CN114268228A - 一种工频同步灯丝电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工频同步灯丝电源，包括AC/DC电路、DC/DC电路、DC/AC电路、同步控制电路及闭环控制电路，AC/DC电路将工频输入转换为直流V1；DC/DC电路将直流V1转换为直流V2；DC/AC电路将直流V2转换为工频交流；同步控制电路在同步脉冲的控制下，对工频交流进行同步斩波；闭环控制电路对取样的交流信号降比例从而提升输出电流；在每次开机时实现DC/DC电路的闭环控制基准从0逐步上升到稳定值，关机时，将基准降到0；本发明的优点在于：克服调压器碳刷磨损、继电器机械疲劳等问题，闭环稳流的时延短以及采用同步控制避免工频灯丝供电泄露的电磁场对电子注产生影响。
Description
技术领域
本发明涉及真空电子管灯丝预热电源及其控制技术领域，更具体涉及一种工频同步灯丝电源。
背景技术
真空电子管作为一种大功率微波放大器在大科学工程、雷达、电子对抗等大功率微波电子设备中得到广泛的应用，为使电子管的阴极能够发射电子，通常需要事先采用灯丝电源加热灯丝烘烤阴极，并使其达到稳定的工作温度。
灯丝电源作为电子管的辅助电源之一，看似简单，实际上由于电子管灯丝的一些特殊性，给灯丝电源的设计和馈送带来一些特殊的要求，主要体现在三个方面：⑴、管子的灯丝在冷态和热态呈现不同的阻抗，冷态阻抗低，热态阻抗高，两者一般相差5-10倍，相同的电压加到管子的灯丝，在冷态和热态就会产生不同的电流，如果以热态的电压突然加到冷态的灯丝上，就会产生较大的电流冲击，对灯丝的寿命产生损伤，因此，在冷态时，就要给灯丝施加较低的电压，以不对灯丝产生电流冲击为佳，随着灯丝加电的持续，灯丝变热、阻抗也逐步升高，灯丝电压也需要逐步增加，因此，给灯丝加电需要经历电压由低到高、直至额定值的软启动过程。⑵、为了获得好的加热效率，灯丝与阴极距离很近，为减少管子的引出端，通常将管子的阴极与灯丝的一端连在一起，灯丝浮于高电位，因此，灯丝的馈电还要解决高压隔离的问题，最常见的隔离方法是采用变压器隔离。对于以阴调方式工作的电子管，很多时候需要采用脉冲变压器的双绕组次级来提供灯丝电源的隔离传输，这也是经典的灯丝馈电方式；对于采用控制极调制方式工作的电子管，其灯丝电源的隔离则只能采用专门设计的隔离变压器进行电位隔离。⑶、随着技术的发展，对电子管输出信号的稳定性要求越来越高，灯丝供电所产生的电磁场，特别是交流灯丝供电通过传输(隔离)变压器铁芯泄漏的磁场都会存在于灯丝周围，这些磁场对管子电子枪的工作会产生影响，扰动阴极表面附近的电子轨迹，使得电子注的生成和聚焦受到工频的扰动，对输出信号的稳定性产生影响，特别是使用工频灯丝时，电子注可能会受到工频频率的调制，实际上，当雷达系统对发射机的改善因子指标要求高于50dB时，灯丝供电对管子输出信号稳定性的影响将会上升到必须合理解决的地步，否则稳定性难以达到要求。
常用的灯丝电源主要有工频交流电源和直流电源两种，工频电源易于通过变压器进行电压变换匹配设计和电位隔离，便于馈送；采用直流电源随对电子束的影响小，输出信号稳定性更好，但馈送相对困难，尤其是灯丝电源功率较大时，其馈送难度进一步增加。
除氢闸流管、真空三极管和四极管以外，像速调管、行波管(TWT)、磁控管等电子管的灯丝的一端都是与阴极相连，并处于高电位的，无论是采用直流灯丝电源，还是采用交流灯丝电源，对这一高电位进行隔离都是不可避免的，只是隔离的方式、被隔离部分的组成有所不同而已。显然交流灯丝电源由于隔离、馈送方式的简便应用的相对较多。
鉴于交流灯丝电源可以通过隔离变压器获得电压隔离，也可以通过升压的方式来减小传输的有效电流，减小用来传输的脉冲变压器的次级线径，因此，在多数情况下交流灯丝电源成为灯丝电源的首选。
目前的工频交流电源，例如现代电子2000年第4期公开的文献《一种间断式交流灯丝电源》，用电机驱动调压器来实现灯丝电源的软启动、稳流输出，也可以实现零电压启动，但是由于灯丝电源的长期使用，不可避免地出现以下问题：①、调压器的电刷磨损老化，导致接触不良，电源输出存在断续；②、控制电机正反转的继电器频繁动作，导致机械疲劳，失效率上升；③、继电器控制电机转动进行闭环稳流的时延太长，不能完全匹配电网的波动；④、工频交流电源没有采用同步控制，工频灯丝供电泄露的电磁场对电子注产生影响，输出微波信号受到工频调制，微波信号稳定性受到限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术工频交流电源存在调压器碳刷磨损、继电器机械疲劳、闭环稳流的时延太长以及没有采用同步控制导致工频灯丝供电泄露的电磁场对电子注产生影响的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种工频同步灯丝电源，包括AC/DC电路、DC/DC电路、DC/AC电路、同步控制电路及闭环控制电路，所述AC/DC电路将工频输入转换为直流V1；所述DC/DC电路将直流V1转换为直流V2，直流V2作为闭环控制基准；DC/AC电路将直流V2转换为工频交流；同步控制电路在同步脉冲的控制下，对工频交流进行同步斩波；闭环控制电路包括输出电流取样电路、取样降比例电路及基准控制电路，输出电流取样电路对负载电流取样，并将取样的交流信号整流变换成直流反馈给DC/DC电路；取样降比例电路用于紧急开机时灯丝预热，在灯丝预热期间通过对取样的交流信号降比例从而提升输出电流；基准控制电路在每次开机时实现DC/DC电路的闭环控制基准从0逐步上升到稳定值，实现灯丝电源输出从0的软启动，关机时，基准控制电路将基准降到0。
本发明采用电子电路代替了传统的电机驱动调压器、继电器控制电机换向的机械式拓扑结构，克服了长期使用过程中调压器碳刷磨损、继电器机械疲劳等问题，实现了灯丝电源的从0开始软启动、稳态闭环稳流输出、紧急开机提升预热电流加速预热进程、同步控制等功能，为电子管灯丝的预热提供了一个符合规律要求的灯丝预热方法，进行闭环稳流的时延短，同步控制电路在同步脉冲的控制下，对工频交流进行同步斩波，灯丝电源停止输出，不对电子管的工频灯丝供电，在灯丝周围也就不存在工频电磁场，完全消除工频灯丝电源供电产生的电磁场对电子管电子束的影响，微波信号的稳定性显著提高。
进一步地，所述DC/AC电路对直流V2进行变换，输出单峰值为V2的工频交流电源。
进一步地，采用与真空电子管脉冲工作重复频率相同的同步信号对灯丝电源的输出进行同步斩波控制，斩波开关在真空电子管输出微波脉冲期间同步关断，此时，灯丝电源停止输出，不对真空电子管的工频灯丝供电。
进一步地，每次开机，控制DC/DC电路的闭环控制基准从0缓慢上升到设定值，与灯丝的取样交流信号进行闭环比较，逐步增加DC/DC电路的BUCK变换的占空比，实现灯丝电源输出电压的缓慢上升，使得真空电子管的灯丝从冷态渐变受热进入稳态。
更进一步地，所述闭环控制电路还设置有钳位电路，一旦灯丝电源关机，DC/DC电路的闭环控制基准立即被钳位电路钳位到零。
进一步地，紧急开机时，取样降比例电路将灯丝的取样交流信号幅度降低10％-20％，在整个预热过程中，灯丝输出电流增加10％-20％，在紧急开机的预热过程结束后，取样降比例电路自动恢复正常的灯丝电流取样，灯丝电流也恢复到正常工作电流。
进一步地，所述DC/AC电路输出交流频率50Hz或400Hz。
本发明的优点在于：
(1)本发明采用电子电路代替了传统的电机驱动调压器、继电器控制电机换向的机械式拓扑结构，克服了长期使用过程中调压器碳刷磨损、继电器机械疲劳等问题，实现了灯丝电源的从0开始软启动、稳态闭环稳流输出、紧急开机提升预热电流加速预热进程、同步控制等功能，为电子管灯丝的预热提供了一个符合规律要求的灯丝预热方法，进行闭环稳流的时延短，同步控制电路在同步脉冲的控制下，对工频交流进行同步斩波，灯丝电源停止输出，不对电子管的工频灯丝供电，在灯丝周围也就不存在工频电磁场，完全消除工频灯丝电源供电产生的电磁场对电子管电子束的影响，微波信号的稳定性显著提高。
(2)本发明通过AC/DC+DC/AC保持灯丝电源的工频交流特性，便于灯丝电源采用高压隔离变压器传输，通过DC/DC实现灯丝电源的0电压软启动、稳流控制。
(3)本发明采用与电子管脉冲工作重复频率相同的同步信号对灯丝电源的输出进行同步斩波控制，斩波开关在电子管输出微波脉冲(电子管工作)期间同步关断，此时，灯丝电源停止输出，不对电子管提供工频灯丝供电，在灯丝周围也就不存在工频电磁场，完全消除工频灯丝电源供电产生的电磁场对电子管电子束的影响。
(4)本发明每次开机，控制DC/DC电路的闭环控制基准从0缓慢上升到设定值(对应稳态闭环点)，与灯丝电流的取样进行闭环比较，逐步增加DC/DC-BUCK变换的占空比，实现灯丝电源输出电压的缓慢上升，过程持续约1分钟，使得电子管的灯丝从冷态渐变受热进入稳态，避免在冷态突加额定灯丝电压产生大电流冲击损伤灯丝；为避免开机软启动不是从零开始启动，对控制基准设置有钳位电路，一旦灯丝电源关机，基准立即被钳位到零，确保关机后立即开机也能从零开始软启动。
(5)在紧急状态，发射机需紧急开机，为使电子管尽快进入工作状态，灯丝控制电路自动将灯丝电流取样信号幅度降低10％-20％，从开机软启动过程开始，在整个预热过程中，灯丝电流均增加10％-20％，促使灯丝的预热速度加快、预热时间缩短、实现电子管阴极尽快达到工作状态，在紧急开机的预热过程结束后，控制电路自动恢复正常的灯丝电流取样，灯丝电流也恢复到正常工作电流，避免灯丝长时间工作在过热状态，对灯丝和阴极的寿命产生影响。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种工频同步灯丝电源的原理框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种工频同步灯丝电源，包括AC/DC电路1、DC/DC电路2、DC/AC电路3、同步控制电路4及闭环控制电路5。
所述AC/DC电路1主要包括整流电路和滤波储能电路，将工频输入转换为直流V1。
所述DC/DC电路2主要由BUCK变换器构成，将直流V1转换为直流V2，直流V2作为闭环控制基准，其中，在开机后直流V2由0逐步上升到稳定值，实现软启动，在稳态实现闭环稳流输出，都是在DC/DC这一级实现。
所述DC/AC电路3主要由逆变器构成，对直流V2进行变换，输出单峰值为V2的工频交流电，输出交流频率50Hz或400Hz，设定后不变，该电路开环工作，不进行闭环控制，阻性负载，但需要经历变压器隔离传输。通过AC/DC+DC/AC保持灯丝电源的工频交流特性，便于灯丝电源采用高压隔离变压器传输，通过DC/DC实现灯丝电源的0电压软启动、稳态的稳流控制。
所述同步控制电路4主要由输出脉冲控制的电子开关完成，采用与电子管脉冲工作重复频率相同的同步信号对灯丝电源的输出进行同步斩波控制，斩波开关在电子管输出微波脉冲(电子管工作)期间同步关断，此时，灯丝电源停止输出，不对电子管的工频灯丝供电，在灯丝周围也就不存在工频电磁场，完全消除工频灯丝电源供电产生的电磁场对电子管电子束的影响，也就不会对电子注产生工频调制。
所述闭环控制电路5包括输出电流取样电路、取样降比例电路及基准控制电路，输出电流取样电路对负载电流取样，并将取样的交流信号整流变换成直流反馈给DC/DC电路2，用于稳态、软启动期间的闭环取样；取样降比例电路用于紧急开机时灯丝预热，为缩短预热时间，在预热期间通过对取样信号的降比例达到提升输出电流的目的，加速管子预热的速度，减少预热时间，促成快速开机；基准控制电路在每次开机时实现DC/DC电路2的闭环控制基准从0逐步上升到稳定值，实现灯丝电源输出从0的软启动，在稳态时基准稳定、输出稳流，关机时，基准控制电路将基准降到0，以备下次开机时再次从零软启动。具体工作过程为：每次开机，控制DC/DC的闭环控制基准从0缓慢上升到设定值(对应稳态闭环点)，与灯丝电流的取样进行闭环比较，逐步增加DC/DC-BUCK变换的占空比，实现灯丝电源输出电压的缓慢上升，过程持续约1分钟，使得电子管的灯丝从冷态渐变受热进入稳态，避免在冷态突加额定灯丝电压产生大电流冲击损伤灯丝；为避免开机软启动不是从零开始启动，对控制基准设置有钳位电路，一旦灯丝电源关机，基准立即被钳位到零，确保关机后立即开机也能从零开始软启动。
灯丝电源具有应急提升输出功能，在紧急状态，发射机需紧急开机，为使电子管尽快进入工作状态，取样降比例电路自动将灯丝电流取样信号幅度降低10％-20％，从开机软启动过程开始，在整个预热过程中，灯丝电流均增加10％-20％，促使灯丝的预热速度加快、预热时间缩短、实现电子管阴极尽快达到工作状态，在紧急开机的预热过程结束后，取样降比例电路自动回复正常的灯丝电流取样，灯丝电流也恢复到正常工作电流，避免灯丝长时间工作在过热状态，对灯丝和阴极的寿命产生影响。
通过以上技术方案，本发明用整流滤波电路将来自电网的工频(50Hz、400Hz)交流转换成直流V1，实现AC/DC的转换；再用BUCK变换电路对直流V1进行DC/DC变换，通过采样输出电流与BUCK变换器的基准比较，实现DC/DC变换的闭环控制，并通过对基准信号的控制，实现灯丝电源的开机从0软启动、稳态闭环稳流控制；在紧急开机时，采用对输出电流取样降比例的措施，直流电压较正常开机时略有提升，适度提升电子管的灯丝电流，加速管子的预热进程，而不再仅仅靠管子欠热硬扛，在紧急开机预热结束后，电流取样恢复正常比例，灯丝进入正常工作状态；采用逆变电路将直流V2再还原成工频交流输出，使灯丝电源保留隔离、传输的便利性；采用受微波输出定时信号控制的电子开关，对输出的工频电源进行同步斩波，在微波输出期间斩断工频交流的输出，消除工频交流灯丝电源对管子电子注的影响，微波信号具有更好的稳定性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种工频同步灯丝电源，其特征在于，包括AC/DC电路、DC/DC电路、DC/AC电路、同步控制电路及闭环控制电路，所述AC/DC电路将工频输入转换为直流V1；所述DC/DC电路将直流V1转换为直流V2，直流V2作为闭环控制基准；DC/AC电路将直流V2转换为工频交流；同步控制电路在同步脉冲的控制下，对工频交流进行同步斩波；闭环控制电路包括输出电流取样电路、取样降比例电路及基准控制电路，输出电流取样电路对负载电流取样，并将取样的交流信号整流变换成直流反馈给DC/DC电路；取样降比例电路用于紧急开机时灯丝预热，在灯丝预热期间通过对取样的交流信号降比例从而提升输出电流；基准控制电路在每次开机时实现DC/DC电路的闭环控制基准从0逐步上升到稳定值，实现灯丝电源输出从0的软启动，关机时，基准控制电路将基准降到0。
2.根据权利要求1所述的一种工频同步灯丝电源，其特征在于，所述DC/AC电路对直流V2进行变换，输出单峰值为V2的工频交流电源。
3.根据权利要求1所述的一种工频同步灯丝电源，其特征在于，采用与真空电子管脉冲工作重复频率相同的同步信号对灯丝电源的输出进行同步斩波控制，斩波开关在真空电子管输出微波脉冲期间同步关断，此时，灯丝电源停止输出，不对真空电子管的工频灯丝供电。
4.根据权利要求1所述的一种工频同步灯丝电源，其特征在于，每次开机，控制DC/DC电路的闭环控制基准从0缓慢上升到设定值，与灯丝的取样交流信号进行闭环比较，逐步增加DC/DC电路的BUCK变换的占空比。
5.根据权利要求4所述的一种工频同步灯丝电源，其特征在于，所述闭环控制电路还设置有钳位电路，一旦灯丝电源关机，DC/DC电路的闭环控制基准立即被钳位电路钳位到零。
6.根据权利要求1所述的一种工频同步灯丝电源，其特征在于，紧急开机时，取样降比例电路将灯丝的取样交流信号幅度降低10％-20％，在整个预热过程中，灯丝输出电流增加10％-20％，在紧急开机的预热过程结束后，取样降比例电路自动恢复正常的灯丝电流取样，灯丝电流也恢复到正常工作电流。
7.根据权利要求1所述的一种工频同步灯丝电源，其特征在于，所述DC/AC电路输出交流频率50Hz或400Hz。
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