一種X射線發(fā)生裝置電流源的設(shè)計

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1、一種X射線發(fā)生裝置電流源的設(shè)計 摘要：目前工業(yè)主要用高能電子轟擊金屬的方法產(chǎn)生X射線。在此設(shè)計一種基于開關(guān)電源原理的自反響型直流電流源。該電流源通過DC?DC轉(zhuǎn)換芯片XL4015為開關(guān)電源模塊提供可調(diào)的直流輸入電壓，Buck型開關(guān)電源模塊為負載提供穩(wěn)定的電壓，從而流過負載的電流一定。將采樣電阻的電壓通過OPA2340差分放大，并用SG3525反響給開關(guān)電源模塊，從而形成閉環(huán)控制。經(jīng)過試驗測試，該電流源輸出穩(wěn)定，精度滿足產(chǎn)生X射線的要求，且具有效率高、性能可靠、電路簡單易懂、本錢低廉等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：電流源；開關(guān)電源；X射線發(fā)生器；OPA2340；SG3525中圖分類號：TN911?34；TN

2、86文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1004?373X〔2021〕22?0159?04Abstract：Currently，themethodofusinghigh?energyelectrontobombardmetalismainlyusedinindustrytogenerateX????typeswitchingpowersupplymoduleoffersthestablevoltagefortheloadtomaintainacertaincurrentflowingthroughtheload.Thevoltageofthesamplingresistorisamplifieddiffe

3、rentiallybyOPA2340，andfedbacktotheswitchingpowersupplymodulebySG3525toformtheclosed?loopcontrol.Thetestresultsshowthatthecurrentsourcehastheadvantagesofstableoutput，highefficiency，reliableperformance，simplecircuitandlowcost，anditsprecisioncanmeetthedemandofX?raygeneration.Keywords：currentsource；swit

4、chingpowersupply；X?raygenerator；OPA2340；SG35250引言X射線是由于原子中的電子在能量相差懸殊的兩個能級之間的躍遷而產(chǎn)生的粒子流，是波長介于紫外線和γ射線之間的電磁波。X射線具有很強的穿透本領(lǐng)，能透過許多對可見光不透明的物質(zhì)，透過物質(zhì)后會產(chǎn)生衰減。受高速電子撞擊的金屬，會發(fā)出X射線【1】。金屬靶材料不同，燈絲產(chǎn)生電子所需的電流也不同。本文所提的X射線源為雙能級，燈絲所需電流為1.2A和1.8A。在使用過程中，X射線管會因電子撞擊金屬靶而產(chǎn)生熱【1】。為了不使整個系統(tǒng)發(fā)熱更嚴重，X射線管的外圍電路應(yīng)減少發(fā)熱。而目前大多數(shù)電流源都采用壓控電流源，該種電流源

5、是采用運放和三極管的結(jié)構(gòu)【2】。其中，三極管上會消耗一局部功率而發(fā)熱，進而增加X射線發(fā)生裝置的發(fā)熱。為了防止這種情況，本文采用效率較高的Buck型開關(guān)電源結(jié)構(gòu)，并用SG3525對采樣電壓進行反響，實現(xiàn)閉環(huán)控制，從而到達輸出穩(wěn)定的目的。1系統(tǒng)組成和原理1.1系統(tǒng)組本錢電流源系統(tǒng)可分為穩(wěn)壓電源電路、XL4015電壓轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)電源電路、差分放大電路、SG3525反響電路等局部，其系統(tǒng)組成如圖1所示。1.2系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)通過穩(wěn)壓電源電路向XL4015電壓轉(zhuǎn)換電路提供DC24V電壓，向SG3525反響電路提供DC15V電壓，向差分放大電路提供DC5V電壓。XL4015將DC24V轉(zhuǎn)換成可調(diào)直流電

6、壓供給開關(guān)電源電路，開關(guān)電源電路采用Buck型結(jié)構(gòu)。其輸出電壓Vo與輸入電壓Vi之間的關(guān)系【3】為Vo=ViD。其中D為開關(guān)電源電路中場效應(yīng)管控制端信號的占空比。通過改變XL4015的輸出電壓，即改變Vi，就可以改變Vo，從而可以得到大小不同的輸出電流Io。反響局部通過采樣電阻對輸出電流進行采樣，轉(zhuǎn)換成采樣電壓，OPA2340組成的電路對其進行差分放大后送給SG3525，SG3525將送來的反響電壓與預(yù)設(shè)電壓值進行比較反響局部包括差分放大電路和SG3525反響電路.考慮到采樣電壓較小。一般的放大器對較小電壓放大會失效，選用OPA2340軌至軌運算放大器，單電源滿幅度輸入輸出，集成了雙運放【5】

7、，可連接成差分放大。電路如圖4所示，由電路可知有以下反響電路差分放大輸出電壓Vf輸入到SG3525誤差放大器〔圖5所示〕的反相輸入端1腳，作為反響，預(yù)設(shè)電壓輸入到誤差放大器的同相輸入端2腳，形成差分輸入【7】。誤差放大器的輸出端即芯片內(nèi)部PWM比較器的輸入端9腳經(jīng)R20反響到1腳，構(gòu)成比例調(diào)節(jié)。當(dāng)反響電壓Vf比預(yù)設(shè)值高時，輸出PWM波的占空比減小，開關(guān)電源電路中的MOS管導(dǎo)通時間縮短，從而輸出電壓下降，輸出電流減??；反之，當(dāng)反響電壓Vf低于預(yù)設(shè)值時，開關(guān)電源輸出電壓上升，輸出電流增大。因此，通過調(diào)節(jié)MOS管驅(qū)動信號占空比，從而到達穩(wěn)定輸出電流的目的【7】。2.5穩(wěn)壓電源電路穩(wěn)壓電源采用三端穩(wěn)壓

8、器7805，7815構(gòu)成，為電路中各芯片供電。3控制紋波措施由于本設(shè)計采用的是開關(guān)電源方案比較適宜，這樣MOS管的導(dǎo)通會變得平緩。未進行改進的輸出波形如圖6所示，加電阻后的波形如圖7所示，可看出輸出紋波有減小。4系統(tǒng)測試將X射線管加在本系統(tǒng)上進行測試，用示波器測量輸出波形，得出各電流值下的紋波電壓，檢測結(jié)果如表1所示。由表1可看出，在上下能級X射線源所需的1.8A和1.2A時，系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，紋波較小，滿足X射線產(chǎn)生條件。5結(jié)語本設(shè)計是采用開關(guān)電源和反響組合形式的電流源，為X射線源提供穩(wěn)恒的電流。大多數(shù)電流源采用壓控電流源，三極管上的功耗較大，發(fā)熱嚴重。而本電流源采用反響型輸入可調(diào)的開關(guān)電源結(jié)構(gòu)

9、，效率高，輸出穩(wěn)定，防止了發(fā)熱嚴重的問題。實際測試說明，X射線管能正常工作，溫度正常，此設(shè)計是一個符合實際應(yīng)用要求的電流源。參考文獻【1】馬文蔚，解希順，周雨青.物理學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2021.【2】范新強，姚興輝.基于單片機控制的高精度直流電流源系統(tǒng)的開發(fā)[J].工礦自動化，2021〔6〕：49?50.【3】梁適安.開關(guān)電源理論與設(shè)計實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2021.【4】Motorola.SG3525A/SG3527Apulsewidthmodulatorcontrolcircuits[EB/OL].[1996?05?23]. ：// ?supply，rail?to?railoperationalamplifiers[EB/OL].[1997?12?05]. ：// ti .【6】柴西林，史亞盼，杜麗霞.一種高精度閉環(huán)數(shù)控直流電流源的研制[J].實驗室研究與探索，2021，34〔2〕：75?80.【7】牟翔永，張曉春，林剛，等.基于SG3525的大電流低電壓開關(guān)電源設(shè)計[J].電測與儀表，2021，50〔4〕：120?124.[8]陳純鍇.開關(guān)電源原理、設(shè)計及實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2021：14.