Ультразвуковой генератор Советский патент 1989 года по МПК H03B5/40 

Фь/г.4

Изобретение относится к ультра- звуковой технике, а конкретно, к разработке генераторов питания маг- нитострикционйых ультразвуковых из- лучателей.

Цель изобретения - повышение надежности работы.

На фиг. 1-4 изображены электрические принципиальные схемы устройства; на фиг. 5 и 6 - временные диаграммы работы.

Ультразвуковой генератор содержит задающий генератор 1 и выходной каскад, выполненный по ,схеме моста, в котором первое и второе противополож ные плечи выполнены на соответствующем силовом ключе 2 (3), соединенном управляющим входом с задающим генератором 1 третье и четвертое про- тивоположные плечи выполнены на первом и втором коммутирующих диодах 4 (5), причем первая диагональ моста подключена к источнику 6 питания, а во вторую включены последовательно соединенные источник 7 подмагничива- ния и индуктивная нагрузка 8, причем коммутирующие диоды 4 и 5 включены встречно к источнику 6 питания, п

параллельно включенных ветвей, каждая

,из которых содержит первый и второй корректирующие конденсаторы 9 и 10, третий, четвертый, пятьй коммутирующие диоды 11-13 и магнитный реактор, причем третье плечо моста шунтирова- но последовательно соединенными первым конденсатором 9 и третьим коммутирующим диодом 11, точка соединения которых подключена через последовательно соединенные первую обмотку 14 магнитного реактора и четвертьй коммутирующий диод 12 к точке соединения второго конденсатора 10 и пятого диода 13, шунтирующих четвертое плечоммоста, третий, четвертьй и

пятьй диоды 11-13 включены встречно к источнику 6 питания.

Магнитньй реактор в каждой из п-1 параллельных ветвей выполнен на первой и второй обмотках 14, 15, п-я параллельная ветвь которого выполнен на первой, второй, третьей и четвертой обмотках 16-19, расположенных на сердечнике с нелинейной магнитной характеристикой, причем все вторые обмотки 15 и 17 параллельных ветвей включены последовательно во вторую диагональ моста выходного каскада,

Q

5 0

5

0

5 0 5

а третья и четвертая обмотки 18 и 19 n-й параллельной ветви включены в соответствующем плече выходного моста с первым и вторым коммутирующими диодами последовательно.

Устройство работает следующим образом.

Исходному состоянию схемы предшествует режим подготовки. В нем ключи 2 и 3 замкнуты и конденсаторы 9 и 10 должны успеть зарядиться до напряжения источника 6 питания током колебательного контура по цепи: источник б, ключ 2, конденсатор 9, реактор, диод 12, конденсатор 10, ключ 3 и источник 6. Напряжения между коллекторами и эмиттерами ключей 2 и 3 равны нулю. Токи их коллекторов содержат два составляющих: линейную из-за индуктивного характера нагрузки 8 и кол около образную из-за коле- бательного характера процесса заряда конденсаторов 9 и 10. Процесс заряда конденсаторов 9 и 10 заканчивается в момент смены полярности тока реактора размыканием диода 12. Длительности существования коллекторного тока должно хватать для окончания процесса заряда конденсаторов 9 и 10.

Итак, устройство характеризуется тем, что ключи 2 и 3 все еще замкнуты, а конденсаторы 9 и 10 заряжены каждьй до напряжения питания источника 6.

Рабочий режим устройства соответствует времени выключения одного из силовых ключей (транзисторов) 2 или 3 выходного каскада ультразвукового генератора. По логике функционирования задающего генератора следом за одновременной замкнутостью ключей 2 и 3 идет процесс выключения ключа 3. Ток нагрузки 8, затягиваемый ее индуктивным характером, переключается на конденсатор 10 и протекает по цепи: нагрузка 8, конденсатор 10, диод 13, ключ 2, источник 7 и нагрузка 8. Диод 5 заперт до тех пор, пока не разрядится конденсатор 10 (конденсатор 9 остается заряженным). Как только конденсатор 10 станет не в силах удерживать диод 13 открытым, так ток нагрузки 8 переключится в диод 5, что полностью соответствует логике работы выходного каскада ультразвукового генератора. Из изложенного ясно, что накопленная

в конденсаторе 10 энергия поступает полностью в нагрузку 8 при идеальности диода 13. Положительный эффект изобретения достигается за счет за- тягивания фронта напряжения Ufe3(см. фиг. 5а) во время размыкания силового ключа. При отсутствии в устройстве элементов , траектория I рабочей точки силового ключа на плос- кости iK() (фиг. 5г) во время размыкания выходит из области безопасной работы. Наличие этих элементов меняет траекторию I на траекторию II. Площади под ними определяют ве- личины динамических потерь в силовых ключах. Таким образом уменьшение этих потерь является положительным эффектом изобретения.

Время затягивания фронта напряже- ния Uk9 определяется временем разряда конденсатора 10, если, конечно, размыкается ключ 3. Так как к моменту его размыкания конденсатор 10 заряжен до напряжения источника 6 пита- ния и полярности их встречны, то разность их равна нулю. С выключением ключа 3 напряжение на конденсаторе 10 уменьшается: стремясь сменить . свой знак, а напряжение 1)кэот нуля нарастает.

Но задающий генератор 1 в процессе изменения выходной мощности управляется по ширине выходных импульсов именно за счет изменения длительное- ти протекания коллекторного тока ключей 2 и 3. При малых длительностях может оказаться, что корректирующие конденсаторы 9 и 10 не успели зарядиться до напряжения источника 7 пи- тания. Тогда -в лучшем случае начинают возрастать динамические потери в ключах при их выключениях за счет того, что разность напряжений источника 6 питания и конденсаторов 9 и 10 становится ненулевой и напряжение UK9начинает возрастать не с нуля. А в худшем случае возможен выход траектории ключа из области безопасной работы. Для устранения этого неж лательного явления можно включить параллельно п цепей так, как это пока- зано на фиг. 2. Причем корректирующие конденсаторы 9 и 10 имеют, например, уменьшающиеся значения ем- костей с ростом п. Чем меньше емкость конденсатора, тем меньше время его заряда, а значит, шире область изменения длительностей выходных импульсов задающего генератора 1. Гм- кости конденсаторов 9 и 10 определяю ся требуемой минимально допустимой длительностью изменяемых по ширине выходных импульсов задающего генератора 1, Для схемы, приведенной на фиг. 2, коллекторный ток ключа содержит одну линейную составляющую из- за индуктивного характера нагрузки 8 и п колоколообразных составляющих различной длительности. Таким образо в разрешенном диапазоне изменения длительности выходных импульсов задающего генератора 1 всегда будет хотя бы одна пара корректирующих конденсаторов, успевшая зарядиться полностью до напряжения источника 6, а значит, способная обеспечить начало формирования фронта напряжения UK3c нуля.

Но схема, приведенная на фиг. 2, обладает.всеми своими достоинствами только тогда, когда диоды 4 и 5 имеют малые диффузионные емкости, т.е. выключаются очень быстро и практически не создают при замыкании ключей 2 или 3 условий для протекания сквозного тока через замкнувшийся, например, ключ 2 и еще не запертый диод 4. При отсутствии таких диодов цели изобретения можно добиться с помощью схемы, представленной на фиг. 4.

Различие схем фиг. 1 и 4 заключается в замещении однообмоточного реактора на многообмоточный реактор, являющийся трансформатором тока. Последний намотан на сердечнике с нелинейной магнитной характеристикой и имеет вторую обмотку 17, включенную последовательно с источником 7, третья обмотка 18 включена последовательно с диодом 4, первая 16 - с диодом 12, а четвертая 19 - с диодом 5. Трансформатор тока представляет две дополнительных возможности. Во- первых, его присутствие ограничивает токи в обмотках в силу связи между значениями токов и числами витков.

Во-вторых, третья и четвертая его обмотки могут использоваться для ограничения сквозных токов.

Исходному состоянию устройства предшествует режим подготовки, при котором ключи 2 и 3 замкнуты, конденсаторы 9 и 10 заряжаются до напря жения источника 6, а сердечник реактора входит в насыщение. Временная

диаграмма коллекторного тока (фиг. 6а). Пропорциональная связь между первичными и вторичными токами реактора обеспечивает формирование не колоколообразной, а линейной добавки тока заряда конденсаторов 9 и 10. Они опять же должны успеть зарядится до напряжения литания источника 6

магнититься. После запирания диода

4сердечник опять вводится в насыщ ние током нагрузки 8, протекающим

по цепи: ключ 2, вторая обмотка 1 реактора, источник 7, нагрузка 8, четвертая обмотка 19 реактора, диод

5и ключ 2, Ток нагрузки, возраста стремится к постоянной составляющей

раньше, чем кончится управ-10 Конденсаторы 9 и 10 остаются неза- ляющий импульс задающего генератора 1.

Процесс формирования фронта наряженными.

При одновременном замыкании клю чей 2 и 3 начинается заряд конденс торов 9 и 10 по цепи: источник 6,

пряжения икэпри выключении ключа 3 с помощью конденсатора 10 протекает так же, как и в схеме, изображенной на фиг. 1. Заканчивается он тоже разрядом конденсатора 10 и переключением тока нагрузки 8 на диод 5. Причем это переключение тока не сопрог вождается изменением состояния сердечника реактора, поскольку и в его обмотках намагничивающая сила направления не меняет.

Логика функционирования задающего генератора 1 обеспечивает после одновременного замыкания ключей 2 и 3 сигналы: размыкание ключа 3, потом размыкание ключа 2, снова замыкание

2$ длительностей выходных импульсов задающего генератора 1 может привести к незавершенности заряда конденсаторов 9 и 10, что вызовет, как и ранее, ухудшение условий коммутации

ряжены током нагрузки 8, который прокпюча 2 и, наконец, одновременное за- 30 силовых ключей 2 и 3. Для устранения мыкание ключей 2 и 3. В конце про-этого явления и расширения диапазоцессов размыкания обоих ключей за-на изменения длительностей выходных

щищающие их конденсаторы 9 и 10 раз-импульсов генератора 1 можно ввести

п параллельных ветвей по схеме, пред- 35 ставленной на фиг. 4. Емкости конденсаторов 9 и 10 уменьшаются с ростом п. Сквозные токи ограничиваются вторичными обмотками трансформатора, находящегося в той цепи, конденсато- 40 ры 9 и 10 которой раньше всех окажутся заряженными в режиме подготовки.

текает по цепи: диод 4, третья обмотка 18 реактора, вторая обмотка 17 реактора, источник 7, нагрузка 8, четвертая обмотка реактора 19, диод 5, источник 6 и диод 4. Встречное включение источников 6 и 7 обеспечивает уменьшение тока нагрузки ниже I уровня его постоянной составляющей.

Приходит команда на замыкание ключа 2. Даже если диод 4 и накопил из- быгочный заряд, сквозной ток протечь i без ограничения не может по цепи: источник 6, ключ 2, диод 4 и источник 6. Этому препятствует третья обмотка 18 реактора. В ней намагничивающая сила меняет знак по отношению к предшествующему состоянию и сердечник реактора выходит из насыщения. Скврзной ток ограничивается связью между ним, током второй обмотки 17 и числами витков. Время восстановления диода 4 много меньше, чем время перемагничивания сердечника реак- трра со стороны третьей обмотки 18 источником 6 и он не успевает пере45

График коллекторного тока IK Б силового ключа в этом режиме приведен на фиг. 66.

Формула изобретения

1 Ультразвуковой генератор, содер- жащий задающий генератор и выходной

50 каскад, выполненный на схеме моста, в котором первое и второе противоположные плечи выполнены на соответствующих силовых ключах, соединенных управляющими входами с задающим гене55 ратором, третье и четвертое противоположные плечи выполнены на первом и втором коммутирующих диодах, причем первая диагональ моста подключена к источнику питания, а во вторую

магнититься. После запирания диода

4сердечник опять вводится в насыщение током нагрузки 8, протекающим

по цепи: ключ 2, вторая обмотка 17 реактора, источник 7, нагрузка 8, четвертая обмотка 19 реактора, диод

5и ключ 2, Ток нагрузки, возрастая, стремится к постоянной составляющей.

Конденсаторы 9 и 10 остаются неза-

ряженными.

При одновременном замыкании ключей 2 и 3 начинается заряд конденсаторов 9 и 10 по цепи: источник 6,

ключ 2, конденсатор 9, первая обмотка 16 реактора, диод 12, конденсатор 10 и ключ 3 ксисточник 6. Ток заряда снова выводит сердечник реактора из насыщения, обеспечивая конечность

времени заряда. Окончание заряда

свидетельствует о готовности корректирующих конденсаторов к работе.

В устройстве по фиг. 3, как и в - устройстве по фиг. 1, укорочение

длительностей выходных импульсов задающего генератора 1 может привести к незавершенности заряда конденсаторов 9 и 10, что вызовет, как и ранее, ухудшение условий коммутации

силовых ключей 2 и 3. Для устранения этого явления и расширения диапазо

График коллекторного тока IK Б силового ключа в этом режиме приведен на фиг. 66.

Формула изобретения

1 Ультразвуковой генератор, содер- жащий задающий генератор и выходной

каскад, выполненный на схеме моста, в котором первое и второе противоположные плечи выполнены на соответствующих силовых ключах, соединенных управляющими входами с задающим генератором, третье и четвертое противоположные плечи выполнены на первом и втором коммутирующих диодах, причем первая диагональ моста подключена к источнику питания, а во вторую

включены последовательно соединенные источник подмагничивания и индуктивная нагрузка, причем коммутирующие диоды включены встречно к источнику питания, отличающийся

тем, что, с целью повышения надежности работы, в него введены п параллельно включенных ветвей, каждая из которых содержит первый и второй ком- мутирующие конденсаторы, третий, четвертый и пятый коммутирующие диоды и магнитный реактор, причем третье плечо моста шунтировано последовательно соединенными первым конденсатором и третьим коммутирующим диодом, ;гочка соединения которых подключена через последовательно соединенные йервую обмотку магнитного реактора и четвертый коммутирующий диод к точке соединения второго конденсатора и пятого диода, шунтирующих четвертое

ю

748238

плечо моста, третий, четвертый и пятый диоды включены встречно к источнику питания.

2. Генератор по п. 1, отличающий ся тем, что магнитный реактор в каждой из п-1 параллельных ветвей выполнен на первой и второй обмотках, а n-я параллельная ветвь выполнена на первой, второй, третьей и четвертой обмотках, расположенных на сердечниках с нелинейной магнитной характеристикой, причем все вторые обмотки параллельных ветвей включены последовательно во вторую диагональ моста выходного каскада, а третья и четвертая обмотки n-й параллельной ветви включены в соответствующем плече выходного моста последовательно с соответственно первым и вторым коммутирующими диодами.

15

20

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к разработке генераторов питания магнитострикционных ультразвуковых излучателей. Цель изобретения - повышение надежности работы. Ультразвуковой генератор с коррекцией траекторий силовых ключей содержит задающий генератор 1, силовые ключи 2,3, коммутирующие диоды 4, 5, источник 6 питания, источник 7 подмагничивания и индуктивную нагрузку 8. Введение корректирующих конденсаторов 9,10, коммутирующих диодов 11,12,13, и магнитного реактора 14, выполненного в каждой из N-1 параллельных ветвей на первой и второй обмотках - параллельная ветвь которого выполнена на первой, второй, третьей и четвертой обмотках, позволило обеспечить надежность работы за счет возможности коррекции положения рабочей точки выходной характеристики. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

13 J3

Фие.2

икэ

t-к

Ц

/VI

%

&

Јк-д

а

Фиг.З

2 Обла&ть ffeзапас

ной раЗоты си- лоВоео ключа.

Ж

UK

Фие.5