ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК H03K3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к общей технике получения высоковольтных импульсов и технике получения поражающих импульсов контактных электрошоковых устройств (ЭШУ) и дистанционных электрошоковых устройств (ДЭШУ).

Уровень техники

Аналогами предлагаемого генератора являются широко распространенные каскадные генераторы (умножители), например, генератор Кокрофта - Уолтона [1]. Общий принцип работы такого генератора заключается в том, что низкое переменное или пульсирующее напряжение выпрямляется на диодах и заряжает конденсаторы отдельных каскадов, а затем полученные постоянные напряжения заряженных конденсаторов включаются последовательно и суммируются. Например, для зарядки переменным током во время первого полупериода первый конденсатор каскада заряжается через первый открытый диод до пикового значения входного напряжения. При смене полярности напряжения первый диод закрывается, а второй диод каскада открывается, при этом второй конденсатор каскада заряжается уже до двойного напряжения от напряжения первого конденсатора и пикового значения входного напряжения. Описанный процесс повторяется в последующих каскадах, и, таким образом, выходное напряжение генератора примерно равно удвоенному произведению входного напряжения на количество каскадов.

Недостаток каскадных генераторов заключается в невозможности питания от постоянного напряжения, но главное - в невозможности работы в импульсном режиме, вследствие чего применение каскадных генераторов в ЭШУ и ДЭШУ является неэффективным.

Если в широко распространенных ЭШУ и ДЭШУ с высоковольтным трансформаторным выходом разряд конденсатора накачки первичной обмотки высоковольтного трансформатора происходит только по достижению им максимального зарядного напряжения (т.е. при максимальной энергии в конденсаторе), то при использовании каскадного умножителя на выходе ЭШУ или ДЭШУ каскады конденсаторов разряжаются на цель при максимальной энергии зарядки только при максимальном до искрового пробоя сопротивлении воздушного промежутка между выходными электродами ЭШУ или

ДЭШУ, то есть при максимальном для данного ЭШУ или ДЭШО расстоянии между электродами защитного разрядника. Например, чтобы пробить толстую одежду, нужно более высокое напряжение, и соответственно каскады конденсаторов успеют накопить значительную энергию прежде, чем разрядятся через воздушный промежуток, определяемый толщиной одежды на тело объекта воздействия. Однако при наибольшем расстоянии пробоя и потери энергии разряда будут наибольшими. В том же случае, если толщина одежды незначительна, то каскады конденсаторов пробьют небольшое воздушное расстояние, не накопив полной энергии, следовательно, эффективность воздействия будет мала. При полном же омическом контакте с кожей человека, как указано выше, воздействие будет минимально возможным и равным выходным характеристикам трансформатора инвертера на данной нагрузке. То есть, при уменьшении расстояния от выходных электродов ЭШУ или ДЭШУ до тела цели, частота разрядов будет возрастать и при минимальном расстоянии до тела (полном контакте) станет равной частоте инвертера (источника питания каскадного генератора) при напряжении всего лишь источника питания. Таким образом, эффективность ЭШУ или ДЭШУ сводится практически к нулю, так как высокая частота тока (десятки килогерц) источников питания каскадных генераторов в ЭШУ и ДЭШУ физиологически неэффективна и вызывает только термические ожоги.

Недостатком выходного каскада ЭШУ и ДЭШУ на каскадном генераторе (умножителе напряжения) является также невозможность получения постоянных характеристик на нагрузке в 1 кОм (как того требует ГОСТ Р 50940-96), вследствие того, что на омической нагрузке умножитель может выдать только зарядное напряжение конденсаторов, равное выходному напряжению трансформатора инвертера (источника питания каскадного генератора), не превышающему, как правило, 1…3 кВ.

Прототипом заявляемого генератора выбран генератор импульсного высокого напряжения Эрвина Маркса, принцип действия которого основан на зарядке постоянным электрическим током соединенных параллельно (через активные или реактивные сопротивления) конденсаторов до некоторого напряжения, определяемого, в основном, максимальным допустимым рабочим напряжением на выбранном типе конденсатора до его электрического пробоя, которые после зарядки соединяются последовательно при помощи различных коммутирующих устройств (преимущественно, при помощи газовых или воздушных искровых разрядников) [2]. Таким образом, выходное напряжение увеличивается пропорционально количеству соединенных конденсаторов (ступеней или

каскадов). Коммутация конденсаторов происходит следующим образом. При пробое запускающего разрядника в первой ступени происходит импульсная перезарядка емкостей и осуществляется пробой очередного промежутка с прогрессивно нарастающим напряжением. В итоге конденсаторы оказываются соединенными последовательно, а на выходе получается напряжение, примерно равное зарядному напряжению, умноженному на число ступеней генератора. Генераторы Маркса позволяют получать импульсные напряжения от 10 кВ до 10 MB. Энергия в импульсе генераторов Маркса может широко варьироваться. Генераторы Маркса, употребляемые для разнообразных исследований и технического применения, имеют длительность импульса преимущественно в диапазоне 1…50 мкс.

Генератор Маркса имеет следующие недостатки.

Для получения сильноточного импульса значительной длительности в нагрузке генератора необходимо применение конденсаторов большой емкости в каждой ступени генератора, так как суммарная емкость последовательно соединенных конденсаторов всегда меньше емкости конденсатора самой малой емкости ступени. Общераспространенные генераторы Маркса имеют в большинстве практических применений около 10 ступеней при равных емкостях конденсаторов в ступенях. Таким образом, для типовых генераторов Маркса при 10 ступенях общая емкость цепочки конденсаторов во время разрядов на порядок ниже емкости одного конденсатора в ступени.

Высоковольтные конденсаторы имеют большие габариты и массу. Максимальное значение удельной емкости высоковольтных конденсаторов (с рабочим напряжением в единицы и десятки киловольт) невелико по сравнению с низковольтными конденсаторами, так как для работы при высоком напряжении требуется увеличивать толщину слоев диэлектрика между обкладками для получения большой электрической прочности, что означает и соответственное увеличение габаритов и общей массы конденсаторов.

Для увеличения энергии в импульсе генератора Маркса применяют три основных способа.

1. Увеличивают выходное напряжение генератора, что приводит к росту необходимого количества ступеней (а значит, к росту габаритов и массы генератора), либо к росту необходимого зарядного напряжения каждой ступени, что заставляет применять конденсаторы с более высоким рабочим напряжением, т.е. опять увеличивать габариты и массу генератора.

2. Увеличивают емкость конденсаторов каждой ступени, что опять приводит к непропорциональному увеличению энергии росту габаритов и массы генератора.

3. Увеличивают количество ступеней, зарядное напряжение каждой ступени и конденсаторы ступеней увеличенной емкости. И в этом случае происходит непропорциональный по отношению к увеличению энергии в импульсе рост габаритов и массы генератора Маркса.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на решение задачи создания высоковольтного импульсного генератора для применения в исследовательской технике для получения сильноточных высоковольтных импульсов различной длительности при снижении массы и габаритов генераторов Маркса, а также для применения в различных прикладных областях техники, в частности, для получения высоковольтных поражающих импульсов ЭШУ и ДЭШУ различной длительности. Технический результат состоит в получении сильноточных высоковольтных импульсов различной длительности при снижении массы и габаритов генераторов Маркса.

Сущность изобретения заключается в том, что в генераторе импульсов высокого напряжения, содержащем генератор Маркса с выходными электродами, и ступенями, заряжаемыми постоянным высоким напряжением 1…100 кВ, параллельно выходным электродам генератора Маркса через высоковольтную твердотельную диодную сборку, содержащую, по меньшей мере, один высоковольтный диод, подключенный к упомянутым выходным электродам генератора Маркса обратнополярно к полярности выходных импульсов генератора Маркса, подключен токовый конденсатор, заряжаемый входным напряжением зарядки ступеней генератора Маркса или от автономного источника постоянного напряжения.

Дополнительная особенность заключается в том, что в электрическую цепь между, по меньшей мере, одним выходным электродом генератора и иными элементами электрической схемы генератора включен защитный разрядник, выполненный преимущественно в виде газового разрядника, с напряжением зажигания большим, чем максимальное зарядное напряжение конденсаторов ступеней генератора или упомянутого токового конденсатора.

Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутая высоковольтная диодная сборка допускает большие прямые импульсные токи при высоком значении допустимого обратного напряжения.

Дополнительная особенность заключается в том, что упомянутый токовый конденсатор может заряжаться от упомянутого автономного источника постоянного тока с выходным напряжением, отличающимся от напряжения питания ступеней генератора Маркса.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Генератор импульсов высокого напряжения по п. 1 формулы изобретения (схема электрическая принципиальная).

Фиг. 2. Фотографии экспериментальных ЭШУ с генератором импульсов высокого напряжения в качестве концевого устройства.

Фиг. 3. Осциллограмма выходного импульса генератора импульсов высокого напряжения ЭШУ.

Осуществление изобретения

Фиг. 1. Генератор импульсов высокого напряжения работает следующим образом: На выводы 1 заряжания ступеней генератора 2 Маркса (на Фиг. 1 выделен пунктирной линией) подается постоянное напряжение электропитания с амплитудой 1…100 кВ, получаемое, например, от т.н. DC/DC-преобразователя (преобразователя постоянного низкого напряжения источника электропитания - батареи или аккумулятора - в высокое постоянное напряжение) или, например, высокое напряжение переменного тока, в этом случае выпрямляемое, например, полупроводниковым выпрямителем 3. Параллельно выходным электродам 4 и 5 генератора 2 Маркса через высоковольтную полупроводниковую диодную сборку 6, содержащую, по меньшей мере, один высоковольтный диод, подключен токовый конденсатор 7, заряжаемый постоянным напряжением непосредственно от входных электродов зарядки генератора 2 Маркса.

Конденсаторы ступеней генератора 2 Маркса и токовый конденсатор 7 начинают заряжаться постоянным током с напряжением 1…100 кВ (в зависимости от необходимости применения в конкретной области техники получения высоковольтных импульсов). При достижении полного заряда конденсаторов ступеней генератора Маркса и токового конденсатора 7 потенциал на конденсаторах ступеней генератора Маркса оказывается достаточным для зажигания запускающего разрядника (разрядника первой ступени) генератора. Запускающий разрядник срабатывает, обеспечивая срабатывание всех остальных разрядников ступеней генератора и выработке генератором рабочего

высоковольтного импульса. Высоковольтная диодная сборка 6 включена обратнополярно к полярности рабочего высоковольтного импульса генератора Маркса и, таким образом, батарея последовательно соединенных при зажигании разрядников ступеней конденсаторов генератора Маркса не может разрядиться через токовый конденсатор 7.

Между выходными электродами 8 и 9 генератора происходит пробой в воздухе или иной среде (например, в воде у установок, работающих на электрогидравлическом эффекте Юткина, в твердых породах и жидкостях при электроимпульсном бурении и каротаже горных пород). При этом сопротивление ионизированного электрическим искровым пробоем разрядного канала между электродами 8 и 9 резко падает и токовый конденсатор 7 начинает разряжаться в предварительно ионизированный импульсом генератора Маркса разрядный канал через высоковольтную диодную сборку 6 с низким прямым сопротивлением. Токовый конденсатор 7 имеет допустимое рабочее напряжение, равное максимальному напряжению зарядки конденсаторов ступеней генератора Маркса при емкости, значительно превышающей как общую емкость конденсаторов при коммутации ступеней (во время рабочего импульса), так и емкость отдельного конденсатора ступени. Таким образом, при незначительной емкости конденсаторов ступеней генератора Маркса токовый конденсатор 7 может иметь очень большую емкость и при разряде в ионизированный разрядный канал он позволяет получать большие импульсные токи в канале при одновременной большой длительности выходного импульса (от сотен микросекунд и до десятков миллисекунд). Указанные свойства предлагаемого генератора делают его особо перспективным для применения в ЭШУ и ДЭШУ с выходными импульсами большой длительности и высокой эффективностью, обеспечивающими кратковременное иммобилизирующее воздействие на цель.

В то же время при использовании малоиндуктивных высоковольтных конденсаторов, например, типа «HCEIcap» Института сильноточной электроники СО РАН, КПИМ и КПИМК производства АО «Русская Технологическая Группа», возможно получение высоковольтных токовых импульсов длительности импульса в десятки или сотни наносекунд.

В некоторых случаях применения генератора (например, в случае использования предлагаемого генератора в качестве выходного высоковольтного блока ЭШУ или ДЭШУ) электроды 8 и 9 могут быть короткозамкнуты или нагружены на незначительные электрические сопротивления (например, принятое ГОСТ Р 50940-96 и другими нормативными документами сопротивление тела человека без одежды составляет 1000

Ом). В этом случае зарядный ток напряжения питания с большим падением напряжения проходит на выходные электроды 8 и 9, не заряжая конденсаторы ступеней генератора Маркса и токовый конденсатор 7. Работа предлагаемого генератора становится невозможной. Для недопущения прохождения тока напряжения питания на выходные электроды 8 и 9 при низких сопротивлениях между ними применяется защитный разрядник 10 (или два разрядника), включаемый непосредственно между одним выходным электродом (или двумя выходными электродами генератора) и иными элементами электрической схемы генератора (на Фиг. 1 упомянутый защитный разрядник включен в разрыв цепи одного из выходных электродов предлагаемого устройства; допустимы и другие варианты включения, в частности, возможно включение двух защитных разрядников в разрывы цепей обоих выходных электродов предлагаемого устройства). Защитный разрядник 10 имеет напряжение зажигания больше, чем значение максимального зарядного напряжения конденсаторов ступеней генератора Маркса (т.е. больше напряжения зажигания запускающего разрядника первой ступени генератора). При своем формировании выходной импульс генератора Маркса пробивает защитный разрядник, и токовый конденсатор разряжается по ионизированным каналам разрядников в низкоомную нагрузку. Упомянутый защитный разрядник может быть выполнен в виде газового разрядника.

Токовый конденсатор 7 может заряжаться как непосредственно от источника напряжения питания генератора Маркса до потенциала зарядки конденсаторов каскадов генератора Маркса, так и от отдельного источника питания постоянного тока с потенциалом зарядки токового конденсатора 7, большим, чем потенциал зарядки конденсаторов каскадов генератора Маркса от собственного источника напряжения питания генератора Маркса. В этом случае защитный разрядник 10 (или два разрядника) должны иметь напряжение зажигания больше, чем значение максимального зарядного напряжения токового конденсатора 7 от отдельного источника питания постоянного тока.

В качестве высоковольтной диодной сборки 6 необходимо применять последовательную цепь из высоковольтных диодов или однокорпусные высоковольтные диодные сборки с возможно большими значениями допускаемого прямого импульсного тока, обратного напряжения и минимальным обратным током. При больших значениях токов и для получения мощных токовых импульсов целесообразно применение малоиндуктивных диодных блоков, например, типа СДЛ производства АО «Русская Технологическая Группа».

Предлагаемый генератор может применяться при необходимости электрического пробоя больших газовых, воздушных, жидкостных промежутков с последующим созданием высокоэнергетического плазменно-дугового разряда значительной длительности, например, в электрогидравлических установках, электротермических артиллерийских орудиях, для возбуждения ударных волн в конденсированных средах; генерации интенсивных вспышек светового излучения при разрядах в газах, генерации и ускорения импульсных электронных и ионных пучков высокой мощности, создания импульсных газовых лазеров и т.п. Большая амплитуда напряжения, развиваемая генератором Маркса в «предпробойной» стадии, позволяет увеличить длину искрового промежутка и, соответственно, омическое сопротивление канала разряда. Это дает большую эффективность вложения энергии в разрядный канал в разнообразных применениях генератора.

Пример реализации

Фиг. 2. Электрошоковые устройства впервые в мире имеют выходные (концевые) каскады вырабатывания поражающих высоковольтных импульсов, выполненные по схеме Фиг. 1, с применением 6-ступенчатого миниатюрного генератора Маркса. Рабочая частота ЭШУ составляет от 20 до 60 Гц, в зависимости от установленной мощности инвертера зарядки конденсаторов генератора. Выходное напряжение на рабочих электродах составляет 70…90 кВ, амплитуда импульсов на нагрузке в 1 кОм составляет 4,7 кВ при полной длительности импульса 300 мкс. Расстояние между защитными (срезающими) электродами составляет 26 мм. Приведенные для предлагаемого генератора высокие показатели амплитуды и длительности импульса не имеет ни одно электрошоковое устройство, выпускаемое в как в России, так и за рубежом.

Фиг. 3. Осциллограмма выходного импульса генератора импульсов высокого напряжения ЭШУ. По оси ординат напряжение на нагрузке в 1 кОм, в киловольтах. По оси абсцисс время в микросекундах (одно деление равно 100 мкс).

Список литературы

1. Каскадные генераторы.

http://hea.phys.msu.ru/Boss/user-files/kaskadnye_generatory.pdf

2. Генераторы импульсного напряжения (ГИН) Маркса.

http://hea.phys.msu.ru/Boss/user-files/generatory_impulsnogo_napryazheniya.pdf

Изобретение относится к общей технике получения высоковольтных импульсов и технике получения поражающих импульсов контактных и дистанционных электрошоковых устройств. Технический результат заключается в получении сильноточных высоковольтных импульсов различной длительности при снижении массы и габаритов генераторов Маркса. Генератор импульсов высокого напряжения содержит генератор Маркса с выходными электродами, и ступенями, заряжаемыми постоянным высоким напряжением 1…100 кВ. При этом параллельно выходным электродам генератора Маркса через высоковольтную твердотельную диодную сборку, содержащую, по меньшей мере, один высоковольтный диод, подключенную к выходным электродам генератора Маркса обратнополярно к полярности выходных импульсов генератора Маркса, подключен токовый конденсатор, заряжаемый входным напряжением зарядки ступеней генератора Маркса или от автономного источника постоянного напряжения. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генератор импульсов высокого напряжения, содержащий генератор Маркса с выходными электродами и ступенями, заряжаемыми постоянным высоким напряжением 1…100 кВ, отличающийся тем, что параллельно выходным электродам генератора Маркса через высоковольтную твердотельную диодную сборку, содержащую, по меньшей мере, один высоковольтный диод, подключенную к упомянутым выходным электродам генератора Маркса обратнополярно к полярности выходных импульсов генератора Маркса, подключен токовый конденсатор, заряжаемый входным напряжением зарядки ступеней генератора Маркса или от автономного источника постоянного напряжения.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что в электрическую цепь между, по меньшей мере, одним выходным электродом генератора и иными элементами электрической схемы генератора включен защитный разрядник, выполненный преимущественно в виде газового разрядника, с напряжением зажигания, бóльшим, чем максимальное зарядное напряжение конденсаторов ступеней генератора или упомянутого токового конденсатора.

3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что высоковольтная диодная сборка допускает большие прямые импульсные токи при высоком значении допустимого обратного напряжения.

4. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что упомянутый токовый конденсатор заряжается от упомянутого автономного источника постоянного тока с выходным напряжением, отличающимся от напряжения питания ступеней генератора Маркса.