РАЗРАБОТКА ИМПУЛЬСНОГО НАКАЛЬНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

DEVELOPMENT OF A PULSED INCANDESCENT POWER SUPPLY

Kuznetsov Andrey Evgenievich

student, Department of Nanotechnology in Electronics, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты разработки структурной и принципиальной схем импульсного накального источника питания с цифровым управлением. Приведены схемотехнические решения и обоснование выбора элементной базы. Разработанное устройство предназначено для обеспечения стабильного питания цепей накала электровакуумных и электронно-лучевых приборов.

ABSTRACT

The article presents the results of the development of structural and schematic diagrams of a digitally controlled pulsed filament power supply. The circuit design solutions and justification of the choice of the element base are given. The developed device is designed to provide stable power supply to the glow circuits of vacuum and electron beam devices.

Ключевые слова: импульсный источник питания, накальный источник питания, структурная схема, принципиальная схема, двухтактный преобразователь, гальваническая развязка, стабилизация тока.

Keywords: switching power supply, incandescent power supply, block diagram, circuit diagram, push-pull converter, galvanic isolation, current stabilization.

В современных системах вакуумной электроники, измерительной техники и источников ионизации широко применяются электронные приборы, использующие термоэлектронную эмиссию. Эффективность и стабильность работы таких устройств напрямую зависит от качества питания их накальных катодов. Традиционные линейные источники накального тока обладают рядом недостатков — прежде всего, большими габаритами, низким КПД, значительным тепловыделением и ограниченными возможностями по точной регулировке и стабилизации выходных параметров. В условиях современных требований к энергоэффективности, компактности и управляемости электронных систем всё большую актуальность приобретают импульсные источники питания, сочетающие высокую эффективность, КПД и гибкость настройки [1].

Для разработки накального источника питания с цифровым управлением, предназначенного для обеспечения стабильного питания цепей накала за основу взят импульсный блок питания, что позволяет повысить КПД устройства, а также, обеспечить более тонкую регулировку параметров выходного напряжения.

Основными задачами при разработке источника питания являлись обеспечение плавной регулировки напряжения и тока в заданном диапазоне величин, контроль выходных параметров, обеспечение высокой стабильности параметров питания, защита нагрузки от аварийных режимов, а также, создание удобного интерфейса для пользователя. Исходя из этого, была выбрана следующая структурная схема устройства (рис. 1):

Рисунок 1. Структурная схема импульсного накального источника питания с цифровым управлением

В основе устройства формирования тока накала лежит двухполупериодный импульсный источник питания типа push-pull. Раскачка первичных обмоток трансформатора осуществляется при помощи блока раскачки. Выходной ток вторичной обмотки трансформатора определяется напряжением на общем выводе первичных обмоток импульсного трансформатора, которое формируется при помощи блока формирования напряжения. Величина напряжения питания первичной обмотки определяется значением управляющего сигнала с микроконтроллера. Также микроконтроллер осуществляет стабилизацию выходного тока. Чувствительным элементом в цепи стабилизации тока вторичной обмотки является импульсный трансформатор. Управление устройства осуществляется при помощи бортовых устройств ввода-вывода или с внешнего оборудования через интерфейс RS-485. Элементом питания всего устройства является внешний стабилизированный источник питания напряжением 12В. Питание цифровой части схемы формируется при помощи линейного стабилизатора. Гальваническая развязка “горячей” части питания интерфейса осуществляется при помощи  трансформаторного импульсного DC-DC преобразователя [2].

Основные функциональные узлы устройства: блок формирования напряжения первичных обмоток, который представляет собой понижающий импульсный преобразователь, управляемый микроконтроллером, блок раскачки, необходимый для коммутации первичных обмоток трансформатора, реализованный по схеме push-pull. Цепь обратной связи с гальванической трансформаторной развязкой цепи измерения тока накала, представляющая собой выпрямитель с буферным каскадом. Высоковольтная часть устройства находится в вакууме, поэтому, подключение трансформаторов происходит через разъем [3].

Трансформатор типа push-pull, изготовлен из ферритового сердечника ETD29/16/10, имеет две первичные обмотки по по 12 витков, и одну вторичную обмотку с 2 витками.

Измерительный токовый трансформатор, изготовлен на кольцевом сердечнике и имеет одну первичную обмотку с 2-умя витками и одну вторичную обмотку с 6 витками.

В результате, был изготовлен рабочий прототип импульсного источника питания для накала термоэмиссионного катода, оснащенный цифровым управлением. Экспериментальное исследование показало высокую стабильность и возможность регулировки выходного тока в диапазоне от 0А до 3,5А.

Список литературы:

1. Костиков, В. Г. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: учебное пособие / В. Г. Костиков, Е. М. Парфенов, В. А. Шахнов. — Москва: Горячая линия – Телеком, 2001. — 339 с.
2. Гришин, А. Д. проектирование гальванически развязанных DC/DC – преобразователей // Материалы международной научно-практической конференции молодых ученых и обучающихся. — СПбГАУ. — 2021. — № 1 — С. 357-359.
3. Бабурин, М. Компоненты для построения источников питания / М. Бабурин, А. Павленко. — Казань: Открытый мир, 2013. — 96 с.