Устройство для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение
DEVICE FOR DC VOLTAGE CONVERSION INTO PULSE VOLTAGE

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано для создания импульсных источников электропитания, имеющих пониженный уровень электромагнитных помех, излучаемых в окружающее пространство, а также для расширения арсенала технических средств, преобразующих постоянное напряжение в импульсное напряжение.
Аналогичные технические решения известны, см. статью «Однотактный сдвоенный обратноходовой преобразователь с улучшенными динамическими характеристиками», рис. 8 (авторы Кругликов И.А., Ширяев А.О., Якименко И.В., 2013 г., опубликована на сайте http://pandia.ru/text/78/081/38282.php). Известное техническое решение содержит нижеследующую совокупность существенных признаков:
- высоковольтный источник 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, а своим вторым выводом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- генератор импульсов прямоугольной формы (первая схема управления), подсоединенный своим выходом к управляющему входу первого управляемого ключа;
- вторая схема управления, подсоединенная своим выходом к управляющему входу второго управляемого ключа;
- первый отсекающий диод, подсоединенный своим анодом к второму выводу индуктивной нагрузки и своим катодом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- второй отсекающий диод, подсоединенный своим катодом к второму выводу первого управляемого ключа и своим анодом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения.
Общими признаками предлагаемого технического решения и указанного аналога являются:
- высоковольтный источник постоянного напряжения;
- первый управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- индуктивная нагрузка, подсоединенная своим первым выводом ко второму выводу первого управляемого ключа;
- второй управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом ко второму выводу индуктивной нагрузки;
- генератор импульсов прямоугольной формы;
- первый отсекающий диод, подсоединенный своим анодом ко второму выводу индуктивной нагрузки и своим катодом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- второй отсекающий диод, подсоединенный своим катодом ко второму выводу первого управляемого ключа и своим анодом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения.
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 ко 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;
- управляемый генератор импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим выходом через буферный согласующий каскад к управляющему входу второго управляемого ключа;
- формирователь управляющего напряжения, подсоединенный своим выходом к входу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы;
- 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 ко второму выводу первого управляемого ключа;
- второй диод (первый отсекающий диод), подсоединенный своим катодом ко второму выводу первого управляемого ключа и своим анодом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- третий диод (второй отсекающий диод), подсоединенный своим анодом ко 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 (конденсатора вольтодобавки), своим вторым входом ко 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.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа 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, подсоединенный своим первым выводом к положительному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- индуктивная нагрузка, подсоединенная своим первым выводом ко второму выводу первого управляемого ключа;
- второй управляемый ключ, подсоединенный своим первым выводом ко второму выводу индуктивной нагрузки;
- ограничительный резистор;
- низковольтный источник постоянного напряжения, подсоединенный своим отрицательным выходом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- управляемый генератор импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим выходом через буферный согласующий каскад к управляющему входу второго управляемого ключа;
- формирователь управляющего напряжения, подсоединенный своим выходом к входу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы;
- 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 ко второму выводу первого управляемого ключа;
- второй диод (первый отсекающий диод), подсоединенный своим катодом ко второму выводу первого управляемого ключа и своим анодом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения;
- третий диод (второй отсекающий диод), подсоединенный своим анодом ко 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 (конденсатора вольтодобавки), своим вторым входом ко 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.
Технический результат, который невозможно достичь ни одним из выше охарактеризованных аналогичных технических решений, заключается в снижении уровня импульсных электромагнитных помех, излучаемых устройствами для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение в окружающее пространство, что происходит благодаря управлению изменением амплитуды линейно-нарастающего тока в индуктивной нагрузке. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает расширение арсенала технических средств, реализующих свое назначение в виде устройств для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение.
Причиной невозможности достижения вышеуказанного технического результата является то, что, хотя в ранее известных устройствах для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение в результате излучения в окружающее пространство части импульсной мощности, получаемой в индуктивной нагрузке, всегда возникали импульсные электромагнитные помехи, однако до настоящего времени вопросам, связанным с уменьшением уровня указанных помех, должного внимания не уделялось.
Импульсные электромагнитные помехи, возникающие в аналогичных 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.
Учитывая характеристику и анализ известных аналогичных технических решений, можно сделать вывод, что задача создания устройств для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение, обеспечивающих снижение уровня импульсных электромагнитных помех, излучаемых в окружающее пространство, является актуальной на сегодняшний день.
Технический результат, указанный выше, достигается тем, что в известное устройство для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение, 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, низковольтный источник постоянного напряжения, подсоединенный своим отрицательным выходом к отрицательному выходу высоковольтного источника постоянного напряжения, управляемый генератор импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим выходом через буферный согласующий каскад к управляющему входу второго управляемого ключа, формирователь управляющего напряжения, подсоединенный своим выходом к входу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы, 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), а своей второй обкладкой к второму выводу первого управляемого ключа, второй диод (первый отсекающий диод), подсоединенный своим катодом к второму выводу первого управляемого ключа 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, и 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 выходу управляемого генератора импульсов прямоугольной формы, введены электронно-управляемый резистор, включенный последовательно с вторым выводом второго управляемого ключа, с ограничительным резистором и с отрицательным выходом высоковольтного источника постоянного напряжения, и второй формирователь управляющего напряжения, подсоединенный своим выходом к управляющему входу электронно-управляемого резистора.
Введение второго формирователя управляющего напряжения и электронно-управляемого резистора с их подсоединениями позволяет, в ходе подачи импульсов прямоугольной формы с выхода управляемого генератора импульсов прямоугольной формы на управляющие входы первого и второго управляемых ключей, осуществить процесс регулирования амплитуды линейно-нарастающего тока, протекающего через индуктивную нагрузку (при этом цепь протекания тока включает в себя: высоковольтный источник постоянного напряжения - первый управляемый ключ - индуктивную нагрузку - второй управляемый ключ - электронно-управляемый резистор - ограничительный резистор), и в результате получить в индуктивной нагрузке импульсное напряжение, величина которого соответствует скорости нарастания линейно-нарастающего тока, протекающего через индуктивную нагрузку.
Регулирование амплитуды линейно-нарастающего тока, протекающего через индуктивную нагрузку, производится путем подачи управляющего напряжения с выхода второго формирователя управляющего напряжения на управляющий вход электронно-управляемого резистора, при этом амплитуда линейно-нарастающего тока может меняться в широких пределах. Действительно, значение сопротивления электронно-управляемого резистора устанавливается с помощью выходного напряжения второго формирователя управляющего напряжения. Это значение может меняться (под воздействием изменения управляющего напряжения с выхода второго формирователя управляющего напряжения) в пределах от нуля (и тогда амплитуда линейно-нарастающего тока определяется в основном сопротивлением ограничительного резистора и является максимальной амплитудой тока), до значений, в несколько (до десяти и более) раз, превышающих сопротивление ограничительного резистора, и тогда амплитуда тока становится в несколько (до десяти и более) раз меньше величины тока при нулевом сопротивлении электронно-управляемого резистора (и является минимальной амплитудой тока). Соответственно, величина импульсного напряжения, получаемого в индуктивной нагрузке, уменьшается в соответствии с уменьшением амплитуды линейно-нарастающего тока, протекающего через индуктивную нагрузку (при увеличении сопротивления электронно-управляемого резистора) и увеличивается в соответствии с увеличением амплитуды линейно-нарастающего тока, протекающего через индуктивную нагрузку (при уменьшении сопротивления электронно-управляемого резистора).
Таким образом, благодаря введению второго формирователя управляющего напряжения и электронно-управляемого резистора с их подсоединениями, в процессе изменения амплитуды линейно-нарастающего тока, протекающего через индуктивную нагрузку, в предлагаемом устройстве достигается получение выходного импульсного напряжения изменяемой величины. Соответственно, при уменьшении выходного импульсного напряжения уменьшается и уровень импульсных электромагнитных помех, излучаемых предлагаемым устройством в окружающее пространство, в чем и проявляется достижение вышеуказанного технического результата, обеспечивающего расширение арсенала технических средств, реализующих свое назначение в виде устройств для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение, в частности, в виде импульсных источников электропитания.
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 преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение, а на фиг. 2 представлены диаграммы, поясняющие работу предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение 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 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, выполненную, например, в виде обмотки на магнитопроводе и представляющую собой первичную обмотку-10 трансформатора-11 на ферромагнитном сердечнике-12, к вторичной обмотке-13 которого, например, подсоединен выпрямитель-14 со своей нагрузкой (на схеме не показана), причем индуктивная нагрузка-9 подсоединена одним своим (первым) выводом-15 к второму выводу-16 первого управляемого ключа-7 (к истоку МОП-транзистора);
- второй управляемый ключ-17 (выполненный, например, в виде "МОП"-транзистора), подсоединенный своим первым выводом-18 (стоком "МОП"-транзистора) к второму выводу-19 индуктивной нагрузки-9;
- первый диод-20 (диод вольтодобавки);
- второй конденсатор-21 (конденсатор вольтодобавки), подсоединенный своей первой обкладкой-22 к катоду-23 первого диода-20, и своей второй обкладкой-24 к второму выводу-16 первого управляемого ключа-7;
- низковольтный источник-25 постоянного напряжения, подсоединенный своим положительным выходом-26 к аноду-27 первого диода-20 (диода вольтодобавки), и своим отрицательным выходом-28 к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;
- управляемый переключатель-29, подсоединенный своим первым входом-30 к первой обкладке-22 второго конденсатора-21 (конденсатора вольтодобавки), и подсоединенный своим вторым входом-31 к второй обкладке-24 второго конденсатора-21 (конденсатора вольтодобавки), а своим выходом-32 подсоединенный к управляющему входу-33 первого управляемого ключа-7 (к затвору МОП-транзистора);
- второй диод-34 (первый отсекающий диод), подсоединенный своим катодом-35 к второму выводу-16 первого управляемого ключа-7 (к истоку МОП-транзистора) и своим анодом-36 к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;
- третий диод-37 (второй отсекающий диод), подсоединенный своим анодом-38 к второму выводу-19 индуктивной нагрузки-9, а своим катодом-39 к положительному выходу-4 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;
- первый формирователь-40 управляющего напряжения, выполненный, например, в виде источника-41 постоянного напряжения и переменного резистора-42, подсоединенного своим первым выводом-43 к положительному выходу-44 источника-41 постоянного напряжения, своим вторым выводом-45 к отрицательному выходу-46 источника-41 постоянного напряжения (который является первым выводом-47 первого формирователя-40 управляющего напряжения),
- управляемый генератор-48 импульсов прямоугольной формы, подсоединенный своим входом-49 к выходу-50 первого формирователя-40 управляющего напряжения (причем выход-50 является третьим выводом (движком)-51 переменного резистора-42), и подсоединенный своим выходом-52 к управляющему входу-53 управляемого переключателя-29, а также подсоединенный к буферному согласующему каскаду-54, выход-55 которого подсоединен к управляющему входу-56 второго управляемого ключа-17 (например, к затвору МОП-транзистора), и, наконец, подсоединенный своими питающими входами-57 и -58 к положительному выходу-26 и к отрицательному выходу-28 низковольтного источника-25 соответственно;
- электронно-управляемый резистор-59, подсоединенный своим первым выводом-60 к другому выводу-61 второго управляемого ключа-17 (к истоку "МОП"-транзистора) и выполненный, например, в виде МОП-транзистора-62 (сток которого является первым выводом-60 электронно-управляемого резистора-59), добавочного резистора-63, подсоединенного одним своим выводом-64 к стоку МОП-транзистора-62, а также подсоединенного другим своим выводом-65 к истоку МОП-транзистора-62 и к второму выводу-66 электронно-управляемого резистора-59, операционного усилителя-67, подсоединенного своим выходом-68 к затвору МОП-транзистора-62, источника-69 напряжения смещения, подсоединенного своим положительным выходом-70 к неинвертирующему ("+") входу-71 операционного усилителя-67 и своим отрицательным выходом-72 к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения, а также последовательно соединенные первый-73 и второй-74 резисторы, задающие коэффициент передачи операционного усилителя-67, причем один (первый) вывод-75 первого резистора-73 подсоединен к выходу-68 операционного усилителя-67, другой (второй) вывод-76 второго резистора-74 является управляющим входом-77 электронно-управляемого резистора-59, а точка соединения-78 первого-73 и второго-74 резисторов подсоединена к инвертирующему ("-") входу-79 операционного усилителя-67;
- ограничительный резистор-80, подсоединенный одним своим (первым) выводом-81 к второму выводу-66 электронно-управляемого резистора-59, а другим своим (вторым) выводом-82 к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;
- второй формирователь-83 управляющего напряжения, подсоединенный своим первым входом-84 к первому выходу-85 выпрямителя-14, своим первым выходом-86 подсоединенный к второму выходу-87 выпрямителя-14, своим вторым входом-88 подсоединенный к положительному выходу-26 низковольтного источника-25 постоянного напряжения, своим вторым выходом-89 подсоединенный к управляющему входу-77 электронно-управляемого резистора-59, своим третьим выходом-90 подсоединенный к отрицательному выходу-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения, а также к второму выводу-47 первого формирователя-40 управляющего напряжения.
При этом второй формирователь-83 управляющего напряжения может быть выполнен, например, по схеме, содержащей последовательно соединенные токоограничивающий резистор-91, первый-92 и второй-93 резисторы делителя напряжения, а также регулятор тока-94, оптрон-95 и резистор питания-96, причем первый вывод-97 токоограничивающего резистора-91 подключен к первому-98 входу оптрона-95, точка соединения-99 токоограничивающего резистора-91 и первого-92 резистора делителя напряжения является первым входом-84 второго формирователя-83 управляющего напряжения, точка соединения-100 первого-92 и второго-93 резисторов делителя напряжения соединена с управляющим входом-101 регулятора тока-94, первый вывод-102 которого подсоединен к второму-103 входу оптрона-95, а второй вывод-104 второго-93 резистора делителя напряжения подсоединен к второму выводу-105 регулятора тока-94 и является первым выходом-86 второго формирователя-83 управляющего напряжения. В то же время первый выход-106 оптрона-95 подсоединен к первому выводу-107 резистора питания-96 и является вторым выходом-89 второго формирователя-83 управляющего напряжения, второй вывод-108 резистора питания-96 является вторым входом-88 второго формирователя-83 управляющего напряжения, а второй выход-109 оптрона-95 соединен с третьим выходом-90 второго формирователя-83 управляющего напряжения.
Представленные на фиг. 2 временные диаграммы напряжений, действующих в устройстве, отображают (см. также фиг. 1):
0
2а) постоянное выходное напряжение U высоковольтного источника-1 постоянного напряжения;
упр
2б) импульсы U на выходе-52 управляемого генератора-48 импульсов прямоугольной формы;
0мин
2в) линейно-нарастающий ток, протекающий в цепи питания индуктивной нагрузки-9 при максимальном сопротивлении электронно-управляемого резистора-59, достигающий к концу импульса Uупр минимальной величины I;
мин
2г) высоковольтное импульсное напряжение U между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения при максимальном сопротивлении электронно-управляемого резистора-59;
0 макс
2д) линейно-нарастающий ток, протекающий в цепи питания индуктивной нагрузки-9 при минимальном сопротивлении электронно-управляемого резистора-59, достигающий к концу импульса Uупр максимальной величины I;
макс
2е) высоковольтное импульсное напряжение U между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения при минимальном сопротивлении электронно-управляемого резистора-59.
Предлагаемое устройство для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение изменяемой величины работает следующим образом.
При поступлении постоянного напряжения с выводов низковольтного источника-25 постоянного напряжения на входы питания-57 и -58 управляемого генератора-48 прямоугольных импульсов, последний начинает вырабатывать импульсы прямоугольной формы (см. временную диаграмму фиг. 2б), скважность которых определяется величиной управляющего напряжения (поступающего на управляющий вход-49 управляемого генератора-48 импульсов прямоугольной формы с выхода-50 первого формирователя управляющего напряжения-40).
Изменение управляющего напряжения на выходе-50 первого формирователя управляющего напряжения-40 (с целью изменения скважности импульсов прямоугольной формы) достигается, например, посредством перемещения движка-51 переменного резистора-42, подсоединенного своими выводами-43 и -45 к положительному выходу-44 и к отрицательному выходу-46 источника-41 постоянного напряжения, соответственно.
Далее импульсы прямоугольной формы заданной скважности с выхода-52 управляемого генератора-48 импульсов прямоугольной формы через согласующий каскад-54 поступают на управляющий вход-56 второго управляемого ключа-17 (на затвор его "МОП"-транзистора), в результате чего второй управляемый ключ-17 открывается.
Одновременно импульсы прямоугольной формы с выхода-52 управляемого генератора-48 импульсов прямоугольной формы поступают на управляющий вход-53 управляемого переключателя-29, в результате чего на управляющий вход-33 первого управляемого ключа-7 (на затвор его "МОП"-транзистора) с второго конденсатора-21 (конденсатора вольтодобавки) поступает потенциал, превышающий потенциал второго вывода-16 первого управляемого ключа-7 (истока "МОП"-транзистора) на величину, приблизительно равную выходному напряжению низковольтного источника-25 постоянного напряжения.
Поступление указанного потенциала открывает первый управляемый ключ-7 практически одновременно с вторым управляемым ключом-17, благодаря чему через индуктивную нагрузку-9 начинает течь ток по цепи: положительный выход-4 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения - открытый первый управляемый ключ-7 - индуктивная нагрузка-9 - открытый второй управляемый ключ-17 - электронно-управляемый резистор-59 - ограничительный резистор-80 - отрицательный вывод-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения.
Таким образом, с помощью последовательности управляющих импульсов обеспечиваются периодические подключения индуктивной нагрузки-9 к выходам высоковольтного источника-1 постоянного напряжения, и формируется импульсный ток, протекающий через индуктивную нагрузку-9.
0
0 мин
0 макс
0
0
Возникающая при этом в индуктивной нагрузке-2 ЭДС самоиндукции препятствует мгновенному изменению тока в указанной цепи, из-за чего ток в течение импульса прямоугольной формы нарастает по линейному закону (см. временные диаграммы фиг. 2в, 2д), и в момент окончания импульса прямоугольной формы амплитуда тока достигает заранее заданного значения I (либо I для временной диаграммы фиг. 2в, либо I для временной диаграммы фиг. 2д, либо промежуточного значения I). При этом величина высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения пропорциональна скорости нарастания тока и, следовательно, амплитуде I.
0
Однако, амплитуда тока I определяется сопротивлениями всех элементов указанной цепи, т.е.
1
где К - первый коэффициент пропорциональности,
кл1
R - сопротивление первого управляемого ключа-7 в открытом состоянии (сопротивление канала открытого "МОП"-транзистора),
кл2
R - сопротивление второго управляемого ключа-17 в открытом состоянии (сопротивление канала открытого "МОП"-транзистора),
огр
R - величина сопротивления ограничительного резистора-80,
эyp
R - величина сопротивления электронно-управляемого резистора-59, причем, в силу малости значений  может быть приведена к виду:
0
Поэтому амплитуда тока I, а, следовательно, и величина высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения могут быть изменены путем задания величины сопротивления электронно-управляемого резистора-59.
Такое изменение необходимо при изменении выходного напряжения выпрямителя-14 между его первым-85 и вторым-87 выходами (например, вследствие изменения сопротивления нагрузки выпрямителя-14). Это изменяющееся напряжение поступает на первый вход-84 второго формирователя-83 управляющего напряжения и через токоограничивающий резистор-91 передается на первый вход-98 оптрона-95. В результате чего через оптрон-95 протекает изменяющийся ток, величина которого зависит и от напряжения на первом входе-98 оптрона-95, и от параметров первого-92 и второго-93 резисторов делителя напряжения, а также от параметров регулятора тока-94. Соответственно, на выходе-106 оптрона-95 (и на первом выводе-107 резистора питания-96, второй вывод-108 которого через второй вход-88 второго формирователя-83 управляющего напряжения подключен к положительному выводу-26 низковольтного источника-25 постоянного напряжения), также возникает изменяющееся напряжение, которое передается на второй выход-89 второго формирователя-83 управляющего напряжения.
доп
При изменении напряжения на втором выходе-89 второго формирователя-83 управляющего напряжения, происходит подача управляющего напряжения (которое поступает с второго выхода-89 второго формирователя-83 управляющего напряжения на управляющий вход-77 электронно-управляемого резистора-59) через второй резистор-74 на инвертирующий вход-79 ("-") операционного усилителя-67, выполняющего функцию усилителя постоянного напряжения. При этом режим работы операционного усилителя-67 задается напряжением на положительном выходе-70 источника-69 напряжения смещения, которое подается на неинвертирующий ("+") вход-71 операционного усилителя-67. В результате на выходе-68 операционного усилителя-67 формируется сигнал управления (величина которого определяется соотношением первого-73 и второго-74 резисторов, задающих коэффициент передачи операционного усилителя-67), поступающий на затвор МОП-транзистора-62 электронно-управляемого резистора-59. При нулевом сигнале управления МОП-транзистор-62 электронно-управляемого резистора-59 закрыт и не оказывает шунтирующего действия на величину сопротивления Rдобавочного резистора-63, поэтому величина сопротивления электронно-управляемого резистора-59 максимальна и составляет
0
а величина тока I минимальна и равна
0 мин
эур
доп
Минимальной амплитуде тока I, протекающего через индуктивную нагрузку-9 при R=R (см. временную диаграмму фиг. 2в), соответствует минимальное значение высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения (см. временную диаграмму фиг. 2г) и, следовательно, минимальная величина импульсных электромагнитных помех, излучаемых устройством в окружающее пространство.
доп
0
По мере изменения выходного напряжения второго формирователя-83 управляющего напряжения (что происходит, например, при уменьшении выходного напряжения выпрямителя-14) сигнал управления, поступающий на затвор МОП-транзистора-62 электронно-управляемого резистора-59, увеличивается и открывает МОП-транзистор-62 электронно-управляемого резистора-59. В результате сопротивление канала МОП-транзистора-62 электронно-управляемого резистора-59 начинает уменьшаться, что оказывает шунтирующее действие на величину сопротивления R добавочного резистора-63, поэтому результирующее сопротивление электронно-управляемого резистора-59 также начинает уменьшаться. В пределе, когда сигнал управления, поступающий на затвор МОП-транзистора-62 электронно-управляемого резистора-59, настолько велик, что МОП-транзистор-62 электронно-управляемого резистора-59 оказывается полностью открытым, он полностью шунтирует добавочный резистор-63, величина сопротивления электронно-управляемого резистора-59 становится близка к нулю, а величина тока I становится максимальной и равной
0макс
эyp
Максимальной амплитуде тока I, протекающего через индуктивную нагрузку-9 при R=0 (см. временную диаграмму фиг. 2д), соответствует максимальное значение высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения (см. временную диаграмму фиг. 2е) и, следовательно, максимальная величина импульсных электромагнитных помех, излучаемых устройством в окружающее пространство.
0 мин
0 макс
Таким образом, с помощью изменения величины сопротивления электронно-управляемого резистора-59 путем регулирования выходного напряжения второго формирователя-83 управляющего напряжения, в предлагаемом техническом решении оказывается возможным изменять амплитуду тока, протекающего по ранее указанной цепи, в пределах от I до I и изменять тем самым величину высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения.
В аналогичных технических решениях, включая прототип, производится изменение скважности импульсов (например, с помощью первого формирователя управляющего напряжения-40 и управляемого генератора-48 прямоугольных импульсов).
0
0 макс
Однако при изменении скважности импульсов величина тока I остается неизменной и равной I (а, следовательно, и величина высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения остается неизменной).
При этом в течение импульса происходит излучение в окружающее пространство части импульсной мощности
2
где К - второй коэффициент пропорциональности.
Излучение в окружающее пространство части импульсной мощности порождает импульсные электромагнитные помехи, мешающие функционированию близкорасположенных радиоэлектронных устройств и негативным образом влияет на их работоспособность; кроме того, электромагнитное излучение в окружающее пространство приводит к ухудшению экологической обстановки в среде обитания человека.
В предлагаемом техническом решении имеется возможность изменять не только скважность импульсов, но и величину высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения, что позволяет снижать уровень импульсных электромагнитных помех, излучаемых предложенным устройством в окружающее пространство.
Следует учитывать, что одновременно с протеканием тока через индуктивную нагрузку-9, через открытый второй управляемый ключ-17 также протекает ток по цепи: положительный выход-26 низковольтного источника-25 постоянного напряжения - первый диод-20 (диод вольтодобавки) - второй конденсатор-21 (конденсатор вольтодобавки) - индуктивная нагрузка-9 - открытый второй управляемый ключ-17 - электронно-управляемый резистор-59 - ограничительный резистор-80 - отрицательный вывод-28 низковольтного источника-25 постоянного напряжения. Благодаря чему второй конденсатор-21 (конденсатор вольтодобавки) заряжается до величины, приблизительно равной выходному напряжению низковольтного источника-25 постоянного напряжения. После окончания импульса прямоугольной формы первый-7 и второй-17 управляемые ключи закрываются, а разность потенциалов на обкладках второго конденсатора-21 (конденсатора вольтодобавки) - сохраняется, что создает условия для открытия первого управляемого ключа-7 в следующем цикле работы устройства.
При размыкании первого-7 и второго-17 управляемых ключей из-за наличия ЭДС самоиндукции возникает высоковольтное напряжение между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения. Как только это высоковольтное напряжение превысит величину выходного напряжения высоковольтного источника-1 постоянного напряжения, открываются третий диод-37 (второй отсекающий диод) и второй диод-34 (первый отсекающий диод), через которые начинает течь ток по цепи; отрицательный выход-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения - второй диод-34 (первый отсекающий диод) - индуктивная нагрузка-9 - третий диод-37 (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).
Таким образом, предлагаемое к патентованию техническое решение выполняет те же функции, что и ранее известные устройства, отличаясь от них возможностью изменять не только скважность управляющих импульсов прямоугольной формы, но и изменять амплитуду тока, протекающего в индуктивной нагрузке-9 и, тем самым, изменять величину высоковольтного импульсного напряжения между выводом-19 индуктивной нагрузки-9 и отрицательным выходом-6 высоковольтного источника-1 постоянного напряжения. Это способствует снижению уровня импульсных электромагнитных помех, излучаемых устройствами для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение в окружающее пространство, а также обеспечивает расширение арсенала технических средств, реализующих свое назначение в виде устройств для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение.
Функциональные блоки, входящие в состав устройства, могут быть реализованы различным образом.
Например, управляемый генератор-48 прямоугольных импульсов может быть выполнен в виде микросхемы, выполняющей функции широтно-импульсного модулятора (допустим, UCC2813QDR-5Q1 фирмы Texas instruments), или же в виде микросхемы, выполняющей функции частотно-импульсного модулятора (допустим, FAN-6300H фирмы Fairchild Semiconductor), или по любой другой схеме, обеспечивающей изменение скважности импульсов прямоугольной формы.
Первый формирователь управляющего напряжения-40 может быть выполнен либо в виде, показанном на фиг. 1, либо любым иным преобразованием управляющего воздействия в управляющее напряжение, в том числе с использованием цепей обратной связи и/или цифровых управляющих протоколов.
Второй формирователь управляющего напряжения-83 может быть выполнен либо в виде, показанном на фиг. 1, либо с использованием стандартных источников опорного напряжения и операционных усилителей; либо любым иным преобразованием управляющего воздействия в напряжение, управляющее электронно-управляемым резистором, в том числе с использованием цепей обратной связи и/или цифровых управляющих протоколов.
В качестве регулятора тока-94, показанного на фиг. 1, может быть использована микросхема TL 431 или ее аналоги.
Транзисторы управляемых ключей-7 и -17 могут быть и биполярными, и МОП-транзисторами, и БТИЗ-транзистором; сам же ключ может содержать дополнительные схемы, повышающие качество его работы.
Низковольтные источники питания-25, -41, и -69, входящие в состав устройства в целом, а также в состав первого формирователя управляющего напряжения-40 и электронно-управляемого резистора-59 могут быть преобразованы, например, в один низковольтный источник питания, снабженный соответствующими резистивными делителями.
огр
Электронно-управляемый резистор-59 может быть выполнен в виде, показанном на схеме фиг. 1, или по схеме, приведенной в http://zpostbox.ru/az10.htm, или по любой другой схеме, обеспечивающей изменение сопротивления участка цепи практически от нуля до величины, сравнимой с величиной сопротивления R.
В качестве второго и третьего диодов могут быть использованы любые устройства с односторонней проводимостью, например, управляемые биполярные транзисторы, или МОП-транзистором, или БТИЗ-транзисторы и так далее.
Буферный согласующий каскад-54, выполняющий функции согласования моментов подачи управляющих импульсов, поступающих на входы первого-7 и второго-17 управляемых ключей, может быть выполнен, например, в виде последовательного соединения схемы задержки и усилителя, а может вообще отсутствовать (заменяется перемычкой).
Все остальные элементы, входящие в состав устройства для преобразования постоянного напряжения в импульсное напряжение широко известны и опубликованы в различных источниках информации по импульсной технике и радиоэлектронике.
При любом варианте выполнения функциональных блоков, входящих в состав описанного устройства, обеспечивается возможность изменения величины тока, протекающего через индуктивную нагрузку, а следовательно, и выходного импульсного напряжения и, соответственно, достигается снижение уровня импульсных электромагнитных помех, излучаемых в окружающее пространство, то есть получается технический результат, соответствующий заявленному.