Магнітно-напівпровідниковий генератор перезарядних однополярних імпульсів

Магнітно-напівпровідниковий генератор перезарядних однополярних імпульсів, що містить джерело напруги постійного струму, зарядне коло, складене послідовним з'єднанням першого ключа із односторонньою провідністю, робочої обмотки лінійного дроселя та першого конденсатора, яке відповідно провідності першого ключа підключене співвідносно до вихідних позитивної та негативної клем джерела напруги, перший комутаційний дросель, перший вивід якого з'єднаний із спільною точкою робочої обмотки лінійного дроселя та першого конденсатора, трансформатор, первинна обмотка якого зашунтована вільними виводами відповідно другого комутаційного дроселя та другого конденсатора, котрі з'єднані між собою послідовно, вторинна обмотка трансформатора зашунтована виводами третього конденсатора та U 2 (19) 1 3 таження, а джерело напруги споряджене виходом додаткового живлення схеми керування, яка має також вихідні клеми струму підмагнічуваня, які підключені до керуючої обмотки зарядного дроселя. Недоліком відомого магнітнонапівпровідникового генератора однополярних наносекундних імпульсів є те, що перший комутаційний дросель має збільшену установлену потужність, внаслідок того, що він повинен бути розрахований на сумарний час зарядження першого конденсатора та післякомутаційного відновлення закритого стану тиристора. Це викликає збільшення індуктивності першого комутаційного дроселя та відповідно зменшення коефіцієнта компресії імпульсів, опрацьованого першим комутаційним дроселем, що стає причиною відповідного збільшення сумарних установлених потужностей всіх наступних комутаційних дроселів та конденсаторів. Крім того, тільки за рахунок створених ненульових початкових умов на першому конденсаторі недостатньо перемагнічується перший комутаційний дросель в післякомутаційний період, що також збільшує його установлену потужність. Також відомий магнітно-напівпровідниковий генератор має звужені функціональні можливості, власне, додатково має лише функцію стабілізації зарядних імпульсів щодо напруги джерела живлення. Задачею корисної моделі є створення магнітно-напівпровідникового генератора перезарядних однополярних імпульсів, у якому шляхом введення другого ключа із односторонньою провідністю, другої обмотки лінійного дроселя, діода, елемента перемагнічувального струму та спорядження схеми формування сигналів другим сигнальним виходом, а також відповідних введеним елементам нових зв'язків досягається новий технічний результат – зменшення установлених потужностей індуктивних елементів та накопичувальних конденсаторів за рахунок виключення часу відновлення закритого стану першого ключа в післякомутаційний період при визначенні індуктивності першого комутаційного дроселя, та перемагнічування його осердя практично по повній петлі гістерезису, що позитивно впливає на зменшення установлених потужностей всіх наступних силових елементів пристрою, а також досягаються нові функції: відновлення магнітного стану осердя індуктивного елемента самим же інверсно-зарядним імпульсом і без джерела підмагнічування; інверсія напруги джерела живлення перед другим комутаційним дроселем, можливість модуляції вихідних імпульсів за допомогою другого ключа. Вищевикладене дає позитивний ефект щодо спрощення пристрою у цілому та розширення його функціональних можливостей. Рішення поставленої задачі досягається за рахунок того, що у магнітно-напівпровідниковий генератор перезарядних однополярних імпульсів, що містить джерело напруги постійного струму, зарядне коло, складене послідовним з'єднанням першого ключа із односторонньою провідністю, робочої обмотки лінійного дроселя та першого конденсатора, яке відповідно провідності першого ключа підключене співвідносно до вихідних пози 57078 4 тивної та негативної клем джерела напруги, перший комутаційний дросель, перший вивід якого з'єднаний із спільною точкою робочої обмотки лінійного дроселя та першого конденсатора, трансформатор, первинна обмотка якого зашунтована вільними виводами відповідно другого комутаційного дроселя та другого конденсатора, котрі з'єднані між собою послідовно, вторинна обмотка трансформатора зашунтована виводами третього конденсатора та відповідно вхідним і спільним виводами блока наступних вузлів магнітної компресії імпульсів, вихідний та спільний виводи якого зашунтовані виводами однополярного навантаження, а також схему формування сигналів, вхід живлення якої під'єднаний до виходу допоміжного живлення джерела напруги, а її перший сигнальний вихід з'єднаний з керуючим входом першого ключа, додатково введені перезарядна обмотка лінійного дроселя та другий ключ із односторонньою провідністю, які з'єднані між собою послідовно, їх вільні виводи підключені відповідно до спільної точки робочої обмотки лінійного дроселя із першим конденсатором та до негативної вихідної клеми джерела напруги, до якої спрямована провідність другого ключа, діод, катод та анод якого під'єднані відповідно до другого виводу першого комутаційного дроселя та до спільної точки виводів другого комутаційного дроселя і другого конденсатора, а також елемент перемагнічувального струму, перший та другий виводи якого під'єднані відповідно до катода діода та до спільної точки перезарядної обмотки лінійного дроселя із другим ключем, а другий сигнальний вихід схеми формування сигналів підключений до керуючого входу другого ключа. Порівняльний аналіз із прототипом показує, що магнітно-напівпровідниковий генератор перезарядних однополярних імпульсів, що заявляється, відрізняється наявністю нових елементів, а саме: другим ключем із перезарядною обмоткою лінійного дроселя, діода, елемента перемагнічувального струму та другого сигнального виходу схеми формування сигналів, а також новими зв'язками, що полягають у відповідному з'єднанні нових елементів із відомими елементами пристрою зазначеним вище чином. Нові елементи та зв'язки корисної моделі розраховані на їх практичну реалізацію з досягненням поставленої задачі: зменшення підсумкової установленої потужності всіх силових реактивних елементів, тобто спрощення пропонованого пристрою, внаслідок виключення часу відновлення першого ключа в післякомутаційний його період при визначенні індуктивності першого комутаційного дроселя та практично повного відновлення магнітного стану його осердя в передкомутаційний період завдяки інверсії зарядного імпульсу та елементу перемагнічувального струму; розширення функціональних можливостей пристрою, крім основного призначення в якості генератора, таких як інверсія полярності напруги, можливості моделювання імпульсів, виконання захисних та перемагнічувальних функцій і все це за допомогою другого ключа. На підставі вищевикладеного можна зробити висновок про те, що сукупність істотних відмінних 5 ознак, викладених в формулі корисної моделі, дозволяє досягти нового технічного результату, який забезпечує передбачувана корисна модель, щодо спрощення пристрою та розширення його функціональних можливостей. Сутність корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1 представлена схема електрична принципова магнітно-напівпровідникового генератора перезарядних однополярних імпульсів. На фіг. 2 наведені епюри імпульсів струму в обмотках лінійного дроселя та відповідно в першому конденсаторі, в обмотках першого та другого комутаційних дроселів і відповідно в другому конденсаторі та первинній обмотці трансформатора. Магнітно-напівпровідниковий генератор перезарядних однополярних імпульсів містить джерело 1 напруги постійного струму, зарядне коло, складене послідовним з'єднанням першого ключа 2 із односторонньою провідністю, робочої обмотки 3 лінійного дроселя 4 та першого конденсатора 5, яке відповідно провідності першого ключа 2 підключене співвідносно до вихідних позитивної та негативної клем джерела напруги 1, перший комутаційний дросель 6, перший вивід якого з'єднаний із спільною точкою робочої обмотки 3 лінійного дроселя 4 та першого конденсатора 5, трансформатор 7, первинна обмотка 8 якого зашунтована вільними виводами відповідно другого комутаційного дроселя 9 та другого конденсатора 10, котрі з'єднані між собою послідовно, вторинна обмотка 11 трансформатора 7 зашунтована виводами третього конденсатора 12 та відповідно вхідним і спільним виводами блока 13 наступних вузлів магнітної компресії імпульсів, вихідний та спільний виводи якого зашунтовані виводами однополярного навантаження 14, а також схему 15 формування сигналів, вхід 16 живлення якої під'єднаний до виходу 17 допоміжного живлення джерела 1 напруги, а її перший сигнальний вихід 18 з'єднаний з керуючим входом ключа 2. Магнітно-напівпровідниковий генератор додатково забезпечений перезарядною обмоткою 19 лінійного дроселя 4 та другим ключем 20 із односторонньою провідністю, які з'єднані між собою послідовно, їх вільні виводи підключені відповідно до спільної точки робочої обмотки 3 лінійного дроселя 4 із першим конденсатором 5 та до негативної вихідної клеми джерела 1 напруги, до якої спрямована провідність другого ключа 20, діод 21, катод та анод якого під'єднані відповідно до другого виводу першого комутаційного дроселя 6 та до спільної точки виводів другого комутаційного дроселя 9 та другого конденсатора 10, а також елемент 22 перемагнічувального струму, перший та другий виводи якого під'єднані відповідно до катода діода 21 та до спільної точки перезарядної обмотки 19 лінійного дроселя 4 із другим ключем 20, а другий сигнальний вихід 23 сигналів схеми 15 формування сигналів підключений до керуючого входу другого ключа 20. Пристрій працює наступним чином. З першого сигнального виходу 18 схеми 15 формування сигналів подаються тактові імпульсні сигнали UT з 2 57078 6 періодом Т і тривалістю 5 перший ключ 2 із одЗ носторонньою провідністю. Якщо перший ключ 2 виконаний як тиристор, то тривалість 2 сигналів UT 2 визначається із співвідношення: 5  2  5  10мкс . За наявністю сигналу UT З 2 перший ключ 2 відпирається, через нього та робочу обмотку 3 лінійного дроселя 4 від джерела 1 напруги резонансно заряджається перший конденсатор 5 при зарядному струмі iЗ . По закінченню 5 резонансного заряду конденсатора 5 через час 5 З позитивне максимальне значення напруги на кон денсаторі 5: U5 m  UOH - основної напруги джере ла 1. При цьому ключ 2 запирається напругою  U5 m , якщо він виконаний як тиристор, або запира ється зняттям сигналу UT за витоком часу 5 , З 2 якщо ключ 2 виконаний як транзистор. Через час ∆2, який необхідний для відновлення закритого стану ключа 2, з другого сигнального виходу 23 схеми 15 формування сигналів подаються переза5 рядні імпульсні сигнали UП з тривалістю П  5 . 20 З За наявністю сигналу UП другий ключ 20 відпи20 рається, через нього та перезарядну обмотку 19 дроселя 4 конденсатор перезаряджається при 5 перезарядному струмі iП . Одночасно від позитив ної напруги U5 на конденсаторі 5 протікає перема6 5 гнічувальний струм i  iП по колу: перший кому таційний дросель 6, елемент перемагнічувального 6 струму 22, другий ключ 20. Завдяки струму i за 5 час П практично відновлюється попередній магнітний стан осердя першого комутаційного дроселя 6. По завершенню резонансного перезаряду 5 конденсатора 5 за час П до інверсної максима льної напруги Um другий ключ 20 запирається 5 цією напругою, якщо він виконаний як тиристор, або запирається зняттям сигналу UП за витоком 20 5 часу П , якщо другий ключ виконаний як транзистор. При цьому час на відновлення запертого стану другого ключа 20 враховувати при визначенні індуктивності комутаційного дроселя 6 практично не потрібно, оскільки цей ключ і конденсатор 5 на 5 протязі часу П відокремлені запертим першим ключем 2 від джерела 1 напруги. Тому за витоком 5 часу П спрацьовує комутаційний дросель 6 і енергія, накопичена на конденсаторі 5 при інверсній  напрузі U5 , передається на конденсатор 10 із роз рядним струмом 5 P  5 П 5 5 iP  iП при його тривалості через діод 21 та насичений дросель 6. При цьому індуктивність L6 насиченого дроселя 6 S 7 57078 та його індуктивність L6 до спрацювання від напруги Um , тобто до його комутації, знаходяться у 5 співвідношенні L6  L6 . S Потім по досягненню на другому конденсаторі 5 m інверсної максимальної напруги U10 за час P , спрацьовує другий комутаційний дросель 9. Накопичена енергія на конденсаторі 10 при 5 5 струмі i10  iP із його тривалістю 10  P , який P P замикається через первинну обмотку 8 трансформатора 7 та насичений дросель 9, передається через вторинну обмотку 11 трансформатора 7 на третій конденсатор 12. Тобто перший вузол магнітної компресії складається із комутаційного дроселя 6, конденсатора 10, діода 21, другий вузол магнітної компресії - із комутаційного дроселя 9, конденсатора 12, трансформатора 7. Наступні вузли магнітної компресії імпульсів блока 13 виконані таким же чином на комутаційних дроселях та накопичувальних конденсаторах. Тому далі накопичена енергія на конденсаторі 12 передається на наступні вузли магнітної компресії імпульсів блока 13, в якому здійснюється необхідна для навантаження 14 компресія однополярних імпульсів струму щодо їх тривалості згідно з відомим принципом роботи магнітних генераторів [1]. Для генераторів імпульсів мікро- та наносекундної тривалості кількість вузлів магнітної компресії імпульсів в блоці 13 може бути від одного до трьох. Кількість витків w6 дроселя 6 визначається із співвідношення [1]: w6  Um  tm 5 5 BS  S6 (1) де tm - час зростання напруги на конденсаторі 5 5 до максимального значення; ∆BS, S6 - відповідно прирощення магнітної індукції в осерді дроселя L6 та площа поперечного перетину осердя. Із вищевикладеного принципу роботи пристрою видно, що  при зростанні напруги U5 на конденсаторі 5 дро сель 6 блокується діодом 21. Без такого блокування час tm  5  2 . Але коли є перезаряд конЗ 5 5 денсатора 5, то час tm  П , тобто зменшується 5 5 на час ∆2, якщо 5  П . Крім того, значення ∆BS З без перезаряду та при перезаряді конденсатора 5   знаходиться в співвідношенні: BS  0,5BS , якщо не застосовувати зустрічне перемагнічування дроселя 6. А це потребує додаткового джерела живлення із складним захисним фільтром, враховуючи значну тривалість імпульсів через дросель 6. Тобто згідно з виразом (1) та запропонованим рішенням щодо перезаряджування конденсатора 5 сут 8 тєво зменшується час tm та збільшується значен5 ня параметра ∆BS, що визначає відповідне зменшення числа витків w6 дроселя 6. А це, в свою чергу, зменшує установлену потужність дроселя L6 6 5 та тривалість P імпульсів струму iP . Експериментально підтверджено, що за результатом застосування перезарядження конденсатора 5 та перемагнічування в цей час дроселя 6 досягнуто 5 5 зменшення тривалості P струму iP з (4,2-4,5) мкс до (2,0-2,2)мкс, тривалості 10 струму i10 з P P (2,0…2,4) мкс до (1,0…1,2) мкс. Наведене змен5 шення тривалості струму iP , i10 зменшує установP лені потужності не тільки дроселів 6 та 9, але також трансформатора 7 та комутаційних дроселів блока 13. Тобто досягається спрощення пропонованого магнітно-напівпровідникового генератора в цілому. Крім того, із викладеного принципу роботи пристрою, видно, що на конденсаторі 10 форму ється інверсна напруга U10 , що може бути в ряді випадків необхідним для узгодження генератора із навантаженням, для захисного заземлення, поліпшення електромагнітної сумісності та інше. До того ж, наявність додаткового ключа 20 дає принципову можливість стабілізації амплітуди інверсних імпульсів напруги Um на конденсаторі 5, пев5 ної модуляції по амплітуді цих та наступних імпульсів та виконувати захисні функції при перенапрузі на конденсаторі 5. Тобто досягається розширення функціональних можливостей пропонованого магнітно-напівпровідникового генератора. Пристрій виконаний як макетний зразок із навантаженням, опір якого складає 30 Ом - еквівалент активного елемента лазера на парах міді, підтвердив свою працездатність для досягнення нового технічного результату завдяки введеним новим елементам та зв'язкам, викладених у формі корисної моделі пропонованого генератора, а саме: спрощення та розширення його функціональних можливостей. Література 1. Меерович Л.А., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов. - М.: «Советское радио». - 1968, - 475 с. (с. 228, рис. 7.1, а). 2. Пат. № 40523, Украина, МПК Н03К7/00. Магнітно-напівпровідниковий генератор однополярних наносекундних імпульсів. /Волков І.В., Гапченко Л.М., Зозульов В.І., Шиманський О.Л. - Заявл. 28.11.2008; Опубл. 10.04.2009. Бюл. № 7. 9 Комп’ютерна верстка В. Мацело 57078 Підписне 10 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601