TPS系列测试电源技术的新发展*

李之彬

(中国计量科学研究院，北京 100013)



TPS系列测试电源技术的新发展*

李之彬

(中国计量科学研究院，北京 100013)

TPS系列测试电源是专门为计量检定和精密测试而研制的特种电源。该电源自2002年以来经过不断发展先后推出十多个新品种，本文介绍这些测试电源的主要特点，关键技术和发展过程。

测试电源；电子管脉冲放大器；高频功率

0 引言

在计量检定所惯用的比较法中，往往需用一台高稳定性的电源对标准量和被测量同时供电。这种测试电源在直流领域比较成熟，在技术上也达到足以满足当代科学技术的高难度要求。然而，交流测试电源的情况比较复杂，它不但要求输出量具有高稳定度，还对波形失真度、频率、相位、乃至输出功率等项指标提出较高要求。为此，我们进行了这方面的研发工作，研制的TPS系列精密测试电源(Test Power Supply，以下简称TPS测试电源)是专门用于计量检定和精密测试的特种电源。自从1985年我们提出测试电源这一概念，并着手研制第一代产品，直到2002年为止，已经推出三十多个品种的产品。近十年来，又有进一步的发展。

1 TPS测试电源近年来研发的品种及特点

自2003年到2014年里，TPS系列又进一步研发出15个品种，其型号和主要性能如表1所示。

上述TPS系列精密测试电源具有如下特点：

1)频率扩展到1MHz。TPS系列电源的工作频率最开始为工频，后来扩展到音频,现在已经达到1MHz。

2)输出电压提高到3000V。TPS系列电源始于磁性材料测量，输出电压200V足够，后来随着用户的需要，逐步扩展到交流1200V，直流±3000V。

3)补偿式方法提高输出功率到3kW。直接放大方式可以输出比较大的输出功率，但是由于效率的低下，使得整机的体积和重量很大。利用输出补偿方式，能够将输出功率提高近10倍，即以300VA的补偿功率实现输出3kW。

4)电子管的特殊应用。自半个世纪以来，电子管逐步被半导体器件所取代，甚至被认为已经绝迹，其实这是个误区，如今在某些行业和设备中，电子管仍然是放大器的主力器件。电子管工作电压远高于半导体，而且爆发力特别强，在某些特种脉冲放大器中成为唯一可用器件。

5)智能化，模块化。TPS系列测试电源的信号发生器、输出量的设置和控制、保护报警等控制和显示等功能，在八十年代已模拟方式为主，面板上设置很多旋钮和表头或发光管显示器件。随着数字化的快速发展，TPS测试电源采用最新型的触摸屏，将多种输出量的设置和显示简化到一块触摸屏上，而且实现模拟式难以实现的复杂控制功能，例如对于多种输出量的多段式保护功能。

最新研制出功率放大器已经实现按照输出功率制作成功率模块结构，它可以根据用户的需要十分方便地进行叠加而扩展输出功率。鉴于篇幅所限，本文主要介绍其中两种测试电源。

2 除颤脉冲测试电源

除颤测试电源是为医疗课题除颤脉冲源校准课题研制的特种测试电源，是由AMP-2/45放大器与任意波形发生器组合组成。为提供标准脉冲信号，对于该放大器提出的特殊要求除必须是具有足够带宽和直流放大器之外，对50Ω负载电阻，在10ms内发出峰值电流为45A，其要求放大器能够瞬间输出的峰值电压2250V，折合100kW功率，即要求放大器具有输出高电压和大功率的能力。实践证明，只有使用电子管才能胜任脉冲放大器中的关键放大器件。

表1 TPS系列精密测试电源

*除11的特殊情况之外，输出电压或电流的稳定度均优于0.01%/3min

对比现代的半导体器件与早期的电真空(电子管)器件，两者具有的特点如表2所示。

AMP-2/45放大器的控制部分采用半导体电路，以获得必要的精度，而功率放大部分为电子管群，从而能够实现高电压和高功率输出。该放大器的框图如图1所示。

表2

参 数类 型半导体器件电真空器件(电子管)工作电压低(几伏-几百伏)高(几十伏-几千伏)工作电流大(最高几千安)低(最高几安)过载能力(爆发力)弱强控制方式极丰富,极方便类型较少控制精度高低

图1 以AMP-2/45放大器为核心的除颤测试电源的框图

3 LM-1T大型电磁铁稳场直流恒流源

LM-1T是专门为电感量约为几十亨利的大型电磁铁制作的恒流源。该种恒流源的难点在于：过大的感性负荷“惯性”极大，增加了调节难度；输出高达±3000V ±1A 3000W，因而对于调整管的合理选择和使用提出一些特殊要求。笔者曾选用电子管，经实践证明该方案可行，但是体积大，结构复杂，且寿命有限，后改用晶体管群。

该恒流源的主要特点在于：1)为降低调整管的压降和功耗，直流供电电源采用随动供电，使得调整管的压降不超过200V，功耗不超过200W；2)直流基准源采用极高稳定度的8位半数字表3458A使用的LTZ1000，其温漂小于0.05×10-6/℃；3)强感性的电磁铁负载对于电流调节电压具有强烈的“反弹”作用，为此，输出电流的调节速度必须做出合理控制；4)为方便操作者，采用优质电位器组和数字按键调节输出电流的两种调节方式。LM-1T恒流源的简化原理框图如图2所示。

图2 LM-1T大型电磁铁稳场直流恒流源原理框图

图2中，升压变压器和LC滤波器为普通单相升压滤波电路，调整管的集电极-发射极或电子管的屏级-阴极压降利用检测电路和电机控制电路，用于控制伺服马达的正反向转动，从而改变电动调压器的输出电压，自动保持调整管的压降在20～200V的安全区之内。

4 结语

历经十几年发展的TPS测试电源在多个部门和多个领域中获得比较广泛的应用。为满足计量测试的更高要求，TPS测试电源将在以下方面进行提高和发展：将工作频率提高到5MHz以上；为医学测量仪器溯源课题制功能更加丰富的特种测试电源。

[1] 李之彬.TPS系列测试电源技术和发展.电测与仪表，2002(6)

[2] Yulian M.0.1V to 1000V AC Voltage Standard in the Frequency Range of 10Hz to 30MHz.CPEM DIGEST 2010，P80-81

[3] E Mohns.An Audio Frequency Multiplier with Planar Thermal Converters for Power Measurements.CPEM DIGEST2008，P80-81

[4] 贾建革.除颤释放能量溯源方法的研究.中国医疗设备，2014，29(6)

[5] W.Tang.The Effects of Biphasic Waveform Design on Post-resuscitation Myocardial Fuction.Jam Coll Cdrdiol, 2004，Vol43，P1228-1235

*课题项目：国家科技支撑计划项目(2001BAI02B04)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.11.03