CN114007293A

CN114007293A - 一种磁控管灯丝加热电流控制系统

Info

Publication number: CN114007293A
Application number: CN202111224284.9A
Authority: CN
Inventors: 李昕霖
Original assignee: Chengdu Linike Medical Co ltd
Current assignee: Chengdu Linike Medical Co ltd
Priority date: 2021-10-20
Filing date: 2021-10-20
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2041-10-20
Also published as: CN114007293B

Abstract

本发明公开了一种磁控管灯丝加热电流控制系统，包括：磁控管阳极脉冲电流取样单元、可变增益放大单元、隔离驱动放大单元和射极跟随单元；所述磁控管阳极脉冲电流取样单元的输入端作为磁控管灯丝加热电流控制系统的输入端，其输出端与可变增益放大单元的输入端连接；所述可变增益放大单元的输出端与隔离驱动放大单元的输入端连接；所述隔离驱动放大单元的输出端与射极跟随单元的输入端连接；所述射极跟随单元的输出端作为磁控管灯丝加热电流控制系统的输出端；本发明解决了高功率脉冲磁控管在工作中需连续降低灯丝加热电流的问题。

Description

一种磁控管灯丝加热电流控制系统

技术领域

本发明涉及磁控管技术领域，具体涉及一种磁控管灯丝加热电流控制系统。

背景技术

磁控管的基本工作原理是从阴极热发射的电子在恒定磁场、电场及交变电磁场的共同作用下，在阳极谐振腔内激发起高频电流，该高频电流以电磁波的形式经输出窗输出。

磁控管阴极是发射电子的源泉，阴极加热不足导致欠发射会直接影响整管的工作稳定性，阴极过热会影响阴极的寿命，即降低整管的工作寿命。导致阴极过热的原因有两种：

加热功率过高，可直接控制加热用电源，例如使用恒流源；

电子回轰：磁控管产生高频振荡后，会有一部分电子回轰阴极，使阴极温度升高，因此必须减小或完全去掉灯丝加热功率才能保持阴极温度。回轰现象会随着磁控管的输出功率增高、工作重复频率的提高而愈发严重。

由高功率脉冲磁控管组成的高功率微波源广泛用于各种用途的加速器中，例如用于恶性肿瘤放射治疗的中高能医用电子直线加速器，这一类加速器的特点是：

1)、多种辐射类型，例如X射线、电子辐射；

1)、多档能量，例如6MV、10MV X射线辐射，电子辐射一般具有4—6种能量。

不同的能量档或不同的辐射类型需要微波源输出不同的功率，磁控管内部势必形成不同的程度的电子回轰，使得阴极温度也随着微波源输出的功率而变化。目前降低灯丝加热电流的方法是根据磁控管的重复工作频率分2—3挡来降低灯丝加热电流，这种降低灯丝加热电流的方法存在着两方面的缺陷：

(1)只考虑到电子回轰随重复工作频率的提高而增加，而未考虑随输出功率的提升而增加；

(2)不能按磁控管制造商给定的降低灯丝加热电流曲线来降低电流，因此磁控管的工作状态不能达到最理想的状态。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种磁控管灯丝加热电流控制系统解决了高功率脉冲磁控管在工作中需连续降低灯丝加热电流的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种磁控管灯丝加热电流控制系统，包括：磁控管阳极脉冲电流取样单元、可变增益放大单元、隔离驱动放大单元和射极跟随单元；

所述磁控管阳极脉冲电流取样单元的输入端作为磁控管灯丝加热电流控制系统的输入端，其输出端与可变增益放大单元的输入端连接；所述可变增益放大单元的输出端与隔离驱动放大单元的输入端连接；所述隔离驱动放大单元的输出端与射极跟随单元的输入端连接；所述射极跟随单元的输出端作为磁控管灯丝加热电流控制系统的输出端。

进一步地，所述磁控管阳极脉冲电流取样单元包括：电容C1、接地电容C2和接地电阻R1；

所述电容C1的一端接入磁控管阳极，其另一端分别与接地电容C2和接地电阻R1连接，并作为磁控管阳极脉冲电流取样单元的输出端。

进一步地，所述可变增益放大单元包括：电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电位器R6、电位器R7、电阻R8、放大器U1、三极管Q1和开关S1；

所述放大器U1的反相输入端分别与电阻R2的一端、电阻R8的一端、电位器R6的第一不动端、电位器R6的动端和三极管Q1的发射极连接，其同相输入端接地，其输出端分别与电阻R8的另一端、三极管Q1的集电极和电位器R7的第一不动端连接，并作为可变增益放大单元的输出端；

所述三极管Q1的基极与电位器R7的动端连接；所述电位器R7的第一不动端与电阻R5的一端连接；所述电阻R5的另一端与电阻R4的一端连接；所述电位器R6的第二不动端分别与电阻R3的一端和电阻R4的另一端连接；所述开关S1的一端接地，其另一端与电阻R3的另一端连接；

所述电阻R2的另一端作为可变增益放大单元的输入端。

上述进一步方案的有益效果为：可变增益放大单元的电路是把磁控管阳极采样得到的直流电压信号转换成两段可调整斜率的线性的直流电压信号。

进一步地，所述隔离驱动放大单元采用隔离放大器290A。

进一步地，所述射极跟随单元采用放大器LM324。

综上，本发明的有益效果为：目前分档降灯丝加热功率(或电压)是指平均功率达到某一数值就将灯丝加热功率(或电压)降低到某一固定的数值，平均功率超过这一数值后灯丝加热功率也不发生变化，这样控制灯丝加热电流是非连续变化。本发明依据厂商给的磁控管降灯丝曲线图要求，将实际曲线划分为分段直线，即以折线来替代实际曲线，对于每段折线按线性关系来降低灯丝加热功率(电压)，这样就更接近制造商所给出的降灯丝曲线，从而保证磁控管始终处于比较理想的工作状态。

附图说明

图1为一种磁控管灯丝加热电流控制系统的系统框图

图2为磁控管阳极脉冲电流取样单元的电路图；

图3为可变增益放大单元的电路图；

图4为一种磁控管灯丝加热电流控制系统的电路图；

图5为型号为MG7095的磁控管的降灯丝曲线图；

图6为型号为MG5193的磁控管的降灯丝曲线图；

图7为取样电压Vi与脉冲重复频率的仿真图；

图8为取样电压Vi与磁控管阳极脉冲电流的仿真图；

图9为反相型负反馈放大电路的电路图；

图10为取样电压Vi＝0时输出电压与电位器R6的关系图；

图11为取样电压Vi＝0时输出电压与电位器R7的关系图；

图12为输出电压V0的幅值与输入电压Vi的关系图；

图13为预置拐点的等效电路图；

图14为拐点与电位器R6为20kΩ的关系图；

图15为拐点与电位器R6为40kΩ的关系图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种磁控管灯丝加热电流控制系统，包括：磁控管阳极脉冲电流取样单元、可变增益放大单元、隔离驱动放大单元和射极跟随单元；

如图2所示，磁控管阳极脉冲电流取样单元包括：电容C1、接地电容C2和接地电阻R1；

如图3所示，可变增益放大单元包括：电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电位器R6、电位器R7、电阻R8、放大器U1、三极管Q1和开关S1；

所述电阻R2的另一端作为可变增益放大单元的输入端。

在本实施例中，隔离驱动放大单元采用隔离放大器290A，隔离的目的是防止噪声通过地线串扰，本方案中采用标准隔离放大器290A，其放大系数等于1。驱动电路的目的是增加控制系统的驱动能力。

在本实施例中，射极跟随单元采用放大器LM324。

图4为磁控管灯丝加热电流控制系统的一种具体实现方式的电路图。

本发明设计的磁控管灯丝加热电流控制系统，用于控制磁控管灯丝的可编程直流电源，在本实施例中，可编程直流电源使用DCS4025可编程直流电源。

本发明的理论实验分析过程如下：

1、磁控管降灯丝加热电压曲线图(简称为降灯丝曲线图)是由磁控管制造商给出。目前全球供货量最大的制造商是英国的E2V公司。因此分析该公司不同型号磁控管的曲线图具有一定的代表性。图5给出了型号为MG7095的磁控管的降灯丝曲线图(实线)，图6给出了型号为MG5193的磁控管的降灯丝曲线图(实线)。从图中可看出曲线图的横坐标为平均输入功率，意指输入到由磁控管组成的微波源的平均电功率。灯丝的加热功率(或电压)是随着平均功率的增加而作非线性降低。分档降灯丝加热功率(或电压)是指平均功率达到某一数值就将灯丝加热功率(或电压)降低到某一固定的数值，平均功率超过这一数值后灯丝加热功率也不发生变化，显然这是一种很粗糙的办法。与制造商给出的曲线不符。本发明中将实际曲线划分为分段直线，即以折线来替代实际曲线，如图5和图6中的虚线所示。对于每段折线按线性关系来降低灯丝加热功率(电压)，这样就更接近制造商所给出的降灯丝曲线，从而保证磁控管始终处于比较理想的工作状态。

2、磁控管阳极脉冲电流取样单元：

在磁控管工作期间直接测量输入的平均电功率不是很容易，但可按以下思路来解决这个问题：

平均输入电功率＝(磁控管平均输出功率)×(磁控管的转换效率)

＝(磁控管峰值输出功率)×(占空比)×(磁控管的转换效率)∝(磁控管阳极峰值电流)×(占空比)

上述关系中：磁控管的转换效率是一固定值(对某一型号的管子)。

根据这个关系可在阳极回路中插入取样单元，以便得到正比于磁控管阳极峰值电流和占空比的直流电压Vi，取样单元的示意图见图2。磁控管阳极相对保护地是低电位，所以在阳极回路插入取样电路是安全的。

实验：利用Multisim仿真软件进行计算机仿真，得到Vi与磁控管阳极峰值电流和占空比(重复频率)的关系和理论分析基本一致。仿真结果如图7和图8所示。

其中图7是磁控管阳极脉冲电流＝100A时，取样电压Vi随脉冲重复频率的变化关系。图8是脉冲重复频率＝250Hz时，取样电压Vi随磁控管阳极脉冲电流的变化关系。从两张仿真图中也可看出Vi随磁控管阳极脉冲电流和脉冲重复频率的变化关系是正比关系。

3、可变增益放大单元：

通过以上分析可知，磁控管灯丝加热功率的降低(即降低灯丝电流和电压)可根据取样电压Vi的大小来确定，同时处理取样电压的电路的输出信号(电压)变化必须近似符合降灯丝曲线。根据第1点的分析必须设计这样一种处理取样电压的电路，它的增益可随输入电压的变化而分段变化，为此本发明设计了一种分段可变增益的放大单元来处理输入的取样电压。

由运算放大器A组成的反相型负反馈放大电路，如图9所示，其传递函数为：

式中Z_F和Z_f分别是反馈网络的阻抗，两者之比为K＝Z_F/Z_f为放大电路的增益。

Z_F和Z_f是由固定数值的电阻、电容及电感组成，所以在不考虑信号频率因素时，增益K为一固定值。显然这种放大电路不符合要求。若想改变放大电路的增益，必须改变反馈回路中的阻抗Z_F或Z_f的阻抗值，改变Z_f会影响放大电路的输入阻抗，一般是改变阻抗Z_F阻抗值。

在本发明中阻抗Z_F由固定电阻、电位器及NPN型晶体三极管组成，三极管是本发明的重点。在不同的工作条件下，三极管处于不同的工作区域，即截止区、放大区及饱和区，在这三个区域中三极管的动态输出阻抗r_o是在不同的区域内变化，在饱和区内阻抗最小，变化范围一般为几十到一百多Ω，放大区内阻抗比较大，变化范围一般为几到几十KΩ，而在截止区内最大，变化范围一般为一百多到几百KΩ)。这种变化取决于三极管基极电流，r_o与基极电流的关系并非绝对线性关系。对于共发射极电路其r_o在放大工作区为：

其中，ΔV_CE为三极管集电极和发射极间的变化电压，ΔI_C为集电极的变化电流，ΔI_b为基极的变化电流，β为放大系数。

改变三极管动态输出阻抗的条件是改变三极管的基极电流I_b，即不同的I_b对应不同的r_o。实际的电原理图如图3所示。并经理论计算确定了各个电阻和电位器的阻值，具体数值标于图3中。

如图3的电路中的运算放大器U1选用通用型放大器，晶体管三极管Q1选用通用型NPN三极管。

下面简单介绍本发明设计的可变增益放大单元的工作原理和调节过程。首先说明各元器件的基本作用：

①、运算放大器A选用通用型放大器；

②、晶体管三极管Q1选用通用型NPN三极管，其输出动态阻抗r_o与固定电阻R8并联(r_o//R₈)组成可变增益放大单元反馈网络中的阻抗Z_F；

③、电位器R7调节三极管Q1基极电流，初始安装时滑动臂处于中间位置，可直接调节可变增益放大单元的输出端电压；

④、电位器R6调节分段可变增益放大单元的分段拐点，初始安装时滑动臂处于中间位置。

工作原理可分为3种情况来描述

(1)、当Vi＝0时，-13V电源经电阻R4和电位器R6为放大器U1提供输入信号，经可变增益放大单元放大后输出正信号，该信号经电位器R7分流为三极管Q1提供基极电流，此时只要电位器R7的滑动臂不指向零位置，三极管Q1就处于放大工作区。输出电压的幅值由电位器R6和R7控制。输出电压的幅值与R6和R7的关系的计算机仿真结果见图10和图11，图中输出电压V0即为可变增益放大单元输出端的输出电压。

(2)、Vi≠0，但幅值比较小时，由于输入信号为正值，因此与-13V电源提供的负信号叠加后，导致等效输入信号减小，导致输出信号减小，但输出信号减小又导致三极管Q1基极电流减小从而使三极管Q1的动态输出阻抗增大(Z_F＝r_o//R₈增大)，其中，R₈为电阻R8的阻值，可变增益放大单元的增益K1提高，因此输出电压V0又有回升，最终使输出电压的变化减小，其流程如下：Vi增大—等效输入信号减少—三极管Q1基极电流减少—Z_F增大—增益K1增大—输出电压V0增大。

输出电压V0的幅值与输入电压Vi的关系的计算机仿真结果如图12所示。从仿真图12中可看出，当输入电压Vi较小时，输出电压V0的变化很小，与分析结果一致。

(3)、Vi≠0，但比较大时，Vi继续增大等效输入信号进一步减小，导致输出信号减小的比较多，此时三极管Q1基极电流减小到不足以使三极管Q1工作在放大区，而是进入到截止区，其动态输出阻抗r_o变得很大，此时的Z_F＝R₈，故可变增益放大单元的增益K2为一固定值。由此可看出在情况(2)和(3)中，可变增益放大单元的增益不同，分别为K1和K2。

输出电压V0的幅值与输入电压Vi的关系的计算机仿真结果如图12所示。

从仿真图12中可看出，当输入电压Vi较大时，输出电压V0的变化很大，当输入电压Vi接近4V时增益发生跳变，与分析结果一致。其图形与降灯丝曲线很接近。

(4)、预置拐点

所谓拐点是指增益改变从K1变到K2时所对应的输入电压Vi。根据降灯丝曲线的分析可知，对于不同型号的磁控管什么时候开始快速降低灯丝加热功率是不一样的，因此拐点是可调整的。根据前面(2)的分析当由输入电压Vi与-13V电源提供的预置值(负信号)叠加后，等效输入电压将降低，当等效输入电压降低到足够低时，可变增益放大单元的增益将发生变化。因此可预先调整电位器R6找到一个预置值，当输入电压Vi达到某一值时，可使等效输入电压降低到足够低从而使可变增益放大单元的增益发生跳变。实际电路是这样设计的，在电位器R6旁边接固定电阻R3和一个处于常开状态的开关S1。当Vi＝0并且按下开关S1时，可得到如图13的等效电路。

从等效电路可看出，流向放大器U1反相输入端的电流减小，放大器U1的等效输入电压降低，通过调节电位器R6，可确定放大器U1的等效输入电压降低到什么程度，即电位器R6的数值确定后，增益跳变点(预置输入电压值)就确定了。当预置值确定后，松开开关S1整个电路恢复原状。当输入电压达到预置值之后，可变增益放大单元的增益就发生跳变。

拐点与电位器R6的关系的计算机仿真结果如图14和图15所示。

从仿真图14和图15中可看出，当调节R6(增大)时，拐点向零方向移动，与分析结果一致。针对不同型号的磁控管，改变拐点的位置，使其输出电压曲线与磁控管降灯丝曲线能够更好地吻合。

综上，通过以上分析可知降低磁控管灯丝加热功率的完整过程。首先将电位器R6调节到25K，磁控管进入预热状态后调节电位器R7使其灯丝电流达到预热要求(例如MG7095磁控管预热灯丝电流为10A)。待到磁控管灯丝电压稳定后按下开关S1并调节电位器R6使其灯丝电流降到预热值的一半，松开开关S1并观察灯丝电流，若偏离预热电流值，则需要微调R7。

预热完成后磁控管进入工作状态，阳极脉冲电流(正比于磁控管的平均输入电功率)经取样单元得到直流正电压，该信号经电阻R2输入到运算放大器U1的反相输入端，经过可变增益放大单元处理，把直流电压信号转变成两段不同斜率的直流电压，然后送到隔离驱动器U2的5脚(输入端)，隔离驱动器U2的12脚输出一个和输入一样的电压信号到射随器U3的5脚(同相端)，射随器U3的7脚(输出端)的输出用于控制可编程直流电源，该电源用于磁控管灯丝加热。降低灯丝加热电流的一种完整的实现方式的控制电路见附图4。

Claims

1.一种磁控管灯丝加热电流控制系统，其特征在于，包括：磁控管阳极脉冲电流取样单元、可变增益放大单元、隔离驱动放大单元和射极跟随单元；

2.根据权利要求1所述的磁控管灯丝加热电流控制系统，其特征在于，所述磁控管阳极脉冲电流取样单元包括：电容C1、接地电容C2和接地电阻R1；

3.根据权利要求1所述的磁控管灯丝加热电流控制系统，其特征在于，所述可变增益放大单元包括：电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电位器R6、电位器R7、电阻R8、放大器U1、三极管Q1和开关S1；

所述电阻R2的另一端作为可变增益放大单元的输入端。

4.根据权利要求1所述的磁控管灯丝加热电流控制系统，其特征在于，所述隔离驱动放大单元采用隔离放大器290A。

5.根据权利要求1所述的磁控管灯丝加热电流控制系统，其特征在于，所述射极跟随单元采用放大器LM324。