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

II II II II

Рис. 1.3. Схема двухполупериодного умножителя

т. е. падение напряжения в данной схеме значительно меньше, чем в однофазной. Таким образом, при двухфазной схеме можно полу­ чить более высокое напряжение или более высокое, значение тока нагрузки. Особенно заметны преимущества двухфазной схемы пе­ ред однофазной, в которой приходится применять параллельное соединение конденсаторов и вентилей, при этом переход от парал­ лельного соединения к двухфазной схеме не только приводит к улучшению всех характеристик схемы, но и дает экономию в один конденсатор на каждый каскад. В качестве вентилей могут быть применены как вакуумные, так и полупроводниковые диоды, удов­ летворяющие условиям эксплуатации по максимальному току и допустимому обратному напряжению.

Анализируя вышесказанное, можно сделать вывод, что схемы умножения обладают следующими преимуществами:

а) меньшими габаритами и весом высоковольтных обмоток; бо­ лее простой технологией их изготовления из-за уменьшенного ко­ эффициента трансформации высоковольтного трансформатора,

б) меньшими максимально допустимыми напряжениями, что позволяет применить малогабаритные экономичные вентили, осво­ енные промышленностью;

в) значительно большие токи вентилей позволяют предъявлять менее жесткие требования к их обратным токам.

Недостатками таких схем следует считать:

а) большие габариты умножителя, обусловленные большим количеством элементов;

13

б) невысокая надежность; в) сложность питания цепей накала вакуумных кенотронов.

Характерной особенностью схем умножения является резкий спад внешней характеристики, что отрицательно сказывается на стабильности выходных параметров. Для уменьшения спада, сог­ ласно уравнениям (1— 1) и (1—3), необходимо увеличивать вели­ чины зарядных емкостей, а это ухудшает безопасность работы с выпрямителем и увеличивает габариты устройства в целом. Умень­ шению величины зарядных емкостей без увеличения пульсаций выходного напряжения и уменьшения спада характеристики спо­ собствует повышение рабочей частоты питающей сети /.

§2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТЫ

ИВЫПРЯМЛЕНИЕ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Применяя повышенную частоту питания, можно снизить габа­ риты и вес повышающего трансформатора, так как уменьшаются сечения сердечника магнитопровода и длина проводов' обмотки. При достаточно высокой частоте f трансформатор может быть из­ готовлен и без сердечника.

С увеличением частоты, как это можно видеть из формул (1—1), (1—2), (1—3), уменьшается падение напряжения в схемах умножения, поэтому можно значительно снизить емкость конденса­ торов умножителя, а, следовательно, их габариты и вес.

Необходимо отметить, что для питания схем 'умножения повы­ шенной частотой необходим специальный генератор. Однако стои­ мость конденсаторов с увеличением их емкости растет быстрее, чем стоимость источника переменного тока с увеличением - частоты

[4].

Почти все схемы с повышенной частотой питания строятся по укрупненной блок-схеме (рис. 1. 4). При этом в различных случаях некоторые блоки могут отсутствовать, так, например, в выпускае­ мом отечественной промышленностью аппарате для аэронизации и франклинизации АФ-3 с выходным напряжением до 50 кв при токе до 0,4 ма «отсутствуют блоки. 2, 4, 9, 10. Кроме того, функции не­ скольких блоков могут быть совмещены в одном, например, в том же АФ-3 совмещены блоки 7 и 8.

По блок-схеме, изображенной на рис. 1.4, могут изготовляться высоковольтные установки на значительные мощности, однако, су­ щественное уменьшение габаритов устройств и величин емкостей умножителей и фильтра может быть получено на частотах преоб­ разования свыше 20 кгц. В то же время, получение значительных мощностей высокого напряжения на повышенных частотах в на­ стоящее время ограничено током в нагрузке 1 -4-2 ма. Это связано с тем, что полупроводниковые высоковольтные вентили, эффектив­ но работающие на частотах свыше 20 кгц, в настоящее время про­ мышленностью не выпускаются, а схемы умножения с кенотронами

14

I

при питании от источника повышенной частоты могут приме- * няться при токах нагрузки не более 1ч-2 ма. Увеличение тока на­ грузки тормозится отсутствием соответствующих малогабаритных кенотронов с малым потреблением мощности на накал катодов. Принцип действия схем умножения на высокой частоте почти

не отличается от работы умножителей на промышленной частоте. Однако анализ схем усложняется наличием паразитных парамет­ ров, таких, как индуктивности рассеяния обмоток, межвитковые ем­ кости, емкости вентилей. Эти параметры не позволяют увеличивать частоту преобразования, что необходимо для расширения спектра модулирующих частот в случае модуляции со стороны низкого напряжения. Оптимальное число каскадов умножения будет опре­ деляться как частотой преобразования, так и величинами пара­ зитных емкостей обмотки. В этом случае эквивалентная схема (рис. 1. 2) изменится. Левая вертикальная ветвь, состоящая из ге­ нератора Uni и сопротивления гх преобразуется согласно рис. 1.5;

Напряжение на выходе высоковольтного трансформатора будет зависеть от величины Uх, от соотношения индуктивности рассея­ ния Ls, емкости схемы умножения пк-Сак, собственной емкости, катушки повышающего контура С0 и частоты питающей сети. Для эффективной работы.источника,необходимо работать на резонанс-

э

Рис. 1.5. Эквивалентная схема умножителя напряже­

ния с учетом индуктивности рассеяния обмоток транс­ форматора

ной частоте контура, образованного индуктивностью Ls и емко стями схемы.

В общем случае напряжение 1Cпри резонансе

u ; = u wq ,.

где Q — добротность контура, определяется следующим образом:

так как

П

Со -Ь Сп

то, выражая параметры схемы умножения через аналогичные пара­ метры без умножения напряжения,

тогда выходное напряжение согласно (1—2) определится

16

Рис. 1.6. Внешние характеристики однополупериод-

ных умножителей с учетом индуктивности рассеяния обмоток трансформатора

Анализ выражения (1—4) показывает, что с увеличением числа каскадов умножения выходное напряжение повышается по срав­ нению с однокаскадным, при этом крутизна спада остается преж­ ней лишь при малых токах нагрузки. Это иллюстрирует график, представленный на рис. 1.6. При больших токах нагрузки /0—Ra оказывает возрастающее шунтирующее действие, Q падает и ха­ рактеристики сближаются с асимптотами, построенными при усло­ вии независимости Ls от п„ (на рисунке асимптоты показаны штриховой линией). Таким образом, при малых токах нагрузки может быть некоторый выигрыш в выходном напряжении.

Характеристики умножителя высокочастотного напряжения могут быть значительно улучшены применением пока еще мало распространенной схемы умножения (рис. 1.7). Она представля­ ет собой пк однофазных схем выпрямления, соединенных последова­ тельно по постоянному току.

Падение напряжения в этой схеме умножения можно предста­ вить как AU0= nKMJi,

можно определить по формуле (1— 1)

4-1* + з -1! + 2.1) = Д А г

тогда выходное напряжение определится как

(1 -5 )

17

М 1 N —1 N 1 М j ■ И - | Н

В этом случае падение напряжения по сравнению с обычными схе­ мами умножения уменьшается на величину

Отсюда видно, что эффективность такой схемы умножения значи­ тельно выше, чем у общепринятых.

На рис. 1.8 показаны внешние характеристики для различных схем умножения. Анализ формул (1—4), (1—5), (1—6) и графи­ ков показывает, что применение указанной схемы в большой сте­ пени уменьшает спад внешней характеристики, что позволяет резко уменьшить величину зарядных емкостей. Этот фактор имеет пер­ востепенное значение при создании быстродействующего модули­ рованного генератора высокого напряжения, поэтому при проекти­ ровании такому выпрямительному устройству следует отдать пред­ почтение.

Возрастающее количество обмоток высоковольтного трансфор­ матора в рассматриваемой схеме не может существенно ухудшить его технологические параметры, так. как в этом случае индуктив­ ности рассеяния обмоток уменьшаются. При этом одна обмотка

18

Рис. 1.8. Внешние характеристики умножителей высо­

кого напряжения (сплошные кривые соответствуют ■умножителю, составленному из схем удвоения, штри­ ховые— однополупериодной схеме)

от другой должна быть изолирована только с учетом постоянного напряжения между ними, что в свою очередь облегчает тепловой режим изоляции.

Необходимо отметить, что резонансная частота обмоток тран­ сформатора будет выше; они представят систему -у- сильно свя­

занных контуров, у которых индуктивности L'sn равны половине индуктивности катушки Lsn обычной схемы умножения с одинако­ вым числом каскадов умножения, а емкости вентилей не складыва­ ются, как это было ранее, а присутствуют в контурах раздельно, т. е.

L' = 4rL C'n = i-C o 4" С/г-'

Таким образом, собственная частота повышающего контура может быть увеличена в Кр раз:

Графически эта зависимость изображена на рис. 1. 9. С увеличени­ ем резонансной частоты поднимается быстродействие устройства или повышается напряжение путем увеличения количества витков об­ моток для той же частоты. Заметим, что количество высоковольт­ ных конденсаторов в схеме сведено к минимуму. Указанные преи­ мущества делают схему умножения (рис. 1.7) оптимальной для применения в генераторах регулируемого высокого напряжения.

Для питания'цепей накала выпрямительных ламп можно исполь-

19