ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР
PULSE GENERATOR

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к генераторам электрических импульсов, содержащим элементы, аккумулирующие энергию и разряжаемые в нагрузку с помощью переключающих устройств, управляемых внешним сигналом и может быть использовано для питания оборудования электрохимических процессов, например, микродугового оксидирования металлов.
Известен преобразователь постоянного тока в переменный [RU 2159005 C1, МПК H02M7/56 (2000.01), H02M9/02 (2000.01), H02K47/02 (2000.01), опубл. 10.11.2000], содержащий, два магнитопровода, ротор с неоднородными по магнитной проводимости участками и привод. Каждый магнитопровод имеет первичную обмотку постоянного тока и общую для них вторичную обмотку переменного тока, при этом первичные обмотки возбуждают в магнитопроводах разнонаправленные магнитные потоки. Участки с неоднородными проводимостями ротора расположены между полюсами каждый пары полюсов каждого магнитопровода. Число участков с неоднородными проводимостями при симметричном расположении магнитопроводов по окружности ротора пропорционально величине 2(р+1), где р - число пар полюсов всех магнитопроводов.
Недостатком преобразователя является его сложность, наличие вращающихся узлов, что значительно снижает надежность и эксплуатационный ресурс преобразователя.
Известен импульсный генератор [RU 2322755 C1, МПК H03K 3/53 (2006.01), H02M9/02 (2006.01), опубл. 20.04.2008], принятый за прототип, содержащий формирователь выполненный в виде, по меньшей мере, одного каскада, снабженного первой и второй выходными клеммам. Каждая из n ступеней каждого каскада содержит аккумуляторную батарею, одним из выходов одинаковой полярности для всех ступеней соединенную с управляемым коммутатором. Аккумуляторная батарея каждой предыдущей ступени подключена последовательно к аккумуляторной батарее последующей ступени через управляемый коммутатор. Свободный выход аккумуляторной батареи первой ступени связан с первой выходной клеммой. Свободный вывод управляемого коммутатора последней ступени связан со второй выходной клеммой, каждая из ступеней шунтирована диодом, включенным обратно по отношению к полярности аккумуляторной батареи. Первые клеммы каскадов подключены к нагрузке через нормально замкнутые контакты первого переключателя полярности и нормально разомкнутые контакты второго переключателя полярности. Вторые клеммы каскадов подключены к нагрузке через нормально замкнутые контакты второго переключателя полярности и нормально разомкнутые контакты первого переключателя полярности.
Этот импульсный генератор имеет сложную конструкцию, в которой использованы аккумуляторные батареи с ограниченным эксплуатационным ресурсом. Известное устройство не может обеспечить процесс устойчивого формирования «крутого» фронта выходных импульсов.
Техническим результатом предложенного решения является создание импульсного генератора, формирующего высоковольтные сильноточные импульсы с «крутым» передним фронтом.
Предложенный импульсный генератор, также как в прототипе, содержит два аккумулирующих устройства, два дросселя и резистор.
Согласно изобретению в качестве аккумулирующих устройств использованы конденсаторные батареи, соединенные с соответствующими дросселями, которые через общую точку подключены к первому источнику питания. Выход первой конденсаторной батареи через первый резистор соединен со стоком первого полевого транзистора. Выход второй конденсаторной батареи через второй резистор соединен со стоком второго полевого транзистора. Первый выход двуканального контролера подключен к общей точке соединения баз первого и второго биполярных транзисторов. Коллектор первого биполярного транзистора соединен со вторым источником питания. Эмиттеры первого и второго биполярных транзисторов через общую точку соединены с третьим резистором, который подключен к затвору первого полевого транзистора. Второй выход контролера подключен к общей точке соединения баз третьего и четвертого биполярных транзисторов. Коллектор третьего биполярного транзистора соединен со вторым источником питания. Эмиттеры третьего и четвертого биполярных транзисторов через общую точку соединены с четвертым резистором, который подключен к затвору второго полевого транзистора. Сток первого полевого транзистора и первый резистор через шестую общую точку соединены с нагрузкой. Сток второго полевого транзистора и второй резистор через седьмую общую точку соединены с нагрузкой. Первый источник питания, конденсаторные батареи, коллекторы второго и четвертого биполярных транзисторов и истоки первого и второго полевых транзисторов заземлены.
Предложенный импульсный генератор имеет простую конструкцию и формирует высоковольтные сильноточные импульсы в нагрузку значением не менее 2000 А в течение времени формирования выходных импульсов на частоте до 400 Гц со скважностью до 2.
На фиг. 1. изображена принципиальная схема устройства.
На фиг. 2 показаны управляющие сигналы на открытие первого 7 и второго 9 полевых транзисторов.
Импульсный генератор содержит источник питания 1 (ИП1), который подключен к промышленной сети. К первому источнику питания 1 (ИП1) через общую точку подключены два дросселя 2 и 3. Первый дроссель 2 подключен к первой конденсаторной батарее 4 (КБ1). Второй дроссель 3 подключен к второй конденсаторной батарее 5 (КБ2).Выход первой конденсаторной батареи 4 (КБ1) через первый резистор 6 соединен со стоком первого полевого транзистора 7.
Выход второй конденсаторной батареи 5 (КБ2) через второй резистор 8 соединен со стоком второго полевого транзистора 9. Первый выход двуканального контролера 10 (К) подключен к общей точке соединения баз первого 11 и второго 12 биполярных транзисторов. Коллектор третьего биполярного транзистора11 соединен с источником питания13 (ИП2). Эмиттеры первого 11 и второго 12 биполярных транзисторов через общую точку соединены с третьим резистором 14, который подключен к затвору первого полевого транзистора 7. Второй выход контролера 10 (К) подключен к общей точке соединения базтретьего15 и четвертого 16 биполярных транзисторов. Коллектор третьего 15 биполярного транзистора соединен со вторым источником питания13 (ИП2). Эмиттеры третьего15 и четвертого 16 биполярных транзисторов через общую точку соединены с четвертым резистором 17, который подключен к затвору второго полевого транзистора 9.Стокпервого полевого транзистора 7 и первый резистор 6 через общую точку соединены с нагрузкой. Сток второго транзистора 9 и второй резистор 8 через общую точку соединены с нагрузкой.
Источник питания 1 (ИП), первая 4 (КБ1) и вторая 5 (КБ2) конденсаторные батареи, коллекторы второго 12 и четвертого16 биполярных транзисторов, истоки первого 7 и второго 9 полевых транзисторов заземлены.
В качестве первого источника питания 1 (ИП1) использован источник питания марки ИПС 9000-380/500В-22,5А-3U.В качестве второго источника питания 13 (ИП2) использован источник питания с выходным напряжением 24 В марки DR-100-24. Конденсаторные батареи 4 (КБ1) и 5 (КБ2) набраны из параллельно соединенных конденсаторов. Контроллер 10 (К) представляет собой двухканальный контроллер производства компании ОВЕН, маркаПЛК110.
Импульсный генератор работает следующим образом. От первого источника постоянного тока 1 (ИП) через первый 2 и второй 3 дроссели соответственно запитывают первую 4 (КБ1) и вторую 5 (КБ2) конденсаторные батареи. Первый 2 и второй 3 дроссели ограничивают броски тока в момент начала зарядки первой 4 (КБ1) и второй 5 (КБ2) конденсаторных батарей, обеспечивая тем самым отсутствие перегрузок по току источника питания 1 (ИП). В результате заряда первой 4 (КБ1) и второй 5 (КБ2) конденсаторных батарей накапливается энергия:
2
W=CU/2,
где С - суммарная емкость конденсаторов в первой 4 (КБ1) и 5 второй (КБ2) конденсаторных батареях;
U - напряжение питания от источника постоянного тока 1 (ИП1).
Накопленную энергию в первой 4 (КБ1) и 5 второй (КБ2) конденсаторных батареях используют для формирования выходного импульса. В формировании выходных импульсов используют первый и второй полевые транзисторы 7 и 9. Для формирования «крутого» фронта выходного импульса (скорость нарастания напряжения не менее 50 В/мск и тока не хуже 100А/мкс) обеспечивают быстрое открытие первого 7 и второго 9 полевых транзисторов. Для этого подают на затворы первого 7 и второго 9 полевых транзисторов импульсы, амплитуды напряжения и тока которых обеспечивают преодоление емкости перехода сток-исток. Так как мощности сигналов от цифровых портов контроллера 10 (К) недостаточно для этого, то в случае открытия первого полевого транзистора 7 используют первый 11 и второй 12 биполярные транзисторы. Сигнал, усиленный от контролера 10 (К), каскадом на этих транзисторах 11 и 12 оказывается достаточным, чтобы открыть первый полевой транзистор 7 и обеспечить необходимый фронт импульса и протекание большого тока от первой конденсаторной батареи 4 (КБ1). По аналогии с первым транзистором 7 работает второй полевой транзистор 9, который открывается управляющим импульсом от соответствующих третьего 15 и четвертого 16 биполярных транзисторов, которые усиливают соответствующий управляющий сигнал от контролера 10 (К). Третий 14 и четвертый 17 резисторы исключают перегрузку по току в процессе открытия первого 7 и второго 9 полевых транзисторов. Резисторы 6 и 8 ограничивают общий ток в нагрузку.
k1
з
k2
з
имп
з
Для формирования выходного импульса используют первый 7 и второй 9 полевые транзисторы, которые «открываются» поочередно. В начальный момент времени от контролера 10 (К) поступает импульс U на открытие первого 7 полевого транзистора (фиг. 2), а спустя время задержки t от контролера 10 (К) поступает управляющий импульс U от контролера 10 (К) на открытие второго полевого транзистора 9. Задержка t составляет 10-20% от длительности импульса t. Такой режим работы обеспечивает отсутствие самовозбуждения импульсного генератора и высокое значение тока выходного сигнала. Формирование задержки t обеспечивается контролером 10 (К) с помощью встроенной программы в его внутренней памяти.
имп
Предложенный импульсный генератор формирует высоковольтные сильноточные импульсы в нагрузку значением не менее 2000 А за t на частоте до 400 Гц со скважностью до 2.