CN102833934A - 一种x射线灯丝电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线灯丝电源，包括灯丝恒流控制器、超高频推挽激励电路、电磁场耦合能量电路、灯丝电路和隔离反馈电路。

Description

一种X射线灯丝电源

技术领域

本发明涉及灯丝电源领域，具体而言，涉及一种X射线灯丝电源。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，采用新技术实现X射线机的更新换代，使其达到小型化、自动化和智能化的要求，相配套的X射线灯丝电源也必须由原来的工频变换向高频变换方向发展。现在已有一些科研单位和公司已开始自主研制小型X光机，但对于灯丝加热电源来说，高压绝缘问题，使得灯丝电源一直没摆脱采用交流供电，高压隔离变压器，因此灯丝电流的稳定性也大打折扣，并且伴随着体积大、重量大、效率低、能耗高的问题。

传统的X射线灯丝电源为了达到高绝缘性，基本上都是采用可控硅工频相控电源工频变压方式控制灯丝电流，如图1所示。

工频交流电通过相控调压，然后经变压器降压，直接给灯丝提供电流。它的主要缺点是：工作频率为工频50Hz，体积大，重量重、输出电压纹波大、输出电压平均值低、变换效率低、动态性能差。

现在市场上已出现高频低压逆变灯丝电源，但基本采用频率不高的半桥逆变方式，恒流稳定性差，调节精度不高，电流纹波大，功耗高，绝缘不好，体积大。这些缺点限制了它的进一步应用。而直流超高频电磁场耦合能量方式克服了以上的缺点，已成为X射线灯丝电源的发展趋势。本文对应用在X射线灯丝精确恒流进行研究，对主电路结构、控制策略、工艺结构等方面做出详细讨论，提出实现方案。

本发明X射线小型灯丝电源正是结合当前X光机的市场需求以及

发展趋势，采用高频电磁场耦合能量新方式精确恒定灯丝电流，实现了X射线源的灯丝电流稳定性高、低功耗、小体积、绝缘性好、低成本，在市场拥有更强的竞争力。所以本发明有很好的实际用途和市场前景，具在很大的商业价值。

发明内容

X射线灯丝电源主要由灯丝恒流控制器、超高频推挽激励电路、电磁场耦合能量电路、灯丝电路、隔离反馈电路组成。与目前国内X射线灯丝电源相比，采用低压直流激励，降低了由电网电压带来的纹波，使恒流更加稳定，实现灯丝电流的隔离精确恒流控制。电磁场耦合能量电路采用超高频，不仅提高了能量传输的效率，同时减小整个系统的体积和重量以利于便携式工作。

如图2所示为本发明的X光管灯丝电流稳定与控制设计框图。

由于X光管的灯丝与高压电源（0～-100Kv）的输出端直接相连，因此采用传统的直接电气连接方式的恒流源控制方式将使该恒流源的设计难度极大，且大大增加芯片选型与电路设计的难度；同时由于电气方式连接必将影响这个系统尤其是低压系统的稳定性。

本系统拟采用电磁场耦合能量的方式来控制灯丝的电流。通过一个高频磁芯来完成电磁场能量的耦合传递工作。具体的连接方式参见图2.激励频率越高，磁场也越容易耦合到次级线圈当中。灯丝本身是与高压电源的负高压直接相连，因此将灯丝与高压电源的连接线穿过高频磁芯并形成闭合线圈，从而能够获取激励线圈耦合过来的磁场能量，进而转化为电流；由于灯丝电流的改变将引起灯丝发射出来的电子束的强度，最终决定了阳极靶材上轰击而得到的X射线的强度，也正比于流经阳极的地线电流。因此可以通过线性光耦采样隔离的方式获取X光管的电流信号，该电流信号反馈到低压供电回路，改变低压供电回路对激励线圈的激励占空比，实现闭环电流稳定与控制。

采用外径20mm的美磁公司的77206型的高频铁硅铝磁环作为磁芯，在磁芯上绕制激励线圈，激励线圈中间引出一个抽头，使得灯丝电流控制回路可以采用推挽互补输出的方式驱动激励线圈，提高推动的效率和频率，激励线圈采用直径2mm的铜丝在高频铁硅铝磁环上缠绕4匝即可，次级线圈则只有一匝，因此激励线圈与次级线圈的电流比则为1∶4，可提高次级线圈的感生电流的大小。

为了提高电磁场能量耦合的效率主要采用了如下几点的设计：1.提高灯丝电流的驱动频率。频率越高，由于漏磁带来的影响就越小；频率越高，激励线圈与次级线圈的感抗越大，也容易拾取能量，其他杂散参数的影响就越小。2.尽量提高次级线圈的环路面积。由于本发明是应用在微型X光管的场合，因此次级线圈的环路大约为直径40mm的圆环。3.尽量减小次级线圈的自身电感值，直流阻抗值。由于灯丝自身的直流阻抗和交流阻抗并不大，而灯丝是与次级线圈直接串联的，因此为了能够使灯丝获得最大的功率，必须保证次级线圈的交流阻抗和直流阻抗尽量低。因此本发明采用的是高纯度的黄铜管弯曲形成闭合的次级线圈回路。同时黄铜管本身具有一定的硬度，也能保证次级线圈的机械稳定性，保证次级线圈的总电感量不会随着次级线圈闭环回路面积的变化产生大的变化，提高了灯丝电流的稳定性。采用黄铜管做次级线圈的另外一个好处是可以大幅度降低高频大电流下形成的趋肤效应，优于纯铜导线。

如图3所示为灯丝电流驱动电路简图。

为了实现对X光管电流的闭环检测，本发明采用了线性光耦隔离的方式来实现的。由于灯丝电流并不等同于X光管的实际工作电流，X光管的实际电流是由于灯丝流过电流发热，产生了大量的电子，在电场中运动，轰击阳极靶材而得到的，该电流的范围为0-100uA，因此采用线性光耦是比较合适的实现方案。

本发明具有如下有益效果：X射线灯丝电源采用低压直流、超高频激励、电磁场耦合能量电路的方式，使得整个系统实现了低功耗、高效率、便携性、灯丝恒流稳定性高、加热速度快、操作简便、智能化等特点，满足了工业技术的迅速发展，对高质量、高可靠性、高稳定性、高效率、便携式X射线机的需求，在X光机在技术上、成本上拥有更强的市场竞争力，所以本发明有很好的实际用途和市场前景。

附图说明

图1是工频灯丝电源总结构图，其中11－交流输入，12－EMI滤波器，13－有源功率因数校正，14－降压变压器，15－灯丝电流，16－辅助电源，17－灯丝恒流控制电路，18－电流采样；

图2是本发明灯丝恒流电源总结构图，其中21－电流反馈，22－隔离电路，23－阳极的地线电流，24－负高压电源，25－电磁场耦合能量，26－X射线管，27－灯丝电流控制，28－灯丝电流，29－灯丝；

图3是本发明灯丝电流驱动电路简图。

具体实施方式

本发明根据下述实施例和附图做进一步的描述，本领域技术人员可以明了的是，下述实施例以及附图对本发明仅仅起到说明的作用。在不背离本发明精神的前提下，对本发明所做的任意改进和替代均在本发明保护的范围之内。

根据图2可知，其中的灯丝电流控制单元为一个推挽驱动电路用以高效率的驱动图中铁硅铝磁环的初级线圈。图中铁硅铝磁环的初级线圈连接灯丝电流控制单元，而次级线圈为用黄铜管弯曲构成的闭合线圈，当灯丝电流控制单元工作在极高频率，此处为上兆赫兹时，初级线圈的电场能量由铁硅铝磁环通过磁场耦合的方式耦合到次级线圈，次级线圈形成闭合环路，在闭合环路中由初级耦合过来的快速交变的磁场感应得到快速交变的电流，由于黄铜管电阻很小，且远低于灯丝电阻，因此电流在黄铜管本身的消耗极小，感应的交变电流最终都在灯丝上形成压降，从而大部分电能都消耗在灯丝上面，灯丝由于流过电流，只能以发热的形式消耗能量，故灯丝变热，灯丝的内部原子外电场电子的束缚能力很弱，极易被外界电场吸引，由于灯丝连接负高压电源的负高压端，而X射线管的外壳连接负高压电源的地线，因此电场方向为从射线管的管壳到灯丝，最终导致灯丝热激发的电子逆着电场运动到达X射线管的管壳，形成灯丝电流。而该灯丝电流流过隔离电路的光耦，光耦输出正比与灯丝电流的电压信号，该电压信号改变灯丝电流控制单元的占空比，当灯丝电流下降时，灯丝电流控制单元输出的交变信号占空比增加，最终导致灯丝电流增加，从而形成灯丝电流的负反馈，起到稳定灯丝电流的作用。

根据图3可知，其为一个图2中磁环构成的变压器的驱动电路。图中Q2，R5，R11，R12用以将前级输入的方波信号匹配后级的供电电源，同时也起到提高电流驱动能力的作用，Q2输出的方波信号由于具备足够的推动能力，能够快速的驱动Q1，Q3组成的推挽电路，该推挽电流进一步的放大电流输出能力，该信号经过C4，C5构成的加速电容，进一步提高信号的上升沿与下降沿的陡峭程度，最终使得变压器的初级线圈能够得到快速上升，下降的方波信号，大大降低了变压器上的损耗。C4，C5同时还有隔离直流信号的作用，将Q1，Q3电路输出的残余直流信号滤除，防止直流信号造成变压器初级线圈的直流损耗。当R11输入信号为高电平时，Q2导通，Q2的集电极为低电平，故Q3导通，变压器初级线圈的上半部分流过电流，当R11输入信号为低电平时，Q2截止，Q2的集电极为高电平，故Q1导通，变压器初级线圈的下半部分流过电流。

Claims (3)

1.一种X射线灯丝电源，其特征在于包括X射线灯丝电源包括灯丝恒流控制器、超高频推挽激励电路、电磁场耦合能量电路、灯丝电路和隔离反馈电路。

2.根据权利要求1所述的X射线灯丝电源，其特征在于还包括低压直流电压。

3.根据权利要求1所述的X射线灯丝电源，其特征在于所述电源是由低压直流激励的。

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