閃爍瓶法測氡儀的高壓電源電路設計

劉依楠，李躍忠

（東華理工大學 機械與電子工程學院，江西 撫州 344000）

在一般的核子物理實驗應用中,僅對高壓電路的穩定性、過載保護特性、負載能力等一些電特性要求較高,而對它的功耗大小、體積大小、重量則不予注意。但在空間觀測、野外勘探以及便攜式儀器設備等方面對其高壓供電電路的要求不僅追求電參數性能,而且對其功耗、重量、體積、可靠性等也有相應的要求。但是,諸多性能都要滿足也難以實現。因為它們之間相互矛盾、相互牽連。本文介紹的高壓電源電路是企圖滿足關鍵性能方面的要求,例如穩定性、可靠性、體積、負載能力。

1 MC34063電路原理

（1）MC34063的結構及特點。MC34063是一單片雙極型線性集成電路(圖1),專用于直流-直流變換器控制部分。片內包含有溫度補償帶隙基準源、一個占空比周期控制振蕩器、驅動器和大電流輸出開關,能輸出1.5 A的開關電流。能使用最少的外接元件構成開關式升壓變換器、降壓式變換器和電源反向器。

它具備如下特點:能在3.0～40 V 的輸入電壓下工作;短路電流限制;低靜態電流;輸出開關電流可達1.5 A(無外接三極管);輸出電壓可調;工作振蕩頻率從100 Hz到100 kHz。

圖1 MC34063的引腳及原理框圖

（2）MC34063的工作原理。振蕩器通過恒流源對外接在CT管腳(3腳)上的定時電容不斷地充電和放電以產生振蕩波形。充電和放電電流都是恒定的,振蕩頻率僅取決于外接定時電容的容量。與門的C輸入端在振蕩器對外充電時為高電平,D輸入端在比較器的輸入電平低于閾值電平時為高電平。當C和D輸入端都變成高電平時觸發器被置為高電平,輸出開關管導通;反之當振蕩器在放電期間,C輸入端為低電平,觸發器被復位,使得輸出開關管處于關閉狀態。電流限制通過檢測連接在VCC和5腳之間電阻上的壓降來完成功能。當檢測到電阻上的電壓降接近超過300mV時,電流限制電路開始工作,這時通過CT管腳(3腳)對定時電容進行快速充電以減少充電時間和輸出開關管的導通時間,結果是使得輸出開關管的關閉時間延長。

（3）MC34063升壓變換器電路。為了配合整個儀器的電源供電要求，本設計中使用的12V蓄電池供電，如圖2所示，利用DC-DC轉換器MC34063芯片實現13.5V輸出，為高壓產生電路提供工作電壓。

根據設計所需要的電壓值進行推導計算,輸出電壓,通過不斷重復的實驗數據說明該輸出具有很好的穩定性。

2 高壓產生電路

（1）高壓電源變換器。由于本課題是采用閃爍瓶法測氡，光電倍增管需要在-820V的高壓環境下工作，故要采用雙電源供電，這些高壓的獲取方式和低壓直流電源的獲取方法基本相同，但是它也有它自己的特點。①輸出高壓后，這時就不能從變換器開關管的集電極輸出，而必須通過升壓變換器將反峰電壓升壓后再經四倍壓整流來獲得。②這些高壓是供給閃爍探測器使用的，所以對它的電源穩定度要求相當高，必須采用高壓穩定電路。變換器中都設計有穩壓控制電路，為減小功耗，穩壓電路不可能安排一個專用的取樣電路，而利用光電倍增管的分壓電阻網絡作取樣電路，從輸出的高壓直流電中取樣，與基準電壓比較放大后控制變流器的Ib，從而調整、穩定輸出直流電壓。

圖2 MC34063升壓變換器電路

如圖 3 所示，B1,B2 輸入 13.5V， 與 A1、C4、BG5、BG4 兩個晶體管構成整個高壓產生電路的供電電源模塊，其中BG4晶體管作為開關管，電位器A1在整個電路輸出電壓調節中起到粗調的作用。

由 C10、R13、D7、R22組成了過載保護電路，以防止漏感造成的尖峰電壓破壞功率開關管。當開關管截止時,高頻變壓器初級線圈電感中會產生一個高壓尖峰,電容或可以緩和該電壓上產生的速度和電壓峰值。

（2）間歇振蕩器。 由 BG8、R14、R15、R16、R21、D5 構成了恒流源電路，BG6、BG7、脈沖變壓器T1的集電極繞組Lc和基極繞組Lb組成直流變換器，其中晶體管BG6作為振蕩管，BG7作為開關管，R17為BG7的偏置，集電極繞組也就是主振繞組，而基極繞組為反饋繞組，電位器A2在整個電路輸出電壓調節中起到細調的作用。脈沖變壓器一般選用鐵氧體磁芯，這種直流變換器將振蕩器、開關管和儲能電感組合在一起，形成一種間歇振蕩器。它們的工作過程分析如下：①振蕩波形的前沿。接通電源后晶體管BG7導通，出現集電極電流Ic，集電極電壓Vc也開始下降。變化的Ic在電感Lc上產生一個感生電壓U，U又在基極繞組Lb上感應出電壓U1,U1的方向使晶體管BG7基極電位更正，集電極電流進一步增大，形成了一個雪崩式的正反饋過程，過程的結果使晶體管急劇飽和，Uc近似為0，形成脈沖很陡的前沿。②平頂階段。晶體管飽和后，集電極電流Ic隨時間變化線性增加。E越大，Lc越小，Ic增長的也越快。當Ic增長到臨界飽和值βIb以后，Ic不在增加。在這一瞬間感生電勢為零。U1趨于0導致Ib減小，使晶體管開始退出飽和區，脈沖平頂階段結束。③振蕩波形的后沿。平頂階段一結束，Ic隨著Ib一起減小，于是U1反向，導致Ic、Ib的進一步減小，這就又引起了另一個正反饋過程，反饋的結果使晶體管BG7迅速截至，形成了振蕩波形極陡的后沿。在這一過程中，由于集電極電流迅速截至為0，Ic的急劇變化在Lc上產生幅度很大的感應電壓。和電源電壓疊加在一起形成幅度可能超過電源電壓幾倍的反沖電壓。④恢復過程晶體管BG7截至后，U1逐漸減小，Ub上升到晶體管導通閘值時，晶體管BG7開始導通，形成第二個振蕩波形的前沿。

（3）倍壓整流電路。 由 C6、C7、C8、C9、D1、D2、D3、D4、R11、C5組成4倍壓全波整流電路。當周期是正半周時，D2、D4導通，D1、D3截止，其中C8、D2組成一路回路形成單項脈沖電流；C9、D4、C7形成一路回路形成單項脈沖電流，再同極性疊加形成單項電流提供給負載R11。當周期是負半周時，D1、D3 導通，D2、D4 截止，其中 C6、D1、C8 組成一路回路形成單項脈沖電流；C9、D3形成一路回路形成單項脈沖電流，再同極性疊加形成單項電流提供給負載R11，C5作為濾波電容。全波整流電路效率高，電源利用率高，輸出電流脈動較小、直流品質較好，與半波相比能提供給負載較大更穩定的電流。

（4）高壓的獲得。電路利用升壓變壓器T1將反沖電壓升壓，升壓后再經過四倍壓整流濾波電路進行倍壓、整流、濾波，從而獲得上千伏的直流負高壓，通過調節電位器A1、A2得到需要的-820伏的高壓提供給光電倍增管工作。

3 結語

圖3 高壓產生電路

高壓電源不僅是在物理實驗、空間物理實驗學科中廣泛被應用，而且在其他領域的電子儀器中也是不可缺少的組成部分，其性能的優劣，關系到實驗的質量或電子儀器性能的好壞。

實驗表明，本文設計的基于閃爍瓶法的便攜式測氡儀的高壓產生電路，無論在效率、體積、重量及成本等方面，還是在調試、制作、穩定性等方面均有較優越之處。應用前景更加廣泛。它除了與光電倍增管、電離室、半導體探測器等配合適用于粒子物理、高能物理和核物理實驗外，還適合于高能天體物理觀測，空間探測，野外勘探儀器以及激光和醫療儀器設備等。

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