ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ МАГНЕТРОНА
POWER SUPPLY SOURCE FOR MAGNETRON

Настоящее изобретение относится к источнику питания для магнетрона, в частности, но не исключительно, для использования с магнетроном, питающим лампу.
Известно, что магнетроны могут изменять режим неожиданно, то есть они могут неожиданно прекращать генерировать на одной частоте и начинать генерировать на другой. В таких условиях они могут демонстрировать отрицательное полное сопротивление. Это может приводить к разрушительно высокому току. По этой причине известно, что источники питания постоянного/регулируемого напряжения для магнетронов не подходят; для их питания обычно используются источники питания постоянного/регулируемого тока.
Анодные напряжения в магнетронах являются высокими и измерения и анодного напряжения, и анодного тока являются сложными.
В предыдущем источнике питания, изобретенном настоящим изобретателем, измерение и напряжения, подаваемого на преобразователь в источнике питания магнетрона, и тока через преобразователь использовалось вместе с микрокомпьютером, чтобы в реальном режиме обеспечивать управление питанием, подаваемым на магнетрон. Микрокомпьютер был запрограммирован вычислять:
1. Потребляемую мощность,
2. Отличие от желаемой мощности и
3. Различие между различием по мощности и измеренным током.
Этот второй разностный сигнал использовался, чтобы управлять преобразователем. Следует отметить, что эти три шага выполнялись программным обеспечением. Неожиданно этот источник питания по-прежнему страдал от некоторой нестабильности, вызывая ощутимое мерцание света, производимого лампой, питаемой его магнетроном.
Теперь опыт показал, что глаз является чрезвычайно чувствительным к мерцанию света в плазменной лампе, питаемой от магнетрона. Теперь стало ясно, что ограниченная скорость и разрешение нагрузочной способности микропроцессора усугубляли воспринимаемое мерцание. Кроме того, два из входных сигналов микропроцессора, а именно напряжение, прикладываемое к преобразователю, и ток, проводимый через преобразователь, склонны к зашумлению, и считается, что умножение двух зашумленных сигналов вносило свой вклад в неустойчивость.
Простая фильтрация шума из микропроцессора неприемлемо уменьшает время реакции схемы управления и вносит вклад в неустойчивость, принимая во внимание, что может требоваться быстрая реакция на изменившиеся состояния магнетрона. Соответственно, требовался новый подход.
Целью настоящего изобретения является предоставить усовершенствованный источник питания для магнетрона.
В соответствии с изобретением предоставляется источник питания для магнетрона, содержащий:
• источник постоянного напряжения;
• преобразователь для увеличения выходного напряжения источника постоянного напряжения имеет:
• емкостно-индуктивный резонансный контур,
• переключательную схему, приспособленную возбуждать резонансный контур на переменной частоте выше резонансной частоты резонансного контура, управление переменной частотой осуществляется входным управляющим сигналом, чтобы обеспечивать переменное напряжение,
• трансформатор, подключенный к резонансному контуру, для увеличения переменного напряжения,
• выпрямитель для выпрямления увеличенного переменного напряжения в увеличенное постоянное напряжение для приложения к магнетрону;
• средство для измерения тока от источника постоянного напряжения, проходящего через преобразователь;
• микропроцессор, запрограммированный создавать управляющий сигнал, характеризующий желаемую выходную мощность магнетрона; и
• интегральную схему, устроенную в петле обратной связи и приспособленную прилагать управляющий сигнал к переключательной схеме преобразователя в соответствии со сравнением сигнала от средства измерения тока с сигналом от микропроцессора для управления мощностью магнетрона до желаемой мощности.
Предоставление интегральной схемы как дискретного элемента, отдельного от микропроцессора, обеспечивает быстрый контур управления, который не ограничивается скоростью микропроцессора (последний склонен к медлительности вследствие экономических ограничений на его спецификацию). Таким образом, источник питания изобретения по своей сути является более стабильным и обеспечивает освещение, менее склонное к мерцанию.
Хотя может быть предусмотрено, что интегральная схема могла бы быть цифровым устройством, в целях экономии она предпочтительно является аналоговым устройством. В предпочтительном варианте осуществления интегральная схема представляет собой операционный усилитель.
В предпочтительном варианте осуществления операционный усилитель устроен как интегратор с конденсатором обратной связи, при помощи которого его выходное напряжение приспосабливается управлять схемой преобразования напряжения в частоту для управления преобразователем.
Предпочтительно микропроцессор запрограммирован отфильтровывать шум из желаемого сигнала тока преобразователя. В другом случае между микропроцессором и операционным усилителем может предоставляться фильтрующая схема.
В предпочтительных вариантах осуществления переключательная схема приспособлена управлять частотой преобразователя в соответствии с сигналом переменного напряжения, выходящим из операционного усилителя. В таком способе увеличение частоты соответствует уменьшению напряжения возбуждения магнетрона и микроволнового выхода.
В другом случае переключательная схема может быть приспособлена управлять рабочим циклом преобразователя в соответствии с выходом операционного усилителя, в силу чего уменьшение рабочего цикла соответствует уменьшению напряжения возбуждения магнетрона и микроволнового выхода.
В предпочтительных вариантах осуществления преобразователь представляет собой переключатель нулевого напряжения, хотя он мог бы быть переключателем нулевого тока.
Как правило, переключательная схема имеет свой собственный генератор; однако может быть предусмотрено, что она могла бы синхронизироваться от часов в микропроцессоре.
В одном варианте осуществления интегральная схема приспособлена и устроена так, чтобы сравнение было непосредственно между измеренным сигналом тока и желаемым сигналом мощности, интегральная схема присоединяется, чтобы принимать только эти сигналы, благодаря чему ток преобразователя управляется в соответствии с желаемой мощностью, независимой от кратковременных изменений напряжения источника постоянного напряжения. Этот вариант осуществления управляет средней мощностью, чтобы она была постоянной в течение циклов пульсации источника напряжения.
В другом варианте осуществления интегральная схема приспособлена и устроена так, чтобы сравнение было не только между измеренным сигналом тока и сигналом желаемой мощности, но также принимая во внимание кратковременные изменения напряжения источника постоянного напряжения, сигнал, характеризующий напряжение источника напряжения, также подается на интегральную схему, благодаря чему ток преобразователя управляется так, что мощность, проходящая через преобразователь, управляется в соответствии с желаемой мощностью. Этот вариант осуществления управляет константой мгновенной мощности, чтобы она была постоянной в течение циклов пульсации источника напряжения.
Как правило, переключательная схема имеет свой собственный генератор; однако может быть предусмотрено, что она могла бы синхронизироваться от часов в микропроцессоре.
Чтобы помочь пониманию изобретения, теперь будет описан его конкретный вариант осуществления, для примера и со ссылкой на сопутствующие графические материалы, на которых:
Фиг. 1 представляет собой структурную схему прототипа источника питания для магнетрона;
Фиг. 2 представляет собой подобную структурную схему источника питания в соответствии с изобретением;
Фиг. 3 представляет собой более подробную принципиальную схему источника питания, представленного на фиг. 2;
Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение лампы, питаемой магнетроном, имеющим источник питания изобретения;
Фиг. 5 представляет собой принципиальную схему второго варианта осуществления изобретения;
Фиг. 6 представляет собой детальную схему делителя напряжения варианта осуществления, представленного на фиг. 5;
Фиг. 7 представляет собой спектральную диаграмму выхода магнетрона, сравнивающую его у вариантов осуществления, представленных на фиг. 3 и 5; и
Фиг. 8 представляет собой принципиальную схему третьего варианта осуществления изобретения.
Обращаясь в первую очередь к фиг. 1, схематически представляется прототип источника питания, имеющий генератор 1, подключенный, чтобы питать магнетрон 2, и управляемый микропроцессором 3. Усиленное напряжение сети источник 4 постоянного напряжения подает обычно 400 В по линии 5 на генератор 1. Это подает переменный ток на трансформатор 6 и выпрямитель 7, от которого 4000 В постоянного напряжения прикладываются по линии 8 к магнетрону. Генератор, трансформатор и выпрямитель называются «высоковольтным преобразователем». Мощность, подаваемая на магнетрон, измеряется в выражении напряжения на резисторе 9 в замыкании через землю преобразователя. Напряжение характеризует ток в резисторе 9 и пропорционально мощности, подаваемой на магнетрон, при условии постоянного напряжения от источника 4 напряжения. Напряжение на резисторе представляет собой один вход на линии 10 к микропроцессору. Другой вход на линии 11 прикладывает напряжение на линии 5 к микропроцессору. Контрольное значение 12 желаемой мощности устанавливается извне или в качестве ручного ввода в микропроцессор.
Микропроцессор запрограммирован выполнять шаги:
1. Умножение напряжения на линии 5 на ток в резисторе 9, чтобы вычислять мощность, подаваемую на магнетрон, предполагая высокую эффективность;
2. Сравнение расчета потребляемой мощности с желаемой мощностью, а отсюда вычисление тока, который следовало бы потреблять (предполагаемый ток);
3. Сравнение предполагаемого тока с измеренным током и приложение к источнику питания пошагово большего напряжения, чтобы возбуждать преобразователь на более высокой частоте, если ток сильный, или любого пошагово меньшего напряжения, если ток слишком слабый. Следует отметить, что, если преобразователь работает на более высокой частоте, получающееся в результате напряжение на магнетроне падает.
Как уже упомянуто, на практике эта схема оказалась слишком нестабильной для свободной от мерцания работы магнетрона как источника света.
Обращаясь теперь к фиг. 2, источник питания изобретения содержит следующие похожие компоненты, соединенные тем же образом:
• генератор/высоковольтный преобразователь 101;
• магнетрон 102;
• трансформатор 106;
• выпрямитель 107;
• резистор 109.
Микропроцессор 103 также содержится, но работает он совершенно по-другому. Он только делит контрольное значение 112 желаемой мощности на усиленное постоянное напряжение сети на линии 105 и предоставляет сигнал требуемого тока на линии 121, характеризующий желаемый ток через преобразователь 101, чтобы управлять магнетроном на желаемой мощности. Сигнал на линии 121 подается на один вход операционного усилителя 122/EA1. Его другой вход имеет линию 110 к нему от резистора 109, указывающую действительный ток, проходящий через преобразователь. Операционный усилитель подключается как интегрирующий усилитель сигнала ошибки.
Обращаясь теперь к фиг. 3, показывается более полная принципиальная схема источника питания, представленного на фиг. 2. В ее центре находится квазирезонансный генератор 101 высоковольтного преобразователя, имеющий МОП полевые переключательные транзисторы T1,T2. Они переключаются способом, который будет описан ниже, генератором IС1 на интегральной схеме. Катушка индуктивности LI и первичная обмотка трансформатора 106 соединены последовательно и подключены к общей точке транзисторов T1,T2. Конденсаторы C3, C4 завершают последовательный резонансный контур. Катушки индуктивности и конденсаторы определяют резонансную частоту, выше которой работает преобразователь, обычно около 70 кГц, в силу чего он оказывается главным образом индуктивной цепью в отношении находящейся ниже цепи магнетрона. Она содержит четыре диода D3, D4, D5, D6 полумоста и сглаживающие конденсаторы C5, C6, подключенные к вторичной обмотке трансформатора и обеспечивающие магнетрон 102 постоянным током. Отношение обмоток трансформатора составляет 10:1, благодаря чему на магнетрон подается напряжение порядка 4000 В, усиленное постоянное напряжение на линии 105 обычно составляет 400 В.
Характерным признаком схемы преобразователя является то, что, когда транзисторы T1, T2 последовательно по очереди включаются, а затем выключаются, энергия, хранящаяся в катушке индуктивности LI, изменяет полярность напряжения на ней. Это понижает напряжение в общей точке С перед тем, как включается TR2, и поднимает напряжение общей точки перед тем, как включается TR1. Таким образом, переключение происходит при нулевом или близком к нулевому напряжении на транзисторе, который вскоре включится, то есть в режиме ПНН (режим переключения при нулевом напряжении). Это способствует надежности и долговечности.
При высокой частоте переключения (т.е. выше резонансной) напряжение в общей точке между конденсаторами C3,C4 является в значительной мере постоянным у половины напряжения на линии 105, благодаря чему после переключения транзистора ток с линейно-изменяющейся в значительной мере треугольной формой сигнала течет через катушку индуктивности L1. Он передается на трансформатор, а оттуда, в конечном итоге, - на магнетрон.
Понижение частоты до работы ближе к резонансу увеличивает размах напряжения в D от половины напряжения на линии 105 и увеличивает напряжение на магнетроне, его ток и его микроволновый выход.
Ток через преобразователь измеряется на резисторе 109/R1, обычно 100 мОм, и напряжение, характеризующее его, передается через резистор R5 обратной связи, обычно 470 Ом, на один вход 123 операционного усилителя 122. Микропроцессор 103 посредством делителя напряжения R3, R4 получает напряжение с линии 105. Требуемая установка мощности устанавливается ручным вводом 112. Микропроцессор запрограммирован разделять требуемую мощность на линейное напряжение и прикладывать к другому входу 125 операционного усилителя напряжение, характеризующее ток преобразователя, необходимый для указанного магнетрона, через 6 кОм резистор R10. Операционный усилитель имеет интегрирующий конденсатор C7, обычно 470 нФ, последовательно с резистором R9 1МОм. Соотношение резисторов R9, R10 определяет усиление операционного усилителя. Это усиление должно подавлять скачки напряжения сети настолько, насколько это возможно. Усилитель передает интегрированное напряжение, характеризующее требуемую мощность, на схему 126 управления частотой для генератора IC1, которая представляет собой схему преобразования напряжения в частоту, как правило, Texas Instruments IRS2153 or ST Thomson L6569. Схема, содержащая резистор R2 18 кОм, конденсаторы C1, C2, оба 470 пФ, и диоды D1, D2, работает, чтобы управлять частотой преобразователя. Когда выход операционного усилителя равен нулю, конденсатор C1 параллелен C2 и получается самая низкая частота. Это соответствует максимальной мощности магнетрона. С другой стороны, когда выход максимален, диоды совсем не проводят и управление частотой осуществляется одним C2. Подается максимальная частота и минимальная мощность - порядка одной десятой от максимальной. При промежуточных напряжениях C1 имеет промежуточный эффект и управление частотой и мощностью осуществляется соответствующим образом.
Таким образом, магнетрон может быть управляем, чтобы он работал на желаемой мощности, вводимой в микропроцессор. Микропроцессор восприимчив к мерцанию, вызывающему изменения в напряжении на линии 105. Однако сигнал на R10 может быть отфильтрован внутренним образом, программным обеспечением или внешним образом, не показанным RC фильтром. При изменении потребляемой магнетроном мощности, как он может это делать, когда его магниты нагреваются и его сопротивление изменяется, операционный усилитель быстро реагирует на изменение в токе, измеренном на резисторе R1, и регулирует частоту преобразователя и, следовательно, корректирует потребляемую магнетроном мощность независимо от сигнала на линии 125 от микропроцессора.
При этом, если на линии источника напряжения имеется мерцание, мощность магнетрона будет постоянной только при усреднении по периоду мерцания. На линии источника напряжения на самом деле проявляется двойное мерцание частоты вследствие стоимости больших сглаживающих конденсаторов.
Следует отметить, что вышеописанный источник питания особенно подходит для управления LER лампой, питающейся от магнетрона, наподобие описанной в WO 2009/063205. Он позволяет управлять световым выходом лампы по желанию, как и когда потребуется, от низкого уровня для фонового света до полной мощности полного освещения.
Фиг. 4 представляет собой упрощенное представление лампы, возбуждаемой магнетроном. Она имеет прозрачный тигель 201 с клеткой 202 Фарадея. Полость 203 в тигле имеет загрузку 204 возбудимого материала. Магнетрон 205 приспособлен направлять свои микроволны в волновод /переход 206, из которого они выходят по коаксиальному соединению 207 на антенну 208, испускающую их в тигель. Запитывание магнетрона источником 209 питания изобретения заставляет возбудимый материал испускать свет. Именно для этого света источник питания изобретения является преимущественным в том, что избегает мерцания.
Обращаясь теперь к фиг. 5, показывается усовершенствованный высоковольтный преобразователь, также в соответствии с изобретением. Он учитывает не только изменения в токе преобразователя, а следовательно, ток магнетрона, но также пульсации частоты сети или, более конкретно, удвоенные пульсации частоты сети на выходе источника напряжения. Эти пульсации не вызывают воспринимаемого мерцания в свете от LER, но все же приводят к расширению диапазона частот на выходе магнетрона.
Новым на фиг. 5 является включение резистора R6 в виде двух последовательных 1 МОм резисторов от линии источника напряжения до входа 123 операционного усилителя, к которому подключен резистор R5 обратной связи. Резисторы R6-R5 образуют делитель напряжения. Делитель такой, что напряжение на резисторе R5 в значительной мере такое же, что и напряжение на резисторе измерения тока, оба, как правило, порядка 100 мВ, давая 200 мВ на входе операционного усилителя. Фактическое напряжение изменяется как с фактическим током в преобразователе, так и с фактическим напряжением на линии источника напряжения. Будет понятно, что увеличение 200 мВ входа операционного усилителя вследствие увеличения на линии источника напряжения будет эквивалентно увеличению 200 мВ входа операционного усилителя вследствие увеличения тока. Оба увеличивают интегрированное выходное напряжение операционного усилителя с тем результатом, что управляемый ток уменьшается.
Фактическое увеличение входа операционного усилителя вследствие 5% увеличения напряжения источника напряжения будет составлять 5%, поскольку напряжение на резисторе измерения тока является малым по сравнению с напряжением источника напряжения. Также для 5% увеличения тока напряжение на резисторе измерения тока составит 5%. Это добавится к напряжению на входе операционного усилителя. Таким образом, для 5% или другого малого процента увеличения напряжения или тока ток будет уменьшен на тот же процент.
В свою очередь это приводит к 5% или другому малому проценту уменьшения мощности, прикладываемой к магнетрону. Таким образом, устройство действует, чтобы поддерживать мгновенную мощность постоянной. В этом отношении «мгновенная» используется для обозначения того, что мощность поддерживается постоянной, например, в течение всего цикла пульсации напряжения.
Эту операцию математически можно объяснить следующим образом.
Мощность магнетрона представляет собой произведение напряжения U источника напряжения и тока I преобразователя, т.е.
P=U x I.
В выражении единиц напряжения и тока, u и I:
1
2
P=(C x u) x (Cx i)
P=К x (u x i)
При единичном значении u и i эту формулу можно переписать в виде
P=К x (u+i) /2.
Это соотношение остается приблизительно верным для малых изменений напряжения и тока, т.е. для u±δu, i±δi.
Приведенное выше уравнение может быть переписано в виде:
3
4
5
P=K+K x δV+K x δv.
Таким образом, мощность магнетрона может быть представлена как константа плюс другая константа, умноженная на любое отклонение источника фактического напряжения от его нормального значения, плюс другая константа, умноженная на любое отклонение тока от номинального тока. Само отклонение тока может быть представлено напряжением на резисторе измерения тока.
С соответствующими константами и рассматривая только изменения, подаваемые на операционный усилитель, можно увидеть, что делитель напряжения подает сумму двух изменений, напряжения источника напряжения и тока преобразователя на операционный усилитель. Единственное условие состоит в том, что приближение
P=UxI ≈ K x (u+i)/2
выполняется только, если напряжение на R5 приблизительно равно напряжению на Rl. Это выполняется для значений:
U=400 В
R1=0,1 Ом
R5=470 Ом
R6=2 МОм
Эти резисторы показаны на фиг. 6 последовательно, также показывается указание соответствующих напряжений.
Следует отметить, что, поскольку R6 на семь порядков больше по величине, чем Rl, а R5 на четыре порядка больше по величине, любое изменение U, которое создает существенное изменение напряжения на входе операционного усилителя, навряд ли вызовет существенное изменение напряжения на Rl, чье напряжение управляется только током через него. Соответственно, напряжение на Rl добавляется к напряжению на R5 и сумма подается на операционный усилитель.
Будет понятно, что этот способ работы не совсем линейный, но все же обеспечивает существенные усовершенствования. Со ссылкой на фиг. 7 предоставляется седлообразный график ширины спектра частоты генерирования магнетрона. Его частота генерирования зависит от тока через него, это является признаком магнетрона, что он имеет свойство, похожее на свойство диода Зенера, что касается управления напряжением на нем. Таким образом, если ему доступна большая мощность, его ток увеличивается, а его рабочая частота понижается. Там, где в напряжении источника напряжения имеется пульсация, относящаяся к напряжению сети, частота магнетрона изменяется и ширина спектра демонстрирует слабо выраженную седлообразную форму. Напротив, с регулятором мощности в варианте осуществления, представленном на фиг. 5, ширина спектра намного уже и обладает нормальным распределением. Это, в свою очередь, является преимущественным в том, что вызывает меньше помех с сетями связи Bluetooth и т.п.
Обращаясь к фиг. 8, на входе операционного усилителя показывается схема 301 умножения. Эта схема является аналоговым устройством, хотя возможным является и цифровое устройство, и имеет среднюю точку общей точки делителя напряжения R6-R7, приложенную к одному входу, и сигнал напряжения от резистора Rl измерения тока, приложенный к другому входу. Умножитель перемножает эти два сигнала, характеризующие напряжение и ток, чтобы создавать и прикладывать к входу операционного усилителя сигнал, характеризующий мощность магнетрона. Этот вариант осуществления более точен, чем представленный на фиг. 5, но и более дорогой, так как схемы умножения используются мало и, как правило, дороги. Вариант осуществления, представленный на фиг. 5, полагается лучшим, поскольку он достаточно точен и в то же время более дешев.