一種X射線發(fā)生裝置電流源的設(shè)計(jì)

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1、一種X射線發(fā)生裝置電流源的設(shè)計(jì) 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(jì)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(guò)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(fù)載提供穩(wěn)定的電壓，從而流過(guò)負(fù)載的電流一定。將采樣電阻的電壓通過(guò)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(guò)試驗(yàn)測(cè)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(jiǎn)單易懂、本錢低廉等優(yōu)點(diǎn)。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(hào)：TN911?34；TN

2、86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(gè)能級(jí)之間的躍遷而產(chǎn)生的粒子流，是波長(zhǎng)介于紫外線和γ射線之間的電磁波。X射線具有很強(qiáng)的穿透本領(lǐng)，能透過(guò)許多對(duì)可見光不透明的物質(zhì)，透過(guò)物質(zhì)后會(huì)產(chǎn)生衰減。受高速電子撞擊的金屬，會(huì)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(jí)，燈絲所需電流為1.2A和1.8A。在使用過(guò)程中，X射線管會(huì)因電子撞擊金屬靶而產(chǎn)生熱【1】。為了不使整個(gè)系統(tǒng)發(fā)熱更嚴(yán)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(yùn)放和三極管的結(jié)構(gòu)【2】。其中，三極管上會(huì)消耗一局部功率而發(fā)熱，進(jìn)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(duì)采樣電壓進(jìn)行反響，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，從而到達(dá)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(guò)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(chǎng)效應(yīng)管控制端信號(hào)的占空比。通過(guò)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(guò)采樣電阻對(duì)輸出電流進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)換成采樣電壓，OPA2340組成的電路對(duì)其進(jìn)行差分放大后送給SG3525，SG3525將送來(lái)的反響電壓與預(yù)設(shè)電壓值進(jìn)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(duì)較小電壓放大會(huì)失效，選用OPA2340軌至軌運(yùn)算放大器，單電源滿幅度輸入輸出，集成了雙運(yùn)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(shí)，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(shí)間縮短，從而輸出電壓下降，輸出電流減?。环粗?，當(dāng)反響電壓Vf低于預(yù)設(shè)值時(shí)，開關(guān)電源輸出電壓上升，輸出電流增大。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，從而到達(dá)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(jì)采用的是開關(guān)電源方案比較適宜，這樣MOS管的導(dǎo)通會(huì)變得平緩。未進(jìn)行改進(jìn)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(cè)試將X射線管加在本系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試，用示波器測(cè)量輸出波形，得出各電流值下的紋波電壓，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。由表1可看出，在上下能級(jí)X射線源所需的1.8A和1.2A時(shí)，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(yǔ)本設(shè)計(jì)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(yán)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(yán)重的問題。實(shí)際測(cè)試說(shuō)明，X射線管能正常工作，溫度正常，此設(shè)計(jì)是一個(gè)符合實(shí)際應(yīng)用要求的電流源。參考文獻(xiàn)【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(qiáng)，姚興輝.基于單片機(jī)控制的高精度直流電流源系統(tǒng)的開發(fā)[J].工礦自動(dòng)化，2021〔6〕：49?50.【3】梁適安.開關(guān)電源理論與設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)[J].電測(cè)與儀表，2021，50〔4〕：120?124.[8]陳純鍇.開關(guān)電源原理、設(shè)計(jì)及實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2021：14.