CN103702498B - 一种用于磁偏转质谱计的在线可调灯丝电压源电路 - Google Patents

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Abstract

本发明属于功率电子学技术领域，具体涉及一种用于磁偏转质谱计的在线可调灯丝电压源电路。本发明由于采用了受控线性调整电路、电流反馈遥测电路和灯丝供电电压随控制信号作用由极低工作电压缓慢上升至所需的工作电压的工作模式，用电压源供电的方法取代了灯丝因冷态电阻远小于热态电阻而需要的恒流源供电，并具有在线调整灯丝电子发射率的能力；灯丝供电部分电路与其他电路隔离，使得本发明的灯丝电压源可以用在高压环境。本发明实现了灯丝电源的在线可调、高可靠、小型化和轻重量。

Description

一种用于磁偏转质谱计的在线可调灯丝电压源电路
技术领域
本发明属于功率电子学技术领域，具体涉及一种用于磁偏转质谱计的在线可调灯丝电压源电路。
背景技术
灯丝是磁偏转质谱计的重要组件，灯丝的特点是冷态电阻远小于热态电阻，现有的磁偏转质谱计灯丝供电采用的是恒流源供电，以防止恒压源供电在冷态电阻较小时烧毁灯丝。高性能的磁偏转质谱计要求恒流源能在线可调输出电流值。采用在线可调恒流源为灯丝供电的灯丝电源体积大、质量重，不能满足便携式气体成分检测以及空间环境探测的高可靠磁偏转质谱计小型化、轻量化的整机需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，设计一种用于磁偏转质谱计的在线可调灯丝电压源电路，这种高可靠磁偏转质谱计在线可调灯丝电压源在线可调灯丝的工作电压和电流，从而改变灯丝的电子发射率。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种用于磁偏转质谱计的在线可调灯丝电压源电路，其特征在于：包括受控线性调整电路、控制电路、反馈电路、隔离功率变换电路、整流电路、滤波电路、电流遥测电路；
所述受控线性调整电路、隔离功率变换电路、整流电路、滤波电路依次连接，所述滤波电路还与电流遥测电路连接，所述受控线性调整电路还与反馈电路、控制电路依次连接；所述控制电路与所述受控线性调整电路相连；
所述受控线性调整电路为功率MOSFET；向所述受控线性调整电路输入电压，外部计算机同时向所述控制电路输入控制信号；
所述受控线性调整电路通过源极向所述反馈电路输出稳定电压；
所述反馈电路用于接收所述受控线性调整电路的稳定电压，并进行电压信号放大处理，将处理后的放大电压信号传输至所述控制电路；
所述控制电路用于接收所述反馈电路的放大电压信号和输入的控制信号做误差放大，并将误差放大的信号传输至所述受控线性调整电路的栅源电压从而改变受控线性调整电路的漏源电压降；
所述受控线性调整电路得到所述控制电路的控制信号，并向所述隔离功率变换电路输出一个与控制信号对应的稳定电压；
所述隔离功率变换电路接收到与控制信号对应的稳定电压，并进行隔离的激变处理，将控制信号对应的稳定电压变成交流脉冲电压；将交流脉冲电压传输至整流电路；
所述整流电路用于接收交流脉冲电压，将交流脉冲电压整流为直流脉冲电压，并将直流脉冲电压传输至滤波电路；
滤波电路用于接收直流脉冲电压并进行处理：一、将直流脉冲电压平滑滤波成直流电压并输出；二、将直流脉冲电压耦合至电流遥测电路形成电流遥测信号并将其输出至外部计算机。
所述隔离功率变换电路单端正激变换器。
还包括驱动电路，所述驱动电路为隔离功率变换电路提供固定占空比的驱动信号，为减小滤波电路的压力并避免功率变换电路的磁芯饱和，将固定占空比设置在小于等于50%。
本发明的技术解决方案之一为：用串联线性调整电路在控制信号的作用下闭环控制调整单端正激功率变换电路的输入电压，通过固定占空比驱动功率变换电路做电压变换获得可调的输出电压。
本发明的技术解决方案之二为：灯丝供电电压随控制信号作用由极低工作电压缓慢上升至所需的工作电压的工作模式，减小灯丝因冷态时电阻较小，突然加所需工作电压而使灯丝受到的热冲击，甚至烧毁。
本发明的技术解决方案之三为：改变控制信号的初始值可以改变灯丝受到的热冲击；改变控制信号终值从而改变灯丝电压使得灯丝的工作电流不同，达到改变灯丝电子发射率的目的。
本发明的优点和有益效果在于：用在线可调电压源代替传统的可调节恒流源给灯丝供电，电路简单并且减小了体积和减轻了质量；灯丝输出电压通过功率变压器和耦合电感器可以和控制电路以及外部的质谱计中心控制器实现高压隔离和绝缘，灯丝电压源可以用在高压环境，亦可以浮置在高压上使用，保证高压和低压的安全性。本发明实现了灯丝电源的在线可调、高可靠、小型化和轻重量。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图；
图2为本发明的电路原理示意图。
其中，1-受控线性调整电路；2-控制电路；3-反馈电路；4-隔离功率变换电路；5-驱动电路；6-整流电路；7-滤波电路；8-电流遥测电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1、图2所示，本发明具体实施的技术方案是：一种用于磁偏转质谱计的在线可调灯丝电压源电路，其特征在于：包括受控线性调整电路1、控制电路2、反馈电路3、隔离功率变换电路4、整流电路6、滤波电路7、电流遥测电路8；
所述受控线性调整电路1、隔离功率变换电路4、整流电路6、滤波电路7依次连接，所述滤波电路7还与电流遥测电路8连接，所述受控线性调整电路1还与反馈电路3、控制电路2依次连接；所述控制电路2与所述受控线性调整电路1相连；
所述受控线性调整电路1为功率MOSFET；向所述受控线性调整电路1输入电压，外部计算机同时向所述控制电路2输入控制信号；
所述受控线性调整电路1通过源极向所述反馈电路3输出稳定电压；
所述反馈电路3用于接收所述受控线性调整电路1的稳定电压，并进行电压信号放大处理，将处理后的放大电压信号传输至所述控制电路2；
所述控制电路2用于接收所述反馈电路3的放大电压信号和输入的控制信号做误差放大，并将误差放大的信号传输至所述受控线性调整电路1的栅源电压从而改变受控线性调整电路1的漏源电压降；
所述受控线性调整电路1得到所述控制电路2的控制信号，并向所述隔离功率变换电路4输出一个与控制信号对应的稳定电压；
所述隔离功率变换电路4接收到与控制信号对应的稳定电压，并进行隔离的激变处理，将控制信号对应的稳定电压变成交流脉冲电压；将交流脉冲电压传输至整流电路6；
所述整流电路6用于接收交流脉冲电压，将交流脉冲电压整流为直流脉冲电压，并将直流脉冲电压传输至滤波电路7；
滤波电路7用于接收直流脉冲电压并进行处理：一、将直流脉冲电压平滑滤波成直流电压并输出；二、将直流脉冲电压耦合至电流遥测电路8形成电流遥测信号并将其输出至外部计算机。
所述隔离功率变换电路4单端正激变换器。
还包括驱动电路5，所述驱动电路5为隔离功率变换电路4提供固定占空比的驱动信号，为减小滤波电路7的压力并避免功率变换电路4的磁芯饱和，将固定占空比设置在小于等于50%。
质谱计一开始气体检测工作，首先加上输入电压V1，接着由本设计外部的质谱计的中心控制器给灯丝电压源加上从起始值V21（单位：伏特）到终值V22（单位：伏特，V21小于V22）的电压控制信号，并停留在V22；受控线性调整电路在控制信号的作用下，给固定占空比工作的单端正激功率变换电路缓慢上升馈电，灯丝供电电压Vo缓慢上升，停留在控制信号V22对应的输出电压；电流遥测电路给出电流反馈信息，外部的质谱计中心控制器根据电流信息以及被测气体含量等信息给受控线性调整电路更改控制信号终值V22，使得灯丝获得不同的供电电压Vo，从而在线调整灯丝工作电流，进而获得不同的灯丝电子发射率。
如图2所示，输入电压V1从X1输入，控制信号V2从X2输入，X3为输入电压、控制信号的公共回线。L1和C1、C2、C3、C4以及CA1和CA2是输入EMI滤波电路。控制信号经过R1、C5滤波后输入到运算放大器N1A反相输入端，DZ1起限压保护作用，限制输入的控制信号小于运放的供电电压。从X2输入的不同的控制电压和由R9、R10、R11*反馈的信号做差分运算输出误差信号，经过R3、R4*、R5和R8改变三极管Q2基极驱动电流，从而改变三极管Q2集射极间导通电阻，经过滤波的输入电压通过R6、R7*以及Q2集射极分压驱动串联线性调整MOSFET管Q1，三极管Q2不同的基极电流使得集射极间电阻不同，通过R6、R7*以及Q2集射极分压后的电压不同，对应功率MOSFET管Q1的栅源电压不同，Q1的漏源电压不同，从Q1源极输出的电压不同。不同的控制电压，对应不同的Q1源极输出。具体的某一控制电压对应稳定的Q1源极输出，从X1输入的电压的变化通过运算放大器N1A构成的闭环调整后，Q1源极稳定输出。D1、Q3和T1组成了单端正激功率变换电路，D2为整流二极管，D3为续流二极管，L2和CA11、CA12、CA13、CA14、C25、C26、C27、C28组成了滤波电路。Q3在固定占空比脉冲信号控制下开关工作。Q1源极输出的不同电压经过固定占空比单端正激功率变换和整流滤波后获得不同的灯丝工作电压。从X2输入的控制信号不同，Q1源极输出的电压不同，从X6和X7输出的灯丝电压不同。从X9输入一定的控制信号，Q1输出对应的一个电压，从X6输出的电压也为对应的一个电压。
脉宽调制器U1工作在由定时电阻R23*和定时电容C21决定的固定频率的固定占空比模式。电流控制模式的脉宽调制芯片通过C21、Q5、R22*、R24*电路工作在电压控制模式。由脉宽调制器U1直接驱动开关管Q3，实现功率变换。
由R17、R18、R19*、R20*、DZ3和Q4构成了源极跟随器，输出一个相对稳定的电压12V用作运算放大器N1A和脉宽调制器U1的供电电压。
R8为温度负反馈电阻，阻值在几十欧姆（如30Ω）的数量级。R2、C6和C7为运算放大器N1A的闭环控制补偿网络。L2的副边（对应2、4引脚）、D4、CA15、R27、R28、R29*、C29为灯丝电流遥测电路。如果灯丝电压X6在高压环境中工作，则T1、L2需要做原副边的高压隔离和绝缘处理，实现高压高可靠。
本发明的灯丝电源的工作模式为：首先加入输入电压后，接着控制电压从0V逐渐上升至某一个需要的终值，如5V，则灯丝输出电压从0V逐渐上升并停留在需要的灯丝电压值，如3V。该工作过程避免了直接加入一个较高的控制电压，如5V，使得灯丝输出电压阶跃上升至需要的值，如3V，在启动的瞬间可能使灯丝过热甚至烧毁。改变控制信号终值，如控制信号从0V上升至4.5V，即可改变灯丝输出电压，灯丝电压从0V上升并停留在2.7V，从而改变灯丝工作电流，进而改变灯丝的电子发射率。控制信号终值需要根据磁偏转质谱计的整机性能通过联试确定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于磁偏转质谱计的在线可调灯丝电压源电路，其特征在于：包括受控线性调整电路(1)、控制电路(2)、反馈电路(3)、隔离功率变换电路(4)、整流电路(6)、滤波电路(7)、电流遥测电路(8)；
所述受控线性调整电路(1)、隔离功率变换电路(4)、整流电路(6)、滤波电路(7)依次连接，所述滤波电路(7)还与电流遥测电路(8)连接，所述受控线性调整电路(1)与反馈电路(3)、控制电路(2)依次连接；所述控制电路(2)与所述受控线性调整电路(1)相连；
所述受控线性调整电路(1)为功率MOSFET；向所述受控线性调整电路(1)输入电压，外部计算机同时向所述控制电路(2)输入控制信号；
所述受控线性调整电路(1)通过源极向所述反馈电路(3)输出稳定电压；
所述反馈电路(3)用于接收所述受控线性调整电路(1)的稳定电压，并进行电压信号放大处理，将处理后的放大电压信号传输至所述控制电路(2)；
所述控制电路(2)用于接收所述反馈电路(3)的放大电压信号和输入的控制信号做误差放大，并将误差放大的信号传输至所述受控线性调整电路(1)的栅源电压从而改变受控线性调整电路(1)的漏源电压降；
所述受控线性调整电路(1)得到所述控制电路(2)的误差放大的信号，并向所述隔离功率变换电路(4)输出一个与控制信号对应的稳定电压；
所述隔离功率变换电路(4)接收到与控制信号对应的稳定电压，并进行隔离的逆变处理，将控制信号对应的稳定电压变成交流方波电压；将交流方波电压传输至整流电路(6)；
所述整流电路(6)用于接收交流方波电压，将交流方波电压变换为单向脉动的方波电压，并将单向脉动的方波电压传输至滤波电路(7)；
滤波电路(7)用于接收单向脉动的方波电压并进行处理：一、将单向脉动的方波电压变换为平滑的直流电压并输出；二、将单向脉动的方波电压耦合至电流遥测电路(8)形成电流遥测信号并将其传输出至外部计算机。
2.根据权利要求1所述的一种用于磁偏转质谱计的在线可调灯丝电压源电路，其特征在于：所述隔离功率变换电路(4)为单端正激变换电路。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于磁偏转质谱计的在线可调灯丝电压源电路，其特征在于：还包括驱动电路(5)，所述驱动电路(5)为隔离功率变换电路(4)提供固定占空比的驱动信号。
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