CC BY
35А.В. Юдин, М.В. Тихонова, Е.А. Елисеичев
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ В СОВРЕМЕННОМ ПРИБОРОСТРОЕНИИ
В статье представлена классификация высоковольтных источников питания критериям: электрические параметры и функционально-схемное построение. Рассмотрены области их применения в современном приборостроении: в рентгеновской и радиопередающей аппаратурах, лазерной технике и др. Сформулированы выводы о проблемных узлах, которые необходимо учитывать при разработке высоковольтных источников питания.
Ключевые слова: высоковольтный источник питания, инвертор, высоковольтный трансформатор, умножитель напряжения, современное приборостроение.
Высоковольтный источник питания (ВИП) - 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].
Все высоковольтные источники питания [2] можно разделить на следующие классы и группы:
1. По характеру выходного напряжения:
- с выходом на постоянном токе;
- с выходом на переменном токе;
- с импульсным выходом;
- комбинированные.
2. По уровню выходного напряжения:
- нормально высоковольтные - 1-20 кВ;
- повышенной высоковольтности - 25-75 кВ;
- сверхвысоковольтные - свыше 75 кВ.
3. По уровню выходной мощности [3]:
- микромощные - до 1 Вт;
- маломощные - 1-50 Вт;
- средней мощности - 50-400 Вт;
- большой мощности - 0,5-3 кВт;
- сверхмощные - свыше 5 кВт.
4. По стабильности высокого напряжения:
- общего назначения - 5UX = 1-5 %;
- повышенной стабильности - 5ив£ = 0,3-1 %;
- высокостабильные - 5UE = 0,03-0,3 %;
- прецизионные - 5UE <0,03 %.
5. По структурному построению:
- по количеству выходных каналов - одно- и многоканальные (в том числе низковольтные, но высокопотенциальные);
- по числу ступеней стабилизации - одно- и двухступенчатые;
- по типу используемой структуры регулирования высокого напряжения ив: - с регулированием на стороне переменного напряжения низкой частоты (50/60 Гц, 400/500 Гц и более); - с регулированием на стороне выпрямленного высокого напряжения - посредством высоковольтных линейных стабилизаторов; - с использованием регулируемых преобразователей (инверторов) с высоковольтным выходом, работающих на повышенной частоте (десятки килогерц); - комбинированной - при двухступенчатой структуре стабилизации.
© А.В. Юдин, М.В. Тихонова, Е.А. Елисеичев, 2022.
6. По функционально-схемному построению высоковольтных блоков или трансформаторно-выпрямительных модулей (ТВМ):
- непосредственно с высоковольтного выхода ВИП, то есть со всей величины UB;
- с части выходного высокого напряжения - kUB (k<1), например с нижних ступеней ВВ-выпрями-теля или ВВ-умножителя - по «электронной модели» [4].
Мощные ВИП используются в рентгеновских аппаратах для питания рентгеновских трубок (РТ). В РТ электроны, испускаемые катодом, ускоряются под действием высокого напряжения между анодом и катодом. Электроны ударяются об анод, где происходит их резкое торможение с испусканием рентгеновского излучения. При этом фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 кэВ, с частотой 3*1016-6х1019 Гц и длиной волны 0,005-10 нм. Мягкий рентген характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), а жесткий рентген обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны). Жесткий рентген используется преимущественно в промышленных целях. В России основным разработчиком и производителем РТ является ЗАО «Светлана-Рентген» (Санкт-Петербург) [5]. Отечественные мощные РТ для промышленных применений исторически в большинстве типов выпускаются с заземленным анодом. Это позволяет не изолировать электрически от корпуса радиатор с проточной водой, с помощью которого осуществляется охлаждение анода и трубки в целом. Поэтому в таких трубках катод (нить накала) оказывается под высоким потенциалом, в связи с чем вторичная обмотка накального трансформатора должна иметь соответствующую изоляцию относительно первичной обмотки и магнитопровода трансформатора. К сожалению, надо признать, что по долговечности (гарантийная наработка или ресурс Тр) и по некоторым другим параметрам отечественные РТ существенно уступают зарубежным. За рубежом многие известные фирмы, среди прочей продукции, выпускают РТ для применения в медицине, для исследований и промышленных применений. В их числе можно указать Philips, Siemens, General Electric (GE), Varian, Shimadzu, Toshiba, Picker и др. Источники рентгеновского излучения (ИРИ), т.е. ВИП и рентгеновские трубки, используются в обычных рентгеновских медицинских приборах (рентгенодиагностика и флюорография), компьютерных томографах. Кроме того, укажем на применение рентгеновских дифрактометров в материаловедении, кристаллографии и биохимии для выяснения структуры веществ на атомном уровне (рентгеноструктурный анализ). При помощи рентгеновских спектрометров определяется химический состав вещества (рентгено-спектральный анализ). Также давно используются рентгенодефектоскопы и рентгенотелевизионные ин-троскопы (обнаружение опасных предметов в аэропортах). Основные характеристики ВИП для рентгеновской аппаратуры:
- диапазон мощностей - от единиц ватт до сотен киловатт;
- диапазон выходных высоких напряжений ив - от единиц до сотен киловольт и более;
- допустимая общая (суммарная) нестабильность 5ив£ = 0,01-5 %;
- коэффициент пульсаций высокого напряжения Кп(ив) = 0,1-1 %;
- режим работы: длительный (8-100 часов и более); повторно-кратковременный; импульсный.
Длительный (непрерывный) режим работы характерен для промышленных рентгенодефектоскопов,
аппаратов для рентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализа, рентгенотерапии. В частности, ВВИП для аппаратов рентгеноспектрального и рентгеноструктурного анализа в основном выполняются на напряжение 40-60 кВ, ток до 100 мА и мощность до 3-5 кВт. Повторно-кратковременный режим используется в рентгенодиагностических аппаратах, у которых мощность при кратковременном включении может достигать 150 кВт и более при напряжениях до 150 кВ и времени экспозиции (снимка) 0,001 -500 с. Импульсный режим работы характерен для аппаратуры промышленной дефектоскопии, исследований высокоскоростных динамических процессов в биофизике, медицине и т. д.
В радиопередающей и радиолокационной аппаратуре источники высокого напряжения применяются для питания СВЧ - электровакуумных приборов (ЭВП) типа клистронов, магнетронов, ламп с бегущей волной и др. В частности, клистрон - такой ЭВП, в котором преобразование постоянного потока электронов в переменный происходит путем модуляции скоростей электронов электрическим полем СВЧ при пролете их сквозь зазор объемного резонатора. Клистроны подразделяются на два класса: пролетные и отражательные. В пролетном клистроне электроны последовательно пролетают сквозь зазоры объемных резонаторов. В простейшем случае есть два резонатора: входной и выходной. Пролетные клистроны, в отличие от отражательных, имеют гораздо более высокий КПД. Они являются основой всех мощных СВЧ-передатчиков когерентных радиосистем. К высоковольтным источникам для питания, в частности, мощным клистронам в передвижных радиолокационных станциях, предъявляются следующие требования [6]:
- мощность - до 30 кВт и более;
- высокое напряжение - ив = 12-25 кВ;
- допустимая общая (суммарная) нестабильность 5ивЕ - не более 1 %;
- допустимый коэффициент пульсаций Кп(ив) - не более 0,0001% (или 10-6).
Такое высокое требование к величине Кп(ив) объясняется тем, что пульсации высокого (анодного) напряжения приводят к нежелательной модуляции амплитуды (амплитудные шумы) и фазы (фазовые
шумы) выходных сигналов передающего устройства. Вместе с тем, в некоторых применениях клистронов в других видах передающей аппаратуры и в установках для физических исследований [7] не требуется выполнения таких высоких требований: вполне допустимы величины коэффициента пульсаций порядка
Кп(и) = 0,01-0,1 %.
Лазеры широко применяются во многих отраслях науки и техники. В промышленности они используются для резки, сварки и пайки деталей из различных материалов. Лазеры применяются в голографии. Известно об их применении и в военных целях, например, в качестве средств наведения и прицеливания. Имеются варианты создания на основе мощных лазеров боевых систем защиты. ВИП в большинстве современных систем питания лазеров (например, гелий-неоновых, твердотельных) обеспечивают напряжение поджига, величина которого выше, чем рабочее напряжение:
- напряжение поджига может составлять от 6-10 до 25 кВ и зависит от различных факторов.
- величина рабочего напряжения лазера обычно менее 1000 В,
- амплитуда рабочего тока - от единиц до сотен ампер при частоте следования импульсов до 500 Гц и длительности 0,05-2 мс.
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. Узлами ВИП, которым уделяется особое внимание являются: инвертор, высоковольтный трансформатор и умножитель напряжения.
Библиографический список
1. Нефедов А. В., Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Т. 1.- М.: ИП РадиоСофт, 2000. - 512 с.: ил.;
2. Костиков В. Г., Никитин И. Е. Источники электропитания высокого напряжения РЭА.- М.: Радио и связь. 1986. - 200с.: ил.;
3. Блинов Н. Н. Рентгеновские питающие устройства. - М.: Энергия. 1980. - 199 с.: ил.;
4. Эраносян С., Ланцов В. Электронные компоненты для мощных импульсных источников питания // Силовая электроника. 2006. № 2;
5. Гинзбург А.И. Критерии статического подобия выпрямителей с емкостной реакцией фильтров // Вопросы радиоэлектроники. Серия XII. Общетехническая. 1965. № 26;
6. Клюев В., Соснин Ф., Авертс В., Болен Р., Меестр П. и др. Рентгенотехника: Справочник в 2-х книгах. Кн.1. - М.: Машиностроение. 1992. - 368 с.;
7. Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: «Три Л», 2000. - 400 с.
ЮДИН АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ - д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой «Электротехника и промышленная электроника» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева (ФГБОУ ВО РГАТУ имени П.А. Соловьева).
ТИХОНОВА МАРГАРИТА ВЛАДИМИРОВНА - магистр второго курса по специальности «Электроэнергетика и электротехника» кафедры «Электротехника и промышленная электроника» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева (ФГБОУ ВО РГАТУ имени П.А. Соловьева).
ЕЛИСЕИЧЕВ ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - начальник сектора гражданской продукции отдела главного конструктора Акционерного общества «Рыбинский завод приборостроения» (АО «РЗП»), доцент по совместительству кафедры «Электротехника и промышленная электроника» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П.А. Соловьева (ФГБОУ ВО РГАТУ имени П.А. Соловьева).
