Генератор импульсов "Альбатрос Советский патент 1982 года по МПК H03K3/02 

Изобретение относится к импульсной технике и может использоваться для питания электро- и радиотехниче ких устрановок различного назначения. Известен генератор импульсов, пи таемый от сети переменного тока и содержащий накопительный конденсатор, разряжаемый через коммутатор н нагрузку 1 . Однако частота этого генератора сравнительно невысока. Известен также генератор импульсов, содержащий электрический мост, в двух смежных плечах которого вклю чены диоды, общая точка диодов подключена к одному выводу источника питания, а в двух других смежных плечах моста ёключены последователь но соединенные конденсаторы и первичные обмотки трансформаторов, общая точка которых соединена с други выводом источника питания 2. Частота данного генератора также невысока., Цель изобретения - повышение частоты следования импульсов. Для достижения цели в генераторе импульсов, содержащем, по-крайней мере, один электрический мост, в двух смежных плечах которого включены диоды, общая точка диодов подключена к одному выводу источника питания, а в двух других смежных плечах моста включены последовательно соединенные конденсаторы и первичные обмотки трансформаторов, общая точка которых соединена с другим выводом источника питания, параллельно диодам смежных плеч моста включен элемент с отрицательным динамическим сопротивлением. В качестве элемента с отрицательным динамическим сопротивлением использован тиристор, блок управления которым, а также последовательно соединенные нагрузка, вторичная обмот- . ка трансформатора и дополнительный конденсатор noAf Jira4eHbi параллельно диодам смежных пг)еч моста, обмотка подмагничивания трансформатора подключена к промежуточному потребителю энергии. В качестве элемента с отрицатель ным динамическим сопротивлением использован искродуговой промежуток, параллельно которому включены последовательно соединенные вторичная обмотка трансформатора и промежуточный потребитель энергии. В качестве элемента с отрицатель ным-динамическим сопротивлением использована люминесцентная лампа с токопроводящей полосой, в цепь люминесцентной лампы включены вторичная обмотка трансформатора и дроссель, токопроводящая полоса соедине на с общей точкой конденсаторов мос та, параллельно лампе, последовательно с ее электродами, включен опорый диод. На фиг. 1 представлена электриче кая схема предлагаемого генератора импульсов, когда в качестве элемент с отрицательным динамическим сопротивлением использован тиристор , на фиг. 2 - интервалы работы генератор на фиг. 3 графики напряжения, где а - г рафик питающего . напряжения, бив- на конденсаторах моста, 1тиристоре, д - на нагрузке генерат ра, е - на выходе генератора при холостом ходе; на фиг. 4 и 5 элек трические схемы генератора, когда в качестве элемента с отрицательным динамическим сопротивлением использованы соответственно дуговой проме жуток и люминесцентная лампа. Генератор электрических импульсов (см; фиг. 1) получает питание через зажимы входной диагонали мост и содержит в двух смежных плечах-с моста диоды 1 и 2, в двух других смежных плечах моста размещены первичная обмотка ,3. KOhf eHcaTOp t и соответственно конденсатор 5 и neptвичная обмотка 6 трансформатора 7, нагрузка 8, вторичная обмотка 9 и дополнительный конденсатор 10 соеди нены последовательно и включены на выходную диагональ моста О -О, обмотка 11 подмагничивания трансформа тора замкнута на промежуточный потребитель электроэнергии, например конденсатор 12, и электрически не связана с остальной частью схемы, а на выходную диагональ моста включен тиристор 13, получающий импульсы управления через диод от блока управления из резистора 15 (регулируемого) и конденсатора 16, -соединенных последовательно и включенных на выходную диагональ моста. На фиг. 2 показаны интервалы работы генератора электрических импульсов применительно к упрощенной схеме, в которой все вторичные обмотки приведены к одной обмотке, а элементы нагрузки объединены в одно активное сопротивление, причем указаны только те цепи генератора, в которых проходит ток. Интервалы работы генератора даны только для одного периода высокочастотных колебаний. На фиг. показан характер изменения напряжения на входе генератора в виде функции напряжения с постоянной скоростью его изменения во времени в пределах полупериода. Такая функция входного напряжения обеспечивает непрерывность действия генератора электрических импульсов. Как показано на фиг. 3 и З-бг первый полупериод нарастающего изменения внешнего напряжения на конденсаторе 4 происходит .непрерывный процесс изменения напряжения, а на конденсаторе 5 напряжение изменяется только в течение небольших промежутков времени, имеет интервалы неизменного значения и многократно повторяет такой же характер своего изменения за,весь полупериод внешнего источника. Во второй полупериод характер изменения напряжений на конденсаторах взаимно меняется. Напряжение на выходной диагонали моста (фиг. 3 ) и напряжение на нагрузке 8 генератора (фиг. 3) имеют при неизменной нагрузке непрерывный высокочастотный характер периодических релаксацирнных колебаний. Передний фронт изменения напряжения на нагрузке (фиг. Зе) имеет резко выраженный характер ступеньки изменения напряжения и, соответственно, тока. С момента включения источника питания низкой частоты происходит заря.д конденсатора k. Диод 2 в этот интервал (фиг. 2, I интервал Х закрыт, так, как на его катсще потенциал больше, чём на аноде и напряжение на конденсаторе 5 не изменяется. Зарядный ток в конденсаторе t прохЬдит через диод 1 и первичную обмотку 3 трансформатора 7- Состав элементов заряд ной цепи конденсатора таков, что при низкой частоте внешнего источника питания, характер изменения тока заряда на большей части интервала близок к постоянному току. Вследствие этого заряд конденсатора Ц, а следовательно, и напряжение на нем нарастают почти линейно со временем. Напряжение на выходной диагонали моста в это время равно сумме напряжений на конденсаторах и 5. оно также нарастает со временем почти линейно. При достижении напряжения на конденсаторе 4 величины, близкой к своему максимальному значению на рассматриваемом интервале, линейность измене ния тока заряда конденсатора нару шается. Во вторичной цепи появляется увеличивающийся по амплитуде отклонения от значения О вторичный ток. А в момент достижения напряжением конденсатора k максимальной величины, ток заряда конденсатора k прекращается. Диод 1 закрывается. Во всех ветвях первичной цепи тока нет, внешний источник напряжения отключен, а во вторичной цепи ток, достигнув своего максимального отклонения, уменьшается. При уменьшении тока во вторичной цепи напряжение на выходной диагонали моста увеличивается и при достижении им величины уставки срабатывания тиристора 13 тиристор открывается. Величина уставки срабаты ния тиристора задается блоком управ ления (резистор 15, конденсатор 16). При открывании тиристора 13 происходит переход генератора электрических импульсов в следующий интервал работы (фиг. 2, интервал Ц) , при этом формируется контур прямого хода колебаний тока. В состав конту ра прямого хода колебаний входят: тиристор 13 (элемент с отрицательным динамическим сопротивлением), последовательно включенные конденсаторы t, 5 и последовательно включенные первичные обмотки 3 и 6 трансформато ра 7. В предыдушем интервале конденсаторы , 5 и первичные обмотки 3, 6 были взаимно электрически разобщены Вторичная цепь при переходе с интервала J на интервал J своего состава не изменяет. Наличие в сформированном контуре прямого хода колебаний, элемента с о отрицательным динамическим сопротивт лением, переключение конденсаторов моста с их взаимно раздельного состояния на последовательное включение (при переходе с интервала на интервал) , включение первичных обмоток на последовательную их (при наличии взаимной положительной связи первичных и вторичных обмоток трансформатора) приводят к тому, что в первичной цепи образуется дельта импульс тока. Напряжение на последовательно включенных конденсаторах 4 и . 5,за счет наличия дельта импульса тока в контуре прямого хода колебаний тока, изменяют свою величину ступеньками. Средняя величина напряжения обоих конденсаторов (их полусумма) , равная напряжению источника питания, при этом не изменяется. В . этот же момент напряжение на конденсаторе k уменьшается до уровня ниже среднего и одновременно напряжение на конденсаторе 5 отклоняется до уровня,большего, чем среднее значение (по абсолютной величине). Конденсаторы и 5 обмениваются уровнями отклонения их напряжений от среднего значения с увеличением (усилением) размаха напряжения отклонения от среднего значения. Это происходит за счет действия отрицательного динамического сопротивления тиристора и действия внутренней обратной положительной связи между последовательно включенными первичными обмотками 3 и 6. В этом обмене уровнями напряжения на конденсаторах t и 5 принимают участие и обмотки трансформатора. При переходе работы генератора с интервала I на интервал 1Д (фиг. 2) первичные обмотки 3 и 6 трансформагора , расположенные в разных плечах моста, переключаются с раздельной их работы на последовательное соединение и между ними через вторичную обмотку устанавливается внутренняя положительная обратная связь по току. Эта связь приводится в действие открывающимся тиристором и между обмотками происходит обмен потокосцеплениями. Этот обмен потокосцеплениями между обмотками 3 и 6 по своему характеру аналогичен обмену зарядами между конденсатором и 5- Наличие внутренней положительной обратной связи по току между обмотками 3 и 6,действующей через вторичные обмотки трансформатора, производит полную комг1енсзцию активной и реактивной составляющих напряжения на обмотках 3 и 6 и обеспечивает прохождение импульса тока при мгновенном обмене зарядами между конден саторами 4 и 5. Таким образом, первичная цепь трансформатора, формируя дельта импульс тока в контуре прямого хода .колебаний, фактически формирует дел та импульс мощности или ступеньки энергии. Источниками этой энергии в данном случае являются исходная разница уровней энергии на коиденсаторах и 5 начальный запас магнитной энергии во вторичной обмотке трансформатора и тиристор. Электростатическая энергия поляризационной полупроводниковой струк туры тиристора, разрушаясь, прину дает конденсаторы 4 и 5 обмениваться зарядами, а группы обмоток транс форматора, расположенные в разных плечах моста, - потокосцеплениями. При этом энергия тиристора (элемента с отрицательным динамическим сопротивлением) , накопленная им при формировании электростатической поляризационной структуры в период работы генератора электрических импульсов в интервал, мгновенно передается не только конденсатору 5i но и сердечнику трансформатора 7 Обмотка 11 подмагничивания замкнута (образуя контур возбуждения высокой частоты) на люббй элемент электрической цепи: конденсатор, резистор,,дроссель. Они в этом случае обеспечивают работу генератора электрических импульсов на его холостом ходу и управляют моментом включения тиристора. Далее (после перехода с интервал 1 на интервал Ц) в интервале 1J. начинает проходить волна тока прямо го хода колебаний в первичной цепи, 1изменяются напряжения на конденсаtTopax 4 и 5- При достижении током Тиристора 13 величины, равной нулю, тиристор закрывается. Схема переход в следующий интервал работы (фиг. 2 интервал 1JJ), при этом формируется контур обратного хода колебаний, В его состав входят диоды 1 , 2 и посл довательно включенные конденсаторы 4, 5 и обмотки 3 6. Волна обратног хода колебаний тока значительно (примерно в 2 раза) меньше.по велич не амплитуды, чем волна прямого хода колебаний тока в первичной цепи. При достижении током обратного хода колебаний своего максимального значения происходит переход работы генератора в следующий интервал (интервал IV, фиг. 2). В этот момент происходит .подключение внешнего источника к крлебательному контуру обратного хода колебаний. Диод 2 через корот- . кий промежуток временно закрывается и схема переходит в J интервал работы. Далее процесс .формирования высокочастотных колебаний повторяется аналогично описанному выше. Интегральная разница прямого и обратного хода колебаний тока в конденсаторах и 5 обеспечивает получение колебаний напряжений на конденсаторах от.носительно их среднего значения, ко;торое равно амплитудному значению (Напряжения источника питания моста. Взаимная связь реакция (тока) первичной цепи и реакции (тока) вторичной цепи такова, что току первичной це:пи соответствует производная тока вторичной цепи, а току вторичной цепи.соответствует интеграл тока первичной цепи. Поэтому дельта функции и синусу тока первичной цепи соответствует ступенька и косинус тока вторичной цепи. Съем -нагрузки у генератора электрических импульсов может быть произведен также за счет отбора энергии поляризационных потерь в диэлектрике конденсатора 10 или потерь в железе трансформатора 7В опытном образце генератора электрических импульсов с использованием тиристора Д235Г (при питании его от источника внешнего напряжения 127 В, 50 г) получена частота импульсов свыше 5000 Г. На фиг. t показана схема генератора импульсов, в которой в качестве элемента с отрицательным динамическим сопротивлением использован искродуговой промежуток и которая дополнительно, содержит вторичные обмотки 17 и 18, промежуточный потребитель энергии, например конденсатор 19, искродуговой промежуток 20. Принцип действия этого варианта генератора импульсов аналогичен изображенному на фиг. 1. В данном случае используются эрозионные свойства ис родугового промежутка, при которых 9 происходят разрушения материала ано да униполярными импульсами. Особенности данной, схемы состоят в том, что обмотка подмагничивания в ней совмещена со вторичными обмотками, а нагрузка вторичной обмотки и дополнительный конденсатор совмещены с конденсатором - промежуточным потребителем электроэнергии, В качест ве промежуточного потребителя электроэнергии может использоваться не только конденсатор, но также резист или дроссель, или любая их комбинация. Это обеспечивает возможность регулирования формы импульса тока, проходящего через искродуговой промежуток. Уставка срабатывания искро дугового промежутка регулируется изменением параметров самого искродугового промежутка. В опытном образце генератора электрических импульсов по схеме фиг. i отмечены незначительная эрозия катодного эле трода (инструмента), при этом ток короткого замыкания меньше рабочего тока, а напряжение холостого хода близко к удвоенному значению амплитуды входного питающего напряжения. На фиг. 3 показана схема генератора импульсов, в которой, в качест ве элемента с отрицательным динамическим сопротивлением, использована люминесцентная лампа 21. Число ламп произвольно и определяется параметр ми ламп и параметрами питающей сети В этом варианте использована одна мостовая схема и один трансформатор с воздушным сердечником. Четное чис ло первичных обмоток (равное 2) и вторичная обмотка содержат по одном витку. Индуктивность вторичной обмотки увеличена за счет включения в ее цепь дросселя 22. Роль промежу точного потребителя энергии выполня ет сама люминесцентная лампа. Принцип работы схемы генератора импульсов по схеме фиг. 5 по своему существу аналогичен принципу работы выш описанных схем по фиг. 1 и t. Наличие токопроводящей полосы 23 обеспечивает поперечное воздействие на дуговой разряд. Таким образом, при наличии продольного и поперечного воздействия на дуговой разряд во вторичной цепи моста возбуждаются колебания, характерные для автоколебательной системы с переменными параметрами (параметрические автоколебания) . 58 В схеме генератора импульсов с использованием люминесцентной лампы (см. фиг. 5) прямой ход кодабанпй тока совершается через ланпу, а обратный ход колебаний - через опорный диод 2 и диоды моста, т.е. лампе предоставляется возможность восстановить свою поляризованную структуру без обратного ее зажигания, а это в точности соответствует механизму прямого и обратного хода колебаний высокой частоты в ранее описанных вариантах. В работе схемы с люминесцентной лампой проявляются такие особенности: в лампе самопроизвольно формируется внутренняя токопроводящая полоса из мелких разобщенных капелек ртути, оседающих на внутренней стороне стекла лампы под наружной токопроводящей полосой. Это формирует электрическую емкость, необходимую для четкого возбуждения и непрерывного действия высокочастотных релаксационных колебаний напряжения на лампе; возбуждаемые высокочастотные релаксационные колебания в зоне анода лампы передаются всей лампе и обеспечивают пуск лампы с использованием тлеющего разряда; наличие высокочастотных релаксационных колебаний в зоне анода лампы обеспечивает устранение влияния катафореза люминесцентных ламп при их питании от источника тока постоянного направления. Периодической переполюсовки лампы при этом не требуется. Таким образом, во всех приведенных образцах генератора электрических импульсов происходит один и тот же характер возбуждения высокочастотных релаксационных колебаний (автоколебательная система с параметрическим возбуждением). При прямом ходе колебаний происходит лавинообразное разрушение электростатической поляризационной структуры элементы с отрицательным динамическим сопротивлением при одновременной перестройке колебательного контура (конденсаторы моста и первичные обмотки трансформатора переключаются на последовательную работу). При обратном ходе колебаний в составе колебательного контура заменяется элемент с отрицательным динамическим сопротивлением на элемент, не имеющий отрицательного динамического сопротивления. Элемент с отрицательным динамическим сопротивлением шунтируется диодами и вос станавливает свою поляризационную структуру. Далее происходит повторн переключение конденсаторов и обмото моста сначала на параллельную работу, а затем на раздельную работу. Вторичная цепь при этом не изменяет своего состава. При разрушении элек тростатической поляризации освобожд ется энергия, которая переходит в энергию магнитной поляризации и (пр очерёдном действии внешнего источни ка) энергия поляризации сердечников используется для накопления энергии в конденсаторе. Это создает условия многократного преобразования энерги по замкнутому контуру схемы в первичных цепях генератора импульсов так, что устойчивым состояниям неза .тухающих релаксационных колебаний соответствует определенный потенциальный уровень. При сохранении неизменного значе ния полной энергии наличие многократного использования энергии в ее кинетической форме приводит к тому, что потенциальная энергия сис .темы повышается. Поэтому высокочастотные колебания тока и напряжения (энергии) во всех схемах как в первичной, так и во вторичных цепях совершаются на определенном потенциальном уровне. Это создает условия для повышения КПД. Характер импульсов колебаний у генератора электрических импульсов зависит от многих переменных и постоянных параметров схемы, что расширяет возможности его использования. формула изобретения 1. Генератор импульсов, содержащий по крайней мере, один электрический мост, в двух смежных плечах которого включены дибды, общая точка диодов подключена к одному выводу источника питания, а в двух других смежных плечах моста включены последовательно соединенные конденсаторы и первичные обмотки трансформаторов, общая точка которых соединена с другим выводом источника питания, отличающийся тем, что, с целью повышения частоты следования импульсов, параллельно диодам смежных плеч моста включен элемент с отрицательным динамическим сопротивлением. 2.Генератор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве элемента с отрицательным динамическим сопротивлением использован тиристор, блок управления , а также последовательно соединенные нагрузка, вторичная обмотка трансформатора и дополнительный конденсатор подключены параллельно диодам смежных плеч моста, обмотка подмагничивания трансформатора подключена к промежуточному потребителю энергии. 3.Генератор по п. 1 , о т л и чающийся тем, что в качестве элемента с отрицательным динамическим сопротивлением использован f1cкpoдyгoвoй промежуток, параллельно которому включены последовательно соединенные вторичная обмотка трансформатора и промежуточный потребитель энергии. i. Генератор по п. 1, о т л и ч а ю щ и й-с я тем, что в качестве элемента с отрицательным динамическим сопротивлением использована люминесцентная лампа с токопроводящсй полосой, в цепь люминесцентной лампы включены вторичная обмотка трансформатора и дроссель, токопроводящая полоса соединена с общей точкой конденсаторов моста, параллельно лампе, последовательно с ее электродами, включен опорный диод. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 287110, кл. Н 03 К 3/332, 19692.Авторское свидетельство СССР № , кл. Н 02 М 5/16, 1972 (прототип) .

15

16 / x-Н/1/1/1Ш Ш/Ш/|

Г

О //(i)

0

а

/7.J

)

D

a

f

-Kb

.5