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1、<p> 基于三極管的空間粒子輻射探測(cè)器偏壓電源設(shè)計(jì)*</p><p> 摘要:采用三極管振蕩電路、變壓器和穩(wěn)壓芯片,設(shè)計(jì)一套線性偏壓電源。將單組+5.2V電源轉(zhuǎn)換為Si-PIN探測(cè)器所需的-165V偏壓電源。該電源具有體積小、功耗低、紋波小和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。</p><p> 關(guān)鍵詞: 空間粒子輻射探測(cè)器;線性偏壓電源; </p><p> 空間
2、粒子輻射是威脅衛(wèi)星在軌安全運(yùn)行的重要空間環(huán)境因素??臻g粒子作用于衛(wèi)星上的元器件和原材料,通過單粒子效應(yīng)、總劑量效應(yīng)、內(nèi)部充放電效應(yīng)等對(duì)航天器產(chǎn)生影響,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星出現(xiàn)不可修復(fù)的故障。為了了解航天器在軌時(shí)所面臨的空間輻射環(huán)境,保證衛(wèi)星在軌安全穩(wěn)定運(yùn)行,有效手段之一是對(duì)衛(wèi)星軌道進(jìn)行空間粒子輻射探測(cè)。</p><p> 空間粒子輻射探測(cè)器大致可以分為以下幾個(gè)部分[1]:半導(dǎo)體探頭及其讀出電路、偏壓電源、信號(hào)處理單
3、元和數(shù)據(jù)處理單元。半導(dǎo)體探頭需要在高穩(wěn)定度、低紋波系數(shù)的反向偏壓下才能正常工作,偏壓電源就是提供此偏壓的單元。針對(duì)空間環(huán)境探測(cè)應(yīng)用,偏壓電源要具有體積小、功耗低、穩(wěn)定度高和紋波系數(shù)小等特點(diǎn)。</p><p> 針對(duì)空間粒子輻射探測(cè)器半導(dǎo)體探頭的特點(diǎn),應(yīng)用三極管振蕩電路、變壓器和穩(wěn)壓芯片,設(shè)計(jì)一套線性偏壓電源,具有體積小、功耗低、穩(wěn)定度高和紋波系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。</p><p> 偏壓電源的
4、基本原理是基于三極管振蕩電路的變壓器變換方法。其原理框圖如圖1所示。</p><p> 圖1 偏壓電源的原理框圖</p><p> 其中,振蕩電路可以產(chǎn)生固定頻率的準(zhǔn)正弦波信號(hào)。變壓器將準(zhǔn)正弦波信號(hào)進(jìn)行升壓,并經(jīng)過倍壓整流電路,使輸出電壓能夠滿足要求。濾波電路采用兩級(jí)RC濾波,將脈動(dòng)直流平衡成低紋波直流電壓。分壓電路采用電阻分壓采樣,其取樣電壓與穩(wěn)定的參考電壓進(jìn)行比較,比較的結(jié)果送至輸
5、入能量控制器。輸入能量控制器根據(jù)比較耦合電路的輸出控制+5.2V電源輸入振蕩電路的能量。</p><p> 當(dāng)偏壓電源的輸出電壓由于某種原因變高時(shí),分壓電路可以獲得較高的取樣電壓。把取樣電壓與穩(wěn)定的參考電壓進(jìn)行比較將產(chǎn)生較低的誤差電壓輸出。誤差電壓送至輸入能量控制器,可以減小輸入能量控制器的輸入能量,從而導(dǎo)致輸出電壓下調(diào),使得輸出電壓得到穩(wěn)定。反之,當(dāng)偏壓電源的輸出變低時(shí),取樣、比較后產(chǎn)生的誤差電壓將升高,從而
6、增加輸入能量控制器的輸入能量,導(dǎo)致輸出電壓上調(diào),使得輸出電壓得到穩(wěn)定。</p><p><b> 輸入能量控制器</b></p><p> 輸入能量控制器采用三極管電路,如圖2所示。</p><p> 圖2 輸入能量控制器原理圖</p><p> 其中,控制電壓來自比較耦合電路的輸出。通過控制三極管的柵極電壓來控
7、制從源極輸入到漏極的電流。漏極的電壓由柵極電壓控制。因此可以通過改變控制電壓來改變其能量輸出。</p><p><b> 振蕩電路和變壓器</b></p><p> 振蕩電路采用晶體管振蕩電路,將變壓器的輔助線圈輸出電壓作為晶體管的基極反饋電壓,由此形成振蕩電路。振蕩電路拓?fù)洳捎猛仆炷J?,在這種模式下,變換器磁芯工作在一三象限,利用率高,其優(yōu)點(diǎn)為:(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,
8、只需要兩個(gè)主功率管;(2)驅(qū)動(dòng)電路不要隔離;(3)初級(jí)線圈繞組可以自動(dòng)磁復(fù)位。電路原理圖如圖3所示。</p><p> 圖3 振蕩電路原理圖</p><p> 倍壓整流電路和濾波電路</p><p><b> 原理圖如圖4所示。</b></p><p> 圖4 倍壓整流電路和濾波電路原理圖</p>
9、<p> 其中,倍壓整流電路由兩個(gè)電容和兩個(gè)整流二極管組成,它利用電容的存儲(chǔ)作用,可以獲得兩倍于變壓器次級(jí)電壓的輸出電壓,它可以減少變壓器次級(jí)線圈的圈數(shù),特別適合于高壓、小功率輸出電路,由于設(shè)計(jì)中要求輸出電壓比較高,且輸出功率比較小,故采用倍壓整流電路。</p><p> 濾波電路采用兩級(jí)RC濾波,將脈動(dòng)直流平衡成低紋波直流電壓。之所以選用兩級(jí)RC濾波是因?yàn)橐患?jí)時(shí)相位滯后90度左右,兩級(jí)時(shí)滯后180
10、度左右,與原紋波相互抵消所致,可以大大降低輸出電壓的紋波。</p><p> 分壓電路、參考電壓和比較耦合電路</p><p> 分壓取自電源的負(fù)載端,濾波網(wǎng)絡(luò)之后。取樣電路的變化會(huì)引起穩(wěn)壓電源輸出電壓的變動(dòng),為保證電源的穩(wěn)定性指標(biāo),應(yīng)該采用溫度系數(shù)小的取樣電阻。</p><p> 參考電壓選用AD580,它是美國(guó)AD公司推出的一種3引腳精密電壓基準(zhǔn)源。其輸出
11、電壓為+2.5V,精度為0.4%,溫漂為10ppm/°C。具有1.5 mA輸出電流能力。輸入電壓可在4.5V到30V的寬電壓范圍內(nèi)變化。</p><p><b> 參考文獻(xiàn):</b></p><p> [1] 于向前 陳鴻飛等. 空間粒子輻射探測(cè)器高壓電源設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2008年第3期</p><p> [2
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