Устройство формирования импульсов

Полезная модель относится области импульсной техники и может быть использована для испытаний на устойчивость электрических и/или электронных сборочных узлов и изделий, работающих в бортовых сетях автотранспортных средств, преимущественно, на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости (ЭМС).
Известен курс лекций «Импульсная техника» под редакцией В.В. Проходцева «Оренбургский государственный университет» ГОУ ВПО ОГУ, 2003. В курсе рассматриваются методы и устройства формирования импульсных сигналов. Конструктивные схемы, рассматриваются в виде принципиальных схем неудовлетворяющих практическому применению в конструкциях изделий, используемых для испытаний на устойчивость электрических и/или электронных сборочных узлов и изделий, работающих в бортовых сетях автотранспортных средств, преимущественно, на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости.
Известно устройство формирования импульса см. патент №2661908. Изобретение относится к области радиотехники и не может быть использовано для контроля и испытаний электротехнических изделий автотракторной техники.
Устройство формирования фазоманипулированного радиосигнала с плавным изменением фазы между элементарными импульсами содержит генератор импульсов, линию задержки на длительность, меньшую длительности элементарного импульса, многоотводную линию задержки, сумматор, генератор треугольных импульсов и высокочастотный LC-генератор. В устройство дополнительно введен асинхронный RS триггер, а также увеличено число выходов многоотводной линии задержки (с трех до шести), соединенных с соответствующими входами сумматора. При этом все вышеуказанные элементы соединены между собой в электрическую цепь.
0
0
1
1
n
0
Известно учебное пособие Пичугина М.Т. «Высоковольтная электротехника» (прототип), Томский политехнический университет, Изд-во ТПУ, 2011. В учебном пособии рассматриваются генераторы импульсных напряжений, выполненные по схеме на основе группы конденсаторов, например, генераторы Аркадьева-Маркса. Несколько конденсаторов (в общем случае n) с емкостью С каждый соединены параллельно и заряжаются до напряжения U через зарядные сопротивления R и сопротивление R от общего источника выпрямленного напряжения. При пробое запускающего разрядника F происходит импульсная перезарядка паразитных емкостей C и осуществляется пробой очередного промежутка с прогрессивно нарастающим напряжением. В итоге конденсаторы С оказываются соединены последовательно и на выходе получается напряжение nU.
Недостаток конструкции на основе конденсаторов, объединенных в группу для формирования суммарного импульса заданной формы заключается в существенном увеличении габаритно-массовых параметров генератора импульсов, предполагаемого к применению для испытаний на устойчивость электрических и/или электронных сборочных узлов и изделий, работающих в бортовых сетях автотранспортных средств, преимущественно, на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости (ЭМС). Ближайшая техническая задача заключается в изменении конструкции генератора импульсов, при котором обеспечивается существенное уменьшение габаритно-массовых параметров устройства (генератора) формирования импульсов.
Поставленная задача решается следующим образом. Разработанный комплекс оборудования для испытаний изделий автомобильной электроники и электрооборудования на соответствие требованиям по электромагнитной совместимости (ЭМС) состоит из источника электропитания напряжением 5 В, источника электропитания напряжением 200 В, формирователя огибающей импульса, двойного модуля биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ), драйвера управления затворами двойного модуля биполярного транзистора, фильтров электрических параметров, емкостного накопителя, датчиков диагностики функциональных узлов и программно-аппаратного управляющего модуля на основе микроконтроллера.
В качестве источника электропитания двойного модуля полевых транзисторов может использоваться статический преобразователь AC/DC преобразующий входное переменное напряжение в постоянное напряжение (200 В).
si
i
Двойной модуль биполярного транзистора, преимущественно, полумост (half bridge) БТИЗ (IGBT), обеспечивает порционный разряд емкостного накопителя до уровня напряжения ΔU и длительности Δt соответствующей дискреты импульса.
Управление двойным модулем биполярного транзистора осуществляется драйвером управления, например, HCPL-3180. Двойной модуль силового транзистора IGBT управляется с помощью напряжения, подаваемого на управляемый электрод -«затвор», который изолирован от силовой цепи.
Отличительные качества двойного модуля IGBT:
- Управляется напряжением (как любой полевой транзистор);
- Имеет низкие потери в открытом состоянии;
- Может работать при температуре более 100°С;
- Способен работать с напряжением более 1000 Вольт и мощностями свыше 5 киловатт;
- двойной модуль (half-bridge), представляет собой модуль, где два БТИЗ соединены последовательно (полумост);
Электрические фильтры, в составе комплекса, применяются для сглаживания ступенек приращения напряжения.
Технические средства диагностирования и управления (ТСД). Эти средства, помимо измерительной аппаратуры, включают каналы передачи информации и диагностическое программное обеспечение в составе программно-аппаратного комплекса. Программно-аппаратный комплекс на основе микроконтроллера осуществляет управление статическим преобразователем AC/DC 200В, модулем формирователя огибающей импульса, драйвером управления затворами верхнего/нижнего плеча двойного модуля биполярного транзистора (IGBT), двойным модулем биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), платой фильтров и емкостным накопителем. В качестве контролируемых и управляемых параметров могут выступать величины, характеризующие свойства объекта или его структуру.
На Фиг. 1 показано устройство формирования импульсов. Расположение и электрическая связь конструктивных элементов.
Поз. 1 - Двойной модуль биполярных транзисторов с изолированным затвором
Поз. 2 - Плата драйверов.
Поз. 3 - Плата фильтров.
Поз. 4 - Конденсатор.
На Фиг. 2 показано устройство формирования импульсов. Расположение и размещение конструктивных элементов. Плата драйверов. Электрическая связь формирователя огибающей импульса и драйвера управления затворами двойного модуля биполярных транзисторов (IGBT).
Поз. 5 - Ограничительный резистор
Поз. 6 - Светодиод контроля сигнала управления
Поз. 7 - Драйвер HCPL-3180 для управления затвором верхнего/нижнего плеча двойного модуля биполярных транзисторов (IGBT).
Поз. 8 - Формирователь огибающей импульса.
На Фиг. 3 показана плата фильтров.
Поз. 9 - Электрические цепи фильтрации.
На Фиг. 4 показан вариант испытательного импульса с одной из форм огибающего импульса соответствующий нормам тестирования.
На Фиг. 5 показано последовательное наращивание мощности испытательного импульса.
На Фиг. 6 показаны информационные каналы связи микроконтроллера с группой технических средств, обеспечивающих формирование испытательного импульса заданного вида, формы, мощности и интенсивности.
Поз. 10 - Источник питания (12-24 В);
Поз. 11 - Формирователь огибающей импульса;
Поз. 12 - Плата драйверов;
Поз. 13 - Двойной модуль биполярных транзисторов с изолированным затвором;
Поз. 14 - Плата фильтров;
Поз. 15 - Емкостной накопитель;
Поз. 16 - Программно-аппаратный модуль на основе микроконтроллера.
На Фиг. 1 показано устройство формирования импульсов. Расположение и электрическая связь конструктивных элементов. Двойной модуль биполярных транзисторов с изолированным затвором Поз. 1, преимущественно IGBT электрически соединен с драйвером Поз. 7 (платой драйверов Поз. 2) управления затворами двойного модуля биполярных транзисторов с изолированным затвором. Выход БТИЗ соединен с фильтрами (платой фильтров Поз. 3) и далее с конденсатором Поз. 4, обеспечивающим накопление энергии для формирования импульса. Выходы с платы драйвера ХТ1 и ХТ3 обеспечивают изменение напряжения на затворе БТИЗ и соответственно изменяя проходимость зарядов перехода в цепи ХТ4.
На Фиг. 2 показана развернутая электрическая схема платы драйверов Поз. 2 и ее связь с формирователем огибающей импульса Поз. 8 и выходами драйвера ХТ1 и ХТ3, обеспечивающими управление затворами биполярных транзисторов Поз. 1 (Фиг. 1).
На Фиг. 3 показана электрическая схема платы фильтров, где Поз. 9 - цепи фильтрации. Выход платы (+Vin, -Vin) является входом емкостного накопителя.
На Фиг. 4 показан вариант испытательного импульса с одной из форм огибающего импульса соответствующий нормам тестирования. Испытательный импульс моделирует переходные процессы, которые вызваны внезапным прерыванием тока, подаваемого индуктивным источником в бортовую сеть автотракторной техники.
si
i
На Фиг. 5 показана особенность формирования испытательного импульса на основе применения биполярного транзистора с изолированным затвором Поз. 1. Последовательное наращивание мощности испытательного импульса производится отдельными приращениями U в интервале времени Δt до заданного испытательного значения Us. Форма импульса обеспечивается формирователем огибающей импульса Поз. 8.
На Фиг. 6 показаны информационные каналы связи микроконтроллера с группой технических средств, обеспечивающих формирование испытательного импульса заданного вида, формы, мощности и интенсивности.
Программно-аппаратный модуль на основе микроконтроллера (МК) Поз. 16 входит в состав технических средств обеспечивающих совместную работу функциональных узлов устройства формирования импульсов. Осуществляет контроль, диагностику и управление:
Поз. 10 - Источник питания (+5 В);
Поз. 11 - Формирователь огибающей импульса;
Поз. 12 - Плата драйверов;
Поз. 13 - Биполярный транзистор с изолированным затвором;
Поз. 14 - Плата фильтров;
Поз. 15 - Емкостной накопитель;
Поз. 16 - Программно-аппаратный модуль на основе микроконтроллера.
Поз. 17 - Источник питания (+200 В)
Работа устройства
si
i
С формирователя огибающей импульса (поз. 8) в виде логических уровней открытия/закрытия ΔU определенной длительности Δt через ограничительный резистор поз. 5 и светодиод контроля сигнала управления поз. 6 подается на драйвер HCPL поз. 7 платы драйверов.
Драйвер HCPL преобразовывает логические сигналы низкого уровня в сигналы управления требуемого уровня двойного модуля биполярных транзисторов с изолированным затвором БТИЗ поз. 1. В соответствии с поступающими сигналами происходит открывание/закрывание БТИЗ и порционная передача запасенной энергии с конденсаторов-накопителей поз. 4 на плату фильтров поз. 3. Цепи фильтрации поз. 9 платы фильтров производят сглаживание фронтов импульсов открытия/закрытия с выходов БТИЗ, приближая форму выходного сигнала к требуемой огибающей импульса на выходе IGBT1-2.
С выхода IGBT1-2 сигнал подается на выход каскада для окончательного формирования огибающей импульса и передачи импульса на выход генератора и далее в нагрузку.
Технический результат: устройство формирования импульса на основе двойного модуля биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) под управлением микроконтроллера обеспечивает существенное уменьшение массогабаритных характеристик генератора, и увеличивает надежность устройства, повышает технологичность изготовления устройства, делает возможным генерировать импульсы в общем случае с произвольной огибающей.