Ключевой генератор тока преимущественно для геоэлектроразведки Советский патент 1989 года по МПК H03K3/02 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в геоэлектроразведке сульфидных и магнетитовых месторождений методом переходных процессов.

Целью изобретения является расширение частотного диапазона при уменьшении искажений выходного сигнала и повышении КПД генератора.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого генератора; на фиг. 2 - временные диаграммы токов и напряжений, поясняющие принцип его действия.

Ключевой генератор тока (фиг.1) содержит К вычитающих устройств (ВУ) 1.1 - 1,К, 2Ы-канальных широтно-им- пульсных модуляторов (ШИМ) 2.1-2.К, тактовый генератор 3, NK ключевых

усилителей (КУ) 4.1.1 - 4.N.1

4.1.К - 4.N.K, ВХОДЯ1ЦИХ в состав К

параллельно включенных групп, каждая из которых содержит N последовательно включенных ключевых усилителей, Ж гальванически развязанных источников 5.1.1. - 5.N.1, ..., 5.1.К 5.N.K электропитания (ИП), К датчиков 6.1 - 6.К тока, нагрузку (Н) 7, выполненную на рамочной антенне, К фильтров нижних частот (ФНЧ) 8.1- 8К и распределитель 9 импульсов.

На фиг. 2 приведены временные диаграммы сигналов, поясняющие работу предлагаемого устройства для случая N 2, К 2, иллюстрирующие принцип формирования широтно-модулирован- ных импульсных последовательностей

(,Ч

V.3 , V,.4 и V

1:(

ч.ч

v«.,

4,3 о.А по результату сравнения входного сигнала U с опорными пилообразными напряжениями Uf.i , Uni.i

UntJ , Un(.4 и Unj.i , Un.t t Un2.3 .

СЛ CO

00

O5

U((2 4 равномерно сдвинутыми во времени, суммарные импульсные напряжения V( V(.( + V.,2. + V.a, + V(,i) и

V-i V, + . + VQ.J , фор- мируемые на выходах групп последовательно включенных ключевых усилителей их выходные токи i и ie, а также суммарный выходной ток i i, +15 генерторного устройства,

Вычитающие устройства 1.1 - 1.К предназначены для выделения разностного сигнала Up U - Uoc между входным сигналом и сигналом обратной связи, поступающим с выходов датчиков 6.1-6. тока и могут быть выполнены на дифференциальных операционных усилителях с высокой идентичностью коэффициентов передачи по входам (отключение менее 1-2%), выходами соединены с входами широтно-импульсных модуляторов 2, которые служат для формирования 2tt ши- ротно-модулированных импульсных последовательностей и Vf. 4 - V,/ и i.t 2.1 (фиг. 2). Тактовый ген ератор 3 через распределитель 9 импульсов соединен с тактовым входом соответствующего широтно-импульсного модулятора 2.

Ключевые усилители A.I.I-A.N.K. предназначен для ключевого усиления по мощности двух широтно-модулирован- ных импульсных сигналов каждый, поступающих с выходов соответствующих широтно-импульсных модуляторов 2.1- 2.к, и вьтолняются по мостовой схемам (фиг. 3).

Источники 5.1.1 .-5.N.K электропитания предназначены для обеспечения галь- ваничес1си развязанными напряжениями электропитания величиной Eg каждого ключевого усилителя 4.1.1-4.N.К и могут быть выполнены на выпрямителях и емкостных накопителях, подключен- ных к выходам отдельных обмоток еди- ного силового трансформатора, соединенного с шинами первичного напряжения электропитания.

Датчики 6.1 - 6.К тока служат дпя выделения сигналов обратной связи Ug, напряжение которых пропорционально выходному току каждой группы последовательно включенных ключевых усилителей. Датчики 6,1 - 6.К тока выполняются резистивными. Резисторы датчиков 6,1 - 6.К тока одним выводом подключены к первой шине нагрузки и гальванически связаны е общей шиной входного

) 0

0

5

5

0

5

сигнала, что позволяет обеспечить обратную связь.

Фильтры 8.1 - 8.К низких частот служат для обеспечения параллельного включения К-групп последовательно вкл7оченных ключевых усилителей и выполняются на дросселях, индуктивность которых Ьф обеспечивает малую величину высокочастотных составляющих их выходных токов.

Нагрузка 7 выполняется на рамочной антенне и предназначена для возбуждения импульса первичного электромагнитного поля, спектральный состав которого определяется спектральным составом генерируемого тока. Индуктивность рамочной антенны типового размера 20x20 мм составляет L 1-3 мГн. Глубинность и точность определения проводящих пород методом переходных процессов определяется амплитудой и частотным диапазоном тока, возбуждаемого в рамочной антенне, требуемые значеник которых составляют i 10-40А, Д 0-5 ,,. 10 кГц.

Устройство работает следующим образом.

Входной сигнал U через вычитающие устройства 1.1-1.К поступает на входы К 2К-канальных широтно-импульсных модуляторов 2.1-2.К9 где посредством сравнения с 2N опорными пилообразными напряжениями (Uf,, , j , U.j , Un(,/| для N 2) преобразуется каждым модулятором в 2М-импульсньгх сигналов (например, V,., , V,.,j , V.., , V. ).

В результате К 2Н-канапьные широт- но-импульсные модуляторы реализуют формирование 2Ж широтно-модулироваи- ных импульсных последовательностей.

Модулированные импульсные последовательности К-го (К 1, ..., К) пш- ротно-импульсного модулятора поступают попарно на входы ключевых усилителей 4.К.1 - 4.K.N, составляющих К-ю группу ключевого усиления. Ключевые усилители выполняются по мостовым схемам (фиг. 2), шины электропитания которых подключены к соответствующим гальванически развязанным источникам 5.К.1 - 5.K.N электропитания, что позволяет включить выходы ключевых усилителей последовательно. В результате последовательного сложения выходных напряжений ключевых усилителей 4. К. 1 - 4,K.N на выходе К-й группы ключевого

10

51531186

усиления формируется суммарное импульсное напряжение (Vi и Va для К 2, N 2).

В каждой К-й группе ключевого усиления значительно уменьшаются пульсации выходного тока IK, (i{, i) за счет обеспечения обратной связи по выходному току каждой группы ключевого усиления, предельная глубина которой при N 2 обеспечивается не менее 20- 30 дБ, что позволяет достичь высокой идентичности выходных токов отдельных ключевых усилителей, отклонение которых от номинального значения не превышает 3-5%, чем достигается равное распределение выходной мощности между ключевыми усилителями и, как следствие этого, высокая надежность многоканального генератора тока.

Использование гальванически развязанных источников электропитания каждого ключевого усилителя облегчает также параллельное сложение мощности отдельных групп ключевого усиления, вторые выходы которых могут быть непосредственно подключены ко второй шине нагрузки, что не приводит к возникновению между группами ключевого усиления дополнительных контурных токов, как это имеет место в известном устройстве.

Для параллельного включения групп ключевого усиления в предлагаемом устройстве достаточно подключить их

В частности, для i (Ле) 10 А и L 1 мГн, при Ео 150 В обеспечение требуемого частотного диапазона ЛQ 5-10 кГц достигается при N 3-5.

Достижение требуемой амплитуды выходного тока в инфранизком частотном диапазоне Лн 0-5 Гц КЛн) 30- 40 А, при использовании мощных транзисторов с допустимым током 1( А обеспечивается параллельным соединением К 3..,4 групп ключевого соединения при сохранении запаса использования транзисторов по току не менее 1,5.

Параллельное включение групп ключевого усиления дополнительно приводит к увеличению частоты пульсаций выходного тока в К раз, подавление пульсации также осуществляется индуктивностью рамочной антенны. Исполь зование последовательного соединения ключевых усилителей, входящих в со25 став каждой группы ключевого усиления, позволяет согласовать выход генераторного устройства со входом рамочной антенны в более широком частотном диапазоне. При этом полупровод30 никовые приборы оконечных каскадов ключевых усилителей выбираются из условия обеспечения максимальных энергетических характеристик, а частота их переключений может быть обеспечена

15

20

первые выходы через дроссели ФНЧ 8.1- 35 значительно ниже (более, чем в N раз)

8К и датчики 6.1-6К тока к первой шине нагрузки. Причем датчики тока гальванически связаны и могут быть выполнены резистивными, а величина индуктивности дросселей 1,ф значительно (в 2N раз) меньше индуктивности дросселей ФНЧ, используемых в известном устройстве,

Основньп- преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с известными является возможность согласования его выхода со входом рамочной антенны в широком диапазоне частот при постоянном напряжении электропитания ЕО ключевых усилителей, выбранном из условия использования мощных транзисторов с наилучшими частотными характеристиками. В этом случае достижение требуемой амплитуды i« (Jlfc) тока D верхнем частотном диапазоне обеспечивается выбором количества N последовательно включенных ключевых усилителей.

чем в известном устройстве, чем достигается существенное повышение КПД до 90-95% при расширении частотного диапазона генерируемого тока и умень- 4Q шение искажения его спектрального состава.

Формула изобретения

д5 Ключевой генератор тока преимущественно для геоэлектроразведки, содержащий первый 2К-канальный широтно-им- пульсный модулятор, выходы которого попарно подключены к входам первой

50 группы N ключевых усилителей, а также первый источник электропитания, генератор тактовых импульсов, первый датчик тока, первое вычитающее устройство и N фильтров нижних частот,

cj отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапа- зона при уменьшении искажений и повышения КПД, в его состав введены К-1 групп ключевых усилителей, каждая из

0

В частности, для i (Ле) 10 А и L 1 мГн, при Ео 150 В обеспечение требуемого частотного диапазона ЛQ 5-10 кГц достигается при N 3-5.

Достижение требуемой амплитуды выходного тока в инфранизком частотном диапазоне Лн 0-5 Гц КЛн) 30- 40 А, при использовании мощных транзисторов с допустимым током 1( А, обеспечивается параллельным соединением К 3..,4 групп ключевого соединения при сохранении запаса использования транзисторов по току не менее 1,5.

Параллельное включение групп ключевого усиления дополнительно приводит к увеличению частоты пульсаций выходного тока в К раз, подавление пульсации также осуществляется индуктивностью рамочной антенны. Использование последовательного соединения ключевых усилителей, входящих в со5 став каждой группы ключевого усиления, позволяет согласовать выход генераторного устройства со входом рамочной антенны в более широком частотном диапазоне. При этом полупровод0 никовые приборы оконечных каскадов ключевых усилителей выбираются из условия обеспечения максимальных энергетических характеристик, а частота их переключений может быть обеспечена

5

0

35 значительно ниже (более, чем в N раз)

чем в известном устройстве, чем достигается существенное повышение КПД до 90-95% при расширении частотного диапазона генерируемого тока и умень- 4Q шение искажения его спектрального состава.

Формула изобретения

д5 Ключевой генератор тока преимущественно для геоэлектроразведки, содержащий первый 2К-канальный широтно-им- пульсный модулятор, выходы которого попарно подключены к входам первой

50 группы N ключевых усилителей, а также первый источник электропитания, генератор тактовых импульсов, первый датчик тока, первое вычитающее устройство и N фильтров нижних частот,

cj отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапа- зона при уменьшении искажений и повышения КПД, в его состав введены К-1 групп ключевых усилителей, каждая из

которых содержит N ключевых усилителей, N(K-1) гальванически развязанных источников электропитания, К-1 датчиков тока, К-1 вычитающих устройств, (К-1)2Н-канальных широтно- ««пульсных модуляторов и распределитель импульсов, вход которого соединен с выходом генератора тактовых 1мпульсов, а выходы - с входами синхронизации К 2М-канапьных широтно- 4пульсных модуляторов, каждый из которых выходами попарно подключен к входам соответствующей группы N ктаочевых усилителей, выходы которых подютвочены последовательно, причем первые выходы каждой из К групп ключевых усилителей подключены параллел

но через соответствующие фильтры нижних частот и датчики тока к первому выводу нагрузки, а вторые выходы каждой из К групп ключевых усилителей подключены параллельно к второму выводу нагрузки, а шины электропитания NK ключевых усилителей соответственно соединены с выходами Ж гальванически развязанных источников электропитания, а выходы К датчиков тока подключены к вторым входам соответствующих К вычитающих устройств, первые входы которых соединены с шиной входного сигнала, а выходы - с входами К соответствующих 2Ы-канальных щиротно- импульсных модуляторов.

Unj и„,.2 Ui,,,3 f/j

Уяг. / Urn. t //

д«жж

I f.z

гз f.v

1 Ч

2.1

Чг Чз

V2.V И2

4

А

П

Изобретение относится к импульсной технике. Цель изобретения - расширение частотного диапазона при уменьшении искажений выходного сигнала и повышении КПД генератора за счет последовательного включения групп ключевых усилителей в общей схеме генератора с последующим суммированием токов этих групп на общей нугрузке. Для этого в генератор введено (K-1) групп ключевых усилителей

N(K-1) гальванически развязанных источников электропитания

(K-1) датчиков тока

(K-1) вычитающих устройств и (K-1) 2 N-канальных широтно-импульсных модулятора. 2 ил.