係統電路組成


X射線機有陽極高壓、陽極電流以及曝光時間三個物理量需要控製。陽極高壓決定X射線的質，而陽極電流的大小決定X射線的量，三者共同決定放射劑量的大小。為了完成上述三個物理量的控製，決定采用如圖1所(suo)示(shi)的(de)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)。其(qi)中(zhong)
，陽(yang)極(ji)高(gao)壓(ya)部(bu)分(fen)由(you)全(quan)橋(qiao)逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)和(he)倍(bei)壓(ya)整(zheng)流(liu)電(dian)路(lu)產(chan)生(sheng)。燈(deng)絲(si)加(jia)熱(re)電(dian)路(lu)采(cai)用(yong)推(tui)挽(wan)技(ji)術(shu)產(chan)生(sheng)的(de)高(gao)頻(pin)交(jiao)流(liu)加(jia)熱(re)。曝(pu)光(guang)時(shi)間(jian)由(you)單(dan)片(pian)機(ji)控(kong)製(zhi)。

陽極高壓產生及控製電路

陽極高壓產生部分需要解決兩個關鍵問題：

高壓變壓器的問題

因為升壓變壓器的次級繞組與初級繞組間變比大，在初級側的等效漏感、分fen布bu電dian容rong等deng參can數shu較jiao大da，不bu能neng忽hu視shi高gao壓ya變bian壓ya器qi繞rao組zu的de繞rao製zhi方fang法fa問wen題ti。按an照zhao常chang規gui的de次ci級ji線xian圈quan繞rao組zu分fen層ceng來lai回hui繞rao製zhi很hen多duo層ceng
，上shang下xia層ceng間jian存cun在zai分fen布bu電dian容rong
，這zhe樣yang每mei個ge周zhou期qi內nei都dou有you電dian流liu通tong過guo

，產chan生sheng較jiao高gao的de損sun耗hao，影ying響xiang逆ni變bian器qi的de運yun行xing。

目mu前qian，工gong程cheng上shang采cai用yong分fen槽cao繞rao製zhi的de方fang法fa
，能neng減jian少shao分fen布bu電dian容rong的de影ying響xiang。本ben設she計ji用yong了le一yi種zhong新xin的de方fang法fa，即ji采cai用yong雙shuang麵mian電dian路lu板ban印yin製zhi次ci級ji繞rao組zu，在zai中zhong間jian開kai孔kong，然ran後hou相xiang同tong的de電dian路lu板ban疊die加jia串chuan聯lian起qi來lai組zu成cheng，使shi用yongUU型(xing)鐵(tie)氧(yang)體(ti)功(gong)率(lv)磁(ci)芯(xin)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)的(de)好(hao)處(chu)是(shi)層(ceng)間(jian)能(neng)可(ke)靠(kao)的(de)絕(jue)緣(yuan)，類(lei)似(si)於(yu)分(fen)槽(cao)繞(rao)製(zhi)，分(fen)布(bu)電(dian)容(rong)小(xiao)且(qie)有(you)確(que)定(ding)的(de)值(zhi)
，有(you)利(li)於(yu)工(gong)程(cheng)製(zhi)造(zao)的(de)調(tiao)試(shi)和(he)減(jian)少(shao)成(cheng)本(ben)。

高壓器件部件的集成、絕緣和散熱問題

本設計區別於傳統做法
，將升壓變壓器
、倍壓整流電路板

、X球管等幾個部分安裝在一起，采用變壓器油絕緣散熱
，這樣可以解決升壓變壓器繞組間
、beiyaerjiguanhedianrongdejueyuan
，tongshijiejueqiuguanyangjidesanre

，bianyujueyuangongyishigongyuweihu，haikeyiyongputongdianxianlianjiequanqiaobianhuanqiyushengyabianyaqi，qudaijiageanggui、笨重的專用高壓電纜，減小了體積與成本。

高gao頻pin逆ni變bian技ji術shu產chan生sheng高gao頻pin交jiao流liu供gong給gei升sheng壓ya變bian壓ya器qi
，可ke以yi采cai用yong硬ying開kai關guan電dian路lu產chan生sheng方fang波bo電dian壓ya，也ye可ke以yi采cai用yong高gao頻pin諧xie振zhen變bian換huan器qi產chan生sheng近jin似si正zheng弦xian電dian壓ya。因yin方fang波bo脈mai衝chong內nei含han有you豐feng富fu的de高gao次ci諧xie波bo
，這zhe些xie高gao次ci諧xie波bo可ke能neng與yu後hou級ji倍bei壓ya電dian路lu構gou成cheng諧xie振zhenⅢ，諧xie振zhen電dian壓ya疊die加jia在zai直zhi流liu成cheng分fen上shang形xing成cheng比bi預yu計ji更geng高gao的de電dian壓ya，易yi產chan生sheng放fang電dian打da火huo現xian象xiang。而er後hou者zhe輸shu出chu近jin似si正zheng弦xian波bo，高gao次ci諧xie波bo頻pin率lv單dan一yi

，可ke以yi合he理li設she計ji參can數shu
，規gui避bi在zai後hou級ji電dian路lu產chan生sheng諧xie振zhen。所suo以yi在zai合he理li利li用yong升sheng壓ya變bian壓ya器qi的de寄ji生sheng參can數shu方fang麵mian，提ti高gao逆ni變bian器qi的de效xiao率lv有you較jiao多duo研yan究jiu。本ben設she計ji中zhong也ye合he理li利li用yong了le升sheng壓ya變bian壓ya器qi的de這zhe些xie參can數shu，如ru圖tu1中功率變換采用零電壓開關準諧振全橋變換器的主電路拓撲結構，它實際上是一種串並聯混合諧振變換器，並聯諧振電容（圖中沒有標出） 采用次級繞組在初級側的等效分布電容;諧振電感Lr包括了高頻變壓器的漏感;串聯諧振電容Cr為MOSFET管的輸出電容和外加電容，它具有串聯諧振變換器和並聯諧振變換器各自的優點，適應X球管這樣的大動態範圍負載。


圖2為陽極高壓控製電路。其核心芯片為零電壓開關諧振型控製器MC34067，它采用恒關斷時間而改變頻率來達到改變占空比的方式穩定輸出電壓。其中，R1和C1決定諧振頻率。U0為陽極電壓反饋信號。輸出信號A
、B信號經驅動電路分別接圖1的S1/S4
、S2/S3。
[page]
燈絲加熱電路及控製


燈絲加熱電路的功能是發射電子，有直流電壓和交流電壓加熱兩種方法。圖3為某一型號X射線球管的燈絲發射特性曲線。從圖中可知
，X射線管的陽極電流（又稱為管電流）與兩個因素有關：燈deng絲si加jia熱re電dian壓ya和he陽yang極ji高gao壓ya，但dan主zhu要yao由you燈deng絲si加jia熱re電dian壓ya決jue定ding。由you於yu空kong間jian電dian荷he的de存cun在zai陽yang極ji電dian流liu與yu陽yang極ji高gao壓ya有you關guan，因yin陽yang極ji高gao壓ya改gai變bian時shi，管guan內nei加jia速su電dian場chang強qiang度du變bian化hua，陽yang極ji收shou集ji電dian子zi的de能neng力li發fa生sheng相xiang應ying的de變bian化hua
，從cong而er導dao致zhi陽yang極ji電dian流liu改gai變bian。為wei了le保bao證zhengx線機陽極電流在整個輻照過程中一直穩定不變，在設計電路時就必須采用相應的控製方法。工頻供電X射線機中，多數設備是采用線性補償或電壓補償來抵消或抑製空間電荷的影響。這些方法不適合高頻逆變型X射線機的陽極電流控製。

本設計用推挽電路將15 V的直流電變換成17 kHz的高頻方波信號經變壓器降壓隔離接至燈絲兩端
，輸出電壓的有效值大小受兩個互補驅動信號的占空比D決定，控製芯片為TL494。圖4為基於TL494設計的X射線機陽極電流控製原理。其原理描述如下

，陽極電流反饋信號Ia與設定電流Iref比較進行誤差放大後，再第一次限幅保護，其幅度的大小由燈絲推挽電路保護電流決定，然後再送入脈寬調製集成電路TL494的PWM比(bi)較(jiao)器(qi)。若(ruo)誤(wu)差(cha)信(xin)號(hao)增(zeng)大(da)，它(ta)與(yu)振(zhen)蕩(dang)三(san)角(jiao)波(bo)信(xin)號(hao)比(bi)較(jiao)後(hou)，輸(shu)出(chu)的(de)方(fang)波(bo)信(xin)號(hao)占(zhan)空(kong)比(bi)變(bian)小(xiao)，這(zhe)樣(yang)會(hui)使(shi)通(tong)過(guo)燈(deng)絲(si)的(de)電(dian)流(liu)變(bian)小(xiao)，進(jin)一(yi)步(bu)降(jiang)低(di)了(le)陽(yang)極(ji)電(dian)流(liu)。至(zhi)於(yu)陽(yang)極(ji)高(gao)壓(ya)對(dui)陽(yang)極(ji)電(dian)流(liu)的(de)影(ying)響(xiang)，它(ta)巧(qiao)妙(miao)地(di)利(li)用(yong)了(le)TL494的死區時間控製端
，即用輸出電壓的大小改變輸出燈絲驅動信號占空比的最大值。這是一種非線性補償方法。

整機控製電路

X光機的整機控製電路采用單片機

，任務包括設定陽極高壓
、電流、曝光時間、保護電路
、高(gao)壓(ya)與(yu)燈(deng)絲(si)工(gong)作(zuo)的(de)使(shi)能(neng)時(shi)序(xu)控(kong)製(zhi)等(deng)。這(zhe)裏(li)特(te)別(bie)需(xu)要(yao)強(qiang)調(tiao)高(gao)壓(ya)產(chan)生(sheng)電(dian)路(lu)與(yu)燈(deng)絲(si)加(jia)熱(re)的(de)控(kong)製(zhi)時(shi)序(xu)問(wen)題(ti)。與(yu)其(qi)他(ta)真(zhen)空(kong)電(dian)子(zi)管(guan)設(she)備(bei)一(yi)樣(yang)
，燈(deng)絲(si)加(jia)熱(re)需(xu)要(yao)一(yi)定(ding)時(shi)間(jian)預(yu)熱(re)才(cai)能(neng)穩(wen)定(ding)發(fa)射(she)電(dian)子(zi)，而(er)高(gao)頻(pin)逆(ni)變(bian)器(qi)與(yu)倍(bei)壓(ya)電(dian)路(lu)相(xiang)結(jie)合(he)產(chan)生(sheng)高(gao)壓(ya)這(zhe)種(zhong)電(dian)路(lu)類(lei)型(xing)，它(ta)的(de)特(te)性(xing)類(lei)似(si)於(yu)電(dian)壓(ya)源(yuan)
，與(yu)傳(chuan)統(tong)的(de)工(gong)頻(pin)升(sheng)壓(ya)變(bian)壓(ya)器(qi)相(xiang)比(bi)較(jiao)而(er)言(yan)，其(qi)內(nei)阻(zu)小(xiao)。如(ru)果(guo)高(gao)壓(ya)反(fan)饋(kui)電(dian)路(lu)的(de)取(qu)樣(yang)位(wei)置(zhi)與(yu)控(kong)製(zhi)閉(bi)環(huan)回(hui)路(lu)的(de)設(she)計(ji)不(bu)是(shi)很(hen)恰(qia)當(dang)，且(qie)燈(deng)絲(si)沒(mei)有(you)工(gong)作(zuo)或(huo)輕(qing)載(zai)工(gong)作(zuo)時(shi)容(rong)易(yi)造(zao)成(cheng)高(gao)壓(ya)部(bu)分(fen)空(kong)載(zai)或(huo)輕(qing)載(zai)工(gong)作(zuo)，這(zhe)樣(yang)全(quan)橋(qiao)變(bian)換(huan)器(qi)的(de)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)器(qi)件(jian)工(gong)作(zuo)在(zai)極(ji)低(di)占(zhan)空(kong)比(bi)下(xia)
，高(gao)壓(ya)輸(shu)出(chu)還(hai)有(you)高(gao)次(ci)諧(xie)波(bo)分(fen)量(liang)多(duo)
，EMI嚴重，容易產生尖脈衝在Xqiuguanneichanshengdahuo

，sunhuaiqiuguan。suoyiliangzhedegongzuoshixuyaopeihehao
，gaoyabufengongzuoqianyaoxianqidongdengsijiare，gaoyabufenguanbiyexianyudengsijiareguanbi，jidengsijiaregongzuoshixukuanduyaofugaiyangjigaoyagongzuoshixu。

實驗與結論

根據上述思路和電路設計了樣機，陽極高壓部分的設計要求是輸出範圍為50～90 kV，電流為4～20 mA。實驗分下麵幾個部分進行：

（1）檢測高壓產生部分。檢測項目包括輸出高壓在電網波動情況下（220 V土10%）的穩定性與調整情況、高壓輸出上升沿的時間、開關機時有沒有輸出電壓過衝現象
、保護電路的可靠性以及其他有關的電氣安全。

（2）對X球管產生部分的安裝絕緣處理檢查。所有的高壓電路與球管采用優質特氟龍安裝固定，並在真空狀態下灌注變壓器油
、密封，防止氣泡融入油中影響絕緣等級。

（3）燈絲加熱電路的實驗。主要是對推挽變壓器和保護電路進行測試
，防止輸出的17 kHz交流加熱信號中因漏感造成有過高的幅度燒壞燈絲。根據所選用X球管的情況
，確定燈絲加熱的預熱時間比高壓產生部分的啟動信號早2～3s，而關閉時間比高壓結束信號遲1s。

本篇文章以高頻逆變電源為基礎
，對X光機係統電路的組成、高壓變壓器、整機控製電路這三大方麵進行了全麵的介紹。隨著科技的進步，X光機將向著小型便攜化發展。通過對逆變電源的改良，設計者們將會很快實現這一目標。

相關閱讀：

電路講解：高頻逆變電源中的前級開閉環電路設計
技術詳解：高頻逆變電源中後級電路設計
高頻逆變電源的變壓器繞製，隻需六步