CN102323843A - 用于驱动加工铌硅合金的阴极电源的三相干式磁性调压器驱动装置 - Google Patents
用于驱动加工铌硅合金的阴极电源的三相干式磁性调压器驱动装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于驱动加工铌硅合金的阴极电源的三相干式磁性调压器驱动装置。该驱动装置以基准控制电压信号模块产生所需的标准电压信号，经控制电压运算放大器模块进行反相放大。通过控制电压调节电位器调节幅度后，驱动运算放大器将调节后的电压信号以及电流反馈信号进行运算处理和功率放大，驱动和控制驱动功率放大器。驱动功率放大器通过控制调压器线圈的电流大小改变三相干式变压器的磁通量，以调节阴极电源输出功率。经实验表明该驱动加工铌硅合金的阴极电源的三相干式磁性调压器驱动装置使得阴极电源输出具有平滑的可控有载无级调压特性，运行可靠，高频噪声低。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用电子束曝光机进行靶材加工用的阴极电源，更特别地说，是指一种用于驱动加工铌硅合金的阴极电源的三相干式磁性调压器驱动装置。
背景技术
电子束曝光系统是一个集电子光学、精密机械、自动控制、超高真空等技术为一体的高性能的复杂系统，它的受控制量类型多，控制范围广，精度要求高。因此，它要求控制计算机具有存储大量图形数据、实时响应、高可靠性、长时间连续稳定工作、实现综合控制的功能。
顾文琪主编的《电子束曝光微纳加工技术》一书的“第二章电子束曝光机中的电子光学系统”中介绍了，电子显微镜问世以后，扩大了人们的眼界，人们可以通过电子显微镜观察到以往无法看到的微小世界。为提高其性能，人们对于包括阴极(电子发射)在内的电子枪、电磁透镜、偏转扫描系统、信号检测、图像处理和显示以及如何进一步提高分辨率做了大量的研究工作，使电子显微镜技术日趋成熟，现在几乎达到了尽善尽美的程度。这为以电子显微镜技术为基础的电子束曝光技术的应用打下了坚实的基础。在该书中，图2-1和图2-2介绍了电子束扫描曝光系统原理结构。在图2-2中阴极电源用于加热灯丝产生热电子，该热电子被高压电源加速，获得高速运动的电子流轰击靶材以达到加热的目的。
航空航天运载装备的快速发展要求发动机具有更高的推重比及工作效率，这就必须提高发动机的工作温度。铌-硅基合金(Nb-Si)具有较高的高温强度，在室温下具有一定的韧性，并且其熔点高、密度小，有望作为在1200～1400℃温度下工作的发动机叶片的候选材料。近年来国内外把Nb-Si基合金作为研发高推比发动机叶片的主要后继材料之一，有望在短期内获得性能上的突破，成为新一代高温结构材料。
超高温结构材料对性能要求十分苛刻，要求材料必须在高温强度蠕变抗力、室温韧性、抗氧化性和密度等方面达到综合性能平衡。这就要求选取一种较为合适的加工工艺来实现，任何一种加工工艺都需要加工设备来实现。
发明内容
为了改善现有电子束曝光系统在加工铌硅合金时，阴极电源输出功率不稳定，易造成电子束束流的波动，从而影响电子束加工的缺陷，本发明设计了一种用于驱动加工铌硅合金的阴极电源的三相干式磁性调压器驱动装置。该驱动装置以基准控制电压信号模块产生所需的标准电压信号，经控制电压运算放大器模块进行反相放大。通过控制电压调节电位器调节幅度后，驱动运算放大器将调节后的电压信号以及电流反馈信号进行运算处理和功率放大，驱动和控制驱动功率放大器。驱动功率放大器通过控制调压器线圈的电流大小改变三相干式变压器的磁通量，以调节阴极电源输出功率。
本发明的一种用于驱动加工铌硅合金的阴极电源的三相干式磁性调压器驱动装置，该驱动装置包括有基准控制电压信号模块、控制电压运算放大器模块、控制电压限幅器、控制电压调节电位器、高压掉电保护开关、电流负反馈模块和两路结构相同的运算放大模块；所述运算放大模块包括有驱动运算放大器、驱动电压限幅器、驱动功率放大器、可调节线圈限流负反馈模块和调压器线圈；
所述基准控制电压信号模块用于获得所需的标准电压信号V标准，该基准电压的电压值由稳压管DW2根据需要调整；
所述控制电压运算放大器模块用于对标准电压信号V标准进行反相放大以获得所需反相电压信号V反；
所述控制电压限幅器用于控制反相电压信号V反的幅值，避免过高的电压信号造成驱动功率放大器振荡影响阴极电源输出；
所述控制电压调节电位器用于调节反相电压信号V反的幅值以获得调节电压信号V调，所述调节电压信号V调能够控制所需功率的阴极电源输出；
所述高压掉电保护开关用于在电子束高压电场停止后，以接地的方式迅速断开该调节电压V调，阻止其驱动阴极电源；所述V调经电阻R101后转换为V调1进入一路运算放大电路；V调经电阻R201后转换为V调2进入另一路运算放大电路；
所述电流负反馈模块通过互感器获得电流负反馈电压信号V负反馈，该电流负反馈电压信号V负反馈用来抑制阴极电源输出的波动，从而达到稳定阴极电源输出的目的；所述V负反馈经电阻R202后转换为V负反馈2进入另一路运算放大电路；V负反馈经电阻R202和电阻R201后转换为V负反馈1进入一路运算放大电路；
所述驱动运算放大器用于将调节电压信号V调1、电流负反馈电压信号V负反馈1和限流电压信号V限流1进行运算及放大处理，获得运算后电压信号V运1，该V运1以达到驱动和控制驱动功率放大器；
所述驱动电压限幅器用于限制驱动运算放大器输入电压信号的幅值，避免过高的电压信号造成驱动功率放大器振荡影响阴极电源输出；
所述驱动功率放大器用于控制调压器线圈L1的电流大小，以实现对阴极电源输出功率的控制；
所述可调节线圈限流负反馈模块通过将调压器线圈的电流信号转换为限流电压信号V限流1，该限流电压信号V限流1作为驱动运算放大器的负反馈以实现稳定阴极电源输出的目的，并且反馈量可以进行调节；
所述调压器线圈L1用于改变三相干式变压器的磁通量，以调节阴极电源输出；
所述驱动运算放大器用于将调节电压信号V调2、电流负反馈电压信号V负反馈2和限流电压信号V限流2进行运算及放大处理，获得运算后电压信号V运2，该V运2以达到驱动和控制驱动功率放大器；
所述驱动电压限幅器用于限制驱动运算放大器输入电压信号的幅值，避免过高的电压信号造成驱动功率放大器振荡影响阴极电源输出；
所述驱动功率放大器用于控制调压器线圈L2的电流大小，以实现对阴极电源输出功率的控制；
所述可调节线圈限流负反馈模块通过将调压器线圈的电流信号转换为限流电压信号V限流2，该限流电压信号V限流2作为驱动运算放大器的负反馈以实现稳定阴极电源输出的目的，并且反馈量可以进行调节；
所述调压器线圈L2用于改变三相干式变压器的磁通量，以调节阴极电源输出。
本发明三相干式磁性调压器驱动装置的优点在于：
①采用NPN型达林顿管MJ10012驱动的直流励磁磁性调压器，使得阴极电源输出具有平滑的可控有载无级调压特性，运行可靠，高频噪声低。
②采用前级放大器提高信号驱动能力，能够快速驱动达林顿管。同时前级放大器放大倍数可调，可以实现前级信号的有效控制。
③电阻R106和电阻R207根据需要调整为1欧用以实现大电流的输出，同时从电阻R106和电阻R207与分别对应的达林顿管发射极连接端将达林顿终端电流信号反馈回前端放大器用以实现对NPN型达林顿管MJ10012放大倍率的控制。
④引入三相干式磁性调压器输出电流信号反馈，有效抑制温度对阴极电源的影响。
附图说明
图1是本发明三相干式磁性调压器驱动装置的流程控制结构图。
图2是本发明三相干式磁性调压器驱动装置的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明的一种用于驱动加工铌硅合金的阴极电源的三相干式磁性调压器驱动装置，该驱动装置包括有：
一基准控制电压信号模块
该基准控制电压信号模块用于获得所需的标准电压信号V标准，该基准电压的电压值由稳压管DW2根据需要调整。
一控制电压运算放大器模块
该控制电压运算放大器模块用于对标准电压信号V标准进行反相放大以获得所需反相电压信号V反。
一控制电压限幅器
该控制电压限幅器用于控制反相电压信号V反的幅值，避免过高的电压信号造成驱动功率放大器振荡影响阴极电源输出。
一控制电压调节电位器
该控制电压调节电位器用于调节反相电压信号V反的幅值以获得调节电压信号V调，所述调节电压信号V调能够控制所需功率的阴极电源输出。
一高压掉电保护开关
该高压掉电保护开关(按钮开关K1)用于在电子束高压电场停止后，以接地的方式迅速断开该调节电压V调，阻止其驱动阴极电源。在本发明中，V调经电阻R101后转换为V调1进入第一路运算放大电路；V调经电阻R201后转换为V调2进入第二路运算放大电路。
一电流负反馈模块
该电流负反馈模块通过互感器(L3)获得电流负反馈电压信号V负反馈，该电流负反馈电压信号V负反馈用来抑制阴极电源输出的波动，从而达到稳定阴极电源输出的目的。在本发明中，V负反馈经电阻R202后转换为V负反馈2进入第二路运算放大电路；V负反馈经电阻R202和电阻R201后转换为V负反馈1进入第一路运算放大电路。
第一驱动运算放大器
该驱动运算放大器用于将调节电压信号V调1、电流负反馈电压信号V负反馈1和限流电压信号V限流1进行运算及放大处理，获得运算后电压信号V运1，该V运1以达到驱动和控制驱动功率放大器。
第一驱动电压限幅器
该驱动电压限幅器用于限制驱动运算放大器输入电压信号的幅值，避免过高的电压信号造成驱动功率放大器振荡影响阴极电源输出。
第一驱动功率放大器
该驱动功率放大器用于控制调压器线圈L1的电流大小，以实现对阴极电源输出功率的控制。
第一可调节线圈限流负反馈模块
该可调节线圈限流负反馈模块可以通过将调压器线圈的电流信号转换为电压信号V限流1(简称为限流电压信号V限流1)，该限流电压信号V限流1作为驱动运算放大器的负反馈以实现稳定阴极电源输出的目的，并且反馈量可以进行调节。
第一调压器线圈
该调压器线圈L1用于改变三相干式变压器的磁通量，以调节阴极电源输出。
为了获得足够的驱动阴极电源的磁通量，在本发明中，设置两路结构相同的运算放大电路，所述运算放大电路包括有驱动运算放大器、驱动电压限幅器、驱动功率放大器、可调节线圈限流负反馈模块和调压器线圈；同理可得，另一路运算放大电路中电压信号的处理为：
第二驱动运算放大器
该驱动运算放大器用于将调节电压信号V调2、电流负反馈电压信号V负反馈2和限流电压信号V限流2进行运算及放大处理，获得运算后电压信号V运2，该V运2以达到驱动和控制驱动功率放大器。
第二驱动电压限幅器
该驱动电压限幅器用于限制驱动运算放大器输入电压信号的幅值，避免过高的电压信号造成驱动功率放大器振荡影响阴极电源输出。
第二驱动功率放大器
该驱动功率放大器用于控制调压器线圈L2的电流大小，以实现对阴极电源输出功率的控制。
第二可调节线圈限流负反馈模块
该可调节线圈限流负反馈模块可以通过将调压器线圈的电流信号转换为电压信号V限流2(简称为限流电压信号V限流2)，该限流电压信号V限流2作为驱动运算放大器的负反馈以实现稳定阴极电源输出的目的，并且反馈量可以进行调节。
第二调压器线圈
该调压器线圈L2用于改变三相干式变压器的磁通量，以调节阴极电源输出。
参见图2所示，本发明的一种用于驱动加工铌硅合金的阴极电源的三相干式磁性调压器驱动装置，该驱动装置电路连接关系为：
(1)+12V电源信号一方面经过电阻R5和发光二极管D1的串联电路接地用来作为电源的指示；另一方面经过电阻R6和稳压二极管DW2的串联电路接地，稳压二极管DW2非接地端获得的标准电压信号VS经电阻R1进入控制电压运算放大器U0的2端。
(2)控制电压运算放大器U0的2端通过电阻R3与U0的6端相连；U0的3端经通过电阻R2接地；U0的4端接电源-12V；U0的7端接电源+12V。
(3)U0的6端通过电阻R4一方面经滑动变阻器RW1接地，实现反相电压信号V反幅度的调节；另一方面经稳压二极管DW1接地，限制反相电压信号的幅值。
(4)滑动变阻器RW1的滑动端一方面经按钮开关K1接地，实现高压掉电以后封锁控制电压输入信号；另一方面经电阻R101接采用运算放大器OP07的信号放大单元U1的2端；同时经电阻R201接采用运算放大器OP07的信号放大单元U2的2端。
(5)信号放大单元U1的2端与U1的6端通过电阻R103与滑动变阻器RW101相连，实现运算后电压信号V运的反馈，控制运算后电压信号V运的放大倍数；U1的3端经电阻R102接地；U1的4端接电源-12V；U1的7端接电源+12V；U1的6端经电阻R104接NPN型达林顿管DAR1基极。
(6)信号放大单元U2的2端与U2的6端通过电阻R204与滑动变阻器RW201相连，实现信号反馈，控制信号放大倍数；U2的3端经电阻R203接地；U2的4端接电源-12；U2的7端接电源+12；U2的6端经电阻R205接NPN型达林顿管DAR2基极。
(7)达林顿管DAR1基极经稳压管DW101接地，抑制过高的输入电压；达林顿管DAR1射极一方面经电阻R106接地，另一方面经过电阻R105和滑动变阻器RW102与U1的2端相连，实现信号放大的控制；达林顿管DAR1集电极一方面连接驱动线圈L1的低压端，一方面通过二极管D103与驱动线圈L1的高压端，实现对驱动线圈的控制。
(8)达林顿管DAR2基极经稳压管DW201接地，抑制过高的输入电压；达林顿管DAR2射极一方面经电阻R207接地，另一方面经过电阻R206和滑动变阻器RW202与U2的2端相连，实现信号放大的控制；达林顿管DAR2集电极一方面连接驱动线圈L2的低压端，一方面通过二极管D203与驱动线圈L2的高压端，实现对驱动线圈的控制。
(9)互感器L3的一端电流反馈电压信号经电阻R301和滑动变阻器RW301接地，另一端直接接地。滑动变阻器RW301的滑动端一方面经稳压管DW301和稳压管DW302接地，抑制高电压的干扰；一方面经过电容C301接地，对高频干扰信号进行滤波；另一方面通过电阻R202与信号放大单元U2的2端相连，提供电流信号的反馈。
在本发明中，电路中采用器件的型号为：
型号：OP07；
生产商：ST Microelectronics；
封装：DIP8；
引脚数量：8；
功能描述：VERY LOW OFFSET SINGLE BIPOLAR OP-AMPS。
型号：MJ10012；
生产商：Motorola；
封装：TO-204AA；
引脚数量：2；
功能描述：NPN silicon power darlington transistor。
本发明的一种用于驱动加工铌硅合金的阴极电源的三相干式磁性调压器驱动装置。该驱动装置以基准控制电压信号模块产生所需的标准电压信号，经控制电压运算放大器模块进行反相放大。通过控制电压调节电位器调节幅度后，驱动运算放大器将调节后的电压信号以及电流反馈信号进行运算处理和功率放大，驱动和控制驱动功率放大器。驱动功率放大器通过控制调压器线圈的电流大小改变三相干式变压器的磁通量，以调节阴极电源输出功率。经实验表明该驱动加工铌硅合金的阴极电源的三相干式磁性调压器驱动装置使得阴极电源输出具有平滑的可控有载无级调压特性，运行可靠，高频噪声低。
Claims (2)
1.一种用于驱动加工铌硅合金的阴极电源的三相干式磁性调压器驱动装置，其特征在于：该驱动装置包括有基准控制电压信号模块、控制电压运算放大器模块、控制电压限幅器、控制电压调节电位器、高压掉电保护开关、电流负反馈模块和两路结构相同的运算放大模块；所述运算放大模块包括有驱动运算放大器、驱动电压限幅器、驱动功率放大器、可调节线圈限流负反馈模块和调压器线圈；
所述基准控制电压信号模块用于获得所需的标准电压信号V标准，该基准电压的电压值由稳压管DW2根据需要调整；
所述控制电压运算放大器模块用于对标准电压信号V标准进行反相放大以获得所需反相电压信号V反；
所述控制电压限幅器用于控制反相电压信号V反的幅值，避免过高的电压信号造成驱动功率放大器振荡影响阴极电源输出；
所述控制电压调节电位器用于调节反相电压信号V反的幅值以获得调节电压信号V调，所述调节电压信号V调能够控制所需功率的阴极电源输出；
所述高压掉电保护开关用于在电子束高压电场停止后，以接地的方式迅速断开该调节电压V调，阻止其驱动阴极电源；所述V调经电阻R101后转换为V调1进入一路运算放大电路；V调经电阻R201后转换为V调2进入另一路运算放大电路；
所述电流负反馈模块通过互感器获得电流负反馈电压信号V负反馈，该电流负反馈电压信号V负反馈用来抑制阴极电源输出的波动，从而达到稳定阴极电源输出的目的；所述V负反馈经电阻R202后转换为V负反馈2进入另一路运算放大电路；V负反馈经电阻R202和电阻R201后转换为V负反馈1进入一路运算放大电路；
所述驱动运算放大器用于将调节电压信号V调1、电流负反馈电压信号V负反馈1和限流电压信号V限流1进行运算及放大处理，获得运算后电压信号V运1，该V运1以达到驱动和控制驱动功率放大器；
所述驱动电压限幅器用于限制驱动运算放大器输入电压信号的幅值，避免过高的电压信号造成驱动功率放大器振荡影响阴极电源输出；
所述驱动功率放大器用于控制调压器线圈L1的电流大小，以实现对阴极电源输出功率的控制；
所述可调节线圈限流负反馈模块通过将调压器线圈的电流信号转换为限流电压信号V限流1，该限流电压信号V限流1作为驱动运算放大器的负反馈以实现稳定阴极电源输出的目的，并且反馈量可以进行调节；
所述调压器线圈L1用于改变三相干式变压器的磁通量，以调节阴极电源输出；
所述驱动运算放大器用于将调节电压信号V调2、电流负反馈电压信号V负反馈2和限流电压信号V限流2进行运算及放大处理，获得运算后电压信号V运2，该V运2以达到驱动和控制驱动功率放大器；
所述驱动电压限幅器用于限制驱动运算放大器输入电压信号的幅值，避免过高的电压信号造成驱动功率放大器振荡影响阴极电源输出；
所述驱动功率放大器用于控制调压器线圈L2的电流大小，以实现对阴极电源输出功率的控制；
所述可调节线圈限流负反馈模块通过将调压器线圈的电流信号转换为限流电压信号V限流2，该限流电压信号V限流2作为驱动运算放大器的负反馈以实现稳定阴极电源输出的目的，并且反馈量可以进行调节；
所述调压器线圈L2用于改变三相干式变压器的磁通量，以调节阴极电源输出。
2.根据权利要求1所述的用于驱动加工铌硅合金的阴极电源的三相干式磁性调压器驱动装置，其特征在于该驱动装置的电路联接为：
+12V电源信号一方面经过电阻R5和发光二极管D1的串联电路接地用来作为电源的指示；另一方面经过电阻R6和稳压二极管DW2的串联电路接地，稳压二极管DW2非接地端获得的标准电压信号VS经电阻R1进入控制电压运算放大器U0的2端；
控制电压运算放大器U0的2端通过电阻R3与U0的6端相连；U0的3端经通过电阻R2接地；U0的4端接电源-12V；U0的7端接电源+12V；
U0的6端通过电阻R4一方面经滑动变阻器RW1接地，实现反相电压信号V反幅度的调节；另一方面经稳压二极管DW1接地，限制反相电压信号的幅值；
滑动变阻器RW1的滑动端一方面经按钮开关K1接地，实现高压掉电以后封锁控制电压输入信号；另一方面经电阻R101接采用运算放大器OP07的信号放大单元U1的2端；同时经电阻R201接采用运算放大器OP07的信号放大单元U2的2端；
信号放大单元U1的2端与U1的6端通过电阻R103与滑动变阻器RW101相连，实现运算后电压信号V运的反馈，控制运算后电压信号V运的放大倍数；U1的3端经电阻R102接地；U1的4端接电源-12V；U1的7端接电源+12V；U1的6端经电阻R104接NPN型达林顿管DAR1基极；
信号放大单元U2的2端与U2的6端通过电阻R204与滑动变阻器RW201相连，实现信号反馈，控制信号放大倍数；U2的3端经电阻R203接地；U2的4端接电源-12；U2的7端接电源+12；U2的6端经电阻R205接NPN型达林顿管DAR2基极；
达林顿管DAR1基极经稳压管DW101接地，抑制过高的输入电压；达林顿管DAR1射极一方面经电阻R106接地，另一方面经过电阻R105和滑动变阻器RW102与U1的2端相连，实现信号放大的控制；达林顿管DAR1集电极一方面连接驱动线圈L1的低压端，一方面通过二极管D103与驱动线圈L1的高压端，实现对驱动线圈的控制；
达林顿管DAR2基极经稳压管DW201接地，抑制过高的输入电压；达林顿管DAR2射极一方面经电阻R207接地，另一方面经过电阻R206和滑动变阻器RW202与U2的2端相连，实现信号放大的控制；达林顿管DAR2集电极一方面连接驱动线圈L2的低压端，一方面通过二极管D203与驱动线圈L2的高压端，实现对驱动线圈的控制；
互感器L3的一端电流反馈电压信号经电阻R301和滑动变阻器RW301接地，另一端直接接地；滑动变阻器RW301的滑动端一方面经稳压管DW301和稳压管DW302接地，抑制高电压的干扰；一方面经过电容C301接地，对高频干扰信号进行滤波；另一方面通过电阻R202与信号放大单元U2的2端相连，提供电流信号的反馈。
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| CN102323843B (zh) | 2013-06-05 |
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Legal Events
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Application publication date: 20120118 Assignee: Chengdu Daxin Material Co., Ltd. Assignor: Beihang University Contract record no.: 2016990000484 Denomination of invention: Three-phase dry type magnetic voltage regulator driver for driving cathodic power supply for processing niobium-silicon alloy Granted publication date: 20130605 License type: Exclusive License Record date: 20161121 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
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Assignee: Chengdu Daxin Material Co., Ltd. Assignor: Beihang University Contract record no.: 2016990000484 Date of cancellation: 20180525 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract | ||
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Effective date of registration: 20180710 Address after: 610015 846, southern section of Tianfu Avenue, Huayang street, Tianfu New District, Chengdu, Sichuan Patentee after: Chengdu Daxin Material Co., Ltd. Address before: 100191 Xueyuan Road, Haidian District, Beijing, No. 37 Patentee before: Beihang University |
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| TR01 | Transfer of patent right |