JP5099636B2 - 電流測定装置、電圧測定装置及びそれを備えた電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子管の電極に流れる電流を測定するのに好適な電流測定装置、電子管の電極に印加された電圧を測定するのに好適な電圧測定装置及びそれらを備えた電源装置に関する。

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。進行波管１は、例えば図９に示すように、電子ビーム５０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）とを相互作用させる高周波回路であるヘリックス電極２０と、ヘリックス電極２０から出力された電子ビーム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をスパイラル状のヘリックス電極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、熱電子を放出するカソード電極１１と、カソード電極１１に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とを備えている。

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とヘリックス電極２０との電位差により加速されてヘリックス電極２０内に導入され、ヘリックス電極２０の一端から入力された高周波信号と相互作用しながらヘリックス電極２０の内部を進行する。ヘリックス電極２０の内部を通過した電子ビーム５０はコレクタ電極３０で捕捉される。このとき、ヘリックス電極２０の他端からは電子ビーム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。

電源装置６０は、カソード電極１１に対してヘリックス電極２０の電位（HELIX）を基準に負の直流電圧であるヘリックス電圧（Ehel）を供給するヘリックス電源６１と、コレクタ電極３０に対してカソード電極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）を供給するコレクタ電源６２と、ヒータ１２に対してカソード電極１１の電位（H/K）を基準に負の直流電圧であるヒータ電圧（Eh）を供給するヒータ電源６３とを備えている。ヘリックス電極２０は、通常、進行波管１のケースに接続されて電源装置６０内で接地される。

なお、図９は１つのコレクタ電極３０を備えた進行波管１の構成例を示しているが、進行波管１には複数のコレクタ電極３０を備えた構成もある。また、図９では、電源装置６０内でアノード電極４０とヘリックス電極２０とを接続した構成を示しているが、進行波管１には、アノード電極４０に対してカソード電極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）を供給する構成もある。

ヘリックス電圧（Ehel）、コレクタ電圧（Ecol）及びヒータ電圧（Eh）は、例えば、トランスと、外部から供給される直流電圧を交流電圧に変換する、トランスの一次巻線に接続されたインバータと、トランスの二次巻線から出力された交流電圧を直流電圧に変換する整流回路とを用いて生成される。

ところで、図９に示した進行波管１のカソード電極１１、コレクタ電極３０、へリックス電極２０、ヒータ１２等に流れる電流を測定する方法としては、通常、図１０に示すように電極（図１０ではカソード電極１１）と電源装置６０間に電流計７０を直列に挿入する方法が考えられる。

しかしながら、電流計７０を用いる方法は、高電圧（数ｋＶ〜十数ｋＶ）で動作するカソード電極、コレクタ電極、ヒータ等に流れる電流を測定する電流計にも高電圧が印加されることになるため、安全に測定作業を行うために電流計７０を絶縁する等の処置が必要になる。

また、進行波管１の各電極に流れる電流あるいは各電極に印加された電圧を測定するには、専用の測定装置や設備が必要であり、進行波管１を動作させている状態で簡易に電流や電圧を測定するのは困難である。

このような問題に対処するため、例えば特許文献１では進行波管の動作電流を検出するために、電源装置に電流検出用の専用のトランス（以下、電流検出用トランスと称す）を備えた構成が記載されている。

特許文献１に記載の電源装置は、トランスと、該トランスの一次巻線に電力を供給するインバータと、該トランスの二次巻線から出力される交流電圧を整流し、進行波管のカソード電極及びコレクタ電極に供給する電源電圧を生成する整流回路とを備え、トランスの二次巻線と整流回路間に電流検出用トランスの一次巻線が直列に挿入された構成である。このような構成では、電流検出用トランスの二次巻線から、進行波管のコレクタ電極に流れる電流とほぼ等しい信号が得られる。
特許第２７１１８９７号公報

しかしながら上述した特許文献１では、進行波管のへリックス電極に流れる電流（以下、へリックス電流と称す）やアノード電極に流れる電流（以下、アノード電流と称す）を、コレクタ電極に流れる電流（以下、コレクタ電流と称す）やカソード電極に流れる電流（以下、カソード電流と称す）と比べて十分に小さい値であるとして無視し、さらにカソード電流はコレクタ電流と等しいとみなして、電流検出用トランスの二次巻線から出力される信号をカソード電流の測定値と出力している。そのため、特許文献１に記載の構成では、カソード電流を精度よく測定することができないという問題がある。

また、特許文献１の構成では、上述したようにヘリックス電流やアノード電流を測定対象としていないため、これらの電流を測定することができないという問題もある。特に、ヘリックス電流は、進行波管の動作寿命に係わる値であるため、簡易に測定できることが望ましい。

さらに、特許文献１では、進行波管のカソード電極、コレクタ電極、アノード電極、ヒータ等への印加電圧を測定する方法については何も示していない。

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、電子管の各電極に流れる電流や各電極への印加電圧を、安全にかつ簡易に測定することが可能な電流測定装置及び電圧測定装置並びにそれを備えた電源装置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流測定装置は、トランスと、
電子管の測定対象電流の電流計路に直列に配置された、該電流を検出するための検出抵抗器と、
前記検出抵抗器に電流が流れることで発生する、前記検出抵抗器の両端の電位差を検出する検出回路と、
前記検出回路の出力電圧に応じてパルス属性が変化するパルス信号を生成するパルス発生回路と、
前記パルス発生回路から出力されるパルス信号にしたがって前記トランスの二次巻線間を短絡するスイッチと、
前記スイッチが前記トランスの二次巻線間を短絡することで発生する、前記トランスの一次巻線に流れるパルス状の電流を検出するパルス検出回路と、
前記パルス検出回路で検出されたパルス状の電流のパルス属性を測定し、前記検出抵抗器に流れる電流を求める演算装置と、
を有する。

一方、本発明の電圧測定装置は、トランスと、
電子管の所望の電極間に印加される電圧を分圧するための複数の抵抗器からなる分圧抵抗器と、
前記分圧抵抗器で分圧された電圧を検出する検出回路と、
前記検出回路の出力電圧に応じてパルス属性が変化するパルス信号を生成するパルス発生回路と、
前記パルス発生回路から出力されるパルス信号にしたがって前記トランスの二次巻線間を短絡するスイッチと、
前記スイッチが前記トランスの二次巻線間を短絡することで発生する、前記トランスの一次巻線に流れるパルス状の電流を検出するパルス検出回路と、
前記パルス検出回路で検出されたパルス状の電流のパルス属性を測定し、前記電極間の電圧を求める演算装置と、
を有する。

本発明の電源装置は、上記電流測定装置または電圧測定装置と、
前記電子管の各電極に所定の直流電圧を供給する複数の直流電圧源と、
を有する。

本発明によれば、電子管の各電極に流れる電流や各電極への印加電圧を、安全にかつ簡易に測定することができる。

次に本発明について図面を用いて説明する。

以下では、電流や電圧の測定対象として、進行波管の各電極を例にして説明するが、本発明は、その他の電子管の各電極に流れる電流を測定する電流測定装置、各電極の印加電圧を測定する電圧測定装置にも適用できる。
（第１の実施の形態）
図１は電流測定装置の実施形態の一構成例を示すブロック図である。

本実施形態の電流測定装置は、進行波管１の各電極に所定の直流電圧を供給する電源装置１００が備える複数の直流電圧源のうち、ヒータに供給するヒータ電圧（Eh）を生成するためのヒータ電源に組み込まれた構成である。

ヒータ電源は、図１に示すように、トランス１０１と、外部から供給される直流電圧を交流電圧に変換する、トランス１０１の一次巻線に接続されたインバータ１０２と、トランス１０１の二次巻線から出力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路１０３とを備えている。これら直流電圧源を構成するトランス１０１、インバータ１０２及び整流回路１０３については周知の構成を用いればよいため、ここでは詳細な説明を省略する。

電流測定装置１１０は、トランス１０１と、電子管の測定対象電流の電流計路に直列に配置された、該電流を検出するための検出抵抗器Ｒｓと、検出抵抗器Ｒｓに電流が流れることで発生する、検出抵抗器Ｒｓの両端の電位差を検出する検出回路１１１と、検出回路１１１の出力電圧に応じてパルス属性が変化するパルス信号を生成するパルス発生回路１１２と、パルス発生回路１１２から出力されるパルス信号にしたがってトランス１０１の二次巻線間を周期的に短絡するスイッチ１１３と、スイッチ１１３がトランス１０１の二次巻線間を短絡することで発生する、トランス１０１の一次巻線に流れるパルス状の電流を検出するパルス検出回路１１４と、パルス検出回路１１４で検出されたパルス状の電流のパルス属性を測定し、検出抵抗器Ｒｓに流れる電流を求める演算装置１１５とを備えている。

トランス１０１は、ヒータ電源が備えるトランス１０１と共有される。

検出抵抗器Ｒｓは、図１に示すように、例えばヘリックス電圧（Ehel）を生成するヘリックス電源１０４及びコレクタ電圧（Ecol）を生成するコレクタ電源１０５とカソード電極間に挿入される。この場合、進行波管１のカソード電流を測定できる。

進行波管１のコレクタ電流を測定したい場合は、図２に示すように検出抵抗器Ｒｓをコレクタ電源１０５の負極と進行波管１のカソード電極間に挿入すればよい。また、進行波管１のヘリックス電流を測定したい場合は、図３に示すように検出抵抗器Ｒｓをヘリックス電源１０４の負極と進行波管１のカソード電極間に挿入すればよい。ヒータ電流を測定したい場合は、図４に示すように検出抵抗器Ｒｓをヒータ電源の負極と進行波管のヒータ間に挿入すればよい。

進行波管１がアノード電極とヘリックス電極とを接続しない構成であり、アノード電流を測定したい場合は、検出抵抗器Ｒｓを不図示のアノード電源の正極と進行波管１のアノード電極間に挿入すればよい。これらの検出抵抗器Ｒｓは、電源装置１００内に全て備えていてもよく、一部のみを備えていてもよい。検出抵抗器Ｒｓを複数個所に配置する場合は、例えば、各検出抵抗器Ｒｓに対応する検出回路１１１及びパルス発生回路１１２をそれぞれ備え、マルチプレクサ等を用いて複数のパルス発生回路１１２から出力されるパルス信号を順次切り替えてスイッチ１１３へ供給すればよい。

検出回路１１１は、検出抵抗器Ｒｓの両端に発生する電位差を入力とし、必要に応じて該電位差を増幅して出力するバッファ回路で構成される。

パルス発生回路１１２は、例えば周知のＶ／Ｆコンバータ（電圧／周波数変換器）、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator：電圧制御発振器）、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）回路、ＰＤＭ（Pulse Density Modulation）回路等で構成され、検出回路１１１の出力電圧に応じてパルス属性（周波数／周期、パルス幅、パルス密度等）が変化するパルス信号を生成する。なお、後述するように、トランス１０１の一次巻線にはパルス発生回路１１２で生成するパルス信号と同一のパルス属性でパルス電流が流れるため、該パルス電流とインバータ１０２の動作電流とを区別できるように、パルス発生回路１１２で生成するパルス信号の周波数やパルス幅を設定することが望ましい。具体的には、パルス発生回路１１２で生成するパルス信号は、その周波数がインバータ１０２のスイッチング周波数よりも十分に低く、かつパルス幅はインバータ１０２のスイッチング周期よりも十分に狭いものであることが望ましい。

スイッチ１１３は、例えば図１に示すようにコレクタとエミッタがトランス１０１の二次巻線に接続されたトランジスタＱ１を備え、パルス発生回路１１２から出力されるパルス信号にしたがってオン／オフすることで、トランス１０１の二次巻線間を短絡する。なお、図１では、トランジスタＱ１のコレクタにインダクタＬ１が直列に接続された構成例を示しているが、インダクタＬ１は、スイッチ（トランジスタ）１０３がオンしたときに流れる電流を低減するためのものであり、例えば抵抗器に置き換えてもよい。これらインダクタＬ１や抵抗器は、トランジスタＱ１がオンしたときに流れる電流によって、トランジスタＱ１やトランス１０１等の性能が劣化しなければ無くてもよい。また、スイッチ１１３には、トランジスタＱ１に代えてＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタやリレー等を用いることもできる。

パルス検出回路１１４は、スイッチ１１３がオンすることでトランス１０１の二次巻線に電流（短絡電流）が流れることで発生する、トランス１０１の一次巻線に流れるパルス状の電流を、例えば周知の電流プローブを用いて検出し、その検出結果を演算装置１１５に出力する。

演算装置１１５は、例えばプログラムにしたがって動作するＣＰＵ、ＤＳＰ、各種の論理回路等に加えて、周知のパルスカウンタやパルス幅測定装置等を備え、該パルスカウンタやパルス幅測定装置等を用いてパルス検出回路１１４で検出されたパルス状の電流のパルス属性（周波数／周期、パルス幅、パルス密度等）を測定し、その測定結果を基に検出抵抗器Ｒｓに流れる電流を算出する。

次に本実施形態の電流検出装置の動作について図面を用いて説明する。

図５は図１に示したパルス検出回路で検出される電流波形の一例を示す模式図である。

上述したように、検出回路１１１は、検出抵抗器Ｒｓに流れている電流（図１に示す構成ではカソード電流）に対応する電圧を出力する。パルス発生回路１１２は検出回路１１１の出力電圧に応じてパルス属性（例えば、周波数）が変化するパルス信号を出力し、スイッチ１１３は該パルス信号にしたがってオン／オフする。このとき、トランス１０１の二次巻線には周波数がカソード電流の値に比例するパルス状の短絡電流が流れることになる。

トランス１０１の二次巻線にパルス状の短絡電流が流れると、トランス１０１の一次巻線に二次巻線側の短絡電流と周波数が等しいパルス状の電流（パルス状電流）が流れる（図５参照）。

本実施形態では、このトランス１０１の一次巻線に流れるパルス状電流をパルス検出回路１１４で検出し、演算装置１１５によりパルス状電流の周期Ｔを測定する。ここで、図５に示すように、トランス１０１の一次巻線には、パルス状電流だけでなくインバータ１０２の動作電流も流れている。そのため、演算装置１１５は、予め所定の検出レベルを設定し、該検出レベルを越えるパルス状電流をトランス１０１の二次巻線の短絡電流に対応する電流として検出する。

トランス１０１の一次巻線側で得られるパルス状電流の周期Ｔは、上述したようにトランス１０１の二次巻線に流れる短絡電流の周期（周波数）と等しく、該周波数は検出回路１１１で検出されたカソード電流の値と比例する。

したがって、予め検出抵抗器Ｒｓに流れる電流とパルス発生回路１１２で生成するパルス信号の関係が分かっていれば、トランス１０１の一次巻線に流れるパルス状電流の周期（周波数）Ｔを測定することで進行波管１のカソード電流の値が得られる。また、検出抵抗器Ｒｓを、図１〜図４で示した位置に配置すれば、検出抵抗器Ｒｓの配置位置に応じた進行波管１の所望の電極に流れる電流の値が得られる。

なお、本実施形態では電流測定装置１１０をヒータ電源に組み込む例を示しているが、これはヒータ電圧が比較的低い電圧（例えば、−６．３Ｖ）であり、検出回路１１１やパルス発生回路１１２に供給する電源電圧としてそのまま利用できるからである。検出回路１１１やパルス発生回路１１２に供給する電源電圧を生成できれば、本実施形態の電流測定装置１１０はヘリックス電源１０４やコレクタ電源１０５に組み込むことも可能である。

本実施形態によれば、トランス１０１の一次巻線に流れるパルス状の電流のパルス属性を測定することで進行波管１の所望の電極に流れる電流の値が得られるため、絶縁等の高電圧に対処するための処置を行うことなく、安全にかつ簡易に進行波管１の所望の電極に流れる電流を測定できる。

また、検出抵抗器Ｒｓを直列に挿入する、測定対象電流の電流計路によってカソード電流、コレクタ電流、ヘリックス電流、ヒータ電流、アノード電流等を個別に測定できるため、比較的精度よく進行波管１の各電極に流れる電流を測定できる。
（第２の実施の形態）
上述した第１の実施の形態では、検出抵抗器Ｒｓに電流が流れることで発生する、該検出抵抗器Ｒｓの両端の電位差を検出することで進行波管１のカソード電流、コレクタ電流、ヘリックス電流、ヒータ電流、アノード電流等を測定する構成を示した。

第２の実施の形態は、進行波管１へ供給するヘッリクス電圧、コレクタ電圧、ヒータ電圧、アノード電圧等を測定するための電圧測定装置について提案する。

図６は電圧測定装置の実施形態の一構成例を示すブロック図である。

図６に示すように、本実施形態の電圧測定装置１２０は、図１に示した検出抵抗器Ｒｓに代えて、例えばヘリックス電圧を分圧する抵抗器Ｒ１、Ｒ２からなる分圧抵抗器を有し、分圧抵抗器によって分圧された電圧が検出回路１１１に供給される構成である。検出回路１１１は、分圧抵抗器で分圧された電圧を入力とし、必要に応じて該電圧を増幅あるいは減衰させて出力するバッファ回路で構成される。

進行波管のコレクタ電圧を測定したい場合は、例えば図７に示すように抵抗器Ｒ１、Ｒ２からなる分圧抵抗器をカソード電極とコレクタ電極間に挿入すればよい。また、ヒータ電圧を測定したい場合は、図８に示すように抵抗器Ｒ１、Ｒ２からなる分圧抵抗器をカソード電極とヒータ間に挿入すればよい。なお、進行波管１がアノード電極とヘリックス電極とを接続しない構成であり、アノード電圧を測定したい場合は、抵抗器Ｒ１、Ｒ２からなる分圧抵抗器をカソード電極とアノード電極間に挿入すればよい。これら抵抗器Ｒ１、Ｒ２からなる分圧抵抗器は、電源装置１００内に全て備えていてもよく、その一部のみを備えていてもよい。抵抗器Ｒ１，Ｒ２からなる分圧抵抗器を複数個所に配置する場合は、例えば各分圧抵抗器に対応する検出回路１１１及びパルス発生回路１１２をそれぞれ備え、マルチプレクサ等を用いて複数のパルス発生回路１１２の出力パルスを順次切り替えてスイッチ１１３へ供給すればよい。

なお、図６〜図８では、直列に接続された２つの抵抗器Ｒ１，Ｒ２からなる分圧抵抗器を用いて進行波管１の電極間に供給される電圧を分圧する構成例を示しているが、測定対称の電圧を分圧して検出回路１１１に供給することができれば、抵抗器の数はいくつであってもよい。その他の構成及び動作は第１の実施の形態と同様であるため、その説明は省略する。

本実施形態によれば、トランス１０１の一次巻線に流れるパルス状の電流のパルス属性を測定することで進行波管１の所望の電極間に印加された電圧の値が得られるため、安全にかつ簡易に進行波管の所望の電極間の印加電圧を測定できる。

電流測定装置の実施形態の一構成例を示すブロック図である。 電流測定装置の実施形態の他の構成例を示すブロック図である。 電流測定装置の実施形態の他の構成例を示すブロック図である。 電流測定装置の実施形態の他の構成例を示すブロック図である。 パルス検出回路で検出される電流波形の一例を示す模式図である。 電圧測定装置の実施形態の一構成例を示すブロック図である。 電圧測定装置の実施形態の他の構成例を示すブロック図である。 電圧測定装置の実施形態の他の構成例を示すブロック図である。 高周波回路システムの背景技術の構成を示すブロック図である。 進行波管の動作電流の測定方法の一例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 進行波管
１００ 電源装置
１０１ トランス
１０２ インバータ
１０３ 整流回路
１０４ ヘリックス電源
１０５ コレクタ電源
１１０ 電流測定装置
１１１ 検出回路
１１２ パルス発生回路
１１３ スイッチ
１１４ パルス検出回路
１１５ 演算装置
１２０ 電圧測定装置
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗器
Ｒｓ 検出抵抗器

Claims (9)

1. トランスと、
   電子管の測定対象電流の電流計路に直列に配置された、該電流を検出するための検出抵抗器と、
   前記検出抵抗器に電流が流れることで発生する、前記検出抵抗器の両端の電位差を検出する検出回路と、
   前記検出回路の出力電圧に応じてパルス属性が変化するパルス信号を生成するパルス発生回路と、
   前記パルス発生回路から出力されるパルス信号にしたがって前記トランスの二次巻線間を短絡するスイッチと、
   前記スイッチが前記トランスの二次巻線間を短絡することで発生する、前記トランスの一次巻線に流れるパルス状の電流を検出するパルス検出回路と、
   前記パルス検出回路で検出されたパルス状の電流のパルス属性を測定し、前記検出抵抗器に流れる電流を求める演算装置と、
   を有する電流測定装置。
2. 前記トランスは、
   前記電子管の各電極に直流電圧を供給する電源が備えるトランスである請求項１記載の電流測定装置。
3. トランスと、
   電子管の所望の電極間に印加される電圧を分圧するための複数の抵抗器からなる分圧抵抗器と、
   前記分圧抵抗器で分圧された電圧を検出する検出回路と、
   前記検出回路の出力電圧に応じてパルス属性が変化するパルス信号を生成するパルス発生回路と、
   前記パルス発生回路から出力されるパルス信号にしたがって前記トランスの二次巻線間を短絡するスイッチと、
   前記スイッチが前記トランスの二次巻線間を短絡することで発生する、前記トランスの一次巻線に流れるパルス状の電流を検出するパルス検出回路と、
   前記パルス検出回路で検出されたパルス状の電流のパルス属性を測定し、前記電極間の電圧を求める演算装置と、
   を有する電圧測定装置。
4. 前記トランスは、
   前記電子管の各電極に直流電圧を供給する電源が備えるトランスである請求項３記載の電圧測定装置。
5. 請求項１または２記載の電流測定装置と、
   前記電子管の各電極に所定の直流電圧を供給する複数の直流電圧源と、
   を有する電源装置。
6. 請求項３または４記載の電圧測定装置と、
   前記電子管の各電極に所定の直流電圧を供給する複数の直流電圧源と、
   を有する電源装置。
7. 請求項５または６記載の電源装置と、
   前記電源装置から各電極に所定の直流電圧が供給される電子管と、
   を有する高周波システム。
8. 電子管の測定対象電流の電流計路に検出抵抗器を直列に配置し、
   前記検出抵抗器に電流が流れることで発生する、前記検出抵抗器の両端の電位差を検出し、
   該検出した電位差に応じてパルス属性が変化するパルス信号を生成し、
   該パルス信号にしたがってトランスの二次巻線間に配置したスイッチをオンすることで前記トランスの二次巻線間を周期的に短絡し、
   前記トランスの二次巻線間を前記スイッチが短絡することで発生する、トランスの一次巻線に流れるパルス状の電流を検出し、
   該検出されたパルス状の電流のパルス属性を測定し、前記検出抵抗器に流れる電流を求める電流測定方法。
9. 印加電圧の検出を所望する電子管の電極間に複数の抵抗器からなる分圧抵抗器を配置し、
   前記分圧抵抗器で分圧された電圧に応じてパルス属性が変化するパルス信号を生成し、
   該パルス信号にしたがってトランスの二次巻線間に配置したスイッチをオンすることで前記トランスの二次巻線間を周期的に短絡し、
   前記トランスの二次巻線間を前記スイッチが短絡することで発生する、トランスの一次巻線に流れるパルス状の電流を検出し、
   該検出されたパルス状の電流のパルス属性を測定し、前記電極間の電圧を求める電圧測定方法。

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