Источники питания высокочастотных плазмотронов

В высокочастотных плазменных установках, как правило, применяются ламповые генераторы с самовозбуждением — автогенераторы.

Автогенератор — это генератор, у которого переменное напряжение на сетку подаётся из анодной цепи через цепь обратной связи. Частота и амплитуда колебаний у автогенератора определяются лишь его собственными параметрами. В зависимости от типа плазмотрона и его технологического предназначения автогенераторы могут работать в диапазоне частот от 60 кГц до 80 МГц. В последнее время значительные изменения произошли в конструкциях выпрямителей, а также в системах управления генераторов, которая теперь строится с использованием микропроцессорной техники. Однако принципиальная схема высокочастотного блока практически не изменилась и, как правило, делается на базе ламповых триодов. Колебательная система, присоединяемая к генераторной лампе, должна обеспечить условия, при которых генератор работал бы вполне устойчиво, отдавал требуемую колебательную мощность при достаточно высоком КПД, а частота генерирующих электромагнитных колебаний находилась бы в заданном диапазоне. 1].

В настоящее время для питания ВЧ-плазмотронов используются ВЧ-генераторы с частотой 440 кГц — 30 МГц, основное назначение которых — индукционный и диэлектрический нагрев материалов. При этом непосредственное подключение плазмотрона к генератору без изменения его колебательной системы не позволяет передать плазме номинальную высокочастотную мощность, что приводит к снижению КПД установки. Колебательная система выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимую величину вкладываемой в разряд мощности на рабочей частоте, величина которой вместе с тем поддерживалась бы с заданной точностью при любых изменениях параметров системы, вызванных изменением режима работы плазмотрона и генератора. Выбор схемы зависит главным образом от необходимой частоты автоколебаний и требований к её стабильности.

В таблице 3.1 приведены основные типы установок, применяемых для питания ВЧ-плазмотронов.

Таблица 3.1 — Некоторые типы генераторов для получения ВЧ-плазмы.

В диапазоне частот 0,066−5,28 МГц для питания ВЧИ-плазмотронов можно использовать промышленные генераторы типа ВЧИ, которые разработаны и применяются для индукционного нагрева различных материалов. Выбор этих генераторов определяется тем, что они рассчитаны на нагрев в поле индуктора, эквивалентная схема которого подобна эквивалентной схеме индукционного плазмотрона.

Аналогично обстоит дело и с ламповыми генераторами для питания емкостных плазмотронов. В диапазоне частот 13−50 МГц применяются промышленные генераторы типа ВЧГ, которые разработаны и применяются для нагрева диэлектриков. Нагрузка таких генераторов емкостная и близка к эквивалентной схеме ВЧЕ-плазмотрона. 6].

Использование промышленных ВЧ-генераторов для питания ВЧИи ВЧЕ-плазмотронов путём их непосредственного подключения невозможно, так как параметры эквивалентной схемы плазмотрона (как индукционного, так и емкостного) значительно отличаются от соответствующих параметров индуктивно нагреваемых материалов или диэлектриков и могут быть сопоставимы с внутренним сопротивлением и межэлектродными емкостями генераторной лампы. Поэтому применение промышленных ВЧ-генераторов в плазменных установках с ВЧЕи ВЧИ-плазмотронами требует переделки генератора (в основном его колебательной системы). Итак, плазменные ВЧ-установки в основном эксплуатируются на частотах:

• — ВЧИ: в диапазоне от 66 кГц до 27,12 МГц;
• — ВЧЕ: в диапазоне от 5,28 до 152,5 МГц.

С точки зрения способа подачи напряжения возбуждения диапазон частот можно разделить на два: от 0,66 до 5,28 МГц и от 13,56 до 152,5 МГц. При частотах первого диапазона напряжение возбуждения снимается с какого-либо элемента колебательной системы кондуктивно или индуктивно. При более высоких частотах (второй диапазон) обратная связь осуществляется за счёт междуэлектродных емкостей генераторной лампы. Колебательные системы вплоть до частоты 40 МГц выполняются преимущественно из элементов с сосредоточенными параметрами (двухпроводные или коаксиальные линии).

Схемы многих автогенераторов могут быть сведены к эквивалентной схеме, называемой трёхточечной (рис. 3.1). Трёхточечная система состоит из трёх элементов. Одним из элементов может являться межэлектродная ёмкость лампы. Два других представляют более или менее сложные двухполюсники, один из которых реактивный, а второй кроме реактивных элементов включает в себя основное сопротивление нагрузки. В зависимости от того, к какому электроду присоединены оба двухполюсника, различают три вида схем автогенераторов. В схемах с общим катодом и общим анодом двухполюсник, содержащий сопротивление нагрузки, присоединён между катодом и анодом лампы, а в схемах с общей сеткой — между анодом и сеткой. Схемы с общим катодом, как правило, используются в автогенераторах с рабочей частотой до 13 МГц, с общим анодом — в диапазоне частот 13−150 МГц, с общей сеткой — более 150 МГц.

Итак, ламповые генераторы в диапазоне частот от 0,44 до 40 МГц и выше являются на сегодня незаменимыми источниками питания для ВЧ-плазмотронов. Теоретические основы их создания разработаны не только в применении их к электротермическим установкам, но и обусловлены развитием радиопередающих средств. Однако специфические особенности применяемых в плазменных установках ламповых генераторов, обусловленные сильной нагрузкой с сильно меняющимися электрическими параметрами, требуют создания специальных плазменных высокочастотных генераторов в широкой области частот и мощностей с обеспечением их серийного выпуска. 1].