热阴极电离真空计的电路设计

热阴极电离真空计的电路设计从热阴极电离真空计的工作原理可以看出,测量Ii难度不大,无非是采用高输入阻抗的运算放大器,运用电流平衡法放大电流信号,为了适应宽量程多数量级的信号变化,需要采用真空继电器切换反应电阻来控制增益。如果测量真空度不是很低,采用对数放大不失为一个好的方法,要注意温度漂移的影响。设计的重点是两个电压和电子流的稳定控制,电路设计如何入手是关键所在。仔细分析图1的原理,将其用图2等效模型来分析。其中UC=200V,UF=50V,Ie=0.5mA(10-1Pa～10-4Pa时)或5mA(10-4Pa～10-8Pa时)。从图2中可以看出离子流Ii对Ie、UC和UF没有影响,因此只需考虑其余三者相互控制的电路设计。

图2电离规管等效模型

从图2中不难发现UC是相对独立的量,因此电路采用稳压管来实现。显然,问题的关键就集中在要同时保证Ie和UF都稳定在期望值上。Ie是灯丝(热阴极)加热而发射的电子受更高电位的栅极(阳极)的吸引形成的,因为两电极的相对电位是固定的,因此Ie的控制是以控制灯丝的工作电流来实现。有许多方法都能够实现这2个参数稳定,而采用串联电阻的方法最简单、可靠。如图3所示,如果串入的电阻R=UF/Ie,问题就得到大大简化,因此,只要把UF作为控制对象就能到达设计目的。如果需要不同的电子流Ie,只要改变R的阻值就可以,具体实现可以采用继电器等方法切换不同的R来获得需要的Ie。

图3采样点

因为要与其他电路共用控制电源,又考虑到灯丝阻值小、电流大的特点,采用了脉宽调制(PWM)控制推挽变换的方法,PWM芯片则采用普遍使用的UGN3525PWM控制器,具体原理框图如图4所示。

图4真空计控制原理

变压器T1有两组次级,其中:一组输出160V交流电,经过简单的变换输出200V直流电提供栅极电位UC;另一组经过整流滤波稳压提供系统所需24V直流电源。图3中的R是由(R1//R3)+R4+R8+R6组成的。因为灯丝发射电子与灯丝表面的温度有关,又由于灯丝的热惯性的存在,因此,电子流并不随高频的灯丝电流变化,而是比较平滑的。鉴于此,变换变压器的输出没有整流滤波电路,而是直接给灯丝提供高频交流电。这样,防止了大电流器件的使用,无疑也给变压器和整流稳压电路降低了设计难度,同时也大大减小了整机的体积。UF是通过电位器R8滑动端的分压送至PWM控制电路中的UGN3525的反相输入端,并与UGN3525内部基准比较,如果低于基准电压,PWM控制电路将会增大脉冲宽度,从而经推挽变换提高T2次级的平均输出电流。灯丝电流的增加将会使电子流增大,电子流的增大又会导致R8上的分压上升,反之亦然。

由于存在灯丝的热惯性,简单的反应容易发生灯丝闪烁现象,电子流Ie会因为灯丝闪烁而大幅度波动,离子流Ii同样也会波动,给放大采集电路带来极大的困难。因此,电路中增加了C3,为电子流Ie的纹波提供交流旁路,防止纹波因电阻的分压而衰减,从而有效控制电子流的纹波。

R5和C4的使用能有效抑制电源的波动,并且能削弱PWM控制器输出的变化幅度,从而削弱因过调引起的波动。在PWM控制电路的差分放大环节中适量的积分环节是必要的,涉及到的积分环节的时间常数与PWM频率、灯丝特性等有直接关系,实际运用时需要仔细选用。

为了保护灯丝因失控而烧毁,电路中还需要有限流等措施,如图4中的R7便能起到限流作用。另外,当测量真空度到达10-6Pa以上时,要注意增加除气电路功能,给电极除气。

使用以上方法设计的真空计电路,作为我们产品的一部分已经大量应用,并且性能稳定可靠。由于采用了PWM控制,并经过了变压器的电流变