真空压力传感器高压直流电源电路的设计

王晓丽,甄国涌,汝兴海,李辉景

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;2.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051)

真空压力传感器高压直流电源电路的设计

王晓丽,甄国涌*,汝兴海,李辉景

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;2.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051)

针对潘宁真空计测量真空压力时高压直流电源的工作需求,设计了15 V直流升压输出2 kV～2.2 kV的高压电源电路。该设计利用电容三点式振荡电路将直流逆变为正弦波,通过高频变压器实现大幅度升压,对变压器次级输出进行倍压整流,最终得到高压直流输出。电路经过仿真与实验测试,实现了高压输出,能够为潘宁真空计提供可靠的工作电压,完成对真空压力的测量。

真空压力;电容三点式;振荡电路;高压直流电源;倍压整流;DC

真空压力的测量对于研究分析飞行器飞行时的环境参数有着重要意义。潘宁真空计由于没有热灯丝,清洗维修简便,密封性能可靠而得到了广泛引用。因为其工作原理,需要提供高压直流电源。目前,高压直流电源已广泛应用于电力、交通、航天等各个领域,在日常生活中对高压的需求也越来越普遍。因此,高压直流电源要具有一定的安全性、稳定性,同时也应具有小型化和可携带的特点。本文设计利用测量系统提供的低压直流转换为高压直流,为潘宁真空计提供工作电压。

1 工作原理分析与实现

1.1 潘宁真空计工作原理

潘宁真空计用于实现中、高真空压力的测量,有较高测量精度和较好的重复性。工作时在垂直于阴极平面的方向上加一恒定磁场,约2 kV～2.2 kV直流高压经限流电阻R加到两电极间。空气因场致发射等作用形成初始电离,其正离子在强电场作用下轰击阴极并发射二次电子,使电离过程连锁进行,在很短时间内雪崩式地产生大量的电子和离子,这样就形成了自持气体放电。用放电电流做为真空度的测量,根据流经电阻R的电流,即可得到真空系统的压力值。

1.2 高压电源电路的工作原理与实现

高压电源电路主要包括4个部分:振荡电路、变压器升压电路、倍压整流电路以及启动电路,原理框图如图1所示,完整的电路原理图如图2所示。利用正弦波振荡电路无需外界输入交流信号即可完成直流到交流的逆变过程,用以产生一定频率和幅度的正弦交流信号。经逆变后的交流信号幅值较小,需经过高频变压器升压[1]。要得到最终的高压直流,倍压整流电路起着非常关键的作用,它不仅可以将交流电压变换成直流电压,而且还负责将变压器输出的电压通过多个电容和二极管升压,从而达到符合要求的电压幅值。真空计在真空系统压力大于1 Pa时无需工作,因此需要启动电路控制其工作状态。

图1 高压电源电路原理框图

图2 高压电源电路原理图

2 电路研究与参数设计

2.1 振荡电路

正弦波振荡器主要由放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成,具有能量转换功能,可自动地把直流电压转换成正弦交流电压,常用的有RC振荡电路、变压器反馈式振荡电路、电容三点式振荡电路等[2]。电容三点式振荡电路原理简单、易于起振、波形输出好、频率稳定度高,因此选用电容三点式振荡电路完成直流到交流的逆变过程,电路原理图如图3所示。

图3 电容三点式振荡电路

电容三点式振荡电路必须满足起振和平衡条件,才能建立和维持自激振荡,得到稳定的正弦波信号。

幅值起振条件:

(1)

相位起振条件:

φA+φF=2nπ(n为整数)

(2)

幅值平衡条件:

(3)

相位平衡条件:

φA+φF=2nπ(n为整数)

(4)

放大电路设计时需设置合适的静态工作点,采用带旁路电容的射极偏置电路。适当提高三极管的静态电流可使振荡电路易于起振和足够的输出幅度,并可保证变压器次级有一定的工作电流;但不宜太大,避免三极管工作范围进入饱和区[3]。为了提高电路的稳定性、增大集电极电流与电路功率,而又不至于牺牲振幅,设计集电极电阻RC为100Ω,适当增大射极RE的值取为30Ω。

(5)

选频网络决定振荡的频率,频率太低影响后端整流电路达到稳态的时间,且电容电感值较大,影响电路体积;同时加重了负载,减小电路的振幅。为了使整流后的输出能够快速达到稳态,设计采用C1为100 nF,C2为470 nF,电感值4 μH～8 μH。当振荡电路达到平衡时,根据式(6)计算振荡频率约为196.05 kHz～277.27 kHz。振荡平衡时,反馈系数F=C1/C2=0.21,放大倍数A=C2/C1=4.7。

(6)

反馈电压取自电容C2,输出电压来自电容C1。振荡平衡时:

UC2=(C2/C1)×UC1

Ui=UC2Uo=UC1

电感两端电压UL=UC1+UC2。

振荡电路的振幅与三极管的功率增益、静态工作点、品质因数、反馈量大小等许多参数有关,没有特别完整的计算公式,基本在于仿真、实验和调试来完成对振幅的设计。

2.2 变压器

变压器利用电磁感应原理,将交流电能从初级绕组按匝数比改变到次级绕组,具有变换电流、电压和波形的能力。振荡电路频率较高,因此选用EE25磁芯结构的小型高频变压器作为倍压整流电路前端的升压器件。使用变压器的初级绕组代替振荡电路中的电感,要求初级绕组电感值在4μH～8μH,这样适当减小振荡频率,但增大了振荡的振幅[4]。根据已选定振荡电路参数估算和仿真,初级绕组电压峰峰值约为12V,考虑的变压器的效率、倍压整流电路的损耗以及所要达到的电压要求,设计变压器功率10W,初级绕组匝数为9,匝数比1∶120,满足将初级绕组电压直接升至较大的幅值[5]。

2.3 倍压整流电路

倍压整流电路由电容和整流二极管组成,采用在高倍压电路设计中得到了广泛应用的沃尔顿倍压整流电路完成电路设计。四倍压整流电路原理图如图4所示,其输出直流电压为输入端峰峰值的2倍[6]。当初级电压峰峰值达到1 100V时,理想情况下直流输出电压可达2 200V。由于倍压整流电路的实质是通过电容的充放电来放大电压的,因此其最终的输出电压波形并不是一条稳定的直线,而是输入端频率相同的振荡信号,这种输出波动电压的峰峰值称之为纹波电压。n级倍压整流电路纹波电压与电压压降的计算公式如下:

纹波电压:

(7)

电压压降:

(8)

因此在倍压整流电路设计中,选择更大和不同容值的电容,增大负载可以有效地提高输出电压,也可以减小纹波的大小。综合以上两式计算考虑,选取两种电容,第1级101/3kV,第2级222/3kV,选用反向峰值电压达4kV的二极管R4000F。倍压整流电路的负载采用一大一小分别为50MΩ与160kΩ两个电阻串联构成,较大的负载可以增大倍压整流电路的输出,同时这样通过测量小电阻两端电压便可计算出输出端电压,解决输出电压过大普通仪器无法测量的问题[7]。

图4 四倍压整流电路

图5 振荡与启动电路

2.4 启动电路

潘宁真空计通过电离空气产生电流测量气压。当压强较大时,电离电流较大,电源电路无法提供且可能导致真空计损坏,限制了潘宁真空计测量范围在1Pa以下。因此设计开关电路,当检测到外界气压小于1Pa时,启动升压电路[8],提供工作电压,开始高真空的测量。

启动电路主要采用小内阻的开关MOS管AO3416完成,外部模拟信号经选择开关ADG706和模数转换芯片AD7621进入FPGA,由FPGA控制使能信号的高低,MOS管栅极接使能信号,源极接地,漏极接放大管发射极电阻,原理图如图5所示。当使能信号输出高电平时,开关管导通,放大管发射极通过射极电阻及开关管接地,电路工作。开关管内阻较小,放大管射极阻抗基本不变,对振荡电路输出幅值影响很小,可以忽略[9]。

3 仿真与实验验证

参数设计完成后,使用Multisim对电路进行了仿真,结果如图6所示。从图6可以看出电路能够起振并达到稳定,波形接近正弦波,变压器次级输出完成了对初级的升压。

图6 电容三点式振荡电路仿真

生产实际电路进行测试,分析了电路的一些参数。测试过程中电路的起振及达到稳定的波形如图7所示。变压器初级绕组两端电压与倍压整流后的次级线圈输出电压波形如图8和图9所示。

图7 电路起振波形

图8 振荡平衡时初级线圈电压测量结果

图9 振荡平衡时次级线圈电压测量结果

电路的振荡过程是由小到大,整流后的输出电压随之变化。随着正反馈的循环作用,信号越变越强。但是由于三极管的非线性,放大倍数受到限制,达到平衡状态,振荡波形保持稳定,整流输出电压达到最大值。测试电路的起振时间大约为491ms,能够较快达到稳定,迅速提供输出电压。

变压器初级电感值6.95μH,计算振荡频率约为210.35kHz。使用示波器测量,振荡电路实际振荡频率222.554kHz,与理论计算基本相符。初级绕组电压值为11.3V,测量160kΩ分压电阻两端的电压为6.35V～7.13V,但还是具有一定的纹波。计算实际电压为(50 000/160+1)×(6.35～7.13)=1 990.7V～2 235.2V,满足潘宁真空计的工作需要。

4 结语

文中提出了一种新的高压直流电源设计方法,对电路进行了选型分析和参数计算,同时进行了仿真和实验验证。设计通过简单的振荡、升压及整流电路完成了DC-DC转换,实现了升压功能,电压输出稳定,响应时间短,为潘宁真空计的工作提供了可靠的高压电源,具有广阔的应用前景,还可为其他高压电源设计提供一定的参考。

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[6] 陈翔,王丛岭,杨平. 倍压整流电路参数分析与设计[J]. 科学技术与工程,2012,12(29):7733-7734.

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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