Устройство для питания импульсной нагрузки Советский патент 1981 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике и преимущественно может быть использовано для питания различных импульсных нагрузок при колебательном разряде накопительных конденсаторов на сопротивление импульсной нагрузки Известны устройства для питания импульсной нагрузки, содержащие источник питания, блок заряда, накопительную конденсаторную батарею, ключевой элемент и нагрузку 1, В таких устройствах, если нагрузка содержит индуктивность, достаточную для возникновения колебательного разряда, происходит переполюсовка накоп тельных конденсаторов, что сокращает их срок службы и исключает применение в качестве накопительных конденсаторов полярных электролитических конденсаторов, характеризуемых большой удельной энергией. Наиболее близко к предлагаемому устройство для питания,импульсной на грузки, выполненное по каскадной схе ме умножения напряжения и содержащее источник питания, блок заряда п нако пительных конденсаторов равной емкос ти с развязывающими разрядными элементами, п накопительных конденсаторов разной емкости и п-1 разрядных ключевых элементов, подключенных между разноименными обкладками двух смежных накопительных конденсаторов, и нагрузку, подключенную одним выводом к одной ИЗ-обладок первого накопительного конденсатора (2. Недостатком этого устройства является то, что в нем, если-нагрузка содержит индуктивность, достаточную для возникновения колебательного разряда, происходит переполюсовка накопительных конденсаторов, что сокращает их срок службы и исключает применение в качестве накопительных конденсаторов полярных накопительных конденсаторов, характеризуемых малыми удельными объемом, массой и стоимостью. Кроме того, в нем сравнительн велика длительность разрядного импульса. Целью изобретения является уменьше ние удельного объема массы и стоимости устройства и сокращение длительности разрядного импульса. Поставленная цель достигается тем, что устройство для питания импульсной нагрузки, выполненное по каскгщнои схеме умножения напряжения, содержащее источник питания, блок заряда п накопительных конденсаторов равной емкости с развязывающими разрядными элементами, п накопительных конденсаторов равной емкости и п-1 разрядных ключевых элементов, подключенных между разноименными обкладками двух смежных накопительных конденсаторов, и нагрузку, подключенную одним выводом к одной из обкладок первого нако пительного конденсатора, снабжено дополнительным конденсатором, подклю ченным одной обкладкой к свободному выводу нагрузки, а другой через п-ны разрядный ключевой элемент - к одной из обкладок п-ного накопительного конденсатора, и Шунтирующей его ячейкой из соединенных последовательно гасящего резистора и ключевого элеме та, при этом число накопительных конденсаторов и емкость дополнительного конденсатора выбраны из условия исключения переполюсоеки накопительных конденсаторов при их колебательном разряде на нагрузку. На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема устройств для питания импульсной нагрузки; на фиг.2 представлен возможный вариант выполнения схемы устройства для питания импульсной нагрузки; на фиг.З представлены зависимости относительных разрядных напряжений на одном из накопительных конденсаторов и дополнительном конденсаторе . от угла О) t в градусах при числе на копительных конденсаторов . Устройство для питания импульсной нагрузки (фиг.1) содержит источник питания 1, соединенный с ним блок заряда 2, п накопительных конденсаторов равной емкости 3, подсоединенных к блоку заряда параллельно или квазипараллельно через не показанные на схеме развязывающие разрядные элементы, п разрядных ключевых элементов 4, включенных между разноименными обкладками соседних накопительных конденсаторов: нагрузку 5, состоящую из резистора б и индуктивности 7, и дополнительный конденсатор 8, зашунтированный ячейкой из соединенных последовательно гасящего резистора 9 и ключевого элемента 10. При этом число накопительных конденсаторов 3 и емкость дополнительного конденсатора 8 выбраны из условия исключения переполюсовки накопительных конденсаторов 3 при их колебатель ном разряде на импульсную нагрузку 5 Вариант устройства ддя питания импульсной нагрузки (фиг.2) выполненный по схеме каскадного умножителя напряжения Аркадьева-Маркса, содержит источник питания И и связанный с ним блок заряда 12, состоящий из одного или двух зарядных токоограничи ваквдих линейных дросселей 13, ключевО го элемента 14 для подключения источника питания и 2 (п-1) развяэывакщих безжелезных дросселей 15, индуктивность которых много меньше индуктивности зарядных токоограничивающих линейных дросселей 13, п накопительных конденсаторов 16 равной емкости, подключенных к источнику питания через зарядные токоограничивакяцие линейные дроссели 13 и 2 (п-1) развязывающих безжелезных дросселей 15. При этом первый накопительный конденсатор подсоединен к источнику питания через ключевой элемент 14 и один или два зарядных токоограничивакицих линейных дросселя 13; обкладки первого накопительного конденсатора соединены с обкладками второго через два развязывающих безжелёзных дросселя 15, установленных как в прямой, в обратной цепях; обкладки второго накопительного конденсатора соединены с обкладками третьего также через два дросселя 15 и разрядных ключевых элементов 17, подключенных между разноименнь1ми обкладкс1ми двух смежных накопительных конденсаторов, дополнительный конденсатор 18, зашунтированный ячейкой из гасящего резистора 19 и ключевого элемента 20 и подсоединенный через п-ный ключ 17 и нагрузку 21, состоящую из резистора 22 и индуктивности 24, к выходу схемы каскадного умножителя напряжения Аркадьева-Маркса. Работает предлагаемое устройство следующим образом (фиг.1). При подключении источника питания 1 к блоку заряда 2 последний через зарядные и развязывающие элементы заряжает все подсоединенные параллельно к блоку заряда накопительные конденсаторы 3 до напряжения V,o каждый, близкого к напряжению источника питания. Нужный закон изменения тока заряда от времени, например, для заряда неизменной мощностью, обеспечивает блок заряда 2 через свои зарядные элементы. При необходимости разрядить конденсаторы 3 на нагрузку 5 замыкаются разрядные ключевые элементы 4 , и все конденсаторы 3 соединяются последовательно друг с другом ичерез дополнительный конденсатор 8 с нагрузкой 5, состоящей из резистора. 6 и индуктивности 7. В начальный момент времени разряда при напряжение на сопротивлении нагрузки . Относительное напряжение иа любом из конденсаторов 3 в зависимости от времени разряда t изменяется по закону fT T l . где - напряжение на накопительном конденсаторе 3 в начале разряда, равное напряжению на нем в конце его заряда; п - число накопительных конденсаторов в каскадной схеме умножения напряжения;

- емкости одного накопи-ч тельного и дополнительного конденсаторов соответственно;

- параметр затухания (гактивное сопротивление, а L - индуктивность цепи разряда);

- предельная круa;g.)/(LC-,) говая частота;

- собственная

aj« круговая частта разрядной цепи.

4(, ar-ctqf w/d .

Из выражения (1) получается условие исключения переполюсовки накопительных конденсаторов при их колебательном разряде на активно-индуктивную импульсную нагрузку 5

ПРИ SintuH: 4p)iO

(1)

«-dt

o .t.o)

UJ

из которого можно при заданных параметрах схемы г, L, Сд, dfWUo, о методом последовательных приближений определить число п.накопительных конденсаторов и относительную емкость дополнительного конденсатора Сд/С,, при которых исключается переполюсовка накопительных конденсаторов. Здесь - эквивалентная емкость п накопительных конденсаторов, равная емкости при их последовательном соединении.

Можно показать, что при выполнении условия (2) исключается и переполюсовка дополнительного конденсатора 8 при колебательном разряде накопительных конденсаторов на активно-индуктивную нагрузку 5.

Устранение переполюсовки накопительных и дополнительного конденсаторов позволяет при обычном их исполнении увеличить срок службы конденсаторов или применять в качестве накопительных и дополнительного конденсаторов полярные электролитические конденсаторы, характеризуемые существенно меньшими удельными объемом, массой и стоимостью, чем обычные импульсные конденсаторы. Кроме того, включение в разрядную цепь последовательно с нагрузкой 5 дополнительного конденсатора 8 позволяет в )/п раз уменьшить длительность разрядного импульса по сравнению с прототипомВ конце разряда накопительных конденсаторов на импульсную нагрузку (при времени t) на любом из накопительных конденсаторов остается напряжение V K/V|o (С./С)/() , и при последуюдем заряде накопительных конденсаторов они будут подзаряжаться от этого напряжения V- до напряжения .

При разряде накопительных конденсаторов на импульсную нагрузку дополнительный конденсатор заряжается напряжением обратной полярности по отношению к полярности накопительных конденсаторов. При времени t это напряжение ) / ()1 По окончании разряда накопительных конденсаторов ключевой элемент 10 замыкается, и следует апериодический разряд дополнительного конденсатора

8 от напряжения Уд практически до нуля, который занимает часть времени последующего подзаряда накопительных конденсаторов. С учетом изложенного предельный КПД разряда накопительных

конденсаторов 3 на нагрузку 5

РПРПМ n+lCi/Сд

Расчеты показывают, что при числе .накопительных конденсаторов в каскадной схеме умножения напряжения предложенного устройства и С Сд исключается переполюсовка накопительных и дополнительного конденсаторов и в качестве их можно применить полярные электролитические конденсаторы при питании следующих импульсных нагрузок: импульсных электродинг1мических ускорителей плазмы; импульсных газоразрядных ламп накачки ОКГ, последовательно в разрядную цепь питания которых для предотвращения их выхода из строя включены дроссели; разрядных камер импульсных газовых лазеров и других импульсных нагрузок.

Формула изобретения

Устройство для питания импульсной нагрузки, выполненное по каскадной

схеме умножения напряжения и содержа -. щее источник питания, блок заряда п накопительных конденсаторов равной емкости с развязывающими разрядными элементами, п накопительных конденсаторов равной емкости и п-1 разрядных ключевых элементов, подключенных между разноименными обкладками двух смежных накопительных конденсаторов, и нагрузку, прдкдноченную одним выво- дом к одной из обкладок первого накопительного конденсатора, о т л ичающееся тем, что, с целью уменьшения его удельных объема, массы и СТОИМОСТИ и сокращения длительности разрядного импульса, оно снабжено дополните41ьным конденсатором, подключеннЕЛл одной обклс1дкой к свободному выводу нагрузки, а другой через п-ный разрядный ключевой элемент - к одной из обкладок п-ного накопительного конденсатора, и шунтирующей его ячейкой из соединенных последовательно гасящего резистора и ключевого элемента, при этом число накопительных конденсаторов и емкость

дс полнительного конденсатора выбраног из условия исключения переполюсовки накопительных конденсаторов при их колебательном разряде на нагрузку.

Источники информации, гфинятые во внимание при экспертизе

1.Колесников П.М. Электродинамическое ускорение плазмы. М., Атомиздат, 1971, с.198-199.

2.Фрюнгель Ф. Импульсная техника. Генерирование и /применение разрядов

конденсаторов. М.-Л., Энергия, 1965, с.116 прототип).

Uillno.Uf/Vw 1.0

OjB

uaiVio

0.2

0

60 т no гцо л 36fl« i

UitVio «

0afb .