ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР
PULSE MODULATOR

Изобретение относится к высоковольтным источникам питания и может быть использовано для получения на нагрузке стабилизированных по амплитуде импульсов напряжения в широком диапазоне изменения длительности и частоты формируемых импульсов.
Известен импульсный модулятор (патент США №5710520), содержащий источник переменного напряжения, соединенный с трансформатором, имеющим несколько вторичных обмоток, образующих несколько модулей, соединенных последовательно для получения выходного напряжения. Каждый модуль содержит выпрямитель, положительный вывод которого соединен с первым выводом ключа, а отрицательный - с анодом диода, катод которого соединен со вторым выводом ключа и с анодом диода следующего модуля. Анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля - со вторым выводом нагрузки.
Недостатком устройства является низкая стабильность выходного напряжения, например, при изменении напряжения питающей сети, сопротивления нагрузки.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является импульсный модулятор (патент ЕПВ №0557599), содержащий источник переменного напряжения, соединенный с трансформатором, имеющим N вторичных обмоток, образующих N модулей, соединенных последовательно для получения выходного напряжения. Каждый модуль содержит выпрямитель, положительный вывод которого соединен с первым выводом управляемого ключа, а отрицательный - с анодом диода, катод которого соединен со вторым выводом управляемого ключа и с анодом диода следующего модуля. Анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля - со вторым выводом нагрузки. Управляемые ключи управляются от генератора управляющих импульсов.
Недостатком прототипа также является низкая стабильность выходного напряжения при изменении напряжения питающей сети, сопротивления нагрузки и других дестабилизирующих факторов, а также низкое быстродействие при выключении, т.к. паразитная емкость нагрузки разряжается через большое обратное сопротивление диодов.
Задача изобретения - повышение стабильности формируемых импульсов напряжения при изменении в широких пределах длительности импульсов и частоты следования, а также повышение быстродействия при отключении нагрузки.
Поставленная задача решается тем, что в импульсном модуляторе, содержащем источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором, и N последовательно соединенных модулей, каждый из которых включает вторичную обмотку трансформатора, соединенную с выпрямителем, положительный вывод которого соединен с первым выводом первого управляемого ключа, а отрицательный - с анодом диода, катод которого соединен со вторым выводом первого управляемого ключа и анодом диода следующего модуля, причем анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки, управляющие входы первых управляемых ключей соединены с выходом генератора управляющих импульсов, введены N вторых управляемых ключей, третий управляемый ключ, N датчиков напряжения, суммирующее устройство, источник задающего напряжения, а источник переменного напряжения выполнен управляемым, причем каждый второй управляемый ключ включен параллельно диоду соответствующего модуля, каждый из N датчиков напряжения включен между положительным выводом соответствующего выпрямителя и первым выводом нагрузки, выход датчиков напряжения с 1-го по (N-1) модулей соединен с первым входом суммирующего устройства через третий управляемый ключ, а выход датчика напряжения N-го модуля соединен с первым входом суммирующего устройства напрямую, второй вход суммирующего устройства соединен с выходом источника задающего напряжения, а выход - с управляющим входом источника переменного напряжения, инверсный выход генератора управляющих импульсов соединен с управляющими входами вторых и третьего управляемых ключей.
Введение датчиков напряжения, вторых и третьего управляемых ключей, суммирующего устройства и источника задающего напряжения обеспечивает повышение стабильности выходного напряжения благодаря организации непрерывного контроля за величиной напряжения на выходе выпрямителей и использования полученных сигналов отрицательной обратной связи для поддержания напряжения на выходе выпрямителей в точном соответствии с задаваемым значением напряжения на нагрузке. Причем, в исходном состоянии, т.е. до формирования импульса, напряжение задания сравнивается с суммой всех измеренных относительно одного из выводов нагрузки напряжений на выходах выпрямителей, а при формировании импульса - с напряжением на выходе выпрямителя последнего модуля, практически равного напряжению на нагрузке.
Повышение быстродействия при отключении нагрузки обеспечивается ускоренным разрядом паразитной емкости нагрузки через последовательно включенные вторые управляемые ключи.
На чертеже представлена принципиальная схема импульсного модулятора.
Импульсный модулятор содержит управляемый источник 1 переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором 2, имеющим N вторичных обмоток. Каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем 3, образует N последовательно соединенных модулей. Положительный вывод выпрямителя 3 соединен с первым выводом первого управляемого ключа 4, а отрицательный - с анодом диода 5, катод которого соединен со вторым выводом первого управляемого ключа 4 и анодом диода 5 следующего модуля. Анод диода 5 первого модуля соединен с первым выводом нагрузки 6, а катод диода 5 последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки. Каждый второй управляемый ключ 7 включен параллельно диоду 5 соответствующего модуля. Управляющие входы первых управляющих ключей 4 соединены с прямым выходом генератора 8 управляющих импульсов. Каждый из N датчиков 9 напряжения включен между положительным выводом выпрямителя 3 и первым выводом нагрузки 6, а выход датчиков 9 напряжения с 1-го по (N-1) модулей соединен с первым входом суммирующего устройства 10 через третий управляемый ключ 11. Выход датчика 9 напряжения N-гo модуля соединен с первым входом суммирующего устройства 10 напрямую. Второй вход суммирующего устройства 10 соединен с выходом источника 12 задающего напряжения, а выход - с управляющим входом источника 1 переменного напряжения. Инверсный выход генератора 8 управляющих импульсов соединен с управляющими входами вторых ключей 7 и третьего управляемых ключа 11.
Импульсный модулятор работает следующим образом. В исходном состоянии сигналом с генератора 8 управляющих импульсов управляемые ключи 4 разомкнуты, а управляемые ключи 7 замкнуты. При этом напряжение на нагрузке отсутствует. Так как через замкнутые ключи 7 отрицательные выводы всех выпрямителей подключены к первому выводу нагрузки, то датчики 9 напряжения измеряют истинное напряжение на выходе каждого из соответствующих выпрямителей. Управляемый ключ 11 замкнут и сигналы с выходов всех датчиков 9 напряжения поступают на первый вход суммирующего устройства 10, на второй вход которого подается напряжение с выхода источника 12 задающего напряжения. Сигнал ошибки, вырабатываемый суммирующим устройством 10, поступает на вход регулируемого источника 1 переменного напряжения и воздействует на него так, чтобы сумма всех измеренных напряжений на выходах выпрямителей 3 была равна напряжению задания. Это состояние может поддерживаться сколь угодно долго, независимо от длительности паузы между импульсами, колебаний напряжения сети, прочих дестабилизирующих воздействий.
При подаче с прямого выхода генератора 8 управляющих импульсов сигнала на включение управляемых ключей 4 и с инверсного выхода генератора 8 - на выключение управляемых ключей 7 и 11, все выпрямители 3 оказываются включенными последовательно, и на нагрузку поступает напряжение, равное сумме напряжений всех N выпрямителей. При этом в суммирующем устройстве 10 будет производиться сравнение напряжения задания с сигналом с выхода датчика 9 напряжения только последнего модуля, подключенного при замкнутом ключе 4 к нагрузке. Таким образом обеспечивается стабилизация амплитуды напряжения на нагрузке в течение всего времени формирования полки импульса, независимо от его длительности.
При снятии сигнала с прямого выхода генератора 8 управляющих импульсов управляемые ключи 4 размыкаются, ключи 7 замыкаются, обеспечивая форсированный разряд паразитной емкости нагрузки. Это позволяет повысить крутизну заднего фронта импульса. Устройство возвращается в исходное состояние.
Источники информации
1. Патент США №5710520, кл. 330/10, МПК H03F 3/38, опубликован 20.01.98.
2. Патент ЕПВ №0557599, МПК H03F 3/20, опубликован 01.09.93 (прототип).