Формирователь управляющих импульсов Советский патент 1983 года по МПК H03K5/13 

K.jhJii.q i-t третьим вход1;м первого .Шьимн1 cl совплдеимя .

3. Формировг по п. 1 , о т л и ч а ю щ :-1 и с н тем, что блок принудительного размыкания содерж-ит последовательно соединенные интегратор, блок регулируемой задержки, третий триггер, второй элемент совпадения и

усилитель-формирователь, а также блок фиксированной задержки, подключенный между вторым входом блока принудительного р 5змыкания и вторым входом третьего триггера, причем второй и трет.й входы второго элемента совпадений являются третьим и четвертым входами блока принудительного размы кания.

Изобретение относится к устройствам ядерной геофизики и предназначено, в частности, для генерирования управляющего напряжения для питания скважинных ускорителей, например нейтронных трубок в скважинных генераторах нейтронов (СГН /. ИзЬестен формирователь, содержащий регулируемый преобразователь низкого постоянного напряжения в высокое на основе силового трансформатора, широтно-импульсный модулятор, и цепь обратной связи по току, обеспечивающую постоянный ток заряда конденсатора 1 Однако в известном устройстве работа преобразователя с большим динамическим диапазоном изменения i коэффициента заполнения широтноимпульсного модулятора создает нерегулярный характер перемагничивания сердечника силового трансформатора, что может приводить к глубокому кратковременному одностороннему насьицению сердечника трансформатора и выходу силовых транзисторов из строя. Так как вторичная обмотка трансформатора содержит большое числ витков, то габариты скважинного прибора неоправданно увеличены. Наиболее близким по технической сущности и по выполняемой функции является формирователь, который соде жит источник постоянного напряжения подключенный через ограничительный элемент к накопительному конденсатору, который подключен через низковол ный коммутатор к первичной обмотке повышающего трансформатора, вторична обмотка которого подсоединена через диод к злрядному конденсатору и высо ковольтном) коммутатору, управляющий вход которого соединен с шиной поджига. В описанном формирователе для запуска нейтронной трубки.использована схема управляющего (изменяющегося по заданному закону / напряжения с целью управления потоком нейтронов из мишени нейтронной трубки. Схема питания включает в себя высоковольтный коммутатор, зарядный конденсатор, трансформатор и схему регулирования зарядного напряжения, которая, в свою очередь, состоит из источника постоянного напряжения, подключенного через ограничительный элемент ( резистор или дроссель ) к накопительному конденсатору низковольтного коммутирующего элемента и трансформатора. Такая схема питания, управляющая поджигом нейтронной трубки, позволяет регулиро вать мощность потока нейтронного генератора в зависимости от временного расстояния между маркерным импульсом (подаваемым на низковольтный коммутатор ) и импульсом поджига (на высоковольтный коммутатор . Эта схема наиболее проста и надежна f2l . К недостаткам формирователя следует отнести низкий КПД, Это обусловлено тем, что вся энергия, необходимая для заряда накопительного конденсатора до необходимого уров:ня, сосредоточена в одном мощном импульсе. Вследствие этого имеют место значительные потери в коммутаторе, коммутирующем большие уровни тока в первичной обмотке трансформатора, а также потери в меди трансформатора. Цель изобретения - повышение коэффициента полезного действия. Поставленная цель достигается тем, что в формирователь управляющих импульсов ,содержащий источник постоян310ного напряжения, подключенный через ограничительный элемент к накопительному конденсатору, который подключен через низковольтный коммутатор к первичной обмотке повышающего трансформа тора, вторичная обмотка которого подсоединена через диод к зарядному конденсатору и высоковольтному коммутатору, управляющий вход которого сое динен с шиной поджига, введены допог)нительная обмотка повышающего трансформатора, формирователь задержанных импульсов, две цепи обратной связи, делитель частоты с элементом задержки на выходе и тактовый генератор, выход которого соединен с входом делителя частоты, при этом одна из цепей обратной связи содержит блок принудительного размыкания, первый вход которого соединен с дополнитель ной обмоткой повышающего трансформатора , а второй вход - с выходом тактового генератора, выход соединен с первым управляющим входом низковольтного коммутатора, другая цепь обратной связи включена между дополнительной обмоткой повышающего транс форматора и вторым входом низковольт ного коммутатора и содержит последов тельно соединенные элемент сравнения второй вход которого соединен через генератор опорного напряжения с шиной управления, первый тр иггер и эле мент совпадения, второй вход которого подключен к выходу тактового генерато ра, а второй вход первого триггера подключен к выходу элемента задержки, а выход первого триггера соединен с третьим входом блока принудительного размыкания, причем вход формирователя задержанного импульса подключен к выходу элeмeнta задержки, а выход подключен к шине поджига. Для достижения поставленной цели в формирователь управляющих импульсов введено устройство блокировки, содержащее второй триггер, формирователь регулируемой задержки, вход которого соединен с выходом элемента задержки, а выход соединен с первым входом второго триггера, второй вход которого подключен к выходу формирователя регулируемой задер жки, а выход второго триггера соединен с четвертым входом блока принудительного размыкания и третьим входом первого элемента совпадения. Блок принудительного размыкания содержит последовательно соединенные . 4 интегратор, блок регулируемой задержки, третий триггер, второй элемент совпадений и усилитель-формирователь, а также блок фиксированной задержки, подключенный между вторым входом блока принудительного размыкания и вторым входом третьего триггера, причем второй и третий входы второго элемента совпадений являются третьим и четвертым входами блока принудительного размыкания. На фиг. t приведена схема формирователя управляющего напряжения для питания скважинного генератора нейтронов, на фиг. 2 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу схемы. Источник модного управляющего напряжения (изменяющегося по заданному закону) выполнен на основе известного схемного решения и включает в себя источник 1 постоянного напряжения, oi- раничительный элемент 2, накопительный конденсатор 3, демпфирующий дио/ k, низковольтный коммутатор 5, повышающий трансформатор 6, первичная обмотка которого подключена в цепь конденсатора 3, а вторичная - в цепь заряда ч.ерез диод 7, высоковольтный коммутатор 8, соединенный через зарядный конденсатор 9 с первичной обмоткой импульсного трансформатора излучателя нейтронов на фиг. 1 выделен штриховой линией ) или другой импульсной нагрузкой. Собстббнно излучатель состоит из высоковольтного импульсного транс- форматора 10, дросселя 11, конденсатора 12, ускорительной нейтронной трубки 13 и резистора 14, служащего для создания падения напряжения, используемого для подавления вторичных электронов из мишени и защитного дросселя 15, через который заряжается конденсатор 12 и который вместе с дросселем 11 образует импульсный делитель напряжения для поджига нейтронной трубки 13. Источник мощного управляющего напряжения охвачен двумя цепями обратной связи, управляемыми тактовым генератором 16 с делителем 1 и элементом 18 задержки. В первую цепь обратной связи включен блок принудительного размыкания, состоящий из интегратора 19 (на который подается сигнал с дополнительной обмотки трансформатора 6 ), последовательно соединенного с блоком 20 регулируемой задержки, который, в свою очередь. 51 управляет работой триггера 21. Триггер 21 соединен также с блоком 22 фиксированной задержки. С выхода триггера 21 сигнал через элемент 23 совпадений и усилитель-формирователь 2k поступает на низковольтный коммутатор 5. Вторая цепь обратной связи включе на между дополнительной обмоткой повышающего трансформатора и вторым входом низковольтного коммутатора и содержит генератор 25 опорного напря жения, элемент 26 сравнения, осущест вляющий сравнение по амплитуде импульсов, поступающих с дополнительно обмотки трансформатора 6 с опорным напряжением генератора 25, а также триггер 27 (первый триггер ), управля ющий работой элементов 23 и 28 совпа дения. Кроме того, введены формирователь 29регулируемой задержки и триггер 30( второй триггер ), формирующий сигнал запрета прохождения импульсов черей элементы 23 и 28 на коммутатор 5, усилитель-формирователь 2k на время переходного процесса перезаряда конденсатора 9 после срабатывания коммутатора 8 по импульсу, формируемому формирователем 31 задержанных импульсов с задержкой, определяемой элементом 18. Частота следования мар керных импульсов на коммутатор 8 задается делителем 17 и тактовым генератором 16. Интегратор 19, блок 20, триггер 21, блок 22, элемент 23 совпадения, усилитель функционально объединены и составляют блок 32 принудительного размыкания. Формирователь 29 и второй триггер 30 образуют устройство блокировки 33. Формирователь работает следующим образом. Источник 1 постоянного напряжения через ограничительный элемент 2 заря жает накопительный конденсатор 3При замь1кании низковольтного коммута тора 5 конденсатор 3 начинает разряжаться через первичную обмотку транс форматора 6. Отправным моментом, характерным для ограничительной части схемы, является регулирование выходного напря жения в зависимости от интервала вре мени между импульсами, поступающими на высоковольтный и низковольтный коммутаторы. Введение тактового генератора 16 импульсов обеспечивает дискретность Ц6 управления выходным напряжением данного источника, которое в первом приближении пропорционально числу импульсов тактового генератора 16. Выбором тактовой частоты существенно большей частоты запуска и соответствующим подбором величины емкости накопительного конденсатора 3 с учетом величины паразитных параметров электрической цепи осуцествляется дискретизация процесса заряда конденсатора 9i а также уменьшение единичной порции заряда, за счет чего достигается существенное уменьшение потерь в кабеле. Введение дополнительной обмотки трансформатора 6 позволяет вести контроль напряжения вторичной обмотки трансформатора 6 и сравнение его с за.данным параметром регулирования, для чего в устройство введены генератор 25 опорного напряжения и 26 сравнения. Таким обаазом, осуществлен переход к автоматически управляемому коммутатору. Импульс замыкания коммутатора 5 формируется тактовым генератором 16, а временные интервалы поступления формируются первым элементом 28; триггером 27 и формирователем 29. Напряжение на вторичной обмотке трансформатора 6 в начальный период времени изменяется по чосинусоидальному закону. Форма напряжения для случая достижения предельного выходного значения проиллюстрирована на фиг. 2, В этом случае заряда конденсатора 9 не происходит, диод 7 не мешает холостому процессу. Колебательный характер процесса обусловлен ин ;уктивностью рассеяния и паразитной емкостью, которые имеются в реальном трансформаторе. Из-за наличия потерь колебения.будут затухающими. Если бы не было потерь в сердечнике трансформатора 6, то форма тока в первичной цепи имела бы вид, показанный пунктирной линией, и в момент, когда напряжение достигло &ы своего максимального значения, ток обратился бы в нуль. Наличие потерь приводит к запаздыванию тока, что приводит к значительным потерям энергии в коммутаторе 5 а кроме того, максимальное напряжение не накопительном конденсаторе 9 не достигает в конце цикла заряда удвоенного напряжения. Другое состояние схемы - когда зарядный конденсатор 9 полностью 7. 1 разряжен и через диод 7 протекает ток заряда. Форма напряжения на выходе трансформатора 6 близка к показанной на фиг. 2 с той лишь разницей, что интервал времени t - trt определяется суммой емкости зарядного конденсатора 9 и паразитной емкости трансформатора, и той же индуктивностью рассеяния. Чтобы устранить потери энергии из-за дополнительного открывания ключа при наличии потерь в трансфор маторе ,. необходимо в момент времени характеризующийся изменением знака производной напряжения на противопо ложный, принудительно запереть комм татор 5. Для этой цели служит цепь обратной связи, состоящая из интегратора 19, блока 20 регулируемой за держки, триггера 21, элемента 23 дополнительной обмотки трансформато ра 6 и усилителя-формирователя 2k. Напряжение на концах дополнительной обмотки повторяет выходное напряжение (по форме ). С помощью интеграто ра 19,блока 20, триггера 21 максимум этого импульса напряжения сдвиг ется таким образом, что на выходе цепи находится импульс, сдвинутый относительно импульса напряжения. Величина этого сдвига и длительност импульса меняется в зависимости от амплитуды приходящего импульса так, чтобы длительность импульса и задержка уменьшались. После размыкания цепи коммутатора 5 энергия, накопленная в транс-. форматоре 6, быстро рассасывается через демпфирующий диод , и трансформатор готов к приходу следующего импульса. На фиг. 2 показан момент, когда заряд накопительного конденсатора 3 приближается к завершению, а напряжение колебаний достигает величи|ны удвоенного напряжения вторичной , обмотки трансформатора 6. При разряженной емкости размах свободных коле баний, естественно, меньше, и по мере заряда возрастает с каждым следующим импульсом. Для стабилизации уровня напряжени на накопительном конденсаторе 3 служит вторая цепь обратной связи. Си(- нал второй цепи обратной связи снима ется с той .же дополнительной обмотки трансформатора 6. Амплитуда свободны колебаний соответствует уровню заряда накопительного конденсатора. Эта i . 8 амплитуда сравнивается в элементе 26 с опорным напряжением генератора 25 и при выравнивании этих напряжений элемент 2б формирует сигнал, подаваемый на триггер 27 запрещающий приход следующего импульса отпирания коммутатора 5 и усилителя 2k через элементы 28 и 23. Таким образом, процесс заряда прекращается и устройство начинает вновь работать только после полного или частичного разряда накопительного конденсатора 3 на нагрузку. Тот факт, что устройство не потребляет энергии на холостом ходу (когда конденсатор заряжен}, дополнительно увеличивает КПД устройства. В течение времени, необходимого для перезаряда конденсатора 9 им-, пульсы от тактового генератора 16 не должны поступать на коммутатор 5 и усилитель-формирователь 2. Для этого предназначено устройство 23 блокировки, состоящее из триггера 30, управляемого формирователем 29. Цепь, состоящая из элемента 18 и формирователя 31 задержанных импульсов управления коммутатором 8 необходима для нормальной работы демпфирующего дмода 4, коммутатора 5 и усилителя 2 в предельном режиме работы, когда опорный сигнал выше максимального сигнала на дополнительной обмотке трансформатора 6, а число ступенек равно коэффициенту деления делителя 17. Стабилизация выходного напряжения Производится путем сравнения выходного напряжения с опорным. Число ступенек, необходимых для заряда накопительного конденсатора до заданного уровня при выбранном коэффициенте трансформации трансформатора 6 зависит от величины емкости накопительного конденсатора 3. Таким образом можно получить требуемую точность установки выходного напряжения путемварьирования величины входной емкости. Соответствие выходного напряжения числу тактовых импульсов дает возможность управлять выходным напряжением с помощью программного счетчика числа ступеней, который можно включить вместо элемента сравнения 26 для управления триггером 27. Этот триггер открывает элементы 23 и 28 на время, равное числу тактовых импульсов, задаваемых программным счетчиком. 9 Удается уменьшить размеры трансформатора за счет повышенной частоты преобразования и за счет удвоения на пряжения путем использования колебательного процесса в паразитных колебатальных контурах реального трансформатора. КПД увеличивается за счет того, что преобразование осуществляется при повышенной частоте и суммар ная энергия, необходимая для заряда накопительного конденсатора, трансформируется по частям, а также за счет цепи обратной связи, которая осуществляет своевременное размыкание НИЗКОВОЛЬТНОГО коммутатора и тем самым устраняет потери из-за запаздывания тока. Дополнительным преимуудеством такого устройства является то, что не предъявляется высоких требований к паразитным параметрам силового трансформатора, поскольку удвоение напряжения возможно именно при их наличии. Применение предлага емого источника управляющего напряжения наиболее эффективно именно в скважииной радиометрической аппаратуре, где предъявляются жесткие требования как к массо-габаритным показателям, так и к потребляемым мощностям; связано с работой на кабель протяженностью несколько километров и термальными условиями работы аппаратуры в скважине.Область применения не ограничивается нуждами ядерной геофизики.