Файл: Медников, В. А. Высоковольтные модулированные униполярные генераторы.pdf

Г лава ч е т в е р т а я

СТАТИЧЕСКИЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛИРОВАННЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Статические и динамические характеристики модулированных генераторов высокого напряжения наиболее полно раскрывают возможности устройства, целесообразность их применения в техно-, логических процессах, системах, физических экспериментах.

Наиболее важными из статических характеристик являются диапазон выходных напряжений, токов и допустимых мощностей, стабильность выходных параметров при изменении внешних усло­ вий.

' К динамическим характеристикам следует отнести точность воспроизведения формы модулирующего напряжения, спектр мо­ дулирующих частот, запас устойчивости по амплитуде и фазе сиг­ нала. Статические и динамические параметры модулированного генератора униполярного напряжения определяются структурой и работой всех блоков и систем в целом.

§ 1. ДИАПАЗОН РЕГУЛИРУЕМЫХ НАПРЯЖЕНИИ

Диапазон регулируемых напряжений и токов определяется принципом работы самой схемы источника и конструкцией высоко­ вольтных выходных каскадов. Дополнительное ограничение на выходной ток обусловливается допустимой мощнортью в нагрузке, определяемой максимальным током в цепях электродов импульс­ ного усилителя мощности. Глубокая обратная связь трансформи­ рует внешние характеристики разомкнутой системы, но в преде­ лах вышесказанных ограничений.

При работе прибора в качестве источника стабилизированно­ го высокого напряжения можно построить его внешнюю характе­ ристику (рис. 4.1). На рисунке заштрихована зона допустимых величин токов и напряжений. По краям рабочая зона ограничена внешней характеристикой разомкнутой системы, а в средней ча­ сти — допустимой мощностью, отдаваемой источником. Линия защиты от перегрузок на рис. 4.1 обозначена штрихами.

104

Рис. 4.1. Внешняя характеристика модулированного источ­ ника высокого напряжения в статическом режиме

На том же рисунке штриховыми горизонтальными линиями по­ казана внешняя характеристика высоковольтного источника с замкнутой системой обратной связи в режиме стабилизации напря­ жения. Наклон этих прямых характеризует внутреннее сопротив­ ление источника в динамическом режиме. Вертикальные штрихо­ вые линии характеризуют работу источника в режиме стабилиза­ ции тока.

Такая универсальность прибора, позволяющая работать в ре­ жиме стабилизации как тока, так и напряжения, делает его при­

Максимальное напряжение источника может быть определено в режиме холостого хода и отах=Пк U \—AU0, где AU0 обусловле­

на потерями в насыщенных транзисторах, выходных трансформа­ торах, вентилях выпрямителей и фильтре. По своей величине AU0 не превышает нескольких киловольт.

Минимальное выходное напряжение определяется работоспо­ собностью схемы измерения и сравнения при малых напряжениях.

Так как выходное напряжение со схемы измерения не может быть получено менее 0,4 в, то с учетом нестабильности других элементов, минимальное управляемое выходное напряжение опре­

деляется величиной порядка 2,5 кв.

Таким образом, диапазон выходных напряжений Н0= 2,5-1-50 кв; при токе 20-4-1,5 ма соответственно (при малых напряжениях большие токи и наоборот).

§ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА СТАБИЛИЗАЦИИ И ТОЧНОСТИ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ МЕДЛЕННО МЕНЯЮЩЕГОСЯ СИГНАЛА

Модулированный источник по существу является автоматиче­ ским регулятором, который управляет мгновенными значениями напряжений обратной связи Uос по мгновенным значениям входно­ го напряжения UBх. Для определения статических, параметров прибора рассмотрим его упрощенную схему (рис. 4.2).

Предположим, что Пвх увеличивается на некоторую величину, тогда увеличивается напряжение рассогласования Up и напряже­ ние обратной связи, а следовательно, и, выходное напряжение UвыхТак как UV= U SX— $UBых, то Uv уменьшается. Уменьшение и р будет происходить до тех пор, пока в схеме не наступит равно­ весие, при котором все напряжения будут пропорционально уве­ личены по сравнению с прежними значениями. При дораточно большом i(0Рос имеет место неравенство

Если Uвх непрерывно изменяется, то напряжение обратной свя­ зи также изменяется, т. е. £У0С повторяет t/BX. В этом случае уси­ литель с коэффициентом передачи Ко работает в качестве нульиндикатора, который обнаруживает и усиливает отклонения на­

' Л :

Рис. 4.2. Упрощенная схема модулированного источника высокого напряжения

106

исправляет эти отклонения. Чем больше Л'оРос, тем точнее регули­ рование. Абсолютный коэффициент стабилизации h можно найти из формулы

Выходное сопротивление определится

в1 —РосА'о

Анализ схемы источника показывает, что

Коэффициент передачи петли обратной связи

Рос = - 2 - 1 0 - 4.

Для (4—1) имеем

Z b = 1 —рос к 0 = ~2л ¥ = 103 о м = 1 к о м "

Такая величина выходного сопротивления обеспечивает малый на­ клон нагрузочных кривых и слабую зависимость формы выходно­ го сигнала от нагрузки.

Точность воспроизведения модулирующего сигнала зависит от стабильности параметров элементов схемы и коэффициента усиле­ ния.

Определим величину нестабильности при изменении коэффици­ ента усиления прямой цепи. Полагая, что все величины вещест­

При изменении температуры окружающей среды коэффициент усиления транзисторов изменяется. Если принять, что максималь­ ная величина коэффициента усиления равна двум, то нестабиль­ ность коэффициента передачи модулированного генератора высо­ кого напряжения равна 0,4 -10—3. Однако точность воспроизведе­ ния модулирующего сигнала ограничена погрешностью схемы из­ мерения высокого напряжения уп, которая не превышает 1 %.

§ 3. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА СИСТЕМЫ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ

Для нормального функционирования прибора необходимо иметь достаточный запас устойчивости, чтобы обеспечить высо­ кое качество регулирования [46].

5* 107

Л Х

Рис. 4.3. Упрощенная функциональная схема мо­

дулированного источника высокого напряжения

Анализ производится после составления структурной схемы прибора по функциональной. Упрощенная функциональная ' схема представлена на рис. 4.3.

Для составления структурной схемы выделим динамические звенья, описываемые определенными передаточными функциями.

Входной и выходной сигналы могут иметь различную физиче­ скую природу. Динамические свойства системы должны обладать

108

Рис. 4.4. Структурная схема широтно­

импульсного модулятора

Рис. 4.5. Форма напряжения на выходе импульс­

ного усилителя мощности

Рис. 4.6. Структурная схема импульсно­

го усилителя мощности

Рис. 4.7. Функциональное звено передаточной функции

высоковольтного трансформатора