Высоковольтные трансформаторы
TV4 Сердечник: М3000 НМС-1 ПК 26×13.
Первичная: W1 = 40×2 витков (3 ряда, 2 слоя бумаги) ПЭТВ-2 ∅0,25 мм.
Вторичная высокопотенциальная: W2 = 6 витков (3 ряда) ПЭТВ-2 ∅1,5 мм
Накальный высокопотенциальный трансформатор

Низковольтный преобразовательный ИВЭ (А1)

ИВЭ (А1) — типа ПВГ-01 разработан и поставлен ЗАО НПП «ПИК» (Санкт- Петербург) [9]. Источник ПВГ-01 имеет следующие параметры:

  • выходные напряжения и токи (Uвых/Iвых): +200 В/1,5 А; +24 В/1,5 А; ±15 В.1(+15 В.1 — 0 В.1 — –15 В.1)/0,3 А; +15 В.2/0,3 А, при этом канал +24 В имеет свой стабилизированный преобразователь;
  • нестабильность выходных напряжений δUвых при изменении: сетевого питания (+10%, –15%) ≤ 0,3%; тока нагрузки ≤ 0,5%;
  • коэффициент пульсаций Кп ≤ 0,5%;
  • частота преобразования 200 кГц;
  • габаритные размеры 220×95×44 мм (V = 0,92 дм3), масса — 0,7 кг;
  • удельная мощность pV = 380 Вт/дм3.

Модуль преобразователя СВН (А2)

В этом модуле полумостовой инвертор образован силовыми ключами СК1, СК2 на N-канальных MOS-транзисторах VT1, VT2 типа IRFP 460 (International Rectifier) [10] и конденсаторами С10, С11. Параметры IRFP 460 (UDSS = 500 В, ID = 20 А, PD = 280 Вт; RDS on = 0,27 Ом; ton/toff = 77/170 нс) позволяют эффективно работать на частоте преобразования инвертора 20–24 кГц и получить высокий КПД. Для исключения подмагничивания высоковольтных трансформаторов TV2, TV3 в ВВ-блоке (ГУ), на выходе инвертора включен разделительный конденсатор С8 (2,2 мкФ, 400 В) последовательно с демпфирующим резистором R7 (1 Ом). Подавление выбросов напряжения при переключении VT1, VT2 осуществляется благодаря демпфирующим цепям R8C7, R10C9 (75 Ом, 1,5 нФ). ШИМ-управление ключевыми транзисторами VT1,VT2 производится через практически идентичные устройства управления УУ СК1, УУ СК2 (управляющие драйверы) с выходов центрального устройства управления УУ (А4). В составе каждого из УУ СК на входе имеется узел гальванической развязки на быстродействующей (ton/toff = 200/300 нс) оптопаре DA1 (DA3) с высоковольтной (2500 В) гальванической развязкой типа 6N136-SIE (Siemens) [5]. Каждая оптопарa работает на свой одноканальный драйвер DA2 или DA4 типа IR2125 (IR) [10], осуществляющий функции порогового формирователя сигналов, импульсного усилителя мощности и защиты от токовых перегрузок. Защита драйверами IR2125 транзисторов VT1, VT2 от токовых перегрузок производится по сигналам с датчиков тока на резисторах R6, R9 (0,33 Ом, 5 Вт) в истоковых цепях VT1, VT2 через формирующие RCR-цепи (например, R3C6R5). Обрамление драйверов IR2125 выполнено по стандартной схеме, рекомендуемой фирмой. Параметры драйверов IR2125:

  • максимальное выходное напряжение Uo max = 15–18 В (при питании от 15–18 В), максимальный импульсный выходной ток Io max = +1 А/–2 А;
  • напряжение верхнего уровня Uoffset = 600 В;
  • быстродействие ton/toff = 150/150 нс.

Для обеспечения надежности функционирования драйвера DA2, управляющего высокопотенциальным (верхним) СК1, использовано питание выхода драйвера отдельным напряжением +15 В.2. При этом также применена схема так называемого «бутстрепного» питания с блокирующим высоковольтным (1000 В) быстродействующим (trr = 100 нс) диодом VD2 типа BYT11/1000/ST (STMicroelectronics) [11]. УУ СК1 и УУ СК2 управляются импульсами, сдвинутыми по фазе на 180° от схемы управления в канале СВН в центральном УУ (А4). В этой схеме управления (подробно далее см. рис. 3) изменение длительности (ширины) импульсов происходит в микросхеме ШИМ-контроллера типа TL494CN (Fairchild) [12], управляемого, в свою очередь, сигналом с усилителя обратной связи (УОС-СВН) по высокому напряжению.

 Схема каналов обратной связи

Рис. 3. Схема каналов обратной связи и управления высоким напряжением и током накала источника ВВИП-50/5

Модуль преобразователя САТ (А3)

В этом модуле инвертор питается от напряжения +24 В и выполнен по двухтактной схеме на N-канальных MOS-транзисторах VT3, VT4 типа IRF 540 (IR) [10] и трансформаторе TV1. Параметры IRF 540: UDSS = 100 В, ID = 28 А, PD = 150 Вт; RDS on = 0,08 Ом; ton/toff = 80/160 нс. Инвертор работает на частоте преобразования 14–18 кГц, чтобы разнести частотные диапазоны СВН и САТ. Управление VT3, VT4 производится от УУСАТ на основе двухканального драйвера IR2113 (IR) [10] без гальванической развязки. Параметры IR2113: Uo max = 20 В, Io max = ±2 А, Uoffset = 600 В; быстродействие: время задержки tD = 20 нс, а ton/toff = 120/94 нс.
Обрамление драйвера IR2113 выполнено по стандартной схеме, рекомендуемой фирмой IR. УУСАТ управляется импульсами, сдвинутыми по фазе на 180° от схемы управления в канале САТ в центральном УУ (А4). Управление (подробно далее см. рис. 3) производится изменением длительности (ширины) импульсов в микросхеме ШИМ-контроллера типа TL494CN (Fairchild) [12], управляемого, в свою очередь, сигналом с усилителя обратной связи (УОС-САТ) по выходному (анодному) току ВВИП. Трансформатор TV1 введен как промежуточный для повышения электробезопасности питания накального трансформатора TV4 в ВВ-блоке.

Устройство управления ВВИП-50/5

Устройство управления ВВИП-50/5 (А4) выполняет следующие функции:

  • стабилизацию высокого напряжения Uв и его регулирование в пределах от –50 до –10 кВ;
  • стабилизацию анодного тока Iа и его регулирование в пределах 0,5–5 мА;
  • комплексную защиту от различных перегрузок и аварийных ситуаций.

Рассмотрим более подробно реализацию каналов обратной связи и управления для СВН и САТ. Предварительно сделаем ряд важных замечаний.

В отличие от устройств управления низковольтными преобразовательными ИВЭ, в преобразовательных ВВИП с выходом на постоянном токе не удается непосредственно использовать микросхемы резонансных, а также ШИМ-/ЧИМ-контроллеров как из-за высокого напряжения (очень большой коэффициент деления напряжения высокоомного ДВН — 1000:1–10000:1), так и по требованиям высокой стабильности. Такое положение объясняется недостаточными параметрами встроенных в микросхемы контроллеров узлов. Во-первых, встроенные усилители сигнала ошибки имеют недостаточно большие значения коэффициента усиления (Кu = 2000–90000), значительную величину смещения нуля ΔUвх = 2–10 мВ и низкое входное сопротивление Rвх ≤ 1М Ом. Оставляют желать лучшего и параметры встроенного источника опорного напряжения (ИОН). Например, у ШИМ-контроллера TL494CN параметры ИОН (Reference): Uref = 5±0,25 В; нестабильность Uref в рабочем диапазоне: по напряжению δUref U = 0,1–0,5%, по температуре
δUref T° = 0,2–1%.
Имеются и другие особенности. В этой связи в устройствах управления источниками высокого напряжения для питания РТ в большинстве случаев предусматривается:

  • использование в цепях ОС операционных усилителей с высокой чувствительностью (очень большим Кu), малыми величинами смещения нуля и температурного дрейфа, большим входным сопротивлением;
  • использование ИОН с низкими значениями ТКН и временного дрейфа на основе или прецизионных стабилитронов, или интегральных микросхем регулируемых ИОН;
  • обеспечение как большой величины основных постоянных времени (сотни миллисекунд) в цепи ОС каналов усиления СВН и САТ, так и определенных соотношений между ними.

Упрощенная схема каналов ОС и управления СВН и САТ представлена на рис. 3. Для наглядности на схеме (рис. 3) приведены типы активных и значения номиналов пассивных компонентов.

В указанном выше аспекте в описываемое устройство управления входят:

  • канал усилителя обратной связи СВН (УОС-СВН/А1);
  • канал усилителя обратной связи САТ (УОС-САТ/А2);
  • общий источник опорного напряжения (ИОН/А3);
  • ШИМ-контроллер для управления СВН (А4);
  • ШИМ-контроллер для управления САТ (А5).

Канал обратной связи и управления СВН

В канале УОС-СВН/А1 входной узел — это прецизионный повторитель напряжения (Ку1 = 1) с конвертированием импеданса выходного сопротивления ДВН из высокоомного на низкоомный на основе DA1 — ОУ типа LF355N (National Semiconductor) [13]. Параметры LF355N [14]: коэффициент усиления Ku ≥ 2×105, входной ток Iвх ≤ 3 пА, смещение нулевого уровня ΔUвх ≤ 0,5 мВ, входное сопротивление Rвх ≥ 1012 Ом. Напряжение ОС («–Uв"») в диапазоне 1–10 В с резистора R1* (240 кОм) поступает на неинвертирующий вход DA1 (вывод 3). Резистор R1* шунтирует более высокоомный выход (505 кОм) нижнего низковольтного плеча ДВН (Rнв) в ВВ-блоке с целью снижения уровня помех и подгонки величины максимального напряжения обратной связи (ОС) до 10 В. Инвертирующий вход DA1 (вывод 2) замкнут с выходом микросхемы (вывод 6), т. е. имеет место 100%-ная последовательная отрицательная ОС. Благодаря высокому уровню параметров ОУ LF355N, приведенная погрешность коэффициента передачи входного напряжения (Ку1 = 1) не превышает ±0,1%. Питание DA1, так же как и остальных ОУ, осуществляется двухполярным напряжением ±15 В.1 (+15 В.1 — 0 В.1 — –15 В.1). С выхода первого каскада напряжение ОC поступает: а) на зажим контроля высокого напряжения через разделительно-фильтрующую цепь R3C1 («Контроль–Uв"»); б) на вход второго каскада. Второй каскад — инвертирующий прецизионный повторитель (Ку2 = –1) на DA2 и также выполнен на LF355N, охваченном параллельной отрицательной ОС через R6C2*. Входной резистор R4 и резистор ОС R6 — типа С2-29 В-0,125 Вт-51 КОм ±0,25%. Конденсатор С2* — керамический, типа К10-17, и подбирается при регулировке в пределах 1–3,3 мкФ. Совместно с резистором R4 и микросхемой DA1 он образует активное апериодическое звено первого порядка и осуществляет коррекцию амплитудно-частотной характеристики СВН для обеспечения необходимой устойчивости. Постоянная времени τ1 = R4 × C2* является основной для усилительного тракта и при указанных значениях компонентов равна 0,051–0,16 с. Таким образом, первый «излом» логарифмической АЧХ (ЛАЧХ) системы регулирования СВН происходит на инфранизкой круговой частоте ω1 = 1/(R4 × C2) ≈ 6–20 рад/c (или f1 ≈ 1,2–3,3 Гц). ЛАЧХ СВН, начиная с этой точки, имеет наклон –20 дБ/дек, что обеспечивает устойчивую работу и характерно для всех СВН. С выхода второго каскада положительное напряжение ОС через резистор R7 (10 кОм) поступает на вход (инвертирующий вход DA3) третьего усилительного каскада. ОУ охвачен параллельной отрицательной ОС через подборный резистор R9*. Приведенное на схеме значение сопротивления R9* (5,1 МОм) используется при начальной регулировке канала, чтобы обеспечить заведомо устойчивую работу СВН. При этом коэффициент усиления этого каскада составляет Ку3 = R9*/R7 = 5,1 МОм/10 кОм = 510. При комплексной настройке ВВИП для получения высокой стабильности высокого напряжения при выбранной структуре значение Ку3 должно быть не менее 5000. То есть значение сопротивления резистора R9* будет порядка 51–100 МОм. При очень высоких требованиях к стабильности Uв этот резистор совсем отключается, и величина Ку3 определяется коэффициентом усиления LF355N (Ku ≥ 2×105). Конденсатор С3* (0,022–0,1 мкФ), включенный параллельно R9*, совместно с R7 образует еще одно апериодическое звено в тракте усиления с постоянной времени τ2 = R7×C3* = 10 кОм × (0,022–0,1 мкФ) = 0,22–1 мс. Основное назначение этой цепи — препятствовать самовозбуждению третьего усилительного каскада, особенно при очень больших значениях Ку3, а также ослаблять пульсации удвоенной частоты преобразования инвертора (32–48 кГц). Вместе с тем постоянная времени τ2 образует второй «излом» логарифмической АЧХ (ЛАЧХ) системы регулирования СВН на низкой круговой частоте ω2 = 1/τ2 ≈ 1000–4500 рад/c (f2 ≈ 160–720 Гц). ЛАЧХ СВН в этой точке приобретает дополнительный наклон –20 дБ/дек.

В третьем каскаде на неинвертирующий вход DA3 через резистор R8 (6,2 кОм) подается управляющее напряжение (уставка), благодаря которому в результате происходит изменение высокого напряжения. Управляющим напряжением является или положительное опорное напряжение Uоп = 1–10 В («Регулировка «–Uв»/ручное»), или положительное напряжение от внешнего микроконтроллера («Управление СВН от МК»). Источник опорного напряжения ИОН/А3 выполнен на микросхеме DA4 регулируемого высокостабильного ИОН типа LT1431 (Linear Technology) [15]. Параметры LT1431: Uоп = 2,5–36 В/1–100 мА, Uоп T = ±(0,003–0,005)% / °С, Uп = 3–40 В. При необходимости можно применить и более прецизионную микросхему, например LM4050 [16]. Питание ИОН производится от напряжения +15 В.1.
Плавное изменение опорного напряжения осуществляется посредством линейного прецизионного потенциометра R11 (10 кОм ±0,25%) с оцифрованным верньерным устройством. Переключение режимов управления из ручного в автоматический достигается при помощи контакта К1 одноименного реле, обмотка которого коммутируется тумблером на лицевой панели блока управления ВВИП. На выходе третьего каскада включен ограничитель напряжения R10 (3,3 кОм) — VD5 (стабилитрон BZX79C5V1), который ограничивает положительное выходное напряжение на уровне 5,1 ±0,25 В, а отрицательное — величиной –1 В.

Двухтактный ШИМ-контроллер СВН/А4 собран на микросхеме DA8 типа TL494CN фирм Fairchild [12] или Texas Instruments [16]. Ее основные параметры: опорное напряжение Uref = 5 ±0,25 В/10 мА, коэффициент усиления усилителя ошибки Ku = 70–95, частота генератора fг = 1–300 кГц, I вых max = 200 мА; Uп = 7–40 В [17]. Питание DA8 производится от напряжения +15 В.1. Обрамление микросхемы TL494CN в данном случае заметно отличается от рекомендованного для использования в низковольтных ИВЭ. Во-первых, благодаря наличию усилительного каскада на DA3 с большим коэффициентом усиления, встроенный в микросхему DA8 усилитель напряжения «1» (обозначение по структуре микросхемы) не используется. Усиленный ранее сигнал ошибки СВН с выхода третьего каскада на DA3 поступает прямо на выход усилителя «1» (вывод 3 — «FB»). При этом на инвертирующий вход усилителя «1» (вывод 2 — «I̅N̅1») через сопротивление 1 кОм подается напряжение +5 В с встроенного ИОН (вывод 14 — «REF»). А неинвертирующий вход этого усилителя (вывод 1 — «IN1») также через 1 кОм соединен с нулевой шиной питания 0 В.1. Вследствие этого на выходе усилителя «1» имеется низкий уровень напряжения («0»), не препятствующий прохождению усиленного сигнала ошибки с выхода третьего каскада усиления. Во-вторых, в узле плавного пуска ШИМ-контроллера между выводом 4 — «DTC» (Dead Time Correction, «коррекция «мертвого времени») и выводом 14 («REF») установлен электролитический конденсатор большой емкости (100 мкФ) вместо обычно рекомендуемого 10 мкФ. С учетом высокоомного резистора 47 кОм (соединен с выводом 4) при пуске реализуется плавное уменьшение паузы между импульсами (расширение импульсов) в интервале до 10 с. Контактом К3 одноименного реле производится быстрый разряд конденсатора 100 мкФ через сопротивление 100 Ом после выключения ВВИП. Отметим, что увеличение длительности «мертвого времени» в установившемся режиме СВН может существенно регулироваться потенциометром 4,7 кОм (между выводами 14 и 4). Увеличенная начальная длительность паузы также характерна для систем стабилизации высокого напряжения. Это обстоятельство обусловлено задержкой выключения силовых ключей в инверторе из-за большой величины индуктивности рассеяния Ls высоковольтного трансформатора.

Узел защиты (УЗ) для упрощения схемы рис. 3 не раскрыт, но его действие основано на использовании встроенного в микросхему DA8 усилителя «2» для экстренного выключения инвертора СВН путем прекращения подачи выходных импульсов. УЗ работает от сигнала аварийной перегрузки по току инвертора при внутренних необратимых пробоях в ВВ-блоке или в рентгеновской трубке, а также при КЗ монтажных линий нагрузки. С этой целью на неинвертирующий вход 16 («IN2») подано напряжение +2,5 В с резистивного делителя, подключенного к выводу 14 («REF«). На инвертирующий вход 15 («I̅N̅2») в нормальном (рабочем) режиме через резистор поступает опорное напряжение +5 В (также с вывода 14 «REF»). При возникновении перегрузок с помощью транзисторной оптопары (АОТ 128Б), передающей сигнал перегрузки от датчика, происходит замыкание вывода 15 на нулевую шину питания 0 В.1. Вследствие этого на выходе усилителя «2» появляется напряжение высокого уровня и прекращается генерация импульсов на выходе DA8. Назначение остальных выводов микросхемы DA8 и внешняя адресация сигналов очевидны из схемы рис. 3.

Канал обратной связи и управления САТ

Канал УОС-САТ/А2 практически полностью идентичен каналу УОС-СВН/А1. Он выполнен также на микросхемах ОУ типа LF355N (DA5–DA7) и микросхеме ШИМ-контроллера типа TL494CN (DA9). Отличия состоят в следующем. Напряжение ОС по току (току накала РТ) «–Iа"» в диапазоне 1–10 В со сравнительно низкоомного резистора R15* (≈ 12 кОм) поступает на неинвертирующий вход DA1 (вывод 3). Резистор R15* шунтирует резистор (2,4 кОм) датчика тока в ВВ-блоке с целью снижения уровня помех и подгонки величины максимального сигнала обратной связи (ОС) до 10 В. Здесь меньше требования к величине входного сопротивления ОУ, но развязывающий усилитель все равно нужен (в том числе и для контроля Iа). Назначение второго каскада усиления такое же, но величина емкости интегрирующего конденсатора С6* должна быть не менее чем в два раза больше, чем конденсатора С2* (в канале УОС-СВН/А1). Это объясняется тем, что скорость изменения высокого напряжения должна значительно опережать скорость изменения выходного тока (тока накала РТ, в частности).

ШИМ-контроллер (А5) в канале САТ на микросхеме DA9 полностью идентичен рассмотренному выше ШИМ-контроллеру СВН.

Высоковольтный блок (генераторное устройство)

Сразу же отметим, что «начинка» ВВ-блока помещена в металлический корпус, залитый трансформаторным маслом. Силовая высоковольтная часть представляет собой две подсхемы, включенные последовательно, причем каждая из них включает в себя высоковольтный трансформатор и высоковольтный выпрямитель-умножитель: соответственно TV2-B1 и TV3-B2. Высоковольтные трансформаторы TV2, TV3 выполнены на сердечниках типа М3000 НМС-1 ПК 30×16. Первичная обмотка W1 имеет 120 витков, намотанных проводом ПЭТВ-2 ∅0,25 мм в четыре ряда с двумя слоями бумаги между рядами. Вторичная высоковольтная обмотка W2 состоит из четырех секций W2–1–W2–4, в каждой из которых имеется 495 витков ПЭТВ-2 ∅0,14 мм, намотанных трапецеидально: 14×35+1×5. В обобщенном виде параметры ВВ-компонентов приведены в [2]. Модули ВВ выпрямителей-умножителей («х8») В1, В2 собраны на печатных платах, при этом каждый состоит из 16 ВВ-диодов (VD1–VD16) типа DD1800 (Diotec) [18] и из 10 конденсаторов (С1–С10) типа К73-14. Параметры диодов DD1800: URRM = 18 кВ, IF AV = 20 мА, UF = 40 В, IR = 25 мкА; trr = 150 нс; параметры конденсаторов К73-14: C = 2200 ±10% пФ, Umax = 10 кВ. Печатные платы модулей В1, В2 выполнены с печатными проводниками без острых краев, с плавными очертаниями. Дополнительно на каждый печатный контур по его периметру напаяны круглые медные проводники — для уменьшения напряженности электрического поля на острых кромках. С этой же целью на тонкие выводы ВВ-диодов DD1800 надеты изолирующие трубки большего диаметра. Между сборками В1, В2, так же как и остальными сборками (ДВН), установлены так называемые «маслобумажные барьеры», т. е. прокладки из специальной бумаги, пропитанные маслом и жестко зафиксированные.

Последовательно с выходом более высокопотенциального умножителя В2 включены токоограничительные объемные резисторы типа ТВО: R5, R6 (75 кОм, 5 Вт) и R7 (10 кОм, 2 Вт). Накальный высокопотенциальный трансформатор TV4 подключен одним выводом к выходу высокого напряжения «–Uв (–Uа) = от –10 до –50 кВ», а другим — к одному из выводов нити накала РТ. Проволочный прецизионный резистор R2 типа С5-5 (2,4 кОм ±0,2%) является датчиком анодного тока Iа совместно с параллельно включенным резистором R15* в канале УОС-САТ/A2 (схема рис. 3) для удобства сопряжения. Ослабление ВЧ-пульсаций тока производится конденсатором С11 (0,047 мкФ, 400 В), а подавление перенапряжений — варистором R1 типа 595-30 (Philips) [6] с параметрами: Umax~ = 30 Вэфф, Umax/U1 = 38 В/47 В (1 мА), Imax = 1 кА (8/20 мкс). Делитель высокого напряжения (ДВН) состоит из 12 прецизионных резисторов (R8–R19) верхнего плеча (RВВ) типа VR-68 (Philips) [6] и прецизионного микропроволочного резистора R20 нижнего плеча (RНВ). Параметры резисторов: VR-68 — 68 МОм ±1%, ТКС ≤ ±0,02%/°С; 1 Вт, 10 кВ=/7 кВэфф; МРХ — 0,125 Вт, 505 кОм ±0,05%. Таким образом, суммарное сопротивление верхнего плеча делителя составляет RВВ = 816 МОм, т. е. максимальный ток ДВН IДВН = 61 мкА. Ослабление ВЧ-пульсаций и помех на выходе ДВН производится С13R3C12-фильтром, а подавление перенапряжений — варистором R4 также типа 595-30 (Philips) [6]. Для удобства сопряжения со схемой управления параллельно RНВ в канале УОС-СВН/A1 включен резистор R1* (см. рис. 3). Также в ГУ имеется датчик температуры внутри масла на биметаллическом термоконтакторе (термореле) К типа BTL-050 c температурной уставкой +50 ±3°С.

Выше частично были изложены особенности конструкции ГУ. Отметим еще, что маслобумажные барьеры, кроме В1, В2 и ДВН, установлены также на внутренние боковые стенки ГУ и на его днище. Все узлы прикреплены к верхней крышке ГУ.

Технические характеристики ВВИП-50/5

ВВИП-50/5 имеет следующие технические характеристики:

  • выходное напряжение Uв = (10–50) кВ;
  • выходной (анодный) ток Ia = (0,5–5) мА;
  • максимальная выходная мощность Рвых. max = = 250 Вт;
  • нестабильность Uв и Ia при изменении сетевого напряжения — не более ±0,01% при работе от однофазной сети 220 В (+10%, –15%) 50 Гц;
  • нестабильность Uв и Ia во времени (дрейф) — не более 0,2% за 24 ч работы (после 1 ч прогрева);
  • коэффициент пульсаций Uв — не хуже Кп = 0,3%;
  • предусмотрена установка значений Uв и Ia как в ручном режиме от линейных потенциометров с оцифрованными верньерными ручками, так и от персонального компьютера (в составе прибора) или от микроконтроллера (МК).

Габаритные размеры блока управления — 200×120×275мм (меньше не требовалось по конструктивным соображениям на прибор в целом).

В ВВИП-50/5 предусмотрены следующие виды защит от перегрузок и аварий по высоковольтному выходу:

  • от токовых перегрузок и коротких замыканий (КЗ) благодаря:
    – выключению силовых ключей на транзисторах VT1, VT2 в модуле преобразователя СВН (А2) как по сигналу ОС с датчика тока Iа в ГУ (через УУ — триггерная защита), так и непосредственно по сигналам с резисторов R6, R9 в управляющих драйверах УСК1 и УУСК2 (ограничение тока);
    – наличию в ГУ токоограничительных резисторов R5–R7, устойчивых к тому же к кратковременным перенапряжениям большой величины;
  • от перенапряжений вследствие:
    – срабатывания триггерной защиты в УУ1 при превышении допустимой величины сигнала обратной связи по напряжению ОС с ДВН;a ов R5–R7 (ГУ);
  • от обрыва цепи накала (РТ);
  • от пропадания высокого напряжения;
  • от недопустимого перегрева масла (более +53 °С) в ГУ с помощью датчика температуры на термоконтакторе (К).

Авторы признательны известному специалисту по средствам электропитания к. т. н. Эраносяну С. А. за ценные советы при написании статьи и ее редактировании. Также авторы выражают благодарность Романовскому Ю. А. за помощь в оформлении графических материалов.

Продолжение следует

Литература

  1. Ланцов В., Владимиров Е. Мощные высоковольтные источники питания. Часть 1 // Силовая электроника. 2010. № 5.
  2. Ланцов В., Владимиров Е. Мощные высоковольтные источники питания. Часть 2 // Силовая электроника. 2011. № 1.
  3. Ланцов В., Владимиров Е. Мощные высоковольтные источники питания. Часть 3 // Силовая электроника. 2011. № 2.
  4. http://www.bourevestnik.com, http://www.bourevestnik.spb.ru
  5. http://www.siemens.com
  6. http://www.philips.com
  7. Ланцов В., Эраносян С. Контрактная разработка силовых устройств: один из путей генерирования новых идей // Силовая электроника. 2007. № 2.
  8. http://www.italstructures.com
  9. http://www.npppik.ru
  10. http://www.ir.com
  11. http://www.st.com
  12. http://www.fairchild.com
  13. http://www.nsc.org или http://www.national.com
  14. Операционные усилители: справочник. М.: Патриот. 1996.
  15. http://www.linear.com
  16. http://www.ti.com
  17. Интегральные микросхемы: микросхемы для импульсных источников питания и их применение. М.: ДОДЭКА. 1997.
  18. http://www.diotec.com

Все статьи цикла:


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2011_04_54.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Купить справку об обучении также читайте .
запчасти шкода йети
Большой выбор. Интернет магазин в Москве.
skodada.ru