Управляемый формирователь высокого напряжения

Полезная модель относится к преобразовательной технике, в частности к управляемым формирователям высокого напряжения, и может быть использована для формирования высокого напряжения на нагрузке, чувствительной к воздействию помех, например, для поджига разряда газовых лазеров. Техническим результатом полезной модели является снижение уровня помех на выходной шине формирователя при выключенном высоком напряжении.
Известны устройства, формирующие на выходе высокое напряжение в виде коротких одиночных или повторяющихся импульсов, используемые для поджига разряда в газовых лазерах (1). Недостаток таких устройств - сложность обеспечения, гарантированного и безопасного (для лазера) поджига разряда в широком диапазоне условии эксплуатации лазера и при его старении.
Известно устройство, которое при подаче на него внешнего постоянного напряжения формирует на выходной шине высокое напряжение (2). Данной устройство позволяет надежно поджигать разряд в газовом лазере, т.к. выключение устройства (путем выключения внешнего напряжения) производится только после осуществления поджига разряда по сигналу обратной связи из электронной системы обеспечения работы лазера.
Признаками устройства, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются преобразователь постоянного напряжения в переменное напряжение (модулятор 2) и шина внешнего постоянного напряжения питания (выход сетевого выпрямителя 1), причем выход упомянутого преобразователя соединен с входом трансформатора 3, выход которого подключен к выпрямителю напряжения (умножитель 4). Выход выпрямителя напряжения соединен с выходной шиной устройства.
Недостаток данного устройства - невозможность использования в электронной системе обеспечения лазера отдельных функциональных узлов (например, модулятора 2) выключенного устройства после осуществления поджига лазера, а также невозможность тестирования работоспособности отдельных важных узлов устройства перед его очередным включением.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является управляемый формирователь высокого напряжения (3), который и принят в качестве прототипа.
Признаками устройства - прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемой полезной модели, являются преобразователь постоянного напряжения в переменное, шина внешнего источника питания и вывод включения-выключения, причем выходной каскад упомянутого преобразователя соединен с выводом первичной обмотки трансформатора, выводы вторичной обмотки которого подключены к выпрямителю напряжения, выход выпрямителя напряжения соединен с выходной шиной.
В устройстве - прототипе преобразователь постоянного напряжения в переменное (далее - преобразователь) состоит из генератора прямоугольных импульсов с парафазным выходом (IC1, IC3D, IC3A) и управляемого по выводу включения-выключения (объединенные входы 9 и 7 компараторов IC3C и IC3B) двухтактного выходного каскада (IC3C, Q1, Q3 и IC3B, Q2, Q4).
В общем случае выходной каскад преобразователя может быть выполнен и по однотактной схеме (4). В этом случае выходной каскад соединяется с выводом первичной обмотки трансформатора, другой вывод которой подключается к шине внешнего источника питания.
Устройство-прототип работает следующим образом. При наличии напряжения на шине внешнего источника питания (вывод «+» выпрямительного моста В1) и наличии сигнала «выключено» (ОВ) на выводе включения-выключения, выходные МДП-транзисторы Q3, Q4 закрыты. На выходной шине (+HVOUT) высокое напряжение отсутствует. При подаче на вывод включения-выключения сигнала «включено» (величина которого для данного устройства определяется напряжением внутреннего стабилизатора IC2 и сопротивлением его выходного делителя R11) выходные МДП-транзисторы парафазно коммутируют первичную обмотку трансформатора и в конечном итоге на выходной шине устройства (соединенной с анодной цепью лазера) устанавливается постоянное высокое напряжение. После осуществления поджига разряда лазера электронная система обеспечения лазера устанавливает на выводе включения-выключения сигнал «выключено» (ОВ). В результате, высокое напряжение с выходной шины устройства «снимается». При этом выключается не все устройство, а только его выходной каскад. Поэтому отдельные узлы (генератор, стабилизатор напряжения) выключенного устройства могут функционально использоваться в электронной системе обеспечения лазера. Вывод включения-выключения или дополнительно введенные при необходимости выводы могут также использоваться для тестирования работоспособности отдельных важных узлов устройства перед его очередным включением.
Недостатком устройства - прототипа является высокий уровень помех, генерируемых на выходной шине уже после выключения устройства, т.е. при отсутствии на выходной шине высокого напряжения. Это объяснятся тем, что шина внешнего источника питания (обычно общего источника питания для всей лазерной системы), характеризующаяся высоким уровнем помех из-за работы электронной системы обеспечения лазера и системы обработки информации, непосредственно соединена с выводом первичной обмотки трансформатора. Эти помехи благодаря большой выходной емкости выключенных МДП-транзисторов Q2, Q4 выходного каскада преобразователя и реальной ассиметричности первичных полуобмоток трансформатора формируют в первичной обмотке токи помехи. В результате, во вторичной обмотке, как правило, повышающего трансформатора индуцируются помехи с большой амплитудой, которые через проходную емкость выпрямителя попадают на выходную шину устройства, подключенную к разрядному промежутку уже работающего лазера. Это приводит к модуляции параметров лазера и к снижению точных характеристик лазерных навигационных устройств.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является снижение уровня помех на выходной шине управляемого формирователя при выключенном высоком напряжении.
Указанный технический результат достигается тем, что в управляемом формирователе высокого напряжения, содержащем преобразователь постоянного напряжения в переменное, шину внешнего источника питания и вывод включения-выключения, выходной каскад упомянутого преобразователя соединен с выводом первичной обмотки трансформатора, выводы вторичной обмотки которого подключены к выпрямителю напряжения, выход выпрямителя напряжения соединен с выходной шиной, дополнительно введен управляемый ключ, вход которого соединен с шиной внешнего источника питания, а выход - с другим выводом первичной обмотки трансформатора, вход управления ключа соединен с выводом включения- выключения.
Сущность заявляемой модели поясняется не ограничивающим чертежом. На фиг. 1 приведена схема устройства, которое содержит: преобразователь 1 постоянного напряжения в переменное с шиной 2 внешнего источника питания и выводом 3 включения-выключения, трансформатор 4, выпрямитель 5 напряжения, выходную шину 6, управляемый ключ 7 с входом 8, выходом 9 и входом управления 10. На фиг. 1 также обозначены: 11 - вывод выходного каскада преобразователя 1; 12, 13 и 14, 15 - выводы соответственно первичной и вторичной обмоток трансформатора 4.
Преобразователь 1 постоянного напряжения в переменное выполнен, например, на основе генератора прямоугольных импульсов и однотактного управляемого выходного каскада на МДП-транзисторе с общим истоком. Трансформатор 4 является, как правило, повышающим с большим коэффициентом трансформации. Выпрямитель 5 может быть выполнен с функцией умножения напряжения. Управляемый ключ 7 может быть электромеханическим (герконовое реле) или аналоговым.
Устройство работает следующим образом. При наличии на шине 2 напряжения от внешнего источника питания и при наличии на выводе 3 включения-выключения сигнала «выключено», выходной каскад преобразователя I выключен и на выходной шине 6 отсутствует высокое напряжение. При использовании устройства для поджига разряда в газовом лазере выходная шина 6 устройства подключается к анодной цепи газоразрядного промежутка лазера. При поступлении на вывод 3 сигнала на поджиг лазера (сигнала «включено») управляемый ключ 7 замыкается и подключает вывод 13 первичной обмотки трансформатора к шине 2 внешнего источника питания. Выходной каскад преобразователя 1 также включается и коммутирует первичную обмотку трансформатора 4. На выходной шине 6 формируется высокое напряжение.
После осуществления поджига разряда лазера электронная система обеспечения лазера устанавливает на выводе 3 включения-выключения сигнал «выключено». В результате, высокое напряжение с выходной шины устройства «снимается». При этом все узлы преобразователя 1 (кроме его выходного каскада) функционируют и могут использоваться (или тестироваться) в электронной системе обеспечения лазера. Т.к. выходной каскад преобразователя 1 выключен, то его транзистор, коммутирующий первичную обмотку трансформатора 4, закрыт и вывод 12 обмотки «отсоединен» от общей шины устройства. Управляющий ключ 7 также выключен и другой вывод 13 первичной обмотки трансформатора 4 также «отсоединен» от шины 2 внешнего источника питания. В результате, при отсутствии на выходной шине 6 высокого напряжения помехи с шины 2 от внешнего источника питания не проникают в первичную обмотку трансформатора 4, что и обеспечивает отсутствие помех на его вторичной обмотке и, следовательно, на его выходной шине 6.
Отсутствие помех на выходной шине 6 устройства, а, следовательно, и на разрядном промежутке уже работающего лазера обеспечивает отсутствие модуляции параметров лазера и определяет высокие точностные характеристики лазерного навигационного устройства.
Практический образец заявленной полезной модели включает преобразователь постоянного напряжения в переменное, выполненный на генераторе прямоугольных импульсов (с использованием микросхемы 74АС08) и управляемом однотактном выходном каскаде (на логическом элементе 2И типа SN74AHC1G08 и МДП-транзисторе IRF7493). Использовались повышающий трансформатор с коэффициентом трансформации 25, 10-ти кратный выпрямитель-умножитель и управляемый аналоговый ключ VN750. При напряжении первичного источника питания +15В±10% выходное напряжение равно +3000В±10% (при выходном токе 100 мкА). Уровень помех на выходе выключенного устройства уменьшен в 8-12 раз по сравнению с устройством-прототипом.
Источники информации.
1. Вакуленко В.М., Иванов Л.П. Источники питания лазеров - М.: Сов. радио, 1980. - 104 с., ил. (стр. 4)
2. Патент РФ №2419183, H01S 3/09, публикация 20.05.2011.
3. Joseph Diverdi. Регулируемый высоковольтный источник питания 0-1000 В. http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=71052, 15.12.2010
4. Шелестов И.П. Ш42 Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 5/Шелестов И.П. - М.: СОЛОН-Пресс, 2003. - 240 с.: ил. (стр. 191, рис. 53 1)
Перечень позиций
1 - преобразователь постоянного напряжения в переменное;
2 - шина внешнего источника питания;
3 - вывод включения-выключения;
4 - трансформатор;
5 - выпрямитель;
6 - выходная шина;
7 - управляемый ключ;
8 - вход ключа 7;
9 - выход ключа 7;
10 - вход управления ключа 7;
11 - выход входного каскада преобразователя 1;
12, 13 - выводы первичной обмотки трансформатора 4;
14, 15 - выводы вторичной обмотки трансформатора 4.