ФОРМИРОВАТЕЛЬ РАЗНОПОЛЯРНЫХ ПАЧЕК ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2006 года по МПК H03K3/64 H03K3/53 H03K5/156 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, преимущественно, в биполярных генераторах ионов, в нейтрализаторах статического электричества, в различного рода очистителях воздуха от пыли и других подобных устройствах.

Известны различного рода формирователи разнополярных пачек импульсов, используемые, как правило, в генераторах ионов. Наиболее близким по схемному решению является формирователь разнополярных пачек импульсов, используемый в биполярном генераторе ионов по патенту на полезную модель №42629 от 20.08.2004 г.тех же авторов, что и данной заявки. Этот формирователь разнополярных пачек импульсов, преимущественно высоковольтных, содержит мостовой электронный переключатель напряжения, в диагональ которого включены последовательно соединенные вольтодобавочный конденсатор и первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого, в данном случае - высоковольтная, подключена к выходным шинам переключателя, а плечи переключателя выполнены на комплементарных парах последовательно соединенных транзисторов «Дарлингтона» (составных транзисторов), подключенных коллекторами к положительной и общей шинам питания, и узел управления полярностью выходных импульсов, например, на логическом элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, два входа которого подключены ко входным шинам, а выход соединен с противофазно включенными входами управления плечами переключателя.

Недостатком этого формирователя является наличие выбросов обратной полярности у каждого импульса. Этот выброс равен примерно половине амплитуды полезной части импульса, и его наличие неизбежно из-за того, что через первичную обмотку трансформатора протекает как прямой полезный ток при формировании полезной части импульса, так и обратный ток при перезарядке (дозарядке) вольтодобавочного конденсатора. Наличие этих обратных импульсов нежелательно, т.к. они снижают эффективность работы тех же генераторов ионов, в которых применяется формирователь импульсов.

Задачей является формирование разнополярных пачек импульсов, в которых каждый импульс однополярен без обратных выбросов.

Для этого в формирователь разнополярных пачек импульсов, содержащий мостовой электронный переключатель напряжения, в диагональ которого включены последовательно соединенные вольтодобавочный конденсатор и первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к выходным шинам переключателя, а плечи переключателя выполнены на комплементарных парах транзисторов «Дарлингтона» (составных транзисторов), подключенных коллекторами к положительной и общей шинам питания, и узел управления полярностью выходных импульсов, например, на логическом элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, два входа которого подключены ко входным шинам, а выход соединен с противофазно включенными входами управления плечами переключателя, введен третий переключатель, выполненный на паре последовательно соединенных комплементарных транзисторов «Дарлингтона» (составных транзисторов), подключенных коллекторами к тем же шинам питания, по схеме переключателя с тремя состояниями на выходе, подключенном к общей точке соединения вольтодобавочного конденсатора и первичной обмотки трансформатора, а сигнальный вход и вход управления третьим состоянием подключены соответственно к первой и второй входным шинам, причем второй переключатель выполнен также по схеме с тремя состояниями на выходе, вход управления третьим состоянием которого соединен с аналогичным входом третьего переключателя, а оба эти переключателя переводятся в третье состояние противофазными сигналами, подаваемыми извне на вторую входную шину.

На фиг.1 представлена схема электрическая принципиальная формирователя разнополярных пачек импульсов, на фиг.2 - стилизованная форма импульсов в различных точках схемы по фиг.1.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1, 2 - входные шины;

3 - логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ;

4 - первый переключатель напряжения, выполненный в виде комплементарного эмиттерного повторителя;

5, 10, 16 - n-р-n транзисторы «Дарлингтона»;

6, 11, 17 - р-n-р транзисторы «Дарлингтона»;

8 - вольтодобавочный конденсатор;

9 - третий переключатель напряжения с инверсией входного сигнала и с установкой в третье состояние «единичным» сигналом;

12 - логический элемент 2ИЛИ-НЕ;

13 - логический элемент 2ИЛИ;

14 - инвертор;

15 - второй переключатель напряжения с инверсией входного сигнала и с установкой в третье состояние «нулевым» сигналом;

18 - логический элемент 2И;

19 - логический элемент 2И-НЕ;

20 - инвертор;

21 - первичная обмотка трансформатора 22;

23 - вторичная обмотка трансформатора 22;

24 - выходная шина;

t - время;

И1 - сигнал на входной шине 1, управляющий полярностью выходных импульсов;

И2 - сигнал на входной шине 2, задающий длительность выходных импульсов;

И4 - сигнал на выходе первого 4 переключателя;

И9 - сигнал на выходе третьего 9 переключателя;

И15 - сигнал на выходе второго 15 переключателя;

И21 - сигнал на первичной обмотке 21 трансформатора 22;

И7 - уровень напряжения питания на шине питания 7.

Заштрихованные участки диаграмм для И9 и И 15 обозначают третье состояние переключателей соответственно 9 и 15, когда их выходы изолированы от шин питания и других точек схемы большим внутренним сопротивлением запертых транзисторов соответственно 10, 11 и 16, 17.

Транзисторы «Дарлингтона» 16 и 17 представляют собой составные транзисторы с защитным диодом между эмиттером и коллектором (смотри, например: Клод Галле. Полезные советы по разработке и отладке электронных схем. М., «ДМК», 2003 г., стр.63, рис.2.27). О двухтактных переключателях на комплементарной паре транзисторов, изображенных на схеме фиг.1 под номером 4, смотри там же, стр.106-107, рис.2.67.

На фиг.1 у обмоток 21 и 23 трансформатора 22 точками обозначено, для определенности, начало обмоток и принято за положительное направление - протекание тока по обмотке от начала обмотки к концу. Если на схеме поменять местами концы одной из обмоток, то сменится полярность импульсов на этой обмотке и на выходной шине 24.

На электрической схеме формирователя импульсов, представленной на фиг.1, входные шины 1 и 2 подключены ко входам элемента 3 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, условно включенного в состав первого переключателя напряжения 4, выполненного на комплементарной паре транзисторов "Дарлингтона" 5 и 6. Коллектор n-р-n транзистора 5 подключен к шине питания 7, а коллектор р-n-р транзистора 6 подключен к общей шине. Базы этих транзисторов объединены и подключены к выходу элемента 3, а эмиттеры этих транзисторов объединены и являются выходом первого 4 переключателя напряжения, к которому подключен вольтодобавочный конденсатор 8. Второй вывод конденсатора 8 соединен с выходом третьего 9 переключателя напряжения, собранного на комплементарной паре транзисторов "Дарлингтона" 10 и 11, у которых эмиттеры объединены и являются выходом переключателя 9, а коллекторы транзисторов 10 и 11 соединены с шиной питания 7 и общей шиной аналогично транзисторам 5 и 6. База n-р-n транзистора 10 соединена с выходом элемента 2ИЛИ-НЕ 12, а база р-n-р транзистора 11 подключена к выходу элемента 2ИЛИ 13. Первый вход элемента 12 соединен со входной шиной 1 и, через инвертор 14, со входом элемента 13. Вторые входы элементов 12 и 13 объединены и подключены ко второй 2 входной шине, к которой дополнительно подключен аналогичный по назначению вход второго 15 переключателя напряжения, собранного, подобно переключателю 9, на комплементарной паре транзисторов "Дарлингтона" 16 и 17, эмиттеры которых объединены и являются выходом переключателя 15, а коллекторы включены аналогично коллекторам транзисторов 10 и 11. База n-р-n транзистора 16 соединена с выходом элемента 2И 18, а база р-n-р транзистора 17 соединена с выходом элемента 2И-НЕ 19. По одному входу элементы 18 и 19 объединены и подключены через вход переключателя 15 ко второй 2 входной шине. Второй вход элемента 19 через инвертор 20 соединен со вторым входом элемента 18, а объединенные входы элемента 19 и инвертора 20 подключены к выходу элемента 3 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Между выходами второго 15 и третьего 9 переключателей включена первичная 21 обмотка трансформатора 22, вторичная 23 обмотка которого подключена между выходной шиной 24 и общей шиной.

Длительностью импульсов И1, подаваемых на входную шину 1 от внешнего источника, и длительностью пауз между этими импульсами задают длительность формируемых пачек импульсов соответственно (для данной схемы) отрицательной и положительной полярности. Частотой следования импульсов И2 заданной длительности, подаваемых от внешнего источника на входную шину 2, задают количество импульсов в формируемых пачках импульсов. Из диаграмм для И1, И2, И4 по фиг.2 видно, что при подаче на входные шины 1 и 2 одновременно либо «единичных», либо «нулевых» сигналов на выходе элемента 3 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и соответственно на выходе переключателя 4, работающего в режиме эмиттерного повторителя, сигнал будет «нулевым». Если же на одном из входов 1 или 2 сигнал будет «единичным», а на втором входе - «нулевым», то на выходе переключателя 4 сигнал И4 будет «единичным». Следует заметить, что диаграммы импульсов на фиг.2 даны как вырезка во времени, т.к. в момент включения формирователя, когда конденсатор 8 разряжен до нуля, первый импульс И21 будет иметь амплитуду, равную - И7, т.е. половинную.

Работает формирователь разнополярных пачек импульсов следующим образом.

На входную шину 1 и через нее на первый вход элемента 3 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и на сигнальный вход третьего 9 переключателя напряжения поступают низкочастотные импульсы И1 заданной длительности и скважности, которые управляют полярностью выходных импульсов И21 и соответственно импульсов на выходной шине 24.

На входную шину 2 и через нее на второй вход элемента 3 и на входы управления третьим состоянием второго 15 и третьего 9 переключателей напряжения поступает последовательность высокочастотных импульсов И2 с заданной частотой следования и длительностью, которые определяют длительность и частоту следования выходных импульсов И21 и импульсов на выходной шине 24. При наличии «единичных» сигналов И1 и И2 сигнал на выходе элемента 3 будет «нулевым». Этот сигнал поступает на вход первого 4 переключателя и на сигнальный вход второго 15 переключателя. В результате этого на выходе первого 4 переключателя сигнал И4 станет «нулевым», а сигнал на выходе второго 15 переключателя И15 станет «единичным», и «единичный» сигнал И2, поступивший на входы элементов 2И 18 и 2И-НЕ 19, позволяет выходному «нулевому» импульсу элемента 3 через инвертор 20 поступить в виде «единицы» на верхний по схеме вход элемента 2И 18, выходная «единица» которого откроет транзистор 16, а «нуль» на входе элемента 2И-НЕ 19 превратится в «единицу» на его выходе и запрет транзистор 17. На выходе переключателя 15 появится «единичный» импульс И15, за счет которого потечет ток от шины питания 7 через открытый транзистор 16, через первичную 21 обмотку трансформатора 22, конденсатор 8, заряженный в предыдущий цикл до напряжения И7, и через открытый транзистор 6 переключателя 4 на общую шину. На первичной обмотке 21 трансформатора 22 сформируется импульс И21 отрицательной полярности и удвоенной амплитуды напряжения питания И7, поскольку к обмотке 21 прикладывается напряжение питания И7 плюс напряжение заряженного до И7 конденсатора 8, на котором полярность напряжения соответствует плюсу со стороны переключателя 4 и минусу со стороны обмотки 21. Поскольку через индуктивность обмотки 21 ток не может мгновенно нарасти, то за счет э.д.с. самоиндукции этой обмотки в начале импульса И21 будет наблюдаться некоторый «всплеск» напряжения, показанный на фиг.2 в виде пичка. Затем ток через обмотку начнет линейно нарастать, а напряжение на конденсаторе 8 - падать до некоторого уровня, определяемого длительностью импульса И21. В это же время «единичный» сигнал со входной шины 2, поступивший на объединенные входы элементов ИЛИ-НЕ 12 и ИЛИ 13, превратится в «нуль» на базе транзистора 10 и в «единицу» на базе транзистора 11, в результате чего, независимо от вида сигнала на вторых входах элементов 12 и 13, т.е. на входе шины 1, транзисторы 10, 11 окажутся запертыми, а переключатель 9 будет переведен в третье состояние (заштрихованная зона для И9 на фиг.2), при котором выход переключателя 9 будет изолирован от шин питания 7 и общей.

По окончании импульса И2 на входной шине 2 «нулевой» сигнал с этой шины переведет элемент 2И 18 в «нулевое» состояние, а элемент 2И-НЕ 19 - в «единичное» состояние. Транзисторы 16 и 17 переключателя 15 запрутся, а сам переключатель 15 переведется в третье состояние (заштрихованная зона на графике для И15). В то же время этот «нулевой» сигнал поступит на входы элементов 2ИЛИ-НЕ 12 и 2ИЛИ 13. В результате этого «единичным» сигналом со входной шины 1, поданным на второй вход элемента 12, последний будет оставлен в «нулевом» состоянии на выходе, и транзистор 10 останется запертым, а за счет инвертора 14 на обоих входах и выходе элемента 13 сигнал станет «нулевым» и откроет транзистор 11. Одновременно с этим на выходе элемента 3 появится «единичный» сигнал, который откроет транзистор 5 и закроет транзистор 6 в переключателе 4, на выходе которого появится «единичное» напряжение И4. В результате этих переключений от шины питания 7 через открытые транзисторы 5 и 11 потечет ток до-заряда конденсатора 8, который дозарядится до напряжения И7, а точнее - до выходного напряжения переключателя 4. Поскольку ток через индуктивность обмотки 21 трансформатора 22 не может мгновенно остановиться, то через диод, включенный параллельно запертому транзистору 17 (подразумевается, что параллельно каждому транзистору «Дарлингтона» 16, 17 включен в обратном по отношению к питанию И7 направлении диод. Если внутри такого диода нет, то необходимо параллельно каждому транзистору между его эмиттером и коллектором включить внешний диод в обратном направлении), и открытый транзистор 11 потечет падающий ток разряда индуктивности обмотки 21, который отразится на форме импульса И21 и выходного импульса на шине 24 в виде плавного перехода заднего фронта импульса от максимума до нуля.

С приходом очередного импульса И2 весь процесс, описанный выше, повторится и будет повторяться до тех пор, пока импульс И1 на входной шине 1 не перейдет в «нулевое» состояние. В результате этого изменится полярность импульсов И4, И9, И15 и 21, поскольку сменится на обратное направление токов заряда и разряда конденсатора 8 и тока через первичную обмотку 21 трансформатора 22. Естественно, что сменится и полярность импульсов на выходной шине 24. В остальном процесс будет протекать аналогично описанному с той лишь разницей, что в каждом переключателе будут открываться противоположные транзисторы.

Таким образом, описанный формирователь разнополярных пачек импульсов позволяет формировать и подавать на выходную шину 24 пачки импульсов заданной полярности с заданным количеством импульсов в каждой пачке с заданной длительностью каждого импульса в пачке и с заданной частотой следования этих импульсов. Изменение этих параметров производится за счет изменения длительности импульсов и пауз между импульсами И1 и за счет изменения длительности и частоты следования импульсов И2. А за счет того, что ток через обмотку 21 трансформатора 22 течет только в одном направлении (в зависимости от уровня сигнала И1), то на выходных импульсах не будет обратных выбросов.

Изобретение относится к импульсной технике для использования в биполярных генераторах ионов, в нейтрализаторах статического электричества, в различного рода очистителях воздуха от пыли. Технический результат заключается в формировании разнополярных пачек высоковольтных импульсов, в которых каждый импульс однополярен без обратных выбросов. Формирователь (фиг.1) содержит мостовой переключатель напряжения (ПН), в диагонали которого включены вольтодобавочный конденсатор (К) (8) и первичная обмотка (21) трансформатора (22), плечи ПН на первом (4) и втором (15) переключателях (П) выполнены в виде комплементарного эмиттерного повторителя на транзисторах (5, 6, 16, 17) и узле управления полярностью выходных импульсов, например, на логическом элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (3), два входа которого подключены к первой (1) и второй (2) входным шинам, введен третий П (9) с тремя состояниями (ТС) на выходе, подключенном к точке соединения К (8) и обмотки (21), а сигнальный вход и вход управления ТС подключены к шинам (1 и 2), причем второй П (15) выполнен также с ТС на выходе, а П (15, 9) переводятся в ТС противофазными сигналами, подаваемыми извне на шину 2. 2 ил.

Формирователь разнополярных пачек импульсов, содержащий мостовой электронный переключатель напряжения, в диагональ которого включены последовательно соединенные вольтодобавочный конденсатор и первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к выходным шинам переключателя, а плечи переключателя выполнены на комплементарных парах последовательно соединенных транзисторов Дарлингтона (составных транзисторов), подключенных коллекторами к положительной и общей шинам питания, и узел управления полярностью выходных импульсов, например, на логическом элементе ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, два входа которого подключены ко входным шинам, а выход соединен с противофазно включенными входами управления плечами переключателя, отличающийся тем, что в него введен третий переключатель, выполненный на паре последовательно соединенных комплементарных транзисторов Дарлингтона, подключенных коллекторами к тем же шинам питания, по схеме переключателя с тремя состояниями на выходе, подключенном к общей точке соединения вольтодобавочного конденсатора и первичной обмотки трансформатора, а сигнальный вход и вход управления третьим состоянием подключены соответственно к первой и второй входным шинам, причем второй переключатель выполнен также по схеме с тремя состояниями на выходе, вход управления третьим состоянием которого соединен с аналогичным входом третьего переключателя, а оба эти переключателя переводятся в третье состояние противофазными сигналами, подаваемыми извне на вторую входную шину.