基于功率运算放大器的恒流源技术研究

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校正线圈是加速器束流输运系统的重要组成部分,为其供电的恒流源性能是校正线圈能否有效工作的关键。随着加速器性能的日益提高,对校正线圈的工作能力和效率也提出了新的要求。相应的,恒流源也需要做出改进。本文针对直线感应加速器校正线圈的供电需求,结合电子器件发展的方向,研究了由功率运算放大器构成的恒流源电路可行性,设计了具体线路,并通过理论和实验进行了较为全面的研究。论文从恒流源设计原理出发,根据工程运用的实际情况和选用的运算放大器性能设计了两种电压控制型恒流源电路——负载悬浮型和负载接地型。通过网孔分析法计算了两种电路在阶跃、斜坡、正弦输入信号下的电流输出响应,分析了电路的可行性。使用Pspice模拟了电路的静态工作曲线、瞬态响应曲线、温度漂移曲线等电路性能。实验方面,根据设计制作了恒流源的电源板、负载悬浮型和负载接地型恒流源PCB板。对这两种类型恒流源进行了输出能力、瞬态响应、线性度、稳定度等验证性实验。结果表明,悬浮负载型恒流源具有与计算和模拟相吻合的实验结果,能够满足工程运用的需要;负载接地型恒流源电路的输出电流也能够满足设计要求,但由于电路匹配度、工作点等问题,其线性度、稳定性等不如悬浮负载恒流源。本文还设计了拓展电路输出能力的恒流源并联方案。使用PSpice软件模拟得到了几种具有输出倍增能力的电路,分析了几种电路的工作效率,选出一种更具有实用价值的并联电路进行了实验,结果表明功率运算放大器的并联电路可以达到扩展电路输出能力的目的。在相同的输入电压和供电电压下,这种电路可以在负载上得到并联倍数的输出,且各放大器的温升效应不高。其线性度和稳定性能够满足工程需要,是拓展电路能力的一种方法。数值模拟和实验测量的结果均表明,基于大功率运算放大器的恒流技术,与现有技术相比,在效率、线性工作范围、稳定性等方面具有明显的优越性,同时还具有并联输出的能力。这些技术特点,能够更好地满足下一代强流电子加速器对校正线圈驱动电流的苛刻要求。本文的工作,从理论上和实验上证明了基于大功率运放的恒流源技术的可行性和优越性,并为下一代强流电子加速器的工程应用做好技术储备。
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