eng
Выпуск #4/2013
К.Скапеллати
Высоковольтные источники питания для аналитического приборостроения
Высоковольтные источники питания для аналитического приборостроения
Просмотры: 3262
Требования, предъявляемые к электропитанию для аналитического приборостроения, столь же различны, как и номенклатура самих приборов, которые только по напряжению занимают диапазон
от 3 до 300000 В. Иногда серийно выпускаемая продукция не подходит и нужны специально разработанные высоковольтные источники. Это касается таких областей техники, как спектроскопия, капиллярный электрофорез, масс-спектрометрия,
электростатическое распыление, лазеры, рентгеновская дифракция и флюоресценция, а также многих других технологий, в том числе из сферы обработки и визуализации информации и т.п.
В статье рассматриваются особенности конкретного исполнения источников, технологические достижения, а также данные по их применению, что может представлять интерес для разработчиков, заказчиков и пользователей аналитических приборов.
от 3 до 300000 В. Иногда серийно выпускаемая продукция не подходит и нужны специально разработанные высоковольтные источники. Это касается таких областей техники, как спектроскопия, капиллярный электрофорез, масс-спектрометрия,
электростатическое распыление, лазеры, рентгеновская дифракция и флюоресценция, а также многих других технологий, в том числе из сферы обработки и визуализации информации и т.п.
В статье рассматриваются особенности конкретного исполнения источников, технологические достижения, а также данные по их применению, что может представлять интерес для разработчиков, заказчиков и пользователей аналитических приборов.
Теги: high voltage power supplies inverter power stage transformer высоковольтные источники тока инвертор силовой каскад трансформатор
При создании высоковольтной аппаратуры необходима тщательная проработка важнейших параметров. Пульсации напряжения, долговременная и краткосрочная стабильность, повторяемость и погрешность – таков перечень наиболее важных факторов, определяющих степень надежности полученной аналитической информации. Кроме того, поскольку аналитические приборы внедряются в сферу управления производственных технологических процессов, очень важны такие показатели высоковольтных источников, как их надежность и стабильность.
Высоковольтный источник питания – важнейший компонент многих аналитических приборов, он должен подходить для решения поставленной и задачи. В зависимости от применения и типа, анализирующее устройство, методики и данные должны быть согласованы друг с другом. Понимание необходимых свойств, отличающих его от обычных источников питания, дает существенное преимущество разработчикам и пользователям аналитической аппаратуры [1].
БАЗИСНЫЙ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИСТОЧНИК
Базовая схема большинства высоковольтных источников показана на рис.1. Входной силовой каскад выполняет функцию согласования по входному сигналу; параметры первичного источника электроэнергии могут варьироваться в широком диапазоне. Общеупотребительными являются следующие параметры сети: частота 50–400 Гц, напряжение 24–480 В; в качестве входных могут применяться также источники постоянного тока на напряжения 5–300 В. Силовой каскад может выполнять роль выпрямителя и фильтра в цепи переменного тока, а в цепи постоянного тока – функции защиты и фильтрации. Кроме того, входной силовой каскад может брать на себя функции вспомогательных источников, питающих цепи управления. Принципы работы входного каскада являются первостепенными в понимании работы всего устройства. Условия работы входного каскада влияют на построение схемных решений, пользовательские запросы и даже на нормативные требования. Выходной сигнал силового согласующего каскада обычно имеет постоянное напряжение, которое, в свою очередь, является питающим для каскада инвертора. Последний преобразует постоянное напряжение в высокочастотное переменное. Существует множество схем инверторов, однако наилучшее решение определяется всего несколькими свойствами высоковольтного источника.
ИНВЕРТОР
Как правило, высокочастотный сигнал с инвертора поступает на повышающий высоковольтный трансформатор. Применение высокочастотного сигнала позволяет добиться высоких технических характеристик при одновременном снижении размеров магнитопроводов и накопительных конденсаторов. Однако при подключении трансформатора с высоким передаточным числом к высокочастотному инвертору возникает проблема внесения паразитной емкости в первичную обмотку трансформатора с коэффициентом, определяемым отношением числа витков вторичной и первичной катушки. Эту большую паразитную емкость необходимо изолировать от ключевых устройств инвертора, в противном случае в инверторе будут присутствовать аномально высокие импульсные токи.
Другая особенность, характерная для высоковольтных источников – широкий диапазон нагрузок. Частые спутники высокого напряжения – пробои изоляции (искрение). Поэтому надежность инвертора должна быть достаточно высокой с точки зрения любых возможных сочетаний открытой, короткозамкнутой цепи и работы под нагрузкой.
Кроме больших вариаций нагрузки практически всякий аналитический прибор, как правило, должен иметь высокую пороговую чувствительность и содержать каскады высокого усиления. Следует также учесть источники шума, в частности, со стороны инверторов источника питания. Сам инвертор является источником шума из-за высоких значений скорости изменения тока dI/dt и напряжения dV/dt, возникающих в моменты переключения мощности. Наилучший способ избежать этих шумов заключается в использовании резонансных ключевых схем. Не менее важно обеспечить низкие уровни пульсаций на входе и выходе и качественное экранирование. Все эти вопросы, включая также надежность и стоимость, должны решаться в рамках топологии инвертора высоковольтного источника питания [2, 3].
ТРАНСФОРМАТОР
Наиболее плотным скоплением "черной магии" традиционно является высоковольтный трансформатор. В действительности никакой магии нет, просто нужно ясно понимать работу электромагнитной схемы и иметь четкое представление об используемых материалах и технологиях.
В большинстве экспертных оценок за основу принимается большое число витков и большие значения пикового напряжения во вторичной обмотке. Этими двумя факторами определяется геометрия сердечников и технология намотки, совершенно отличная от той, которая применяется в обычных трансформаторах. Могут иметь значение и другие характеристики: отношение вольт/число витков вторичной обмотки, параметр межслойной изоляции и тангенс угла потерь изоляции, геометрия намотки с точки зрения ее влияния на паразитную емкость и утечку, послойная пропитка намотки изоляционным лаком, уровень коронирования и другие, практически важные факторы, например запас по перегреву или себестоимость.
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЫХОДНОЙ КАСКАД
Высоковольтный выходной каскад выполняет функции выпрямления и фильтрации высокочастотного сигнала, снимаемого с вторичной обмотки трансформатора (рис.2). В этих процессах традиционно используются высоковольтные диоды и конденсаторы. Однако способы их включения сильно различаются. Так, в маломощных выходных каскадах используют обычные умножители напряжения. Для силовых схем более эффективны модифицированные схемы умножителей и трансформаторов. Высоковольтный каскад обеспечивает также сигналы обратной связи и контроля, поступающие на обработку в управляющие цепи источника питания. Все эти элементы электрически изолированы от земли для предотвращения дугового разряда. В качестве изоляции используют различные материалы: наиболее распространенные – воздух, SF6, трансформаторное масло, твердые герметики (клеи-герметики, эпоксидная смола и др.). Выбор материала изоляции и технологический контроль могут оказаться наиболее важными с точки зрения надежности высоковольтной схемы.
СХЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ
Схема регулирования является связующей для всех каскадов источника питания. Степень сложности схемы может быть различной – от единственной аналоговой ИС до большого числа ИС и даже микропроцессора, регулирующего и контролирующего все параметры высоковольтного выхода. Однако основные требования, которым должна удовлетворять любая цепь регулирования, сводятся к точной стабилизации выходного напряжения и тока в соответствии с условиями нагрузки, входной мощности и заданных установок. Наиболее эффективно это решается с помощью контура обратной связи. На рис.3 показано, каким образом обратная связь используется для стабилизации выхода источника питания. Традиционный способ заключается в отслеживании выходного напряжения и тока и сравнении измеренных значений с опорным входным сигналом. Полученная разность (сигнал ошибки) между двумя сигналами (обратной связи и опорным) подается в управляющую цепь инвертора, что в конечном итоге приводит к изменению выходной мощности. Кроме тока и напряжения могут быть стабилизированы и другие параметры. Регулирование выходной мощности легко осуществить с помощью функции V·I=W и последующего сравнения результата с опорным значением выходной мощности. Фактически можно стабилизировать любую переменную, удовлетворяющую закону Ома (сопротивление, напряжение, ток и мощность). Кроме того, стабилизации могут быть подвергнуты параметры, зависящие от выходной мощности (например, интенсивность рентгеновского пучка, скорость потока и др.).
ТОПОЛОГИЯ ИНВЕРТОРА
Как говорилось выше, на сегодняшний день существует множество топологий построения инвертора. При выборе топологии высоковольтного инвертора необходимо обеспечить развязку от паразитной емкости и низкий уровень шумов. Существует общий метод, удачно сочетающий оба эти требования, – резонансное преобразование энергии. Согласно данному методу для генерации высокой частоты используется параллельный резонансный контур. Возможные варианты реализации резонансного метода показаны на рис.4 и 5. В обоих вариантах вносимая паразитная емкость изолируется последовательно включенной индуктивностью. В отдельных случаях вносимая емкость (Cr) и последовательная индуктивность (Lr) образуют резонансный контур; этот вид схем носит название т.н. последовательно-параллельной резонансной топологии. В других случаях конденсатор и индуктивность могут быть включены последовательно, образуя резонансную топологию с последовательным распределением нагрузки.
Оба этих метода имеют два существенных отличия. Параллельная топология более близка к источнику напряжения, в то время как схема с последовательной топологией больше напоминает источник тока. Каждая схема имеет свои достоинства, но параллельная топология применяется в основном в маломощной аппаратуре, а последовательная – в силовой. Такая дифференциация схем по уровню мощности объясняется многими причинами, однако существует лишь несколько значимых факторов, из-за которых каждая из схем не может применяться в той области, где используется другая. Чтобы пояснить это, рассмотрим, что происходит с вносимой емкостью при коротком замыкании выхода. При этом паразитная емкость уменьшается, поскольку она шунтируется вносимой вторичной нагрузкой, сопротивление которой в данном случае равно нулю. В маломощной аппаратуре при последовательном подключении индуктивности импеданс цепи относительно высок (в соответствии с ее вольт-амперным режимом VA), что позволяет ограничить текущее значение тока в ключевых каскадах инвертора на уровне Vt/L. В силовых схемах при последовательном подключении катушки индуктивности низкий импеданс в цепи не обеспечивает ограничение тока. По этой причине в силовой аппаратуре используется последовательная топология. Из рис.6 видно, что вне области резонанса последовательная цепь функционирует как источник тока, который имеет естественный предел по выходному току, что и обеспечивает токовую защиту ключевых цепей.
Имеется еще одна причина, по которой последовательная схема малопригодна для маломощной аппаратуры. Легко видеть, что напряжение на последовательной емкости определяется добротностью Q резонансной цепи и напряжением, которое приложено к полной, последовательной и паразитной емкости. В маломощных цепях отношение последовательной емкости к параллельной весьма велико, из-за чего образуется делитель, в котором основное падение напряжения приходится на последовательную компоненту емкости. На трансформатор же попадает лишь небольшая часть напряжения, что существенно снижает высокое напряжение на его вторичной обмотке. Попытка исправить ситуацию добавлением витков в обмотку приводит к увеличению вносимой емкости, и в итоге напряжение вторичной обмотки остается на прежнем уровне.
СТАБИЛИЗАЦИЯ
И ПОВТОРЯЕМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ
Повторяемость результатов – это основа аналитических технологий, а качество высоковольтного источника питания – основа стабильных и воспроизводимых характеристик аппаратуры. Изменчивость выходного напряжения и тока обычно напрямую сказывается на конечных данных и поэтому должна восприниматься как источник ошибок. В высоковольтных источниках ошибки опорного напряжения, которое используется для задания требуемого выходного напряжения, могут быть устранены за счет применения стабилизированного опорного источника на основе ИС. В типовых условиях стабильность должна быть не хуже 5·10-6°С. Соответственно, аналоговые ИС (ОУ, АЦП, ЦАП и др.) должны подвергаться тщательному отбору как возможные источники значительной погрешности [1].
В высоковольтных источниках имеется один принципиальный источник погрешности стабилизации – высоковольтный делитель напряжения в цепи обратной связи, который фактически представляет собой резистивную делительную цепочку (см. рис.2), понижающую выходное напряжение до уровня, приемлемого для работы цепей управления (менее 10 В DC).
Вследствие больших значений сопротивлений (обычно не менее 10 МОм – это необходимо для рассеяния мощности и снижения эффектов температурной изменчивости из-за самонагрева) и возникает проблема стабильности резисторов обратной связи. Такое сочетание высокого напряжения и больших сопротивлений потребовало специальной технологии изготовления резисторов, которые выполняются спаренными с низкоомными резисторами, чтобы обеспечить сохранение коэффициента деления при изменении температуры, напряжения, влажности и времени. В дополнение к этому, наличие в цепи ОС высокоомных резисторов делает схему восприимчивой к малым токам наводки. Например, при токе 10-9 А изменение в 100 ppb сказывается на результате. По этой причине конструкция резистора и резистора в цепи ОС должна учитывать возможность возникновения коронного разряда. Кроме того, ввиду широкого применения в технологии резисторов керамических сердечников и подложек, необходимо учитывать и пьезоэлектрические эффекты. Можно показать, что вибрация в высоковольтном источнике питания может наводить на его выходе сигнал на частоте вибрации.
ТРЕБОВАНИЯ
К ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ
В высоковольтной аппаратуре для питания измерительных схем часто требуются вспомогательные источники питания, которые во многих случаях работают в тесной связке с высоковольтными источниками. В качестве примеров можно привести питание накала в рентгеновских трубках, подачу напряжения смещения на управляющую сетку, питание схемы фокусировки и питание низковольтных цепей управления. При этом разработчик может остановиться на каком-либо одном поставщике, изделия которого могут закрыть весь диапазон питающих напряжений. Такой подход весьма распространен в технике высоких напряжений, где необходима предварительная проработка схемных решений высоковольтных цепей. Для высоковольтного источника питания это означает, что инженер должен проработать практически все технические аспекты преобразования энергии, а не только те, которые непосредственно связаны с высоким напряжением. Например, в ходе разработки вполне может обнаружиться, что для питания требуется ток более 100 А при 20 В, а на выходе нужна изоляция, рассчитанная на напряжение не менее 100000 В. В новых высоковольтных технологиях используется автоматический контроль многих параметров.
Рассмотренные в работе вопросы очень важны для разработки высоковольтных источников питания, которые являются в некотором роде уникальными изделиями, отличающимися от стандартной продукции. Инженер, заказчик и пользователь высоковольтных источников для достижения наилучших результатов в сфере своей деятельности, должны четко представлять себе эту уникальность. Продвижение технологий в сфере преобразования энергии идет так быстро, что разработчик аналитической аппаратуры просто не может взять на себя весь груз ответственности за источники высоковольтного питания. Эту ответственность должны разделить с ним поставщики высоковольтных источников. Для создания надежных высоковольтных источников необходимы передовые методы преобразования мощности, компоненты, материалы и технологии. Необходимо также уделять серьезное внимание вопросам безопасного пользования. Высокое напряжение может быть смертельно опасным, и начинающий пользователь должен быть обучен правилам безопасности. Основные правила по безопасности изложены в стандарте IEEE “Руководящие указания по безопасности при испытаниях высоковольтного и силового оборудования” (Recommended Practices for Safety in High Voltage and High Power Testing, IEEE standard 510-1983).
Литература
1. Analog Integrated Circuits: Data Book, vol.10, Precision Monolithics Inc. (PMI), 1990 .
2. D. Chambers and C. Scapellati. How to Specify Today's High Voltage Power Supplies, Electronic Products Magazine, 1994, March.
3. D. Chambers and C. Scapellati. New High Frequency, High Voltage Power Supplies for Microwave Heating Applications.– Proceedings of the 29th Microwave Power Symposium, July 1994.
Высоковольтный источник питания – важнейший компонент многих аналитических приборов, он должен подходить для решения поставленной и задачи. В зависимости от применения и типа, анализирующее устройство, методики и данные должны быть согласованы друг с другом. Понимание необходимых свойств, отличающих его от обычных источников питания, дает существенное преимущество разработчикам и пользователям аналитической аппаратуры [1].
БАЗИСНЫЙ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИСТОЧНИК
Базовая схема большинства высоковольтных источников показана на рис.1. Входной силовой каскад выполняет функцию согласования по входному сигналу; параметры первичного источника электроэнергии могут варьироваться в широком диапазоне. Общеупотребительными являются следующие параметры сети: частота 50–400 Гц, напряжение 24–480 В; в качестве входных могут применяться также источники постоянного тока на напряжения 5–300 В. Силовой каскад может выполнять роль выпрямителя и фильтра в цепи переменного тока, а в цепи постоянного тока – функции защиты и фильтрации. Кроме того, входной силовой каскад может брать на себя функции вспомогательных источников, питающих цепи управления. Принципы работы входного каскада являются первостепенными в понимании работы всего устройства. Условия работы входного каскада влияют на построение схемных решений, пользовательские запросы и даже на нормативные требования. Выходной сигнал силового согласующего каскада обычно имеет постоянное напряжение, которое, в свою очередь, является питающим для каскада инвертора. Последний преобразует постоянное напряжение в высокочастотное переменное. Существует множество схем инверторов, однако наилучшее решение определяется всего несколькими свойствами высоковольтного источника.
ИНВЕРТОР
Как правило, высокочастотный сигнал с инвертора поступает на повышающий высоковольтный трансформатор. Применение высокочастотного сигнала позволяет добиться высоких технических характеристик при одновременном снижении размеров магнитопроводов и накопительных конденсаторов. Однако при подключении трансформатора с высоким передаточным числом к высокочастотному инвертору возникает проблема внесения паразитной емкости в первичную обмотку трансформатора с коэффициентом, определяемым отношением числа витков вторичной и первичной катушки. Эту большую паразитную емкость необходимо изолировать от ключевых устройств инвертора, в противном случае в инверторе будут присутствовать аномально высокие импульсные токи.
Другая особенность, характерная для высоковольтных источников – широкий диапазон нагрузок. Частые спутники высокого напряжения – пробои изоляции (искрение). Поэтому надежность инвертора должна быть достаточно высокой с точки зрения любых возможных сочетаний открытой, короткозамкнутой цепи и работы под нагрузкой.
Кроме больших вариаций нагрузки практически всякий аналитический прибор, как правило, должен иметь высокую пороговую чувствительность и содержать каскады высокого усиления. Следует также учесть источники шума, в частности, со стороны инверторов источника питания. Сам инвертор является источником шума из-за высоких значений скорости изменения тока dI/dt и напряжения dV/dt, возникающих в моменты переключения мощности. Наилучший способ избежать этих шумов заключается в использовании резонансных ключевых схем. Не менее важно обеспечить низкие уровни пульсаций на входе и выходе и качественное экранирование. Все эти вопросы, включая также надежность и стоимость, должны решаться в рамках топологии инвертора высоковольтного источника питания [2, 3].
ТРАНСФОРМАТОР
Наиболее плотным скоплением "черной магии" традиционно является высоковольтный трансформатор. В действительности никакой магии нет, просто нужно ясно понимать работу электромагнитной схемы и иметь четкое представление об используемых материалах и технологиях.
В большинстве экспертных оценок за основу принимается большое число витков и большие значения пикового напряжения во вторичной обмотке. Этими двумя факторами определяется геометрия сердечников и технология намотки, совершенно отличная от той, которая применяется в обычных трансформаторах. Могут иметь значение и другие характеристики: отношение вольт/число витков вторичной обмотки, параметр межслойной изоляции и тангенс угла потерь изоляции, геометрия намотки с точки зрения ее влияния на паразитную емкость и утечку, послойная пропитка намотки изоляционным лаком, уровень коронирования и другие, практически важные факторы, например запас по перегреву или себестоимость.
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ВЫХОДНОЙ КАСКАД
Высоковольтный выходной каскад выполняет функции выпрямления и фильтрации высокочастотного сигнала, снимаемого с вторичной обмотки трансформатора (рис.2). В этих процессах традиционно используются высоковольтные диоды и конденсаторы. Однако способы их включения сильно различаются. Так, в маломощных выходных каскадах используют обычные умножители напряжения. Для силовых схем более эффективны модифицированные схемы умножителей и трансформаторов. Высоковольтный каскад обеспечивает также сигналы обратной связи и контроля, поступающие на обработку в управляющие цепи источника питания. Все эти элементы электрически изолированы от земли для предотвращения дугового разряда. В качестве изоляции используют различные материалы: наиболее распространенные – воздух, SF6, трансформаторное масло, твердые герметики (клеи-герметики, эпоксидная смола и др.). Выбор материала изоляции и технологический контроль могут оказаться наиболее важными с точки зрения надежности высоковольтной схемы.
СХЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ
Схема регулирования является связующей для всех каскадов источника питания. Степень сложности схемы может быть различной – от единственной аналоговой ИС до большого числа ИС и даже микропроцессора, регулирующего и контролирующего все параметры высоковольтного выхода. Однако основные требования, которым должна удовлетворять любая цепь регулирования, сводятся к точной стабилизации выходного напряжения и тока в соответствии с условиями нагрузки, входной мощности и заданных установок. Наиболее эффективно это решается с помощью контура обратной связи. На рис.3 показано, каким образом обратная связь используется для стабилизации выхода источника питания. Традиционный способ заключается в отслеживании выходного напряжения и тока и сравнении измеренных значений с опорным входным сигналом. Полученная разность (сигнал ошибки) между двумя сигналами (обратной связи и опорным) подается в управляющую цепь инвертора, что в конечном итоге приводит к изменению выходной мощности. Кроме тока и напряжения могут быть стабилизированы и другие параметры. Регулирование выходной мощности легко осуществить с помощью функции V·I=W и последующего сравнения результата с опорным значением выходной мощности. Фактически можно стабилизировать любую переменную, удовлетворяющую закону Ома (сопротивление, напряжение, ток и мощность). Кроме того, стабилизации могут быть подвергнуты параметры, зависящие от выходной мощности (например, интенсивность рентгеновского пучка, скорость потока и др.).
ТОПОЛОГИЯ ИНВЕРТОРА
Как говорилось выше, на сегодняшний день существует множество топологий построения инвертора. При выборе топологии высоковольтного инвертора необходимо обеспечить развязку от паразитной емкости и низкий уровень шумов. Существует общий метод, удачно сочетающий оба эти требования, – резонансное преобразование энергии. Согласно данному методу для генерации высокой частоты используется параллельный резонансный контур. Возможные варианты реализации резонансного метода показаны на рис.4 и 5. В обоих вариантах вносимая паразитная емкость изолируется последовательно включенной индуктивностью. В отдельных случаях вносимая емкость (Cr) и последовательная индуктивность (Lr) образуют резонансный контур; этот вид схем носит название т.н. последовательно-параллельной резонансной топологии. В других случаях конденсатор и индуктивность могут быть включены последовательно, образуя резонансную топологию с последовательным распределением нагрузки.
Оба этих метода имеют два существенных отличия. Параллельная топология более близка к источнику напряжения, в то время как схема с последовательной топологией больше напоминает источник тока. Каждая схема имеет свои достоинства, но параллельная топология применяется в основном в маломощной аппаратуре, а последовательная – в силовой. Такая дифференциация схем по уровню мощности объясняется многими причинами, однако существует лишь несколько значимых факторов, из-за которых каждая из схем не может применяться в той области, где используется другая. Чтобы пояснить это, рассмотрим, что происходит с вносимой емкостью при коротком замыкании выхода. При этом паразитная емкость уменьшается, поскольку она шунтируется вносимой вторичной нагрузкой, сопротивление которой в данном случае равно нулю. В маломощной аппаратуре при последовательном подключении индуктивности импеданс цепи относительно высок (в соответствии с ее вольт-амперным режимом VA), что позволяет ограничить текущее значение тока в ключевых каскадах инвертора на уровне Vt/L. В силовых схемах при последовательном подключении катушки индуктивности низкий импеданс в цепи не обеспечивает ограничение тока. По этой причине в силовой аппаратуре используется последовательная топология. Из рис.6 видно, что вне области резонанса последовательная цепь функционирует как источник тока, который имеет естественный предел по выходному току, что и обеспечивает токовую защиту ключевых цепей.
Имеется еще одна причина, по которой последовательная схема малопригодна для маломощной аппаратуры. Легко видеть, что напряжение на последовательной емкости определяется добротностью Q резонансной цепи и напряжением, которое приложено к полной, последовательной и паразитной емкости. В маломощных цепях отношение последовательной емкости к параллельной весьма велико, из-за чего образуется делитель, в котором основное падение напряжения приходится на последовательную компоненту емкости. На трансформатор же попадает лишь небольшая часть напряжения, что существенно снижает высокое напряжение на его вторичной обмотке. Попытка исправить ситуацию добавлением витков в обмотку приводит к увеличению вносимой емкости, и в итоге напряжение вторичной обмотки остается на прежнем уровне.
СТАБИЛИЗАЦИЯ
И ПОВТОРЯЕМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ
Повторяемость результатов – это основа аналитических технологий, а качество высоковольтного источника питания – основа стабильных и воспроизводимых характеристик аппаратуры. Изменчивость выходного напряжения и тока обычно напрямую сказывается на конечных данных и поэтому должна восприниматься как источник ошибок. В высоковольтных источниках ошибки опорного напряжения, которое используется для задания требуемого выходного напряжения, могут быть устранены за счет применения стабилизированного опорного источника на основе ИС. В типовых условиях стабильность должна быть не хуже 5·10-6°С. Соответственно, аналоговые ИС (ОУ, АЦП, ЦАП и др.) должны подвергаться тщательному отбору как возможные источники значительной погрешности [1].
В высоковольтных источниках имеется один принципиальный источник погрешности стабилизации – высоковольтный делитель напряжения в цепи обратной связи, который фактически представляет собой резистивную делительную цепочку (см. рис.2), понижающую выходное напряжение до уровня, приемлемого для работы цепей управления (менее 10 В DC).
Вследствие больших значений сопротивлений (обычно не менее 10 МОм – это необходимо для рассеяния мощности и снижения эффектов температурной изменчивости из-за самонагрева) и возникает проблема стабильности резисторов обратной связи. Такое сочетание высокого напряжения и больших сопротивлений потребовало специальной технологии изготовления резисторов, которые выполняются спаренными с низкоомными резисторами, чтобы обеспечить сохранение коэффициента деления при изменении температуры, напряжения, влажности и времени. В дополнение к этому, наличие в цепи ОС высокоомных резисторов делает схему восприимчивой к малым токам наводки. Например, при токе 10-9 А изменение в 100 ppb сказывается на результате. По этой причине конструкция резистора и резистора в цепи ОС должна учитывать возможность возникновения коронного разряда. Кроме того, ввиду широкого применения в технологии резисторов керамических сердечников и подложек, необходимо учитывать и пьезоэлектрические эффекты. Можно показать, что вибрация в высоковольтном источнике питания может наводить на его выходе сигнал на частоте вибрации.
ТРЕБОВАНИЯ
К ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ
В высоковольтной аппаратуре для питания измерительных схем часто требуются вспомогательные источники питания, которые во многих случаях работают в тесной связке с высоковольтными источниками. В качестве примеров можно привести питание накала в рентгеновских трубках, подачу напряжения смещения на управляющую сетку, питание схемы фокусировки и питание низковольтных цепей управления. При этом разработчик может остановиться на каком-либо одном поставщике, изделия которого могут закрыть весь диапазон питающих напряжений. Такой подход весьма распространен в технике высоких напряжений, где необходима предварительная проработка схемных решений высоковольтных цепей. Для высоковольтного источника питания это означает, что инженер должен проработать практически все технические аспекты преобразования энергии, а не только те, которые непосредственно связаны с высоким напряжением. Например, в ходе разработки вполне может обнаружиться, что для питания требуется ток более 100 А при 20 В, а на выходе нужна изоляция, рассчитанная на напряжение не менее 100000 В. В новых высоковольтных технологиях используется автоматический контроль многих параметров.
Рассмотренные в работе вопросы очень важны для разработки высоковольтных источников питания, которые являются в некотором роде уникальными изделиями, отличающимися от стандартной продукции. Инженер, заказчик и пользователь высоковольтных источников для достижения наилучших результатов в сфере своей деятельности, должны четко представлять себе эту уникальность. Продвижение технологий в сфере преобразования энергии идет так быстро, что разработчик аналитической аппаратуры просто не может взять на себя весь груз ответственности за источники высоковольтного питания. Эту ответственность должны разделить с ним поставщики высоковольтных источников. Для создания надежных высоковольтных источников необходимы передовые методы преобразования мощности, компоненты, материалы и технологии. Необходимо также уделять серьезное внимание вопросам безопасного пользования. Высокое напряжение может быть смертельно опасным, и начинающий пользователь должен быть обучен правилам безопасности. Основные правила по безопасности изложены в стандарте IEEE “Руководящие указания по безопасности при испытаниях высоковольтного и силового оборудования” (Recommended Practices for Safety in High Voltage and High Power Testing, IEEE standard 510-1983).
Литература
1. Analog Integrated Circuits: Data Book, vol.10, Precision Monolithics Inc. (PMI), 1990 .
2. D. Chambers and C. Scapellati. How to Specify Today's High Voltage Power Supplies, Electronic Products Magazine, 1994, March.
3. D. Chambers and C. Scapellati. New High Frequency, High Voltage Power Supplies for Microwave Heating Applications.– Proceedings of the 29th Microwave Power Symposium, July 1994.
Отзывы читателей
