ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, в частности к силовой импульсной технике и может найти применение в импульсных системах питания таких нагрузок, как лампы накачки твердотельных лазеров, лазерные диоды, магнетроны, высоковольтные испытательные стенды и т.п.
Известны импульсные генераторы, работающие в режиме частичного разряда емкостного накопителя (А.Б. Иванов, Л.Н. Сосновкин. Импульсные передатчики СВЧ. М., «Сов. радио», 1956, с. 413). Такие генераторы позволяют получать импульсы прямоугольной формы регулируемой длительности с короткими фронтами и состоят из зарядного устройства, емкостного накопителя и полностью управляемого ключа. Такие генераторы имеют большие массогабаритные показатели накопителя, особенно при работе на низкоомную нагрузку, поскольку величина спада вершины импульсов определяется постоянной времени цепи разряда. Кроме этого недостатком таких генераторов является то, что энергия, запасаемая в накопителе, существенно превышает энергию, выделяемую в нагрузке за один импульс в частотном режиме. При отказе полностью управляемого ключа происходит полный разряд накопителя, что обычно приводит к разрушению нагрузки.
В качестве накопителей и формирователей прямоугольных импульсов тока могут быть использованы формирующие двухполюсники в виде однородных искусственных линий (Евтянов С.И., Редькин Г.Е. Импульсные модуляторы с искусственной линией. - М., «Сов. радио», 1973, с. 6, рис. 1.1.), состоящие из зарядного устройства, формирующего двухполюсника и полууправляемого ключа. Недостатком таких генераторов являются существенные осцилляции на плоской части импульсов, большие относительные длительности фронтов импульсов, невозможность регулирования длительности импульсов и сохранения согласованного режима работы в случае нелинейных нагрузок при регулировании уровня зарядного напряжения линий.
Для получения импульсов тока в нелинейных нагрузках можно использовать импульсные генераторы на основе индуктивных накопителей, работающих в режиме полного разряда (М.С. Нейман. Курс радиопередающих устройств. М., «Сов. радио», 1965, с. 406, рис. 4.25). Такие генераторы, состоящие из зарядного устройства, индуктивного накопителя и полностью управляемого ключа являются источниками тока, в силу чего изменение параметров нагрузки несущественно влияет на амплитуду импульсов. Недостатком этих генераторов является невозможность обеспечить регулирование длительности импульсов тока нагрузки, причем форма этих импульсов существенно отличается от прямоугольной формы, поскольку фронт и срез импульсов являются отрезками экспоненты. При этом отмечается, что использование индуктивного накопителя в режиме частичного разряда недопустимо из энергетических соображений, т.к. хранение энергии в индуктивности связано с постоянным протеканием тока и существенному снижению к.п.д., особенно при больших скважностях импульсов тока нагрузки.
В качестве прототипа выбран рекуперативный генератор импульсов тока с секционированным индуктивным накопителем энергии, схема которого представлена на фиг. 1, (Чернявский Н.И., Чибисова Н.Н. Энергетические характеристики генераторов импульсов тока с индуктивными накопителями энергии для аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов неплавящимся электродом. Вектор науки ТГУ. №2 (16), 2011). Импульсный генератор (фиг. 1) содержит источник э.д.с. E, двухсекционный индуктивный накопитель энергии L с отпайками, два полностью управляемых ключа K1 и K2 и нагрузку R. Генератор обеспечивает в нагрузке биполярные импульсы тока, причем процесс накопления энергии и частичной рекуперации происходит при протекании тока через нагрузку. Недостатком такого устройства является невозможность генерирования униполярных импульсов тока с регулируемой в широких пределах их длительностью и частотой следования и сравнительно низкий к.п.д. процесса. Кроме этого устройство требует изготовления секционированного двухобмоточного дросселя с отпайками, что существенно усложняет конструкцию.
Технический результат, на получение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в обеспечении импульсного режима питания нагрузки от индуктивного накопителя при обеспечении регулирования длительности и частоты следования импульсов тока нагрузки и при сохранении высокого значения к.п.д., не зависящего от скважности импульсного процесса.
Для получения указанного технического результата в импульсный генератор, содержащий источник э.д.с., к положительному зажиму которого подключен первый зажим полностью управляемого ключа цепи заряда и первый зажим ключа цепи рекуперации, при этом вторые зажимы ключей соединены с входным зажимом индуктивного накопителя и выходным зажимом индуктивного накопителя соответственно, а также нагрузку, подключенную одним выводом к общей шине, к которой подключен и минусовой зажим источника э.д.с., дополнительно введены нулевой диод, анод которого подключен к общей шине, а катод к входному зажиму индуктивного накопителя, второй ключ цепи заряда, один зажим которого подключен к общей шине, а второй зажим к выходному зажиму индуктивного накопителя, к которому подключен первый зажим дополнительно введенного ключа цепи разряда, второй зажим которого подключен к нагрузке.
Сущность заявляемого технического решения поясняется фиг. 2, на которой представлена схема заявляемого импульсного генератора, фиг. 3, на которой приведены диаграммы, поясняющие порядок работы ключей и фиг. 4, на которой приведены временные зависимости токов импульсного генератора в установившемся режиме.
Импульсный генератор (фиг. 2) содержит источник э.д.с. E, в качестве которого может использоваться как сетевой выпрямитель с емкостным фильтром на выходе, так и аккумуляторные батареи, к положительному зажиму которого подключен первый зажим полностью управляемого ключа K1 цепи заряда и первый зажим ключа K2 цепи рекуперации, при этом вторые зажимы ключей соединены с входным зажимом индуктивного накопителя L и выходным зажимом индуктивного накопителя L соответственно, нагрузку R, подключенную одним выводом к общей шине, к которой подключен и минусовой зажим источника э.д.с. E, нулевой диод D, анод которого подключен к общей шине, а катод к входному зажиму индуктивного накопителя L, второй ключ K3 цепи заряда, один зажим которого подключен к общей шине, а второй зажим к выходному зажиму индуктивного накопителя L, к которому подключен первый зажим ключа K4 цепи разряда, второй зажим которого подключен к нагрузке R.
Устройство работает следующим образом.
Величина тока заряда индуктивного накопителя L определяется величиной напряжения источника э.д.с. E, величиной индуктивности накопителя E и временем t1 включенного состояния ключей K1 и K3 и равна I=Et/L. На фиг. 3 приведены диаграммы, поясняющие порядок работы ключей. В нулевой момент времени включаются ключи K1 и К3 и происходит заряд накопителя причем ток накопителя возрастает по линейному закону. В момент времени t1 ключи K1 и K3 отключаются и одновременно включается ключ K4 на время, равное длительности импульса тока нагрузки τ. В нагрузке R генерируется импульс, амплитуда которого равна току накопителя L в момент времени t1 а спад плоской части импульса определяется постоянной времени цепи L/R. В момент времени t2=t1+τ ключ K4 выключается и включается ключ K2, причем время отключения этого ключа t3=2∗t1, и происходит процесс рекуперации энергии накопителя который разряжается в источник э.д.с. E, а ток разряда убывает по линейному закону.
На фиг. 4 приведены временные зависимости токов импульсного генератора в установившемся режиме. В этом примере напряжение заряда E=200 B, индуктивность накопителя L=5 мгн, время заряда 5 мсек. Амплитуда импульса тока I=200 А. Из рисунка видно, что суммарная длительность процесса заряда, генерирования импульса и рекуперации не превышает 10 мсек и минимальный период частоты следования импульсов T равен 10 мсек, т.е. T≥2∗11. Уменьшение частоты следования импульсов, т.е. увеличение скважности, не приводит к снижению к.п.д., поскольку в паузах ток в индуктивном накопителе отсутствует.