閃爍瓶法測氡儀的高壓電源電路設(shè)計

劉依楠，李躍忠

（東華理工大學 機械與電子工程學院，江西 撫州 344000）

在一般的核子物理實驗應用中,僅對高壓電路的穩(wěn)定性、過載保護特性、負載能力等一些電特性要求較高,而對它的功耗大小、體積大小、重量則不予注意。但在空間觀測、野外勘探以及便攜式儀器設(shè)備等方面對其高壓供電電路的要求不僅追求電參數(shù)性能,而且對其功耗、重量、體積、可靠性等也有相應的要求。但是,諸多性能都要滿足也難以實現(xiàn)。因為它們之間相互矛盾、相互牽連。本文介紹的高壓電源電路是企圖滿足關(guān)鍵性能方面的要求,例如穩(wěn)定性、可靠性、體積、負載能力。

1 MC34063電路原理

（1）MC34063的結(jié)構(gòu)及特點。MC34063是一單片雙極型線性集成電路(圖1),專用于直流-直流變換器控制部分。片內(nèi)包含有溫度補償帶隙基準源、一個占空比周期控制振蕩器、驅(qū)動器和大電流輸出開關(guān),能輸出1.5 A的開關(guān)電流。能使用最少的外接元件構(gòu)成開關(guān)式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。

它具備如下特點:能在3.0～40 V 的輸入電壓下工作;短路電流限制;低靜態(tài)電流;輸出開關(guān)電流可達1.5 A(無外接三極管);輸出電壓可調(diào);工作振蕩頻率從100 Hz到100 kHz。

圖1 MC34063的引腳及原理框圖

（2）MC34063的工作原理。振蕩器通過恒流源對外接在CT管腳(3腳)上的定時電容不斷地充電和放電以產(chǎn)生振蕩波形。充電和放電電流都是恒定的,振蕩頻率僅取決于外接定時電容的容量。與門的C輸入端在振蕩器對外充電時為高電平,D輸入端在比較器的輸入電平低于閾值電平時為高電平。當C和D輸入端都變成高電平時觸發(fā)器被置為高電平,輸出開關(guān)管導通;反之當振蕩器在放電期間,C輸入端為低電平,觸發(fā)器被復位,使得輸出開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)。電流限制通過檢測連接在VCC和5腳之間電阻上的壓降來完成功能。當檢測到電阻上的電壓降接近超過300mV時,電流限制電路開始工作,這時通過CT管腳(3腳)對定時電容進行快速充電以減少充電時間和輸出開關(guān)管的導通時間,結(jié)果是使得輸出開關(guān)管的關(guān)閉時間延長。

（3）MC34063升壓變換器電路。為了配合整個儀器的電源供電要求，本設(shè)計中使用的12V蓄電池供電，如圖2所示，利用DC-DC轉(zhuǎn)換器MC34063芯片實現(xiàn)13.5V輸出，為高壓產(chǎn)生電路提供工作電壓。

根據(jù)設(shè)計所需要的電壓值進行推導計算,輸出電壓,通過不斷重復的實驗數(shù)據(jù)說明該輸出具有很好的穩(wěn)定性。

2 高壓產(chǎn)生電路

（1）高壓電源變換器。由于本課題是采用閃爍瓶法測氡，光電倍增管需要在-820V的高壓環(huán)境下工作，故要采用雙電源供電，這些高壓的獲取方式和低壓直流電源的獲取方法基本相同，但是它也有它自己的特點。①輸出高壓后，這時就不能從變換器開關(guān)管的集電極輸出，而必須通過升壓變換器將反峰電壓升壓后再經(jīng)四倍壓整流來獲得。②這些高壓是供給閃爍探測器使用的，所以對它的電源穩(wěn)定度要求相當高，必須采用高壓穩(wěn)定電路。變換器中都設(shè)計有穩(wěn)壓控制電路，為減小功耗，穩(wěn)壓電路不可能安排一個專用的取樣電路，而利用光電倍增管的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)作取樣電路，從輸出的高壓直流電中取樣，與基準電壓比較放大后控制變流器的Ib，從而調(diào)整、穩(wěn)定輸出直流電壓。

圖2 MC34063升壓變換器電路

如圖 3 所示，B1,B2 輸入 13.5V， 與 A1、C4、BG5、BG4 兩個晶體管構(gòu)成整個高壓產(chǎn)生電路的供電電源模塊，其中BG4晶體管作為開關(guān)管，電位器A1在整個電路輸出電壓調(diào)節(jié)中起到粗調(diào)的作用。

由 C10、R13、D7、R22組成了過載保護電路，以防止漏感造成的尖峰電壓破壞功率開關(guān)管。當開關(guān)管截止時,高頻變壓器初級線圈電感中會產(chǎn)生一個高壓尖峰,電容或可以緩和該電壓上產(chǎn)生的速度和電壓峰值。

（2）間歇振蕩器。 由 BG8、R14、R15、R16、R21、D5 構(gòu)成了恒流源電路，BG6、BG7、脈沖變壓器T1的集電極繞組Lc和基極繞組Lb組成直流變換器，其中晶體管BG6作為振蕩管，BG7作為開關(guān)管，R17為BG7的偏置，集電極繞組也就是主振繞組，而基極繞組為反饋繞組，電位器A2在整個電路輸出電壓調(diào)節(jié)中起到細調(diào)的作用。脈沖變壓器一般選用鐵氧體磁芯，這種直流變換器將振蕩器、開關(guān)管和儲能電感組合在一起，形成一種間歇振蕩器。它們的工作過程分析如下：①振蕩波形的前沿。接通電源后晶體管BG7導通，出現(xiàn)集電極電流Ic，集電極電壓Vc也開始下降。變化的Ic在電感Lc上產(chǎn)生一個感生電壓U，U又在基極繞組Lb上感應出電壓U1,U1的方向使晶體管BG7基極電位更正，集電極電流進一步增大，形成了一個雪崩式的正反饋過程，過程的結(jié)果使晶體管急劇飽和，Uc近似為0，形成脈沖很陡的前沿。②平頂階段。晶體管飽和后，集電極電流Ic隨時間變化線性增加。E越大，Lc越小，Ic增長的也越快。當Ic增長到臨界飽和值βIb以后，Ic不在增加。在這一瞬間感生電勢為零。U1趨于0導致Ib減小，使晶體管開始退出飽和區(qū)，脈沖平頂階段結(jié)束。③振蕩波形的后沿。平頂階段一結(jié)束，Ic隨著Ib一起減小，于是U1反向，導致Ic、Ib的進一步減小，這就又引起了另一個正反饋過程，反饋的結(jié)果使晶體管BG7迅速截至，形成了振蕩波形極陡的后沿。在這一過程中，由于集電極電流迅速截至為0，Ic的急劇變化在Lc上產(chǎn)生幅度很大的感應電壓。和電源電壓疊加在一起形成幅度可能超過電源電壓幾倍的反沖電壓。④恢復過程晶體管BG7截至后，U1逐漸減小，Ub上升到晶體管導通閘值時，晶體管BG7開始導通，形成第二個振蕩波形的前沿。

（3）倍壓整流電路。 由 C6、C7、C8、C9、D1、D2、D3、D4、R11、C5組成4倍壓全波整流電路。當周期是正半周時，D2、D4導通，D1、D3截止，其中C8、D2組成一路回路形成單項脈沖電流；C9、D4、C7形成一路回路形成單項脈沖電流，再同極性疊加形成單項電流提供給負載R11。當周期是負半周時，D1、D3 導通，D2、D4 截止，其中 C6、D1、C8 組成一路回路形成單項脈沖電流；C9、D3形成一路回路形成單項脈沖電流，再同極性疊加形成單項電流提供給負載R11，C5作為濾波電容。全波整流電路效率高，電源利用率高，輸出電流脈動較小、直流品質(zhì)較好，與半波相比能提供給負載較大更穩(wěn)定的電流。

（4）高壓的獲得。電路利用升壓變壓器T1將反沖電壓升壓，升壓后再經(jīng)過四倍壓整流濾波電路進行倍壓、整流、濾波，從而獲得上千伏的直流負高壓，通過調(diào)節(jié)電位器A1、A2得到需要的-820伏的高壓提供給光電倍增管工作。

3 結(jié)語

圖3 高壓產(chǎn)生電路

高壓電源不僅是在物理實驗、空間物理實驗學科中廣泛被應用，而且在其他領(lǐng)域的電子儀器中也是不可缺少的組成部分，其性能的優(yōu)劣，關(guān)系到實驗的質(zhì)量或電子儀器性能的好壞。

實驗表明，本文設(shè)計的基于閃爍瓶法的便攜式測氡儀的高壓產(chǎn)生電路，無論在效率、體積、重量及成本等方面，還是在調(diào)試、制作、穩(wěn)定性等方面均有較優(yōu)越之處。應用前景更加廣泛。它除了與光電倍增管、電離室、半導體探測器等配合適用于粒子物理、高能物理和核物理實驗外，還適合于高能天體物理觀測，空間探測，野外勘探儀器以及激光和醫(yī)療儀器設(shè)備等。

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