Активное подавление пульсаций выходного напряжения высоковольтных источников напряжения

详细

Описаны работа и результаты испытаний действующего макета высоковольтного источника питания с активным подавлением пульсаций выходного напряжения. Частота задающего генератора источника 90 кГц, величина емкостей диодно-емкостной схемы умножения 10 нФ. Испытания устройства проведены при выходном напряжении 1кВ и токе нагрузки 1мА. Указаны настройки, с помощью которых достигнутая амплитуда пульсаций выходного напряжения от пика до пика не превышает 150 мкВ при выходном сопротивлении источника по постоянному току не более 20 кОм.

全文:

1. ВВЕДЕНИЕ

Амплитуда пульсаций выходного напряжения является важной характеристикой высоковольтных источников питания блоков детектирования ионизирующего излучения (ИИ). Обычно такие источники напряжения имеют в своем составе генератор сигналов, высокочастотный трансформатор и диодно-емкостную схему умножения напряжения. Амплитуда пульсаций выходного напряжения обратно пропорциональна частоте генератора и величине емкостей схемы умножения. В работе [1] описан высоковольтный источник питания блоков детектирования ИИ. Для обеспечения малой амплитуды пульсаций частота генератора выбрана в интервале от 80 до 150 кГц, а величина емкостей схемы умножения — 100 нФ. На выходе схемы умножения использован сглаживающий R–C–R–C-фильтр. Амплитуда пульсаций выходного напряжения источника от пика до пика не превышает 1мВ при выходной мощности от 0.5 до 1.5 Вт и частоте генератора 100 кГц. Выходное сопротивление источника по постоянному току составляет 23 кОм.

Обеспечить малую амплитуду пульсаций можно путем их подавления сигналами противоположной полярности. В работе [2] описан источник питания с незаземленной вторичной обмоткой повышающего трансформатора. Точка соединения вторичной обмотки и “вывода низкого потенциала схемы умножения” подключена к выходу источника “компенсирующего напряжения”. Это напряжение формируется в результате сравнения сигналов с выхода схемы умножения источника высокого напряжения и выхода внутреннего источника эталонного напряжения. На выходе схемы умножения использован сглаживающий R–C–R–C-фильтр. Емкости конденсаторов схемы умножения (на четыре) относительно невелики — две емкости 15 нФ и две 3.3 нФ. Амплитуда пульсации выходного напряжения при частоте генератора 110 кГц и максимальном токе нагрузки 1 мА не превышает 3.3 мВ. Выходное сопротивление источника по постоянному току 220 кОм.

Ниже описаны работа и результаты испытаний действующего макета высоковольтного источника напряжения с заземленной вторичной обмоткой трансформатора и активным подавлением пульсаций выходного напряжения.

Основное внимание уделено вопросу уменьшения амплитуды пульсаций выходного напряжения источника, поэтому не рассматриваются возможная схемотехника установки и стабилизация величины выходного напряжения источника.

2. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

Схема источника питания с заземленной вторичной обмоткой трансформатора показана на рис. 1. На схеме буквой “G” обозначен генератор синусоидальных колебаний ГЗ-118.

Рис. 1. Схема источника напряжения с заземленной вторичной обмоткой трансформатора и активным подавлением пульсаций.

Частота выходных сигналов генератора составляет 90 кГц. Регулировка выходного напряжения ручная; Т — малогабаритный ферритовый трансформатор с Ш-образным сердечником. Все конденсаторы—высоковольтные керамические Hitano KF3F103Z-L016BD15.5 с допуском Z (–20...+80%). Емкости имеют следующие значения: C₆ = 20 нФ, остальные — по 10 нФ. Используются диоды UF4007 (D₁–D₄). Сопротивления имеют следующие значения: R₁ = 150 Ом; R₃, R₇ = 1 кОм; R₄ = 560 Ом; R₅ = 68 кОм; R₂* и R₆* — переменные сопротивления. Эти сопротивления имеют тип С2-29 или МЛТ 0.125 с допуском 5%. Используются операционные усилители (ОУ) ADA4817, корпус soic 8 [3].

Из доступных высокочастотных ОУ эти усилители имеют минимальное время задержки сигнала, что в данном случае имеет решающее значение для обеспечения устойчивости устройства. Питание ОУ двухполярное (+5 В и –5 В).

Уменьшение амплитуды пульсаций выходного напряжения достигается их подавлением сигналами противоположной полярности.

Работа схемы на рис. 1 аналогична работе основной инвертирующей схемы включения ОУ, где возмущение на инвертирующем входе ОУ, вызванное внешним сигналом, подавляется сигналом обратной связи с выхода ОУ. Чем больше собственный коэффициент усиления ОУ и коэффициент усиления основной инвертирующей схемы включения, тем сильнее подавляется возмущение на инвертирующем входе ОУ.

Напряжение с выхода схемы умножения через сопротивление R₆ поступает на выход устройства. Переменная составляющая выходного сигнала (пульсации) выделяется дифференцирующей цепью C₆R₃, усиливается со сменой полярности и поступает на выход устройства через цепь C₇R₇. Усиление двухкаскадное. Первый каскад усиления на основе ОУ DA₁ в неинвертирующем включении с высоким входным сопротивлением, второй каскад на основе ОУ DA₂ в инвертирующем включении.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Все измерения проводились двухлучевым аналоговым электронным осциллографом (ЭО). Погрешность таких измерений обычно принимается равной 10%. Амплитуда пульсаций напряжения измерялась от пика до пика. Горизонтальная чувствительность ЭО для приведенных ниже осциллограмм равна 5 мкС/дел.

Для оценки эффективности описанной схемотехники предварительно без применения активного подавления пульсаций измерялась их амплитуда на выходе схемы умножения и на выходе интегрирующей цепи R₆ C_5, нагруженных на сопротивление 1МОм при напряжении 1кВ.

При измерении амплитуды пульсаций на выходе схемы умножения разрывалась связь между ее выходом и сопротивлением R_6.

Рис. 2. Осциллограммы сигналов на выходе генератора и выходе схемы умножения.

Для измерения использовался широкополосный делитель напряжения с коэффициентом деления (К_дел) 100 : 1 (1 МОм, 200 пФ : 10 кОм, 20 нФ), который и являлся нагрузкой. Сопротивление входа делителя относительно земли R_дел = 1.01 МОм. Постоянная составляющая напряжения на выходе делителя, равная 10.1 В, устанавливалось при открытом входе ЭО (гальваническая связь). На рис. 2 верхняя осциллограмма — это первый канал ЭО (сигнал на выходе генератора), чувствительность ЭО по вертикали равна 10 В/дел, двойная амплитуда синусоидального сигнала 19 В; нижняя осциллограмма — это второй канал ЭО, закрытый вход ЭО (емкостная связь) — пульсации выходного напряжения схемы умножения. Пульсации имеют импульсную форму. Амплитуда пульсаций с учетом К_дел и вертикальной чувствительности ЭО 20мВ/дел равна 4.3 В.

При измерении амплитуды пульсаций на выходе интегрирующей цепи R₆ C₅ эта цепь подключалась к выходу схемы умножения. Нагрузкой служил указанный выше делитель напряжения. Выходное напряжение делителя равно 10.1 В. Элементы схемы C₇, R₇ и R_н отключены от выхода интегрирующей цепи R₆C_5. Сопротивление R₆ = 1.8 кОм, емкость C₅ = 20 нФ. Амплитуда пульсаций с учетом К_дел и вертикальной чувствительности ЭО В/дел равна 400 мВ, что в 10.75 раза меньше, чем в предыдущем эксперименте.

Испытания источника напряжения по схеме рис. 1 с активным подавлением пульсаций проведены также при нагрузке R_н = 1 МОм и выходном напряжении U_вых = 1 кВ.

Рис. 3. Осциллограммы сигналов на выходе ОУ DA₂ и на входе ОУ DA₁.

Амплитуда пульсаций выходного напряжения зависит как от общего усиления обоих каскадов, так и от соотношения между сопротивлениями R₆ и R₇. Коэффициент усиления второго каскада К_ус2 = 121.4, он выбирался экспериментально. Изменение общего коэффициента усиления обоих каскадов осуществлялось изменением величины сопротивления обратной связи R₂ первого каскада, т.е. изменением К_ус1, а изменение соотношения между сопротивлениями R и R₇ — изменением R₆. Амплитуда пульсаций, уменьшается при увеличении как К_ус1, так и сопротивления R₆.

Измерение зависимости амплитуды пульсаций от величины К_ус1 проводилась при сопротивлении R₆ = 1.8 кОм. Установлено, что при R₂ = 560 Ом и К_ус1 = 4.8 амплитуда пульсаций равна 3.1 мВ, при R₂ = 1. 35 кОм и К_ус1 = 10.0 амплитуда пульсаций равна 1.8 мВ, при R₂ = 2.1 кОм и К_ус1 = 15.0 амплитуда пульсаций равна 1.3 мВ.

На рис. 3 верхняя осциллограмма (первый канал ЭО) — это сигнал на выходе ОУ DA₂, чувствительность ЭО по вертикали равна 1 В/дел, амплитуда сигнала равна 2.4 В; нижняя осциллограмма (второй канал ЭО) — это сигнал на входе ОУ DA₁ (пульсации выходного напряжения устройства), чувствительность ЭО по вертикали равна 1 мВ/дел, К_ус1 = 15.0, пульсации напряжения имеют импульсную форму с амплитудой 1.3 мВ.

Импульсная форма пульсаций выходного напряжения объясняется следующим. Максимальный размах переменного напряжения в устройстве наблюдается между выходом схемы умножения и выходом ОУ DA₂. Поэтому значительная часть переменной составляющей выходного тока схемы умножения протекает через сопротивление R₇, создавая на нем падение напряжения импульсной формы.

Дальнейшее значительное увеличение К_ус1 приводит к потере устойчивости устройства. Наблюдается генерация в мегагерцевой области. Следует отметить, что устройство, несмотря на свою простоту и малые размеры, весьма критично к монтажу. Требуется либо планарный монтаж, либо приближенный к нему (испытания проводились именно в таком случае). С учетом высокой частоты единичного усиления и малой задержки ОУ ADA4817 возможной причиной генерации могут являться погрешности монтажа и, как следствие, паразитные связи.

Измерение зависимости амплитуды пульсаций от величины сопротивления R₆ проводилось при К_ус1 = 15. Для измерения амплитуды пульсаций величиной менее 1.0 мВ второй канал ЭО подключался к выходу первого каскада усиления. Амплитуда пульсаций определялась с учетом коэффициента усиления первого каскада К_ус1 и чувствительности (В/дел) второго канала ЭО по вертикали К_ус1 = 15. Установлено, что при R₆ = 1.8 кОм амплитуда пульсаций равна 1.3 мВ, при R₆ = 5.6 кОм амплитуда пульсаций равна 450 мкВ, при R₆ = 17 кОм амплитуда пульсаций равна 130 мкВ.

4. ВЫВОДЫ

Описанное схемотехническое решение активного подавления пульсаций позволяет эффективно уменьшить амплитуду этих пульсаций без использования конденсаторов большой емкости в диодно-емкостных схемах умножения с выходными сглаживающими R–C–R–C-фильтрами, имеющими большую постоянную времени.