Устройство для получения высоковольтного импульсного напряжения
DEVICE FOR PRODUCING HIGH VOLTAGE PULSE VOLTAGE

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано для создания импульсных источников питания, обеспечивающих минимально возможный уровень электромагнитных помех, излучаемых в окружающее пространство.
Аналогичные технические решения известны, см. заявку на патент США US 20110305048 А1 (опубликована 15 декабря 2011 г.), которая содержит нижеследующую совокупность существенных признаков:
- высоковольтный источник постоянного напряжения;
- первый (накопительный) конденсатор, подсоединенный одной своей (первой) обкладкой к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, а другой своей (второй) обкладкой к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- первый управляемый ключ;
- индуктивную нагрузку (выполненную в виде первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого подсоединена к выпрямителю);
- второй управляемый ключ;
- низковольтный источник постоянного напряжения (состоящий из третьей обмотки трансформатора, выпрямительного диода и фильтрующего конденсатора), подсоединенный своим отрицательным выходом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- схему управления, подсоединенную своим первым выходом к управляющему входу второго управляемого ключа и своими питающими входами к соответствующим выходам низковольтного источника постоянного напряжения;
- первый диод (диод вольтодобавки), подсоединенный своим анодом к положительному выходу низковольтного источника постоянного напряжения;
- второй конденсатор (конденсатор вольтодобавки), подсоединенный одной своей (первой) обкладкой к катоду первого диода;
- второй диод;
- третий диод;
- управляемый переключатель, подсоединенный своим первым входом к первой обкладке второго конденсатора (конденсатора вольтодобавки), своим вторым входом к второй обкладке второго конденсатора (конденсатора вольтодобавки), своим выходом к управляющему входу первого управляемого ключа и своим управляющим входом к второму выходу схемы управления;
- третий (разделительный) конденсатор, подсоединенный одной своей (первой) обкладкой к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, а другой своей (второй) обкладкой к первому выводу первого управляемого ключа,
при этом второй вывод первого управляемого ключа подсоединен к второй обкладке второго конденсатора, первый вывод индуктивной нагрузки подсоединен к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, второй вывод индуктивной нагрузки подсоединен к первому выводу второго управляемого ключа, второй вывод второго управляемого ключа подсоединен к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, анод второго диода подсоединен к первому выводу второго управляемого ключа, катод второго диода подсоединен к первому выводу первого управляемого ключа, анод третьего диода подсоединен к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, а катод третьего диода подсоединен к аноду второго диода.
Общими признаками предлагаемого технического решения и указанного аналога являются:
- высоковольтный источник постоянного напряжения;
- первый (накопительный) конденсатор, подсоединенный одной своей (первой) обкладкой к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, а другой своей (второй) обкладкой к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- первый управляемый ключ;
- индуктивная нагрузка;
- второй управляемый ключ;
- низковольтный источник постоянного напряжения, подсоединенный своим отрицательным выходом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- первый диод,
- второй конденсатор, подсоединенный одной своей (первой) обкладкой к катоду первого диода;
- второй диод;
- третий диод;
- управляемый переключатель, подключенный своим первым входом к первой обкладке второго конденсатора, своим вторым входом к второй обкладке второго конденсатора, своим выходом к управляющему входу первого управляемого ключа, при этом второй вывод первого управляемого ключа подсоединен к второй обкладке второго конденсатора, анод второго диода подсоединен к первому выводу второго управляемого ключа, анод третьего диода подсоединен к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, а второй вывод индуктивной нагрузки подсоединен к первому выводу второго управляемого ключа.
Известно также техническое решение, см. Application note AN 6920MR Integrated Critical-Mode PFC / Quasi-Resonant Current-Mode PWM Controller FAN6920» (опубликовано на сайте www.fairchild.com), которое выбрано в качестве ближайшего аналога (прототипа), и которое содержит нижеследующую совокупность существенных признаков:
- высоковольтный источник постоянного напряжения;
- первый (накопительный) конденсатор, подсоединенный одной своей (первой) обкладкой к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, а другой своей (второй) обкладкой к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- первый управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- индуктивную нагрузку (выполненную в виде первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого подсоединена к выпрямителю), подсоединенную своим первым выводом к второму выводу первого управляемого ключа;
- второй управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к второму выводу индуктивной нагрузки;
- ограничительный резистор, подсоединенный одним своим выводом к второму выводу второго управляемого ключа, а другим своим выводом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- низковольтный источник постоянного напряжения (состоящий из третьей обмотки трансформатора, выпрямительного диода и фильтрующего конденсатора), подсоединенный своим отрицательным выходом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- генератор импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим выходом через буферный согласующий каскад к управляющему входу второго управляемого ключа и своими питающими входами к соответствующим выходам низковольтного источника постоянного напряжения;
- первый диод (диод вольтодобавки), подсоединенный своим анодом к положительному выходу низковольтного источника постоянного напряжения;
- второй конденсатор (конденсатор вольтодобавки), подсоединенный своей первой обкладкой к катоду первого диода (диода вольтодобавки) и своей второй обкладкой к второму выводу первого управляемого ключа;
- второй диод (первый отсекающий диод), подсоединенный своим катодом к первому выводу индуктивной нагрузки и своим анодом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- третий диод (второй отсекающий диод), подсоединенный своим анодом к второму выводу индуктивной нагрузки и своим катодом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- управляемый переключатель, подключенный своим первым входом к первой обкладке второго конденсатора (конденсатора вольтодобавки), своим вторым входом к второй обкладке второго конденсатора (конденсатора вольтодобавки), своим выходом к управляющему входу первого управляемого ключа и своим управляющим входом к выходу генератора импульсов прямоугольной формы.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются:
- высоковольтный источник постоянного напряжения;
- первый конденсатор, подсоединенный своей первой обкладкой к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, а своей второй обкладкой к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- первый управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- индуктивная нагрузка, подсоединенная своим первым выводом к второму выводу первого управляемого ключа;
- второй управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к второму выводу индуктивной нагрузки;
- ограничительный резистор, подсоединенный одним своим выводом к второму выводу второго управляемого ключа, а другим своим выводом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- низковольтный источник постоянного напряжения, подсоединенный своим отрицательным выходом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- генератор импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим выходом через буферный согласующий каскад к управляющему входу второго управляемого ключа и своими питающими входами к соответствующим выходам низковольтного источника постоянного напряжения;
- первый диод;
- второй конденсатор, подсоединенный своей первой обкладкой к катоду первого диода, и своей второй обкладкой подсоединенный к второму выводу первого управляемого ключа;
- второй диод, подсоединенный своим катодом к первому выводу индуктивной нагрузки и своим анодом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- третий диод, подсоединенный своим анодом к второму выводу индуктивной нагрузки и своим катодом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- управляемый переключатель, подсоединенный своим первым входом к первой обкладке второго конденсатора, своим вторым входом к второй обкладке второго конденсатора, своим выходом к управляющему входу первого управляемого ключа и своим управляющим входом к выходу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы.
Технический результат, который невозможно достичь ни одним из вышеохарактеризованных аналогичных технических решений, заключается в снижении уровня импульсных электромагнитных помех, излучаемых ранее применяемыми устройствами для получения высоковольтного импульсного напряжения из-за инерционности нелинейных элементов, и прежде всего диода вольтодобавки, соединенного с конденсатором вольтодобавки.
Импульсные электромагнитные помехи, возникающие в аналогичных ранее применяемых устройствах, мешают функционированию близкорасположенных радиоэлектронных устройств и негативным образом влияют на их работоспособность. Они являются серьезным препятствием для выполнения требований по электромагнитной совместимости, в частности, в системах с распределенным питанием, использующих множество импульсных источников питания. Кроме того, электромагнитное излучение импульсных помех в окружающее пространство приводит к ухудшению экологической обстановки в среде обитания человека. Поэтому появилась острая необходимость в усовершенствовании ранее известных аналогичных технических решений.
Причиной невозможности достижения вышеуказанного технического результата является то, что в известных устройствах для получения высоковольтного импульсного напряжения не уделялось должного внимания поиску средств, снижающих уровень импульсных электромагнитных помех, излучаемых в окружающее пространство.
Учитывая характеристику и анализ известных аналогичных технических решений, можно сделать вывод, что задача создания устройств для получения высоковольтного импульсного напряжения, обеспечивающих снижение уровня импульсных электромагнитных помех, излучаемых в окружающее пространство, является актуальной на сегодняшний день.
Технический результат, указанный выше, достигается тем, что устройство для получения высоковольтного импульсного напряжения содержащее высоковольтный источник постоянного напряжения, первый (накопительный) конденсатор, подсоединенный одной своей (первой) обкладкой к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, а другой своей (второй) обкладкой к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, первый управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, индуктивную нагрузку, подсоединенную своим первым выводом к второму выводу первого управляемого ключа, второй управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к второму выводу индуктивной нагрузки, ограничительный резистор, подсоединенный одним своим выводом к второму выводу второго управляемого ключа, а другим своим выводом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, низковольтный источник постоянного напряжения, подсоединенный своим отрицательным выходом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, генератор импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим выходом через буферный согласующий каскад к управляющему входу второго управляемого ключа и своими питающими входами к соответствующим выходам низковольтного источника постоянного напряжения, первый диод (диод вольтодобавки), второй конденсатор (конденсатор вольтодобавки), подсоединенный своей первой обкладкой к катоду первого диода (диода вольтодобавки), и своей второй обкладкой к второму выводу первого управляемого ключа, второй диод (первый отсекающий диод), подсоединенный своим катодом к первому выводу индуктивной нагрузки и своим анодом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, третий диод (второй отсекающий диод), подсоединенный своим анодом к второму выводу индуктивной нагрузки и своим катодом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, управляемый переключатель, подключенный своим первым входом к первой обкладке второго конденсатора (конденсатора вольтодобавки), своим вторым входом к второй обкладке второго конденсатора (конденсатора вольтодобавки), своим выходом к управляющему входу первого управляемого ключа и своим управляющим входом к выходу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы, снабжено дополнительным (вторым) управляемым переключателем и преобразователем длительности импульсов прямоугольной формы, который подсоединен своим входом к выходу генератора импульсов прямоугольной формы, и своим выходом к управляющему входу дополнительного (второго) управляемого переключателя, подсоединенного своим первым входом к отрицательному выходу низковольтного источника постоянного напряжения, своим вторым входом к положительному выходу низковольтного источника постоянного напряжения и своим выходом к аноду первого диода (диода вольтодобавки).
Введение второго управляемого переключателя и преобразователя длительности импульсов прямоугольной формы с их вышеописанными подсоединениями позволяет, в ходе подачи импульса прямоугольной формы с выхода генератора импульсов прямоугольной формы через буферный согласующий каскад на управляющий вход второго управляемого ключа, произвести замыкание упомянутого второго управляемого ключа, а в ходе подачи того же импульса прямоугольной формы с выхода генератора импульсов прямоугольной формы на преобразователь длительности импульсов прямоугольной формы позволяет также сформировать преобразованный (дополнительный) импульс прямоугольной формы. Поступление указанного преобразованного (дополнительного) импульса прямоугольной формы на управляющий вход второго управляемого переключателя обеспечивает подключение анода диода вольтодобавки к положительному выходу низковольтного источника постоянного напряжения. При этом происходит процесс заряда конденсатора вольтодобавки по цепи: положительный выход низковольтного источника постоянного напряжения - второй управляемый переключатель - диод вольтодобавки - конденсатор вольтодобавки - индуктивная нагрузка - замкнутый второй управляемый ключ - ограничительный резистор - отрицательный выход низковольтного источника постоянного напряжения. В результате чего на обкладках конденсатора вольтодобавки формируется напряжение, близкое к выходному напряжению низковольтного источника постоянного напряжения.
После окончания заряда конденсатора вольтодобавки, под воздействием того же импульса прямоугольной формы с выхода генератора импульсов прямоугольной формы, первый управляемый переключатель подключает к управляющему входу первого управляемого ключа упомянутый конденсатор вольтодобавки, заряженный до напряжения, близкого к выходному напряжению низковольтного источника постоянного напряжения. В результате первый управляемый ключ также замыкается (практически одновременно с вторым управляемым ключом), и через индуктивную нагрузку начинает протекать ток по цепи: положительный выход высоковольтного источника постоянного напряжения - замкнутый первый управляемый ключ - индуктивная нагрузка - замкнутый второй управляемый ключ - ограничительный резистор - отрицательный выход высоковольтного источника постоянного напряжения.
При этом потенциал первого вывода индуктивной нагрузки становится практически равным потенциалу положительного выхода высоковольтного источника постоянного напряжения (поскольку сопротивление замкнутого первого ключа незначительно и падение напряжения на нем также незначительно), а потенциал второго вывода индуктивной нагрузки становится практически равным потенциалу отрицательного выхода высоковольтного источника постоянного напряжения (поскольку сопротивления замкнутого второго ключа и ограничительного резистора незначительны и падение напряжения на них также незначительно). Таким образом, разность потенциалов между выводами индуктивной нагрузки становится близкой к выходному напряжению высоковольтного источника постоянного напряжения.
В индуктивной нагрузке в это время происходит накопление энергии (прямой ход).
После окончания импульса прямоугольной формы на выходе генератора импульсов прямоугольной формы оба управляемых ключа размыкаются. Разность потенциалов между выводами индуктивной нагрузки в этот момент меняет свой знак, в индуктивной нагрузке возникает ЭДС самоиндукции, и накопленная энергия передается в полезную нагрузку (обратный ход). Таким образом, происходит преобразование постоянного напряжения высоковольтного источника постоянного напряжения в импульсное напряжение, что и является задачей предлагаемого устройства.
Нужно особо отметить, что в аналогичных технических решениях в момент замыкания первого и второго управляемых ключей и появления на первом выводе индуктивной нагрузки высокого потенциала, этот потенциал через конденсатор вольтодобавки оказывается приложенным к катоду диода вольтодобавки. При этом из-за инерционности нелинейного элемента (диода) возникает импульсный бросок тока через указанный нелинейный элемент (диод), в результате чего появляется импульсная электромагнитная помеха, обусловленная этим броском тока. А в предлагаемом техническом решении для устранения этого явления введены второй управляемый переключатель и преобразователь длительности импульсов прямоугольной формы с их подсоединениями.
Причем параметры преобразованного (дополнительного) импульса, прямоугольной формы выбираются таким образом, чтобы его задний фронт опережал передний фронт импульса прямоугольной формы, поступающего на управляющие входы обоих управляемых ключей, на некоторое время. Это время составляет обычно несколько сотен наносекунд (в зависимости от типа нелинейного элемента (диода)) и должно быть достаточным для завершения переходных процессов в диоде, Тем самым к моменту замыкания обоих управляемых ключей будет обеспечено закрытое состояние диода вольтодобавки (поскольку к его катоду при разомкнутых ключах приложено положительное напряжение между обкладками ранее заряженного конденсатора вольтодобавки, близкое к выходному напряжению низковольтного источника постоянного напряжения, а его анод в то же самое время через второй управляемый переключатель уже подключен к отрицательному выходу низковольтного источника постоянного напряжения).
В результате к моменту замыкания первого и второго управляемых ключей, и, соответственно, к моменту появления на первом выводе индуктивной нагрузки высокого потенциала, попадающего на катод диода вольтодобавки, этот диод уже надежно закрыт, а импульсная электромагнитная помеха, возникающая, как уже указывалось, в аналогичных технических решениях в момент замыкания первого и второго управляемых ключей, в предлагаемом техническом решении не возникает. Причиной этого является тот факт, что в аналогичных технических решениях импульсная электромагнитная помеха появляется из-за протекания импульсного тока по цепи: точка соединения второго вывода первого управляемого ключа и первого вывода индуктивной нагрузки - конденсатор вольтодобавки - закрывающийся, но пока не закрытый диод вольтодобавки - положительный выход низковольтного источника постоянного напряжения - отрицательный выход низковольтного источника постоянного напряжения - отрицательный выход высоковольтного источника постоянного напряжения - положительный выход высоковольтного источника постоянного напряжения - замкнутый первый управляемый ключ. В предлагаемом техническом решении вышеописанная цепь протекания импульсного тока заблаговременно разрывается благодаря упреждающему замыканию второго входа второго управляемого переключателя (и, следовательно, анода диода вольтодобавки) на отрицательный выход низковольтного источника постоянного напряжения.
Указанный эффект возникновения импульсной электромагнитной помехи в аналогичных технических решениях имеет достаточно общий характер, так как время переключения высоковольтных диодов (τдиода) принципиально больше времени переключения современных силовых полупроводниковых элементов. Поэтому упреждающее подключение анода диода вольтодобавки (с помощью вновь введенных преобразователя длительности импульсов прямоугольной формы, второго управляемого переключателя и их связей) к отрицательному выходу низковольтного источника постоянного напряжения, примененное в предлагаемом техническом решении, как раз и обеспечивает сопряжение времени переключения диода вольтодобавки и момента замыкания обоих управляемых ключей, причем таким образом, что импульсная электромагнитная помеха, присутствующая в аналогичных технических решениях, в заявленном техническом решении отсутствует.
Благодаря чему достигается снижение уровня импульсных электромагнитных помех, излучаемых устройством для получения высоковольтного импульсного напряжения в окружающее пространство, и, следовательно, улучшение электромагнитной совместимости электронных устройств различного назначения, а также улучшение экологической обстановки в среде обитания человека, в чем и проявляется достижение вышеуказанного технического результата.
Проведенный анализ известных технических решений показал, что ни одно из них не содержит как всей совокупности существенных признаков, так и отличительных признаков, что позволило сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
Предлагаемое устройство для получения высоковольтного импульсного напряжения поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для получения высоковольтного импульсного напряжения, а на фиг. 2 представлены диаграммы напряжений, поясняющие работу предлагаемого устройства для получения высоковольтного импульсного напряжения.
Предлагаемое устройство для получения высоковольтного импульсного напряжения содержит:
- высоковольтный источник-1 постоянного напряжения;
- первый (накопительный) конденсатор-2, подсоединенный одной своей (первой) обкладкой-3 к положительному выходу-4 высоковольтного источника -1 постоянного напряжения, а другой своей (второй) обкладкой-5 подсоединенный к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;
- первый управляемый ключ-7 (выполненный, например, в виде "МОП"-транзистора), подсоединенный своим первым выводом-8 (стоком "МОП"-транзистора) к положительному выходу-4 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;
- индуктивную нагрузку-9, подсоединенную одним своим (первым) выводом-10 к второму выводу-11 (к истоку "МОП"-транзистора) первого управляемого ключа-7;
- второй управляемый ключ-12 (выполненный, например, в виде "МОП"-транзистора), подсоединенный своим первым выводом-13 (стоком "МОП"-транзистора) к второму выводу-14 индуктивной нагрузки-9;
- ограничительный резистор-15, подсоединенный одним своим выводом-16 к второму выводу-17 второго управляемого ключа-12 (к истоку "МОП"-транзистора), а другим своим выводом-18 к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения.
- низковольтный источник-19 постоянного напряжения, подсоединенный своим отрицательным выходом-20 к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;
- генератор-21 импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим выходом-22 к входу-23 буферного согласующего каскада-24, выход-25 которого подсоединен к управляющему входу-26 второго управляемого ключа-12 (к затвору МОП-транзистора), и подсоединенный своими питающими входами-27 и -28 к выходам-29 и -20 низковольтного источника-19 постоянного напряжения соответственно;
- первый диод-30 (диод вольтодобавки);
- второй конденсатор-31 (конденсатор вольтодобавки), подсоединенный своей первой обкладкой-32 к катоду-33 первого диода-30, и своей второй обкладкой-34 к второму выводу-11 первого управляемого ключа-7;
- второй диод-35 (первый отсекающий диод), подсоединенный своим катодом-36 к первому выводу-10 индуктивной нагрузки -9 и своим анодом-37 к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;
- третий диод-38 (второй отсекающий диод), подсоединенный своим анодом-39 к второму выводу-14 индуктивной нагрузки-9 и своим катодом-40 к положительному выходу-4 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;
- первый (основной) управляемый переключатель-41, подключенный своим первым входом-42 к первой обкладке-32 второго конденсатора-31, своим вторым входом-43 к второй обкладке-34 второго конденсатора-31, своим выходом-44 к управляющему входу-45 первого управляемого ключа-7 (к затвору МОП-транзистора) и своим управляющим входом-46 к выходу-22 генератора импульсов-21 прямоугольной формы;
- второй (дополнительный) управляемый переключатель-47, подсоединенный одним своим (первым) входом-48 к отрицательному выходу-20 низковольтного источника-19 постоянного напряжения, своим вторым входом-51 к положительному выходу-29 низковольтного источника-19 постоянного напряжения, а своим выходом-49 подсоединенный к аноду-50 первого диода-30;
- преобразователь-52 длительности импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим входом-53 к выходу-22 генератора-21 импульсов прямоугольной формы, своим выходом-54 к управляющему входу-55 второго (дополнительного) управляемого переключателя-47, а своими входами питания-56,-57 к соответствующим выходам-29, -20 низковольтного источника-19 постоянного напряжения.
Представленные на фиг. 2 временные диаграммы напряжений, действующих в устройстве, отображают:
0
2а) постоянное напряжение U высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;
2б) управляющие импульсы прямоугольной формы с заранее заданной длительностью τи и периодом повторения Т на выходе-22 управляемого генератора-21 импульсов прямоугольной формы;
2в) управляющие импульсы прямоугольной формы на входе-26 второго управляемого ключа-12 (на затворе "МОП"-транзистора);
2г) импульсное напряжение на втором выводе-11 первого управляемого ключа-7 (на истоке "МОП"-транзистора);
2д) импульсное напряжение на первом выводе-13 второго управляемого ключа-12 (на стоке "МОП"-транзистора);
2е) преобразованные (дополнительные) импульсы прямоугольной формы длительностью τпр на выходе-54 преобразователя длительности импульсов прямоугольной формы-52, причем Δτ>τдиода, где
Δτ - величина защитного временного интервала, обеспечивающего упреждающее замыкание анода-50 первого диода-30 на отрицательный выход-20 низковольтного источника постоянного напряжения-19,
τдиода - время переключения высоковольтного диода-30;
2ж) последовательность состояний первого диода-30: «Диод открыт» - «τдиода (время переключения диода)» - «Диод закрыт».
На диаграмме 2ж) также условно показан момент возможного возникновения импульсной помехи, которая присутствует в аналогичных технических решениях, но отсутствует в предлагаемом техническом решении.
Предлагаемое устройство для получения высоковольтного импульсного напряжения работает следующим образом.
При наличии постоянного напряжения на входах питания-27 и -28 генератора-21 прямоугольных импульсов, которое поступает с выводов-29, -20 низковольтного источника-19 постоянного напряжения, указанный генератор-21 прямоугольных импульсов вырабатывает импульсы прямоугольной формы длительностью τи с периодом повторения Т (см. временную диаграмму фиг. 2б).
Далее импульсы прямоугольной формы длительностью τи с выхода-22 генератора-21 импульсов прямоугольной формы через буферный согласующий каскад-24 (вход-23 и выход-25) поступают на управляющий вход-26 второго управляемого ключа-12 (на затвор его "МОП"-транзистора, см. временную диаграмму фиг. 2в), в результате чего второй управляемый ключ-12 замыкается.
Одновременно импульсы прямоугольной формы длительностью τи с выхода-22 генератора-21 импульсов прямоугольной формы поступают на управляющий вход-46 первого управляемого переключателя-41, в результате чего на управляющий вход-45 первого управляемого ключа-7 (на затвор его "МОП"-транзистора) с второго конденсатора-31 (конденсатора вольтодобавки) поступает потенциал, превышающий потенциал второго вывода-11 первого управляемого ключа-7 (истока "МОП"-транзистора) на величину, приблизительно равную выходному напряжению низковольтного источника-19 постоянного напряжения.
Поступление указанного потенциала замыкает первый управляемый ключ-7 практически одновременно с вторым управляемым ключом-12 (см. временную диаграмму фиг. 2г), благодаря чему через индуктивную нагрузку-9 начинает течь ток по цепи: положительный выход-4 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения - замкнутый первый управляемый ключ-7 - индуктивная нагрузка-9 - замкнутый второй управляемый ключ-12 - ограничительный резистор-15 - отрицательный выход-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения.
Замыкание обоих управляемых ключей-7 и -12 приводит к тому, что потенциал первого вывода-10 индуктивной нагрузки-9 становится практически равным потенциалу положительного выхода-4 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения (поскольку сопротивление замкнутого первого управляемого ключа-7 незначительно и падение напряжения на нем также незначительно), а потенциал второго вывода-14 индуктивной нагрузки-9 становится практически равным потенциалу отрицательного выхода-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения (поскольку сопротивление замкнутого второго управляемого ключа-12 и ограничительного резистора-15 незначительны, и падение напряжения на них также незначительно). Таким образом, разность потенциалов между выводами-10 и -14 индуктивной нагрузки-9 становится близкой к выходному напряжению высоковольтного источника-1 постоянного напряжения. В индуктивной нагрузке-9 в это время происходит накопление энергии (прямой ход, см. временную диаграмму фиг. 2в).
После окончания прямоугольного импульса длительностью τи, поступающего на управляющий вход-45 первого управляемого ключа-7 (на затвор его МОП-транзистора) и через буферный согласующий каскад -24 на управляющий вход-26 второго управляемого ключа-12 (на затвор его МОП-транзистора), оба управляемых ключа-7 и -12 переходят в разомкнутое состояние (обратный ход, см. временную диаграмму фиг. 2в). В этот момент разность потенциалов между выводами-10 и -14 индуктивной нагрузки-9 меняет свой знак, появляется импульсное напряжение на первом выводе-13 второго управляемого ключа-12 (на стоке "МОП"-транзистора, см. временную диаграмму фиг. 2д), в индуктивной нагрузке-9 возникает ЭДС самоиндукции, и накопленная энергия передается в полезную нагрузку (на функциональной схеме фиг. 1 условно не показана). Таким образом, происходит преобразование постоянного напряжения высоковольтного источника-1 постоянного напряжения (см. временную диаграмму фиг. 2а) в высоковольтное импульсное напряжение.
При размыкании первого-7 и второго-12 управляемых ключей из-за наличия ЭДС самоиндукции возникает высоковольтное напряжение между выводами -10 и -14 индуктивной нагрузки-9. Как только это высоковольтное напряжение превысит величину выходного напряжения высоковольтного источника-1 постоянного напряжения, открываются второй диод-35 (первый отсекающий диод), и третий диод-38 (второй отсекающий диод), через которые начинает течь ток по цепи; отрицательный выход-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения - второй диод-35 (первый отсекающий диод) - индуктивная нагрузка-9 - третий диод-38 (второй отсекающий диод) - первый (накопительный) конденсатор-2 - отрицательный выход-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения. В результате, помимо передачи энергии в полезную нагрузку, происходит накопление энергии в накопительном конденсаторе-2 (что способствует повышению коэффициента полезного действия как предлагаемого устройства, так и устройства-прототипа, в котором этот прием также используется).
Прямоугольные импульсы длительностью τи с выхода-22 генератора-21 прямоугольных импульсов, кроме обеспечения замыкания обоих управляемых ключей-7 и -12, поступают также на управляющий вход-53 преобразователя длительности импульсов прямоугольной формы-52, который формирует на своем выходе-54 преобразованный дополнительный импульс прямоугольной формы длительностью τпр (см, временную диаграмму фиг. 2е), поступающий на управляющий вход-55 второго (дополнительного) управляемого переключателя-47.
Под воздействием указанного импульса длительностью τпр второй (дополнительный) управляемый переключатель-47 подключает к своему выходу-49 (соединенному с анодом-50 первого диода-30) свой второй вход-51 (соединенный с положительным выходом-29 низковольтного источника-19 постоянного напряжения). В результате между обкладками-32 и -34 второго конденсатора-31 вольтодобавки формируется напряжение, близкое по величине к выходному напряжению низковольтного источника-19 постоянного напряжения.
При этом, в момент начального включения высоковольтного источника-1 постоянного напряжения и низковольтного источника-19 постоянного напряжения, второй конденсатор-31 вольтодобавки разряжен, первый управляемый ключ-7 постоянно разомкнут, а второй управляемый ключ-12 периодически замыкается прямоугольными импульсами длительностью τи, поступающими на его управляющий вход-26 с выхода-22 генератора-21 прямоугольных импульсов через буферный согласующий каскад-24. В данном режиме ток заряда второго конденсатора-31 вольтодобавки течет по цепи: положительный выход-29 низковольтного источника-19 постоянного напряжения - второй управляемый переключатель-47 - первый диод-30 вольтодобавки - второй конденсатор-31 вольтодобавки - индуктивная нагрузка-9 - замкнутый второй управляемый ключ-12 - ограничительный резистор-15 - отрицательный выход-20 низковольтного источника-19 постоянного напряжения.
С другой стороны, в стационарном режиме работы (когда оба управляемых ключа -7 и -12 практически одновременно замыкаются на время действия основного прямоугольного импульса длительностью τи и размыкаются на время его отсутствия) происходит подзаряд второго конденсатора-31 вольтодобавки (и, следовательно, восстановление напряжения между его обкладками- 32 и -34). Этот процесс происходит во время обратного хода (см. временную диаграмму фиг. 2в), благодаря протеканию тока заряда второго конденсатора-31 вольтодобавки по цепи: положительный выход-29 низковольтного источника-19 постоянного напряжения - второй управляемый переключатель-47 - первый диод-30 вольтодобавки - второй конденсатор-31 вольтодобавки - первый отсекающий диод -35 (который во время обратного хода открыт, как указывалось выше) - отрицательный выход-20 низковольтного источника-19 постоянного напряжения. Тем самым второй конденсатор-31 вольтодобавки в стационарном режиме работы все время подзаряжается до напряжения, близкого по величине к выходному напряжению низковольтного источника-19 постоянного напряжения. Что создает условия для открывания первого управляемого ключа-7 в следующем периоде Т, как это было описано ранее.
После окончания управляющего импульса длительностью τпр (см. временную диаграмму фиг 2е) на управляющем входе-55 второго (дополнительного) управляемого переключателя-47, указанный переключатель-47 подключает к своему выходу-49 (соединенному с анодом-50 первого диода-30 вольтодобавки) свой первый вход-48 (соединенный с отрицательным выходом-20 низковольтного источника-19 постоянного напряжения).
В результате первый диод-30 вольтодобавки закрывается, поскольку потенциал второй обкладки-34 второго конденсатора-31 вольтодобавки в это время близок к потенциалу отрицательного выхода-20 низковольтного источника-19 постоянного напряжения, а напряжение между его обкладками-32 и -34 примерно равно выходному напряжению низковольтного источника постоянного напряжения-19. То есть к катоду-33 первого диода-30 вольтодобавки приложено напряжение, близкое к выходному напряжению низковольтного источника постоянного напряжения-19, а его анод-50 оказывается соединенным с отрицательным выходом-20 низковольтного источника постоянного напряжения-19, следовательно, диод включен в обратном направлении. Причем из-за инерционности процессов в первом диоде-30 вольтодобавки его закрывание происходит в течение интервала времени τдиода, см. временную диаграмму фиг. 2ж).
Задний фронт преобразованного дополнительного импульса прямоугольной формы длительностью τпр (см. временную диаграмму фиг. 2е) на выходе-54 преобразователя-52 длительности импульсов прямоугольной формы опережает начало управляющего импульса длительностью τи на выходе-22 генератора-21 прямоугольных импульсов на величину Δτ> τдиода, поэтому к моменту появления высоковольтного импульсного напряжения на втором выводе-11 первого управляемого ключа-7 (на истоке его "МОП"-транзистора, см. временную диаграмму фиг. 2г) первый диод-30 вольтодобавки окажется надежно закрытым (см. временную диаграмму фиг. 2ж).
Следовательно, в момент появления высоковольтного импульсного напряжения в индуктивной нагрузке-9, в предлагаемом к патентованию устройстве для получения высоковольтного импульсного напряжения не возникает бросок импульсного тока через неполностью закрытый первый диод-30 вольтодобавки, а в известных устройствах аналогичного назначения этот бросок импульсного тока имеет место.
Таким образом, предлагаемое к патентованию устройство выполняет те же функции, что и устройство-прототип, отличаясь от него пониженным уровнем помех, излучаемых в окружающее пространство.
Функциональные блоки, входящие в состав устройства, могут быть реализованы различным образом.
Например, генератор-21 импульсов прямоугольной формы может быть выполнен с использованием микросхемы, выполняющей функции широтно-импульсного модулятора (например, А7985А), или же с использованием микросхемы, выполняющей функции частотно-импульсного модулятора (например, FAN-6300H), или по любой другой схеме, обеспечивающей формирование импульсов прямоугольной формы.
Транзисторы первого-7 и второго-12 управляемых ключей могут быть (и вместе, и каждый в отдельности) и МОП-транзистором, и БТИЗ-транзистором; сам ключ может содержать дополнительные схемы, повышающие качество его работы.
Индуктивная нагрузка-9, выполненная в виде обмотки на магнитопроводе, может представлять собой:
- либо первичную обмотку трансформатора, к вторичной обмотке которого, например, может быть подсоединен выпрямитель,
- либо обмотку электромагнита, преобразующего импульсы в индуктивной нагрузке в механическое перемещение якоря электромагнита,
- либо любую другую индуктивность, передающую мощность в оконечное устройство.
В качестве отсекающих диодов-35 и -38 могут быть использованы любые другие устройства с односторонней проводимостью, например, управляемые МОП-транзисторы, или управляемые БТИЗ-транзисторы и т.п.
Буферный согласующий каскад-24, выполняющий функции согласования моментов подачи управляющих импульсов, поступающих на входы первого-7 и второго-12 управляемых ключей, может быть выполнен, например, в виде последовательного соединения схемы задержки и усилителя, а может вообще отсутствовать.
Все остальные элементы, входящие в состав устройства для получения высоковольтного импульсного напряжения, широко известны и опубликованы в общедоступных источниках информации по импульсной технике и радиоэлектронике.