Расчет высоковольтного усилителя напряжения по методике академика Власова В.В.

 

2. Техническое задание

2.1 Мощность источника на выходе на высокой стороне Р=17 Вт

2.2 Высокое выходное напряжение в нагрузке Uвых=8 кВ

2.3 Число ступеней умножения n=3

2.4 Рабочая частота f=6250 Гц

3. Расчет усилителя

3.1 Выходной ток в нагрузке

 

Iвых = Р/Uвых = 17/ 8000 = 2,125.10^-3 А, (1)

 

3.2 По числу каскадов умножения определяем требуемое напряжение высоковольтного трансформатора:

 

Uт = Uвых/n = 8000/ 3 = 2 666 В, (2)

 

3.3 Поскольку предполагается использование стандартного высоковольтного трансформатора, то в качестве базовых выбираем параметры трансформатора выходной строчной развертки ТВС-90ЛЦ2-1. Его паспортные данные: Ртр=110 Вт, Uтр=4,5кВ, fраб=6250 Гц, Lтр=1,68Гн.

3.4 Количество последовательно включенных по вторичной обмотке высоковольтных трансформаторов:

 

Nтр = Uт/Uтр = 2,666 кВ/4,5 кВ = 0,59 (3)

 

Принимаем Nтр=1.

3.5 Таким образом, будем считать, что последовательно включенных трансформаторов в схеме три, и на каждом из них необходимо иметь истинное выходное напряжение равное

 

Uист = Uт/Nтр = 2,666 кВ/1 =2,666 кВ, (4)

 

На каждом из последовательно включенных трансформаторов включается умножитель напряжения с числом каскадов равным 2.

3.6. Вычисляем емкости каждого умножителя напряжения в согласованном режиме. Будем считать, что трансформатор ТВС-90ЛЦ2-1 пока работает один на один каскад умножителя напряжения.

 

Сi = 2^n+1-i / 4 ²f²Lтр, (5)

 

где n - число каскадов, i - порядковый номер конденсатора.

Примечание: С₁ = С₂.

 

С₁ = С₂ = 2^3+1-1/4´ ²´ 6250²´ 1,68 =

=2^3/2,589´10⁹= 3090´10^-12 Ф, (6)

С₃ = 1545´10^-12 Ф,

Полученное значение емкости конденсаторов составляют так называемую верхнюю границу вилки емкостей умножителя напряжения.

3.7. Рассчитаем требуемую мощность трансформаторного блока, питающего умножитель напряжения в согласованном режиме.

 

Ртр = (Uист) ²´С1´f´ (27,6 - 6´2^{3-n -} 1,2 (0,25) (^{n - 1) /2}) =

= (2666) ²´3090´10^-12´6250´ (27,6 - 6.20 - 2,52´ 0,25²) =

=2924 Вт

 

Поскольку мощность блочного трансформатора значительна превышает мощность выбранного ТВС-90ЛЦ2-1 согласованный режимы принципиального технико-экономически расточителен и от него за счет понижения емкости конденсаторов.

3.8. Посчитаем КПД использования блочного трансформатора при питании умножителя напряжения;

 

=0,04

 

Полученное КПД отражает долю мощности блочного трансформатора, который поступает через него в нагрузку;

3.9. Посчитаем мощность каждого трансформаторного блока по формуле

 

Ртр бл=P/Nтр=17/1=17 Вт

 

3.10. Рассчитаем мощность каждого блочного трансформатора

 

Pбл=Pтр бл/ =17/0,035=485,7 Вт

 

Поскольку мощность выбранного трансформатора 110 Вт, то одного трансформатора мало. Вывод:

либо выбирать другой питающий трансформатор;

либо параллельно включать несколько трансформаторов.

Выбираем второй путь.

3.11 Считаем количество трансформаторов в каждом блоке

 

n_{тр твс}= Pбл/Pтр=4,41

Выбираем n_{тр твс}=5.

 

3.12. Посчитаем мощность накачки от конвертора низковольтного в каждом трансформаторе блока по формуле

 

Ртр инд=Р бл/ n_{тр твс}=485,7/ 5=97,14 Вт

 

Поскольку получили мощность меньше 110 Вт, исходя из рекомендаций в качестве генератора накачки, выбираем мультивибратор Ройра.

3.13. На расчетную блочную мощность посчитаем мощность умножителя напряжения

 

С₁= Ртр инд /U² ист´f (27,6-6´ 2^3-n-1.2´ 0.25 ^{(n-1) /2}) =513,3´10^-12 Ф,

С₁ = С₂ (6)

С₃ = 256,65´10^-12 Ф,

 

Полученные значения емкостей соответствуют блочной мощности трансформатора, но не в чисто согласованном режиме, а с уходом от него и составляют нижнюю границу значений емкостей. Согласованный режим:

С₁=С₂=3090 пФ>C₁=C₂>513,3пФ;

С₃=1545 пФ>C₃>256,65 пФ;

 

Поскольку определяющим фактором является мощность блока трансформаторов, то выбираем правое значение вилки, но поскольку номиналы не стандартны, конденсаторы набираются в виде батарей последовательно-параллелельно включенных стандартных конденсаторов.

3.14 Набираем батарею конденсаторов.

Выбираем емкость типа К15-4 с номинальным напряжением

 

Uс >= 2´Uтр = 6,00 кВ,

 

Набираем батареи конденсаторов:

 

С₁₁=250 пФ, C₁₂=250 пФ, С₁₃=15 пФ.

С₂₁=250 пФ, С₂₂=55 пФ.

 

15. Выбираем высоковольтные диоды для умножителя напряжения по двум параметрам:

прямой ток по формуле

 

,

пробойное напряжение Uобр >= 2´Uист = 2´2666 = 5332 В.

 

Исходя из справочных материалов выбираем Д1007 в сухом исполнении с параметрамиUобр=8 кВ, I=30 А

Высоковольтный усилитель напряжения.