真空壓力傳感器高壓直流電源電路的設(shè)計

王曉麗,甄國涌,汝興海,李輝景

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051)

真空壓力傳感器高壓直流電源電路的設(shè)計

王曉麗,甄國涌*,汝興海,李輝景

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051)

針對潘寧真空計測量真空壓力時高壓直流電源的工作需求,設(shè)計了15 V直流升壓輸出2 kV～2.2 kV的高壓電源電路。該設(shè)計利用電容三點式振蕩電路將直流逆變?yōu)檎也?通過高頻變壓器實現(xiàn)大幅度升壓,對變壓器次級輸出進行倍壓整流,最終得到高壓直流輸出。電路經(jīng)過仿真與實驗測試,實現(xiàn)了高壓輸出,能夠為潘寧真空計提供可靠的工作電壓,完成對真空壓力的測量。

真空壓力;電容三點式;振蕩電路;高壓直流電源;倍壓整流;DC

真空壓力的測量對于研究分析飛行器飛行時的環(huán)境參數(shù)有著重要意義。潘寧真空計由于沒有熱燈絲,清洗維修簡便,密封性能可靠而得到了廣泛引用。因為其工作原理,需要提供高壓直流電源。目前,高壓直流電源已廣泛應(yīng)用于電力、交通、航天等各個領(lǐng)域,在日常生活中對高壓的需求也越來越普遍。因此,高壓直流電源要具有一定的安全性、穩(wěn)定性,同時也應(yīng)具有小型化和可攜帶的特點。本文設(shè)計利用測量系統(tǒng)提供的低壓直流轉(zhuǎn)換為高壓直流,為潘寧真空計提供工作電壓。

1 工作原理分析與實現(xiàn)

1.1 潘寧真空計工作原理

潘寧真空計用于實現(xiàn)中、高真空壓力的測量,有較高測量精度和較好的重復(fù)性。工作時在垂直于陰極平面的方向上加一恒定磁場,約2 kV～2.2 kV直流高壓經(jīng)限流電阻R加到兩電極間。空氣因場致發(fā)射等作用形成初始電離,其正離子在強電場作用下轟擊陰極并發(fā)射二次電子,使電離過程連鎖進行,在很短時間內(nèi)雪崩式地產(chǎn)生大量的電子和離子,這樣就形成了自持氣體放電。用放電電流做為真空度的測量,根據(jù)流經(jīng)電阻R的電流,即可得到真空系統(tǒng)的壓力值。

1.2 高壓電源電路的工作原理與實現(xiàn)

高壓電源電路主要包括4個部分:振蕩電路、變壓器升壓電路、倍壓整流電路以及啟動電路,原理框圖如圖1所示,完整的電路原理圖如圖2所示。利用正弦波振蕩電路無需外界輸入交流信號即可完成直流到交流的逆變過程,用以產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦交流信號。經(jīng)逆變后的交流信號幅值較小,需經(jīng)過高頻變壓器升壓[1]。要得到最終的高壓直流,倍壓整流電路起著非常關(guān)鍵的作用,它不僅可以將交流電壓變換成直流電壓,而且還負(fù)責(zé)將變壓器輸出的電壓通過多個電容和二極管升壓,從而達(dá)到符合要求的電壓幅值。真空計在真空系統(tǒng)壓力大于1 Pa時無需工作,因此需要啟動電路控制其工作狀態(tài)。

圖1 高壓電源電路原理框圖

圖2 高壓電源電路原理圖

2 電路研究與參數(shù)設(shè)計

2.1 振蕩電路

正弦波振蕩器主要由放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)構(gòu)成,具有能量轉(zhuǎn)換功能,可自動地把直流電壓轉(zhuǎn)換成正弦交流電壓,常用的有RC振蕩電路、變壓器反饋式振蕩電路、電容三點式振蕩電路等[2]。電容三點式振蕩電路原理簡單、易于起振、波形輸出好、頻率穩(wěn)定度高,因此選用電容三點式振蕩電路完成直流到交流的逆變過程,電路原理圖如圖3所示。

圖3 電容三點式振蕩電路

電容三點式振蕩電路必須滿足起振和平衡條件,才能建立和維持自激振蕩,得到穩(wěn)定的正弦波信號。

幅值起振條件:

(1)

相位起振條件:

φA+φF=2nπ(n為整數(shù))

(2)

幅值平衡條件:

(3)

相位平衡條件:

φA+φF=2nπ(n為整數(shù))

(4)

放大電路設(shè)計時需設(shè)置合適的靜態(tài)工作點,采用帶旁路電容的射極偏置電路。適當(dāng)提高三極管的靜態(tài)電流可使振蕩電路易于起振和足夠的輸出幅度,并可保證變壓器次級有一定的工作電流;但不宜太大,避免三極管工作范圍進入飽和區(qū)[3]。為了提高電路的穩(wěn)定性、增大集電極電流與電路功率,而又不至于犧牲振幅,設(shè)計集電極電阻RC為100Ω,適當(dāng)增大射極RE的值取為30Ω。

(5)

選頻網(wǎng)絡(luò)決定振蕩的頻率,頻率太低影響后端整流電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間,且電容電感值較大,影響電路體積;同時加重了負(fù)載,減小電路的振幅。為了使整流后的輸出能夠快速達(dá)到穩(wěn)態(tài),設(shè)計采用C1為100 nF,C2為470 nF,電感值4 μH～8 μH。當(dāng)振蕩電路達(dá)到平衡時,根據(jù)式(6)計算振蕩頻率約為196.05 kHz～277.27 kHz。振蕩平衡時,反饋系數(shù)F=C1/C2=0.21,放大倍數(shù)A=C2/C1=4.7。

(6)

反饋電壓取自電容C2,輸出電壓來自電容C1。振蕩平衡時:

UC2=(C2/C1)×UC1

Ui=UC2Uo=UC1

電感兩端電壓UL=UC1+UC2。

振蕩電路的振幅與三極管的功率增益、靜態(tài)工作點、品質(zhì)因數(shù)、反饋量大小等許多參數(shù)有關(guān),沒有特別完整的計算公式,基本在于仿真、實驗和調(diào)試來完成對振幅的設(shè)計。

2.2 變壓器

變壓器利用電磁感應(yīng)原理,將交流電能從初級繞組按匝數(shù)比改變到次級繞組,具有變換電流、電壓和波形的能力。振蕩電路頻率較高,因此選用EE25磁芯結(jié)構(gòu)的小型高頻變壓器作為倍壓整流電路前端的升壓器件。使用變壓器的初級繞組代替振蕩電路中的電感,要求初級繞組電感值在4μH～8μH,這樣適當(dāng)減小振蕩頻率,但增大了振蕩的振幅[4]。根據(jù)已選定振蕩電路參數(shù)估算和仿真,初級繞組電壓峰峰值約為12V,考慮的變壓器的效率、倍壓整流電路的損耗以及所要達(dá)到的電壓要求,設(shè)計變壓器功率10W,初級繞組匝數(shù)為9,匝數(shù)比1∶120,滿足將初級繞組電壓直接升至較大的幅值[5]。

2.3 倍壓整流電路

倍壓整流電路由電容和整流二極管組成,采用在高倍壓電路設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用的沃爾頓倍壓整流電路完成電路設(shè)計。四倍壓整流電路原理圖如圖4所示,其輸出直流電壓為輸入端峰峰值的2倍[6]。當(dāng)初級電壓峰峰值達(dá)到1 100V時,理想情況下直流輸出電壓可達(dá)2 200V。由于倍壓整流電路的實質(zhì)是通過電容的充放電來放大電壓的,因此其最終的輸出電壓波形并不是一條穩(wěn)定的直線,而是輸入端頻率相同的振蕩信號,這種輸出波動電壓的峰峰值稱之為紋波電壓。n級倍壓整流電路紋波電壓與電壓壓降的計算公式如下:

紋波電壓:

(7)

電壓壓降:

(8)

因此在倍壓整流電路設(shè)計中,選擇更大和不同容值的電容,增大負(fù)載可以有效地提高輸出電壓,也可以減小紋波的大小。綜合以上兩式計算考慮,選取兩種電容,第1級101/3kV,第2級222/3kV,選用反向峰值電壓達(dá)4kV的二極管R4000F。倍壓整流電路的負(fù)載采用一大一小分別為50MΩ與160kΩ兩個電阻串聯(lián)構(gòu)成,較大的負(fù)載可以增大倍壓整流電路的輸出,同時這樣通過測量小電阻兩端電壓便可計算出輸出端電壓,解決輸出電壓過大普通儀器無法測量的問題[7]。

圖4 四倍壓整流電路

圖5 振蕩與啟動電路

2.4 啟動電路

潘寧真空計通過電離空氣產(chǎn)生電流測量氣壓。當(dāng)壓強較大時,電離電流較大,電源電路無法提供且可能導(dǎo)致真空計損壞,限制了潘寧真空計測量范圍在1Pa以下。因此設(shè)計開關(guān)電路,當(dāng)檢測到外界氣壓小于1Pa時,啟動升壓電路[8],提供工作電壓,開始高真空的測量。

啟動電路主要采用小內(nèi)阻的開關(guān)MOS管AO3416完成,外部模擬信號經(jīng)選擇開關(guān)ADG706和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7621進入FPGA,由FPGA控制使能信號的高低,MOS管柵極接使能信號,源極接地,漏極接放大管發(fā)射極電阻,原理圖如圖5所示。當(dāng)使能信號輸出高電平時,開關(guān)管導(dǎo)通,放大管發(fā)射極通過射極電阻及開關(guān)管接地,電路工作。開關(guān)管內(nèi)阻較小,放大管射極阻抗基本不變,對振蕩電路輸出幅值影響很小,可以忽略[9]。

3 仿真與實驗驗證

參數(shù)設(shè)計完成后,使用Multisim對電路進行了仿真,結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出電路能夠起振并達(dá)到穩(wěn)定,波形接近正弦波,變壓器次級輸出完成了對初級的升壓。

圖6 電容三點式振蕩電路仿真

生產(chǎn)實際電路進行測試,分析了電路的一些參數(shù)。測試過程中電路的起振及達(dá)到穩(wěn)定的波形如圖7所示。變壓器初級繞組兩端電壓與倍壓整流后的次級線圈輸出電壓波形如圖8和圖9所示。

圖7 電路起振波形

圖8 振蕩平衡時初級線圈電壓測量結(jié)果

圖9 振蕩平衡時次級線圈電壓測量結(jié)果

電路的振蕩過程是由小到大,整流后的輸出電壓隨之變化。隨著正反饋的循環(huán)作用,信號越變越強。但是由于三極管的非線性,放大倍數(shù)受到限制,達(dá)到平衡狀態(tài),振蕩波形保持穩(wěn)定,整流輸出電壓達(dá)到最大值。測試電路的起振時間大約為491ms,能夠較快達(dá)到穩(wěn)定,迅速提供輸出電壓。

變壓器初級電感值6.95μH,計算振蕩頻率約為210.35kHz。使用示波器測量,振蕩電路實際振蕩頻率222.554kHz,與理論計算基本相符。初級繞組電壓值為11.3V,測量160kΩ分壓電阻兩端的電壓為6.35V～7.13V,但還是具有一定的紋波。計算實際電壓為(50 000/160+1)×(6.35～7.13)=1 990.7V～2 235.2V,滿足潘寧真空計的工作需要。

4 結(jié)語

文中提出了一種新的高壓直流電源設(shè)計方法,對電路進行了選型分析和參數(shù)計算,同時進行了仿真和實驗驗證。設(shè)計通過簡單的振蕩、升壓及整流電路完成了DC-DC轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)了升壓功能,電壓輸出穩(wěn)定,響應(yīng)時間短,為潘寧真空計的工作提供了可靠的高壓電源,具有廣闊的應(yīng)用前景,還可為其他高壓電源設(shè)計提供一定的參考。

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The Design of High-Voltage DC Power Supply for Vacuum Pressure Sensor

WANGXiaoli,ZHENGuoyong*,RUXinghai,LIHuijing

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;2. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China)

According to the working requirement of the high voltage DC power supply of the vacuum gauge for measuring the vacuum pressure,the high voltage power supply circuit of the 15 V DC boost output 2.0 kV～2.2 kV is designed. The design uses oscillatory circuit of three-point capacitance to invert sine wave from DC,through the high-frequency transformer to achieve a large boost and voltage-multiplying rectifier of the secondary output voltage of the transformer,and ultimately achieving the high voltage DC output. This circuit has been simulated and tested which can achieve high voltage output and provide a reliable working voltage for the Penning vacuum gauge and complete the measurement of the vacuum pressure.

vacuum pressure;three-point capacitance;oscillatory circuit;high voltage DC power supply;voltage-multiplying rectifier;DC

收稿日期:2016-03-07 修改日期:2016-04-25

C:1210;2830

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.018

TN702

A

1005-9490(2017)02-0351-05