ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ Советский патент 1998 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к импульсной технике, и может быть использовано для питания искровых камер, лазеров и ускорителей.

Известна электрическая схема импульсного генератора с инверсией напряжения на конденсаторах, содержащая цепочку n последовательно соединенных конденсаторов, которые через зарядное и разделительные сопротивления заряжаются до начального напряжения U₀. К каждому нечетному конденсатору цепочки через коммутирующий элемент подсоединена индуктивность, образующая с конденсатором LC-контур. Если число конденсаторов четное, то из-за разной полярности напряжений на соседних конденсаторах суммарное напряжение на них равно нулю. При одновременном замыкании n/2 коммутирующих элементов в LC-контурах начинается колебательный процесс, и через время нечетные конденсаторы перезаряжаются, вследствие чего напряжение на всей цепочке конденсаторов составляет величину n • U₀. Если в этот момент времени замкнуть разрядник-обостритель, то все напряжение n • U₀ прикладывается к нагрузке [I].

Однако данная схема имеет n/2 коммутаторов, которые должны срабатывать в течение времени , и величина выходного напряжения генератора равна не более чем n • U₀.

Известны генераторы импульсных напряжений, содержащие ряд конденсаторов или искусственных двойных LC-линий, формирование выходного высоковольтного импульса в которых происходит при коммутации участков схемы одним общим коммутатором через разделительные бифилярные дроссели [2].

Генератор высоковольтных импульсов содержит n накопительных конденсаторов, зарядные бифилярные обмотки, помещенные на n-1 ферромагнитных сердечниках, и составляющие трансформаторы с коэффициентом трансформации, равным единице, общий коммутатор, нагрузочное сопротивление и источник высокого напряжения.

Каждый конденсатор генератора заряжается высоким напряжением от источника высокого напряжения через обмотки импульсных трансформаторов (зарядные дроссели), причем конденсатор последней n-ступени умножения заряжается через все вторичные обмотки и нагрузочное сопротивление.

При замыкании общего коммутатора каждый из конденсаторов n-1 ступеней умножения разряжается на первичную обмотку соответствующего импульсного трансформатора через индуктивность бифилярной подводки к общему коммутатору.

Так как вторичные обмотки соединены последовательно и подключены через предварительно заряженный конденсатор n-ой ступени к нагрузке, то выходные импульсные напряжения каждой из ступеней умножения суммируются на нагрузочном сопротивлении.

Недостатком данного генератора является то, что использование при коммутации разделительных бифилярных дросселей, которые представляют собой импульсные трансформаторы с коэффициентом трансформации, равным единице, ограничивает коэффициент умножения генератора величиной, равной числу ступеней умножения n.

Необходимость обеспечения высокой индуктивности связи между обмотками бифилярных дросселей и надежной электрической изоляции между ними усложняет конструкцию генератора и приводит к уменьшению коэффициента умножения генератора и величины коммутирующей электрической энергии.

Целью изобретения является увеличение коэффициента умножения по напряжению без увеличения числа ступеней умножения генератора.

Эта цель достигается тем, что в генераторе высоковольтных импульсов, выполненном по схеме n-ступенчатого умножения, содержащем источник высокого напряжения и нагрузку, соединенные с общей шиной накопительные конденсаторы и раздельные цепочки из дросселей, при этом один вывод первого накопительного конденсатора соединен с общей шиной, а другой через зарядное сопротивление подсоединен к высоковольтному выводу источника высокого напряжения, причем первая ступень умножения состоит из последовательно соединенных первого накопительного конденсатора, дросселя и общего коммутатора, накопительные конденсаторы всех ступеней умножения соединены последовательно, при этом все ступени умножения, кроме первой, образуют резонансные LC-контуры, состоящие из двух смежных накопительных конденсаторов, один из которых присоединен к своему и предыдущему контуру, и подсоединенного параллельно им дросселя, а нагрузка подключена через дополнительно введенный разрядник-обостритель к точке соединения n-накопительного конденсатора с n-дросселем, где n = 2, 3, 4 ... .

На фиг. 1 представлена схема генератора; на фиг. 2 - форма импульсов напряжения для пояснения его работы.

Генератор высоковольтных импульсов, выполненный по схеме n-ступенчатого умножения, состоит из источника 1 высокого напряжения и нагрузки 2, соединенных с общей шиной, n дросселей 3 и n накопительных конденсаторов 4, при этом один вывод первого накопительного конденсатора соединен с общей шиной, а другой через зарядное сопротивление 5 подсоединен к высоковольтному выводу источника высокого напряжения, причем первая ступень умножения состоит из последовательно соединенных первого накопительного конденсатора, дросселя и общего коммутатора 6, накопительные конденсаторы всех ступеней умножения соединены последовательно, при этом все ступени умножения, кроме первой, образуют резонансные LC-контуры, состоящие из двух смежных накопительных конденсаторов и подсоединенного параллельно им дросселя, а нагрузка подключена через дополнительно введенный разрядник-обостритель 7 к точке соединения n-накопительного конденсатора с n-дросселем, где n = 2, 3, 4 ...

Генератор работает следующим образом. Каждый из последовательно соединенных конденсаторов 4 через зарядное сопротивление 5 и соответствующие дроссели 3 заряжается от источника 1 высокого напряжения до начального напряжения U₀, где U₀ - напряжение зарядки конденсаторов генератора.

Если число конденсаторов генератора четное, то из-за разной полярности напряжений на смежных конденсаторах суммарное напряжение на них равно нулю. При замыкании общего коммутатора 6 в связанных между собой LC-контурах схемы генератора, образованных n конденсаторами и n дросселями, начинается сложный колебательный процесс, в результате которого напряжения на конденсаторах генератора изменяются во времени в зависимости от соотношения n независимых частот колебаний ω₁,ω₂...,ω_n. Если выбрать индуктивности дросселей такими, чтобы частоты колебаний были кратны между собой, например
ω₁:ω₂:ω₃...ω_n = 1,2,3...,n, (1)
то колебательный процесс в LC-контурах имеет резонансный характер. В силу кратности резонансных частот схемы в момент времени, равный полупериоду основной частоты колебаний t₁ = π/ω₀ , в данном случае t₁ = π/ω₁ , на всех конденсаторах достигаются максимумы напряжений, т.е. первоначально запасенная в конденсаторах энергия снова сосредотачивается в них, но в другом соотношении.

Далее, если выбрать величины емкостей конденсаторов такими, чтобы в момент времени t₁ выполнялось условие равенства зарядов на конденсаторах и одинаковой полярности напряжений на них, то вся цепочка последовательно соединенных конденсаторов заряжается как один конденсатор с величиной напряжения, равной сумме напряжений на отдельных конденсаторах. Если в момент времени t₁ замкнуть разрядник-обостритель 7, то выходное напряжение генератора прикладывается к нагрузке 2.

Точный расчет параметров схемы для большого числа ступеней умножения практически невозможен, но оценки показывают, что такой режим работы осуществим, и величина максимума выходного напряжения генератора зависит от числа ступеней умножения как
, (2)
если выполняются вышеперечисленные условия. В частности, на фиг. 2 приведены зависимости во времени напряжений на конденсаторах генератора для n = 4, где U₀ - напряжение зарядки конденсаторов генератора; U₁ ... U_n - напряжения на соответствующих конденсаторах генератора; U_вых - выходное напряжение генератора; t₁ - полупериод основной частоты.

Для числа ступеней умножения n = 4 изготовлен опытный образец генератора и экспериментально изучена его работа. При соотношении величин конденсаторов генератора C₁ : C₂ : C₃ : C₄ = 1 : 0,27 : 0,13 : 0,1 и соотношении индуктивностей дросселей L₁ : L₂ : L₃ : L₄ = 1 : 5,6 : 20 : 76 коэффициент умножения генератора по напряжению равен

что на 35 - 40% выше коэффициентов умножения, описанных ранее генераторов с тем же числом ступеней умножения.

Генератор высоковольтных импульсов, выполненный по схеме n-ступенчатого умножения, содержащий источник высокого напряжения и нагрузку, соединенные с общей шиной, накопительные конденсаторы и раздельные цепочки из дросселей, при этом один вывод первого накопительного конденсатора соединен с общей шиной, а другой через зарядное сопротивление подсоединен к высоковольтному выводу источника высокого напряжения, первая ступень умножения состоит из первого накопительного конденсатора, дросселя и общего коммутатора, соединенных последовательно, отличающийся тем, что, с целью увеличения коэффициента умножения генератора без увеличения числа ступеней умножения, накопительные конденсаторы всех ступеней умножения соединены последовательно, при этом все ступени умножения, кроме первой, образуют резонансные LC-контуры, состоящие из двух смежных накопительных конденсаторов, один из которых присоединен к своему и к предыдущему контурам, и подсоединенного параллельно им дросселя, а нагрузка подключена через дополнительно введенный разрядник-обостритель к точке соединения n-накопительного конденсатора с n-дросселем, где n = 2, 3, 4...

Генератор высоковольтных импульсов, выполненный по схеме n-ступенчатого умножения, содержащий источник высокого напряжения и нагрузку, соединенные с общей шиной, накопительные конденсаторы и раздельные цепочки из дросселей, при этом один вывод первого накопительного конденсатора соединен с общей шиной, а другой через зарядное сопротивление подсоединен к высоковольтному выводу источника высокого напряжения, первая ступень умножения состоит из первого накопительного конденсатора, дросселя и общего коммутатора, соединенных последовательно, отличающийся тем, что, с целью увеличения коэффициента умножения генератора без увеличения числа ступеней умножения, накопительные конденсаторы всех ступеней умножения соединены последовательно, при этом все ступени умножения, кроме первой, образуют резонансные LC-контуры, состоящие из двух смежных накопительных конденсаторов, один из которых присоединен к своему и к предыдущему контурам, и подсоединенного параллельно им дросселя, а нагрузка подключена через дополнительно введенный разрядник-обостритель к точке соединения n-накопительного конденсатора с n-дросселем, где n = 2, 3, 4...