УМНОЖИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА УНПТ ВОРОБЬЕВА Российский патент 2007 года по МПК H02M3/07 

Описание

Умножитель напряжения постоянного тока УНПТ Воробьева относится в основном к ЭЛЕКТРОНИКЕ для решения проблем получения регулируемого и синхронизируемого высокого напряжения широкого диапазона потенциалов и мощности без использования индуктивности в течение одного импульса управления. Умножитель найдет применение также и в других областях техники, а именно:

АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЕ - конденсаторные стартерные системы, системы зажигания ДВС с кардинально лучшими показателями, чем основанные на трансформаторах Тесла и т.д.

АВИАЦИЯ - источник питания реактивных двигателей ионолетов, системы зажигания, сигнальная светотехника и т.д.

ВОЕННАЯ техника - электроразрядное оружие, электроразрядные системы боевого охранения объектов, боевые электрошокеры и т.д.

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА - узлы питания систем оптической накачки твердотельных лазеров, системы генерирования импульсов очень большой электрической мощности и т.д.

СТАНКОСТРОЕНИЕ - узлы питания электроэрозионных станков, электроэрозионные маркеры, системы поджига пламенных нагревателей и т.д.

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА - замена механических умформеров, системы поджига люминесцентных приборов, приборы проверки электроизоляции оборудования и инструмента и т.д.

ЭЛЕКТРОАКУСТИКА - решение проблемы управления электростатическими и ионными излучателями звука и т.д.

БЫТОВАЯ ТЕХНИКА - ионизаторы воздуха, шокеры и т.д.

и других областях техники. Умножитель был разработан изготовлен и опробован как система зажигания автомобиля в условиях отсутствия аналогичных электронных схем, работающих в многокиловольтном диапазоне напряжений без индуктивности.

Блок-схема умножителя напряжения постоянного тока УНПТ Воробьева содержит набор каскадно включенных секций умножения (см. фиг.7). Умножитель напряжения состоит из запирающего ключа исходного напряжения на транзисторе VT1, ключа управления на транзисторе VT2 и секций умножения VT2, VT3, C3\VT2.1, VT3.1, C3.1\.........\VT2.n, VT3.n, С3.n, соединенных каскадно, т.е. первая над второй, вторая над третьей и т.д. Все транзисторы одного типа структуры МОЗРЕТ(МДП). Запирающий ключ исходного напряжения (см. фиг.1) состоит из ключа на транзисторе VT1, ограничительного стабилитрона VD1, резистора смещения R1, оптрона управления U1, конденсатора питания С1, отсекающего диода VD2. Конденсатор С1 заряжается через диод VD2 от исходного источника напряжения. VD2 отсекает С1 от исходного источника при провалах его напряжения в момент заряда накопительных конденсаторов умножителя или в результате внешнего управления уровнем исходного напряжения. Резистор R1 и ограничительный стабилитрон VD1 обеспечивают стабильность напряжения смещения на затворе VT1 при колебаниях исходного напряжения от 7v до Uисх.тах. Оптрон U1 закорачивает переход затвор-исток VT1, закрывая его, при протекании тока через светодиод оптрона. Отсекающий ключ служит для исключения подпитки нагрузки умножителя от источника исходного напряжения. Ключ управления на транзисторе VT2 (см. фиг.1), являющийся также ключом параллельного включения первой секции умножения, состоит из цепи смещения затвора на резисторе R2 и стабилитроне VD3, питаемой от накопительного конденсатора С2, управляющего оптрона U2 и отсекающего диода VD4. Диод VD4 устраняет перегруз по току цепочку зарядных диодов VD7\VD7.1\....\VD7.n при коротком замыкании в нагрузке или работе на разрядник (напр. свеча зажигания). При изменении извне уровня исходного напряжения с 7v до Uисх.тах. напряжение на затворе остается стабильным. Этому способствует высокое входное сопротивление транзистора и высокий номинал резистора смещения (как и во всей схеме в диапазоне десятки-сотни килоом). Оптрон U2 закорачивает переход затвор-исток VT2, закрывая его, при протекании тока через светодиод оптрона. Светодиоды оптронов U1 и U2 включены последовательно, обеспечивая синхронность управления ключами VT1 и VT2 внешними устройствами. Оптроны U1, U2 обеспечивают гальваническую развязку внешних устройств управления от умножителя. Секция умножения напряжения (фиг.1) состоит из ключа параллельного включения VT2, ключа последовательного включения конденсаторов VT3, цепи смещения затвора VT3 на резисторе R5 и ограничительно-коммутационном стабилитроне VD5, цепи смещения затвора параллельного ключа VT2.1 следующей секции на резисторе R7 и ограничительно-коммутационном стабилитроне VD6, зарядного резистора R6, ограничительного резистора R3, резистора выравнивания напряжения и коммутации R4, накопительного конденсатора С3 и зарядного диода VD7. Все детали умножителя, имеющие одинаковые номера, но разные расширения (например, R4, R4.1, R4.2 и т.д.), выполняют в схеме одинаковые функции, тип и номинал. VD5...VD5.n и VD6...VD6.n работают либо как ограничительные стабилитроны, либо как обычные диоды, закорачивая и подпирая минусом переходы затвор-исток своих ключей в разные фазы работы умножителя. Резисторы R4...R4.n выравнивают напряжение на закрытых ключах VT2...VT2.n в фазе последовательного включения и переключают VD6...VD6.n в режим ограничения напряжения или коммутации. Последняя секция умножения лишена R7.n, VD6.n, так как нет следующего ключа параллельного включения секций. Количество секций равно N.

Работа схемы.

В работе умножителя различаются три фазы:

- отключенное состояние, когда ток светодиодов управляющих оптронов длительное время не выключается. Соединенные в последовательную цепь конденсаторы успевают разрядиться;

- устойчивая фаза параллельного заряда накопительных конденсаторов С3...С3.n. Ток светодиодов оптронов не течет;

- фаза последовательного включения конденсаторов С3...С3.n. Переход в эту фазу происходит в момент включения тока светодиодов управляющих оптронов.

Фаза параллельного заряда.

В этой фазе ток в цепи светодиодов оптронов не течет. Переходы коллектор-эмиттер оптронов закрыты. Ключи VT1 и VT2 (см. фиг.1) открыты своими цепями смещения. Схема переключается как показано на Фиг.5. Ключ VT1 подает питание (Uисх.) на схему. Ключ VT2, открывшись, накоротко соединяет анод VD6 и R6 с - Uисх. Начинается заряд С3 по цепи: - +Uисх., VD7, С3, VD5, R6, - Uисх. Стабилитрон VD5 открывается как обычный диод, закорачивая переход затвор-исток VT3, закрывая его, дополнительно подпирая минусом. Ток заряда, проходя по R6, создает падение напряжения, экспоненциально уменьшающееся от Uисх.max. до 10v (зависит от расчета схемы), которое приложено к цепи R7, VD6. VD6 работает как стабилитрон и подает открывающее напряжение на затвор ключа параллельного включения VT2.1 следующей секции. Ключ VT2.1, открываясь, включает заряд С3.1 и закрывает VT3.1. Напряжение на VD6.1 включает следующую секцию и т.д. до последней секции умножителя.

Происходит последовательно-волновое переключение всех секций умножителя в режим параллельного заряда накопительных конденсаторов. Когда конденсаторы С3, С3.1...С3.n зарядятся, ключи VT2, VT2.1...VT2.n остаются открытыми, так как получают питание цепей смещения затворов с делителей R5, R6\ R5.1, R6.1\...\R5.n, R6.n (расчетное). Питаясь токами утечки транзисторов VT3,...VT3.n и заряженных конденсаторов С3,...С3.n, диоды VD5,...VD5.n остаются открытыми. Ключи VT3, VT3.1,...VT3.n остаются закрытыми. Такое состояние умножителя сохраняется, пока не возникнет ток в цепи светодиодов управляющих оптронов. Умножитель готов генерировать высоковольтный импульс в любой момент.

Фаза последовательного включения.

Умножение напряжения. См. фиг.6.

Фаза последовательного включения возможна только после фазы параллельного включения. В момент возникновения тока светодиодов управляющих оптронов открываются транзисторы оптронов и закорачивают переходы исток-затвор ключей VT1, VT2, закрывая их. VT1 обрывает цепь исходного напряжения. VT2, закрывшись, устраняет перемычку - анод VD6, R6 и «корпусной» конец R4. К делителю R5, R6 добавляется резистор R4. Напряжение на R6 падает ниже 4v (расчетное). Стабилитрон VD6 открывается как обычный диод, и смещение исток-затвор ключа параллельного включения следующей секции VT2.1 исчезает. VT2.1 закрывается. На резисторе R5 в новом включении напряжение становится значительно меньше, чем на С3, в результате чего С3 начнет разряжаться через R5 и VD5. Стабилитрон VD5 работает как ограничитель напряжения и подает открывающий потенциал на затвор VT3, открывая его. Конденсаторы С2 и С3 соединены последовательно. Ключ VT2.1, закрывшись, включает ключ VT3.1. Конденсаторы С2, С3, С3.1 соединяются последовательно. Через резистор R6 начинают течь два равных встречных тока: - минус С2, R4, VD6, R6, VD5, открытый VT3, R3, плюс С2 и минус С3, VD5, R6, R4.1, VD6.1, R6.1, VD5.1, открытый VT3.1, R3.1, плюс С3, в результате падение напряжения на R6 становится равным нулю (в идеале). Таким образом цепь параллельных ключей изолируется от цепи последовательных ключей. Баланс поддерживается выравнивающими резисторами R4,...R4.n. Процесс последовательно-волнового переключения продолжается, пока все накопительные конденсаторы умножителя не включатся последовательно. Диоды VD7,...VD7.n закрыты обратным смещением конденсаторов. Переход умножителя из фазы параллельного включения в фазу последовательного соединения аналогично происходит, когда конденсаторы еще не зарядились полностью, что позволяет управлять коэффициентом умножения, манипулируя длительностью импульса управления.

При работе на нагрузку с очень высоким сопротивлением возможно отказаться от запирающего ключа исходного напряжения VT1, как показано на фиг.3. Универсальной является схема умножителя, как показано на фиг.4.

Изменение уровня исходного напряжения в широких пределах (если средняя величина достаточно высокая) также является способом управления уровнем выходного напряжения умножителя.

Высокое входное сопротивление полевых транзисторов позволяет использовать резисторы в схеме, номиналом десятки или сотни килоом, что способствует высокому КПД умножителя. Очень низкое сопротивление ключей и конденсаторов как источников тока позволяет получать на выходе импульсы очень большой мощности. Резисторы R3,...R3.n ограничивают разрядный выходной ток до допустимых значений конкретно примененных ключей, чем обеспечивают защиту умножителя от перегрузки током при аварийных замыканиях в нагрузке. Последовательно-волновое переключение секций умножения позволяет использовать компоненты, электрическая прочность которых рассчитана только на исходное напряжение. Выходное напряжение умножителя может превышать допустимое напряжение используемых компонентов в десятки и сотни раз. Однотипность ключей, минимальный ассортимент типов и номиналов компонентов, широкий диапазон рабочих напряжений и допустимой мощности позволяет легко унифицировать умножитель при производстве. Гибкость управления, легкая синхронизация и гальваническая изолированность позволяют легко адаптировать умножитель в любой аппаратуре. Макет умножителя был опробован как система зажигания двигателя внутреннего сгорания. При этом энергия искры превосходила по всем параметрам классическую систему зажигания на трансформаторе Тесла (катушка зажигания) и почти не зависела от состояния запальной свечи. Получаемое выходное напряжение превышало допустимое напряжение каждого элемента схемы в двадцать раз.

Умножитель напряжения постоянного тока УНПТ Воробьева относится к электронике. Может быть применен как синхронизируемый источник высокого напряжения с низким выходным сопротивлением, большой мощностью импульса и управляемым коэффициентом умножения. Последовательно-волновой способ коммутации секций умножения позволяет применять компоненты, рассчитанные только на исходное напряжение. Выходное многокиловольтное напряжение может превышать в десятки и сотни раз исходное. Принцип работы - параллельный заряд накопительных конденсаторов секций, затем включение их в последовательную цепь, синхронно с сигналом управления. Коэффициент умножения варьируется длительностью управляющего импульса и изменением исходного напряжения извне. Технический результат - преодоление зависимости высоковольтных ключевых конденсаторных умножителей от параметров компонентов. Изобретен технологичный, компактный, легко адаптируемый, универсальный, синхронизируемый, гибкий в управлении, мощный модуль умножения напряжения без индуктивности. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Умножитель напряжения постоянного тока УНПТ реализует принцип параллельного заряда конденсаторов с последующим последовательно-волновым переключением заряженных конденсаторов в последовательное соединение, используя транзисторы структуры MOSFET, и составлен из секции управления, которая состоит из ключа управления на транзисторе VT2, ключа отключения исходного напряжения на транзисторе VT1, ограничительных стабилитронов VD1 и VD3, резисторов смещения R1 и R2, оптронов внешнего управления U1 и U2, конденсатора питания цепи смещения С1, отсекающего диода VD2, накопительного конденсатора С2, зарядно-отсекающего диода VD4 и клемм исходного напряжения +U, -U, причем исток транзистора VT2, сток транзистора VT1, анод стабилитрона VD3, эмиттер транзистора оптрона U2, резистор коммутации и выравнивания напряжения R4 первой секции умножения и минус конденсатора С2 соединены в одной точке с клеммой "ноль", а плюс конденсатора С2 соединен с резистором смещения R2, ограничительным резистором первой секции R3, катодом диода VD4 в одной точке, а анод диода VD4 соединен с анодом зарядного диода первой секции VD7, анодом диода VD2 и клеммой + Uисх. в одной точке, тогда как катод диода VD2 соединен с плюсом конденсатора С1 и одним концом резистора R1 в одной точке, а второй конец резистора R1 соединен с затвором ключа на транзисторе VT1, катодом стабилитрона VD1 и коллектором транзистора оптрона U1 в одной точке, а эмиттер транзистора оптрона U1 соединен с анодом стабилитрона VD1, истоком транзистора VT1, минусом конденсатора С1 и клеммой Uисх. в одной точке, тогда как второй конец резистора R2 соединен с затвором ключа на транзисторе VT2, катодом стабилитрона VD3 и коллектором транзистора оптрона U2 в одной точке, а светодиоды оптронов U1 и U2 соединены последовательно в цепи внешнего управления умножителем, а также умножитель состоит из набора каскодно включенных секций умножения, каждая из которых содержит два взаимозависимых ключа и конденсатор, причем секций в умножителе может быть N, а первая секция умножения составлена из ключа на транзисторе VT2, выполняющим также функцию ключа управления секции управления, ключа на транзисторе VT3, резисторов смещения R5 и R7, ограничительно-коммутационных стабилитронов VD5 и VD6, резистора ограничения тока заряда R6, резистора ограничения тока разряда R3, резистора коммутации и выравнивания напряжения R4, зарядного конденсатора СЗ и диода зарядки VD7, причем исток ключа последовательного включения на транзисторе VT3 соединен с анодом стабилитрона VD5 и минусом конденсатора СЗ в одной точке, а затвор ключа на транзисторе VT3 соединен с катодом стабилитрона VD5, резисторами R5, R6 и R7 в одной точке, тогда как сток ключа на транзисторе VT3 соединен с резистором ограничения тока разряда R3, второй конец которого соединен с плюсом накопительного конденсатора С2 секции управления, а второй конец резистора R5 соединен с плюсом конденсатора С3, катодом зарядного диода VD7, ограничительным резистором R3.1 второй секции умножения и анодом зарядного диода VD7.1 второй секции умножения в одной точке, тогда как второй конец резистора R7 соединен с катодом стабилитрона VD6, затвором ключа на транзисторе VT2.1 второй секции умножения, и с одним концом резистора коммутации и выравнивания напряжения R4 в одной точке, а второй конец резистора R4 соединен с минусом накопительного конденсатора С2 секции управления, тогда как второй конец резистора ограничения тока заряда R6 соединен с анодом стабилитрона VD6, истоком ключа на транзисторе VT2.1 второй секции умножения, стоком ключа на транзисторе VT2, и резистором коммутации и выравнивания напряжения R4.1 второй секции в одной точке, тогда как вторая секция умножения, составленная по аналогичной схеме, состоит из ключа на транзисторе VT2.1, ключа на транзисторе VT3.1, резисторов смещения R5.1 и R7.1, ограничительно-коммутационных стабилитронов VD5.1 и VD6.1, резистора ограничения тока заряда R6.1, резистора ограничения тока разряда R3.1, резистора коммутации и выравнивания напряжения R4.1, зарядного конденсатора С3.1 и диода заряда VD7.1, причем исток ключа последовательного включения на транзисторе VT3.1 соединен с анодом стабилитрона VD5.1 и минусом конденсатора С3.1 в одной точке, а затвор ключа на транзисторе VT3.1 соединен с катодом стабилитрона VD5.1, резисторами R5.1, R6.1 и R7.1 в одной точке, тогда как сток ключа на транзисторе VT3.1 соединен с резистором ограничения тока разряда R3.1 второй конец которого соединен с плюсом конденсатора СЗ первой секции умножения, а второй конец резистора R5.1 соединен с плюсом конденсатора С3.1, катодом зарядного диода VD7.1, ограничительным резистором R3.2 оконечной секции умножения и анодом зарядного диода VD7.2 оконечной секции умножения в одной точке, тогда как второй конец резистора R7.1 соединен с катодом стабилитрона VD6.1, затвором ключа на транзисторе VT2.2 оконечной секции умножения, и со вторым концом резистора коммутации и выравнивания напряжения R4.1 в одной точке, тогда как второй конец резистора ограничения тока заряда R6.1 соединен с анодом стабилитрона VD6.1, истоком ключа на транзисторе VT2.2 оконечной секции умножения, стоком ключа на транзисторе VT2.1, и резистором выравнивания напряжения R4.2 оконечной секции умножения в одной точке, тогда как оконечная секция умножения, составленная по аналогичной схеме, состоит из ключа на транзисторе VT2.2, ключа на транзисторе VT3.2, ограничительно-коммутационного стабилитрона VD5.2, резистора смещения R52, резистора ограничения тока заряда R6.2, резистора ограничения тока разряда R3.2, резистора выравнивания напряжения R4.2, зарядного конденсатора С3.2 и диода зарядки VD7.2, причем исток ключа последовательного включения на транзисторе VT3.2 соединен с анодом стабилитрона VD5.2 и минусом конденсатора С3.2 в одной точке, а затвор ключа на транзисторе VT3.2 соединен с катодом стабилитрона VD5.2, с резистором R5.2, и резистором R6.2 в одной точке, тогда как сток ключа на транзисторе VT3.2 соединен с резистором ограничения тока разряда R3.2, второй конец которого соединен с плюсом конденсатора С3.1 второй секции умножения, а второй конец резистора смещения R5.2 соединен с плюсом конденсатора С3.2, катодом зарядного диода VD7.2, резистором выравнивания напряжения R4.2 и выходной клеммой умножителя +U*N в одной точке, а второй конец резистора ограничения заряда R6.2 соединен со стоком ключа на транзисторе VT2.2, в одной точке, а также выходная клемма умножителя -U*N соединена с минусом конденсатора С2.2. Умножитель напряжения по п.1, секция умножения которого отличается тем, что затвор ключа VT3 соединен с катодом стабилитрона VD5 и дополнительным резистором R.X в одной точке, а второй конец резистора R.X соединен с резисторами R5, R6, R7 и катодом дополнительного диода VD.X в одной точке, а анод VD.X соединен с истоком VT3, анодом VD5 и минусом накопительного конденсатора С3 в одной точке, причем дополнительный резистор R.X и дополнительный диод VD.X включаются во все секции умножения.