Устройство для формирования пилообразного напряжения на конденсаторе
DEVICE FOR FORMING A SAWTOOTH VOLTAGE ON CAPACITOR

Область техники
Изобретение относится к области электротехники и преобразовательной техники и может применяться для питания физических нагрузок.
Уровень техники
Известно устройство для резонансного заряда конденсатора (Патент РФ №2734903, 26.10.2020 «Устройство для резонансного заряда конденсатора»), включающее конденсатор источника питания, к которому подключены последовательно включенные транзистор, индуктивность и конденсатор, а параллельно с конденсатором включены последовательно соединенные перезарядная индуктивность и ограничивающий транзистор. Резонансный заряд состоит из нескольких циклов заряда-перезаряда конденсатора, напряжение на котором растет от цикла к циклу и  в несколько раз превысит двойное напряжение источника питания. Форма напряжения на конденсаторе - пилообразная. Когда оно достигнет заданного значения, ограничивающий транзистор 6 закрывается, последний цикл состоит только из интервала перезарядки конденсатора через источник питания. Заряженный конденсатор разряжается на физическую нагрузку. Это устройство принимается за прототип. В прототипе форма напряжения на конденсаторе пилообразная с растущей от цикла к циклу амплитудой.
Сущность изобретения
Технической задачей изобретения является формирование пилообразного напряжения на конденсаторе с постоянными положительной и отрицательной амплитудами до напряжения, в несколько раз превышающего напряжение источника питания.
Для решения этой задачи предлагается устройство для резонансного заряда конденсатора, включающее конденсатор источника питания, к которому подключены последовательно включенные транзистор, индуктивность и конденсатор, а параллельно с конденсатором включены последовательно соединенные перезарядная индуктивность и резистор.
Фиг 1. Устройство для резонансного заряда конденсатора (прототип).
1 - конденсатор источника питания, 2 - транзистор, 3 - индуктивность, 4 - конденсатор, 5 - перезарядная индуктивность, 6 - ограничивающий транзистор, Un - напряжение источника питания.
Устройство для резонансного заряда конденсатора состоит из конденсатора источника питания 1, последовательно с которым включены транзистор 2, индуктивность 3, конденсатор 4, параллельно которому подключены перезарядная индуктивность 5 и ограничивающий транзистор 6.
Фиг. 2. Временные диаграммы напряжений и токов (прототип).
U1 - напряжение управления транзистором 2, U2 - напряжение управления ограничивающим транзистором 6, il - ток, текущий через индуктивность 3, i2- ток, текущий через перезарядную индуктивность 5, Uc - напряжение на конденсаторе 4.
Фиг 3. Устройство для формирования пилообразного напряжения на конденсаторе.
1 - конденсатор источника питания, 2 - транзистор, 3 - индуктивность, 4 - конденсатор, 5 - перезарядная индуктивность, 7 - резистор, Un - напряжение источника питания.
Устройство для формирования пилообразных импульсов тока на конденсаторе состоит из конденсатора источника питания 1, последовательно с которым включены транзистор 2, индуктивность 3, конденсатор 4, параллельно которому подключены перезарядная индуктивность 5 и резистор 7.
Фиг. 4. Временные диаграммы напряжений и токов.
U1 - напряжение управления транзистором 2, il - ток, текущий через индуктивность 3, i2 - ток, текущий через перезарядную индуктивность 5 и резистор 7, Uc - напряжение на конденсаторе 4.
Осуществление изобретения
Принцип работы устройства поясняется временными диаграммами (фиг. 4), на которых: U1- напряжение управления транзистором 2, il - ток, текущий через индуктивность 3, i2 – ток, текущий через перезарядную индуктивность 5, Uc - напряжение на конденсаторе 4. Первоначально напряжение на конденсаторе относительно «земли» равно нулю. В момент времени t=0 открываются транзистор 2, происходит первоначальный заряд конденсатора квазисинусоидальным импульсом тока по цепи 1, 2, 3, 4. Ток протекает и по цепи перезарядная индуктивность 5, ограничивающий резистор 7, но он намного ниже зарядного тока, через конденсатор 4, так как величина перезарядной индуктивности 5 в несколько раз больше индуктивности 3. После снижения зарядного тока до нуля и закрытия транзистора 2 (t1) положительно заряженный конденсатор 4 перезаряжается через перезарядную индуктивность 5 и ограничивающий резистор 7 до отрицательного напряжения. При перезаряде в резисторе 7 рассеивается часть энергии, запасенной в конденсаторе. В момент t2 открывается транзистор 2, напряжения источника питания и конденсатора складываются, импульс зарядного тока выше, соответственно выше и увеличение напряжения на конденсаторе при этом цикле. Второй цикл заканчивается в момент t4, при этом напряжение на конденсаторе 4 увеличится по сравнению с первым циклом, увеличатся и потери в резисторе 7. Напряжение на конденсаторе имеет двухполярную пилообразную форму с растущими от цикла к циклу амплитудами. После нескольких циклов заряда-перезаряда амплитуда напряжения в конденсаторе в несколько раз превысит напряжение источника питания, а рассеиваемая в резисторе энергия сравняется с энергией, поступающей от источника питания в конденсатор, благодаря чему рост напряжения прекращается, наступает установившийся режим.
Таким образом, в каждый последующий цикл заряда конденсатора в него вводится энергия, которая полностью рассеивается на резисторе, включенном последовательно с перезарядной индуктивностью.
Расчеты показывают, что при индуктивности 3 - L=0,00036 Гн, перезарядной индуктивности 5 - L=0,015 Гн, конденсаторе 4 - С=0,006 мкФ, резисторе 7 R=80 Ом и напряжении источника питания 60 В, амплитуды напряжения в конденсаторе 4+1570 В и -1470 В, время заряда конденсатора составляет 4,8 мксек, время перезаряда - 21,2 мксек.