Генератор переменного тока в катушке индуктивности

Устройство относится к преобразовательной технике и может быть использовано для физических исследований, в частности для получения высокочастотного магнитного поля в катушках индуктивности в широком диапазоне частот.
Известны ключевые двухтактные генераторы с резонансным контуром, которые преобразуют мощность источника питания в мощность колебаний первой гармоники. На вход резонансного контура поступают прямоугольные импульсы напряжения, формируемые генераторными приборами (лампами, транзисторами), которые преобразуются в колебательном контуре с высокой добротностью (Q>10) в гармонический ток, в котором отсутствуют четные гармоники. Такие генераторы позволяют получить гармонические колебания в нагрузке в широком диапазоне частот без дополнительных фильтров: Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме, под ред. И.А. Попова, М.: Радио и связь, 1985. [1].
Однако генератор имеет ряд существенных недостатков.
При работе на повышенных частотах значительно увеличивается мощность, рассеиваемая на транзисторах из-за увеличения среднего значения сквозного тока в момент переключения транзисторов. Предварительно выключенный транзистор быстро переходит в проводящее состояние, а предварительно проводящий транзистор остается в проводящем состоянии до тех пор, пока не рассосутся носители в базе транзистора, и все это время протекает большой сквозной ток через транзисторы. Среднее значение величины сквозного тока и разогрев транзисторов пропорциональны рабочей частоте. Все это не позволяет генератору обеспечить гармонические колебания в широком диапазоне частот. Кроме того, для управления генераторными приборами в ключевой двухтактной схеме требуются либо трансформаторы, либо драйверы с дополнительными схемами питания, либо специальные драйверы высокого уровня, т.к. транзистор верхнего плеча должен быть изолирован от общей шины питания. Это так называемые полумостовые драйверы.
Полумостовые драйверы имеют меньшую надежность из-за импульсных наводок при работе в ключевом режиме и из-за большой разности потенциалов основного источника питания и источника питания транзистора верхнего плеча. Они имеют ограниченные характеристики по мощности, и по частоте по сравнению с драйверами нижнего уровня, что не позволяет использовать их в широком диапазоне частот.
Поэтому однотактная схема, для которой необходим драйвер только нижнего плеча, позволяет существенно увеличить верхнюю границу частоты переменного тока.
Известны ключевые однотактные генераторы с внешним возбуждением, в которых для получения тока, близкого к гармоническому, используются сложные выходные колебательные системы. В ключевой однотактной схеме генератора, в отличие от двухтактной, необходим дополнительный фильтр, который уменьшает мощность высших гармоник в нагрузке.
LC
В простейшем случае это резонансный  контур. А для работы в широком диапазоне частот требуется перестраиваемый фильтр: Проектирование радиопередатчиков, под ред. В.В. Шахгильдяна, М.: Радио и связь, 2000. [2]. Это значительно усложняет схему генератора и работу с таким генератором и, в конечном итоге, не позволяет создать гармонические колебания в широком диапазоне частот.
Наиболее близким по назначению (прототип) является линейный однотактный генератор с внешним возбуждением с параллельным питанием генераторного прибора, содержащий генераторные приборы, выполненные на электровакуумных лампах и параллельный резонансный контур в качестве нагрузки: Установка для исследования фазовых переходов. Системы стабилизации. Препринт Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, N 398, Ленинград, 1972 [3].
Параллельный резонансный контур состоит из катушки индуктивности и переменного конденсатора для настройки резонансного контура на частоту задающего генератора. Параллельный резонансный контур подключен с одной стороны к минусу источника питания, а с другой стороны к генераторному прибору через блокировочный конденсатор и обладает высокой добротностью. Источник питания с выходным напряжением 600 В подключен к генераторному прибору через блокировочный дроссель. Для перестройки контура на частоту внешнего генератора (задающего) используется переменный конденсатор. Линейный генератор с высокодобротным колебательным контуром позволяет получить гармонические колебания в широком диапазоне частот, что является необходимым требованием для решения ряда физических задач.
Однако, чтобы получить в параллельном резонансном контуре большую амплитуду переменного тока, требуется обеспечить на контуре высокое напряжение. Поэтому в данном линейном генераторе с параллельным контуром используется мощный высоковольтный источник питания и электронные лампы. Такая схема генератора ненадежна в работе и довольно громоздка, а высокое напряжение создает дополнительные проблемы с точки зрения безопасности.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение надежности работы установки, упрощение конструкции при обеспечении работы в широком диапазоне частот.
Задача - уменьшить мощность источника питания генератора при получении необходимого тока в катушке индуктивности.
L
L
С
L
L
С
L
L
L
Технический результат достигается тем, что в ключевом однотактном генераторе переменного тока в катушке индуктивности с внешним возбуждением, содержащем генераторный прибор, резонансный контур, новым является то, что использован последовательный резонансный контур, который состоит из катушки индуктивности 1, катушки индуктивности 2, конденсатора , а также введен блокировочный конденсатор, блокировочная индуктивность, причем индуктивность катушки 2 в 4 раза больше, чем индуктивность катушки 1, а конденсатор  и катушка 1 соединены параллельно, и с одной стороны соединены с минусом источника питания генератора переменного тока, а с другой стороны с катушкой индуктивности 2, а катушка 2 с другой стороны соединена через блокировочный конденсатор с генераторным прибором, который соединен через блокировочную индуктивность с плюсом источника питания, и резонансная частота контура определяется по формуле
L
L
C
L
L
C
Lbl
Cb
L2
L1
С
L1
L2
L2
Cbl
Lb
l
l
На фиг. 1 представлена схема однотактного генератора с параллельным питанием последовательного 12 резонансного контура, где 1 - задающий генератор для обеспечения внешнего возбуждения, 2 - устройство управления генераторным прибором, 3 - блок питания, 4 - генераторный прибор (транзистор), 5 - резонансный последовательный контур 12, 6 - узел с блокировочной индуктивностью () и блокировочным конденсатором (). Индуктивность катушки  в 4 раза больше, чем индуктивность катушки . Конденсатор  и катушка  соединены параллельно, и с одной стороны соединены с минусом источника питания генератора переменного тока, а с другой стороны с катушкой индуктивности , а катушка  с другой стороны соединена через блокировочный конденсатор (). с генераторным прибором, который соединен через блокировочную индуктивность () с плюсом источника питания.
L
L
L
/L
L
На фиг. 2 показана амплитуда токов в катушках индуктивности 1 (кривая 1), 2 (кривая 2) и тока питания (кривая 3) в зависимости от отношения индуктивностей 21 (1=560 мкГн, L2 меняется в пределах 560 мкГн - 3920 мкГн, частота Fres=100 кГц). Данные получены с помощью программы схемотехнического моделирования МСАР.
L
L
L
U
I
U
Q
ρ
На фиг. 3 представлены осциллограммы радиочастотного поля в катушке 1, полученные с помощью измерительной катушки в генераторе с параллельным питанием в диапазоне частот F=0.1-6 МГц. Индуктивность 1=25.5 мкГн и 2=6.7 мкГн. Указаны частота (F), емкость конденсатора С, напряжение питания (п), ток питания (п), амплитуда напряжения на измерительной катушке (m), добротность (), волновое сопротивление контура ().
L
L
С
Рассмотрим работу ключевого генератора. Схема работает следующим образом. Катушки 1, 2 и конденсатор  образуют последовательный резонансный контур с резонансной частотой:
L
L
L
С
С
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
L
т.е. результирующая индуктивность контура определяется по формуле параллельного соединения индуктивности 1 и 2. Моделирование в программе схемотехнического моделирования Micro-Cap показало, что при резонансе образуются два контура протекания тока. Первый контур (собственно последовательный контур): плюс источника питания, катушка 2, конденсатор , генераторный прибор (транзистор), минус источника питания. Второй контур: конденсатор , катушка 1. Это параллельный контур. Токи в этих контурах определяются соотношением индуктивностей 1 и 2. При 1=2 токи в катушках одинаковые. Через конденсатор протекает суммарный ток двух катушек. Выбором соотношения 1 и 2 можно обеспечить больший рабочий ток в катушке при меньшем токе, протекающем через генераторный прибор, что значительно повышает надежность данной схемы. Моделирование в программе схемотехнического моделирования МСАР показало, что с увеличением соотношения 2/1 ток в катушке 2 и ток питания падают, а ток в 1 имеет максимум при 2/1≈4/1 (Фиг. 3).
В схему введен узел с блокировочным конденсатором и блокировочная индуктивность, которые предназначены для того, чтобы развязать генераторный прибор и резонансный контур от источника питания генератора.
Таким образом, в таком однотактном генераторе реализуется последовательный резонансный контур со встроенным фильтром в виде высокодобротного параллельного контура, причем резонансный контур не находится под напряжением питания.
В генераторе обеспечиваются гармонические колебания в рабочей катушке индуктивности в широком диапазоне частот, уменьшается мощность, рассеиваемая на транзисторе благодаря тому, что ток через транзистор в 4 раза меньше тока в рабочей катушке, что повышает надежность работы генератора.
Для управления транзистором в таком генераторе используются дешевые и быстродействующие драйверы. Данная схема была испытана с дешевыми драйверами IXDD614CI и транзисторами IRFB5620 на частотах до 6 МГц. Вход драйвера подключен к генератору сигналов SFG-72120.
В ключевом генераторе для достижения технического результата решены следующие задачи:
получены гармонические колебания в широком диапазоне частот при устранении недостатков, свойственных прототипу, а именно, используется простая схема генераторного прибора, а для управления транзистором в ключевой однотактной схеме используются специальные микросхемы, так называемые драйверы только нижнего уровня. Драйверы нижнего плеча имеют повышенные характеристики по выходному току и частоте по сравнению с драйверами для двухтактных схем, что позволяет генератор в более широком диапазоне частот:
используется последовательный резонансный контур. В этом случае не требуется высоковольтный источник питания;
L
L
L
L
используется последовательный резонансный контур, состоящий из двух катушек индуктивности и одного конденсатора, одна их которых вспомогательная (2), а вторая - рабочая (1), причем соотношение индуктивностей 2/1=4/1.
L
L
С помощью моделирования и экспериментов было установлено, что при таком соотношении индуктивностей в катушке 1 достигается максимальный ток при минимальной затрате мощности источника питания (фиг. 2). При этом ток в рабочей катушке 1 в 4 раза больше, чем ток, протекающий через генераторный прибор (транзистор). Это, во-первых, уменьшает рассеяние мощности в транзисторе, увеличивая надежность генератора или, при сохранении допустимой рассеиваемой мощности позволяет увеличить частоту и амплитуду тока, проходящего через транзистор. Во-вторых, увеличивает добротность резонансного контура, что позволяет получить выходной ток, близкий по форме к гармоническому (без использования дополнительного фильтра) в широком диапазоне частот.
Кроме того, так же как и в прототипе, устраняются проблемы сквозных токов, характерные для двухтактной ключевой схемы.
L
L
L
C
L
Ниже представлены результаты экспериментов с генератором с параллельным питанием резонансного контура и транзистора. Из рассмотрения осциллограмм радиочастотного поля в катушке 1 (фиг. 3), полученных с помощью измерительной катушки, вытекает, что 12 контур позволяет получить форму тока в катушке, близкую к гармонической в широком диапазоне частот от 100 кГц до 6 МГц с катушкой 1=6.7 мкГн и L2=25.6 мкГн. Волновое сопротивление и добротность резонансного контура в таком большом диапазоне частот уменьшаются соответственно с 200 и 160 на частоте 6 МГц до 5 и 20 на частоте 150 кГц. Тем не менее, предлагаемый генератор позволяет работать во всем диапазоне частот без смены катушек индуктивности, только с переменным конденсатором, что значительно упрощает работу. Это позволяет с малыми аппаратными и программными затратами упростить работу устройства в широком диапазоне частот.
L
В то же время эксперименты, проведенные с последовательным LC контуром в параллельной схеме питания с катушкой 1=6.7 мкГн, показали, что форма тока сильно искажена, особенно на частотах, меньших 2 МГц, что делает невозможным использование такого генератора для работы в широком диапазоне частот без дополнительной фильтрации или использования сменной катушки с большей индуктивностью - задачи практически сложные для эксплуатации устройства.
Область применения. Заявляемый генератор разработан для использования в устройстве переворота спина поляризованных нейтронов в спин-эхо экспериментах, где необходима работа в широкой полосе частот (100 кГц-6 МГц).
Литература
1. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме, под ред. И.А. Попова, М.: Радио и связь, 1985.
2. Проектирование радиопередатчиков, под ред. В.В. Шахгильдяна, М.: Радио и связь, 2000, стр. 442;
3. Я.А. Касман, А.И Окороков, Е.И. Забидаров, Установка для исследования фазовых переходов. Системы стабилизации. Препринт Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, № 398, Ленинград, 1972 - прототип.