HU194421B - High-voltage supply unit for supplying regulable output high voltege, advantegously for operating ion- or electron ray processing and evaporating apparatus of low power - Google Patents

Description

A találmány tárgya egy olyan stabilizált nagyfeszültségű tápegység, amely kimenő nagyfeszültsége tág határok között szabályozható, miközben a beállított kimenő áram változó terhelés ellenére is konstans marad. A nagyfeszültségű tápegységnek ellenütemű meghajtó áramkörről táplált nagyfeszültségű egyenirányítója, a meghajtóáramkör ellenütemű szélességmodulált vezérlő jeleit szolgáltató vezérlő áramköre és a kimenő nagyfeszültségről vett leosztott feszültség- és áramjeleket feldolgozó hibajelfeldolgozó áramköre van, melynek kimenőjele képezi a vezérlő áramkör vezérlőjelét, a tápegység egyes áramköreinek működtetését biztosító tápfeszültséget egy stabilizált kisfeszültségű tápforrás szolgáltatja.

Nagyfeszültségű tápegységek kialakítására számos megoldás ismeretes, ezek egy része szabályozható kimenő feszültséget szolgáltat.

A változó terhelési viszonyoknak legjobban az impulzusszélesség modulált ellenütemű kapcsolóüzemű tápegységek felelnek meg, amelyek jól szabályozható kimenő feszültséget szolgáltatnak. Ezeket a tápegységeket általában kisfeszültségű kimenetre készítik, mint pl. „Ferenczi Ödön: Kapcsoló üzemű tápegységek, (MK. Bp. 1978.)” c. könyvének 22 fejezetében ismertetett LAMBDA cég által gyártott tápegység.

A tápegységnél az ellenütemű invertert eDenütemfi vezérlőjelekkel két NOR-kapu hajtja meg, melyek a szélességmodulált jelet szétosztják. A szélességmodulált jelet egy oszcillátor jeléből egy vezérelt komparátor állítja elő. A komparátor vezérlését egy a tápegység DC kimenetére csatlakoztatott szabályozó és áramhatároló erősítő végzi. A jelszétosztást ugyanazon oszcillátorról meghajtott, bistabil multi vibrátor vezérli.

A szélességmodulált inverter transzformátoros leválasztáson keresztül táplálja a kimeneti egyenirányítót és szűrőt, amely a kimenő DC feszültséget állítja elő. A kimeneti egyenirányító kialakítása igen sokféle lehet, az egyszerű egyutas egyenirányítótól a feszültségtöbbszöröző kapcsolásig. Egyes esetekben, mikor a kimeneti transzformátor soktekercses szekunder oldallal rendelkezik, a nagyfeszültség előállítható additív feszültségsokszorozóval is.

A nagyfeszültségű tápegységek kialakításánál a problémák akkor jelentkeznek, amikor a nagyfeszültségű oldalon egyidejűleg több ellentétes követelményt kell kielégíteni. A kompromisszumos megoldásnak a következőket kell teljesítenie:

- széles tartományban változtatható stabilizált kimenő nagyfeszültség,

- a kimenő feszültségtől független, beállítható, konstans kimenőáram,

- változó terhelés mellett állandó áram és feszültség,

- gyors zárlatok (ionlavina okozta) elviselése károsodás nélkül,

- minimális hullámosság.

Ezek a követelmények megvalósítása az ismert megoldásoknál megvalósíthatatlanok, mivel a gyors változásokra történő megfelelő reagálásokra a kimeneti szűrőt el kellene hagyni, ez viszont megengedhetetlen hullámossághoz, valamint zárlatérzékenységhez vezetne. A változó terhelés mellett a konstans áram és feszültség biztosítása ugyancsak ellentétes követelmények, melyet viszont megfelelő kimeneti impedancia megléte esetén lehet csak biztosítani megfelelő szabályozással, ehhez viszont a kimeneti RLC kör megléte szükséges, A változtatható, de stabilizált Idmenőfeszültségtől független beállítható kimenőáram egyidejű biztosítása az ismert szabályozó áramkörök felhasználásával nem oldható meg, mivel azokkal vagy az egyik, vagy a másik konstans szintentartása mellett tudnak csak működni.

Az előzőkben vázolt egymásnak ellentmondó feltételek egyidejű biztosításához szükséges áramkör létrehozásához az alábbi felismerések vezettek:

- a kimeneti szűrővel kapcsolatos ellentmondások feloldhatók úgy, hogy a szűrőt áttranszformáljuk a nagyfeszültségű transzformátor primer oldalára, s ott hozzuk létre.

— Ezt az áttranszformált szűrőt úgy kell kialakítani, hogy az egyidejűleg csillapítsa a meghajtó áramkörben fellépő oszcillációt, s így a nagyfeszültségű oldali hullámosságot minimálisra csökkenti.

— A hiba-érzékelő áramkörben, korrelációt kell biztosítanunk a nagyfeszültségű kimenet kimenő árama és kimenő feszültsége között úgy, hogy egyben ugyanezen áramkörben állítjuk be a feszültség és áram megkívánt állandó szinten tartandó értékét Is.

— Az inverter üzemi frekvenciát úgy kell megválasztani, hogy az azonos legyen a nagyfeszültségű transzformátor által meghatározott primerkör önfrekvenciájával.

Találmányunk tehát egy folyamatosan szabályozható kimenő nagyfeszültséget szolgáltató nagyfeszültségű tápegység, előnyösen kisteljesítményű ion-, illetve elektronsugaras megmunkáló és párologtató berendezések működtetésére, amelyben hibajel feldolgozó áramkör jelkimenetére vezérlőjel bemenetével csatlakozó vezérlő áramkör, ennek ellenütemű vezérlőjel kimeneteire vezérlőjel bemenetéivel kapcsolódó meghajtó áramkör van. A meghajtó áramkör két ellenütemű primer tekerccsel rendelkező nagyfeszültségű transzformátoron keresztül nagyfeszültségű egyenirányítóhoz csatlakozik,amelynek egyik nagyfeszültségű kimenő pontja kimeneti feszültségmintavevő osztón keresztül egyrészt a kimenő nagyfeszültségű kapocsra, másrészt a hibajelfeldolgozó áramkör feszültség jelbemenetére van kötve. A másik nagyfeszültségű kimenő pontja, egyrészt egy nagyfeszültségű kondenzátoron keresztül a berendezés közösített földpotenciálú pontjára, másrészt a hibafeldolgozó áramkör áramjelbemenetére csatlakozik. A berendezés egyes áramköri egységeinek tápfeszűltségkapcsai a tápfeszültségeket szolgáltató kisfeszültségű tápforrásra vannak rákötve, mimellett a nagyfeszültségű tápegység egyes áramköri egységei mindegyikének földpontja közösített földpotenciálú kapocsra csatlakozik. A megoldás lényege abban van, hogy a meghajtó áramkör vezérlő bemenetelre egy-egy vezérelt kapcsoló vezérlő bemenete kapcsolódik, amely vezérelt kapcsolók nem földpotenciálra kötött csatlakozói egy nagyfeszültségű transzformátor egy-egy primer tekercsének egyik végeire csatlakoznak, amely primer tekercsek másik végei egy-egy transzformátor szekunder tekercsein át kapcsolódnak a kisfeszültségű tápforrás tápfeszültség kapcsára. Ezen transzformátorok primer tekercseinek egyik végei közösítettek és a földpontra csatlakoznak, míg a másik végeik egyrészt egy-egy diódán át a tápfeszültség kapocsra, másrészt egy-egy soros RC tagon keresztül a földpontra vannak kötve.

A találmányunk szerinti nagyfeszültségű tápegység előnyösen úgy alakítható ki, hogy a vezérlő áramkör szabadonfutó oszcillátorból ennek jelkimenetére párhuzamosan csatlakozó jelformáló egységből és kapu-2vezérlő áramkörből, továbbá feszültségvezéreit modulátorból és két kimenőjel szétosztó és-kapuból van felépítve, ahol a jelformám egység kimenete a modulátor vivő jelbemenetére, a kapu vezérlő áramkör vezérlő kimenetei az ÉS-kapuk egy-egy bemenő kapcsára vannak kötve, amely ÉS-kapuk másik bemenő kapcsai közösítve a modulátor kimenetére csatlakoznak és a modulátor moduláló bemenete képezi a vezérlő áramkör vezérlőjel bemenetét.

A találmányunk szerinti nagyfeszültségű tápegység hibajel feldolgozó áramköre előnyösen úgy alakítható ki, hogy az áramjel bemenet egy árambeállító potendométeren keresztül a földpontra van kötve, amely potendométer leszedője egy áramhatároló zénerdiódán keresztül egy első hibaerősítő egyik bemenetére csatlakozik, amely hibaerősítő másik bemenete referenda feszültség fonásra kapcsolódik, mimellett a zénerdióda és a hibaerősítő bemenetének közös pontja egy ellenálláson keresztül földpontra van kötve, és ezen hibaerősítő kimenete egy feszültségbeállító potenciométeren keresztül ugyancsak a földpontra csatlakozik, amely potenciométer leszedője egy második hibaerősítő egyik bemenetével van összekötve és ezen hibaerősítő másik bemenete a hibajel feldolgozó áramkör feszültségjel bemenetét képezi és a második (íibaerősítő kimenete az áramkör jelkimenete.

Találmányunkat részletesebben az ábrák alapján magyarázzuk, ahol

1. ábra az ismert impulzusszélesség modulált ellenütemű kapcsolóüzemű tápegység,

2. ábrán a találmányunk szerinti kialakítású tápegység áramköri vázlata látható.

Amint az az 1. ábrán látható, az ismert megoldásnál a tápegység 1 kisfeszültségó tápáramköre szolgáltatja a berendezés működtetéséhez szükséges tápfeszültségeket (az ábrán csak a 2 inverter nagyáramú tápfeszültség kapcsolata van jelezve).

A tápegység 2 inverterének vezérlését a 7 bistabil multivibrátor által irányított 9 és 10 NOR-kapuk által szétosztott ellenütemű szélesség modulált vezérlőjelek végzik. A szélesség modulált vezérlőjeleket a 8 oszcillátor jeléből a feszültségvezéreit 6 impulzusszélesség modulátor állítja elő a 12 hibaerösítő által all DC kimenetről és a 13 referendafeszültségforrásból kapott jelek által meghatározottan. Az impulzusszélesség modulált ellenütemű vezérlő jelek által vezérelt 2 inverter a 3 transzformátoron, melynek feladata a galvanikus leválasztás és feszültségmódosítás, keresztül meghajtja a 4 egyenirányítót, melynek kimenőjele a tároló és szűrő feladatokat ellátó LC vagy LRC 5 szűrőn keresztül, mint simított egyenáram kerül a tápegység 11 DC kimenetére.

A találmányunk szerinti megoldású tápegység, melynek felépítése a 2. ábrán látható, sok tetóntetben hasonló felépítésű.

Az alapvető eltérések az Ismert és a találmányunk szerinti új megoldás között az alábbiakban foglalhatók ősze:

- az ellenütemű MH meghajtó áramkör felépítése alapvetően eltér a 2 inverter kialakítástól, mivel itt valósul meg az energiatárolás a „kimenőjelek szűrése és a káros oszdlláció csillapítása is.

- Elmarad az 5 szűrő a 4 egyenirányítónak megfelelő NE nagyfeszültségű egyenirányító után.

— AH hibajelfeldolgozó áramkör felépítése eltér a hasonló rendeltetésű és a 12 hibaerősítőből és 13 referenda feszültségforrásból álló egységtől, mivel az új megoldásnál a kimeneti nagyfeszültség beállításf nem a referenciajel változtatásával történik, hanem a visszacsatolt áram és feszültségjelek, valamint a konstans referendajel közötti korreládó módosításával.

A találmányunk szerinti nagyfeszültségű tápegységben V vezérlő áramkör szolgáltatja a MH meghajtó áramkör ellenütemű szélességmodulált vezérlő jeleit.

A V vezérlő áramkörben a szabadonfutó 0 oszcillátor által szolgáltatott jelek egyrészt a KV kapuvezérlő áramkör bemenetére, másrészt a S jelforma6 áramkörön keresztül a feszültségvezérlet M modulátor vivőjel bemenetére kerülnek. A KV kapuvezérlő áramkör a szélességmodulált vezérlőjelek szétosztását végző KI és Κ2 ES-kapukat vezérlik, amelyek másik bemenetelre az M modulátor impulzusszélesség modulált kimenőjelei kerülnek. A KI és K2 ÉS-kapuk kimenetéi a V vezérlő áramkör ellen ütemű vezérlőjel kimenetét, míg vezérlőjel bemenetét az M modulátor moduláló bemenete képezi.

A H hibajel feldolgozó áramkör jelkimenete a V vezérlőáramkör vezérlőjel bemenetére van kötve. A H hibajelfeldolgozó áramkör feszültségjelbemenete tgy árambeállító Pl potendométeren keresztül a földpontra, áramjel bemenete pedig a második HE2 liibaerősítő egyik bemenetére van kötve. API potenáométer leszedője az áramhatároló Z zéneraiódán keresztül az első HE1 hibaerősítő egyik bemenetére csatlakozik, amely bemenet az R5 ellenálláson keresztül földpontra van kötve. Az első HE1 hibaerősítő másik bemenetére az UR referenda feszültségforrás kapcsolódik, míg a HE1 hibaerősítő kimenete a feszültség beállító P2 potendométeren keresztül földpontra van csatlakoztatva. Ezen P2 potendométer leszedője pedig a második HE2 hibaerősítő másik bemenetére van kötve, és ennek kimenete képezi a H hibajelfeldolgozó áramkör jelkimenetét.

A V vezérlő áramkör ellenütemű szélességmodulált vezérlőjeleinél a négyszögjelek szélességet az M modulátorra adott feszültség vezérli, és ennek létrejötténél a kimenő áram nagyságát a Pl potendométer, a kimenő nagyfeszültséget a P2 potendométer segítségével lehet beállítani, míg a Z zénerdióda a minimálisan beállítható kimenőáram nagyságát határozza meg.

A H hibajelfeldolgozó áramkör kimenő jelében így a Pl és P2 potendométerek és a Z zénerdióda nyitófeszültsége által meghatározott korreládó jelenik meg, a referenda feszültséghez viszonyítva. Mivel a H liibajelfeldolgozó áramkör a nagyfeszültségű kimenettel van kapcsolatban, a beállított áram- és feszültségértékek külső hatásokra bekövetkező módosulása esetén a keletkező hibajel a vezérlőjeleket úgy változtatja, hogy az eredeti állapot helyreálljon, s tekintve, hogy a kimeneti szűrő, s így annak induktivitása hiányzik, ennek tároló hatása nem érvényesül, a szabályozás rendkívül gyorsan működik.

A MH meghajtó áramkör az ellenütemű vezérlőjelek az ME1, illetve ME2 meghajtó erősítőn keresztül a VK1, illetve VK2 vezérelt kapcsolók vezérlő bemenetelre kerülnek. A VK1 és VK2 vezérelt kapcsolók a NTr nagyfeszültségű transzformátor egy-egy primer tekercsét kötik össze — a vezérléstől függően —,a földponttal.

Az NTr nagyfeszültségű transzformátor primer tekercseinek másik végei egy Trl, illetve Tr2 transzformátor szekunder tekercsén keresztül a berendezés kisfeszültségű tápforrásainak U₂ tápfeszültség kapcsára

-3194.421 vannak kötve. Ezen Trl és Ti2 transzformátorok primer tekercselnek egyik végei közösítve a földpotenciálra van kötve, míg másik végei egyrészt egy-egy nyitóirányú Dl, illetve D2 diódán keresztül ugyancsak az Ut tápfeszültség kapocsra csatlakoznak, ugyanakkor ezek a másik végek egy-egy RÍ ellenállásból és Cl kondenzátorból, illetve R2 ellenállásból és C2 kondenzátorból álló soros RC tagon keresztül földpotenciálra vannak kötve.

Az ellenütemű szélességmodulált vezérlő jelek a VK1, illetve VK2 vezérelt kapcsolókat működtetik felváltva, s így a NTr nagyfeszültségű transzformátornak hol az egyik, hol a másik primer tekercsét kapcsolják rá a megfelelő Trl, illetve Tr2 transzformátor szekunder tekercsén keresztül a tápfeszültségre. A bekapcsolás pillanatában Trl,illetve Tr2 transzformátorok szekunder tekercse induktivitásként megakadályozza, hogy az NTr nagyfeszültségű transzformátor primer tekercsére az impulzus futóéle megjelenjen, így a nagyfeszültségű tekercsen sem jelenik meg a nagyfeszültségű impulzus. A NTr nagyfeszültségű transzformátor primer tekercse egy meghatározott kapacitással rendelkezik, s ez párhuzamosan kapcsolódik a tekerccsel. Ez a kondenzátor a Trl, illetve Tr2 transzformátor szekunder tekercsén, mint induktivitáson keresztül kezd feltöltődni. A feltöltődés idejét, s így feszültséget is a vezérlő négyszögjel szélessége határozza meg. Ilymódon meghatározott nagyságú feszültség jelenik meg a NTr nagyfeszültségű transzformátor primer tekercsen s az áttételnek megfelelően a szekunder tekercsen is nagyfeszültség formájában.

A VK1, illetve VK2 vezérelt kapcsoló kikapcsolódása után a TR1, illetve Tr2 transzformátorok szekunder tekercsében tárolt energiát az áramkör a Dl, illetve D2 diódán keresztül visszatáplálja a tápforrásba. Az ide csatlakozó soros RC körök a nagyfrekvenciás tranzienseket és rezgéseket csillapítják.

A fentiekben leirt működésmód azonban csak akkor lehetséges, ha a NTr nagyfeszültségű transzformátort tartalmazó áramkör párhuzamos saját frekvenciájával megegyező frekvenciájú az ellenütemű vezérlőjel.

Látható tehát, hogy az NTr nagyfeszültségű transzformátoron folyó primer áram időbeli változását az áramkör saját impedanciái, valamint a vezérlőjel hoszsza határozza meg, így egy a vezérlőjeltől függő amplitúdójú (nullától a tápfeszültségig) fűrészjel jellegű feszültség keletkezik. Ez a kapcsolás így elegendő időt ad a H hibajelfeldolgozó áramkörből és a V vezérlő áramkörből álló szabályozó rendszernek a beavatkozásra.

Az NTr nagyfeszültségű transzformátor szekunder tekercse táplálja az NE nagyfeszültségű egyenirányítót, amely a szokásos kialakításban pl. fes-ültségkétszere ző áramkör lehet.

Az NE nagyfeszültségű egyenirányító egyik kimenete a soros korlátozó R₃ ellenálláson keresztül csatlakozik a nagyfeszültséget szolgáltató UN nagyfeszültségű kapocsra. Ugyanezen kimenőpontra kapcsolódik az R4 ellenálláson keresztül a H hibajelfeldolgozó áramkör feszültségiel bemenete.E megoldásnál az R3 és R4 ellenállások képezik a feszültségmintavevő osztót. A soros R3 ellenállás zárlat esetén korlátozza a zárlati áramot.

Az NE nagyfeszültségű egyenirányító másik kimenete egy C3 kondenzátoron keresztül a készülék közösített földpontjára csatlakozik. Ugyancsak ezen másík kimenetre van kötve a H hibajelfeldolgozó áramkör áramjel bemenete.

A találmányunk szerinti kapcsolási elrendezésű nagyfeszültségű tápegység azzal az előnyös tulajdonsággal rendelkezik, hogy a kimenő nagyfeszültség széles tartományban történő beállítása mellett a kimenő áram állandó marad, s ugyanakkor ezt nem a nagyfeszültségű egyenirányítón vagy ezt meghajtó áramkörön disszipált teljesítmény változtatásával éri el. A megvalósított tápegységnél a konveziós hatásfok 80% fölötti, a kimenő teljesítménytől függetlenül. Ugyanakkor az áram gyakorlatilag rövidzárnál is konstans marad. Ezen megoldás másik előnye a megépített készülék teljesítményhez viszonyított csekély súlya és mérete.

Claims (2)

1. Folyamatosan szabályozható kimenő nagy feszültséget szolgáltató nagyfeszültségű tápegység, előnyösen kisteljesítményű ion-, illetve elektronsugaras megmunkáló és párologtató berendezések működtetésére , amelyben hibajel feldolgozű áramkör jelkimenetére vezérlőjel bemenetével csatlakozó vezérlő áramkör, ennek ellenütemű vezérlő jelkimeneteire vezérlő-jelbemeneteivel kapcsolódó meghajtó áramkör van, amely meghajtó áramkör két ellenütemű primer tekerccsel rendelkező nagyfeszültségű transzformátoron keresztül nagyfeszültségű egyenirányítóhoz csatlakozik, amelynek egyik nagyfeszültségű kimenő pontja kimeneti feszültség-mintavevő osztón keresztül egyrészt a kimenő nagyfeszültségű kapocsra, másrészt a hibajelfeldolgozó áramkör feszültség jelbemenetére van kötve, míg másik nagyfeszültségű kimenő pontja egyrészt egy nagyfeszültségű kondenzátoron keresztül a berendezés közösített földpotenciálú pontjára, másrészt a hiba-jelfeldolgozó áramkör áramjelbemenetére csatlakozik, és a berendezés egyes áramköri egységeinek tápfeszültség kapcsai a tápfeszültségeket szolgáltató kisfeszültségű tápforrásra vannak rákötve, mimellett a nagyfeszültségű tápegység egyes áramköri egységei mindegyikének földpontja közösített földpotenciálú kapocsra csatlakozik, azzal jellemezve, hogy a meghajtó áramkör (MH) ellenütemű vezérlőjel bemenetel, előnyösen egy-egy meghajtó- erősítőn (ME1 és ME2) keresztül, egy-egy vezérelt kapcsoló (VK1, VK2) vezérlő bemenetére vannak kötve, amely vezérlő kapcsolók (VK1 és VK2) egyik kapcsai földpontra, másik kapcsai a nagyfeszültségű transzformátor (NTr) egy-egy primer tekercsének egyik végeire csatlakoznak, amely primer tekercsek másik végei egy-egy transzformátor (Trl és Tr2) szekunder tekercsein át kapcsolódnak a kisfeszültségű tápforrás tápfeszültség kapcsára (Ut), és ezen transzformátorok (Trl és Tr2) primer tekercseinek egyik végei közösítettek és a földpontra csatlakoznak, míg másik végeik egyrészt egy-egy diódán (Dl, illetve D2) át a tápfeszültség kapocsra (Ut), másrészt egy-egy soros PC tagon keresztül a földpontra vannak kötve.

2. Áz 1 .igénypont szerinti nagyfeszültségű tápegység, azzal jellemezve, hogy a hibajelteldolgozó áramkörben (H) az áramjel bemenet egy árambeállító potendométeren (PJ keresztül a földpontra van kötve, amely potendométer (Pj) leszedője egy áramhatároló zénerdlódán (Z) keresztül egy első hibaerősítő (HE1) egyik bemenetére csatlakozik, amely hibaerősítő (HE1) másik bemenete referencia

-4194.421 feszültség forrásra (UR) kapcsolódik, mimellett a zénerdióda (Z) és a hibaerősitő (HE 1) be menetének közös pontja egy ellenálláson (R5) keresztül földpontra van kötve, és ezen hibaerősitő kimenete egy feszültségbeállító potendométeren (P2) keresztül ugyancsak a földpontra csatlakozik, amely potendométer (P2)

Iestedője egy másik hibaerősitő (HE2) egyik bemenetével van összekötve, és ezen hibaerősitő (HE2) másik bemenete a hibajel feldolgozó áramkör (H) feszültségjel bemenetét képezi és a második hibaerősitő (H2) kimenete az áramkör jelkimenete.