JP5114079B2 - 電源装置、高周波回路システム及びヒータ電圧制御方法 - Google Patents

Description

本発明は電子管に対してヒータ電圧を供給するのに好適な電源装置、高周波回路システム及びヒータ電圧制御方法に関する。

進行波管やクライストロン等は電子銃から放出された電子ビームと高周波回路との相互作用により高周波信号の増幅や発振等を行うために用いる電子管である。

図９は高周波回路システムの一構成例を示すブロック図である。

図９に示すように、進行波管１は、例えば、電子ビームを放出する電子銃１０と、電子銃１０から放出された電子ビーム５０と高周波信号（マイクロ波）を相互作用させる高周波回路であるヘリックス２０と、ヘリックス２０の内部を進行した電子ビーム５０を捕捉するコレクタ電極３０と、電子銃１０から電子を引き出すと共に電子銃１０から放出された電子ビーム５０をヘリックス２０内に導くアノード電極４０とを有する構成である。電子銃１０は、電子を放出するカソード電極１１と、カソード電極１１から放出された電子を集束するウェネルト電極１３と、カソード電極１１から熱電子を放出させるための熱エネルギーを与えるヒータ１２を備えている。

電子銃１０から放出された電子ビーム５０は、カソード電極１１とヘリックス２０の電位差により加速されてヘリックス２０内に導入され、ヘリックス２０に入力された高周波信号と相互作用しながら内部を進行する。ヘリックス２０の内部を進行した電子ビームはコレクタ電極３０で捕捉される。このとき、ヘリックス２０からは電子ビーム５０との相互作用により増幅された高周波信号が出力される。

図９に示すように、カソード電極１１にはヘリックス２０の電位を基準に負の直流電圧であるヘリックス電圧Ｅｈｅｌが供給され、コレクタ電極３０にはカソード電極１１の電位Ｈ／Ｋを基準に正の直流電圧であるコレクタ電圧Ｅｃｏｌが供給される。ヒータ１２にはカソード電極１１の電位Ｈ／Ｋを基準に負の直流電圧であるヒータ電圧Ｈが供給さる。ヘリックス２０は進行波管１のケースに接続されて接地される。アノード電極４０は、例えばヘリックス２０と接続されてヘリックス２０と同電位に設定される。なお、進行波管１には、アノード電極４０とヘリックス２０とが接続されない構成もある。その場合、アノード電極４０には、カソード電極１１の電位Ｈ／Ｋを基準に正の直流電圧であるアノード電圧Ｅａが供給される。

ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、コレクタ電圧Ｅｃｏｌ、アノード電圧Ｅａ及びヒータ電圧Ｈは、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ、トランス、整流回路及び整流用コンデンサ等を用いて生成される。図９ではコレクタ電極３０を１つ備えた進行波管１の構成例を示しているが、進行波管１には２つのコレクタ電極を備えた構成や３つ以上のコレクタ電極を備えた構成もある。

このような進行波管１を動作させる場合、ヒータ電圧Ｈを先に供給してカソード電極１１を予熱し（３〜５分間程度）、予熱完了後にヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを供給する必要がある。そのため、進行波管１用の電源装置では、ヒータ電圧Ｈを生成するヒータ電源回路を、ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを生成する高圧電源回路から独立して備えている場合が多い。

図１０は図９に示したヒータ電圧を供給する従来の電源装置の構成を示すブロック図である。

図１０に示すように、従来の電源装置は、トランス３００と、直流電圧源３１１と、直流電圧源３１１から出力される直流電圧を交流電圧に変換し、トランス３００の一次巻線に供給するインバータ３１０と、トランス３００の二次巻線から出力される交流電圧を整流し、ヒータ１２に直流電圧を供給する整流回路３３０と、予熱時間の測定に用いるタイマー回路３２０と、インバータ３１０の動作を制御すると共に、電源投入時にタイマー回路３２０を用いて予め設定された予熱時間経過後にヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを出力させるための制御信号であるＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する制御回路３４０とを有する構成である。

インバータ３１０は、直流電圧源３１１から出力される直流電圧を交流電圧に変換するためのトランジスタＱ２１，Ｑ２２と、トランジスタＱ２１，Ｑ２２を交互にオン／オフするための駆動回路３１２とを備えている。

整流回路３３０は、例えば２つのダイオードから成る全波整流回路を備え、トランス３００の二次巻線から出力される交流電圧を整流し、図示していないカソード電極１１内のヒータ１２の電位Ｈ／Ｋを基準に負の直流電圧であるヒータ電圧Ｈを出力する。

図１０に示した、制御回路３４０によりタイマー回路３２０を用いて予熱時間を制御する構成では、図示していないカソード電極の温度が十分に上昇して進行波管１が安定して動作するように、通常、予熱時間には余裕を持った値を設定する。そのため、予熱時間が必要以上に長くなる傾向にあり、電源を投入してから進行波管１が動作を開始するまでの時間が長くなってしまう。

予熱時間を短縮する方法としては、電源投入時にヒータ電圧Ｈを通常電圧よりも高く設定し、温度センサを用いてカソード電極１１が所定の温度に到達したことを検出したとき、ヒータ電圧Ｈを通常電圧に切り替える構成が特許文献１に記載されている。
特開平６−３１００４５号公報

ここで、図１０に示した従来の電源装置において、通常動作時に直流電圧源で停電が発生した場合を考えてみる。

従来の電源装置では、通常動作時に直流電圧源で停電が発生し、該停電から復帰する場合にも、制御回路によってＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号の送出タイミングが制御される。

停電から復帰する場合、従来の電源装置では、通常、電源投入時と同様に予め設定された予熱時間経過後にＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を送出する方法、あるいは停電していた時間（停電時間）に応じて予熱時間を切り替える方法が採用されている。停電時間に応じて予熱時間を切り替える方法としては、停電していた時間と同じ時間だけ予熱時間を設定する手法が一般的である。但し、この場合の予熱時間の最大値は、電源投入時と同様に３〜５分間程度になる。

しかしながら、予め設定された予熱時間経過後にＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を送出する方法では、停電時間が数秒程度の、いわゆる瞬停が発生した場合にも、カソード電極１１の温度を十分に上昇させることを考慮して上記３〜５分間程度の予熱時間を設けているため、進行波管の動作が再開するまでの時間が無駄に長くなる問題がある。

一方、停電時間と同じ時間だけ予熱時間を設ける方法は、例えば図１１のグラフで示すように停電時間がある程度長い場合（図１１に示す例では２５秒以上）は有効であるが、停電時間が短い（瞬停）場合は、カソード電極の温度が動作可能温度にまで到達していないことがある。これは、カソード電極には、それを支持する部品や近接して配置される部品が多く存在するため、カソード電極とこれらの部品が熱平衡状態となるまでに時間を要することに起因する。カソード電極の温度が十分に上昇していない状態でヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを供給して進行波管を動作させると、進行波管の動作が不安定になってしまう。なお、図１１は、進行波管を通常動作させている状態から全ての電源電圧をＯＦＦにし、その後、ヒータに通常動作時における一定電圧を、電源電圧をＯＦＦにした時間と同じだけ供給したときのカソード電極の温度変化の様子を示している。また、図１１では、左側から電源電圧の供給停止時間が５、１０、１５、２０、２５、３０、４０、５０、６０秒のときのカソード電極の各温度特性を順に示している。図１１のグラフで示すように、停電時間が５秒、１０秒、１５秒等、比較的短い場合は、停電時間と同じ時間だけ予熱時間を設けてもカソード電極の温度が動作可能な最低温度にまで到達していない。

本発明は上記したような従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、停電からの復帰時、あるいは電源投入時に必要な、動作の不安定を招くことなくヒータによる予熱時間を短縮できる電源装置、高周波回路システム及びヒータ電圧制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の電源装置は、電子管が備えるヒータへ電力を供給する電源装置であって、
直流電圧源と、
前記直流電圧源から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記交流電圧を整流し、前記ヒータに直流電圧を供給する整流回路と、
前記ヒータに流れるヒータ電流を検出するための電流検出器と、
電源投入時、前記電流検出器で検出された前記ヒータ電流の変化率を予め設定された単位時間毎に求め、前記変化率が予め設定されたしきい値以下になったとき、前記電子管の動作を開始させるための制御信号を出力する制御回路と、
を有する。

一方、本発明の高周波回路システムは、電子管と、
前記電子管に前記ヒータ電圧を供給する上記電源装置と、
を有する。

また、本発明のヒータ電圧制御方法は、直流電圧源と、
前記直流電圧源から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記交流電圧を整流し、前記ヒータに直流電圧を供給する整流回路と、
前記ヒータに流れるヒータ電流を検出するための電流検出器と、
を有する電源装置から、電子管に備えるヒータへ供給する電圧を制御するためのヒータ電圧制御方法であって、
電源投入時、前記電流検出器で検出された前記ヒータ電流の変化率を予め設定された単位時間毎に求め、
前記変化率が予め設定されたしきい値以下になったとき、前記電子管の動作を開始させるための制御信号を出力する方法である。

上記のような構成及び方法では、停電からの復帰時、電子管の通常動作時よりも高い電圧をヒータに供給することで、カソード電極の温度を従来よりも速く上昇させることができる。そのため、停電時間が短く、予熱時間が停電時間に等しい場合でも、カソード電極の温度が電子管の動作可能温度にまで到達する。したがって、停電からの復帰時における予熱時間を短縮できると共に復帰後の進行波管の動作も安定する。

また、電源投入時、ヒータ電流の変化率が予め設定されたしきい値以下であるか否かを判定することで、ヒータが規定の温度に到達したと判断できるため、この段階で電子管の動作を開始させるための制御信号を出力すれば、電源投入時における予熱時間を従来よりも短縮することが可能になる。

本発明によれば、停電からの復帰時、あるいは電源投入時に必要な、動作の不安定を招くことなくヒータによる予熱時間を短縮できる。

次に本発明について図面を参照して説明する。

以下では、本発明の電源装置からヒータ電圧を供給する電子管として、進行波管を例にして説明するが、本発明の電源装置がヒータ電圧を供給する対象は、進行波管に限るものではなく、クライストロンやブラウン管等、カソード電極から電子を放出するための熱エネルギーを与えるヒータを備え、該ヒータによる予熱が完了した後に動作を開始する電子管であればどのようなものでもよい。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の電源装置の第１の実施の形態の構成を示す回路図である。また、図２は図１に示した電源装置の動作を示す図であり、同図（ａ）は電源投入から通常動作時の電圧波形及び電流波形を示す波形図であり、同図（ｂ）は停電からの復帰時の電圧波形及び電流波形を示す波形図である。なお、図１に示す電源装置には、ヒータ電圧Ｈを生成するヒータ電源回路の構成のみ示しているが、電源装置には、ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを生成する高圧電源回路を備えていてもよい。図２（ａ）、（ｂ）に示すヒータ電圧Ｈやヒータ電流Ｉは、電圧や電流の変化の様子を模式的に示したものであり、正確な値を示しているものではない。

図１に示すように、第１の実施の形態の電源装置は、トランス１００と、直流電圧源１１１と、直流電圧源１１１から出力される直流電圧を交流電圧に変換し、トランス１００の一次巻線に供給するインバータ１１０と、タイマー回路１２０と、トランス１００の二次巻線から出力される交流電圧を整流してヒータ１２に供給する整流回路１３０と、インバータ１１０の動作を制御すると共に、ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを出力させるための制御信号であるＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する制御回路１４０と、停電を検出するための停電検出回路１５０とを有する構成である。

インバータ１１０は、直流電圧源１１１から出力される直流電圧を交流電圧に変換するためのトランジスタＱ１，Ｑ２と、トランジスタＱ１，Ｑ２を交互にオン／オフするための駆動信号を出力する駆動回路１１２とを備えている。

停電検出回路１５０は、コンパレータ１５１を備え、直流電圧源１１１の出力電圧と所定のしきい値電圧Ｖｔｈとを比較し、該比較結果を制御回路１４０へ出力することで、停電の検出／非検出を制御回路１４０へ通知する。

整流回路１３０は、例えば２つのダイオードから成る全波整流回路を備え、トランス１００の二次巻線から出力される交流電圧を整流し、カソード電極１１の電位Ｈ／Ｋを基準に負の直流電圧であるヒータ電圧Ｈを出力する。

制御回路１４０は、論理回路やメモリを備えたＬＳＩ、あるいはＣＰＵと該ＣＰＵが処理を実行するためのプログラムが格納された記録媒体とを備えた処理装置（コンピュータ）によって実現可能である。制御回路を処理装置で実現する場合、ＣＰＵにより記録媒体に格納されたプログラムにしたがって処理を実行することで、以下に記載する制御回路１４０の機能を実現できる。

なお、図１ではタイマー回路１２０を独立して備える構成を示しているが、制御回路１４０にタイマー機能を備えている場合は無くてもよい。

第１の実施の形態の電源装置では、図２（ａ）に示すように、通常動作時、電源が投入されると、ヒータ電圧Ｈは所定の時定数で立ち上がり、その後、予め設定された一定値（通常電圧）で制御される。ヒータ１２は、一般に、温度上昇に伴って抵抗値が大きくなる特性を備えているため、ヒータ１２には電源投入直後に最も大きな電流Ｉが流れ、その後、抵抗値の増大に伴って電流Ｉは徐々に少なくなる。

また、第１の実施の形態の電源装置では、停電から復帰するとき、図２（ｂ）に示すように、ヒータ電圧Ｈを通常電圧よりも高い値に設定し、その後、一定値である通常電圧に切り替える。ここで、停電から復帰した直後のヒータ電圧Ｈは、ヒータ電流Ｉの最大値が、ヒータ１２やカソード電極１１に与えるストレスを考慮した所定の電流リミット値以下となるように設定される。このように停電からの復帰時に通常電圧よりも高い電圧Ｈをヒータ１２に供給することで、カソード電極１１の温度が従来よりも速く上昇し、停電時間が短く、予熱時間が停電時間と等しい場合でも、カソード電極１１の温度を動作可能温度にまで到達させることができる。なお、ヒータ１２やカソード電極１１に与えるストレスが問題とならない範囲内であれば、復帰直後のヒータ電圧Ｈをより高く設定することで、予熱時間をさらに短縮することも可能である。

ヒータ電圧Ｈは、図１に示すように制御回路１４０から駆動回路１１２へ供給する駆動信号のパルス幅を切り替えることで制御できる。具体的には、通常動作時、パルス幅が比較的狭い第１の駆動信号を制御回路１４０から駆動回路１１２を介してトランジスタＱ１、Ｑ２に供給する。また、停電（瞬断）状態からの復帰時、通常動作時よりもパルス幅が広い第２の駆動信号を制御回路１４０から駆動回路１１２を介してトランジスタＱ１、Ｑ２に供給する。この場合、ヒータ電圧Ｈは、トランジスタＱ１、Ｑ２がオンしているパルス幅に比例した値となる。すなわち、第２の駆動信号による駆動時のヒータ電圧Ｈは、第１の駆動信号による駆動時のヒータ電圧Ｈよりも高くなる。

また、ヒータ電圧Ｈは、図３に示すように直流電圧源１１１とトランス１００の一次巻線間にレギュレータ回路１６０を設け、制御回路１４０からレギュレータ回路１６０へ供給するレギュレータ駆動信号によって制御することも可能である。

図３に示すレギュレータ回路１６０は、直流電圧源１１１から出力された直流電圧を昇圧する昇圧型回路であり、直流電圧源１１１の出力端とトランス１００の一次巻線の中間タップ間に直列に接続されるインダクタＬ１及びダイオードＤ１と、直流電圧源１１１と並列に接続されるトランジスタＱ３とを備えている。図３に示すレギュレータ回路１６０では、トランジスタＱ３がオンしているときにインダクタＬ１にエネルギーが蓄積され、トランジスタＱ３がオフしているときにインダクタＬ１に蓄積されたエネルギーがダイオードＤ１を通してインバータ１１０に供給される。このような構成では、トランジスタＱ３のベースに供給する駆動信号のパルス幅によって昇圧電圧を制御することが可能であり、パルス幅に比例する昇圧電圧をインバータ１１０へ供給することができる。

直流電圧源１１１とトランス１００の一次巻線間に図３に示すレギュレータ回路１６０を設けた場合、通常動作時、パルス幅が比較的狭い第１の駆動信号を制御回路１４０からレギュレータ回路１６０が備えるトランジスタＱ３へ供給する。また、停電（瞬断）状態からの復帰時、通常動作時よりもパルス幅が広い第２の駆動信号を制御回路１４０からレギュレータ回路１６０が備えるトランジスタＱ３へ供給する。この場合、ヒータ電圧Ｈは、トランジスタＱ３がオンしているパルス幅に比例する値となる。すなわち、第２の駆動信号による駆動時のヒータ電圧Ｈは、第１の駆動信号による駆動時のヒータ電圧Ｈよりも高くなる。

ヒータ電圧Ｈを図３に示したレギュレータ回路１６０を用いて制御する場合、インバータ１１０へは一定のパルス幅を有する駆動信号を供給すればよい。ここで、レギュレータ回路１６０へ供給する駆動信号とインバータ１１０へ供給する駆動信号とは、同期していてもよく非同期であってもよい。但し、レギュレータ回路１６０へ供給する駆動信号とインバータ１１０へ供給する駆動信号とを同期させれば、トランス１００の二次巻線側へ洩れこむ駆動信号の周波数成分が減るため、ヒータ電圧Ｈに含まれるノイズ成分が低減する。

なお、レギュレータ回路１６０には、図３に示した昇圧型回路だけでなく周知の降圧型回路でも制御が可能である。降圧型回路を用いる場合は、通常動作時、パルス幅が比較的広い駆動信号を制御回路１４０からレギュレータ回路１６０へ供給し、停電（瞬断）状態からの復帰時に、パルス幅が通常動作時よりも狭い駆動信号を制御回路１４０からレギュレータ回路１６０へ供給することにより、ヒータ電圧Ｈを通常電圧よりも高く設定することができる。

レギュレータ回路１６０は、その入出力特性に応じて制御回路１４０から供給する駆動信号のパルス幅を適宜設定すれば、周知のどのような回路を用いてもよい。

次に図１及び図３に示した電源装置における停電からの復帰時の動作について図４を用いて説明する。

図４は図１及び図３に示した電源装置の停電からの復帰時の動作を示すフローチャートである。

図４に示すように、制御回路１４０は、停電検出回路１５０の出力信号を観測し、停電検出回路１５０の出力信号が停電の検出を示しているか否かを確認する（ステップＳ１）。停電検出回路１５０の出力信号が停電の検出を示していない場合は、ステップＳ１の処理に戻って停電検出回路１５０の出力信号の観測を続行する。

停電検出回路１５０の出力信号が停電の検出を示している場合、制御回路１４０は、駆動回路１１２に対する第１の駆動信号の出力を停止してヒータ電圧Ｈの出力を停止させる。また、制御回路１４０は、ＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号の出力を停止し、不図示の高圧電源回路からのヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌの出力を停止させる（ステップＳ２）。このとき制御回路１４０は、タイマー回路１２０を用いて停電時間を測定しておく。

制御回路１４０は、停電検出回路１５０の出力信号を再び観測し、停電検出回路１５０の出力信号が停電の検出を示しているか否か（停電から復帰したか否か）を確認する（ステップＳ３）。停電検出回路１５０の出力信号が停電の検出を示している場合（停電中）、ステップＳ３の処理に戻って停電検出回路１５０の出力信号の観測を続行する。

停電検出回路１５０の出力信号が停電の検出を示していない場合（停電から復帰）、制御回路１４０は、電源回路が図１に示した構成であるなら、駆動回路１１２に第２の駆動信号を出力して通常電圧よりも高いヒータ電圧Ｈを出力させる。また、制御回路１４０は、電源回路が図３に示した構成であるなら、レギュレータ回路１６０のトランジスタＱ３に第２の駆動信号を出力して通常電圧よりも高いヒータ電圧Ｈを出力させる（ステップＳ４）。このとき、第２の駆動信号の出力時間は、タイマー回路１２０を用いて測定した停電時間に一致させてもよい。

第２の駆動信号の出力時間が経過すると、制御回路１４０は、電源回路が図１に示した構成であるなら、駆動回路１１２に第１の駆動信号を出力して通常電圧を出力させると共に、ＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力して不図示の高圧電源回路からヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを出力させ、進行波管１の動作を再開させる。また、制御回路１４０は、電源回路が図３に示した構成であるなら、レギュレータ回路１６０のトランジスタＱ３に第１の駆動信号を出力して通常電圧を出力させると共に、ＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力して不図示の高圧電源回路からヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを出力させ、進行波管１の動作を再開させる（ステップＳ５）。

本実施形態の電源装置によれば、進行波管１の通常動作時に直流電圧源１１１の停電が発生しても、停電からの復帰時に通常電圧よりも高い電圧をヒータ１２に供給することにより、進行波管１のカソード電極１１の温度を従来よりも速く上昇させることができる。よって、カソード電極１１の温度を進行波管１の動作可能温度にまでより短時間で到達させることができる。特に、予熱時間が停電時間と等しい時間に設定され、停電時間が短いために予熱時間が短い場合でも、カソード電極１１の温度を進行波管１の動作可能温度にまで到達させることができる。したがって、停電からの復帰時における予熱時間を短縮できると共に復帰後の進行波管１の動作も安定する。本実施形態の電源装置は、カソード電極１１が完全に冷えた状態、例えば電源装置の電源投入時と比較して、カソード電極１１の温度が高く、かつ停電時間が短い、いわゆる瞬停の発生時に適用して特に有効である。

（第２の実施の形態）
図５は本発明の電源装置の第２の実施の形態の構成を示す回路図であり、図６は図５に示したヒータ電源回路から出力される電圧波形及び電流波形を示す波形図である。なお、図５に示す電源装置には、ヒータ電圧Ｈを生成するヒータ電源回路の構成のみ示しているが、電源装置には、ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを生成する高圧電源回路を備えていてもよい。図６に示すヒータ電圧Ｈやヒータ電流Ｉは、電圧や電流の変化の様子を模式的に示したものであり、正確な値を示しているものではない。

図５に示すように、第２の実施の形態の電源装置は、トランス２００と、直流電圧源２１１と、直流電圧源２１１から出力される直流電圧を交流電圧に変換し、トランス２００の一次巻線に供給するインバータ２１０と、タイマー回路２２０と、トランス２００の二次巻線から出力される交流電圧を整流してヒータ１２に供給する整流回路２３０と、インバータ２１０の動作を制御すると共に、ヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを出力させるための制御信号であるＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する制御回路２４０と、ヒータ１２に流れる電流（ヒータ電流Ｉ）を検出する電流検出器２５０と、電流検出器２５０で検出されたヒータ電流ＩをＡ／Ｄ変換し、制御回路２４０へ供給するＡ／Ｄ変換器２７０とを有する構成である。

インバータ２１０は、直流電圧源２１１から出力される直流電圧を交流電圧に変換するためのトランジスタＱ１１，Ｑ１２と、トランジスタＱ１１，Ｑ１２を交互にオン／オフするための駆動信号を出力する駆動回路２１２とを備えている。

整流回路２３０は、例えば２つのダイオードから成る全波整流回路を備え、トランス２００の二次巻線から出力される交流電圧を整流し、カソード電極１１の電位Ｈ／Ｋを基準に負の直流電圧であるヒータ電圧Ｈを出力する。

電流検出器２５０は、トランス２００の二次巻線に接続され、ヒータ１２に流れる電流を検出する。電流検出器２５０で検出された値はＡ／Ｄ変換器２７０でデジタル信号に変換され、制御回路２４０へ供給される。

制御回路２４０は、論理回路やメモリを備えたＬＳＩ、あるいはＣＰＵと該ＣＰＵが処理を実行するためのプログラムが格納された記録媒体とを備えた処理装置（コンピュータ）により実現可能である。制御回路を処理装置で実現する場合、ＣＰＵにより記録媒体に格納されたプログラムにしたがって処理を実行することで、以下に記載する制御回路の機能を実現できる。

なお、図５ではタイマー回路２２０を独立して備える構成を示しているが、制御回路２４０にタイマー機能を備えている場合は無くてもよい。また、図５はＡ／Ｄ変換器２７０を用いて電流検出器２５０の出力信号をデジタル信号に変換して制御回路２４０に供給する構成例を示しているが、制御回路２４０が電流検出器２５０の出力信号（アナログ信号）を直接処理できる構成であれば、Ａ／Ｄ変換器２７０は無くてもよい。

第２の実施の形態の電源装置では、図６に示すように、電源が投入されると、ヒータ電圧は所定の時定数で立ち上がり、その後、予め設定された一定値（通常電圧）で制御される。ヒータ１２は、通常、温度上昇に伴って抵抗値が大きくなる特性を備えているため、ヒータ１２には電源投入直後に最も大きな電流が流れ、その後、抵抗値の増大に伴って電流は徐々に少なくなる。

また、第２の実施の形態の電源装置では、制御回路２４０の処理により、電流検出器２５０で検出されたヒータ電流Ｉの変化率（ΔＩ）を予め設定された単位時間（Δｔ）毎に求め、該変化率が予め設定されたしきい値以下になったとき、ヒータ１２が規定の温度に到達したと判定してＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する。ここで、本実施形態では、ヒータ１２に流れる電流Ｉの変化率が所定のしきい値以内になったとき、ヒータ電圧Ｈを通常電圧よりも僅かに高くして予め設定された一定時間だけヒータ１２に流す電流を大きくし、その後、ヒータ電圧Ｈを通常電圧に戻すと共にＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力してもよい。通常電圧よりも高く設定するヒータ電圧Ｈ及びその印加時間は、ヒータやカソード電極に与えるストレスがヒータの寿命の低下やカソード電極の性能劣化を招くことのない値に設定する。

第２の実施の形態の電源装置では、ヒータ１２に流れる電流の変化率を検出することで、ヒータ１２が規定の温度に到達したか否かを判定する。したがって、従来の電源装置のようにタイマー回路を用いて予め設定された予熱時間が経過するまで待つ必要が無く、ヒータに流れる電流の変化率が所定のしきい値以内になった段階でＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力して進行波管１を動作させることができる。

但し、ヒータに流れる電流の変化率が小さくなっても、上述したようにカソード電極１１が熱平衡状態になっていない場合が考えられる。そのため、本実施形態では、ヒータ電流Ｉの変化率が所定のしきい値以内になると共に、ヒータ電圧Ｈをわずかに高くして予め設定された一定時間だけヒータ１２に流す電流Ｉを大きくする。このようにしてカソード電極１１を過加熱することで、カソード電極１１が熱平衡状態になる時間を短縮することが可能であり、進行波管１にヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを供給しても安定して動作する。なお、進行波管１が小さい場合やカソード電極に近接して配置される部品数が少ない場合等、ヒータに流れる電流の変化率が所定のしきい値以内になった時点でカソード電極１１が十分に熱平衡状態になっていると考えられる場合は、過加熱を行うことなく制御回路２４０からＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力して進行波管１の動作を開始させればよい。

ヒータ電圧Ｈは、図５に示すように制御回路２４０から駆動回路２１２へ供給する駆動信号のパルス幅を切り替えることで制御できる。具体的には、電源投入時、パルス幅が比較的狭い第１の駆動信号を制御回路２４０から駆動回路２１２を介してトランジスタＱ１１、Ｑ１２に供給する。また、カソード電極１１の過加熱時、通常動作時よりもパルス幅が広い第２の駆動信号を制御回路２４０から駆動回路２１２を介してトランジスタＱ１１、Ｑ１２に供給する。この場合、ヒータ電圧Ｈは、トランジスタＱ１１、１２がオンしているパルス幅に比例する値となる。すなわち、第２の駆動信号による駆動時のヒータ電圧Ｈは第１の駆動信号による駆動時のヒータ電圧Ｈよりも高くなる。

また、ヒータ電圧Ｈは、図７に示すように直流電圧源２１１とトランス２００の一次巻線間にレギュレータ回路２６０を設け、制御回路２４０からレギュレータ回路２６０へ供給するレギュレータ駆動信号によって制御することも可能である。

図７に示すレギュレータ回路２６０は、直流電圧源２１１から出力された直流電圧を昇圧する昇圧型回路であり、直流電圧源２１１の出力端とトランス２００の一次巻線の中間タップ間に直列に接続されるインダクタＬ１１及びダイオードＤ１１と、直流電圧源２１１と並列に接続されるトランジスタＱ１３とを備えている。図７に示すレギュレータ回路２６０では、トランジスタＱ１３がオンしているときにインダクタＬ１１にエネルギーが蓄積され、トランジスタＱ１３がオフしているときにインダクタＬ１１に蓄積されたエネルギーがダイオードＤ１１を通してインバータ２１０に供給される。このような構成では、トランジスタＱ１３のベースに供給する駆動信号のパルス幅によって昇圧電圧を制御することが可能であり、パルス幅に比例する昇圧電圧をインバータ２１０へ供給することができる。

直流電圧源２１１とトランス２００の一次巻線間に図７に示すレギュレータ回路２６０を設けた場合、電源投入時、パルス幅が比較的狭い第１の駆動信号を制御回路２４０からレギュレータ回路２６０が備えるトランジスタＱ１３へ供給する。また、カソード電極１１の過加熱時、通常動作時よりもパルス幅が広い第２の駆動信号を制御回路２４０からレギュレータ回路２６０が備えるトランジスタＱ１３へ供給する。この場合、ヒータ電圧Ｈは、トランジスタＱ１３がオンしているパルス幅に比例する値となる。すなわち、第２の駆動信号による駆動時のヒータ電圧Ｈは、第１の駆動信号による駆動時のヒータ電圧Ｈよりも高くなる。

ヒータ電圧Ｈを図７に示したレギュレータ回路２６０を用いて制御する場合、インバータ２１０へは一定のパルス幅を有する駆動信号を供給すればよい。ここで、レギュレータ回路２６０へ供給する駆動信号とインバータ２１０へ供給する駆動信号とは、同期していてもよく、非同期であってもよい。但し、レギュレータ回路２６０へ供給する駆動信号とインバータ２１０へ供給する駆動信号とを同期させれば、トランス２００の二次巻線側へ洩れこむ駆動信号の周波数成分が減るため、ヒータ電圧Ｈに含まれるノイズ成分が低減する。

なお、レギュレータ回路２６０には、図７に示した昇圧型回路だけでなく周知の降圧型回路でも制御が可能である。降圧型回路を用いる場合は、電源投入時、パルス幅が比較的広い駆動信号を制御回路２４０からレギュレータ回路２６０へ供給し、カソード電極１１の過加熱時、パルス幅が通常動作時よりも狭い駆動信号を制御回路２４０からレギュレータ回路２６０へ供給することにより、ヒータ電圧Ｈを通常電圧よりも高く設定することができる。

レギュレータ回路２６０は、その入出力特性に応じて制御回路２４０から供給する駆動信号のパルス幅を適宜設定すれば、周知のどのような回路を用いてもよい。

次に図５及び図７に示した制御回路の電源投入時の処理手順について図８を用いて説明する。

図８は図５及び図７に示した電源装置の電源投入時の動作を示すフローチャートである。

図８に示すように、制御回路２４０は、電源投入時、駆動回路２１２に第１の駆動信号を出力してヒータ電圧を出力させる。また、Ａ／Ｄ変換器２７０から供給される電流検出値を観測し、予め設定された単位時間あたりのヒータ電流Ｉの変化率を算出する（ステップＳ１１）。

次に、制御回路２４０は、算出したヒータ電流Ｉの変化率と予め設定されたしきい値とを比較し、ヒータ電流Ｉの変化率がしきい値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。ヒータ電流Ｉの変化率がしきい値よりも大きい場合、ステップＳ１の処理に戻ってヒータ電流Ｉの変化率の算出を続行する。

ヒータ電流Ｉの変化率がしきい値以下である場合、制御回路２４０は、電源回路が図５に示した構成であるなら、駆動回路１１２に第２の駆動信号を出力して通常電圧よりも高いヒータ電圧Ｈを出力させる。また、制御回路２４０は、電源回路が図７に示した構成であるなら、レギュレータ回路２６０のトランジスタＱ１３に第２の駆動信号を出力して通常電圧よりも高いヒータ電圧Ｈを出力させる（ステップＳ１３）。このとき、制御回路２４０は、タイマー回路２２０を用いて予め設定された一定時間だけ駆動回路２１２に第２の駆動信号を出力する。

第２の駆動信号の出力時間が経過すると、制御回路２４０は、電源回路が図５に示した構成であるなら、駆動回路２１２に第１の駆動信号を出力して通常電圧を出力させると共に、ＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力して、不図示の高圧電源回路からヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを出力させ、進行波管１に動作を開始させる。また、制御回路２４０は、電源回路が図７に示した構成であるなら、レギュレータ回路２６０のトランジスタＱ１３に第１の駆動信号を出力して通常電圧を出力させると共に、ＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力して不図示の高圧電源回路からヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを出力させ、進行波管１の動作を再開させる（ステップＳ１４）。

本実施形態の電源回路によれば、電源投入時、ヒータ電流Ｉの変化率が予め設定されたしきい値以下であればヒータ１２が規定の温度に到達したと判断できるため、この段階で進行波管１の動作を開始させるための制御信号を出力すれば、電源投入時における予熱時間を従来よりも短縮することが可能になる。さらに、ヒータ電流Ｉの変化率がしきい値以下になった時点で通常電圧よりも高い電圧をヒータに供給し、カソード電極１１を過加熱することでカソード電極１１の熱平衡状態への移行が促進される。したがって、進行波管１を安定して動作させることができる。

なお、第２の実施の形態の電源装置では、電流検出器２５０にてトランス２００の二次巻線に流れる電流を検出しているため、該電流の有無により直流電圧源２１１にて発生した停電及び該停電からの復帰を検出することができる。

したがって、第２の実施の形態の電源装置は、制御回路２４０のプログラムを書き換えることで、停電からの復帰時に第１の実施の形態と同様の処理を実行することも可能である。

その場合、制御回路２４０は、図４に示したステップＳ１の処理にて、電流検出器２５０を用いてトランス２００の二次巻線に流れる電流を観測し、トランス２００の二次巻線に電流が流れている場合は、停電が発生していないと判定してステップＳ１の処理に戻って電流検出器２５０にて電流の有無の観測を続行すればよい。また、トランス２００の二次巻線に電流が流れていない場合は停電であると判定し、図４に示したステップＳ２の処理にて、駆動回路２１２に対する第１の駆動信号の出力を停止してヒータ電圧Ｈの出力を停止させ、ＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号の出力を停止してヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌの出力を停止させればよい。そして、図４に示したステップＳ３の処理にて、電流検出器２５０を用いてトランス２００の二次巻線に電流が流れたことを検出した場合（停電から復帰）は、第１の実施の形態と同様にステップＳ４にて通常動作時よりも高いヒータ電圧Ｈを出力させ、ステップＳ５にて所定時間経過後に通常動作時のヒータ電圧Ｈを出力させ、ＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力して進行波管１にヘリックス電圧Ｅｈｅｌ、アノード電圧Ｅａ及びコレクタ電圧Ｅｃｏｌを供給させればよい。

なお、図５あるいは図７に示した第２の実施の形態の電源装置に停電検出回路１５０を設け、第１の実施の形態と同様に停電検出回路１５０を用いて直流電圧源２１１で発生する停電及び停電からの復帰を検出してもよい。

このような処理を実行すれば、電源投入時、停電からの復帰時の双方で進行波管１が備えるヒータの予熱時間を短縮することができる。

さらに、第２の実施の形態の電源装置では、停電からの復帰時において、第１の実施の形態と同様に通常動作時よりも高いヒータ電圧Ｈを出力すると共に、電源投入時と同様にトランス２００の二次巻線に流れるヒータ電流Ｉの変化率を計算し、ヒータ電流Ｉの変化率が所定のしきい値以内になった時点でヒータ電圧Ｈを通常電圧に戻し、ＨＶ ＯＮ／ＯＦＦ信号を出力して進行波管１の動作を開始させてもよい。このようにヒータ電流Ｉの変化率から進行波管１の動作開始タイミングを判断する手法は、カソード電極１１及びそれに近接して配置される各種部品から成る熱構造系に依存することなく、電源投入時あるいは停電からの復帰時に進行波管１の動作開始タイミングを判断できる。したがって、本実施形態の電源装置は、カソード電極周辺の熱構造が既知の電子管に各種の電源電圧を供給するだけでなく、定格容量内で使用されるならば、カソード電極周辺の熱構造が不明の各種の電子管に対しても各種の電源電圧を供給することができるため、高い汎用性を備えている。

本発明の電源装置の第１の実施の形態の構成を示す回路図である。 図１に示した電源装置の動作を示す図であり、同図（ａ）は電源投入から通常動作時の電圧波形及び電流波形を示す波形図であり、同図（ｂ）は停電からの復帰時の電圧波形及び電流波形を示す波形図である。 本発明の電源装置の第１の実施の形態の他の構成例を示す回路図である。 図１及び図３に示した電源装置の停電からの復帰時の動作を示すフローチャートである。 本発明の電源装置の第２の実施の形態の構成を示す回路図である。 図５に示したヒータ電源回路から出力される電圧波形及び電流波形を示す波形図である。 本発明の電源装置の第２の実施の形態の他の構成例を示す回路図である。 図５及び図７に示した電源装置の電源投入時の動作を示すフローチャートである。 高周波回路システムの一構成例を示すブロック図である。 図９に示したヒータ電圧を供給する従来の電源装置の構成を示すブロック図である。 進行波管が瞬停状態から復帰したときのカソード電極の温度変化の一例を示すグラフである。

符号の説明

１ 進行波管
１０ 電子銃
１１ カソード電極
１２ ヒータ
１３ ウェネルト電極
２０ ヘリックス
３０ コレクタ電極
４０ アノード電極
５０ 電子ビーム
６０ 電源装置
１００、２００、３００ トランス
１１０、２１０、３１０ インバータ
１１１、２１１、３１１ 直流電圧源
１１２、２１２、３１２ 駆動回路
１２０、２２０、３２０ タイマー回路
１３０、２３０、３３０ 整流回路
１４０、２４０、３４０ 制御回路
１５０ 停電検出回路
１５１ コンパレータ
１６０、２６０ レギュレータ回路
２５０ 電流検出器
２７０ Ａ／Ｄ変換器
Ｄ１、Ｄ１１ ダイオード
Ｌ１、Ｌ１１ インダクタ
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ２１、Ｑ２２ トランジスタ

Claims (13)

1. 電子管が備えるヒータへ電力を供給する電源装置であって、
   直流電圧源と、
   前記直流電圧源から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
   前記交流電圧を整流し、前記ヒータに直流電圧を供給する整流回路と、
   前記ヒータに流れるヒータ電流を検出するための電流検出器と、
   電源投入時、前記電流検出器で検出された前記ヒータ電流の変化率を予め設定された単位時間毎に求め、前記変化率が予め設定されたしきい値以下になったとき、前記電子管の動作を開始させるための制御信号を出力する制御回路と、
   を有する電源装置。
2. 前記制御回路は、
   前記変化率が予め設定されたしきい値以下になったとき、前記整流回路から前記電子管の通常動作時に前記ヒータに供給する一定電圧である通常電圧よりも高い電圧を前記ヒータに供給させ、予め設定された時間が経過した後、前記整流回路から前記ヒータに前記通常電圧を供給させると共に、前記電子管の動作を開始させるための制御信号を出力する請求項１記載の電源装置。
3. 前記制御回路は、
   前記電流検出器により検出したヒータ電流の有無により、前記直流電圧源で発生する停電及び該停電からの復帰を検出すると、前記整流回路から前記電子管の通常動作時に前記ヒータに供給する一定電圧である通常電圧よりも高い電圧を前記ヒータに供給させ、前記変化率が予め設定されたしきい値以下になったとき、前記整流回路から前記ヒータに前記通常電圧を供給させると共に、前記電子管の動作を開始させるための制御信号を出力する請求項１または２記載の電源装置。
4. 前記制御回路は、
   前記電流検出器により検出したヒータ電流の有無により、前記直流電圧源で発生する停電及び該停電からの復帰を検出すると、前記整流回路から前記電子管の通常動作時に前記ヒータに供給する一定電圧である通常電圧よりも高い電圧を前記ヒータに供給させ、予め設定された時間が経過した後、前記整流回路から前記ヒータに前記通常電圧を供給させると共に、前記電子管の動作を開始させるための制御信号を出力する請求項１記載の電源装置。
5. 前記直流電圧源で発生する停電及び該停電からの復帰を検出するための停電検出回路をさらに有し、
   前記制御回路は、
   前記停電検出回路によって前記直流電圧源で発生した停電、及び該停電からの復帰が検出されると、前記整流回路から前記電子管の通常動作時に前記ヒータに供給する一定電圧である通常電圧よりも高い電圧を前記ヒータに供給させ、予め設定された時間が経過した後、前記整流回路から前記ヒータに前記通常電圧を供給させると共に、前記電子管の動作を開始させるための制御信号を出力する請求項１記載の電源装置。
6. 前記インバータは、
   前記直流電圧源から出力される直流電圧を交流電圧に変換するための２つのトランジスタと、
   前記トランジスタを交互にオン／オフするための駆動回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記ヒータに供給する電圧を、前記駆動回路を介して前記トランジスタへ供給するパルス幅によって制御する請求項１から５のいずれか１項記載の電源装置。
7. 前記直流電圧源と前記インバータ間に接続される、前記直流電圧源と並列に接続されるトランジスタを備えたレギュレータ回路を有し、
   前記制御回路は、
   前記ヒータに供給する電圧を、前記レギュレータ回路が備えるトランジスタへ供給するパルス幅によって制御する請求項１から６のいずれか１項記載の電源装置。
8. 電子管と、
   前記電子管に前記ヒータ電圧を供給する請求項１から７のいずれか１項記載の電源装置と、
   を有する高周波回路システム。
9. 直流電圧源と、
   前記直流電圧源から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
   前記交流電圧を整流し、前記ヒータに直流電圧を供給する整流回路と、
   前記ヒータに流れるヒータ電流を検出するための電流検出器と、
   を有する電源装置から、電子管に備えるヒータへ供給する電圧を制御するためのヒータ電圧制御方法であって、
   電源投入時、前記電流検出器で検出された前記ヒータ電流の変化率を予め設定された単位時間毎に求め、
   前記変化率が予め設定されたしきい値以下になったとき、前記電子管の動作を開始させるための制御信号を出力するヒータ電圧制御方法。
10. 前記変化率が予め設定されたしきい値以下になったとき、前記整流回路から前記電子管の通常動作時に前記ヒータに供給する一定電圧である通常電圧よりも高い電圧を前記ヒータに供給し、
    予め設定された時間が経過した後、前記整流回路から前記ヒータに前記通常電圧を供給すると共に、前記電子管の動作を開始させるための制御信号を出力する請求項９記載のヒータ電圧制御方法。
11. 前記電流検出器により検出したヒータ電流の有無により、前記直流電圧源で発生する停電及び該停電からの復帰を検出したとき、
    前記整流回路から前記電子管の通常動作時に前記ヒータに供給する一定電圧である通常電圧よりも高い電圧を前記ヒータに供給し、
    前記変化率が予め設定されたしきい値以下になったとき、前記整流回路から前記ヒータに前記通常電圧を供給させると共に、前記電子管の動作を開始させるための制御信号を出力する請求項９または１０記載のヒータ電圧制御方法。
12. 前記電流検出器により検出したヒータ電流の有無により、前記直流電圧源で発生する停電及び該停電からの復帰を検出すると、
    前記整流回路から前記電子管の通常動作時に前記ヒータに供給する一定電圧である通常電圧よりも高い電圧を前記ヒータに供給し、
    予め設定された時間が経過した後、前記整流回路から前記ヒータに前記通常電圧を供給させると共に、前記電子管の動作を開始させるための制御信号を出力する請求項９記載のヒータ電圧制御方法。
13. 前記電源装置が、前記直流電圧源で発生する停電及び該停電からの復帰を検出するための停電検出回路をさらに有し、
    前記停電検出回路によって前記直流電圧源で発生した停電、及び該停電からの復帰が検出されると、前記整流回路から前記電子管の通常動作時に前記ヒータに供給する一定電圧である通常電圧よりも高い電圧を前記ヒータに供給し、
    予め設定された時間が経過した後、前記整流回路から前記ヒータに前記通常電圧を供給させると共に、前記電子管の動作を開始させるための制御信号を出力する請求項９記載のヒータ電圧制御方法。

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