научная статья по теме ПРЕЦИЗИОННЫЙ ИСТОЧНИК ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ПРЕЦИЗИОННЫЙ ИСТОЧНИК ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 57-59

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 543.551

ПРЕЦИЗИОННЫЙ ИСТОЧНИК ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ © 2014 г. В. Т. Черепин, Т. А. Красовский, В. И. Василенко*, А. Ф. Твердохлеб

Физико-технический учебно-научный центр НАНУкраины Украина, 03142, Киев, просп. Вернадского, 36 *Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины Украина, 03142, Киев, просп. Вернадского, 36 E-mail: vasil26139@gmail.com Поступила в редакцию 03.07.2013 г.

Разработан компактный универсальный регулируемый источник стабилизированного высокого напряжения 0...±10 кВ для использования в промышленной и научной аппаратуре (масс-спектрометры, ионная оптика, фотоумножители и т.п.). Максимальный ток нагрузки 400 мкА, шумы и пульсации в выходном напряжении не более 50 мВ, дрейф не более 2 • 10-4/°C. Источник имеет вид модуля 95 х 60 х 30 мм.

DOI: 10.7868/S0032816214020050

В приборах для научных исследований, таких как масс-спектрометры, электронные спектрометры, спектрометры ионной подвижности и т.п., широко используются источники регулируемого высокого напряжения (0...±10 кВ). Для обеспечения высокой разрешающей способности масс-спектрометра и других подобных приборов необходимо, чтобы эти источники удовлетворяли довольно жестким техническим требованиям: суммарный уровень шумов и пульсаций в выходном напряжении не должен превышать 50 мВ (0.0005%) а температурная и временная нестабильность не должна превышать 2 • 10-4/°С (/ч).

Источники должны обеспечивать ток нагрузки не менее 300 мкА. Поскольку количество таких источников в одном приборе может достигать 10 единиц, они должны быть небольшими по размерам и массе. Подобного вида источники разработаны и изготавливаются серийно несколькими фирмами [1—4]. Основные характеристики известных источников высокого напряжения приведены в таблице.

Из таблицы видно, что среди представленных источников нет таких, которые полностью отве-

чали бы вышеуказанным требованиям. Поэтому целью данной работы было создание компактного, прецизионного источника высокого напряжения с уровнем шумов и пульсаций не более 50 мВ (см. характеристики HVU в таблице). Источник был многократно изготовлен и успешно испытан во многих научных и промышленных приборах.

На рисунке приведена принципиальная схема разработанного источника — квазирезонансного однотактного импульсного преобразователя постоянного стабилизированного напряжения 24 В в регулируемое постоянное напряжение 0...+10 кВ (или 0.-10 кВ).

Управляющее напряжение иупр = 0...+4.096 В поступает извне (например, от цифроаналогового преобразователя или от аналогового источника опорного напряжения) через резистор R1 на вход -In1 ш.и.м.-контроллера М2. При этом на его выходах Е1, Е2 вырабатываются прямоугольные импульсы длительностью от 0 до 45% периода. Верхний предел определяется напряжением на входе DT (Dead time) контроллера, которое образуется на делителе R8, R9 (+1.7 В). Частоту повторения

Основные характеристики известных источников высокого напряжения 0 ... ±10 кВ

Фирма-разработчик Модель, серия ^выхмакс, мА Пульсации, %; нестабильность, 10-4/°C Габариты, мм; масса, г

Brandenburg 590 0.75 0.04 95 х 50 х 20; 150

ЕМСО H101 1.5 <1; 2 102 х 83 х 28; 510

"Мантигора" НТ-10000 0.3 0.05; 0.25 167 х 106 х 56

Matsusada Precision Inc. RB5-10 0.5 0.08; 0.8 155 х 50 х 30; 450

ФТУНЦ НАН Украины HVU 0.4 0.0005; 2 95 х 60 х 30; 120

58

ЧЕРЕПИН и др.

Принципиальная схема источника высокого напряжения HVU. - LM7815, M2 - TL494, M3 - LM358; T — 2N7002, T2 - BC807, T3 - IRF640; Д1-Д3 - LL4148, Д4 - SS14, Д5 - BAV103, Д6-Дп - Т70 (^обр = 6 кВ); Тр - унифицированный трансформатор ТВС-70П1, обмотки: выводы 4-6 - 36 вит. ПЭВ-2-0.35, выводы 4-7 - 2700 вит. ПЭВ-2-0.05 (секционирована), пропитан эпоксидным компаундом; R2 - smd-0805, R14, R15 -VR68, R16 - МЛТ-1, R^-R19 - C3-14-1; С5-С10 - 2.2 нФ-6.3 кВ (керамические, дисковые), С11-С14 - К73-13-2.2 нФ-10 кВ.

импульсов можно регулировать переменным резистором Я3 в пределах 25—30 кГц.

Эти импульсы через диод Д3 и резистор Я10 отпирают мощный м.о.п.-транзистор Т3. Транзистор Т2 служит для ускорения разряда емкости затвора Т3 в паузах между импульсами. В цепь стока Т3 включен высокочастотный повышающий автотрансформатор Тр, суммарная индуктивность которого вместе с межвитковой емкостью образует параллельный колебательный контур. Резистором Я3 настраивают контур в резонанс. При этом форма напряжения на стоке Т3 близка к синусоидальной. Цепочка С4, Я13, Д5 служит для подавления высокочастотных коммутационных всплесков напряжения. Повышенное напряжение с автотрансформатора Тр подается на умножитель напряжения Д6—Д11, С5—С10 и далее через фильтр Я17, Я18, С12—С14 и ограничительный резистор Я19 — на выход блока.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью цепи отрицательной обратной связи по напряжению, которая состоит из резисторов Я14, Я15, Я2, переключателя /1, резисторов Я4, Я5, повторителя напряжения М3-1 а также

дифференциального усилителя ошибки внутри контроллера М2 (выводы 1—3). Усилитель ошибки вместе с ЯС-цепочкой, включенной между выводами 2 и 3, образуют пропорционально-интегральный регулятор, который эффективно отрабатывает все низкочастотные нестабильности и пульсации как питающего, так и выходного напряжений.

Подавление высокочастотных пульсаций в выходном напряжении достигнуто благодаря двух-звенному ЯС-фильтру на выходе источника, а также экранирующим перегородкам внутри высоковольтного блока.

В источниках +10 кВ ток сигнала обратной связи проходит через контакты 2—3 /1 и создает на резисторе Я4 напряжение 0...+4.096 В. С выхода повторителя М3-1 такое же напряжение подается через резистор Я6 на вход 1п1 контроллера М2 для "уравновешивания" напряжения иупр. В источниках —10 кВ диоды Д6—Д11 включены в противоположной полярности, а ток обратной связи проходит через контакты 1—2 /1 на инвертирующий вход усилителя М3-1, на выходе которого также образуется напряжение 0...+4.096 В.

ПРЕЦИЗИОННЫЙ ИСТОЧНИК ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

59

В схеме преобразователя предусмотрена двойная защита от перегрузки по току.

В случае пробоя или короткого замыкания в цепи нагрузки высоковольтный резистор Я19 ограничивает бросок выходного тока, и срабатывает схема защиты, в состав которой входят Я12 — датчик тока транзистора Т3, фильтр Я11, С3, диод Д4, усилитель М3-2, транзистор Т1, делитель напряжения Я8, Я9, а также вход БТконтроллера М2.

Усилитель М3-2 выполняет функции компаратора и одновибратора (благодаря положительной обратной связи через цепочку С1, Я7). При коротком замыкании в цепи нагрузки преобразователя резко возрастает ток транзистора Т3. Напряжение на Я12 через фильтр и диод Д4 запускает одновиб-ратор М3-2. Длительность импульса на выводе 7 М3-2 ~ 1 с. Этот импульс амплитудой +14 В отпирает транзистор Т1, который шунтирует Я8, С2. Напряжение на входе БТ контроллера скачкообразно увеличивается до уровня +5 В и блокирует контроллер.

Затем одновибратор возвращается в исходное состояние, транзистор Т1 запирается и напряжение на входе БТ плавно уменьшается до +1.7 В (благодаря заряду конденсатора С2). При этом длительность импульсов на выходах Е1, Е2 кон-

троллера также плавно увеличивается от нуля до определенной величины, соответствующей установленному выходному напряжению. Если короткое замыкание в нагрузке устранено, преобразователь переходит в нормальный режим работы, если не устранено — процесс повторяется. Это — "икающий" режим работы преобразователя.

Источник изготовлен в виде модуля на печатной плате 95 х 60 мм. Монтаж электронных компонентов выполнен одним слоем на нижней стороне платы, а на верхней расположена высоковольтная часть преобразователя, заключенная в металлический экран.

Выводы. Создан прецизионный регулируемый источник напряжения 0...±10 кВ в виде модуля размером 95 х 60 х 30 мм. Максимальный ток нагрузки 400 мкА. Шумы и пульсации (двойная амплитуда, при токе нагрузки 100 мкА) не более 50 мВ. Температурный дрейф выходного напряжения ~2 • 10-4/°С.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. www.brandenburg.co.uk

2. www.emcohighvoltage.com

3. www.mantigora.ru

4. www.matsusada.com

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком