ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ УСИЛИТЕЛЕЙ СВЧ НА ЛБВ
SOURCE OF SUPPLY TO MODERATING SYSTEM FOR MICROWAVE AMPLIFIER ON RUNNING-WAVE TUBES

Изобретение относится к области высоковольтных источников электропитания. Источники питания лампы бегущей волны (ЛБВ) - это высоковольтные источники питания (ВИП). Специфика ВИП для ЛБВ связана с особенностями ЛБВ, у которых замедляющая система конструктивно соединена с корпусом, а все питающие напряжения отсчитываются от катода. Катод относительно корпуса имеет отрицательный потенциал. Для мощных ЛБВ - это порядка 10 кВ и более. Требуемый потенциал катода относительно корпуса (-Uзс) вырабатывается источником питания замедляющей системы. От источника питания замедляющей системы требуется высокая стабильность и работа при резких изменениях тока нагрузки. От напряжения замедляющей системы Uзс зависит сдвиг фазы усиливаемого СВЧ сигнала. При включении электронного пучка ток замедляющей системы Iзс изменяется от 0 до нескольких десятков мА (для мощных ЛБВ). Это приводит к снижению Uзс, что в свою очередь ведет к увеличению токооседания на замедляющую систему, т.е. к лавинообразному росту Iзс и срабатыванию защиты. Если не принять мер, уменьшающих провал Uзс в переходном процессе, то в ряде случаев ЛБВ вообще не будет включаться. Выход в повышении быстродействия системы регулирования.
Выходное напряжение высоковольтных источников питания может регулироваться на стороне сетевого напряжения или на стороне выпрямленного высокого напряжения [2].
Высоковольтные стабилизирующие источники питания с регулированием на стороне сетевого напряжения содержат выпрямитель сетевого напряжения, источник опорного напряжения, делитель обратной связи, сравнивающее устройство, вырабатывающее сигнал, пропорциональный разности опорного напряжения и части выходного напряжения, сформированной на выходе делителя обратной связи. Разностный сигнал усиливается и управляет стабилизирующим усилителем мощности, который запитывается от сетевого выпрямителя. Выходное напряжение усилителя мощности преобразуется в переменное напряжение высокой частоты (десятки кГц) и через высокопотенциальный трансформатор гальванической развязки поступает на высокочастотный выпрямитель или умножитель, выход которого и является выходом высоковольтного источника питания. Такие высоковольтные источники питания описаны в [1, 2, 4]. Их преимущество - широкий диапазон регулирования. Недостаток - низкое быстродействие.
Для питания замедляющей системы ЛБВ большой мощности требуются токи на уровне 50 мА при напряжении порядка 10 кВ, т.е. выходная мощность такого стабилизирующего источника питания должна быть рассчитана на 500 Вт. При регулировании столь больших мощностей целесообразно обеспечить высокий КПД регулирования, который обеспечивается при использовании в качестве регулирующего усилителя мощности ШИМ-стабилизатора.
Высоковольтные стабилизирующие источники питания с регулированием на стороне сетевого напряжения содержат инерционные звенья. В том числе выпрямитель с сопутствующим ему фильтром, а в случае использования в качестве регулирующего усилителя ШИМ-стабилизатора еще и фильтрующие звенья 2-го порядка. Эти обстоятельства не позволяют получить высокое быстродействие при высокой точности регулирования и отсутствии автоколебаний.
Гораздо более высоким быстродействием при малых ошибках регулирования обладают высоковольтные стабилизирующие источники питания с регулированием на стороне высокого напряжения. Такое регулирование особенно удобно осуществлять при стабилизации напряжения замедляющей системы ЛБВ, т.к. замедляющая система ЛБВ конструктивно соединена с корпусом.
В этом случае регулятор размещается непосредственно в цепи тока замедляющей системы между положительным полюсом последовательно соединенных гальванически развязанных выпрямителей и корпусом. В качестве регулятора целесообразно использовать высоковольтный полевой транзистор или биполярный транзистор с изолированным затвором. Регулятор управляется усиленным сигналом разности опорного напряжения и сигнала обратной связи с прецизионного делителя выходного напряжения.
Падение напряжения на регуляторе отнимается от выходного напряжения цепи выпрямителей. Так формируется напряжение замедляющей системы (Uзс) [3].
Более подробно с мерами защиты регулятора от перенапряжений высоковольтный стабилизирующий источник питания замедляющей системы описан в статье [4]. Это наиболее близкий аналог предлагаемого технического решения. Он и принят за прототип.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает высокое быстродействие и малую погрешности регулирования напряжения замедляющей системы при широком диапазоне возмущающих воздействий.
Эта задача достигается тем, что источник питания замедляющей системы ЛБВ, содержит последовательно соединенные основной и дополнительный выпрямители, положительный полюс дополнительного выпрямителя через последовательно соединенные регулятор и токоизмерительный резистор соединен с корпусом. Отрицательный полюс основного выпрямителя соединен с катодом ЛБВ и входом делителя обратной связи, выход когорого соединен с одним из входов сравнивающего устройства. На второй вход сравнивающего устройства, подается опорное напряжение. Сигнал с выхода сравнивающего устройства усиливается усилителем разностного сигнала и подается на вход регулятора. Выпрямители запитываются от преобразователя постоянного напряжения в переменное через трансформатор гальванической развязки. Анод высоковольтного диода включен между основным и дополнительным выпрямителями, а катод между регулятором и резистором. Для расширения пределов регулирования введены второй делитель обратной связи, вход которого включен между регулятором и дополнительным выпрямителем, второе сравнивающее устройство, входы которого соединены с выходами второго делителя и второго источника опорного напряжения, усилитель мощности, вход которого соединен с выходом второго сравнивающего устройства через второй усилитель разностного сигнала, а выход - со входом преобразователя постоянного напряжения в переменное.
Таким образом, преимущества быстродействующей системы, взятой за прототип, дополняются преимуществами медленно действующей системы. Обе системы воздействуют на выходное напряжение Uзс. Быстрая система стабилизирует Uзс, а медленная система стабилизирует режим работы регулятора быстрой системы, т.е. напряжение на стоке (коллекторе) регулятора быстрой системы. При этом результат регулирования однозначен. Системы регулирования не мешают друг другу, а дополняют друг друга. Медленная система обеспечивает вывод быстрой системы в заданный режим при разного рода дестабилизирующих воздействиях (уходы сетевого напряжения, перепады тока нагрузки и т.д.). На фиг.1 представлена схема источника питания замедляющей системы ЛБВ взятая за прототип; на фиг.2 представлена схема предлагаемого технического решения; на фиг.3 изображено взаимодействие систем регулирования.
На фиг.1 преобразователь выпрямленного сетевого напряжения 10 через трансформатор гальванической развязки 11 запитывает основной 1 и дополнительный 2 выпрямители, соединенные последовательно. Отрицательный полюс основного выпрямителя соединяется с катодом ЛБВ. Положительный полюс дополнительного выпрямителя через последовательно соединенные регулятор 3 и токоизмерительный резистор 4 соединяется с корпусом. Анод диода 5 включен между основным и дополнительным выпрямителями, а его катод - между регулятором и токоизмерительным резистором.
При таком включении напряжение на регуляторе не может превысить напряжение, вырабатываемое дополнительным выпрямителем, даже при бесконечно большом сопротивлении регулятора, т.к. в этом случае ток нагрузки (между катодом и корпусом) пойдет в обход регулятора через диод 5. Напряжение катода относительно корпуса делится прецизионным делителем 6 до величины, удобной для сравнения с опорным напряжением, вырабатываемым источником опорного напряжения 8. Разностный сигнал с выхода сравнивающего устройства 7 усиливается усилителем разностного сигнала 9 и изменяет сопротивление регулятора 3, обеспечивая стабилизацию напряжения катода относительно корпуса (Uзс).
В описанном контуре регулирования нет существенных инерционных звеньев. Эта система является быстродействующей. Ее недостаток - узкий диапазон регулирования (в пределах возможностей транзисторов, использующихся в качестве регуляторов) и низкий КПД. Потери мощности равны произведению тока нагрузки на падение напряжения на регуляторе. В настоящее время возможный диапазон регулирования не превышает 1,5 кВ, что при Uзс мощных ЛБВ порядка 10 кВ не обеспечивает компенсации дестабилизирующих факторов (уходы питающей сети и почти 100%-ное изменение тока нагрузки при запирании электронного пучка). Поэтому регулирование на стороне высокого напряжения в настоящее время используется для питания лишь маломощных ЛБВ (до 100 Вт СВЧ-мощности).
На фиг.2 источник питания замедляющей системы ЛБВ содержит последовательно соединенные основной 1 и дополнительный 2 выпрямители. Положительный полюс дополнительного выпрямителя через последовательно соединенные регулятор 3 и токоизмерительный резистор 4 соединен с корпусом, а отрицательный полюс основного выпрямителя соединен с катодом ЛБВ и входом делителя обратной связи 6, выход которого соединен со входом сравнивающего устройства 7, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 8, а выход через усилитель разностного сигнала 9 со входом регулятора 3, входы выпрямителей 1 и 2 соединены через трансформатор гальванической развязки 11 с выходом преобразователя постоянного напряжения в переменное 10. Анод высоковольтного диода 5 включен между основным 1 и дополнительным 2 выпрямителями, а катод между регулятором 3 и токоизмерительным резистором 4.
Предложенный высоковольтный стабилизирующий источник питания замедляющей системы ЛБВ отличается тем, что с целью расширения пределов регулирования в него введены второй делитель обратной связи 12, вход которого включен между регулятором и дополнительным выпрямителем, второе сравнивающее устройство 13, входы которого соединены с выходами второго делителя обратной связи 12 и второго источника опорного напряжения 14, усилитель мощности 15, вход которого соединен с выходом второго сравнивающего устройства 13 через второй усилитель разностного сигнала 16, а выход питает преобразователь постоянного напряжения в переменное 10.
Предложенный высоковольтный стабилизирующий источник питания замедляющей системы ЛБВ действует следующим образом. Быстродействующая система стабилизации Uзс по информации с делителя обратной связи 6 с помощью усилителя разностного сигнала 9 и регулятора 3 устанавливает Uзс, соответствующее заданному опорным напряжением 8. При этом может оказаться, что диапазона действия регулятора 3 нехватает, и он уходит в один из крайних режимов (полностью открыт - нулевое сопротивление или закрыт - бесконечно большое сопротивление).
Медленная система регулирования, регулятор которой (усилитель мощности 15) находится относительно трансформатора гальванической развязки на стороне питающей сети, сравнивает второе опорное напряжение с поделенным напряжением на стоке (коллекторе) регулятора 3. Результат сравнения усиливается, подается на усилитель мощности и управляет выходным напряжением выпрямителей, смещая напряжение стока (коллектора) регулятора 3 к заданной величине.
На фиг.3:
Ось абсцисс - суммарное выходное напряжение выпрямителей Uв.
Ось ординат - напряжение на стоке (коллекторе) регулятора 3 Uc.
Umc - максимально возможное напряжение на стоке (коллекторе) регулятора 3. Umc практически равно выходному напряжению дополнительного выпрямителя, что определяется наличием диода 5, который защищает регулятор 3 от перенапряжения.
Uос - заданное напряжение на стоке (коллекторе) регулятора 3.
Uзс - заданное напряжение замедляющей системы.
0
Точка А имеет координаты (Uв-Umc, Umc).
0
Точка В имеет координаты (Uзс, Uoc).
0
Медленно действующая система регулирования меняет Uв, смещая прямую АВ параллельно самой себе вдоль оси Uв. При этом быстродействующая система регулирования перемещает рабочую точку по прямой АВ, сохраняя абсциссу Uзс. Если в исходном состоянии Uв< Uзс (прямая A1B1; Uв=Uв1), то Uc=0 и медленно действующая система будет увеличивать Uв до тех пор, пока рабочая точка В не попадет в точку В. Быстродействующая система регулирования начинает действовать с момента, когда Uв=Uзс, удерживая абсциссу рабочей точки равной Uзс.
0
Если в исходном состоянии Uв-Umc>Uзс (прямая АВ в крайнем правом положении, Uв=Uв4), то Uc=Umc и медленно действующая система регулирования будет уменьшать Uв до тех пор, пока рабочая точка В не попадет в точку В. Быстрая система регулирования в этом случае начнет действовать с момента, когда Uв-Umc=Uзс, удерживая абсциссу рабочей точки равной Uзс.
Таким образом медленно действующая система регулирования приспосабливает (адаптирует) режим регулятора быстродействующей системы регулирования при воздействии значительных дестабилизирующих факторов. Таких, как уходы напряжения питающей сети и резкие перепады тока нагрузки при включении и выключении электронного пучка в ЛБВ.
Источники информации
1. Справочник Березин O.K., Костиков В.Г., Шахнов В.А. «Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры» «ТриЛ», Москва. 2000 г.
2. Владимир Ланцов, Евгений Владимиров «Мощные высоковольтные источники питания» Часть 1 «Силовая электроника» №5, 2010 г.
3. Информационно-рекламный сборник «Новости СВЧ-техники» №1, 2 2000 г.
4. Калистратов Н.А., Коган В.Л., Сорокин Ю.К. «Высоковольтный источник питания ЛБВ» «Электропитание», №4, 2011 г., стр.39-42.