4 Расчет высоковольтного усилителя

4.1 Общие сведения о высоковольтных усилителях

Высоковольтные усилители - усилители, у которых выходное напряжение от 1 кВ и выше. Мощность таких усилителей не превышает 10...20 Вт.

ВВУ:

Область применения высоковольтных усилителей.

Приборный вариант высокого напряжения: блок питания электронно-лучевых трубок, мониторов ЭВМ, индикаторов рекламных щитовых табло, приборов рентгенодиагностики, нейтрализаторы статического электричества на нефтеналивных танкерах, люстры Чижевского, и так далее.

Технологическое высокое напряжение, мощностью более 40 Вт: электрофильтры газоочистки, электротехнология.

СВЧ - технология: электро-гидравлические взрывные технологии по эффекту Юткина, системы электронного высоковольтного зажигания на дизелях.

Способы получения высоковольтного напряжения:

1) Получение высоковольтного напряжения из промышленной сети 50 Гц - для получения технологического высоковольтного напряжения.

Рисунок 5

---

где ВТ - трансформатор с выходным напряжением до 10...15 кВ;

УН - умножитель напряжения строится на число каскадов до 16.

Рисунок 6

310 В - пиковое напряжение ( );

220 В - эффективное напряжение

Достоинства данной схемы:

а) простота получения высокого напряжения;

б) практически неограниченная мощность за счет сети.

Недостатки:

а) низкое качество высокого выходного напряжения (частота пульсации 50 Гц, большие габариты и вес);

б) опасность поражения электрическим током.

В качестве исключения данную схему можно использовать для приборного варианта только на стадии эксперимента.

2) СВЧ - схема.

Основана на том, что автономное низковольтное напряжение преобразуется специальным генератором в ВЧ импульсы (1000-16000 Гц) и выпрямляется специальным умножителем напряжения УН до нужного уровня.

---

Рисунок 7

где БНП - блок низковольтного питания (5 ... 12 В);

К - конвертор, преобразует 5 - 12 В в высокочастотные импульсы (1КГц - 16КГЦ).

Конверторы бывают:

1) блокинг - генератор - преобразует постоянное напряжение в одиночные единичные импульсы до 3-5 Вт;

2) мультивибратор Ройера - генерирует симметричные импульсы с выходной мощностью до 100 Вт;

3) тиристорные ключи - генерируют импульсы неограниченной мощности для построения блоков питания манипуляторов, приводов станков с ЧПУ.

ВТ - высоковольтный трансформатор;

УН - умножитель напряжения, построен из-за большой частоты на малогабаритных конденсаторах и диодах;

БОС - блок обратной связи.

Достоинства данной схемы:

1) малые габаритно - весовые параметры;

2) высокая частота выходного напряжения;

3) простота управления (либо по БНП, либо по К).

Недостаток данной схемы: нестабильность выходного напряжения, поэтому требуется стабилизация через БОС.

---

4.2 Расчет высоковольтного источника

Техническое задание:

1) Мощность источника на выходе на высокой стороне P=13 Вт.

2) Высокое входное напряжение в нагрузке U_вых=12 кВ.

3) Число ступеней умножения n=7

Расчет высоковольтного усилителя

1. Выходной ток усилителя

мА; (30)

2) Выходное напряжение усилителя

кВ; (31)

3) По величине выбираем высоковольтный трансформатор, так как выходная мощность не превышает 100 Вт, то в качестве базового берем ТВС-90ЛЦ2-1 для которого

=110 Вт;

=6250 Гц;

=4,5 кВ;

В линейной области рабочей точки предполагается, что

=1,68 Гн.

Определим количество последовательно соединенных трансформаторов

; (32)

Напряжение на каждом из последовательно включенных трансформаторов:

кВ; (33)

4) Определим количество каскадов умножения каждого блока

; (34)

5) Вычислим емкости каждого блока умножителя напряжения (УН) в согласованном режиме (то есть выходное сопротивление трансформатора равно входному умножителя напряжения)

Ф; (35)

где - порядковый номер каскада.

Ф; (36)

Ф; (37)

Ф; (38)

Ф; (39)

Ф; (40)

Ф; (41)

Полученные значения емкости составляют так называемую верхнюю границу вилки УН.

6) Посчитаем мощность трансформаторного блока, питающего УН в согласованном режиме

(42)

Поскольку полученная мощность очень большая, то согласованный режим включения будем считать энергетически и экономически неприемлемым. Поэтому перейдем к энергетически более щадящему режиму включения УН - с неравными емкостями.

7) КПД использования трансформатора при питании УН:

; (43)

Полученный КПД отражает долю мощности, которая поступит из блочного трансформатора через УН в нагрузку.

8) Рассчитаем мощность на выходе каждого УН:

Вт; (44)

9) Мощность блочного трансформатора

Вт; (45)

Полученная мощность больше 110 Вт (мощность базового трансформатора ), поэтому число параллельно включенных трансформаторов будет:

; (46)

10) Так как трансформаторов несколько, то мощность будет равномерно распределяться на всех

Вт; (47)

Последнее рассчитанное значение является мощностью конвертора накачки каждого индивидуального трансформатора блока (вторичные обмотки этих трансформаторов соединяются параллельно). Этой мощностью обладает мультивибратор Ройера.

11) На расчетную блочную мощность посчитаем конденсаторы УН:

(48)

Ф; (49)

Ф; (50)

Ф; (51)

Ф; (52)

Ф; (53)

Ф; (54)

Полученные значения емкости соответствуют блочной мощности, но не в чисто согласованном режиме, поскольку они по номиналу не соответствуют стандартному ряду, их надо набирать в виде батарей конденсаторов (с точностью 5%). Номинальное напряжение конденсатора должно быть не ниже кВ.

Выбираем стандартные высоковольтные конденсаторы типа К15-13, у которых =6 кВ. Емкости этих конденсаторов соответствуют стандартному ряду Е24.

Емкости и можно представить в виде батареи из двух конденсаторов, включенных параллельно, их емкости:

---

; (55)

Емкость можно получить используя один конденсатор, емкостью 91 пФ.

состоит из трех параллельно включенных конденсаторов, с емкостями:

; (56)

состоит из трех параллельно включенных конденсаторов, с емкостями:

; (57)

состоит из трех параллельно включенных конденсаторов, с емкостями:

; (58)

состоит из двух параллельно включенных конденсаторов, с емкостями:

; (59)

состоит из двух параллельно включенных конденсаторов, с емкостями:

; (60)

12) Выбираются высоковольтные диоды по двум параметрам:

А; (61)

кВ; (62)

Высоковольтный диод 2Д220Г имеет следующие параметры: , . Данный диод не удовлетворяет требованию по напряжению, поэтому будем использовать четыре диода, соединенных последовательно.

13) Тип конвертора, который необходим для питания каждого индивидуального трансформатора в блоке из включенных параллельно - мультивибратор Ройера. Мультивибратор содержит следующую элементную базу: конденсаторы КВН-1-0,25 мкФ5% ОЖО.460.029 ТУ (С9, С9’, С9’’, С10, С10’, C10’’); резисторы МЛТ-0,5-300 Ом10% (R1, R1’, R1’’, R5, R5’, R5’’), МЛТ-10-510 Ом10% (R3, R3, R3’’), МЛТ-0,5-820 Ом10% (R2, R2’, R2’’, R4, R4’,R4’’) ГОСТ 7113-77; трансформаторы ТВС-90ЛС2-1 (Т1, Т1’, T1’’); стабилитроны Д 814 Б (VS1, VS1’, VS1’’); транзисторы КТ 605 БМ (VT2, VT2’, VT2’’, VT3, VT3’, VT3’’), КТ 808 A (VT1, VT1’, VT1’’, VT4, VD4’, VT4’’).

Принципиальная схема рассчитанного высоковольтного усилителя изображена на рисунке 8.

---