Магнітно-напівпровідниковий генератор однополярних імпульсів з перезарядно-розмагнічувальним вузлом

Магнітно-напівпровідниковий генератор однополярних імпульсів з перезаряднорозмагнічувальним вузлом, що містить джерело напруги постійного струму, зарядне коло, складене послідовним з'єднанням першого ключа із односторонньою провідністю, першого конденсатора та першого лінійного дроселя, яке, виходячи із провідності першого ключа, підключене відповідно до вихідних позитивної та негативної клем джерела напруги, перший комутаційний дросель, перший вивід якого з'єднаний із спільною точкою перших ключа та конденсатора, трансформатор, первинна обмотка якого зашунтована вільними виводами відповідно другого комутаційного дроселя та другого конденсатора, котрі з'єднані між собою послідовно, і вільний вивід другого конденсатора підключений також до спільної точки першого U 2 63085 1 3 із послідовно з'єднаних тиристора першого конденсатора та робочої обмотки зарядного дроселя, яке відповідно полярності тиристора підключене до джерела напруги, перший комутаційний дросель, один вивід якого з'єднаний із спільною точкою тиристора та першого конденсатора, його другий вивід під'єднаний до спільної точки другого комутаційного дроселя та другого конденсатора, вільні виводи котрих шунтують первинну обмотку трансформатора, до вторинної обмотки якого підключені наступні вузли магнітної компресії імпульсів, до виходу останнього із яких під'єднане навантаження, а джерело напруги споряджене виходом додаткового живлення схеми керування тиристором. Недоліком відомого магнітно-напівпровідникового 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 опрацьованого ним коефіцієнта компресії імпульсів, що стає причиною відповідного збільшення сумарних установлених потужностей наступних індуктивних елементів. Крім того, за рахунок створених ненульових початкових умов на першому та другому конденсаторах недостатньо перемагнічується трансформатор та перший і другий дросель. Також відомий магнітнонапівпровідниковий генератор має звужені функціональні можливості. Задачею корисної моделі є створення магнітно-напівпровідникового генератора однополярних імпульсів з перезарядно-размагнічувальним вузлом, в якому шляхом введення другого ключа із односторонньою провідністю другого лінійного дроселя, діода, елемента перемагнічувального струму та спорядження схеми формування керуючих сигналів другим сигнальним виходом, а також з'єднання введених елементів між собою та відповідно з новими елементами досягається новий технічний результат - зменшення установлених потужностей індуктивних елементів за рахунок виключення часу відновлення закритого стану першого ключа в післякомутаційний період при визначенні індуктивності першого комутаційного дроселя та завдяки перемагнічуванню відповідно осердь першого та другого дроселів, а також трансформатора практично по повній та симетричній петлі гістерезисну, що додатково позитивно впливає на зменшення установлених потужностей дроселів блока наступних вузлів компресії імпульсів, а також досягаються нові функції: відновлення магнітного стану осердь індуктивних елементів перезарядними імпульсами, виключаючи джерело їх підмагнічування; інверсії напруги джерела живлення; можливість модуляції імпульсів за допомогою другого ключа. Вищевикладене дає позитивний ефект щодо спрощення пристрою в цілому та розширення його функціональних можливостей. Рішення поставленої задачі досягається за рахунок того, що у магнітно-напівпровідниковий 63085 4 генератор однополярних імпульсів з перезарядноразмагнічувальним вузлом, що містить джерело напруги постійного струму, зарядне коло, складене послідовним з'єднанням першого ключа із односторонньою провідністю, першого конденсатора та першого лінійного дроселя, яке, виходячи із провідності першого ключа, підключене відповідно до вихідних позитивної та негативної клем джерела напруги, перший комутаційний дросель, перший вивід якого з'єднаний із спільною точкою перших ключа та конденсатора, трансформатор, первинна обмотка якого зашунтована вільними виводами відповідно другого комутаційного дроселя та другого конденсатора, котрі з'єднані між собою послідовно і вільний вивід другого конденсатора підключений також до спільної точки першого лінійного дроселя та першого конденсатора, 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 керуючих сигналів, вхід живлення якої під'єднаний до виходу допоміжного живлення джерела напруги, її перший сигнальний вихід з'єднаний з керуючим входом першого ключа, додатково введені другий ключ із односторонньою провідністю та другий лінійний дросель, котрі з'єднані між собою послідовно і своїми вільними виводами підключені відповідно до спільної точки перших ключа та конденсатора і до спільної точки других комутаційного дроселя та конденсатора, до якої спрямована провідність другого ключа і під'єднаний також анод діода, елемент перемагнічу вального струму, перший та другий виводи якого підключені відповідно до спільної точки других ключа та лінійного дроселя та до спільної точки другого виводу першого комутаційного дроселя та катоду діода, а другий сигнальний вихід схеми формування керуючих сигналів підключений до керуючого входу другого ключа. Порівняльний аналіз із найближчим аналогом показує, що магнітно-напівпровідниковий генератор однополярних імпульсів з перезарядноразмагнічувальним вузлом, що заявляється, відрізняється наявністю нових елементів, а саме: другого ключа із односторонньою провідністю, другого лінійного дроселя, діода, елемента перемагнічувального струму та другого сигнального виходу схеми формування керуючих сигналів, а також нових зв'язків, що полягають у відповідному з'єднанні нових елементів між собою та 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 індуктивних елементів, тобто спрощення пропонованого пристрою внаслідок виключення сумарного часу зарядження першого конденсатора та часу відновлення закритого стану першого ключа при визначенні індуктивності першого комутаційного дроселя, причиною чого є блокування цього дроселя на протязі зазначеного сумарного часу за допомогою діода, а також 5 внаслідок практично повного відновлення магнітного стану осердь першого та другого комутаційних дроселів і трансформатора після опрацювання ними відповідних імпульсів, причиною чого є проведення інверсії зарядних імпульсів за допомогою другого ключа та створення умов відновлення осердь згаданих індуктивних елементів за допомогою елемента перемагнічувального струму; розширення функціональних можливостей пристрою, крім основного призначення в якості генератора, таких як інверсія полярності напруги джерела живлення, перемагнічування індуктивних елементів, можливість моделювання перезарядних імпульсів і виконання захисних функцій і все це за допомогою другого ключа та допоміжних інших введених елементів. На підставі вищенаведеного можна зробити висновок про те, що сукупність істотних відмінних 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 однополярних імпульсів з перезарядноразмагнічувальним вузлом. На фіг.2 наведені епюри імпульсів струму в обмотках першого та другого комутаційних дроселів. Магнітно-напівпровідниковий генератор однополярних імпульсів з перезарядноразмагнічувальним вузлом містить джерело 1 напруги постійного струму, зарядне коло, складене послідовним з'єднанням першого ключа 2 із односторонньою провідністю, першого конденсатора 3 та першого лінійного дроселя 4, яке, виходячи із провідності першого ключа 2, підключене відповідно до вихідних позитивної та негативної клем джерела 1 напруги, перший комутаційний дросель 5, перший вивід якого з'єднаний із спільною точкою перших ключа 2 та конденсатора 3, трансформатор 6, первинна обмотка 7 якого зашунтована вільними виводами відповідно другого комутаційного дроселя 8 та другого конденсатора 9, котрі з'єднані між собою послідовно і вільний вивід другого конденсатора 7 підключений також до спільної точки першого лінійного дроселя 4 та першого конденсатора 3, вторинна обмотка 10 трансформатора 6 зашунтована виводами третього конденсатора 11 та відповідно вхідним і спільним виводами блока 12 наступних вузлів магнітної компресії імпульсів, вихідний та спільний виводи якого зашунтовані виводами однополярного навантаження 13, а також схему 14 формування керуючих сигналів, вхід 15 живлення якої під'єднаний до виходу 16 допоміжного живлення джерела 1 напруги, її перший сигнальний вихід 18 з'єднаний з керуючим входом першого ключа 2. Магнітно-напівпровідниковий генератор додатково забезпечений другим ключем 19 із односторонньою провідністю, другим лінійним дроселем 20, котрі з'єднані між собою послідовно і своїми 63085 6 вільними виводами підключені відповідно до спільної точки перших ключа 2 та конденсатора 3 і до спільної точки других комутаційного дроселя 8 та конденсатора 9, до якої спрямована провідність другого ключа 19 і під'єднаний також анод діода 21, елементом 22 перемагнічувального струму, перший та другий виводи якого підключені відповідно до спільної точки других ключа 19 та лінійного дроселя 20 та до спільної точки другого виводу першого комутаційного дроселя 5 та катоду діода 21, а другий сигнальний вихід 23 схеми 14 формування керуючих сигналів підключений до керуючого входу другого ключа 19. Пристрій працює наступним чином. З першого сигнального виходу 18 схеми 14 формування керуючих сигналів подаються тактові імпульсні сигнали UT з періодом Т і тривалістю 2 до керую14 2 чого входу першого ключа 2. За наявністю сигналу UT перший ключ 2 відпирається. Через нього та 2 лінійний дросель 4 від джерела 1 напруги резонансно заряджається до максимальної напруги Um 3 перший конденсатор 3 при струмі i4 та за час  4 , причому  4  2 , Um  2UОЖ - напруги основ14 3 ного живлення джерела 1. По закінченню резонансного заряду конденсатора 3 ключ 2 запирається, оскільки 2  4 і Um  UОЖ . Через час 14 3 19  B2 , який необхідний для відновлення закритого стану ключа 2 протягом B2 , з другого сигнального виходу 23 схеми 14 формування керуючих сигналів подаються перезарядні імпульсні сигнали UП тривалістю 19 до керуючого входу 19 14 другого ключа 19. За наявністю сигналу UП дру19 гий ключ 19 відпирається. Через нього та другий лінійний дросель 20, другий комутаційний дросель 8, первинну обмотку 7 трансформатора 6 і частково через другий конденсатор 9 перезаряджається від напруги Um до напруги Um при струмі i20 3 3 та за час 20 , причому 20  19 . Одночасно від 14  на конденсаторі 3 протікає позитивної напруги U 3 22 перемагнічувальний струм i  i20 по колу: дросель 5, елемент 22 перемагнічувального струму, відкритий ключ 19, дросель 8 і первинна обмо22 тка 7. Завдяки струму i за час 20 практично відновлюється початковий магнітний стан осердь дроселя 5, дроселя 8 і трансформатора 6. По завершенню перезаряду конденсатора 3 ключ 19 запирається, оскільки 19  20 , 14 Через час U  Um  U  0 . 3 3 3 ( 5  B19 )  19 , який необхідний для відно 7 влення закритого стану ключа 19 на протязі B19 , другий комутаційний дросель 5 переходить із стану намагнічування в стан насичення його осердя. Індуктивність дроселя 5 миттєво, у відношенні до 20  5 , у багато разів зменшується, накопичена енергія на конденсаторі 3 при інверсній напрузі U передається через діод 21 і насичений дро3 сель 5 в конденсатор 9 із розрядним струмом i5  i20 при тривалості 5  20 . Потім, по досягненню на конденсаторі 9 інверсної максимальної Um за час  5 , спрацьовує 9 другий комутаційний дросель 8. Накопичена енергія з інверсною напругою Um на конденсаторі 9 9 при струмі i8  i5 , який замикається через первинну обмотку 7 трансформатора 6 за час 8  5 , передається через вторинну обмотку 10 трансформатора 6 в третій конденсатор 11. Наступні вузли магнітної компресії імпульсів блока 12 виконані таким же чином на комутаційних дроселях та накопичувальних конденсаторах. Тому далі накопичена енергія на конденсаторі 11 передається на наступні вузли магнітної компресії імпульсів блока 12, в якому здійснюється необхідна для навантаження 12 компресія однополярних імпульсів струму щодо їх тривалості за відомим принципом роботи магнітних генераторів [1]. Кількість витків w5 дроселя 5 залежить від максимальної напруги Um на конденсаторі 3, часу її 3 зростання та утримання m , прирощення індукції 3 намагніченості (насичення) ΔBS5 осердя дроселя 5 та площі поперечного перерізу його осердя і визначається співвідношенням [1]: Um  m 3 3 , (1) w5  BS5  S5 Із вищевикладеного принципу роботи пристрою видно, що при зростанні напруги U на 3 конденсаторі 3 дросель 5 блокується діодом 21. Без такого блокування час m  4  19 . Але 3 коли є перезаряд конденсатора 5, то час m  0,520  5  , оскільки напруга U3 змінює 3 свою полярність орієнтовно через 0,5  20. Зважаючи на те, що 20   4 , оскільки при вищій напрузі U3 зменшується струм через ключ 19, 19  5  0 , оскільки вузол компресії імпульсів до спрацювання дроселя 5 відключений від джерела 1 напруги, то m  m . Крім того, 3 3 значення ΔBS без перезаряду - B та при переS  знаходяться у співвідношенні заряді - B S 63085 8 B  0,5B , якщо не застосовувати зустрічне S S підмагнічування дроселя 5. А це потребує додаткового джерела живлення із складним захисним фільтром, враховуючи значну тривалість імпульсів через дросель 5. Тобто, згідно з виразом (1) та запропонованим рішенням щодо перезарядження конденсатора 5 та відновлення початкового магнітного стану дроселя 5, суттєво зменшується час m та збільшується значення параметра ΔBS, що 5 визначає відповідне значення кількості витків w5 дроселя 5. А це, в свою чергу, зменшує установлену потужність дроселя L5 та тривалість  5 імпульсів струму i5 . Експериментально підтверджено, що за результатом перезарядження конденсатора 3 та перемагнічування в цей час дроселя 5 досягнуто зменшення тривалості  5 струму i5 з (4,2…4,5) мкс до (2,0…2,2) мкс. Це зменшення тривалості струму i5 , а також запропоноване перемагнічування дроселя 8, трансформатора 6 одночасно із дроселем 5 дозволило зменшити тривалість  8 струму i8 з (2,0…2,4) мкс до (1,0…1,2) мкс. Наведене зменшення тривалості струмів i5 , i8 сприяє відповідно зменшенню установлених потужностей дроселя 5, дроселя 8, трансформатора 6 та таким же чином - дроселів наступних вузлів магнітної компресії імпульсів блока 12. Тобто досягається спрощення пропонованого магнітно-напівпровідникового генератора в цілому. Крім того, на конденсаторі 9 формується інверсна напруга U , що в ряді випадків може бути 9 необхідним, наприклад, для поліпшення електромагнітної сумісності, заземлення, узгодження із наступними вузлами тощо. До того ж, в однотактному однополярному генераторі виконується принципово важлива функція - відновлення магнітного стану всіх індуктивних елементів в його низьковольтному колі, що без запропонованого рішення можливо тільки для різнополярних генераторів. Також наявність додаткового ключа 19 сприяє принципові можливості поліпшити стабілізуючі та захисні функції пристрою. Тобто додатково досягається розширення функціональних можливостей пропонованого магнітнонапівпровідникового генератора. Пристрій, виконаний як макетний зразок із навантаженням, опір якого складає 30 Ом - орієнтовний еквівалент активного елемента лазера на парах міді, підтвердив свою працездатність. Одержані при цьому його характеристики відповідають досягненню нового технічного результату завдяки введеним новим елементам та зв'язкам, викладених у формулі корисної моделі пропонованого магнітно-напівпровідникового генератора, а саме: спрощення та розширення його функціональних можливостей. Джерела інформації: 1. Меерович Л.А., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов. 9 - М: "Советское радио", 1968 - 475 с. (С. 228, рис. 7.1, а). 2. Пат. № 40523, Украина, МПК Н03К7/00. Магнітно-напівпровідниковий генератор однополяр Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 63085 10 них наносекундних імпульсів. / Волков І.В., Гапченко Л.М., Зозульов В.І., Шиманський О.Л. - Заявл. 28.11.2008; Опубл. 10.04.2009. - Бюл. № 7. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601