TPS系列測試電源技術(shù)的新發(fā)展*

李之彬

(中國計量科學(xué)研究院，北京 100013)

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TPS系列測試電源技術(shù)的新發(fā)展*

李之彬

(中國計量科學(xué)研究院，北京 100013)

TPS系列測試電源是專門為計量檢定和精密測試而研制的特種電源。該電源自2002年以來經(jīng)過不斷發(fā)展先后推出十多個新品種，本文介紹這些測試電源的主要特點，關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展過程。

測試電源；電子管脈沖放大器；高頻功率

0 引言

在計量檢定所慣用的比較法中，往往需用一臺高穩(wěn)定性的電源對標(biāo)準量和被測量同時供電。這種測試電源在直流領(lǐng)域比較成熟，在技術(shù)上也達到足以滿足當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的高難度要求。然而，交流測試電源的情況比較復(fù)雜，它不但要求輸出量具有高穩(wěn)定度，還對波形失真度、頻率、相位、乃至輸出功率等項指標(biāo)提出較高要求。為此，我們進行了這方面的研發(fā)工作，研制的TPS系列精密測試電源(Test Power Supply，以下簡稱TPS測試電源)是專門用于計量檢定和精密測試的特種電源。自從1985年我們提出測試電源這一概念，并著手研制第一代產(chǎn)品，直到2002年為止，已經(jīng)推出三十多個品種的產(chǎn)品。近十年來，又有進一步的發(fā)展。

1 TPS測試電源近年來研發(fā)的品種及特點

自2003年到2014年里，TPS系列又進一步研發(fā)出15個品種，其型號和主要性能如表1所示。

上述TPS系列精密測試電源具有如下特點：

1)頻率擴展到1MHz。TPS系列電源的工作頻率最開始為工頻，后來擴展到音頻,現(xiàn)在已經(jīng)達到1MHz。

2)輸出電壓提高到3000V。TPS系列電源始于磁性材料測量，輸出電壓200V足夠，后來隨著用戶的需要，逐步擴展到交流1200V，直流±3000V。

3)補償式方法提高輸出功率到3kW。直接放大方式可以輸出比較大的輸出功率，但是由于效率的低下，使得整機的體積和重量很大。利用輸出補償方式，能夠?qū)⑤敵龉β侍岣呓?0倍，即以300VA的補償功率實現(xiàn)輸出3kW。

4)電子管的特殊應(yīng)用。自半個世紀以來，電子管逐步被半導(dǎo)體器件所取代，甚至被認為已經(jīng)絕跡，其實這是個誤區(qū)，如今在某些行業(yè)和設(shè)備中，電子管仍然是放大器的主力器件。電子管工作電壓遠高于半導(dǎo)體，而且爆發(fā)力特別強，在某些特種脈沖放大器中成為唯一可用器件。

5)智能化，模塊化。TPS系列測試電源的信號發(fā)生器、輸出量的設(shè)置和控制、保護報警等控制和顯示等功能，在八十年代已模擬方式為主，面板上設(shè)置很多旋鈕和表頭或發(fā)光管顯示器件。隨著數(shù)字化的快速發(fā)展，TPS測試電源采用最新型的觸摸屏，將多種輸出量的設(shè)置和顯示簡化到一塊觸摸屏上，而且實現(xiàn)模擬式難以實現(xiàn)的復(fù)雜控制功能，例如對于多種輸出量的多段式保護功能。

最新研制出功率放大器已經(jīng)實現(xiàn)按照輸出功率制作成功率模塊結(jié)構(gòu)，它可以根據(jù)用戶的需要十分方便地進行疊加而擴展輸出功率。鑒于篇幅所限，本文主要介紹其中兩種測試電源。

2 除顫脈沖測試電源

除顫測試電源是為醫(yī)療課題除顫脈沖源校準課題研制的特種測試電源，是由AMP-2/45放大器與任意波形發(fā)生器組合組成。為提供標(biāo)準脈沖信號，對于該放大器提出的特殊要求除必須是具有足夠帶寬和直流放大器之外，對50Ω負載電阻，在10ms內(nèi)發(fā)出峰值電流為45A，其要求放大器能夠瞬間輸出的峰值電壓2250V，折合100kW功率，即要求放大器具有輸出高電壓和大功率的能力。實踐證明，只有使用電子管才能勝任脈沖放大器中的關(guān)鍵放大器件。

表1 TPS系列精密測試電源

*除11的特殊情況之外，輸出電壓或電流的穩(wěn)定度均優(yōu)于0.01%/3min

對比現(xiàn)代的半導(dǎo)體器件與早期的電真空(電子管)器件，兩者具有的特點如表2所示。

AMP-2/45放大器的控制部分采用半導(dǎo)體電路，以獲得必要的精度，而功率放大部分為電子管群，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高電壓和高功率輸出。該放大器的框圖如圖1所示。

表2

參 數(shù)類 型半導(dǎo)體器件電真空器件(電子管)工作電壓低(幾伏-幾百伏)高(幾十伏-幾千伏)工作電流大(最高幾千安)低(最高幾安)過載能力(爆發(fā)力)弱強控制方式極豐富,極方便類型較少控制精度高低

圖1 以AMP-2/45放大器為核心的除顫測試電源的框圖

3 LM-1T大型電磁鐵穩(wěn)場直流恒流源

LM-1T是專門為電感量約為幾十亨利的大型電磁鐵制作的恒流源。該種恒流源的難點在于：過大的感性負荷“慣性”極大，增加了調(diào)節(jié)難度；輸出高達±3000V ±1A 3000W，因而對于調(diào)整管的合理選擇和使用提出一些特殊要求。筆者曾選用電子管，經(jīng)實踐證明該方案可行，但是體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且壽命有限，后改用晶體管群。

該恒流源的主要特點在于：1)為降低調(diào)整管的壓降和功耗，直流供電電源采用隨動供電，使得調(diào)整管的壓降不超過200V，功耗不超過200W；2)直流基準源采用極高穩(wěn)定度的8位半數(shù)字表3458A使用的LTZ1000，其溫漂小于0.05×10-6/℃；3)強感性的電磁鐵負載對于電流調(diào)節(jié)電壓具有強烈的“反彈”作用，為此，輸出電流的調(diào)節(jié)速度必須做出合理控制；4)為方便操作者，采用優(yōu)質(zhì)電位器組和數(shù)字按鍵調(diào)節(jié)輸出電流的兩種調(diào)節(jié)方式。LM-1T恒流源的簡化原理框圖如圖2所示。

圖2 LM-1T大型電磁鐵穩(wěn)場直流恒流源原理框圖

圖2中，升壓變壓器和LC濾波器為普通單相升壓濾波電路，調(diào)整管的集電極-發(fā)射極或電子管的屏級-陰極壓降利用檢測電路和電機控制電路，用于控制伺服馬達的正反向轉(zhuǎn)動，從而改變電動調(diào)壓器的輸出電壓，自動保持調(diào)整管的壓降在20～200V的安全區(qū)之內(nèi)。

4 結(jié)語

歷經(jīng)十幾年發(fā)展的TPS測試電源在多個部門和多個領(lǐng)域中獲得比較廣泛的應(yīng)用。為滿足計量測試的更高要求，TPS測試電源將在以下方面進行提高和發(fā)展：將工作頻率提高到5MHz以上；為醫(yī)學(xué)測量儀器溯源課題制功能更加豐富的特種測試電源。

[1] 李之彬.TPS系列測試電源技術(shù)和發(fā)展.電測與儀表，2002(6)

[2] Yulian M.0.1V to 1000V AC Voltage Standard in the Frequency Range of 10Hz to 30MHz.CPEM DIGEST 2010，P80-81

[3] E Mohns.An Audio Frequency Multiplier with Planar Thermal Converters for Power Measurements.CPEM DIGEST2008，P80-81

[4] 賈建革.除顫釋放能量溯源方法的研究.中國醫(yī)療設(shè)備，2014，29(6)

[5] W.Tang.The Effects of Biphasic Waveform Design on Post-resuscitation Myocardial Fuction.Jam Coll Cdrdiol, 2004，Vol43，P1228-1235

*課題項目：國家科技支撐計劃項目(2001BAI02B04)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.11.03