Высоковольтный источник электропитания

 

Изобретение относится к электротехническим устройствам и может быть использовано, в частности, для накачки лазеров (квантоскопов). Цель изобретение - устранение или уменьшение перенапряжения при уменьшении тока нагрузки источника, что позволяет уменьшить размеры источника, повысить его надежность и КПД. Высоковольтный источник электропитания содержит источник напряжения постоянного тока, n секций, состоящих из преобразователя постоянного тока в переменный и умножителя, n силовых блоков, состоящих из силового стабилизатора и силового транзистора n-p-n - типа, и блоки управления, транзистора управления, состоящие из стабилитрона управления, транзистора управления p-n-p - типа и трех резисторов. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехническим устройствам и может быть использовано, в частности, для накачки лазеров (квантоскопов).

Известны схемные и конструктивные решения, которые могут быть использованы для создания высоковольтного источника электропитания на требуемые напряжения 65-70 кВ [1].

В принципе действия современных высоковольтных маломощных источников электропитания заложено промежуточное преобразование постоянного напряжения в переменное повышенной частоты (до 15-25 кГц). Источник может состоять из одного преобразователя и умножителя или из нескольких секций, включенных последовательно. Во втором случае каждая секция содержит преобразователь и умножитель. Все секции питаются от источника постоянного напряжения. Секции могут быть управляемые или неуправляемые. Если одна из секций управляемая, то на ее вход подается сигнал обратной связи с выхода источника. С помощью управляемой секции осуществляется стабилизация выходного напряжения всего источника.

Одним из недостатков известных устройств является наличие у них резко падающих нагрузочных характеристик, т.е. весьма сильная зависимость выходного напряжения высоковольтных нестабилизированных узлов от тока нагрузки. Недостаток усиливается при использовании простейшего однотактного преобразователя, питающего высоковольтные узлы. Это делает крайне сложным и неэкономичным обеспечение стабильности выходного напряжения даже при введении специальных стабилизирующих каскадов, так как выходное напряжение нестабилизированных узлов резко возрастает при сбросе нагрузки. Этот рост напряжения оказывается недопустимым также с точки зрения прочности изоляции высоковольтных узлов и создания малогабаритного устройства.

Цель изобретения - устранение или уменьшение перенапряжения при уменьшении тока нагрузки источника, что в конечном итоге позволяет уменьшить размеры источника, повысить его надежность и КПД.

Цель достигается тем, что в источник электропитания, содержащий n секций, состоящих из последовательно соединенных преобразователя постоянного напряжения в переменное и умножителя, в котором секции соединены по выходу последовательно и подключены к источнику напряжения постоянного тока параллельно, между каждой секцией и источником напряжения постоянного тока включен силовой блок, содержащий силовой стабилитрон и силовой транзистор n-p-n-типа и блок управления, содержащий стабилитрон управления, транзистор управления p-n-p-типа и три резистора. Анод каждого силового стабилитрона соединен с эмиттером соответствующего силового транзистора и с положительным входным зажимом секции. База каждого силового транзистора соединена с первым выводом соответствующего первого резистора, второй вывод которого соединен с коллектором соответствующего транзистора управления. Катод каждого силового стабилитрона соединен с коллектором силового транзистора, с анодом стабилитрона управления и с первым выводом соответствующего второго резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером соответствующего транзистора управления и с положительным зажимом источника напряжения постоянного тока. База каждого транзистора управления соединена с первым выводом соответствующего третьего резистора, второй вывод которого соединен с катодом соответствующего стабилитрона управления.

Согласно второму варианту изобретения одна из секций - управляемая и между каждой неуправляемой секцией и источником напряжения постоянного тока включен силовой блок, содержащий силовой стабилитрон и силовой транзистор n-p-n-типа, а между управляемой секцией и источником напряжения постоянного тока включены n блоков управления, каждый из которых содержит три резистора, стабилитрон управления и транзистор управления. Коллектор каждого силового транзистора соединен с положительным зажимом источника напряжения постоянного тока и катодом соответствующего силового стабилитрона, анод которого соединен с эмиттером силового транзистора и с положительным входным зажимом неуправляемой секции. База каждого силового транзистора соединена с первым выводом соответствующего первого резистора, второй вывод которого соединен с коллектором соответствующего транзистора управления, эмиттер которого соединен с первым выводом соответствующего второго резистора, второй вывод которого соединен с катодом соответствующего стабилитрона управления. Катод каждого стабилитрона управления соединен с первым выводом соответствующего третьего резистора, второй вывод которого соединен с базой соответствующего транзистора управления. Эмиттер транзистора первого блока управления соединен с положительным зажимом источника напряжения постоянного тока, а анод стабилитрона управления n-го блока управления - с положительным входным зажимом управляемой секции.

Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что два данных устройства решают одну и ту же задачу - устранение или уменьшение перенапряжения при уменьшении тока нагрузки источника, что позволяет уменьшить размеры источника, повысить его надежность и КПД принципиально одним и тем же путем - введением дополнительных узлов, которые автоматически уменьшают входное напряжение высоковольтного источника при уменьшении тока нагрузки и восстанавливают его при достаточно большом токе нагрузки.

На фиг.1 приведена принципиальная схема высоковольтного источника электропитания; на фиг.2 - схема его варианта; на фиг.3 приведены различные нагрузочные характеристики при отсутствии стабилизации по третьей секции при n = 3.

Высоковольтный источник электропитания содержит n секций 1,1-1.n, n силовых блоков 2.1-2.n, n блоков управления 3,1-3.n и источник 4 напряжения постоянного тока. Каждый силовой блок 2.1-2.n содержит силовой стабилитрон 5.1-5.n и силовой транзистор 6.1-6.n. Каждый блок управления содержит стабилитрон 7.1-7. n управления, транзистор 8.1-8.n управления и три резистора 9.1-9. n, 10.1-10.n, 11.1-11.n. Секции 1.1-1.n соединены последовательно и подключены к отрицательному зажиму источника 4 напряжения постоянного тока параллельно. Анод каждого силового стабилитрона 5.1-5.n соединен с эмиттером силового транзистора 6.1-6.n и с положительным входным зажимом соответствующей секции 1.1-1.n. База каждого силового транзистора 6.1-6.n соединена с первым выводом соответствующего первого резистора 9.1-9.n, второй вывод которого соединен с коллектором соответствующего транзистора 8.1-8.n управления. Катод каждого силового стабилитрона 5.1-5.n соединен с коллектором соответствующего силового транзистора 6.1-6.n, с анодом соответствующего стабилитрона 7.1-7.n управления и с первым выводом соответствующего второго резистора 10.1-10,n, второй вывод которого соединен с эмиттером соответствующего транзистора 8.1-8. n управления и с положительным зажимом источника 4 напряжения постоянного тока. База каждого транзистора 8.1-8.n управления соединена с первым выводом соответствующего третьего резистора 11.1-11.n, второй вывод которого соединен с катодом соответствующего стабилитрона 7.1-7.n управления.

Высоковольтный источник электропитания по второму варианту (фиг.2) содержит n секций 1.1-1.n, причем одна из них 1.К-управляемая, n силовых блоков 2.1-2.n, n блоков 3.1-3.n управления и источник 4 напряжения постоянного тока. Каждый силовой блок 2.1-2.n содержит силовой стабилитрон 5.1-5.n и силовой транзистор 6.1-6. n. Каждый блок 3.1-3.n управления содержит стабилитрон 7.1-7.n управления, транзистор 8.1-8.n управления и три резистора 9.1-9. n, 10,1-10.n, 11.1-11.n. Секции 1.1-1.n соединены последовательно и подключены к отрицательному зажиму источника 4 напряжения постоянного тока параллельно. Коллектор каждого силового транзистора 6.1-6.n соединен с положительным зажимом источника 4 напряжения постоянного тока и катодом соответствующего силового стабилитрона 5.1-5. n, анод которого соединен с эмиттером соответствующего силового транзистора 6.1-6.n и с положительным входным зажимом соответствующей неуправляемой секции 1.1-1.n. База каждого силового транзистора 6.1-6. n соединена с первым выводом соответствующего первого резистора 9.1-9.n, второй вывод которого соединен с коллектором соответствующего транзистора 8.1-8.n управления, эмиттер которого соединен с первым выводом соответствующего второго резистора 10.1-10.n, второй вывод которого соединен с катодом соответствующего стабилитрона 7.1-7.n управления. Катод каждого стабилитрона 7.1-7.n управления соединен с первым выводом соответствующего третьего транзистора 11.1-11.n, второй вывод которого соединен с базой соответствующего транзистора 8.1-8.n управления. Эмиттер транзистора 8.1 управления первого блока 3.1 управления соединен с положительным зажимом источника напряжения постоянного тока, а анод стабилитрона 7. n управления n-го блока 3.n управления - с дополнительным входным зажимом управляемой секции 1.К.

Работа предлагаемого высоковольтного источника электропитания может быть объяснена с помощью фиг.3, на которой показаны различные нагрузочные характеристики при отсутствии стабилизации по 3-й секции при n = 3. Они в первом приближении приняты линейными. Принято также, что при введенном балластном напряжении, образующемся на силовых стабилитронах 5.1-5.3, выходное напряжение каждой секции 3.1-3.3 в два раза меньше, чем при закороченном балластном напряжении.

На фиг.3 обозначено: U_вых. - выходное напряжение высоковольтного источника электропитания. I_н - его ток нагрузки; I_ном - номинальное значение тока нагрузки; I₁ и I₁^', I₂ и I₂^', I₃ и I₃^' - токи прямого и обратного переключения секций; 12 - одна секция при пониженном напряжении; 13-3 секции при пониженном напряжении; 14-2 секции при полном напряжении; 15- секции при полном напряжении.

Работа источника происходит следующим образом. Предположим, что начальное включение происходит при холостом ходе, т.е. при Y_н = 0. Источник оказывается в точке А на характеристике трех секций с пониженным напряжением. При увеличении тока нагрузки U_вых. уменьшается до точки В, при токе I₁ закорачивается балластное напряжение, включенное последовательно с секцией 1.1. Напряжение этой секции увеличивается в 2 раза, а источник переходит в точку С. При дальнейшем увеличении тока нагрузки напряжение источника падает до точки D, в которой закорачивается балластное напряжение секции 1.2 и источник переходит в точку Е. При дальнейшем увеличении тока нагрузки напряжение источника падает до точки F, в которой закорачивается балластное напряжение секции 1.3, и источник переходит в точку G. При последующем увеличении тока нагрузки до номинального I_ном источник оказывается в точке H . Если ток нагрузки начнет уменьшается до I₃^'_, то источник попадает в точку Р, при этом вводится балластное напряжение секции 1.3, напряжение этой секции и всего источника уменьшается до точки Q. В дальнейшем при уменьшении тока нагрузки источник оказывается в точках К, L, M, N и при снятии нагрузки приходит в исходную точку А. Из диаграммы фиг.3 видно, что во всех режимах выходное напряжение оказывается много меньше максимального (точка О). При увеличении числа секций максимальное выходное напряжение будет приближаться к начальному (точка А).

Работа узла балластного напряжения, состоящего из силового блока 2.1 и блока 3.1 управления, происходит следующим образом.

Предположим, что при начальном включении ток нагрузки секции 1.1 равен О. В этом случае ток, протекающий по второму резистору 10.1, будет небольшой и напряжение на резисторе будет меньше, чем напряжение пробоя стабилитрона 7.1 управления. При этом транзисторы 6.1 и 8.1 будут закрыты, ток, протекающий по резистору 10.1, будет протекать и через силовой стабилитрон 5.1, на котором в этом случае будет его номинальное напряжение. На входе секции 1.1 напряжение будет меньше на величину, равную напряжению стабилизации стабилитрона 5.1, значит, выходное напряжение секции 1.1 будет меньше, чем при отсутствии узла балластного напряжения. При увеличении тока нагрузки секции до I₁ напряжение на резисторе 10,1 становится несколько больше напряжения стабилизации стабилитрона 7.1 управления. Через переход база-эмиттер транзистора 8.1 управления начинает протекать ток, он открывается. Это приводит к открыванию силового транзистора 6.1, шунтированию силового стабилитрона 5.1 и увеличению напряжения на входе секции 1.1. Это напряжение увеличивается почти до величины выходного напряжения первичного источника 4.

Целесообразность узла балластного напряжения обеспечивается, если напряжение стабилизации стабилитрона 7.1 управления хотя бы в 1,5...2 раза меньше напряжения стабилизации силового стабилитрона 5.1, которое должно быть меньше выходного напряжения первичного источника 4.

Узлы балластного напряжения, состоящие из силовых блоков 2.2, 2.3 и блоков 3.2, 3.3 управления, аналогичны узлу, состоящему из силового блока 2.1 и блока 3.1 управления; для их срабатывания при больших токах I₂ и I₃ в них уменьшены сопротивления резисторов 10.2 и 10.3 или увеличены напряжения стабилизации стабилитронов 7.2 и 7.3 управления. Гистерезис характеристик (I₁ ≠ I₁', I₂ ≠ I₂^', I₃ ≠ I₃') весьма полезен, так как уменьшает влияние узлов балластного напряжения на устойчивость стабилизированного источника.

Если выходное напряжение высоковольтного источника стабилизируется с помощью одной управляемой секции (фиг.2), то при изменении тока нагрузки высоковольтного источника или выходного напряжения источника 4 постоянного напряжения токи потребления секции меняются различно: очень резко у управляемой секции 1.К и не очень сильно у неуправляемых секций 1.1-1.n. Поэтому целесообразно изменять входное напряжение неуправляемых секций 1.1-1.n в функции тока потребления управляемой секции 1.К. При этом во входной цепи управляемой секции 1.К может быть включен один или несколько блоков 3.1-3.n управления, а силовой блок 2.1-2.n - во входной цепи неуправляемой секции 1.1-1.n.

При определенных условиях целесообразны и смешанные варианты: силовой стабилитрон 5 К и силовой транзистор 6 К включен во входную цепь управляемой секции 1. К тоже; блок 3.i управления включен во входную цепь неуправляемой секции 1.i; несколько неуправляемых секций 1.1-1.n по входу включены параллельно и подключены к источнику 4 через один силовой блок 2 и один блок 3 управления.

Экспериментально работа предложенного устройства была подтверждена на источнике питания квантоскопа (лазера). Его напряжение питания 64 кВ. Источник содержит 5 секций: 3 секции нестабилизированные и 2 секции стабилизированные. Каждая секция имеет высоковольтный трансформатор и умножитель. Каждая группа секций питается от своего однотактного преобразователя. Группа нестабилизированных секций через узел балластного напряжения, состоящий из силового блока и блока управления, подключена к первичному источнику напряжения постоянного тока 150 В.

Для одной секции имеем: стабилитрон управления Д818Д; силовой стабилитрон - 2 шт. Д816В, включенные последовательно; I₁^' = 82 мА; I₁ = 116 мА; выходное напряжение нестабилизированной секции при холостом ходе без узла балластного напряжения - 24 кВ; с узлом балластного напряжения - 16,5 кВ; при токе нагрузки 1 мА без узла балластного напряжения - 11 кВ, с узлом - 10,5 кВ.

Введение узлов балластного напряжения снизило возможную величину напряжения в 2 раза, что позволило резко уменьшить размеры источника и обеспечить стабилизацию выходного напряжения 64 кВ только за счет двух секций. Последнее существенно подняло экономичность источника и его надежность.

Формула изобретения

1. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ, содержащий n секций, состоящих из последовательно соединенных преобразователя постоянного напряжения в переменное и умножителя, секции соединены по выходу последовательно и подключены к источнику напряжения постоянного тока параллельно, отличающийся тем, что между каждой секцией и источником напряжения постоянного тока включен силовой блок, содержащий силовой стабилитрон и силовой транзистор n - p - n-типа, и блок управления, содержащий стабилитрон управления, транзистор управления p - n - p-типа и три резистора, причем анод силового стабилитрона соединен с эмиттером силового транзистора и с положительным входным зажимом секции, база силового транзистора соединена с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с коллектором транзистора управления, катод силового стабилитрона соединен с коллектором силового транзистора, с анодом стабилитрона управления и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером транзистора управления и с положительным зажимом источника напряжения постоянного тока, база транзистора управления соединена с первым выводом третьего резистора, второй вывод которого соединен с катодом стабилитрона управления.

2. Высоковольтный источник электропитания, содержащий n секций, причем одна из них управляемая, состоящая из последовательно соединенных преобразователя постоянного тока в переменный и умножителя, секции соединены по выходу последовательно и подключены к источнику напряжения постоянного тока параллельно, отличающийся тем, что между каждой неуправляемой секцией и источником напряжения постоянного тока включен силовой блок, содержащий силовой стабилитрон и силовой транзистор n - p - n-типа, коллектор которого соединен с положительным зажимом источника напряжения постоянного тока, и катодом силового стабилитрона, анод которого соединен с эмиттером силового транзистора и положительным входным зажимом неуправляемой секции, а между управляемой секцией и источником напряжения постоянного тока включены n блоков управления, каждый из которых содержит три резистора, стабилитрон управления и транзистор управления, причем база каждого силового транзистора соединена с первым выводом соответствующего первого резистора, второй вывод которого соединен с коллектором соответствующего транзистора управления, эмиттер которого соединен с первым выводом соответствующего второго резистора, второй вывод которого соединен с анодом соответствующего стабилитрона управления, катод каждого стабилитрона управления соединен с первым выводом соответствующего третьего резистора, второй вывод которого соединен с базой соответствующего транзистора управления, эмиттер транзистора управления первого блока управления соединен с положительным зажимом источника напряжения постоянного тока, а анод стабилитрона управления n-го блока управления - с положительным входным зажимом управляемой секции, при этом вторые резисторы всех блоков управления соединены последовательно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3