为高功率回旋管提供工作磁场的稳流源
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第十五届全国电源技术年会论文集为高功率回旋管提供工作磁场的稳流源邓学张冰电子科技大学物理电子学院(6 1 0 0 5 4摘要:本文介绍一种为高功率微波回 旋管提供工作磁场而研制的串 联调整式晶体管的稳流源。该电源的 输出电流0-2 0 0 A 可调;适用于。一 5 0 V 的常规直流电磁线圈。由于采用了低漂移放大器集成组件,并对取样电阻进行冷却和恒温处理,从而使输出电流的稳定度可达到 1 0-0。基本上满足了回 旋管电子枪区、互作用区的 磁场稳定度的 要求。叙词:回 旋 管稳 流,基 准 电 压取 样 电 阻崛 郭运 算 放 大 器1 前言 回 旋管是在上世纪7 0 年代研制出来的一种新型高功率微波真空器件。由于它的功率大,其结构与普通微波管相比,具有简单易于加工的特点。加上在毫米波雷达、通讯、电子战、高功率微波武器、受控热核聚变等方面,有着诱人的应用前景,因此受到国内 外专家及军方广泛的关注。目 前国外已有相应产品可以 提供。而我国自8 0 年代起,也有一些大学和科研院所从事这方面的研制工作。如电子科技大学物理电子学院等,近年来还不断取得了 一系列的 进展。根据回 旋管的工作原理可知,它必需放在合理的磁场分布内才能够正常工作,其轴向磁场大致可分为电子枪区、过渡区、互作用区和收集区,如图1 所示。数;。:。二 2 n f o:工作角频率。K B:系数,要求 K a 工,且 K。的波动 应 在%以 内;:为 电 子 的 静 态 荷 质 比 I-m oB(G)Z(c m)电子枪过渡区 互作用区 收集区 图1 回 旋管轴向磁场分布示意图 电 子从阴极发射出来后,先后经过电子枪区、过渡区、互作用区,最后到达收集区,不同区域内的磁场强度要求是不同的,有的要有一定的平坦度,有的 则要有一定的梯度,以满足电子在磁场中运动要求,但是它们对磁场的稳定度都有很高的要求。特别是高次谐波型(如二次谐波,三次谐波等)回旋管对磁场稳定度的要求就更高了。根据回旋管的工作机理,以互作用区为例,可以 推导出电子在互作用区内对磁场的要求,有公式:R o=带 w-K B 在互作用区内磁场 B o 的变化直接影响电子回旋频率的变化,因 而影响注一 波互作用频率。为了获得回旋管稳定的振荡,对基波回 旋管来讲,要求磁场的稳定度应优于 1%,而对高次谐波回旋管的磁场稳定度,则要求就更高了。目 前用于回旋管磁场有水磁体、超导磁体和普通线圈磁体。前两者优点是体积小,重量轻,稳定性高。但温度对永磁体影响大;使用超导磁体时液氮的费用又太昂贵。而普通电磁线圈,其电流大小可以灵活调节,费用低,因此作为回旋管的实验与教学,仍然具有一定的意义。本文研制的电源就是为线圈提供稳定的电流,从而产生稳定的磁场。因 磁场强度与电流大小有关,线圈通电后会发热,直接影响其阻值的 稳定,所以该电源只能采用稳流型电源。2 高精度稳流电源2.1 串联稳流电源的基本原理(如图2 所示)该电 路采用电流取样方式,把电流信号转换为电压信号,送到放大控制。因 此取样电阻必须与负载串联,方能得到负载的电流信号。从图2 可见,该电 源的电压分配关系是:V m 二V-+V.十V-如果电 流增大,则R;上的消耗功率增大,电源的效率也就变 低。同时电阻 R e 的温度升高,阻值发生变化,不利于电阻的稳定工作。因 此 R;取值不宜过大。我们从选择参考电位上考虑,把地电位选在调整管的发射极。这样,放大器的输出电压的幅度就是调整管的基极一 发射极电压 V 。而与电流源的输出电压无关。因此,这种形式电路适用于能够大范围调整输出电压的稳流电源,同时也可以降低对放大器输出电压幅度的要求,减少制造高输出电压放人器的难度。设放大器的增益为 A,根据图2 可简单分析得到:其中B o:互作用区的轴向磁感应强度;Y:相对论因子;:谐波次、二,(、一、)或 E。一、二 V 5,A4 2 3为高功率回旋管提供工作磁场的稳流源 由 于晶体管在导通时其 攻值大致在0.5 一 0.7 V 左右,如果放 大 器 增 益,一增 益 时,并 忽 略 它 的 漂 移 电 压。则 有 V kA 一。因 此,E。二、=R,-1,故 输 出 电 流 =念 上式表明:当理想状态时,稳流电源的输出电流 1 只与基准电压E:和取样电阻 R,的比 值有关。也就是说,稳流源的电流变化 1 与E e 和R,是密切相关的。例如当电流值为 1 时,由于 E:或 R;的不稳定引起电流产生变化量为 1 时,其中给定电压 E。的不稳定带来的影响是:01 DE aI一 E.而由 采样电阻的漂移带来的 影响是:R,+O R,_,I R E 1 式 A!_ O R R t.一 I R,从 p 1=贷和,1 1=赞式 中 可 看 出,输 出 电 流 的 变 化 受 到基准电 压和取样电阻的影响是成正比的,所以在选择基准电压和取样电阻时必须加以认真考虑。的同相端上的电压。二 E。一V F.假设因某种原因使输出电流增大,则取样电阻R;上的电压 V e 增大,二E e 一V v 的值就下降,使得运算放大器的输出 V e 下降,从而供给达林顿管的基极驱动电 流减少。在放大系数Q 不变的情况下,三极管的集电极电 流与基极电流是满足1=风,如1 6 y,则1 4。从而实现了对电流的自 动调整。相反,如1,4,则在分流器R,上电压 V F 下降,A=E。一V,的值增大,使得运算放大器的输出增大,从而使 几去,导致 1 增大,同 样实现了 对输出电流的自 动调整。3 稳流电路的特殊措施3.1 大功率晶体管的均流措施 由于采用并联调整方式,而每支晶体管的参数往往是不一致的,这样在并联使用时,有可能会出现一支或某几支管子过流,甚至因过流而损坏,损坏后管子退出运行。但稳流电源的总的输出电流是不会减少,这样势必又会加大其他管子的负担 甚TA+R L I I-1 图2 串 联稳流电源的基本原理框图2.2 晶体管稳流电源电路 图3 所示)当电网的三相交流电接人三相交流调压器后,通过控制伺服电机,调整到一定的电压值后,输人到三相A N整流变压器上进行降压。再送到三相桥式整流器上进行整流。整流后的电压又经过L o C o 滤波器,在电容 c o 上得到整流电压 V o,这是一个预稳电压,此电压加在组合串 联调整管和与之申联的磁场线圈上。调节给定电位器,使给定电 压E:加到低漂移运算放大器A的同 相端上,其输出经过射极跟随器(降低输出阻抗,增大输出电流能力)后,送到组合晶体管的驱动级。调整瞥采用达林顿组合形式,第一级采用2 支3 D D 6 一 T 并联,第二级采用2 0 支3 D D 1 1一 T 并联,3 D D 1 1 一 T 的参数是P =3 0 0 W,耐压为1 5 0 V,作为串联调整用时仅能用到其额定参数的1/3,即1 0 0 W左右。如 果管压降 珠二 l o v时,则I =1 0 A。电流调整的过程如下:由 于 V,与给定电压 E。是申联的,所以加在运算放大器人 4 2 4 图3 晶 体管稳流电 流原理框图至会造成其他管子过载而损坏,这种连锁式的过载转移,速度相当快,从而造成整个电源的损害 因此,在并联使用时一定要采用均流措施。我们采用的 均流方法是在每支3 D D 1 1 C 一 T 管的发射极上串联一支0.1 d 2 的锰铜电阻;由于锰铜电阻阻值稳定,同时采用间接水冷,保证其阻值变化不大,也就保证了 均流的效果。大功率管3 D D 6 C 一 T 和3 D D 1 1 C 一 T 也同样采取了间接水冷的措施。3.2 取样电阻R f 的冷却处理 稳流电源工作时,所有电流都要流经取样砒。显然,由于R f是固 定的,流过它的电流大,则其发热就大。因此它的阻值的稳定直接影响稳流电源的稳定度。我们选用精密锰铜片为取样电阻,将其置人油槽中,油槽中有冷却水管进行冷却,也可以 直接将锰铜带置人水箱冷却。根据锰铜材料的电阻一 温度特性可知,这种材料在一个较大的温度范围内,阻值变化非常小。但是对于高稳定度的稳流电 流来讲,要求它的电阻稳定度在1 0-以上。在采用了上面介第十五届全国电源技术年会论文集绍的油浸水冷或者直接水冷办法后,通过控制水流量的大小可以 确保它的温度控制在2 0 的范围内。这样也就保证了它阻值的稳定。3.3 基准电压 E B 由稳流电源的原理分析可知,作为稳流电流给定的基准电压的稳定度是十分重要的。它的稳定性也是直接影响电源的稳定性。因此,我们选用了低噪声且有温度补偿性能的较好的稳压管2 D W 7 型作为基准电源,图4 所示。一 I l l,一:R,R 2V,.Y o uG N D2 1c,当 带C 2C 3 1 C,D W X2 1:、7 f闭环系统,所以 对于运算放大器而言,就不再实行小闭环,而是开环使用,充分利用它的开环增益大的优势。由此,我们选用了集成组件F-O P 3,它有很高的开环增益和很低的温度漂移。4 使用效果 我们采用了 上面介绍的电路,研制了一台2 0 0 A/5 0 V的稳流电 压,在长期工作的情况下,其稳定度优于0.1%。很好地充当了回 旋管的工作磁场的供电电源。5 保护措施 双极性晶体管作为调整元件,如果使用不当或电路中出现故障会使其电 压、电流出现过载,即使不过载,也会因进人二次击穿区 而损坏。因此,其保护措施是必不可少的。为此我们采用了 相应的检测电路,如过流、过压、欠压、冷却断水等故障检测,对晶体管进行了可靠的 保护。图4 精密基准电 压电 路 首先经】.M 7 8 2 4 稳压,再由两支串联的2 D W 7 C 稳压管进行第二次稳压。再将最末一级的稳压管2 D W 7 C,放人一个恒温槽中 稳压,这样其电压稳定度可以达到相当高的精度,约 1 0-1 0-,而未经恒温处理的稳压,则只能达到1 0-左右。为了达到高稳定度,我们对所购买的2 D W 7 C 进行了认真的筛选,并做了通电老化实验。3.4 低漂移运算放大器 运算放大器是实现自 动调节的关键部件,对其要求是增益越大越好,同时,温漂越小越好,由于稳流电源自 身已 形成一个 参考文献 1 廖复疆等,真空电子技术 一 信息装备的心脏 北京:国防工业出版社,1 9 9 9 0 2 童诗白等,模拟电子技术基础 高等教育出版社,1 9 8 5 0 作者简介邓学,男,硕士,讲师。电子科技大学物理电子学院。张冰.男,教授。电子科技大学 物理电 子学院。(上接第4 1 5 页)H i g h 一 F r e q u e n c y O p e ra t e d M e ta l H a l i d e I a m p s ,I E E E P E S C 2 0 0 2,V 由,p p l 1 5 5 一 1 1 印;4 V.V o r p e r ia n a n d S.C u k,A c o m p l e t e D C a n a ly s is o f s e r ie sr e s o n a n t c o n v e r te r,I E E E P E S C 1 9 8 2,p p 8 8 一 1 0 0;5 A.W i t u ls k i a n d R.W.E r ic k s o n,S te a d y 一 s ta t e a n a ly s is o ft h e s e r i e s r e s o n a n t c o m e rt e r ,I E E E T ra n s.o n A F B,N m.1 9 8 5,即 7 9 1 一 7 男;6 曹箫洪,“高强度气体放电灯一 电子镇流器系统的特性和控制方法的 研究”,香港城市大学博士论文,2 0 0 3 年5 月。作者简介 曹箫洪,1 9 7 1 年生,安徽安庆人,香港城市大学博士,现在浙江大学 作博士后,主要研究方向 是高 频功率变 换技术和照明技术。徐德鸿,1 9 6 1 年生,博士生导师,主要研究方向为高频功率变 换技术,基于电力电子的电力品质控制技术(上接第4 1 8 页)随着科技进步和 新技术、新理论的不断完善,内反馈调速这一新技术的应用,将会向着更高性能、更大容量和自 动化、智能化的方向发展。为我国的电机调速事业做出更大贡献 2 刘竟成.交流调速系统.上海:上海交通大学出版社,1 9 8 4.3 张海山,田于田.晶闸管串级调速技术问答.北京:石油工业出版社,1 9 9 3.4 俘纯厚.近代交流调速.北京:冶金工朴出版社.1 9.4 5 1 黄立培,张学民邮电出版社.1 9 9 9.参考文献变 频 器 应 用 技 术 及电 动 机 调 速.北 京:人作 者 简 介 车存仁,男,高 级工程师,1 9 7 0 年毕业于北京工业学院。主 要从事电力电子装里设计。.4 2 5
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