Файл: pz3_vvu.doc

3 РАСЧЕТ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО УСИЛИТЕЛЯ

3.1 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 [11].

Коэффициент усиления ВВУ:

(24)

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

---

Достоинства данной схемы:

• простота получения высокого напряжения;

• практически неограниченная мощность за счет сети.

Недостатки:

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

• опасность поражения электрическим током.

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

2) из СВЧ - схемы.

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.

---

Конверторы бывают:

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

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

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

Достоинства данной схемы:

• малые габаритно - весовые параметры;

• высокая частота выходного напряжения;

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

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

3.2 Расчет высоковольтного усилителя

Техническое задание:

• мощность источника на выходе на высокой стороне P = 38 Вт.

• высокое выходное напряжение в нагрузке U_вых = 5 кВ.

• число ступеней умножения n = 5

Расчет высоковольтного усилителя

1) Выходной ток усилителя

А (25)

2) Выходное напряжение усилителя

В (26)

3) По величине U_тр выбираем высоковольтный трансформатор, так как выходная мощность не превышает 100 Вт, то в качестве базового берем ТВС-90ЛЦ2-1 [11], для которого

=110 Вт; f =6250 Гц; =4500 В

В линейной области рабочей точки предполагается, что =1,68 Гн.

4) Количество последовательно соединенных высоковольтных трансформаторов по вторичной обмотке

(27)

Принимаем n _тр = 1.

5) Напряжение на каждом из последовательно включенных трансформаторов:

В (28)

Таким образом, на каждом из последовательных трансформаторов включается умножитель напряжения с числом каскадов n = 5.

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

Ф, (29)

где i - порядковый номер каскада.

Ф; (30)

Ф; (31)

Ф (32)

Полученные значения емкости составляют так называемую верхнюю границу вилки УН.

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

(33)

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

8) КПД использования трансформатора при питании УН:

(34)

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

9) Число блоков равно числу последовательно включенных трансформаторов: n_тр = 1.

10) Мощность на выходе каждого УН

Вт (35)

11) Мощность блочного трансформатора

Вт (36)

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

(37)

Принимаем .

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

---

Вт (38)

Последнее рассчитанное значение является мощностью конвертора накачки каждого индивидуального трансформатора блока (вторичные обмотки этих трансформаторов соединяются параллельно). Этой мощностью обладает мультивибратор Ройера [11].

14) На расчетную блочную мощность трансформатора посчитаем емкости конденсаторов УН:

(39)

Ф; (40)

Ф; (41)

Ф (42)

15) Полученные значения емкости соответствуют блочной мощности трансформатора, 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 В.

Выбираем стандартные высоковольтные конденсаторы типа К15-13, у которых =4 кВ. Емкости этих конденсаторов соответствуют стандартному ряду Е24.

Емкости С₁ и С₂ можно представить в виде батареи из трех конденсаторов, первые два из которых включены последовательно, а третий – параллельно, их емкости:

Емкость С₃ можно получить используя два параллельно включенных конденсатора, емкостью по 1500 пФ.

С₃=1500 пФ + 1500 пФ = 3000 пФ

Емкость С₄ представляет собой конденсатор емкостью С₄ = 1500 пФ.

Емкость С₅ состоит из трех параллельно включенных конденсаторов, с емкостями:

С₅ = 10 пФ + 270 пФ + 470 пФ = 750 пФ

15) Выбираются высоковольтные диоды по двум параметрам:

А; (43)

В (44)

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

16) 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 (С6 – С27); резисторы МЛТ-0,5-300 Ом10% (R1, R5, R6, R10, R11, R15, … , R46, R50, R51 ,R55), МЛТ-10-510 Ом10% (R3, R8, R13, … , R43, R48, R53), МЛТ-0,5-820 Ом10% (R2, R4, R7, R9, R12, R14, … , R47, R49, R52, R54) ГОСТ 7113-77; трансформаторы ТВС-90ЛС2-1 (Т1-Т11); стабилитроны Д814Б (VS1-VS11); транзисторы КТ605БМ (VT2, VT3, VT6, VT7, VT10, VT11, … ,VT38, VT39,VT42, VT43), КТ808A (VT1, VT4, VT5, VT8, VT9, VT12, … ,VT37, VT40,VT41, VT44).

Принципиальная схема рассчитанного высоковольтного усилителя изображена на рисунке 9.

---

Рисунок 9

---