ИНТЕРФЕЙС ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ РАЗНОПОЛЯРНЫМ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ИСТОЧНИКОМ

Интерфейс - это совокупность и структура аппаратных средств для контроля и управления выходным напряжением разнополярного высоковольтного источника (до нескольких сотен тысяч вольт) с однотактным квазирезонансным энергоснабжением [1].
Управляемыми и контролируемыми параметрами высоковольтных источников, использующих технологию квазирезонансного низковольтного энергоснабжения, являются:
- величина и полярность выходного напряжения источника;
- длительность временного интервала и частота его повторения, служащего для управления работой последовательных колебательных контуров, являющихся источниками переменного напряжения для каскадных генераторов (умножителей) высоковольтного источника.
Одним из основных требований, предъявляемых к высоковольтным источникам такого класса, является уровень их эксплуатационной надежности, во многом определяемый составом и структурой аппаратных средств, призванных для контроля и управления.
В качестве прототипа взят интерфейс для контроля и управления биполярного стабилизатора напряжения с регулируемой величиной и полярностью [2]. Данный интерфейс выполнен в стандарте КАМАК и содержит в своем составе устройства для измерения высокого напряжения и тока утечки, стабилизатор выходного напряжения, переключатель полярности на основе электромеханического реле, ступенчатый регулятор напряжения на основе трансформатора с многими отводами (ручной режим - с помощью ступенчатого переключателя и автоматический режим - с помощью шагового искателя, управляемого от компьютера), блок оптронных развязок.
Прототип обладает следующими недостатками.
Данный интерфейс представляет систему с большими габаритами, весом и энергопотреблением. Кроме того, в такой системе не предусмотрена защита от несанкционированного переключения полярности в момент, когда на выходе установки держится высокое напряжение другой полярности и несанкционированной установки высокого напряжения в момент, когда высокое напряжение другой полярности не опустилось до нуля. Ступенчатый регулятор напряжения позволяет устанавливать всего 15 значений напряжения.
Предлагаемое техническое решение позволяет исключить вышеуказанные недостатки, повысить эксплуатационную надежность высоковольтного источника.
Для однозначной установки полярности выходного напряжения питания (при квазирезонансной технологии - для однозначного управления одним из двух ключей, последовательно включенного с соответствующим последовательным контуром, являющимся источником низковольтного переменного напряжения), предпочтительно использовать двухразрядный позиционный код с противофазным состоянием разрядов для установки одной конкретной полярности каждым активным разрядом. В этом случае логическая схема комбинированного (программного либо ручного) управления сменой полярности должна соответствовать следующей таблице истинности.
IN1
IN2
OUT1
OUY2
L
L
L
L
H
H
L
L
H
L
H
L
L
H
L
H
Данная таблица истинности однозначно определяет три состояния управления:
- управление выключено при высоких либо низких логических уровнях двух разрядов на входах IN1 и IN2;
- управление включено только для одной полярности при высоком логическом уровне, например, на входе IN1;
- управление включено только для другой полярности при высоком логическом уровне на входе IN2.
При программном управлении сменой полярности важным является первое состояние управления, аппаратно исключающее неприемлемые для управления полярностью исходные состояния выходного регистра компьютера. В исходном состоянии (например, при включении первичного питания, сеть 220 В) выходной регистр может вырабатывать одновременно все высокие либо все низкие логические уровни. При этом начало работы высоковольтного источника с вырабатыванием выходных напряжений одновременно двух полярностей будет исключено. Перечень стандартных логических микросхем не включает в себя схему, выполняющую селективную функцию для необходимой двухразрядной парафазной кодовой комбинации. Для достижения поставленной задачи логическая схема, удовлетворяющая условиям таблицы истинности, создана в виде кодового селектора.
В ручном режиме аппаратно исключается переключение полярности при выходном напряжении высоковольтного источника, не равным нулю. Для достижения данной цели изменение кодовой комбинации, вырабатываемой на выходе кодового селектора, проинспектировано на предмет совпадения его с ненулевым напряжением на выходе высоковольтного источника. Необходимая схема двухвходового управляемого логического инспектора с защелкой, активной на время существования выходного напряжения высоковольтного источника, может быть создана в соответствии с условиями инспекции при непрерывном контроле однополярного напряжения источника низковольтного энергоснабжения, используемого при квазирезонансной технологии. Величина напряжения этого источника непосредственно определяет величину выходного напряжения (положительной либо отрицательной полярности) высоковольтного источника.
Формирователь последовательности управляющего временного интервала с кварцевым генератором обеспечивает стабильный временной интервал (для вырабатывания стабильного во времени выходного напряжения источника), управляющий работой последовательных колебательных контуров, являющихся источником низковольтного переменного напряжения для каскадных генераторов (умножителей) высоковольтного источника. В этом случае требуемое на практике изменение длительности формируемого временного интервала и частоты его повторения может быть только дискретным и в минимуме равным длительности периода тактовой частоты кварцевого генератора.
Для обеспечения непосредственного управления внешними ключами, последовательно включенными с колебательными контурами - источниками переменных напряжений для каскадных генераторов, вырабатывающих выходное напряжение высоковольтного источника, аппаратные средства интерфейса включают в себя логические элементы, принимающие по одним своим входам временной управляющий интервал, а по другим - логические уровни с двух выходов инспектора напряжения.
Таким образом, для повышения эксплуатационной надежности, т.е. для обеспечения безопасного для высоковольтного источника переключения полярности и установки высокого напряжения, а также для однозначной установки и сохранения технических параметров в процессе эксплуатации предлагаемого интерфейса, в его состав входят: кодовый селектор, управляемый инспектор выходного напряжения источника, кварцевый генератор, кварцованный формирователь управляющей последовательности временного интервала и логические элементы типа 2И.
Структурная схема предлагаемого интерфейса показана на Фиг. 1. Две входные шины 1 и 2, соединенные с двумя входами кодового селектора 3, служат для подключения двух разрядов внешнего выходного регистра компьютера и электрического подключения внешнего ручного органа управления сменой полярности выходного напряжения источника. Одноименными шинами с входными шинами 1 и 2 два выхода кодового селектора 3 соединены с соответствующими двумя входами инспектора 4 выходного напряжения высоковольтного источника, два выхода инспектора соединены с соответствующими входами двух двувходовых логических элементов 5 и 6, другие входы которых объединены между собой и соединены с выходом кварцованного формирователя 7 последовательности управляющего временного интервала, вход этого формирователя соединен с выходом кварцевого генератора 8, входная шина 9 управления инспектором соединена с соответствующим его входом и служит для приема управляющего сигнала, выходные шины 10 и 11 соединены с соответствующими выходами логических элементов 5 и 6 и служат для подключения внешних управляемых ключей, последовательно включенных с соответствующими колебательными контурами, являющимися источниками переменного напряжения для каскадных генераторов (умножителей) высоковольтного источника.
Принцип работы предлагаемого интерфейса заключается в следующем. Из четырех возможных входных кодовых комбинаций на выходе кодового селектора 3 вырабатываются только две кодовые комбинации с парафазными логическими уровнями, соответствующими двум полярностям выходного напряжения высоковольтного источника. Установленная кодовая комбинация на двух входах инспектора 4 выходного напряжения источника на его двух выходах вырабатывается только в том случае, если выходное напряжение высоковольтного источника равно нулю. Логический уровень, указывающий на наличие выходного напряжения высоковольтного источника, принимается по его входной шине 9. При смене кодовой комбинации (смене полярности) и выходном напряжении высоковольтного источника, не равным нулю (человеческий фактор), установленная прежде кодовая комбинация автоматически запоминается до момента уменьшения выходного напряжения высоковольтного источника до нуля (до изменения логического уровня на шине 9). С использованием частоты кварцевого генератора 8 формирователем 7 вырабатывается и непрерывно подается на одноименные входы логических элементов 5 и 6 последовательность управляющего временного интервала, длительность и частота повторения которого однократно устанавливаются вручную в рамках функциональной схемы формирователя. Логические элементы 5 и 6, представляющие собой схемы 2И в положительной логике вырабатывают на своих выходных шинах 10 и 11 управляющие временные интервалы для внешних ключей, последовательно включенных с соответствующими колебательными контурами, являющимися источниками переменного напряжения для каскадных генераторов (умножителей) высоковольтного источника.
Функциональная схема кодового селектора приведена на Фиг. 2. Она включает в себя два логических элемента НЕ 12 и 13 и два логических элемента 2И  14 и 15. Каждая из двух входных шин 1(2) кодового селектора объединена с входом соответствующего логического элемента 12(13) и одним из входов логического элемента 14(15), другие входы логических элементов 14 и 15 соединены с выходами логических элементов 13 и 12 соответственно, выходные шины 16 и 17 кодового селектора соединены с выходами соответствующих логических элементов 14 и 15 и служат для съема выходных логических уровней.
Принцип работы кодового селектора заключается в следующем. В положительной логике кодовый селектор вырабатывает на выходе только две кодовые комбинации с парафазным состоянием логических уровней на выходных шинах 16 и 17.
Функциональная схема инспектора выходного напряжения высоковольтного источника приведена на Фиг. 3. Инспектор включает в себя два общих для инспектора логических элемента 2И-НЕ-1-1 и 2-2, а также два идентичных функциональных узла, каждый из которых содержит RS-триггер 3-1(3-2), логический инверсный элемент 4-1(4-2) и три логических элемента 2И-НЕ-5-1(5-2), 6-1(6-2), 7-1(7-2), две входные шины 16 и 17 инспектора для двухразрядного управления полярностью выходного напряжения источника соединены с одними входами логических элементов 5-1 и 5-2 соответствующих функциональных узлов, выходы этих элементов соединены с входами логических элементов 4-1 и 4-2, а также с одними входами логических элементов 7-1 и 7-2 соответственно, выходы логических элементов 4-1 и 4-2 соединены с одними входами логических элементов 6-1 и 6-2, выходы которых соединены с установочными входами RS-триггеров 3-1 и 3-2, а вторые их входы - с инверсными выходами этих триггеров, выходы логических элементов 7-1 и 7-2 соединены с входами установки нуля RS-триггеров. вторые входы логических элементов 5-1, 5-2, 7-1, 7-2 объединены между собой и соединены с выходом первого общего для инспектора логического элемента 1-1, один вход которого соединен с шиной 9 для приема управляющего сигнала, а второй вход - с выходом второго общего для инспектора логического элемента 2-2, два входа этого элемента соединены с соответствующими выходными шинами 18 и 19 инспектора, соединенными с прямыми выходами RS-триггеров 3-1 и 3-2.
Принцип работы инспектора выходного напряжения высоковольтного источника следующий. В исходном состоянии, когда выходное напряжение высоковольтного источника равно нулю и внешнее контролирующее устройство на шине 9 инспектора вырабатывает низкий логический уровень, входная кодовая комбинация управления полярностью выходного напряжения, установленная на шинах 16 и 17, передается неинверсно (в положительный логике) на соответствующие выходные шины 18 и 19 инспектора с установкой в активное состояние одного из RS-триггеров (3-1 либо 3-2). При высоком управляющем уровне на управляющей шине 9 состояния RS-триггеров запоминаются и не могут быть изменены при изменении кодовой комбинации на входных шинах 16 и 17 до момента снижения выходного напряжения источника до нулевого значения, т.е. когда логический уровень на шине 9 инспектора изменится с высокого на низкий. При спонтанном изменении состояния RS-триггеров, при котором на выходных шинах 18 и 19 инспектора могут одновременно установиться высокие логические уровни, на выходе контролирующего логического элемента 2-2 формируется логический уровень, при котором RS-триггеры устанавливаются в состояние, соответствующее входной кодовой комбинации. Таким образом, приведенная функциональная схема инспектора выходного напряжения высоковольтного источника не допускает изменения полярности этого напряжения при принудительном изменении ее (человеческий фактор) в режиме ручного управления
Функциональная схема формирователя последовательности управляющего временного интервала представлена на Фиг. 4. Она включает в себя группу из K D-триггеров и логическую схему 2И 21, причем K-1 D-триггеров последовательно соединены между собой прямым выходом предыдущего D-триггера с D-входом последующего D-триггера, C-входы всех K D-триггеров объединены между собой и соединены с входной шиной 20 для приема сигнала от внешнего кварцевого генератора, инверсный выход K-го D-триггера соединен с D-входом первого D-триггера и одним из входов логического элемента 21, второй вход которого соединен с прямым выходом первого D-триггера, выход логического элемента 21 соединен с выходной шиной 22 формирователя для передачи управляющего временного интервала.
Принцип работы формирователя последовательности управляющего временного интервала заключается в формировании кварцованного периода периодической частоты, равного
k
k
k
T=2Kt, где t - период частоты внешнего кварцованного генератора, и длительности временного интервала, вырабатываемого на выходной шине 22 и равного t=t(K-1).
Значения T и t могут быть независимо изменены с изменением количества D-триггеров, используемых в соответствии с приведенным соотношениями.
Литература.
1. Патент на полезную модель №129317.
2. Ю.В. Борисов, В.Ф. Ежов, CH. Иванов, В.М. Лобашев, А.П. Серебров. Система для создания электрического поля высокой напряженности с управляемой величиной и полярностью. Препринт ПИЯФ АН СССР №1148, декабрь 1985.