高頻開關(guān)型快速滅弧自動復(fù)位電子槍真空鍍膜專用高壓電源

1、 真空鍍膜用電子槍高壓電源的發(fā)展我國自主研發(fā)先進的高頻開關(guān)型電子槍高壓電源投入市場作者一：成都中科唯實儀器有限責(zé)任公司 許鏡明作者二：深圳思維特電源設(shè)備有限公司 韋小貴 本文作者之一從事電子槍鍍膜機設(shè)計制造近40年，對電子槍高壓電源的研究、設(shè)計、制造，經(jīng)歷了下文中所述的各個發(fā)展歷程，最后才與實力很強的、高頻開關(guān)電源設(shè)計制造經(jīng)驗非常豐富的深圳思維特電源設(shè)備有限公司一起，研發(fā)成功了迄今國內(nèi)外性能最好的、電壓連續(xù)可調(diào)高頻開關(guān)型真空鍍膜專用電子槍直流高壓電源（SWT-10型），實現(xiàn)了多年來的愿望，并通過下文的簡要敘述，介紹推薦給廣大電子槍蒸發(fā)鍍膜工作者和相關(guān)鍍膜設(shè)備制造者。一、電子槍蒸發(fā)源（又稱電子束

2、蒸發(fā)源）的作用、組成、工作特點。 電子槍蒸發(fā)源是真空蒸發(fā)鍍膜中最重要的熱蒸發(fā)源，因為電子槍射出的電子束具有很高的能量密度，任何一種金屬材料或介質(zhì)材料用電子槍來打都能使其蒸發(fā)，故電子槍在現(xiàn)代真空鍍膜中有著廣泛的應(yīng)用。根據(jù)不同應(yīng)用的各種大小鍍膜機鍍膜的需要，可以配用結(jié)構(gòu)不同、大小不同的電子槍，如微形電子槍（蒸發(fā)材料只需綠豆或黃豆大小即可）、小型電子槍（坩堝可有多穴，每穴容積約5ml或更?。?、中功率和大功率電子槍（4KW、6KW、8KW、10KW、12KW、15KW，電壓有4-10KV）；電子槍的坩堝有80、100、120、140、180、220 mm等單穴或多穴，可根據(jù)不同需要設(shè)計制作。電子槍工作

3、必須配一套專用電子槍電源，電子槍電源由直流高壓電源、槍燈絲電源、電子束偏轉(zhuǎn)掃描電源等組成，而且電子槍必須在真空度優(yōu)于5X10-2Pa的真空條件下才能穩(wěn)定正常工作。若真空度突然降低（尤其是被蒸發(fā)材料在被電子束轟擊而加熱融化、蒸發(fā)過程中的放氣所致），真空室、電子槍及周圍不清潔，加在電子槍陰極（燈絲）上的高壓“負”端（與機殼相連的坩堝即陽極，為高壓“正”端）在工作中“打火”（即極間或空間放電，俗稱“打火”、“飛弧”）是很難避免的。因引起打火的條件不同，打火的大小也不同，打火引起的后果也不同。若高壓電源防止打火的措施、能力差，則“打火”給鍍膜過程和高壓電源自身、鍍膜機、乃至整個供電系統(tǒng)跳閘斷電，可能造

4、成以下嚴重后果：1）、鍍膜中斷，嚴重時可能使整爐被鍍件因不能繼續(xù)完成鍍膜而報廢，2）、由于“打火”本質(zhì)上是造成高壓電源輸出端“瞬間短路”（一般并非真正短路，是一種“空間放電”形式的“瞬間短路”，放過即逝），使高壓供電電路中的電流大增，從而使高壓電源自身元器件燒壞、打火處電子槍零件、部件燒壞、供電系統(tǒng)過流跳閘等，是鍍膜工作者非常頭疼的事情。由于專用電子槍電源中，高壓電源是最重要的部件，其質(zhì)量和保護功能好壞直接影響到整個電子槍蒸發(fā)源工作的好壞，所以要求電子槍直流高壓電源對高壓打火必須有可靠的保護措施：發(fā)生打火時高壓電源的滅弧功能要求能在微秒級至數(shù)毫秒的時間內(nèi)自動切斷高壓，又要在微秒級至數(shù)十毫秒級的

5、時間內(nèi)自動恢復(fù)正常工作狀態(tài)（即高壓滅弧與自動復(fù)位過程），基本不中斷鍍膜過程。為此目的，國內(nèi)外的電子槍鍍膜機制造廠家都在這個問題上下足了功夫，所采取的高壓電源保護措施，隨著電子元器件的不斷發(fā)展，先后大致反映在以下幾類電子槍高壓電源中。 二、以過流繼電器為主控保護元件的第一類電子槍高壓電源這種高壓電源就是在直流高壓電路中串聯(lián)一個過流繼電器（在電路中往往還串聯(lián)能耐高壓和大電流沖擊的電阻，以限制打火大電流），繼電器的動作電流ID略大于高壓電源輸出的額定電流I0，當打火電流IH達到IHID時，繼電器即動作，將高壓電源的供電切斷，達到保護電源等不被損壞的目的。很顯然，鍍膜因此而被中斷，必須重新開高壓后調(diào)節(jié)

6、好電子束流再進行鍍膜。如果打火頻繁，鍍膜就難以進行下去。這是比較早期采用的防止電子槍高壓打火造成危害所采用的方法，現(xiàn)已基本不用了?！疽娤聢D一】 圖一：以過流繼電器為主控保護元件的電子槍高壓電源簡圖三、以大功率電子管為主控保護元件的第二類電子槍高壓電源這種高壓電源就是在直流高壓電路中串聯(lián)一個大功率電子管（三極管或四極管，其陽極對陰極應(yīng)能耐10KV-15KV以上高壓，陽極電流應(yīng)大于0.5A,如果電子槍電流要求1A,一般要用2個電子管并聯(lián)起來使用）作電子開關(guān)?！疽娤聢D】電子槍工作時，電子管處于完全導(dǎo)通狀態(tài)，當電子槍發(fā)生打火時，“瞬間短路”的大電流IH通過反饋電路立即使電子管截止，電子管一截止，IH=

7、0，電子管又即恢復(fù)導(dǎo)通，這一過程就被稱為“電子槍高壓滅弧與自動復(fù)位”的過程，具有這種功能的電子槍高壓電源，打火頻繁時也能控制住，鍍膜過程較穩(wěn)定，對保證鍍膜質(zhì)量極為有利，是比較好的防止電子槍高壓打火造成危害所用的方法，至今國內(nèi)外都有較多應(yīng)用。主要缺點是“高壓滅弧與自動復(fù)位”的過程能否很好完成，決定于電子管自身的質(zhì)量好壞和控制電路工作是否可靠，電子管的壽命因受打火時大電流沖擊的影響而縮短（主要是陰極發(fā)射電子的能力越來越低，管壓降越來越高，管內(nèi)真空度越來越低，到一定程度便不能作開關(guān)管使用），且這種類型的電子管均為軍用，價格較貴，不易買到。進口電子管價格更貴，更不易買到。圖二：以大功率電子管為主控保護

8、元件的電子槍高壓電源簡圖四、以可控硅為主控保護元件的第三類電子槍高壓電源這種高壓電源就是在高壓電源三相高壓變壓器的初級電路中，每路串入一組反向連接的二個可控硅，正常工作時，可控硅處于導(dǎo)通狀態(tài)，確保輸出額定高壓；打火時，可控硅即被關(guān)斷。通過控制這三組可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷，就可達到“電子槍高壓滅弧與自動復(fù)位”的目的，其過程與“第二類” 電子槍高壓電源的工作方式類似，只不過因可控硅耐壓較低，只能接在高壓電源的低壓端【見圖三上圖】，而電子管因耐壓高，可直接串接在高壓電源的高壓輸出回路中，以電子開關(guān)方式控制直流高壓的輸出。打火時兩者切斷直流高壓的反應(yīng)速度絕然不一樣，電子管電路要快得多，所以電子管的滅弧性能

9、比可控硅的滅弧性能好。此外，可控硅及其控制電路的可靠性問題較多一點。同為可控硅控制方式的“模塊集成式”的三相可控硅控制電路【見圖三中圖】，工作的可靠性較“分立元件式”可控硅控制電路（所謂“調(diào)功器”）要高一些，且調(diào)試極為簡便，“模塊集成式”整個電源體積也大為減小。但近年來由于這種模塊質(zhì)量下降，工作可靠性大為降低，限制了它的應(yīng)用。 圖三：以可控硅為主控保護元件的電子槍高壓電源簡圖（上、中、下）為了提高和改善這類高壓電源的滅弧性能，可以在高壓的輸出電路中串聯(lián)一個耐壓足夠高的大電感L、并聯(lián)一個電容器C，或串聯(lián)一個由LCL三個元件組成的”T形電路【見圖三上圖】，利用電感L能抑制電路中電流激增的能力，使電

10、子槍高壓打火時“瞬間短路”所產(chǎn)生的大電流IH大為減小（L兩端必須有”吸能”保護元件，否則易損壞L等），有利于“電子槍高壓滅弧與自動復(fù)位”過程的完成，可靠性提高。由于耐高壓電感L的電感量較大（達20亨左右），高壓電容器C（耐壓15KV以上）的容量也較大，達12微法,對高壓有很好的濾波平滑作用 。 由于高壓輸出端有高壓電容器C，而與C并聯(lián)的電阻RH0（包括高壓測量用電阻和泄放電阻）往往比較大，達數(shù)M到上百M，故高壓關(guān)斷后，C上的高壓UC不能很快降到零伏，至少要過約10 X RH0 C(時間常數(shù))：如RH0=5M,則10 X RH0C=10 X 5M X 2µf=100秒后高壓才能從8KV

11、降到數(shù)十伏安全電壓范圍；如RH0=100 M，這時10RH0C=10 X 100M X 2µf=2000秒，則要經(jīng)過30多分鐘后才能降到數(shù)十伏安全電壓范圍 ，鍍膜操作人員和設(shè)備維修人員必須充分認識到這一點：手要觸及到高壓端（特別是剛鍍好膜便放氣開門取件的場合，電子槍燈絲引線上的高壓正在逐步降低中，必須特別注意不要觸及電子槍頭及引線）之前，必須先用專用高壓放電裝置將電容器的剩余電壓放掉，否則可能遭高壓電擊！這是該方法的缺點之一(不過有的廠家取RH0C=5M X 0.022µf=0.11秒 ，就不存在這個問題)。另一個缺點是因電容器上儲存的能量很大，加上打火時“高壓滅弧與自動復(fù)

12、位”的過程中電源尚未斷掉，故較大打火或失控時可能燒壞打火部位的零件、部件、燒壞電路元器件、引起電路跳閘等，這是以上三類高壓電源所不可避免要發(fā)生的問題。 五、采用全新高頻開關(guān)式電子槍高壓電源（SWT-10型）【見圖四】：上述“第一類、第二類、第三類”直流電子槍高壓電源都是由三相50HZ工頻交流電壓通過升壓變壓器升壓，再經(jīng)整流得到直流高壓的，由于頻率低，變壓器的體積大，重量重；而逆變型高壓電源則是先將三相50HZ工頻交流電壓整流成500V左右的直流電壓，再由逆變器將直流變成非正弦“平頂”（即脈寬，可調(diào)）高頻交流電壓，由變壓器升壓后，再經(jīng)整流得到直流高壓的。由于高頻電壓頻率選在20KHZ到40KHZ

13、（周期為50S-25S）或更高，,頻率較高，比同樣功率的工頻變壓器體積小得多，重量也輕得多，就體積和重量而言，由高頻所得直流高壓比由工頻所得直流高壓優(yōu)點是顯而易見的；不僅如此，由高頻所得直流高壓的“高壓滅弧與自動復(fù)位”的功能可以很方便地通過輸出高壓的電壓和電流反饋回路達到，高壓獲得與高壓保護的整體性很好，保護功能自然更好，不像上述第二、第三類高壓電源，都必須有主控保護元件電子管或可控硅再加獨立的“高壓滅弧與自動復(fù)位”控制部件來實現(xiàn)，從而使高壓電源整體體積增大，重量增加； 圖四：SWT-10型高頻開關(guān)型電子槍高壓電源簡圖 這種高頻開關(guān)型直流高壓電源由于采用了全新的“高壓打火處理技術(shù)”，大大加快了

14、滅弧速度（數(shù)十S內(nèi)）和自動恢復(fù)到原來正常工作電壓的速度（在數(shù)十mS內(nèi)），幾乎看不到打火，就是聽到或看到打火，也找不到“打火點”，這是由于這種“高壓打火處理技術(shù)”在處理打火過程中可很快使輸出高壓降低，電流即迅速減小，使打火不能延續(xù)，從而迅速滅弧，這是其他高壓電源所采用的滅弧方法不可能做到的。 綜上所述，高頻開關(guān)型直流電子槍高壓電源具有其他類型直流電子槍高壓電源無可比擬的優(yōu)點：1、滅弧速度（數(shù)十S內(nèi)）和恢復(fù)速度都極快（數(shù)十mS內(nèi)），基本不中斷鍍膜過程。2、由于保護措施完善可靠，故不怕高壓“真短路”。3、打火不會損壞高壓端打火部位的零部件。4、輸出高壓穩(wěn)定性在整個負載電流范圍內(nèi)不超過0.5%，大大優(yōu)

15、于其他高壓電源的穩(wěn)定性。5、不用另加調(diào)壓器或通過高壓變壓器初級或次級抽頭作“定壓”調(diào)節(jié)，高壓可以從0V10KV連續(xù)進行調(diào)節(jié)，而電子束流在整個高壓范圍內(nèi)都可達到1A ，這給鍍膜工作者根據(jù)不同膜料選擇不同的高壓進行鍍膜，創(chuàng)造了極好的鍍膜工藝選擇條件（此對用“X偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)磁場的電子槍，由于磁場可調(diào)尤為適用；永磁型“X”偏轉(zhuǎn)電子槍由于電子束偏轉(zhuǎn)磁場已固定，高壓也就定了，可調(diào)高壓對用這種電子槍似沒有用，可磁場減弱時就會有用了）。其他的高壓電源只有通過高壓變壓器抽頭作“定壓”選擇，不能連續(xù)調(diào)節(jié)。6、體積小，重量輕 。7、經(jīng)過精密設(shè)計、反復(fù)試驗，實際使用證明，在按自動程序自動鍍膜過程中，該高壓電源工作很穩(wěn)定、可靠，整個鍍膜過程無需人干預(yù)便可順利完成。 這種高壓電源優(yōu)點多多，是一種理想的真空鍍膜用電子槍高壓電源，值得推廣