基于高頻逆變技術(shù)的X光機(jī)研究與設(shè)計(jì)

1．2 燈絲加熱電路及控制
燈絲加熱電路的功能是發(fā)射電子，有直流電壓和交流電壓加熱兩種方法。圖3為某一型號(hào) X射線球管的燈絲發(fā)射特性曲線。從圖中可知，X射線管的陽(yáng)極電流(又稱為管電流)與兩個(gè)因素有關(guān)：燈絲加熱電壓和陽(yáng)極高壓，但主要由燈絲加熱電壓決定。由于空間電荷的存在陽(yáng)極電流與陽(yáng)極高壓有關(guān)，因陽(yáng)極高壓改變時(shí)，管內(nèi)加速電場(chǎng)強(qiáng)度變化，陽(yáng)極收集電子的能力發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致陽(yáng)極電流改變。為了保證 x線機(jī)陽(yáng)極電流在整個(gè)輻照過(guò)程中一直穩(wěn)定不變，在設(shè)計(jì)電路時(shí)就必須采用相應(yīng)的控制方法。工頻供電X射線機(jī)中，多數(shù)設(shè)備是采用線性補(bǔ)償或電壓補(bǔ)償來(lái)抵消或抑制空間電荷的影響。這些方法不適合高頻逆變型X射線機(jī)的陽(yáng)極電流控制。
本設(shè)計(jì)用推挽電路將15 V的直流電變換成17 kHz的高頻方波信號(hào)經(jīng)變壓器降壓隔離接至燈絲兩端，輸出電壓的有效值大小受兩個(gè)互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比D決定，控制芯片為TL494。圖4為基于 TL494設(shè)計(jì)的X射線機(jī)陽(yáng)極電流控制原理。其原理描述如下，陽(yáng)極電流反饋信號(hào)Ia與設(shè)定電流Iref比較進(jìn)行誤差放大后，再第一次限幅保護(hù)，其幅度的大小由燈絲推挽電路保護(hù)電流決定，然后再送入脈寬調(diào)制集成電路TL494的PWM比較器；若誤差信號(hào)增大，它與振蕩三角波信號(hào)比較后，輸出的方波信號(hào)占空比變小，這樣會(huì)使通過(guò)燈絲的電流變小，進(jìn)一步降低了陽(yáng)極電流。至于陽(yáng)極高壓對(duì)陽(yáng)極電流的影響，它巧妙地利用了TL494的死區(qū)時(shí)間控制端，即用輸出電壓的大小改變輸出燈絲驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的最大值。這是一種非線性補(bǔ)償方法。

2 整機(jī)控制電路
X光機(jī)的整機(jī)控制電路采用單片機(jī)，任務(wù)包括設(shè)定陽(yáng)極高壓、電流、曝光時(shí)間、保護(hù)電路、高壓與燈絲工作的使能時(shí)序控制等。這里特別需要強(qiáng)調(diào)高壓產(chǎn)生電路與燈絲加熱的控制時(shí)序問(wèn)題。與其他真空電子管設(shè)備一樣，燈絲加熱需要一定時(shí)間預(yù)熱才能穩(wěn)定發(fā)射電子，而高頻逆變器與倍壓電路相結(jié)合產(chǎn)生高壓這種電路類型，它的特性類似于電壓源，與傳統(tǒng)的工頻升壓變壓器相比較而言，其內(nèi)阻??；如果高壓反饋電路的取樣位置與控制閉環(huán)回路的設(shè)計(jì)不是很恰當(dāng)，且燈絲沒(méi)有工作或輕載工作時(shí)容易造成高壓部分空載或輕載工作，這樣全橋變換器的功率開(kāi)關(guān)器件工作在極低占空比下，高壓輸出還有高次諧波分量多， EMI嚴(yán)重，容易產(chǎn)生尖脈沖在X球管內(nèi)產(chǎn)生打火，損壞球管。所以兩者的工作時(shí)序要配合好，高壓部分工作前要先啟動(dòng)燈絲加熱，高壓部分關(guān)閉也先于燈絲加熱關(guān)閉，即燈絲加熱工作時(shí)序?qū)挾纫采w陽(yáng)極高壓工作時(shí)序。