ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В КАТУШКЕ ИНДУКТИВНОСТИ

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано, в основном, для получения радиочастотного магнитного поля в катушках индуктивности устройств переворота спина поляризованных нейтронов при физических исследованиях, где используются нейтронные пучки.
Источником нейтронных пучков являются ядерные реакторы, каждый час работы которых стоит весьма дорого. Поэтому все устройства, расположенные вдоль пролета пучка нейтронов, должны обладать очень высокой надежностью работы.
Генераторы переменного тока для устройств радиочастотного переворота спина поляризованных нейтронов должны обеспечивать амплитудное значение тока в катушках до 10 Ампер на частоте 50-250 килогерц (при этом напряжение на выводах катушек достигает нескольких киловольт). По условиям физических исследований необходимо иметь возможность периодически включать и выключать генератор. Переворот спина происходит при включении генератора. Как правило, требуемая периодичность включения генератора лежит в пределах от десятков секунд до единиц минут.
Известны устройства (например [1]: Препринт ФТИ-398), обеспечивающие переменные поля в катушках индуктивности устройств радиочастотного переворота спина поляризованных нейтронов, представляющие собой усилитель, выполненный на мощных электровакуумных лампах, приводимый в действие внешним генератором. Необходимость использования ламп в этих устройствах вызвана тем, что для получения необходимых магнитных полей в катушке требуется ток до 10 А и напряжение на катушке при этом может достигать нескольких киловольт. Включение и выключение тока в катушках осуществляется путем включения и выключения внешнего генератора. Источник питания устройства [1] должен иметь выходное напряжение порядка 1000 вольт. Это очень громоздкая, дорогая и ненадежная в работе установка.
Известны устройства [2, 3]: Патент RU 2260899, Патент RU 2264027 для создания переменного магнитного поля в индуктивной нагрузке (катушка индуктивности, трансформатор), активными элементами которых являются полупроводниковые приборы (транзисторы). Для питания этих устройств достаточно напряжения не более 100 вольт. Однако, эти устройства близки к заявляемому по схемотехнике, но не по назначению. Устройство [2] предназначено для питания резонансной нагрузки в виде пьезоизлучателя
и работает на механической резонансной частоте излучателя. Устройство [3] служит для зарядки накопительной емкости. Основная задача устройств [2, 3] заключается в эффективном преобразовании активной мощности, получаемой от внешнего источника питания в активную мощность в нагрузке. В нашем же случае требуется получение максимальной реактивной мощности в нагрузке при минимальной активной мощности рассеяния в элементах генератора. Таким образом, устройства [2, 3] не могут быть использованы в данном случае.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является генератор [4]: Препринт ПИЯФ N1164 (прототип), предназначенный для питания переменным током катушки индуктивности устройств переворота спина поляризованных нейтронов (схему генератора прилагаем). Схема генератора опубликована также в работе [5]: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 332 (1993), pp.534-536.
Генератор [4] запитывается от внешнего источника постоянного напряжения (U+, U-) и работает на резонансной частоте последовательного колебательного контура, состоящего из конденсатора С4 и индуктивности L нагрузки.
В состав генератора входят силовые транзисторы Т1 и Т2 одинакового типа проводимости (в данном случае используются транзисторы типа NPN). Коллектор транзистора Т1 подсоединен к плюсу источника питания (U+), а эмиттер его соединен с коллектором Т2. Эмиттер Т2 соединен с минусом источника питания (U-). На эмиттерно-базовые переходы транзисторов Т1 и Т2 через разделительные  конденсаторы С1 и С2 подается напряжение положительной обратной связи со вторичных обмоток II и III трансформатора тока ТТ. Первичная обмотка I трансформатора тока ТТ соединена последовательно с колебательным контуром.
Резистивные делители R1, R5 и R2, R4 служат для обеспечения начального смещения рабочей точки транзисторов Т1 и Т2, гарантирующего самовозбуждение генератора при подаче на него напряжения от внешнего источника питания постоянного напряжения (U+, U-)через мощный ключевой транзистор Т3.
Элементы Т3, Т4, R7, R8, R9, R10 составляют схему включения-выключения генератора по внешнему управляющему сигналу On/Off.
Возбуждение генератора происходит на резонансной частоте последовательного колебательного контура, образованного конденсатором С4 и индуктивностью катушки L. В большинстве случаев добротность этого контура Q≫10 (Q=wL/r, где r -сопротивление потерь в контуре). Переменное напряжение на реактивных элементах L и С4 находится в противофазе и по величине в Q раз превышает величину переменного напряжения на входе контура (т.А).
К примеру, если для обеспечения необходимого поля в катушке L к ней нужно приложить напряжение 1000 В, то при Q=50 достаточно иметь напряжение на входе контура (т.А) всего 20 В. Такое переменное напряжение генератор обеспечивает при напряжении источника питания генератора не более 40 В.
Таким образом, генератор [4] выгодно отличается от [1]: собран на полупроводниковых приборах, более экономичен, имеет малые габариты, не требует высоковольтного источника питания.
Однако генератор [4] имеет ряд существенных недостатков.
1. Отсутствие защиты транзисторов T1, T2 и Т3 в случае обрыва или закорачивания цепи нагрузки.
При обрыве или коротком замыкании цепи нагрузки генерация прекращается (исчезает положительная обратная связь через обмотки трансформатора ТТ). Из-за наличия резистивных делителей R1, R5, R2, R4 силовые транзисторы T1 и T2 переходят в линейный режим (при генерации они работают в ключевом режиме и мощность, рассеиваемая на них, мала).
Начинает протекать сквозной ток от источника питания через транзисторы Т3, T1 и T2. Они разогреваются, что приводит, в конце концов, к выходу транзисторов и генератора из строя.
2. При включенном состоянии на ключевом транзисторе Т3 рассеивается приблизительно такая же мощность, как и на силовых транзисторах T1 и T2, что приводит к увеличению мощности, потребляемой от источника питания и дополнительному нагреву элементов генератора (ухудшение экономичности).
3. Дополнительная мощность и тепло выделяются на резистивных делителях R1, R5, R2, R4, обеспечивающих начальное смещение рабочей точки силовых транзисторов T1 и T2 (ухудшение экономичности).
4. При работе на повышенных частотах значительно увеличивается мощность, рассеиваемая на силовых транзисторах T1 и T2 из-за увеличения среднего значения сквозного тока в момент переключения транзисторов. Предварительно выключенный транзистор быстро переходит в проводящее состояние, а предварительно проводящий транзистор остается в проводящем состоянии до тех пор, пока не рассосутся носители в базе транзистора и все это время протекает большой сквозной ток через транзисторы. Среднее значение величины тока и разогрев транзисторов пропорциональны рабочей частоте. Все это приводит к ухудшению экономичности и не позволяет генератору работать на повышенных частотах.
5. Необходимость использования разделительных конденсаторов С1 и С2 сравнительно большой емкости (падение напряжения на конденсаторах должно быть не больше напряжения насыщения эмиттерно-базовых переходов транзисторов Т1 и Т2), что приводит к усложнению схемы.
6. Необходимость иметь две обмотки II и III обратной связи трансформатора тока ТТ, что тоже усложняет схему.
Задачей данного предложения является повышение надежности, экономичности и расширение рабочих частот генератора при одновременном его упрощении.
Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемом генераторе переменного тока в катушке индуктивности, запитанном от внешнего источника питания постоянного напряжения и содержащем схему включения - выключения генерации, два силовых транзистора, трансформатор тока положительной обратной связи и последовательный колебательный контур, состоящий из конденсатора и индуктивности нагрузки и обеспечивающий необходимую рабочую резонансную частоту, причем первичная обмотка трансформатора тока положительной обратной связи соединена последовательно с колебательным контуром, новым является то, что в схему генератора дополнительно введены первый и второй диоды, а силовые транзисторы имеют разные типы проводимости NPN и PNP и базы силовых транзисторов соединены между собой, эмиттеры силовых транзисторов соединены между собой, коллектор силового транзистора NPN соединен с плюсом внешнего источника питания и катодом первого диода, анод первого диода соединен с базами силовых транзисторов, а коллектор транзистора PNP соединен с минусом внешнего источника питания и анодом второго диода, а катод второго диода соединен с базами силовых транзисторов, вторичная обмотка трансформатора тока подсоединена одним выводом к базам силовых транзисторов, а вторым выводом к эмиттерам силовых транзисторов, а схема включения-выключения генерации содержит ключевой транзистор, первый и второй инверторы и дифференцирующую цепь, причем коллектор ключевого транзистора соединен с базами силовых транзисторов и выходом второго инвертора, эмиттер ключевого транзистора соединен с минусом внешнего источника питания, база ключевого транзистора соединена с выходом первого инвертора, а вход второго инвертора соединен через дифференцирующую цепь с выходом первого инвертора, вход которого соединен с внешним источником сигнала включения - выключения.
Схема предлагаемого устройства изображена на Фиг.1.
Устройство содержит силовые транзисторы 1 и 2 разного типа проводимости (1 - NPN, 2 - PNP), трансформатор тока 3, конденсатор 4, первый и второй диоды 5 и 6 и
схему включения - выключения генератора, в состав которой входят ключевой транзистор 7, первый инвертор 8 (транзистор 9, резистор 10), дифференцирующая цепь 11 (конденсатор 12, резистор 13) и второй инвертор 14 (транзистор 15). Базы силовых транзисторов 1 и 2 соединены между собой. Эмиттеры силовых транзисторов 1 и 2 соединены между собой. Коллектор транзистора 1 соединен с плюсом источника питания (U+) и катодом первого диода 5, анод первого диода 5 соединен с базами транзисторов 1 и 2. Коллектор транзистора 2 соединен с минусом источника питания (U-) и анодом второго диода 6. Катод второго диода 6 соединен с базами транзисторов 1 и 2, Вторичная обмотка II трансформатора тока 3 подсоединена одним выводом к базам транзисторов 1 и 2, а другим выводом - к эмиттерам транзисторов.
Коллектор ключевого транзистора 7 соединен с базами силовых транзисторов 1 и 2, а эмиттер транзистора 7 соединен с минусом источника питания (U-). База транзистора 7 соединена через диод 16 с выходом первого инвертора 8 (с коллектором транзистора 9) и через резистор 17 - с плюсом источника питания (U+). Вход второго инвертора 14 (база транзистора 15) соединен через дифференцирующую цепь 11 (конденсатор 12, резистор 13) с выходом инвертора 8 (с коллектором транзистора 9). Вход первого инвертора 8 (база транзистора 9) соединен через резистор 18 с разъемом ON/OFF, на который подается управляющий сигнал включения генерации.
Работает предлагаемое устройство (как и прототип) на резонансной частоте последовательного колебательного контура следующим образом.
В отсутствие управляющего сигнала включения генерации (напряжение на входе инвертора 8 равно нулю) инвертор 8 (транзистор 9) находится в непроводящем состоянии, а ключевой транзистор 7 включен и насыщен благодаря току, втекающему в базу транзистора 7 через резистор 17. Базы силовых транзисторов 1 и 2 закорочены через транзистор 7 на минус источника питания (U-), благодаря чему возникновение генерации невозможно.
При подаче управляющего сигнала на вход первого инвертора 8 транзистор 9 переходит в проводящее состояние и через диод 16 перехватывает на минус источника (U-) ток базы транзистора 7, который при этом переходит в непроводящее состояние, отключая базы силовых транзисторов 1 и 2 от минуса источника питания (U-). Одновременно с этим отрицательный перепад напряжения на выходе первого инвертора 8 (коллектор транзистора 9) через дифференцирующую цепь 11 (конденсатор 12, резистор 13) поступает на вход второго инвертора 14 (на базу транзистора 15) и переводит транзистор 15 в проводящее состояние на время, определяемое постоянной времени конденсатора 12 и резистора 13 дифференцирующей цепи. В это время ток с выхода второго инвертора 14
проводящее состояние. Ток силового транзистора 1 начинает протекать по цепи: плюс источника питания (U+) - коллектор транзистора 1 - эмиттер транзистора 1 - первичная обмотка I трансформатора тока 3 - конденсатор 4 - нагрузка 19 - минус источника питания (U-). Благодаря положительной обратной связи через трансформатор тока 3 возникает устойчивая генерация.
При снятии управляющего сигнала со входа первого инвертора 8 ключевой транзистор 7 закорачивает базы силовых транзисторов 1 и 2 на минус источника питания (U-), при этом генерация прекращается. Потребление мощности от источника питания при этом пренебрежимо мало, так как все активные элементы схемы находятся в непроводящем состоянии и очень малый ток протекает лишь по цепи: плюс источника питания (U+) - резистор 17 - база транзистора 7 - эмиттер транзистора 7 - минус источника питания (U-).
Первый и второй диоды 5 и 6 служат для ускорения рассасывания носителей из баз силовых транзисторов 1 и 2 в момент их переключения (для уменьшения сквозных токов через транзисторы). Применение диодов 5 и 6 позволило значительно уменьшить потребляемую от источника питания мощность (увеличить экономичность) и увеличить рабочую частоту генератора.
Генератор защищен от обрыва и закорачивания цепи нагрузки 19. При обрыве цепи нагрузки 19 прекращается ток через первичную обмотку трансформатора тока 3, исчезает положительная обратная связь и генерация срывается. При закорачивании цепи нагрузки 19 происходит быстрый перезаряд конденсатора 4 и положительная обратная связь также исчезает. В обоих случаях силовые транзисторы 1 и 2 переходят в непроводящее состояние без повреждения, что обеспечивает сохранение целостности генератора в аварийных ситуациях (повышение надежности).
Результаты испытаний предлагаемого устройства.
Цель испытаний - экспериментальное подтверждение преимуществ предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.
Повышение надежности.
Экспериментально проверено, что при закорачивании или обрыве цепи нагрузки 19 в предлагаемой схеме генерация срывается, силовые транзисторы 1 и 2 без повреждения переходят в непроводящее состояние.
При закорачивании или обрыве цепи нагрузки L схемы прототипа силовые транзисторы Т1 и Т2 переходят в линейный режим, перегреваются, происходит внутреннее "спекание" эмиттеров с коллекторами, после чего выходит из строя транзистор Т3.
Восстановление работоспособности схемы прототипа возможно за сравнительно длительное время.
Повышение экономичности и расширение диапазона рабочих частот.
При экспериментальных испытаниях необходимо было выяснить, что введение в схему диодов 5 и 6 действительно повышает экономичность предлагаемого устройства по сравнению с прототипом и позволяет повысить рабочую частоту генерации.
Сначала были произведены сравнительные испытания предлагаемого устройства без диодов 5 и 6 и прототипа при одинаковых токах нагрузки.
В результате испытаний выяснено, что мощность, потребляемая от источника питания предлагаемым устройством равна 72 Вт, прототипом 89 Вт.
Затем в схеме предлагаемого устройства были установлены диоды 5 и 6. В результате испытаний выяснилось, что введение диодов 5 и 6 повышает экономичность предлагаемого устройства (по сравнению с прототипом) в 2-2.5 раза или позволяет повысить рабочую частоту в 2-3 раза.
Упрощение схемы.
В состав предлагаемой схемы генератора входит 15 элементов, а в состав схемы прототипа - 22 элемента, причем, мощных транзисторов (монтируемых на теплоотводящих радиаторах) в предлагаемой схеме два (1 и 2), а в схеме прототипа три. Трансформатор тока 3 имеет две обмотки, а в прототипе три. Упрощение схемы позволяет существенно уменьшить затраты при изготовлении генератора.
Таким образом, проведенные эксперименты подтверждают, что заявляемый генератор переменного тока в катушке индуктивности с высокой надежностью может применяться в экспериментальной физике для переворота спина поляризованных нейтронов.
Возможное применение генератора (не по основному назначению).
Предлагаемая схема генератора может использоваться во всех устройствах перечисленных аналогов. Эффективность использования схемы тем выше, чем выше рабочая частота генератора.
На нашем предприятии схема генератора была проверена в двух применениях.
1. Охранная сигнализация об обрыве (или воровстве) проводов электрического освещения на длине 1,5 км. Два генератора, установленные на концах линии, являются передатчиками сигнала целостности проводов на центральный пульт контроля (сигнал на пульт поступает по охраняемым проводам).
2. Устройство питания люминесцентной осветительной лампы от источника постоянного напряжения 3...12 Вольт. Нагрузкой генератора является повышающий трансформатор, ко вторичной обмотке которого подсоединена лампа. Устройство не
требует пуско-регулирующей аппаратуры (стартеры, дросселя), так как на вторичной обмотке в момент включения напряжение достигает 1000 и более Вольт, что позволяет зажечь любую (даже дефектную) лампу. Устройство предназначено для экономичного освещения небольших помещений в походных условиях.
Литература
1. Я.А.Касман, А.И.Окороков, Е.И.Забидаров. Препринт ФТИ-398, Ленинград, 1972, 31 с
2. Патент RU 2260899 С1, 20.09.2005, Новиков А.А. (RU)
3. Патент RU 2264027 С1, 10.11.2005, Моренко С.А. (RU)
4. В.Н.Слюсарь, В.А.Князьков, А.Н.Пирожков, Препринт ПИЯФ N 1164, февраль 1986, 20 с. - прототип.
5. A.N.Bazhenov, V.M.Lobashev, A.N.Pirozhkov and V.N.Slusar, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 332 (1993), pp.534-536.