ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в электрофизических установках с емкостными накопителями энергии.
Известен генератор импульсов [1], содержащий ряд накопительных конденсаторов, коммутируемых тиристорами на общую нагрузку через токоформирующий дроссель. Недостатком известного устройства является невысокая надежность работы из-за высоких скоростей нарастания тока тиристоров при их включении [2].
В качестве прототипа выбран известный генератор импульсов [2], содержащий ряд накопительных конденсаторов, последовательно с каждым из которых, включены последовательно соединенные дроссель и тиристор, причем катоды всех тиристоров присоединены к токоформирующему дросселю, включенному последовательно с нагрузкой.
Недостатком прототипа являются пульсации тока и напряжения в нагрузке на интервале формирования вершины импульса, что сужает его функциональные возможности.
Предлагаемой полезной моделью решается задача совершенствования генераторов импульсов в направлении расширения его функциональных возможностей.
Технический результат от использования полезной модели состоит в снижении пульсации тока на интервале формирования вершины импульса в нагрузке.
Указанный технический результат достигается тем, что в генераторе импульсов, содержащем ряд накопительных конденсаторов, последовательно с каждым из которых включены последовательно соединенные дроссель и тиристор, причем катоды всех тиристоров присоединены к токоформирующему дросселю, включенному последовательно с датчиком
тока и нагрузкой, между токоформирующим дросселем и нагрузкой включен датчик тока, а к точке их соединения присоединен коллектор транзистора, эмиттер которого через диод, включенный в прямом направлении, подключена одна обкладка вспомогательного конденсатора, другая обкладка которого соединена с нагрузкой и общей точкой накопительных конденсаторов, а параллельно вспомогательному конденсатору присоединены вспомогательное зарядное устройство и коммутатор с последовательно включенным балластным резистором, причем управляющие электроды транзистора присоединены к выходу регулятора, вход которого подключен к выходу сумматора, к прямому входу которого присоединен выход датчика тока, а к инверсному входу подключен источник задающего напряжения.
Введение датчика тока, источника задающего напряжения, сумматора, регулятора, транзистора, диода, вспомогательного конденсатора, вспомогательного зарядного устройства и коммутатора с балластным резистором позволяет создать замкнутую систему автоматического регулирования по току нагрузки с отрицательной обратной связью. В результате этого пульсации тока в нагрузке могут быть уменьшены до требуемых значений, за счет выбора соответствующего коэффициента передачи регулятора.
Это позволяет, по сравнению с прототипом, снизить пульсации тока на интервале формирования вершины импульса в нагрузке.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема генератора импульсов, где 1, 2, 3, 4 - накопительные конденсаторы; 5, 6, 7, 8 - дроссели; 9, 10, 11, 12 - тиристоры; 13 - токоформирующий дроссель; 14 - датчик тока; 15 - нагрузка; 16 - транзистор; 17 - диод; 18 - вспомогательный конденсатор; 19 - вспомогательное зарядное устройство; 20 - коммутатор; 21 - балластный резистор; 22 - регулятор; 23 - сумматор; 24 - источник задающего напряжения.
На фиг.2 приведены диаграммы работы генератора импульсов. На диаграммах буквами обозначены:
1
2
3
1
2
i - ток дросселя 13; i - ток датчика 14 и нагрузки 15; i - ток, протекающий через транзистор 16, диод 17 и конденсатор 18; u -напряжение на конденсаторе 18; u - напряжение на транзисторе 16.
Устройство содержит ряд накопительных конденсаторов 1, 2, 3, 4, последовательно с каждым из которых включены дроссели 5, 6, 7, 8 и тиристоры 9, 10, 11, 12, соответственно. Соединенные вместе катоды тиристоров 9, 10, 11, 12 через токоформирующий дроссель 13 подключены к датчику тока 14 и нагрузке 15, соединенным последовательно. К точке соединения дросселя 13 и датчика тока 14 подключен коллектор транзистора 16. К эмиттеру транзистора 16 через диод 17, включенный в прямом направлении, присоединен вспомогательный конденсатор 18. Другая обкладка конденсатора 18 соединена с нагрузкой 15 и общей точкой конденсаторов 1, 2, 3, 4. Параллельно вспомогательному конденсатору 18 присоединено вспомогательное зарядное устройство 19 и коммутатор 20, последовательно с которым включен балластный резистор 21. Управляющие электроды транзистора 16 присоединены к выходу регулятора 22, вход которого подключен к выходу сумматора 23. К прямому входу сумматора 23 подключен выход датчика тока 14, а к инверсному - источник задающего напряжения 24.
Принцип работы предлагаемого устройства поясняется диаграммами, приведенными на фиг.2 и заключается в следующем.
1
0
В исходном положении накопительные конденсаторы 1, 2, 3, 4 заряжены в полярности, показанной на фиг.2 от внешнего зарядного устройства (на фиг.2 оно не приведено), а вспомогательный конденсатор 18 заряжают от вспомогательного зарядного устройства 19 до напряжения U, после чего зарядное устройство 19 может быть отключено. При отпирании в момент времени t тиристора 9 конденсатор 1 начинает разряжаться, и по цепи: конденсатор 1 - дроссель 5 - тиристор 9 - дроссель 13 - датчик тока 14 -
1
1
1
1
1
1
1
1
2
1
3
1
2
нагрузка 15, начинает протекать возрастающий по величине ток i Напряжение с выхода датчика тока 14, пропорциональное току i, поступает на вход сумматора 23, где из него вычитается напряжение задания источника 24, которому соответствует величина тока I Пока напряжение датчика 14 меньше напряжения источника 24 выходное напряжение сумматора 23 и регулятора 22 отрицательно и транзистор 16 закрыт. В момент времени t при достижении током i заданного значения I, соответствующее этому значению напряжение датчика 14 сравнивается с напряжением источника 24. К этому моменту падение напряжения на нагрузке 15, пропорциональное току i, превышает значение U и к транзистору 16 через открытый диод 17 приложено прямое напряжение u. При дальнейшем увеличении тока i транзистор 16 переходит в активный режим и через него начинает протекать ток i, величина которого определяется выходным напряжением регулятора 22 и, соответственно, сумматора 23, то есть напряжением рассогласования, пропорциональным разнице между значением I и величиной тока, протекающим по упомянутой выше цепи. Через нагрузку 15 протекает ток i, равный
2
1
3
i=i-i.
2
2
3
1
2
В результате, система регулирования становится замкнутой с отрицательной обратной связью по току i нагрузки 15. При этом изменения тока i будут тем меньше, чем больше величина коэффициента передачи регулятора 22. При протекании тока i через конденсатор 18 он заряжается, его напряжение u возрастает, а напряжение u на транзисторе 16, определяемое из равенства
2
2
1
u=Ri-u
где R - сопротивление нагрузки 15, убывает.
2
3
4
В момент времени t, а затем t и t последовательно отпирают тиристоры 10, 11, 12, соответственно, в результате чего происходит
1
1
5
1
1
3
3
3
поочередная разрядка конденсаторов 2, 3, 4, и кривая тока i состоит из интервалов проводимости и коммутации упомянутых тиристоров [2]. На интервале времени t...t, пока i≥I при условии  где  - минимальное напряжение между коллектором и эмиттером транзистора 16, обеспечивающее его работу в активном режиме, система регулирования замкнута, пульсации тока на вершине формируемого импульса в нагрузке определяются петлевым коэффициентом усиления системы регулирования и могут быть получены значительно меньше пульсаций тока i. Для этого также среднее значение I тока транзистора 16 выбирают таким, чтобы на интервале формирования вершины импульса соблюдалось условие i>0.
1
3
5
1
1
Выполнение условия  при заданных значениях сопротивления R, токов I, I и длительности τ (где τ=t-t) вершины формируемого импульса обеспечивается путем соответствующего выбора напряжения U и емкости конденсатора 18 из условия
6
1
7
По окончании формирования импульса в момент времени t замыкают коммутатор 20 и конденсатор 18 разряжается на резистор 21. При снижении напряжения конденсатора до исходного значения U при t коммутатор 20 размыкают. Устройство готово к формированию очередного импульса.
В предлагаемом генераторе импульсов транзистор выполняет функцию активного прецизионного токоформирующего элемента. Это позволяет, по сравнению с прототипом, уменьшить пульсации тока на вершине формируемого импульса и расширить функциональные свойства генератора импульсов за счет возможности его применения в электрофизических установках с высокими требованиями к стабильности параметров генерируемых импульсов.
Источники информации:
1. Булатов О.Г., Иванов B.C., Панфилов Д.И. Тиристорные схемы включения высокоинтенсивных источников света. - М.: Энергия, 1975. - 176 с.
2. Кириенко В.П., Ваняев В.В., Ваняев С.В. Генератор импульсов тока с многозвенным токоформирующим элементом. - Известия Вузов, «Электромеханика», 2008, №1, с.77-83.