ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1999 года по МПК H03K17/72 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к генераторам импульсов, и может быть использовано в источниках питания лазерной техники, медицинских приборов и энергетике, преимущественно для преобразования напряжения сети переменного тока в одиночные импульсы с рабочей частотой, кратной частоте сети.

Генератор обеспечивает мощные импульсы в нагрузке с частотой f_раб.= 2f_сети/N, где N - целое число, например от 1 до 10, и используется для возбуждения магнитострикционного вибратора в диапазоне ультразвуковых колебаний.

Известен ультразвуковой импульсный генератор по А.с. СССР N 575144, В 06 В 1/08, 1977, БИ N 37 [1], содержащий выпрямительный мост, ограничительный резистор, включенный перед выпрямительным мостом в один из сетевых проводов, коммутатор на тиристоре, анод которого подсоединен к плюсу выпрямительного моста, а катод к минусу выпрямительного моста, параллельную коммутирующему тиристору цепь, состоящую из последовательно соединенных накопительной емкости и обмотки вибратора, формирователь управляющих импульсов, выполненный на трансформаторе, динисторе, конденсаторе и резисторе таким образом, что один из выводов первичной обмотки трансформатора соединен с анодами динистора и тиристора, другой вывод первичной обмотки трансформатора подсоединен через управляющий динистором конденсатор к общей точке катода динистора с одним из выводов резистора, второй вывод которого подключен к минусу выпрямительного моста, а вторая обмотка трансформатора подключена параллельно переходу "управляющий электрод - катод" коммутирующего тиристора.

Основными недостатками вышеуказанного генератора являются:
- наличие режима короткого замыкания выпрямительного моста и возникновение по этой причине экстратоков в силовых цепях при открытом коммутирующем тиристоре, что предъявляет завышенные требования к элементам выпрямительного моста, а на примененном для снижения экстратоков ограничительном резисторе происходит бесполезное рассеивание мощности, снижающее КПД, надежность, ресурс и мощность генератора при прочих равных условиях;
- произвольное формирование момента включения коммутирующего тиристора /в пределах 90-180 эл. град./, что приводит /при приближении момента включения коммутирующего тиристора к амплитудному значению напряжения сети/ к увеличению рабочего энергопотребления, возникновению недопустимого уровня индустриальных и радиопомех, а также к выходу из строя генераторов, подключенных к одному фидеру сети /в непосредственной близости друг от друга/ из-за значительных искажений формы сетевого напряжения, приводящих к дезорганизации работы формирователя управляющих импульсов, что приводит к ограничению обеспечения безопасных режимов работы в эксплуатации.

Известен также ультразвуковой импульсный генератор по А. с. S.U. N 1755941 А2, В 06 В 1/08, 1992, БИ N 31 [2], в котором параллельно динистору включен во встречном направлении диод, позволяющий сузить разброс момента формирования импульса включения коммутирующего тиристора за счет сокращения времени перезаряда емкости управляющего конденсатора формирователя управляющих импульсов, что позволило незначительно снизить среднее потребление мощности, но не исключило основных недостатков [1].

Известен также более совершенный ультразвуковой импульсный генератор по Пат. РФ RU N 2016668 С1, В 06 В 1/08, 1994, БИ N 14 [3], в котором для снижения потребляемой мощности ограничительный резистор выполнен с прямой нелинейной зависимостью от тока, что также не освобождает его от основных недостатков, присущих аналогу [1].

Наиболее близким аналогом, принятым в качестве прототипа изобретения является ультразвуковой импульсный генератор [1]. Как показано выше, в известном генераторе не предусматривается точное управление моментом включения коммутирующего тиристора, в результате чего генератор в силовой части схемы имеет высокое потребление, усугубляемое наличием режима короткого замыкания выпрямительного моста и как следствие
- низкие надежность, безопасность и ресурс генератора, а из-за отсутствия начальных условий в схеме формирователя управляющих импульсов при формировании момента включения коммутирующего тиристора, изделие укомплектованное таким генератором, имеет дополнительно следующие недостатки:
- высокий уровень индустриальных и радиопомех;
- нестабильная работа при снижении напряжения сети;
- невозможность организации экономичных /дежурных/ режимов работы в эксплуатации.

Целью предлагаемого изобретения является:
- снижение потребляемой мощности за счет повышения КПД;
- увеличение надежности и ресурса работы изделия;
- снижение всех видов помех /в том числе индустриальных и радиопомех/;
- расширение рабочего диапазона по напряжению сети;
- обеспечение экономичных /дежурных/ режимов работы в эксплуатации.

Сущность изобретения заключается в том, что для достижения поставленной цели в ультразвуковом импульсном генераторе, содержащем выпрямительный мост, ограничительный резистор, включенный перед выпрямительным мостом в один из сетевых проводов, коммутатор на тиристоре, анод которого подсоединен к плюсу выпрямительного моста, а катод к минусу выпрямительного моста, параллельную коммутирующему тиристору цепь, состоящую из последовательно соединенных накопительной емкости и обмотки вибратора, формирователь управляющих импульсов, выполненный на трансформаторе, динисторе, конденсаторе и резисторе с подключенной вторичной обмоткой трансформатора к переходу "управляющий электрод-катод" коммутирующего тиристора - применен двухбазовый диод в качестве порогового элемента формирователя управляющих импульсов, а алгоритм управления коммутирующим тиристором задается с учетом начальных условий путем сравнения на двух электродах двухбазового диода пороговых напряжений таким образом, что на базу 2 подаются синхронизирующие тактовые импульсы, получаемые путем сравнения напряжений цепи стабилизации скорости нарастания порогового напряжения и цепи стабилизации величины порогового напряжения с последующим выделением отрицательных вершин трапецеидального напряжения, соответствующих моментам перемены знака сетевого напряжения, т.е. нулевым значениям его модуля, а на эмиттер, подключенный к общей точке управляющего конденсатора, величина напряжения полного заряда которого выбрана из условия исключения срабатывания двухбазового диода при отсутствии тактового импульса на базе 2, с одним из резисторов, коммутируемых задающим переключателем, определяющим количество пропускаемых тактов, формируется последовательность интегрированных напряжений, задающих таким образом рабочую частоту f_раб.. При выполнении условий срабатывания двухбазового диода, на резисторе, соединенном с его базой 1, в момент строго определенный приходом на базу тактового импульса, при условии накопления на управляющем конденсаторе достаточного напряжения, приложенного к эмиттеру, формируется управляющий импульс, который открывает коммутирующий тиристор и энергия, запасенная в накопительной емкости, превращается в работу исполнительного органа вибратора через его обмотку, включенную в колебательный контур генератора. Ограничительный резистор, выполненный в виде индуктивности с низкой добротностью, включен между плюсом выпрямителя и анодом разделительного диода и предназначен для защиты выпрямительного моста и питающей сети только от кратковременных выбросов тока, возникающих при перезаряде накопительной емкости и работе колебательного контура, поэтому величина его омического сопротивления примерно на порядок меньше, чем в прототипе, что обеспечивает более высокую скорость заряда накопительной емкости и уменьшает потери при накоплении заряда, а реактивная составляющая, защищающая сетевые цепи от проникновения высоких гармоник, образующихся при возбуждении колебательного контура, не влияет на потребление мощности из сети. Для исключения повреждения схемы генератора при выходе из строя обмотки вибратора, или при ее ремонте, колебательный контур соединяется так, чтобы обмотка вибратора и один из выводов накопительной емкости были включены между анодом коммутирующего тиристора и плюсовой шиной питания со стороны катода разделительного диода, анод которого соединен с общей точкой токового резистора цепи стабилизации скорости нарастания порогового напряжения и ограничительного резистора, а минусовая шина выпрямительного моста, второй вывод накопительной емкости и катод коммутирующего тиристора образуют общую точку для элементов формирователя управляющих импульсов. Начальные условия, создаваемые цепями стабилизации, и двухстороннее управление двухбазовым диодом обеспечивают точное формирование момента включения коммутирующего тиристора при нулевых значениях модуля сетевого напряжения, позволяют устранить влияние изменения сетевого напряжения на работу генератора в пределах до 45% его амплитудного значения, исключить режим короткого замыкания выпрямительного моста и генерацию любого вида помех, обеспечить снижение потребляемой из сети мощности и бесполезной мощности, рассеиваемой на ограничительном резисторе, повысить полезную мощность, приложенную к обмотке вибратора, а введение в схему генератора задающего переключателя и ряда коммутируемых им резисторов, позволяет организовывать экономичные /дежурные/ режимы работы в эксплуатации.

Схема электрическая генератора, поясняющая взаимодействие элементов и характеризующая существенные признаки изобретения приведена на чертеже, представляющем конкретный пример исполнения предлагаемого изобретения.

Представленный на чертеже генератор для формирования мощных импульсов - подключен к сети переменного напряжения 1, содержит выпрямительный мост 2, ограничительный резистор, соединенный одним из выводов с плюсом выпрямительного моста 2, формирователь управляющих импульсов, содержащий последовательно соединенные управляющий конденсатор 13 и частотозадающий резистор 9, колебательный контур, состоящий из последовательно соединенных обмотки вибратора 21 с анодом тиристора 20 и включенной параллельно цепи 20, 21 накопительной емкости 19, причем общая точка катода тиристора и накопительной емкости, соединенные с минусом выпрямительного моста 2, образуют общую шину, относительно которой работает формирователь управляющих импульсов. Кроме того, генератор содержит разделительный диод 12 и относящиеся к формирователю управляющих импульсов цепи:
- двухбазовый диод 14, база 1 которого подключена к управляющему электроду коммутирующего тиристора 20 и выводу согласующего резистора 15, соединенного вторым выводом с общей шиной;
- цепь стабилизации скорости нарастания порогового напряжения, состоящая из токозадающего резистора 5, подключенного одним выводом к общей точке ограничительного резистора 3 и аноду защитного диода 12, а другим выводом соединенного с базой 2 двухбазового диода 14, катодом стабилитрона 4, соединенного с общей шиной и делителем относительно общей шины 6, 7, к средней точке которого через задающий частоту переключатель 8 подсоединены выводы резисторов 10, 11, определяющих количество пропускаемых тактов, а другие их выводы составляют общую точку с эмиттером двухбазового диода 14 и управляющим конденсатором 13, другой вывод которого подключен к общей шине;
- цепь стабилизации величины порогового напряжения, состоящая из токозадающего резистора 17, подключенного одним из выводов к катоду разделительного диода 12, защищающего тактовые импульсы по плюсовой шине от стирания потенциалом, накапливающимся на накопительной емкости 19, а другим выводом, подключенным к катоду стабилитрона 18, анод которого подключен к общей шине, а к общей точке резистора 17 с катодом стабилитрона 18 подсоединен суммирующий резистор 16, другой вывод которого соединен с базой 2 двухбазового диода 14.

Генератор работает следующим образом. Выпрямленное мостом 2 напряжение, через ограничительный резистор запитывает с периодичностью 1/2f_сети обе цепи стабилизации формирователя управляющих импульсов и накопительную емкость 19 колебательного контура. На катоде стабилитрона 4 цепи стабилизации скорости нарастания порогового напряжения выделяются в моменты перехода через ноль сетевого напряжения отрицательные вершины трапецеидальной последовательности, которые используются в качестве тактовых импульсов для создания начальных условий работы формирователя, а следовательно, и схемы генератора. На катоде стабилитрона 18 цепи стабилизации величины порогового напряжения /независимо от изменения модуля сетевого напряжения/ формируется потенциал смещения порога, который после суммирования на резисторе 16 с тактовыми импульсами, прикладывается к базе 2 двухбазового диода 14 в качестве заданного порога срабатывания формирователя управляющих импульсов. На управляющем конденсаторе 13 за время, определяемое величиной сопротивления, выбранного задающим переключателем 8, резистора 9, 10 или 11, формируется управляющее напряжение, которое прикладывается к эмиттеру двухбазового диода 14 для сравнения с напряжением заданного по базе 2 порога. При выполнении условий срабатывания, определяемых параметрами двухбазового диода, на согласующем резисторе 15 формируются управляющие включением тиристора 20 импульсы с рабочей частотой, зависящей от выбранного резистора. При включении коммутирующего тиристора 20 энергия, накапливаемая емкостью 19 в течение четверти периода в каждой полуволне сетевого напряжения, превращается в работу исполнительного органа вибратора через его обмотку 21, обнуляя при этом накопительную емкость 19.

Испытания генератора в составе противонакипного аппарата УПА-1, использующего схемное решение прототипа, показали превосходство предлагаемого изобретения /шифр УПА-2/ по параметрам, представленным в таблице (см. в конце описания).

Генератор для формирования мощных импульсов используется в качестве источника питания в устройствах лазерной техники, медицинских приборах, энергетике и других областях, преимущественно для преобразования напряжения сети переменного тока в одиночные импульсы, следующие с частотой кратной частоте сети. Генератор содержит выпрямительный мост, ограничительный резистор, омическое сопротивление которого выбрано из условий ограничения зарядного тока накопительной емкости за четверть периода полуволны сетевого напряжения, а индуктивность - из соображений защиты источника сетевого напряжения от проникания высоких гармоник, возникающих при возбуждении колебательного контура, включающего в себя накопительную емкость, соединенную с обмоткой вибратора и катодом разделительного диода. Второй вывод обмотки вибратора соединен с анодом коммутирующего транзистора, катод которого соединен с другим выводом накопительной емкости и минусом выпрямительного моста, в результате чего создается общая шина для элементов формирователя управляющих импульсов, выполненного на двухбазовом диоде синхронно управляемом по двум электродам с учетом начальных условий, создаваемых цепями стабилизации порога и тактов. База 2 запитывается напряжением, формирующим порог через суммирующий резистор, соединенный с общей точкой катода стабилитрона цепи стабилизации величины порогового напряжения и ее токозадающего peзистора, второй вывод которого подключен к катоду разделительного диода и тактовыми импульсами через токозадающий резистор, цепи стабилизации скорости нарастания порогового напряжения, подключенного вторым выводом к аноду разделительного диода, защищающего тактовые импульсы от стирания напряжением заряда накопительной емкости. Эмиттер запитывается напряжением, формируемым на управляющем конденсаторе через определяющие рабочую частоту резисторы, коммутируемые задающим переключателем, подключенным к средней точке делителя, подключенного одним выводом к общей шине и аноду стабилитрона цепи стабилизации скорости нарастания порогового напряжения, а вторым выводом - к его катоду и к общей точке базы 2 с токозадающим резистором цепи стабилизации скорости нарастания порогового напряжения. База 1, соединенная через согласующий резистор с общей шиной, является выходом формирователя управляющих импульсов и подключена к управляющему электроду коммутирующего тиристора, который приводит в действие колебательный контур, благодаря чему энергия, запасенная в накопительной емкости, превращается в работу исполнительного органа через его обмотку. При этом достигается технический результат - повышение КПД. 1 ил., 1 табл.

Генератор для формирования мощных импульсов, содержащий ограничительный резистор, включенный в один из проводов питающей сети переменного тока, выпрямительный мост, параллельно выходным шинам которого подключены формирователь управляющих импульсов, содержащий последовательно соединенные управляющие рабочей частотой конденсатор и резистор, колебательный контур, состоящий из накопительной емкости, соединенной последовательно с обмоткой вибратора, и включенного параллельной этой цепи коммутирующего тиристора, управляющий электрод которого соединен с выходом формирователя управляющих импульсов, отличающийся тем, что ограничительный резистор выполнен в виде индуктивности с низкой добротностью, омическое сопротивление которой выбрано из условий ограничения зарядного тока накопительной емкости за четверть периода полуволны сетевого напряжения, а индуктивность выбрана из соображений защиты источника сетевого напряжения от проникания высоких гармоник, возникающих при возбуждении колебательного контура, причем индуктивность с низкой добротностью включена между плюсом выпрямительного моста и анодом разделительного диода, к катоду которого, образующему плюсовую шину, подсоединены вывод накопительной емкости и вывод обмотки вибратора, другой вывод которой соединен с анодом коммутирующего тиристора, а катод коммутирующего тиристора соединен с другим выводом накопительной емкости и минусом выпрямительного моста, которые являются общей шиной для формирователя управляющих импульсов, выполненного на двухбазовом диоде с одновременным управлением по двум его электродам, причем база два двухбазового диода соединена с выводом суммирующего резистора, второй вывод которого составляет общую точку с катодом стабилитрона, подключенного анодом к общей шине, и с выводом токозадающего резистора цепи стабилизации величины порогового напряжения, другой вывод которого подключен к плюсовой шине со стороны катода разделительного диода, эмиттер два двухбазового диода подсоединен в средней точке последовательной цепи управления рабочей частотой, состоящей из управляющего конденсатора и резисторов, свободный вывод управляющего конденсатора соединен с общей шиной, а свободные выводы резисторов через задающий переключатель подключены к средней точке резистивного делителя, соединенного одним из выводов с общей шиной, а другим выводом - с общей точкой суммирующего резистора, соединенного с базой два двухбазового диода, катода стабилитрона цепи стабилизации скорости нарастания порового напряжения, соединенного анодом с общей шиной и выводом токозадающего резистора цепи стабилизации скорости нарастания порогового напряжения, подключенного другим выводом к выводу ограничительного резистора, соединенного с анодом разделительного диода, а база один двухбазового диода, подключенная через согласующий резистор к общей шине, является выходом формирователя управляющих импульсов, к которому подсоединен управляющий электрод коммутирующего тиристора, обеспечивающего высвобождение через обмотку вибратора энергии накопительного конденсатора в точно заданный момент времени.