闪烁瓶法测氡仪的高压电源电路设计

刘依楠，李跃忠

（东华理工大学 机械与电子工程学院，江西 抚州 344000）

在一般的核子物理实验应用中,仅对高压电路的稳定性、过载保护特性、负载能力等一些电特性要求较高,而对它的功耗大小、体积大小、重量则不予注意。但在空间观测、野外勘探以及便携式仪器设备等方面对其高压供电电路的要求不仅追求电参数性能,而且对其功耗、重量、体积、可靠性等也有相应的要求。但是,诸多性能都要满足也难以实现。因为它们之间相互矛盾、相互牵连。本文介绍的高压电源电路是企图满足关键性能方面的要求,例如稳定性、可靠性、体积、负载能力。

1 MC34063电路原理

（1）MC34063的结构及特点。MC34063是一单片双极型线性集成电路(图1),专用于直流-直流变换器控制部分。片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出开关,能输出1.5 A的开关电流。能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。

它具备如下特点:能在3.0～40 V 的输入电压下工作;短路电流限制;低静态电流;输出开关电流可达1.5 A(无外接三极管);输出电压可调;工作振荡频率从100 Hz到100 kHz。

图1 MC34063的引脚及原理框图

（2）MC34063的工作原理。振荡器通过恒流源对外接在CT管脚(3脚)上的定时电容不断地充电和放电以产生振荡波形。充电和放电电流都是恒定的,振荡频率仅取决于外接定时电容的容量。与门的C输入端在振荡器对外充电时为高电平,D输入端在比较器的输入电平低于阈值电平时为高电平。当C和D输入端都变成高电平时触发器被置为高电平,输出开关管导通;反之当振荡器在放电期间,C输入端为低电平,触发器被复位,使得输出开关管处于关闭状态。电流限制通过检测连接在VCC和5脚之间电阻上的压降来完成功能。当检测到电阻上的电压降接近超过300mV时,电流限制电路开始工作,这时通过CT管脚(3脚)对定时电容进行快速充电以减少充电时间和输出开关管的导通时间,结果是使得输出开关管的关闭时间延长。

（3）MC34063升压变换器电路。为了配合整个仪器的电源供电要求，本设计中使用的12V蓄电池供电，如图2所示，利用DC-DC转换器MC34063芯片实现13.5V输出，为高压产生电路提供工作电压。

根据设计所需要的电压值进行推导计算,输出电压,通过不断重复的实验数据说明该输出具有很好的稳定性。

2 高压产生电路

（1）高压电源变换器。由于本课题是采用闪烁瓶法测氡，光电倍增管需要在-820V的高压环境下工作，故要采用双电源供电，这些高压的获取方式和低压直流电源的获取方法基本相同，但是它也有它自己的特点。①输出高压后，这时就不能从变换器开关管的集电极输出，而必须通过升压变换器将反峰电压升压后再经四倍压整流来获得。②这些高压是供给闪烁探测器使用的，所以对它的电源稳定度要求相当高，必须采用高压稳定电路。变换器中都设计有稳压控制电路，为减小功耗，稳压电路不可能安排一个专用的取样电路，而利用光电倍增管的分压电阻网络作取样电路，从输出的高压直流电中取样，与基准电压比较放大后控制变流器的Ib，从而调整、稳定输出直流电压。

图2 MC34063升压变换器电路

如图 3 所示，B1,B2 输入 13.5V， 与 A1、C4、BG5、BG4 两个晶体管构成整个高压产生电路的供电电源模块，其中BG4晶体管作为开关管，电位器A1在整个电路输出电压调节中起到粗调的作用。

由 C10、R13、D7、R22组成了过载保护电路，以防止漏感造成的尖峰电压破坏功率开关管。当开关管截止时,高频变压器初级线圈电感中会产生一个高压尖峰,电容或可以缓和该电压上产生的速度和电压峰值。

（2）间歇振荡器。 由 BG8、R14、R15、R16、R21、D5 构成了恒流源电路，BG6、BG7、脉冲变压器T1的集电极绕组Lc和基极绕组Lb组成直流变换器，其中晶体管BG6作为振荡管，BG7作为开关管，R17为BG7的偏置，集电极绕组也就是主振绕组，而基极绕组为反馈绕组，电位器A2在整个电路输出电压调节中起到细调的作用。脉冲变压器一般选用铁氧体磁芯，这种直流变换器将振荡器、开关管和储能电感组合在一起，形成一种间歇振荡器。它们的工作过程分析如下：①振荡波形的前沿。接通电源后晶体管BG7导通，出现集电极电流Ic，集电极电压Vc也开始下降。变化的Ic在电感Lc上产生一个感生电压U，U又在基极绕组Lb上感应出电压U1,U1的方向使晶体管BG7基极电位更正，集电极电流进一步增大，形成了一个雪崩式的正反馈过程，过程的结果使晶体管急剧饱和，Uc近似为0，形成脉冲很陡的前沿。②平顶阶段。晶体管饱和后，集电极电流Ic随时间变化线性增加。E越大，Lc越小，Ic增长的也越快。当Ic增长到临界饱和值βIb以后，Ic不在增加。在这一瞬间感生电势为零。U1趋于0导致Ib减小，使晶体管开始退出饱和区，脉冲平顶阶段结束。③振荡波形的后沿。平顶阶段一结束，Ic随着Ib一起减小，于是U1反向，导致Ic、Ib的进一步减小，这就又引起了另一个正反馈过程，反馈的结果使晶体管BG7迅速截至，形成了振荡波形极陡的后沿。在这一过程中，由于集电极电流迅速截至为0，Ic的急剧变化在Lc上产生幅度很大的感应电压。和电源电压叠加在一起形成幅度可能超过电源电压几倍的反冲电压。④恢复过程晶体管BG7截至后，U1逐渐减小，Ub上升到晶体管导通闸值时，晶体管BG7开始导通，形成第二个振荡波形的前沿。

（3）倍压整流电路。 由 C6、C7、C8、C9、D1、D2、D3、D4、R11、C5组成4倍压全波整流电路。当周期是正半周时，D2、D4导通，D1、D3截止，其中C8、D2组成一路回路形成单项脉冲电流；C9、D4、C7形成一路回路形成单项脉冲电流，再同极性叠加形成单项电流提供给负载R11。当周期是负半周时，D1、D3 导通，D2、D4 截止，其中 C6、D1、C8 组成一路回路形成单项脉冲电流；C9、D3形成一路回路形成单项脉冲电流，再同极性叠加形成单项电流提供给负载R11，C5作为滤波电容。全波整流电路效率高，电源利用率高，输出电流脉动较小、直流品质较好，与半波相比能提供给负载较大更稳定的电流。

（4）高压的获得。电路利用升压变压器T1将反冲电压升压，升压后再经过四倍压整流滤波电路进行倍压、整流、滤波，从而获得上千伏的直流负高压，通过调节电位器A1、A2得到需要的-820伏的高压提供给光电倍增管工作。

3 结语

图3 高压产生电路

高压电源不仅是在物理实验、空间物理实验学科中广泛被应用，而且在其他领域的电子仪器中也是不可缺少的组成部分，其性能的优劣，关系到实验的质量或电子仪器性能的好坏。

实验表明，本文设计的基于闪烁瓶法的便携式测氡仪的高压产生电路，无论在效率、体积、重量及成本等方面，还是在调试、制作、稳定性等方面均有较优越之处。应用前景更加广泛。它除了与光电倍增管、电离室、半导体探测器等配合适用于粒子物理、高能物理和核物理实验外，还适合于高能天体物理观测，空间探测，野外勘探仪器以及激光和医疗仪器设备等。

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