Генератор високовольтних імпульсів

Корисна модель відноситься до високовольтної імпульсної техніки та призначена для формування коротких імпульсів високої напруги і може використовуватись для живлення електрофізичних пристроїв: імпульсних газових лазерів, генераторів озону, очищувачів повітря від токсичних домішок та тощо. Відомий генератор високовольтних імпульсів [Мешков А.Н. Магнитные генераторы мощных наносекундных импульсов. //Приборы и техника эксперимента, 1990. №1. С.23], виконаний на базі підвищувального імпульсного трансформатора з комутацією енергії у первинному колі імпульсним тиристором. Для збільшення пікової потужності вихідних імпульсів у генераторі застосовуються ланцюги магнітної компресії, у яких відбувається скорочення імпульсів у часі. Недоліком генератора є велика кількість ланцюгів магнітної компресії через відносно малу швидкодію тиристорів і, як наслідок, суттєві втрати електричної енергії у ланцюгах компресії. Також є потреба у додатковій системі розмагнічування осердя магнітних ключів в ланцюгах магнітної компресії, що призводить до ускладнення генератору. Найбільш близьким по сукупності ознак до пристрою, що заявляється, є генератор високовольтних імпульсів [Рукин С.Н. Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми прерывателями тока. //Приборы и техника эксперимента, 1999. №4. С.5], який має первинний ємнісний нагромаджувач, вхідний підвищувальний імпульсний трансформатор та первинний комутатор у вигляді тиристора. Генератор має два ланцюга магнітної компресії (один ланцюг - проміжний магнітний компресор, другий ланцюг - високовольтний магнітний компресор), при цьому кожний магнітний ланцюг збільшує вихідну напругу у два рази одночасно з скороченням імпульсів у часі, а також в магнітних ланцюгах здійснюється автоматичне перемагнічення осердя магнітних ключів. Окрім того, генератор створено з повністю твердотільною системою комутації енергії, в якому напівпровідниковий переривач струму виконує функцію кінцевого підсилювача потужності. Недолік у відомому генераторі полягає в тому, що для скорочення імпульсів у часі використовується два ланцюга магнітної компресії - проміжний магнітний компресор та високовольтний магнітний компресор, які з'єднано послідовно і через те у генераторі підвищуються втрати електричної енергії. В основу корисної моделі поставлено завдання розробки генератора високовольтних імпульсів, в якому за рахунок введення транзистора в якості комутатора досягається скорочення тривалості початкових імпульсів, що дозволяє мінімізувати кількість ланцюгів магнітної компресії, та за рахунок застосування нової схеми ланцюга магнітної компресії зменшити втрати електричної енергії. Для вирішення поставленого завдання в генераторі високовольтних імпульсів, що містить первинний ємнісний нагромаджувач, первинний комутатор, вхідний імпульсний трансформатор, напівпровідниковий переривач струму, навантаження, ланцюг магнітної компресії, що введений між вторинною обмоткою вхідного імпульсного трансформатора та напівпровідниковим переривачем струму, згідно з корисною моделлю первинний комутатор виконаний у вигляді транзистора, а ланцюг магнітної компресії, містить вторинний ємнісний нагромаджувач, який складається з першого, другого та третього нагромаджувальних конденсаторів, перший нагромаджувальний конденсатор з'єднаний паралельно з вторинною обмоткою вхідного трансформатора, між першим виводом першого магнітного ключа та першим виводом першого нагромаджувального конденсатора увімкнено другий нагромаджувальний конденсатор, другий вивід першого магнітного ключа з'єднано з першим виводом первинної обмотки першого вихідного трансформатора, а другий вивід первинної обмотки першого вихідного трансформатора з'єднано з другим виводом першого нагромаджувального конденсатора, між першим виводом другого магнітного ключа та другим виводом першого нагромаджувального конденсатора увімкнено третій нагромаджувальний конденсатор, другий вивід другого магнітного ключа з'єднано з першим виводом первинної обмотки другого вихідного трансформатора, а другий вивід первинної обмотки другого вихідного трансформатора з'єднано з першим виводом першого нагромаджувального конденсатора, перші виводи вторинних обмоток першого та другого вихідних трансформаторів з'єднані з першими виводами першого та другого вихідних конденсаторів відповідно, другий вивід першого вихідного конденсатора з'єднано з першим виводом першого напівпровідникового переривача струму, а другий вивід переривача підключено до другого виводу вторинної обмотки першого вихідного трансформатора, так саме увімкнено другий напівпровідниковий переривач струму по відношенню до другого вихідного трансформатора та другого вихідного конденсатора, другий вивід першого переривача струму з'єднано з першим виводом другого переривача струму, таким чином перший та другий переривачи струму увімкнені по відношенню один до одного послідовно. Схема заявляемого генератора показана на фіг.1. Схема містить первинний ємнісний нагромаджувач 1 та транзисторний ключ 2, які підключені до первинної обмотки вхідного імпульсного трансформатора 3. Паралельно до вторинної обмотки вхідного трансформатора 3 увімкнено перший нагромаджувальний конденсатор 4, який з'єднаний з другим 5 та третім 6 нагромаджувальними конденсаторами, а також з первинними обмотками першого 9 та другого 10 вихідних трансформаторів. До другого нагромаджувального конденсатора 5 підключено перший магнітний ключ 7, який далі з'єднаний з первинною обмоткою першого вихідного трансформатора 9, до третього нагромаджувального конденсатору 6 підключено другий магнітний ключ 8, який з'єднаний з первинною обмоткою другого вихідного трансформатора 10. Вторинна обмотка першого вихідного трансформатора 9 з'єднана з першим вихідним конденсатором 11. Перший напівпровідниковий переривач струму 13 підключено між першим вихідним конденсатором 11 та вторинною обмоткою вихідного трансформатора 9. У свою чергу вторинна обмотка другого вихідного трансформатора 10 з'єднана з другим вихідним конденсатором 12, а другий напівпровідниковий переривач струму 14 підключено між другим вихідним конденсатором 12 та вторинною обмоткою вихідного трансформатора 10. Навантаження складається з чисто активного елемента 15, у якості якого виступає розрядний проміжок електрофізичного пристрою та паралельного конденсатора 16. На схемі фіг.1. наведена полярність зарядної напруги конденсаторів ланцюга магнітної компресії. Робота генератора відбувається в такий спосіб. Конденсатор 1 заряджається від зовнішнього джерела живлення з вказаною на схемі полярністю, струмом, який тече через первинну обмотку вхідного трансформатора 3 та перемагнічує його. При подачі керуючого імпульсу на керуючий вивід транзистора 2, транзистор включається и конденсатор 1 розряджається через трансформатор 3 та заряджує конденсатори 4, 5, 6. Конденсатор 4 заряджується безпосередньо від вторинної обмотки трансформатора 3, а струм заряду конденсатора 5 проходить через магнітний ключ 7 та первинну обмотку першого вихідного трансформатора 9, також струм заряду конденсатора 6 проходить через магнітний ключ 8 та первинну обмотку другого вихідного трансформатора 10. Найефективніша передача енергії з конденсатора 1 до конденсаторів 4, 5, 6, якщо ємності 2 конденсаторів узгоджені з співвідношеннями: C1 = 4C × k т , C4 = 2C , де С = C5 = C6 , kт - коефіцієнт трансформації вхідного імпульсного трансформатора. У мить закінчення заряду конденсаторів 4, 5, 6 відбувається насичення осердя вхідного імпульсного трансформатора і конденсатор 4 перезаряджається через вторинну обмотку трансформатора. Наростаюча напруга на послідовно з'єднаних конденсаторах 4, 5 блокується першим магнітним ключем 7. Відповідно наростаюча напруга на послідовно з'єднаних конденсаторах 4, 6 блокується другим магнітним ключем 8. Магнітні ключі 7, 8 насичуються у мить максимальної напруги, яка прикладається до них. Після увімкнення магнітного ключа 7 починається розряд конденсаторів 4 та 5 та передача їхньої енергії до вихідного конденсатора 11 через трансформатор 9 та відкритий для цієї полярності переривач струму 13. При увімкненні магнітного ключа 8 починається розряд конденсаторів 4 та 6 та передача їхньої енергії до вихідного конденсатора 12 через трансформатор 10 та відкритий для цієї полярності переривач струму 14. Обидва ці процеси передачі енергії відбуваються синхронно. У мить коли закінчився процес заряду вихідних конденсаторів 11, 12 відбувається насичення осердя вихідних трансформаторів 9, 10 і конденсатори 11, 12 перезаряджаються через вторинні обмотки трансформаторів 9, 10 та відкриті переривачи струму 13, 14. Коли струм розряду конденсаторів 11,12 досягає максимального значення, що відповідає переходу енергії з конденсаторів 11, 12 до індуктивностей розсіяння трансформаторів 9, 10, переривачи 13, 14 відновлюють свої закриваючи властивості. Після обриву струму переривачами 13, 14 на індуктивностях розсіяння трансформаторів 9, 10, які з'єднані послідовно та на переривачах 13,14, виникає перенапруга, і імпульс напруги надходить до навантаження 15,16. Таким чином, у запропонованому генераторі високовольтних імпульсів застосування транзистора в якості комутатора дозволяє скоротити тривалість початкових імпульсів і таким чином зменшити кількість ланцюгів магнітної компресії до одного. Схема ланцюга магнітної компресії забезпечує скорочення тривалості імпульсу з одночасним помноженням напруги в 4 рази, не враховуючи збільшення напруги за рахунок трансформації та дозволяє зменшити втрати електричної енергії. Генератор високовольтних імпульсів, що заявляється, може використовуватись у високовольтній імпульсній техніці для формування коротких імпульсів високої напруги для живлення електрофізичних пристроїв.