Устройство для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение Российский патент 2018 года по МПК G05F1/59 

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано для создания импульсных источников электропитания, имеющих пониженный уровень электромагнитных помех, излучаемых в окружающее пространство, а также для расширения арсенала технических средств, преобразующих постоянное напряжение в импульсное напряжение.

Аналогичные технические решения известны, см. статью «Однотактный сдвоенный обратноходовой преобразователь с улучшенными динамическими характеристиками», рис. 8 (авторы Кругликов И.А., Ширяев А.О., Якименко И.В., 2013 г., опубликована на сайте http://pandia.ru/text/78/081/38282.php). Известное техническое решение содержит нижеследующую совокупность существенных признаков:

- высоковольтный источник постоянного напряжения;

- первый управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- индуктивную нагрузку (выполненную в виде первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого подсоединена к выпрямителю), подсоединенную своим первым выводом к второму выводу первого управляемого ключа;

- второй управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к второму выводу индуктивной нагрузки, а своим вторым выводом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- генератор импульсов прямоугольной формы (первая схема управления), подсоединенный своим выходом к управляющему входу первого управляемого ключа;

- вторая схема управления, подсоединенная своим выходом к управляющему входу второго управляемого ключа;

- первый отсекающий диод, подсоединенный своим анодом к второму выводу индуктивной нагрузки и своим катодом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- второй отсекающий диод, подсоединенный своим катодом к второму выводу первого управляемого ключа и своим анодом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения.

Общими признаками предлагаемого технического решения и указанного аналога являются:

- высоковольтный источник постоянного напряжения;

- первый управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- индуктивная нагрузка, подсоединенная своим первым выводом ко второму выводу первого управляемого ключа;

- второй управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом ко второму выводу индуктивной нагрузки;

- генератор импульсов прямоугольной формы;

- первый отсекающий диод, подсоединенный своим анодом ко второму выводу индуктивной нагрузки и своим катодом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- второй отсекающий диод, подсоединенный своим катодом ко второму выводу первого управляемого ключа и своим анодом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения.

Известно также техническое решение, см. Application note AN 6920MR «Integrated Critical-Mode PFC / Quasi-Resonant Current-Mode PWM Controller FAN6920» (опубликовано на сайте www.fairchild.com), которое выбрано в качестве ближайшего аналога (прототипа), и которое содержит нижеследующую совокупность существенных признаков:

- высоковольтный источник постоянного напряжения;

- первый (накопительный) конденсатор, подсоединенный одной своей (первой) обкладкой к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, а другой своей (второй) обкладкой к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- первый управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- индуктивную нагрузку (выполненную в виде первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого подсоединена к выпрямителю), подсоединенную своим первым выводом к второму выводу первого управляемого ключа;

- второй управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом ко второму выводу индуктивной нагрузки;

- ограничительный резистор, подсоединенный одним своим выводом к второму выводу второго управляемого ключа, а другим своим выводом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- низковольтный источник постоянного напряжения, (состоящий из третьей обмотки трансформатора, выпрямительного диода и фильтрующего конденсатора), подсоединенный своим отрицательным выходом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- управляемый генератор импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим выходом через буферный согласующий каскад к управляющему входу второго управляемого ключа;

- формирователь управляющего напряжения, подсоединенный своим выходом к входу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы;

- первый диод (диод вольтодобавки), подсоединенный своим анодом к положительному выходу низковольтного источника постоянного напряжения;

- второй конденсатор (конденсатор вольтодобавки), подсоединенный своей первой обкладкой к катоду первого диода (диода вольтодобавки) и своей второй обкладкой ко второму выводу первого управляемого ключа;

- второй диод (первый отсекающий диод), подсоединенный своим катодом ко второму выводу первого управляемого ключа и своим анодом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- третий диод (второй отсекающий диод), подсоединенный своим анодом ко второму выводу индуктивной нагрузки и своим катодом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- управляемый переключатель, подсоединенный своим первым входом к первой обкладке второго конденсатора (конденсатора вольтодобавки), своим вторым входом ко второй обкладке второго конденсатора (конденсатора вольтодобавки), своим выходом к управляющему входу первого управляемого ключа и своим управляющим входом к выходу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы.

Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются:

- высоковольтный источник постоянного напряжения;

- первый (накопительный) конденсатор, подсоединенный одной своей (первой) обкладкой к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, а другой своей (второй) обкладкой к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- первый управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- индуктивная нагрузка, подсоединенная своим первым выводом ко второму выводу первого управляемого ключа;

- второй управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом ко второму выводу индуктивной нагрузки;

- ограничительный резистор;

- низковольтный источник постоянного напряжения, подсоединенный своим отрицательным выходом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- управляемый генератор импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим выходом через буферный согласующий каскад к управляющему входу второго управляемого ключа;

- формирователь управляющего напряжения, подсоединенный своим выходом к входу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы;

- первый диод (диод вольтодобавки), подсоединенный своим анодом к положительному выходу низковольтного источника постоянного напряжения;

- второй конденсатор (конденсатор вольтодобавки), подсоединенный своей первой обкладкой к катоду первого диода (диода вольтодобавки), и своей второй обкладкой ко второму выводу первого управляемого ключа;

- второй диод (первый отсекающий диод), подсоединенный своим катодом ко второму выводу первого управляемого ключа и своим анодом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- третий диод (второй отсекающий диод), подсоединенный своим анодом ко второму выводу индуктивной нагрузки и своим катодом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;

- управляемый переключатель, подсоединенный своим первым входом к первой обкладке второго конденсатора (конденсатора вольтодобавки), своим вторым входом ко второй обкладке второго конденсатора (конденсатора вольтодобавки), своим выходом к управляющему входу первого управляемого ключа и своим управляющим входом к выходу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы.

Технический результат, который невозможно достичь ни одним из выше охарактеризованных аналогичных технических решений, заключается в снижении уровня импульсных электромагнитных помех, излучаемых устройствами для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение в окружающее пространство, что происходит благодаря управлению изменением амплитуды линейно-нарастающего тока в индуктивной нагрузке. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает расширение арсенала технических средств, реализующих свое назначение в виде устройств для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение.

Причиной невозможности достижения вышеуказанного технического результата является то, что, хотя в ранее известных устройствах для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение в результате излучения в окружающее пространство части импульсной мощности, получаемой в индуктивной нагрузке, всегда возникали импульсные электромагнитные помехи, однако до настоящего времени вопросам, связанным с уменьшением уровня указанных помех, должного внимания не уделялось.

Импульсные электромагнитные помехи, возникающие в аналогичных устройствах, мешают функционированию близкорасположенных радиоэлектронных устройств и негативным образом влияют на их работоспособность. Они являются серьезным препятствием для выполнения требований по электромагнитной совместимости, в частности, в системах с распределенным питанием, использующих множество импульсных источников питания. Кроме того, электромагнитное излучение импульсных помех в окружающее пространство приводит к ухудшению экологической обстановки в среде обитания человека. Поэтому появилась острая необходимость в усовершенствовании ранее известных аналогичных технических решений.

Учитывая характеристику и анализ известных аналогичных технических решений, можно сделать вывод, что задача создания устройств для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение, обеспечивающих снижение уровня импульсных электромагнитных помех, излучаемых в окружающее пространство, является актуальной на сегодняшний день.

Технический результат, указанный выше, достигается тем, что в известное устройство для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение, содержащее высоковольтный источник постоянного напряжения, первый (накопительный) конденсатор, подсоединенный одной своей (первой) обкладкой к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, а другой своей (второй) обкладкой к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, первый управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, индуктивную нагрузку, подсоединенную своим первым выводом к второму выводу первого управляемого ключа, второй управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к второму выводу индуктивной нагрузки, ограничительный резистор, низковольтный источник постоянного напряжения, подсоединенный своим отрицательным выходом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, управляемый генератор импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим выходом через буферный согласующий каскад к управляющему входу второго управляемого ключа, формирователь управляющего напряжения, подсоединенный своим выходом к входу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы, первый диод (диод вольтодобавки), подсоединенный своим анодом к положительному выходу низковольтного источника постоянного напряжения, второй конденсатор (конденсатор вольтодобавки), подсоединенный своей первой обкладкой к катоду первого диода (диода вольтодобавки), а своей второй обкладкой к второму выводу первого управляемого ключа, второй диод (первый отсекающий диод), подсоединенный своим катодом к второму выводу первого управляемого ключа и своим анодом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, третий диод (второй отсекающий диод), подсоединенный своим анодом к второму выводу индуктивной нагрузки и своим катодом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, и управляемый переключатель, подсоединенный своим первым входом к первой обкладке второго конденсатора (конденсатора вольтодобавки), своим вторым входом к второй обкладке второго конденсатора (конденсатора вольтодобавки), своим выходом к управляющему входу первого управляемого ключа и своим управляющим входом к выходу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы, введены электронно-управляемый резистор, включенный последовательно с вторым выводом второго управляемого ключа, с ограничительным резистором и с отрицательным выходом высоковольтного источника постоянного напряжения, и второй формирователь управляющего напряжения, подсоединенный своим выходом к управляющему входу электронно-управляемого резистора.

Введение второго формирователя управляющего напряжения и электронно-управляемого резистора с их подсоединениями позволяет, в ходе подачи импульсов прямоугольной формы с выхода управляемого генератора импульсов прямоугольной формы на управляющие входы первого и второго управляемых ключей, осуществить процесс регулирования амплитуды линейно-нарастающего тока, протекающего через индуктивную нагрузку (при этом цепь протекания тока включает в себя: высоковольтный источник постоянного напряжения - первый управляемый ключ - индуктивную нагрузку - второй управляемый ключ - электронно-управляемый резистор - ограничительный резистор), и в результате получить в индуктивной нагрузке импульсное напряжение, величина которого соответствует скорости нарастания линейно-нарастающего тока, протекающего через индуктивную нагрузку.

Регулирование амплитуды линейно-нарастающего тока, протекающего через индуктивную нагрузку, производится путем подачи управляющего напряжения с выхода второго формирователя управляющего напряжения на управляющий вход электронно-управляемого резистора, при этом амплитуда линейно-нарастающего тока может меняться в широких пределах. Действительно, значение сопротивления электронно-управляемого резистора устанавливается с помощью выходного напряжения второго формирователя управляющего напряжения. Это значение может меняться (под воздействием изменения управляющего напряжения с выхода второго формирователя управляющего напряжения) в пределах от нуля (и тогда амплитуда линейно-нарастающего тока определяется в основном сопротивлением ограничительного резистора и является максимальной амплитудой тока), до значений, в несколько (до десяти и более) раз, превышающих сопротивление ограничительного резистора, и тогда амплитуда тока становится в несколько (до десяти и более) раз меньше величины тока при нулевом сопротивлении электронно-управляемого резистора (и является минимальной амплитудой тока). Соответственно, величина импульсного напряжения, получаемого в индуктивной нагрузке, уменьшается в соответствии с уменьшением амплитуды линейно-нарастающего тока, протекающего через индуктивную нагрузку (при увеличении сопротивления электронно-управляемого резистора) и увеличивается в соответствии с увеличением амплитуды линейно-нарастающего тока, протекающего через индуктивную нагрузку (при уменьшении сопротивления электронно-управляемого резистора).

Таким образом, благодаря введению второго формирователя управляющего напряжения и электронно-управляемого резистора с их подсоединениями, в процессе изменения амплитуды линейно-нарастающего тока, протекающего через индуктивную нагрузку, в предлагаемом устройстве достигается получение выходного импульсного напряжения изменяемой величины. Соответственно, при уменьшении выходного импульсного напряжения уменьшается и уровень импульсных электромагнитных помех, излучаемых предлагаемым устройством в окружающее пространство, в чем и проявляется достижение вышеуказанного технического результата, обеспечивающего расширение арсенала технических средств, реализующих свое назначение в виде устройств для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение, в частности, в виде импульсных источников электропитания.

Проведенный анализ известных технических решений показал, что ни одно из них не содержит как всей совокупности существенных признаков, так и отличительных признаков, что позволило сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Предлагаемое устройство для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение, а на фиг. 2 представлены диаграммы, поясняющие работу предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение содержит:

- высоковольтный источник-1 постоянного напряжения;

- первый (накопительный) конденсатор-2, подсоединенный одной своей (первой) обкладкой-3 к положительному выходу-4 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения, а другой своей (второй) обкладкой-5 к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;

- первый управляемый ключ-7 (выполненный, например, в виде "МОП"-транзистора), подсоединенный своим первым выводом-8 (стоком "МОП"-транзистора) к положительному выходу-4 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;

- индуктивную нагрузку-9, выполненную, например, в виде обмотки на магнитопроводе и представляющую собой первичную обмотку-10 трансформатора-11 на ферромагнитном сердечнике-12, к вторичной обмотке-13 которого, например, подсоединен выпрямитель-14 со своей нагрузкой (на схеме не показана), причем индуктивная нагрузка-9 подсоединена одним своим (первым) выводом-15 к второму выводу-16 первого управляемого ключа-7 (к истоку МОП-транзистора);

- второй управляемый ключ-17 (выполненный, например, в виде "МОП"-транзистора), подсоединенный своим первым выводом-18 (стоком "МОП"-транзистора) к второму выводу-19 индуктивной нагрузки-9;

- первый диод-20 (диод вольтодобавки);

- второй конденсатор-21 (конденсатор вольтодобавки), подсоединенный своей первой обкладкой-22 к катоду-23 первого диода-20, и своей второй обкладкой-24 к второму выводу-16 первого управляемого ключа-7;

- низковольтный источник-25 постоянного напряжения, подсоединенный своим положительным выходом-26 к аноду-27 первого диода-20 (диода вольтодобавки), и своим отрицательным выходом-28 к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;

- управляемый переключатель-29, подсоединенный своим первым входом-30 к первой обкладке-22 второго конденсатора-21 (конденсатора вольтодобавки), и подсоединенный своим вторым входом-31 к второй обкладке-24 второго конденсатора-21 (конденсатора вольтодобавки), а своим выходом-32 подсоединенный к управляющему входу-33 первого управляемого ключа-7 (к затвору МОП-транзистора);

- второй диод-34 (первый отсекающий диод), подсоединенный своим катодом-35 к второму выводу-16 первого управляемого ключа-7 (к истоку МОП-транзистора) и своим анодом-36 к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;

- третий диод-37 (второй отсекающий диод), подсоединенный своим анодом-38 к второму выводу-19 индуктивной нагрузки-9, а своим катодом-39 к положительному выходу-4 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;

- первый формирователь-40 управляющего напряжения, выполненный, например, в виде источника-41 постоянного напряжения и переменного резистора-42, подсоединенного своим первым выводом-43 к положительному выходу-44 источника-41 постоянного напряжения, своим вторым выводом-45 к отрицательному выходу-46 источника-41 постоянного напряжения (который является первым выводом-47 первого формирователя-40 управляющего напряжения),

- управляемый генератор-48 импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим входом-49 к выходу-50 первого формирователя-40 управляющего напряжения (причем выход-50 является третьим выводом (движком)-51 переменного резистора-42), и подсоединенный своим выходом-52 к управляющему входу-53 управляемого переключателя-29, а также подсоединенный к буферному согласующему каскаду-54, выход-55 которого подсоединен к управляющему входу-56 второго управляемого ключа-17 (например, к затвору МОП-транзистора), и, наконец, подсоединенный своими питающими входами-57 и -58 к положительному выходу-26 и к отрицательному выходу-28 низковольтного источника-25 соответственно;

- электронно-управляемый резистор-59, подсоединенный своим первым выводом-60 к другому выводу-61 второго управляемого ключа-17 (к истоку "МОП"-транзистора) и выполненный, например, в виде МОП-транзистора-62 (сток которого является первым выводом-60 электронно-управляемого резистора-59), добавочного резистора-63, подсоединенного одним своим выводом-64 к стоку МОП-транзистора-62, а также подсоединенного другим своим выводом-65 к истоку МОП-транзистора-62 и к второму выводу-66 электронно-управляемого резистора-59, операционного усилителя-67, подсоединенного своим выходом-68 к затвору МОП-транзистора-62, источника-69 напряжения смещения, подсоединенного своим положительным выходом-70 к неинвертирующему ("+") входу-71 операционного усилителя-67 и своим отрицательным выходом-72 к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения, а также последовательно соединенные первый-73 и второй-74 резисторы, задающие коэффициент передачи операционного усилителя-67, причем один (первый) вывод-75 первого резистора-73 подсоединен к выходу-68 операционного усилителя-67, другой (второй) вывод-76 второго резистора-74 является управляющим входом-77 электронно-управляемого резистора-59, а точка соединения-78 первого-73 и второго-74 резисторов подсоединена к инвертирующему ("-") входу-79 операционного усилителя-67;

- ограничительный резистор-80, подсоединенный одним своим (первым) выводом-81 к второму выводу-66 электронно-управляемого резистора-59, а другим своим (вторым) выводом-82 к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;

- второй формирователь-83 управляющего напряжения, подсоединенный своим первым входом-84 к первому выходу-85 выпрямителя-14, своим первым выходом-86 подсоединенный к второму выходу-87 выпрямителя-14, своим вторым входом-88 подсоединенный к положительному выходу-26 низковольтного источника-25 постоянного напряжения, своим вторым выходом-89 подсоединенный к управляющему входу-77 электронно-управляемого резистора-59, своим третьим выходом-90 подсоединенный к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения, а также к второму выводу-47 первого формирователя-40 управляющего напряжения.

При этом второй формирователь-83 управляющего напряжения может быть выполнен, например, по схеме, содержащей последовательно соединенные токоограничивающий резистор-91, первый-92 и второй-93 резисторы делителя напряжения, а также регулятор тока-94, оптрон-95 и резистор питания-96, причем первый вывод-97 токоограничивающего резистора-91 подключен к первому-98 входу оптрона-95, точка соединения-99 токоограничивающего резистора-91 и первого-92 резистора делителя напряжения является первым входом-84 второго формирователя-83 управляющего напряжения, точка соединения-100 первого-92 и второго-93 резисторов делителя напряжения соединена с управляющим входом-101 регулятора тока-94, первый вывод-102 которого подсоединен к второму-103 входу оптрона-95, а второй вывод-104 второго-93 резистора делителя напряжения подсоединен к второму выводу-105 регулятора тока-94 и является первым выходом-86 второго формирователя-83 управляющего напряжения. В то же время первый выход-106 оптрона-95 подсоединен к первому выводу-107 резистора питания-96 и является вторым выходом-89 второго формирователя-83 управляющего напряжения, второй вывод-108 резистора питания-96 является вторым входом-88 второго формирователя-83 управляющего напряжения, а второй выход-109 оптрона-95 соединен с третьим выходом-90 второго формирователя-83 управляющего напряжения.

Представленные на фиг. 2 временные диаграммы напряжений, действующих в устройстве, отображают (см. также фиг. 1):

2а) постоянное выходное напряжение U₀ высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;

2б) импульсы U_упр на выходе-52 управляемого генератора-48 импульсов прямоугольной формы;

2в) линейно-нарастающий ток, протекающий в цепи питания индуктивной нагрузки-9 при максимальном сопротивлении электронно-управляемого резистора-59, достигающий к концу импульса Uупр минимальной величины I_0мин;

2г) высоковольтное импульсное напряжение U_мин между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения при максимальном сопротивлении электронно-управляемого резистора-59;

2д) линейно-нарастающий ток, протекающий в цепи питания индуктивной нагрузки-9 при минимальном сопротивлении электронно-управляемого резистора-59, достигающий к концу импульса Uупр максимальной величины I_{0 макс};

2е) высоковольтное импульсное напряжение U_макс между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения при минимальном сопротивлении электронно-управляемого резистора-59.

Предлагаемое устройство для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение изменяемой величины работает следующим образом.

При поступлении постоянного напряжения с выводов низковольтного источника-25 постоянного напряжения на входы питания-57 и -58 управляемого генератора-48 прямоугольных импульсов, последний начинает вырабатывать импульсы прямоугольной формы (см. временную диаграмму фиг. 2б), скважность которых определяется величиной управляющего напряжения (поступающего на управляющий вход-49 управляемого генератора-48 импульсов прямоугольной формы с выхода-50 первого формирователя управляющего напряжения-40).

Изменение управляющего напряжения на выходе-50 первого формирователя управляющего напряжения-40 (с целью изменения скважности импульсов прямоугольной формы) достигается, например, посредством перемещения движка-51 переменного резистора-42, подсоединенного своими выводами-43 и -45 к положительному выходу-44 и к отрицательному выходу-46 источника-41 постоянного напряжения, соответственно.

Далее импульсы прямоугольной формы заданной скважности с выхода-52 управляемого генератора-48 импульсов прямоугольной формы через согласующий каскад-54 поступают на управляющий вход-56 второго управляемого ключа-17 (на затвор его "МОП"-транзистора), в результате чего второй управляемый ключ-17 открывается.

Одновременно импульсы прямоугольной формы с выхода-52 управляемого генератора-48 импульсов прямоугольной формы поступают на управляющий вход-53 управляемого переключателя-29, в результате чего на управляющий вход-33 первого управляемого ключа-7 (на затвор его "МОП"-транзистора) с второго конденсатора-21 (конденсатора вольтодобавки) поступает потенциал, превышающий потенциал второго вывода-16 первого управляемого ключа-7 (истока "МОП"-транзистора) на величину, приблизительно равную выходному напряжению низковольтного источника-25 постоянного напряжения.

Поступление указанного потенциала открывает первый управляемый ключ-7 практически одновременно с вторым управляемым ключом-17, благодаря чему через индуктивную нагрузку-9 начинает течь ток по цепи: положительный выход-4 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения - открытый первый управляемый ключ-7 - индуктивная нагрузка-9 - открытый второй управляемый ключ-17 - электронно-управляемый резистор-59 - ограничительный резистор-80 - отрицательный вывод-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения.

Таким образом, с помощью последовательности управляющих импульсов обеспечиваются периодические подключения индуктивной нагрузки-9 к выходам высоковольтного источника-1 постоянного напряжения, и формируется импульсный ток, протекающий через индуктивную нагрузку-9.

Возникающая при этом в индуктивной нагрузке-2 ЭДС самоиндукции препятствует мгновенному изменению тока в указанной цепи, из-за чего ток в течение импульса прямоугольной формы нарастает по линейному закону (см. временные диаграммы фиг. 2в, 2д), и в момент окончания импульса прямоугольной формы амплитуда тока достигает заранее заданного значения I₀ (либо I_{0 мин} для временной диаграммы фиг. 2в, либо I_{0 макс} для временной диаграммы фиг. 2д, либо промежуточного значения I₀). При этом величина высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения пропорциональна скорости нарастания тока и, следовательно, амплитуде I₀.

Однако, амплитуда тока I₀ определяется сопротивлениями всех элементов указанной цепи, т.е.

где К₁ - первый коэффициент пропорциональности,

R_кл1 - сопротивление первого управляемого ключа-7 в открытом состоянии (сопротивление канала открытого "МОП"-транзистора),

R_кл2 - сопротивление второго управляемого ключа-17 в открытом состоянии (сопротивление канала открытого "МОП"-транзистора),

R_огр - величина сопротивления ограничительного резистора-80,

R_эyp - величина сопротивления электронно-управляемого резистора-59, причем, в силу малости значений может быть приведена к виду:

Поэтому амплитуда тока I₀, а, следовательно, и величина высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения могут быть изменены путем задания величины сопротивления электронно-управляемого резистора-59.

Такое изменение необходимо при изменении выходного напряжения выпрямителя-14 между его первым-85 и вторым-87 выходами (например, вследствие изменения сопротивления нагрузки выпрямителя-14). Это изменяющееся напряжение поступает на первый вход-84 второго формирователя-83 управляющего напряжения и через токоограничивающий резистор-91 передается на первый вход-98 оптрона-95. В результате чего через оптрон-95 протекает изменяющийся ток, величина которого зависит и от напряжения на первом входе-98 оптрона-95, и от параметров первого-92 и второго-93 резисторов делителя напряжения, а также от параметров регулятора тока-94. Соответственно, на выходе-106 оптрона-95 (и на первом выводе-107 резистора питания-96, второй вывод-108 которого через второй вход-88 второго формирователя-83 управляющего напряжения подключен к положительному выводу-26 низковольтного источника-25 постоянного напряжения), также возникает изменяющееся напряжение, которое передается на второй выход-89 второго формирователя-83 управляющего напряжения.

При изменении напряжения на втором выходе-89 второго формирователя-83 управляющего напряжения, происходит подача управляющего напряжения (которое поступает с второго выхода-89 второго формирователя-83 управляющего напряжения на управляющий вход-77 электронно-управляемого резистора-59) через второй резистор-74 на инвертирующий вход-79 ("-") операционного усилителя-67, выполняющего функцию усилителя постоянного напряжения. При этом режим работы операционного усилителя-67 задается напряжением на положительном выходе-70 источника-69 напряжения смещения, которое подается на неинвертирующий ("+") вход-71 операционного усилителя-67. В результате на выходе-68 операционного усилителя-67 формируется сигнал управления (величина которого определяется соотношением первого-73 и второго-74 резисторов, задающих коэффициент передачи операционного усилителя-67), поступающий на затвор МОП-транзистора-62 электронно-управляемого резистора-59. При нулевом сигнале управления МОП-транзистор-62 электронно-управляемого резистора-59 закрыт и не оказывает шунтирующего действия на величину сопротивления R_{доп добавочного резистора-63, поэтому величина сопротивления электронно-управляемого резистора-59 максимальна и составляет}

а величина тока I₀ минимальна и равна

Минимальной амплитуде тока I_{0 мин}, протекающего через индуктивную нагрузку-9 при R_эур=R_доп (см. временную диаграмму фиг. 2в), соответствует минимальное значение высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения (см. временную диаграмму фиг. 2г) и, следовательно, минимальная величина импульсных электромагнитных помех, излучаемых устройством в окружающее пространство.

По мере изменения выходного напряжения второго формирователя-83 управляющего напряжения (что происходит, например, при уменьшении выходного напряжения выпрямителя-14) сигнал управления, поступающий на затвор МОП-транзистора-62 электронно-управляемого резистора-59, увеличивается и открывает МОП-транзистор-62 электронно-управляемого резистора-59. В результате сопротивление канала МОП-транзистора-62 электронно-управляемого резистора-59 начинает уменьшаться, что оказывает шунтирующее действие на величину сопротивления R_доп добавочного резистора-63, поэтому результирующее сопротивление электронно-управляемого резистора-59 также начинает уменьшаться. В пределе, когда сигнал управления, поступающий на затвор МОП-транзистора-62 электронно-управляемого резистора-59, настолько велик, что МОП-транзистор-62 электронно-управляемого резистора-59 оказывается полностью открытым, он полностью шунтирует добавочный резистор-63, величина сопротивления электронно-управляемого резистора-59 становится близка к нулю, а величина тока I₀ становится максимальной и равной

Максимальной амплитуде тока I_0макс, протекающего через индуктивную нагрузку-9 при R_эyp=0 (см. временную диаграмму фиг. 2д), соответствует максимальное значение высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения (см. временную диаграмму фиг. 2е) и, следовательно, максимальная величина импульсных электромагнитных помех, излучаемых устройством в окружающее пространство.

Таким образом, с помощью изменения величины сопротивления электронно-управляемого резистора-59 путем регулирования выходного напряжения второго формирователя-83 управляющего напряжения, в предлагаемом техническом решении оказывается возможным изменять амплитуду тока, протекающего по ранее указанной цепи, в пределах от I_{0 мин} до I_{0 макс} и изменять тем самым величину высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения.

В аналогичных технических решениях, включая прототип, производится изменение скважности импульсов (например, с помощью первого формирователя управляющего напряжения-40 и управляемого генератора-48 прямоугольных импульсов).

Однако при изменении скважности импульсов величина тока I₀ остается неизменной и равной I_{0 макс} (а, следовательно, и величина высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения остается неизменной).

При этом в течение импульса происходит излучение в окружающее пространство части импульсной мощности

где К₂ - второй коэффициент пропорциональности.

Излучение в окружающее пространство части импульсной мощности порождает импульсные электромагнитные помехи, мешающие функционированию близкорасположенных радиоэлектронных устройств и негативным образом влияет на их работоспособность; кроме того, электромагнитное излучение в окружающее пространство приводит к ухудшению экологической обстановки в среде обитания человека.

В предлагаемом техническом решении имеется возможность изменять не только скважность импульсов, но и величину высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения, что позволяет снижать уровень импульсных электромагнитных помех, излучаемых предложенным устройством в окружающее пространство.

Следует учитывать, что одновременно с протеканием тока через индуктивную нагрузку-9, через открытый второй управляемый ключ-17 также протекает ток по цепи: положительный выход-26 низковольтного источника-25 постоянного напряжения - первый диод-20 (диод вольтодобавки) - второй конденсатор-21 (конденсатор вольтодобавки) - индуктивная нагрузка-9 - открытый второй управляемый ключ-17 - электронно-управляемый резистор-59 - ограничительный резистор-80 - отрицательный вывод-28 низковольтного источника-25 постоянного напряжения. Благодаря чему второй конденсатор-21 (конденсатор вольтодобавки) заряжается до величины, приблизительно равной выходному напряжению низковольтного источника-25 постоянного напряжения. После окончания импульса прямоугольной формы первый-7 и второй-17 управляемые ключи закрываются, а разность потенциалов на обкладках второго конденсатора-21 (конденсатора вольтодобавки) - сохраняется, что создает условия для открытия первого управляемого ключа-7 в следующем цикле работы устройства.

При размыкании первого-7 и второго-17 управляемых ключей из-за наличия ЭДС самоиндукции возникает высоковольтное напряжение между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения. Как только это высоковольтное напряжение превысит величину выходного напряжения высоковольтного источника-1 постоянного напряжения, открываются третий диод-37 (второй отсекающий диод) и второй диод-34 (первый отсекающий диод), через которые начинает течь ток по цепи; отрицательный выход-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения - второй диод-34 (первый отсекающий диод) - индуктивная нагрузка-9 - третий диод-37 (второй отсекающий диод) - первый (накопительный) конденсатор-2 - отрицательный выход-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения. В результате, помимо передачи энергии в полезную нагрузку, происходит накопление энергии в накопительном конденсаторе-2 (что способствует повышению коэффициента полезного действия как предлагаемого устройства, так и устройства-прототипа, в котором этот прием также используется).

Таким образом, предлагаемое к патентованию техническое решение выполняет те же функции, что и ранее известные устройства, отличаясь от них возможностью изменять не только скважность управляющих импульсов прямоугольной формы, но и изменять амплитуду тока, протекающего в индуктивной нагрузке-9 и, тем самым, изменять величину высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения. Это способствует снижению уровня импульсных электромагнитных помех, излучаемых устройствами для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение в окружающее пространство, а также обеспечивает расширение арсенала технических средств, реализующих свое назначение в виде устройств для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение.

Функциональные блоки, входящие в состав устройства, могут быть реализованы различным образом.

Например, управляемый генератор-48 прямоугольных импульсов может быть выполнен в виде микросхемы, выполняющей функции широтно-импульсного модулятора (допустим, UCC2813QDR-5Q1 фирмы Texas instruments), или же в виде микросхемы, выполняющей функции частотно-импульсного модулятора (допустим, FAN-6300H фирмы Fairchild Semiconductor), или по любой другой схеме, обеспечивающей изменение скважности импульсов прямоугольной формы.

Первый формирователь управляющего напряжения-40 может быть выполнен либо в виде, показанном на фиг. 1, либо любым иным преобразованием управляющего воздействия в управляющее напряжение, в том числе с использованием цепей обратной связи и/или цифровых управляющих протоколов.

Второй формирователь управляющего напряжения-83 может быть выполнен либо в виде, показанном на фиг. 1, либо с использованием стандартных источников опорного напряжения и операционных усилителей; либо любым иным преобразованием управляющего воздействия в напряжение, управляющее электронно-управляемым резистором, в том числе с использованием цепей обратной связи и/или цифровых управляющих протоколов.

В качестве регулятора тока-94, показанного на фиг. 1, может быть использована микросхема TL 431 или ее аналоги.

Транзисторы управляемых ключей-7 и -17 могут быть и биполярными, и МОП-транзисторами, и БТИЗ-транзистором; сам же ключ может содержать дополнительные схемы, повышающие качество его работы.

Низковольтные источники питания-25, -41, и -69, входящие в состав устройства в целом, а также в состав первого формирователя управляющего напряжения-40 и электронно-управляемого резистора-59 могут быть преобразованы, например, в один низковольтный источник питания, снабженный соответствующими резистивными делителями.

Электронно-управляемый резистор-59 может быть выполнен в виде, показанном на схеме фиг. 1, или по схеме, приведенной в http://zpostbox.ru/az10.htm, или по любой другой схеме, обеспечивающей изменение сопротивления участка цепи практически от нуля до величины, сравнимой с величиной сопротивления R_огр.

В качестве второго и третьего диодов могут быть использованы любые устройства с односторонней проводимостью, например, управляемые биполярные транзисторы, или МОП-транзистором, или БТИЗ-транзисторы и так далее.

Буферный согласующий каскад-54, выполняющий функции согласования моментов подачи управляющих импульсов, поступающих на входы первого-7 и второго-17 управляемых ключей, может быть выполнен, например, в виде последовательного соединения схемы задержки и усилителя, а может вообще отсутствовать (заменяется перемычкой).

Все остальные элементы, входящие в состав устройства для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение широко известны и опубликованы в различных источниках информации по импульсной технике и радиоэлектронике.

При любом варианте выполнения функциональных блоков, входящих в состав описанного устройства, обеспечивается возможность изменения величины тока, протекающего через индуктивную нагрузку, а следовательно, и выходного импульсного напряжения и, соответственно, достигается снижение уровня импульсных электромагнитных помех, излучаемых в окружающее пространство, то есть получается технический результат, соответствующий заявленному.

Устройство для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение содержит последовательно соединенные между собой высоковольтный источник 1 постоянного напряжения, первый управляемый ключ 7, индуктивную нагрузку 9, второй управляемый ключ 17, электронно-управляемый резистор 59, ограничительный резистор 80, а также управляемый генератор 48 импульсов прямоугольной формы и два формирователя 40 и 83 управляющих напряжений. Технический результат - снижение уровня электромагнитных помех, излучаемых в окружающее пространство. 2 ил.

Устройство для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение, содержащее высоковольтный источник постоянного напряжения, первый конденсатор, подсоединенный своей первой обкладкой к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, а своей второй обкладкой к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, первый управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, индуктивную нагрузку, подсоединенную своим первым выводом ко второму выводу первого управляемого ключа, второй управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом ко второму выводу индуктивной нагрузки, ограничительный резистор, низковольтный источник постоянного напряжения, подсоединенный своим отрицательным выходом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, управляемый генератор импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим выходом через буферный согласующий каскад к управляющему входу второго управляемого ключа, формирователь управляющего напряжения, подсоединенный своим выходом к входу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы, первый диод, подсоединенный своим анодом к положительному выходу низковольтного источника постоянного напряжения, второй конденсатор, подсоединенный своей первой обкладкой к катоду первого диода и своей второй обкладкой ко второму выводу первого управляемого ключа, и управляемый переключатель, подсоединенный своим первым входом к первой обкладке второго конденсатора, своим вторым входом ко второй обкладке второго конденсатора, своим выходом к управляющему входу первого управляемого ключа и своим управляющим входом к выходу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы и к управляющему входу второго управляемого ключа, отличающееся тем, что оно снабжено электронно-управляемым резистором, включенным последовательно со вторым выводом управляемого ключа, с ограничительным резистором и с отрицательным выходом высоковольтного источника постоянного напряжения, и вторым формирователем управляющего напряжения, подсоединенным своим выходом к управляющему входу электронно-управляемого резистора.