mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2023-11-5-81-93mireabulletin-766Research ArticleАНАЛИТИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИИANALYTICAL INSTRUMENT ENGINEERING AND TECHNOLOGYDC/DC-преобразователь для питания спектральных лампDC/DC converter to power spectral lampshttps://orcid.org/0009-0004-5353-7781НикольшинМ. Ю.NikolshinM. Yu.

Никольшин Михаил Юрьевич, аспирант, кафедра радиоволновых процессов и технологий Института радиоэлектроники и информатики

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Mikhail Yu. Nikolshin, Postgraduate Student, Department of Radio Wave Processes and Technology, Institute of Radio Electronics and Informatics

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

florenica@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0006-8602-3650ФрунзеА. В.FrunzeA. V.

Фрунзе Александр Вилленович, д.т.н., директор

119361, Москва, ул. Озерная, д. 42

Scopus Author ID 6507641791

Alexander V. Frunze, Dr. Sci.(Eng.), Director

42, Ozernaya ul. Moscow, 119361 

Scopus Author ID 6507641791

alex.fru@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6448-8509БитюковВ. К.BityukovV. K.

Битюков Владимир Ксенофонтович, д.т.н., профессор, профессор кафедры радиоволновых процессов и технологий Института радиоэлектроники и информатики

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Scopus Author ID 6603797260

Researcher ID Y-8325-2018

Vladimir K. Bityukov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Radio Wave Processes and Technology, Institute of Radio Electronics and Informatics

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

Scopus Author ID 6603797260

Researcher ID Y-8325-2018

bitukov@mirea.ruМИРЭА – Российский технологическийРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian FederationАНО НТП «Термоконт»РоссияTERMOKONTRussian FederationМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2023061020231158193Copyright © Никольшин М.Ю., Фрунзе А.В., Битюков В.К., 20232023Никольшин М.Ю., Фрунзе А.В., Битюков В.К.Nikolshin M.Y., Frunze A.V., Bityukov V.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/766Цели

Цели. Цель работы – создание DC/DC-преобразователя для питания ламп с полым катодом, которые в настоящее время широко используются в качестве высокостабильных источников спектральных линий в установках спектрального абсорбционного анализа и в иных случаях. Зачастую для таких ламп используются сетевые источники питания, т.к. установки с использованием ламп с полым катодом выполняются в стационарном исполнении. Однако препятствий принципиального характера для выполнения такого рода установок в переносном варианте нет. Для этого, в первую очередь, следует отказаться от привязки питания к сети переменного тока. Особое внимание при этом должно быть обращено на питание самой спектральной лампы, т.к. от пульсаций ее питающего напряжения зависит амплитудная стабильность излучения. Следовательно, разработка импульсного DC/DC-преобразователя с высоким КПД и малыми пульсациями является актуальной и целесообразной проблемой.

Методы

Методы. Поставленная задача решена методами математических расчетов, схемотехнического моделирования в системе автоматизированного проектирования LTSpice XVII и экспериментальной проверки.

Результаты

Результаты. Выполнен анализ топологий импульсных DC/DC-преобразователей, разработаны структурная и принципиальная электрические схемы преобразователя, проведены их расчеты и моделирование, разработана печатная плата. Для обеспечения высокостабильного излучения разработан и создан автономный высоковольтный DC/DC-преобразователь, имеющий малый уровень пульсаций (~250 мВ) выходного напряжения (~491 В) при токе нагрузке ~20 мА.

Выводы

Выводы. Показана принципиальная возможность получения высокого напряжения при использовании топологии повышающего DC/DC-преобразователя с дросселем. Экспериментальная проверка подтвердила корректность расчетов и моделирования высоковольтного DC/DC-преобразователя для питания спектральных ламп с полым катодом.

Objectives

Objectives. The paper describes the creation of a DC/DC converter for powering hollow cathode lamps widely used currently as highly stable sources of spectral lines in spectral absorption analyzers and other applications. Typically, mains power supplies are used for such lamps, since installations using hollow cathode lamps are manufactured as stationary. However, there are no principal obstacles to manufacturing portable versions by simply substituting the power supply. However, special attention should in this case be paid to the power supply of the spectral lamp itself, since the amplitude stability of the radiation depends on the smoothness of its supply voltage. Therefore, the development of the pulse DC/DC converter with high efficiency and low rippling is a relevant and expedient problem.

Methods

Methods. The set task is solved by methods of mathematical calculations, circuit simulation in LTSpice XVII сomputer-aided design system, and experimental verification.

Results

Results. The structural and principal electrical circuit of a prototype converter is developed on the basis of a topological analysis of pulse DC/DC converters, along with its calculations and simulation, and a printed circuit board. The developed autonomous high-voltage DC/DC converter has a low ripple level (~250 mV) of the output voltage (~491 V) at a load current of ~20 mA to ensure highly stable radiation.

Conclusions

Conclusions. The possibility of obtaining a high voltage when using the topology of a step-up DC/DC converter with a choke is demonstrated. The experimental verification confirmed the correctness of calculations and modeling of a high-voltage DC/DC converter for powering hollow cathode spectral lamps.

спектральная лампа с полым катодомгазоразрядная лампаимпульсный преобразовательDC/DC-преобразовательвысоковольтный преобразовательмоделированиеhollow cathode spectral lampgas discharge lamppulse converterDC/DC converterhigh-voltage convertersimulationReferencesМоскалев Б.И. Разряд с полым катодом. М.: Энергия; 1969. 184 с.Moskalev B.I. Razryad s polym katodom (Discharge with Hollow Cathode). Moscow: Energiya; 1969. 184 p. (in Russ.).Максимов Д.Е., Рудневский Н.К. Спектральный анализ с применением разряда в полом катоде. Горький: ГГУ; 1979. 119 с.Maksimov D.E., Rudnevskii N.K. Spektral’nyi analiz s primeneniem razryada v polom katode (Spectral Analysis Using Hollow Cathode Discharge). Gor’kii: GGU; 1979. 119 p. (in Russ.).Максимов Д.Е., Рудневский Н.К., Рудневский А.Н., Шабанова Т.М. Спектральный анализ с применением разряда в полом катоде. Горький: ГГУ; 1983. 71 с.Maksimov D.E., Rudnevskii N.K., Rudnevskii A.N., Shabanova T.M. Spektral’nyi analiz s primeneniem razryada v polom katode (Spectral Analysis Using Hollow Cathode Discharge). Gor’kii: GGU; 1983. 71 p. (in Russ.).Гармаш А.В. Введение в спектроскопические методы анализа. Оптические методы анализа. М.: РАН ВХК; 1995. 38 с.Garmash A.V. Vvedenie v spektroskopicheskie metody analiza. Opticheskie metody analiza (Introduction to Spectroscopic Methods of Analysis. Optical Methods of Analysis). Moscow: RAN VKhK; 1995. 38 p. (in Russ.).Битюков В.К., Горбунов Р.А., Симачков Д.С., Фрунзе А.В. Высокостабильный источник спектральных линий. Оптика и спектроскопия. 2019;126(4): 528–532. http://doi.org/10.21883/OS.2019.04.47525.50-18Bityukov B.K., Gorbunov R.A., Simachkov D.S., Frunze A.V. A Highly Stable Source of Spectral Lines. Opt. Spectrosc. 2019;126(4):450–453. https://doi.org/10.1134/S0030400X19040040 [Original Russian Text: Bityukov B.K., Gorbunov R.A., Simachkov D.S., Frunze A.V. A Highly Stable Source of Spectral Lines. Optika i spektroskopiya. 2019;126(4):528–532 (in Russ.). http://doi.org/10.21883/OS.2019.04.47525.50-18 ]Каганов В.И., Битюков В.К. Основы радиоэлектроники и связи. М.: Горячая линия-Телеком; 2012. 542 с.Kaganov V.I., Bityukov V.K. Osnovy radioelektroniki i svyazi (Fundamentals of Radioelectronics and Communications). Moscow: Goryachaya liniya –Telekom; 2012. 542 p. (in Russ.).Скворцов Е.А., Симачков Д.С. Устройство по созданию высокостабильного излучения на основе ламп с полым катодом. В сб.: Актуальные проблемы и перспективы развития радиотехнических и инфокоммуникационных систем «Радиоинфоком – 2021»: Сборник научных статей V международной научно-практической конференции. М.: РТУ МИРЭА; 2021. С. 405–408. URL: https://www.elibrary.ru/aelqoxSkvortsov E.A., Simachkov D.S. High-stability radiation device based on hollow cathode lamps. In: Actual Problems and Perspectives for the Development of Radio Engineering and Infocommunication Systems (Radioinfocom 2021): Proceedings of the 5th International Scientific and Practical Conference. Moscow: RTU MIREA; 2021. P. 405–408 (in Russ.). Available from URL: https://www.elibrary.ru/aelqoxБитюков В.К., Симачков Д.С., Бабенко В.П. Источники вторичного электропитания. М.: Инфра-Инженерия; 2020. 376 с.Bityukov V.K., Simachkov D.S., Babenko V.P. Istochniki vtorichnogo elektropitaniya (Secondary Power Sources). Moscow: Infra-Inzheneriya; 2020. 376 p. (in Russ.).Бабенко В.П., Битюков В.К., Симачков Д.С. Понижающе-повышающий DC/DC преобразователь с единственной индуктивностью. Микроэлектроника. 2022;51(1):60–70. https://doi.org/10.31857/S0544126921060041Babenko V.P., Bityukov V.K., Simachkov D.S. DC/DC Buck-Boost Converter with Single Inductance. Russ. Microelectron. 2021;50(6):471–480. https://doi.org/10.1134/S1063739721060044Сергеев Б.С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания: Справочник. М.: Радио и связь; 1992. 224 с.Sergeev B.S. Skhemotekhnika funktsional’nykh uzlov istochnikov vtorichnogo elektropitaniya (Schematics of Functional Units of Secondary Power Sources. Reference-book). Moscow: Radio i svyaz’; 1992. 224 p. (in Russ.).Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. М.: Техносфера; 2005. 632 с.Meleshin V.I. Tranzistornaya preobrazovatel’naya tekhnika (Transistor Converter Technology). Moscow: Tekhnosfera; 2005. 632 p. (in Russ.).Найвельт Г.С., Мазель К.Б., Хусаинов Ч.И. и др. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник; под ред. Г.С. Найвельта. М.: Радио и связь; 1985. 576 с.Naivel’t G.S., Mazel’ K.B., Khusainov Ch.I., et al. Istochniki elektropitaniya radioelektronnoi apparatury (Power Supply Sources REA: reference-book). Naivelt G.S. (Ed.). Moscow: Radio i svyaz’; 1985. 576 p. (in Russ.).Бабенко В.П., Битюков В.К. Измерение заряда затвора для ключей на мощных MOSFET транзисторах. В сб.: Современные проблемы профессионального образования: опыт и пути решения. Материалы Второй всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Иркутск: Иркутский государственный университет путей сообщения; 2017. С. 37–41. URL: https://www.elibrary.ru/zebetlBabenko V.P., Bityukov V.K. Gate charge measurement for high power MOSFET switches. In: Modern Problems of Vocational Education: Experience and Solutions. Materials of the Second All-Russian scientific-practical conference with international participation. 2017. Irkutsk: Irkutsk State Transport University; 2017. P. 37–41 (in Russ.).Зайцев А.А., Миркин А.И., Мокряков В.В. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности: Справочник; под ред. А.В. Голомедова. М.: КУбК-а; 1995. 640 с.Zaitsev A.A., Mirkin A.I., Mokryakov V.V. Poluprovodnikovye pribory. Tranzistory srednei i bol’shoi moshchnosti (Semiconductor Devices. Medium and High Power Transistors: Handbook). Golomedov A.V. (Ed.). Moscow: KUbK-a; 1995. 640 p. (in Russ.).Новиков П. Затворный резистор. Часть 1. Силовая электроника. 2018;6(75):4–8.Novikov P. Gate resistor. Part 1. Silovaya elektronika = Power Electronics. 2018;6(75):4–8 (in Russ.).Володин В.Я. LTspice: компьютерное моделирование электронных схем. СПб.: БХВ-Петербург; 2010. 400 с.Volodin V.Ya. LTspice: komp’yuternoe modelirovanie elektronnykh skhem (LTspice: Computer Simulation of Electronic Circuits). St. Petersburg: BKhV-Peterburg; 2010. 400 p. (in Russ.).Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами: пер. с англ. М.: Мир; 1990. 238 с.Barnes J.R. Electronic System Design: Interference and Noise Control Techniques. Transl. from Engl. Moscow: Mir; 1990. 238 p. (in Russ.). [Barnes J.R. Electronic System Design: Interference and Noise Control Techniques. New Jersey: Prentice Hall; 1987. 244 p.]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.