ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ ИЛИ ЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 2022 года по МПК G05F1/56 H02M3/335 

Изобретение относится к электротехнике, к медицинской и преобразовательной технике и может быть использовано для питания устройств, использующих энергию предварительно заряженных конденсаторов или конденсаторов и индуктивностей совместно, например, в источниках питания, работающих на разрядные камеры для выработки оксида азота, излучатели газовых лазеров, плазмохимические реакторы, озонаторы и другие нелинейные нагрузки, включающие как газоразрядный промежуток, так и электролит, терморезисторы или линейную нагрузку.

Известен источник питания (патент RU №2231192 приоритет от 14.08.2000, «Устройство для заряда емкостного накопителя», авторов Буранова С.Н., Горохова В.В. и др., опубл. 20.06.2004, Бюл. №17), содержащий последовательный резонансный преобразователь напряжения (инвертор), подключенный к емкостному накопителю, и систему управления, включающую релейный модулятор, выполненный по схеме сдвигового регистра, устройство запуска, выходом подключенное к управляющему входу модулятора и источник опорного напряжения, выходом подключенный к первому входу сравнения модулятора, второй вход сравнения которого соединен с емкостным накопителем, управляющий выход модулятора подключен к входу преобразователя, а командный выход модулятора соединен с управляющим входом устройства запуска, управляющий выход модулятора дополнительно соединен с входом сброса устройства запуска. Источник опорного напряжения выполнен по схеме, формирующей сигнал на выходе цифроаналогового преобразователя (ЦАП), амплитуда которого определяется кодом числа на его входе. Данное устройство обеспечивает стабильность регулирования зарядного напряжения.

Недостатками известного устройства являются:

1. Ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия возможности передавать энергию в нагрузку для возбуждения разряда в разрядной камере ввиду отсутствия повышающего трансформатора в цепи емкостного накопителя, обеспечивающего высоковольтные импульсы на газоразрядный промежуток.

2. Отсутствие защиты от помех при регулировании напряжения на емкостном накопителе с помощью аналогового напряжения, выработанного кодом ЦАП.

3. Алгоритмическая, схемотехническая и конструктивная сложность, импортная элементная база из-за использования многокаскадного последовательного резонансного преобразователя напряжения, не допускающего непосредственное питание от выпрямителя сети (~220 В), а использующего другой низковольтный источник питания, контроллер, промежуточные преобразователи для питания вспомогательных схем. Сложна также схема ЦАП и релейного модулятора. Например, последовательный резонансный преобразователь (инвертор) (Гейтенко Е.Н. «Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет», стр. 302-310, М., СОЛОН-Пресс, 2008 г.) содержит контроллер GP605 (стр. 305 рис, 12.6) для управления стабилизированными преобразователями резонансного типа и мостовой инвертор резонансного типа (стр. 308 рис. 12.10) с переключением при нулевом напряжении, токе. При этом зарубежный контроллер выполнен (рис. 12.6) на двух компараторах напряжения, логических элементах, логике защиты и «мягкого» старта, генераторе управляемого напряжения, источнике опорного напряжения, ждущем мультивибраторе, счетном триггере, выходных драйверах для управления мощными полевыми транзисторами инвертора (рис. 12.10). Мостовой инвертор резонансного типа выполнен на четырех мощных МДП-транзисторах, двух диодах, дросселе, сглаживающем конденсаторе, трансформаторе (стр. 308 рис. 12.10). Питание мостового инвертора должно производиться от низковольтного дополнительного источника напряжения постоянного тока (подключенного к высоковольтному источнику 315 В выпрямленного напряжения сети (~220 В)), т.к. недопустимо непосредственное подключение ключей последовательного резонансного инвертора к выпрямителю сети переменного напряжения (~220 В). На странице 304 указано, что свободные колебания в силовом каскаде резонансного инвертора возможны при использовании двухполупериодного режима работы четырех МДП-транзисторных ключей последовательного резонансного инвертора.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является источник питания нелинейной нагрузки (патент RU №2199814 приоритет от 30.10.2000 «Источник питания нелинейной нагрузки» авторов Буранова С.Н., Горохова В.В. и др., опубл. 20.09.2002, Бюл. №26), содержащий последовательно соединенные задающий генератор и формирователь импульсов, управляющий силовыми ключами последовательного резонансного инвертора напряжения или тока, в диагональ переменного тока которого включены емкостной накопитель, первичная обмотка повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке. Задающий генератор выполнен по цифровой схеме, обеспечивающей формирование периодических серий импульсов, причем частота следования импульсов в серии постоянна, а число импульсов в каждой серии определяется кодом числа на входе задающего генератора.

Достоинства устройства: за счет управления частотой обеспечена помехозащита при регулировании мощности в нагрузке.

Недостатками данного источника питания нелинейной нагрузки являются: ограниченные функциональные возможности, так как формируются только периодические серии импульсов и только на одном виде нагрузки, а также алгоритмическая, схемотехническая и конструктивная сложность, импортная элементная база из-за использования многокаскадного последовательного резонансного преобразователя напряжения, не допускающего непосредственное питание от выпрямителя сети (~220 В), а использующего другой низковольтный источник питания, контроллер, промежуточные преобразователи для питания вспомогательных схем. Также недостатком является сложная реализация схемы кодоуправляемого задающего генератора. Например, последовательный резонансный преобразователь (инвертор) (Гейтенко Е.Н. «Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет», стр. 302-310, М, СОЛОН-Пресс. 2008 г.) содержит контроллер GP605 (стр. 305 рис. 12.6) для управления стабилизированными преобразователями резонансного типа и мостовой инвертор резонансного типа (стр. 308 рис. 12.10) с переключением при нулевом напряжении, токе. При этом зарубежный контроллер выполнен (рис. 12.6) на двух компараторах напряжения, логических элементах, логике защиты и «мягкого» старта, генераторе управляемого напряжения, источнике опорного напряжения, ждущем мультивибраторе, счетном триггере, выходных драйверах для управления мощными полевыми транзисторами инвертора (рис, 12.10). Мостовой инвертор резонансного типа выполнен на четырех мощных МДП-транзисторах, двух диодах, дросселе, сглаживающем конденсаторе, трансформаторе (стр. 308 рис. 12.10). Питание мостового инвертора должно производиться от низковольтного дополнительного источника напряжения постоянного тока (подключенного к высоковольтному источнику 315 В выпрямленного напряжения сети (~220 В)), т.к. недопустимо непосредственное подключение ключей последовательного резонансного инвертора к выпрямителю сети переменного напряжения (~220 В). На странице 304 указано, что свободные колебания в силовом каскаде резонансного инвертора возможны при использовании двухполупериодного режима работы четырех МДП-транзисторных ключей последовательного резонансного инвертора. Кроме того, нужны дополнительные устройства запуска и срыва колебаний в последовательном резонансном инверторе, работающем в критических пусковом и стоповом режимах непрерывно.

О сложности выполнения источника питания для нелинейной нагрузки свидетельствует близкое к аналогу устройство (RU 96103319А, Способ стабилизации выходного напряжения транзисторного преобразователя постоянного напряжения и устройство для его осуществления» Н02М, 3/335 (1995.01), Н02М 3/337 (1995.01), авторов Буранова С.Н. и др., опубл. 27.11.1997 г.), в котором присутствуют все составные части прототипа за исключением высоковольтного трансформатора и нелинейной нагрузки. В нем реализован тот же критический режим возбуждения и срыва колебаний в силовом контуре преобразователя, имеющем сложный усилитель мощности, задающий генератор, высокочастотный выпрямитель, емкостной фильтр, подсоединенный к нагрузке, сложный управляемый последовательный резонансный инвертор с силовым трансформатором, тактовый генератор, низковольтный источник первичного питания постоянного тока, блок запуска и срыва колебаний с цепями синхронизации и многочисленные связи.

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является создание простого, технологичного источника питания линейной или нелинейной нагрузки без применения импортной элементной базы.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является схемотехническое упрощение, повышение технологичности и расширение функциональных возможностей.

Для достижения технического результата в источнике питания нелинейной или линейной нагрузки, содержащем последовательно соединенные задающий генератор частоты и формирователь импульсов, последовательно соединенные конденсатор и первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, новым является то, что дополнительно введены первый и второй МДП-транзисторные ключи с общим истоком, первый и второй резисторы, диод, стабилитрон, МДП-транзистор, источник постоянного или выпрямленного напряжения (сеть ~220 В, 50 Гц или ~110 В, 400 Гц без или с удвоителем напряжения), при этом выход формирователя импульсов соединен с затворами первого и второго МДП-транзисторных ключей, истоки которых подключены к общей шине, сток первого МДП-транзисторного ключа подключен к затвору МДП-транзистора и через первый резистор с выходом источника постоянного или выпрямленного напряжения и стоком МДП-транзистора, затвор которого соединен с катодами диода и стабилитрона, анод которого соединен с общей шиной, исток МДП-транзистора соединен с анодом диода и через второй резистор со стоком второго МДП-транзисторного ключа и со вторым выводом конденсатора.

Стабилитрон может быть выполнен на одном или более последовательно соединенных стабилитронах.

Нагрузка может быть выполнена в виде газоразрядного промежутка, подключенного к вторичной обмотке высоковольтного трансформатора непосредственно.

Нагрузка может быть выполнена в виде параллельной RC-цепи или R-цепи, подключенной к вторичной обмотке трансформатора через последовательный или параллельный нагрузке диод.

Для обеспечения максимальной мощности в нагрузке за счет высокой крутизны фронтов импульсов формирователь импульсов может быть выполнен на последовательно соединенных логическом триггере Шмитта, вход которого является входом формирователя импульсов, а выход которого подключен к точке объединения первых выводов первого и второго резисторов, второй вывод первого резистора подключен к базе рnр-транзистора, эмиттер которого подключен к шине питания, второй вывод второго резистора подключен к базе npn-транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине, объединенные коллекторы pnp- и npn-транзисторов объединены и являются выходом формирователя импульсов.

Источник постоянного или выпрямленного напряжения сети (сеть ~220 В) может быть выполнен на мостовом диодном выпрямителе с фильтрующим конденсатором, два плеча моста подключены к сети переменного напряжения (~220 В), третье плечо подключено к стоку МДП-транзистора, а четвертое плечо - к общей шине. Источник постоянного или выпрямленного напряжения сети (~220 В) может быть выполнен с удвоителем напряжения (сети ~100 В, 400 Гц или ~200 В, 50 Гц или на стандартном аккумуляторе).

Для управления напряжением или средней мощностью на нагрузке задающий генератор может быть выполнен в виде генератора периодических импульсов с постоянной длительностью положительного импульса и изменяемой паузой между импульсами.

Функционально МДП-транзистор с задающим ток стабилитрона первым резистором совмещает роль стабилизированного повторителя напряжения с низким выходным сопротивлением второго резистора, встроенного или внешнего, для обеспечения большого тока и быстрого заряда конденсатора емкостного накопителя в начале времени восстановления заряда, а в последующем после достижения напряжения на затворе МДП-транзистора напряжения зенеровского пробоя (высоковольтного) стабилитрона, выполняет роль последовательного стабилизатора напряжения на конденсаторе, за счет чего напряжение на нем стабилизировано и не зависит от колебаний напряжения на выходе источника постоянного или выпрямленного напряжения сети (сеть ~220 В). Указанный (в начале времени восстановления) повторитель напряжения он же (в последующее время) последовательный стабилизатор напряжения попеременно работает в режиме «включена зарядка конденсатора» при подаче периодических пауз с формирователя импульсов или «отключена зарядка конденсатора», включен быстрый разряд на последовательный колебательный контур накопителя («конденсатор-первичная обмотка трансформатора») при подаче периодических положительных импульсов с выхода формирователя импульсов на отпираемые ими первый МДП-транзисторный ключ с общим истоком и диод и одновременно отпираемый тем же импульсом формирователя второй МДП-транзисторный ключ с общим истоком для формирования одиночного или нескольких периодов в серии импульсов.

Термин «последовательный стабилизатор» и схема его, выполненная на биполярном транзисторе со стабилитроном в базе и резистором в эмиттере, приведена в У. Титце, К. Шенк «Полупроводниковая схемотехника», М., Мир, 1982 г., стр. 256-257, рис. 16.5-16.6. Отличие в том, что в нем эмиттер подключен через резистор к общей шине, а не непосредственно к конденсатору, как в заявляемом устройстве.

Перечисленные транзисторные функциональные устройства могут быть выполнены на биполярных транзисторах. Однако это ведет к ухудшению технических характеристик - отмечена перегрузка биполярных транзисторов токов и напряжением, что требует больших затрат на защитные меры и дополнительные устройства защиты.

Схемотехническое, конструктивное, технологическое упрощение и импортозамещение достигается введением простого истокового повторителя напряжения (он же с временным сдвигом стабилизатор напряжения с управляющим затвором), работающего в режиме «включено» при одновременной подаче паузы на затворы первого и второго МДП-транзисторных ключей с общими истоками в двух режимах: режиме повторителя напряжения с низким выходным сопротивлением встроенного или внешнего второго резистора и большим током заряда конденсатора емкостного накопителя до момента достижения напряжения зенеровского пробоя высоковольтного стабилитрона и последующем режиме стабилизации напряжения тем же повторителем напряжения на конденсаторе емкостного накопителя уровнем, независимым от колебания постоянного или выпрямленного напряжения сети (сети ~220 В). При одновременной подаче положительного импульса постоянной длительности с задающего генератора на затворы первого и второго МДП-транзисторных ключей с общим истоком и первый МДП-транзисторный ключ и диод, стабилизатор напряжения выключается открывшимся первым МДП-транзисторным ключом, а одновременно открывшийся до насыщения второй МДП-транзисторный ключ и открывшийся первый МДП-транзисторный ключ и диод одновременно включает на разряд последовательный резонансный контур, состоящий из открытого и насыщенного второго МДП-транзисторного ключа и открытого первым МДП-транзисторным ключом диода, конденсатора, первичной обмотки трансформатора и общей шины, обеспечивая стабильные по частоте периодические колебания двуполярного или однополярного высоковольтного напряжения в нагрузках разных исполнений. При этом количество колебаний:

- максимально (несколько периодов колебаний) при разряде колебательного контура через насыщенный второй МДП-транзисторный ключ с общим истоком, обладающий «нулевым» выходным сопротивлением и большую мощность в нагрузке;

- минимально (одиночный импульс, 1 период) при разряде колебательного контура через насыщенный первый МДП-транзисторный ключ и диод, обладающий нелинейным и ненулевым выходным сопротивлением и меньшую мощность в нагрузке.

Расширение функциональных возможностей обеспечивается возможностью работы устройства на различную нагрузку: как на нелинейную, в частности, газоразрядный промежуток, так и на линейную нагрузку.

Длительность положительного импульса с задающего генератора должна соответствовать резонансной частоте указанного контура для обеспечения максимальной передачи энергии с емкостного накопителя в нагрузку за минимальное время импульса. Изменяя частоту импульсов при постоянной длительности импульсов, обеспечивают регулирование напряжения и средней мощности в нагрузке.

Схемотехническое, конструктивное, технологическое упрощение достигается введением первого и второго МДП-транзисторных ключей с общим истоком, управляющих по сигналу формирователя импульсов последовательно включенной цепью: «источник выпрямленного напряжения сети (~220 В) - повторитель напряжения с выходным резистором, он же последовательный параметрический стабилизатор, работающий в режиме «включено-выключено» по паузе и импульсу формирователя импульсов - конденсатор с первичной обмоткой (повышающего или понижающего) трансформатора - общая шина». Сток управляемого первого МДП-транзисторного ключа подключен к управляющему затвору повторителя напряжения, он же последовательный стабилизатор, вход которого подключен к источнику постоянного или выпрямленного напряжения сети (сети ~220 В), сток одновременно управляемого второго МДП-транзисторного ключа и первого МДП-транзисторного ключа с диодом подключен к резонансному контуру конденсатора емкостного накопителя.

Импортозамещение достигается заменой зарубежного сложного последовательного резонансного инвертора, обслуживающих его дополнительных каскадов, контроллера, нескольких источников питания, устройств запуска и срыва колебаний простым управляемым повторителем напряжения, он же с временным сдвигом последовательный стабилизатор напряжения с введенной функцией периодического включения и выключения МДП-транзисторными ключами, выполненными на отечественной элементной базе, и подключенным к источнику постоянного или выпрямленного напряжения сети (~220 В) для быстрого заряда последовательного резонансного контура на конденсаторе и первичной обмотке трансформатора до стабилизированного напряжения с последующим разрядом этого резонансного LC-контура за фиксированное время длительности импульса формирователя большим током открытого второго МДП-транзисторного ключа и меньшим током открытого первым МДП-транзисторным ключом диода Шоттки, и обеспечения двуполярного или однополярного высоковольтного протяженного или короткого колебательного выходного напряжения на вторичной обмотке трансформатора и в нагрузках разных исполнений.

Для эффективного управления энергией, передаваемой в нагрузку, крутизна фронтов у формирователя импульсов должна быть максимально высокой, поэтому он выполнен на скоростных комплементарных биполярных транзисторах, быстро перезаряжающих своими большими токами большие входные емкости МДП (или БТИЗ) - транзисторных ключей и транзистора как на фронте, так и на спаде импульсов с задающего генератора и триггера Шмитта.

На фиг. 1 представлен вариант реализации схемы заявленного источника питания с нелинейной нагрузкой. На фиг. 2 представлен вариант реализации нагрузки. На фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 представлены временные диаграммы работы источника питания.

Источник питания нелинейной или линейной нагрузки (фиг. 1) содержит задающий генератор частоты 1, формирователь 2 импульсов, конденсатор 3, трансформатор 4, нагрузку 5, первый МДП-транзисторный ключ 6, диод 7, источник 8 постоянного или выпрямленного напряжения (сеть ~220 В, 50 Гц или -110 В, 400 Гц без или с удвоителем напряжения), МДП-транзистор 9, первый резистор 10, стабилитрон 11, второй резистор 12, второй МДП-транзисторный ключ 13.

Конденсатор 3 последовательно соединен с первичной обмоткой трансформатора 4, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке 5. Задающий генератор частоты 1 последовательно соединен с формирователем 2 импульсов. Выход формирователя 2 импульсов соединен с затворами первого 6 и второго 13 МДП-транзисторных ключей, истоки которых подключены к общей шине. Сток первого МДП-транзисторного ключа 6 подключен к затвору МДП-транзистора 9 и через первый резистор 10 с выходом источника 8 постоянного или выпрямленного напряжения и стоком МДП-транзистора 9. Затвор МДП-транзистора 9 соединен с катодами диода 7 и стабилитрона 11, анод которого соединен с общей шиной. Исток МДП-транзистора 9 соединен с анодом диода 7 и через второй резистор 12 со стоком второго МДП-транзисторного ключа 13 и со вторым выводом конденсатора 3.

Стабилитрон 11 может быть выполнен на одном или более последовательно соединенных стабилитронах.

Конденсатор 3 керамический или другой, выдерживающий большие разрядные токи.

Нагрузка 5 выполнена в виде газоразрядного промежутка 14, подключенного к вторичной обмотке высоковольтного трансформатора 4 непосредственно.

Нагрузка 5 (фиг. 2) может быть выполнена в виде параллельной RC-цепи или R-цепи 15, подключенной к вторичной обмотке трансформатора 4 через последовательный или параллельный цепи 15 диод 16.

Формирователь 2 импульсов выполнен на последовательно соединенных логическом триггере Шмитта 17, вход которого является входом формирователя 2 импульсов, а выход которого подключен к точке объединения первых выводов первого 18 и второго 19 резисторов, второй вывод первого резистора 18 подключен к базе pnp-транзистора 20, эмиттер которого подключен к шине питания 21, второй вывод второго резистора 19 подключен к базе npn-транзистора 22, эмиттер которого подключен к общей шине, объединенные коллекторы pnp- и npn-транзисторов 20, 22 объединены и являются выходом формирователя 2 импульсов.

Источник 8 постоянного или выпрямленного напряжения сети (сеть ~220 В) выполнен на аккумуляторе или мостовом диодном выпрямителе 23 с фильтрующим конденсатором 24, два плеча моста 23 подключены к сети 25 переменного напряжения (~220 В), третье плечо подключено к стоку МДП-транзистора 9, а четвертое плечо - к общей шине. Источник 8 выпрямленного напряжения сети ~220 В) может быть выполнен с удвоителем напряжения (сети ~110 В, 400 Гц или ~220 В, 50 Гц и на стандартном аккумуляторе, на фиг. 1 не показан).

Задающий генератор 1 может быть выполнен в виде генератора периодических импульсов с постоянной длительностью положительного импульса и изменяемой паузой между импульсами.

Функционально МДП-транзистор 9 с задающим ток стабилитрона 11 резистором 10 совмещает роль повторителя напряжения с низким выходным сопротивлением второго резистора 12, встроенного или внешнего, для обеспечения большого тока и быстрого заряда конденсатора 3 в начале времени восстановления заряда, а в последующем после достижения напряжения на затворе МДП-транзистора 9 напряжения зенеровского пробоя (высоковольтного) стабилитрона 11, выполняет роль последовательного стабилизатора напряжения на конденсаторе 3, за счет чего напряжение на нем стабилизировано и не зависит от колебаний напряжения на выходе источника 8 выпрямленного напряжения (сеть ~220 В). Указанный (в начале времени восстановления) повторитель напряжения, он же (в последующее время) последовательный стабилизатор напряжения попеременно работает в режиме «включена зарядка конденсатора» при подаче периодических пауз с формирователя импульсов или «отключена зарядка конденсатора», включен быстрый разряд на последовательный колебательный контур («конденсатор-первичная обмотка трансформатора») при подаче периодических положительных импульсов с выхода формирователя 2 импульсов на отпираемые ими первый МДП-транзисторный ключ 6 с общим истоком и диод 7 и одновременно отпираемый тем же импульсом формирователя 2 второй МДП-транзисторный ключ 13 с общим истоком для формирования одиночного или нескольких периодов в серии импульсов соответственно.

Источник питания линейной или нелинейной нагрузки работает следующим образом.

В исходном статическом состоянии с момента t₀ до момента t₁ на выходе источника 8 выпрямленного напряжения сети (~220 В) имеется постоянное напряжение 315 В (на фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5 не показано). На выходе не включенного задающего генератора 1 и формирователя 2 импульсов логические нули (см. U1=U2 на фиг. 3), т.к. транзистор 22 формирователя 2 импульсов открыт, а транзистор 20 формирователя 2 импульсов закрыт. Логический ноль удерживает МДП-транзисторные ключи 6, 13 и МДП-транзисторный ключ 6 и диод 7 в закрытом состоянии. При этом в моменты to, t[на затворе МДП-транзистора 9 и стоке МДП-транзисторного ключа 6 стабильное напряжение U8=U6 (см. фиг. 3), равное сумме напряжений стабилитронов 11, находящихся в состоянии зенеровского пробоя. Напряжение это близко к 300 В (обеспечено выбором стабилитронов 11). Через МДП-транзистор 9 течет минимальный ток утечки транзистора 13, т.к. транзисторы МДП-транзисторных ключей 6, 13 (далее - транзистор 6 и транзистор 13) и транзистор 6 и диод 7 заперты, а конденсатор 3 полностью заряжен. На конденсаторе 3 стабилизированное напряжение U3=296 В, меньшее величины напряжения U11 на стабилитронах 11 за счет малого падения напряжения (около 4 В) на переходе «затвор-исток» транзистора 9. Это напряжение полного заряда конденсатора 3 стабильно и не зависит от колебаний напряжения сети 25 (~220 В), как у последовательного стабилизатора на МДП-транзисторе 9 и стабилитронах 11. Такое же напряжение U13=U7 на стоке транзистора 13 и аноде диода 7 в те же моменты соответственно.

В моменты t₁, t₄… (см. фиг. 3 U1, U2 - диаграмма на выходе задающего генератора 1 и формирователя 2 импульсов) выдаются первый, второй и последующие периодические положительные импульсы длительностью t₁₁, подобранной таким образом, чтобы быть равной или кратно большей, чем период колебаний последовательного колебательного контура (С3-значение емкости конденсатора 3, L4 - значение индуктивности первичной обмотки трансформатора 4) для эффективной передачи энергии, накопленной при заряде и последующем разряде конденсатора 3 через открытые транзистор 6 и диод 7 или преимущественно через транзистор 13, трансформатор 4 в нагрузку 5 (см. диаграмму U4=U5 на фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, где показаны высоковольтные колебания на вторичной обмотке трансформатора 4 и нагрузке 5 во время t₁, t₂, t₄-t₅ и т.д. (см. фиг. 3).

Для регулирования мощности в нагрузке задающий генератор 1 может работать в режиме выдачи периодических импульсов постоянной длительности t_п, но изменяемой паузы ~t_n (см. диаграмму U1=U2 на фиг. 3). Это соответствует режиму управления средней мощностью и выходным напряжением.

Для расширения функциональных возможностей количество колебаний может быть уменьшено с 3,5 периодов при насыщенном включенном втором МДП-транзисторном ключе 13 до одного периода (см. фиг. 4) разрядом L4⋅С3-контура через «нелинейный» диод 7 и транзистор 6.

В моменты t₂, t₅ и т.д. транзисторы 6, 13 (см. фиг. 1 а) и транзистор 6 и диод 7 запираются и напряжение на конденсаторе 3 восстанавливается полностью до исходного состояния. С момента t₃, можно подавать следующий разрядный импульс t₁₁ (момент t₄ на фиг. 3).

Время восстановления t₂-t₃ напряжения на конденсаторе 3 зависит от постоянной времени где С3-емкость конденсатора 3, R12 - малое сопротивление перехода «сток-исток» МДП-транзистора 9, работающего в режиме истокового повторителя с сопротивлением резистора 12.

Собственное выходное сопротивление на МДП-транзисторе 9 мало при заряде конденсатора 3, что играет существенную роль, т.к. повышает быстродействие при управлении мощностью, а также повышает КПД заявленного устройства до 70%.

В моменты t₁, t₄ (см. фиг. 3) включения второго МДП-транзисторного ключа 13 и первого МДП-транзисторного ключа 6 и диода 7 напряжение на конденсаторе 3 максимально (см. U4=U5 на фиг. 3, фиг. 4) и не зависит от длительности импульса t₁₁, а ток 19 через колебательный контур (конденсатор 3 и первичная обмотка трансформатора 4) при этом равен нулю (см. диаграмму 19 в моменты t₁, t₄ на фиг. 3). Это свидетельствует о ненагруженности МДП-транзисторного ключа 13 и МДП-транзисторного ключа 6 с диодом 7, переключающих большое напряжение при нулевом токе. Это осуществляется автоматически без специальных устройств защиты, используемых в наиболее близком аналоге с последовательным резонансным инвертором. Далее энергия из конденсатора 3 перекачивается в индуктивность первичной обмотки трансформатора 4 в виде изменяемого по синусоиде тока 19 несколько раз. С учетом потерь на переходных сопротивлениях МДП-транзисторного ключа 13 и сопротивлении первичной обмотки трансформатора 4 колебательный процесс затухает, но в моменты t₂, t₅ выключения МДП-транзисторного ключа 13 на нем опять максимальное напряжение при минимальном токе через него. Полярность формируемых импульсов зависит от вида различных нагрузок: двуполярные при работе на газоразрядный промежуток (фиг. 3 и фиг. 4) и однополярные (см. фиг. 5) при работе через диод 16 на параллельную RC-цепь или R-цепь 15 (фиг. 2).

Схемотехническое, конструктивное, технологическое упрощение и импортозамещение достигается введением простого истокового повторителя напряжения (он же с временным сдвигом стабилизатор напряжения с управляющим затвором), работающего в режиме «включено» при одновременной подаче паузы на затворы МДП-транзисторных ключей 6, 13 и на затвор МДП-транзисторного ключа 6 и диод 7 с задающего генератора 1 в двух режимах поочередно: режиме повторителя напряжения с низким выходным сопротивлением 12 и большим током заряда конденсатора 3 до момента достижения напряжения зенеровского пробоя высоковольтного стабилитрона 11 или цепи стабилитронов 11 и последующем режиме стабилизации напряжения тем же повторителем напряжения на конденсаторе 3 уровнем, независимым от колебания выпрямленного напряжения (сеть ~220 В). При одновременной подаче положительного импульса постоянной длительности с задающего генератора 1 на затворы МДП-транзисторных ключей 6, 13 и затвор МДП-транзисторного ключа 6 и диод 7 стабилизатор напряжения выключается открывшимся первым МДП-транзисторным ключом 6, а одновременно открывшийся до насыщения МДП-транзисторный ключ 13 одновременно включает на разряд последовательный резонансный контур, состоящий из открытого и насыщенного второго МДП-транзисторного ключа 13 и открытого диода 7 с МДП-транзисторным ключом 6, конденсатора 3 с первичной обмоткой трансформатора 4 и общей шины, обеспечивая стабильные колебания высоковольтного напряжения на вторичной обмотке трансформатора 4 и в нагрузках 5 различных исполнений. При условно отключенном втором МДП-транзисторном ключе 13 условным переключателем (на фиг. 1 не показано) количество колебаний сокращено до одного периода при необходимости (см. фиг. 4, фиг. 5). Полярность колебаний определяется исполнением нагрузок 5.

Выбранная длительность положительного импульса с задающего генератора 1 соответствует резонансной частоте указанного контура для обеспечения максимальной передачи энергии с накопителя в нагрузку 5 за минимальное время импульса t_и. Изменением частоты импульсов при постоянной длительности импульсов обеспечивается регулирование средней мощности или напряжения в нагрузке как выполненной в виде газоразрядного промежутка 14, так и выполненной на параллельной RC-цепи или R-цепи 15 с последовательным или параллельным диодом 16, что расширяет функциональные возможности вплоть до работы на линейную нагрузку с выпрямленным диодом напряжением.

Схемотехническое, конструктивное, технологическое упрощение достигается также введением двух МДП-транзисторных ключей 6, 13 и МДП-транзисторного ключа 6 с диодом 7, управляющих по сигналу формирователя 2 импульсов последовательно включенной цепью: «источник 8 выпрямленного напряжения сети (~220 В) - повторитель напряжения, он же последовательный параметрический стабилизатор, работающий в режиме «включено-выключено» по паузе и импульсу формирователя 2 импульсов соответственно - конденсатор 3 с первичной обмоткой повышающего трансформатора 4 - общая шина», сток первого МДП-транзисторного ключа 6 подключен к управляющему затвору повторителя напряжения 9 и 12, он же последовательный стабилизатор, вход которого подключен к источнику 8 выпрямленного напряжения сети (~220 В), сток второго МДП-транзисторного ключа 13 и анод диода 7 постоянно подключен к конденсатору 3.

Импортозамещение достигается заменой зарубежного сложного последовательного резонансного инвертора, обслуживающих его дополнительных каскадов, контроллера, нескольких источников питания, устройств запуска и срыва колебаний простым управляемым повторителем напряжения, он же с временным сдвигом последовательный стабилизатор напряжения с введенной функцией его периодического включения и выключения МДП-транзисторными ключами 6, 13 и МДП-транзисторным ключом 6 с диодом 7, выполненными на отечественной элементной базе, и его подключение к источнику 8 выпрямленного напряжения (сеть ~220 В) для быстрого заряда резонансного контура с конденсатором 3 и первичной обмоткой трансформатора 4 до стабилизированного напряжения с последующим разрядом последовательного резонансного LC-контура за фиксированное время длительности импульса t_и большим током открытого второго ключа 13 и такого же первого ключа 6 с открытым нелинейным диодом 7, и обеспечения высоковольтного колебательного выходного напряжения на вторичной обмотке трансформатора 4 и в нелинейной нагрузке 5 (см. фиг. 1) или в линейной нагрузке 5 (см. фиг. 2). В зависимости от выбранного режима количество колебаний может быть сокращено, что свидетельствует о расширении функциональных возможностей. О расширении функциональных возможностей свидетельствует работа с различными нагрузками, формирующими необходимые формы выходных сигналов.

Эффективное управление энергией, передаваемой в нагрузку 5, достигается высокой крутизной фронтов формирователя 2 импульсов, выполненного на скоростных комплементарных биполярных транзисторах 20, 22, быстро перезаряжающих своими большими токами большие входные емкости МДП-транзисторных ключей 6, 13 как на фронте, так и на спаде импульсов с задающего генератора 1 и триггера Шмитта 2.

Был собран макет заявленного устройства, исследование характеристик которого при воздействии теплового нагружения подтвердили возможность его осуществления и достижения вышеописанных характеристик. Элементная база заявленного устройства содержит типовые отечественные электрорадиоэлементы: диоды типа 2Ц405, МДП-транзисторы типа 2П7160, 2П7190 комплементарные биполярные транзисторы типа 2Т313, 2Т315 (2Т312), триггер Шмитта 564ТЛ1, высоковольтные стабилитроны типа 2С950 или несколько последовательно включенных низковольтных стабилитронов 2С198Е, трансформатор строчный тина ТВС (доработанный) или на дросселях ДФК при низковольтном исполнении, резисторы С5-35 В или последовательно соединенные резисторы С2-29в, конденсаторы К73-17, трансформатор для источника выпрямленного напряжения сети ~220 В×220 В - стандартный.

Изобретение относится к электротехнике, к медицинской и преобразовательной технике и может быть использовано для питания устройств, использующих энергию предварительно заряженных конденсаторов или конденсаторов и индуктивностей совместно, например, в источниках питания, работающих на разрядные камеры для выработки оксида азота, излучатели газовых лазеров, плазмохимические реакторы, озонаторы и другие нелинейные нагрузки, включающие как газоразрядный промежуток, так и электролит, терморезисторы или линейную нагрузку. Техническим результатом является схемотехническое упрощение, повышение технологичности и расширение функциональных возможностей. Источник питания нелинейной или линейной нагрузки содержит задающий генератор частоты, формирователь импульсов, конденсатор, трансформатор, нагрузку, первый МДП-транзисторный ключ, диод, источник постоянного или выпрямленного напряжения, МДП-транзистор, первый резистор, стабилитрон, второй резистор, второй МДП-транзисторный ключ. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Источник питания нелинейной или линейной нагрузки, содержащий последовательно соединенные задающий генератор частоты и формирователь импульсов, последовательно соединенные конденсатор и первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, отличающийся тем, что дополнительно введены первый и второй МДП-транзисторные ключи с общим истоком, первый и второй резисторы, диод, стабилитрон, МДП-транзистор, источник постоянного или выпрямленного напряжения, при этом выход формирователя импульсов соединен с затворами первого и второго МДП-транзисторных ключей, истоки которых подключены к общей шине, сток первого МДП-транзисторного ключа подключен к затвору МДП-транзистора и через первый резистор с выходом источника постоянного или выпрямленного напряжения и стоком МДП-транзистора, затвор которого соединен с катодами диода и стабилитрона, анод которого соединен с общей шиной, исток МДП-транзистора соединен с анодом диода и через второй резистор со стоком второго МДП-транзисторного ключа и со вторым выводом конденсатора.

2. Источник питания нелинейной нагрузки или линейной нагрузки по п. 1, отличающийся тем, что нагрузка выполнена в виде газоразрядного промежутка, подключенного к вторичной обмотке высоковольтного трансформатора непосредственно.

3. Источник питания линейной нагрузки или линейной нагрузки по п. 1, отличающийся тем, что нагрузка выполнена в виде параллельной RC-цепи или R-цепи, подключенной к вторичной обмотке трансформатора через последовательный или параллельный диод.

4. Источник питания нелинейной или линейной нагрузки по п. 1, отличающийся тем, что формирователь импульсов выполнен на последовательно соединенных логическом триггере Шмитта, вход которого является входом формирователя импульсов, а выход которого подключен к точке объединения первых выводов первого и второго резисторов, второй вывод первого резистора подключен к базе pnp-транзистора, эмиттер которого подключен к шине питания, второй вывод второго резистора подключен к базе npn-транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине, объединенные коллекторы рnр- и npn-транзисторов объединены и являются выходом формирователя импульсов.

5. Источник питания нелинейной или линейной нагрузки по п. 1, отличающийся тем, что источник выпрямленного напряжения сети выполнен на мостовом диодном выпрямителе с фильтрующим конденсатором, два плеча моста подключены к сети переменного напряжения, третье плечо подключено к стоку МДП-транзистора, а четвертое плечо - к общей шине.

6. Источник питания нелинейной или линейной нагрузки по п. 1, отличающийся тем, что задающий генератор выполнен в виде генератора периодических импульсов с постоянной длительностью положительного импульса и управляемой длительностью паузы между импульсами.