ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ЗАТУХАЮЩИХ КОЛЕБАНИЙ ОГРАНИЧЕННОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ
GENERATOR OF IMPULSES OF DAMPED VIBRATIONS OF LIMITED DURATION

Изобретение касается устройства для генерации импульсов затухающих колебаний и может быть применено, в частности, в устройствах, предназначенных для зажигания газовых разрядов с целью возбуждения низкотемпературной плазмы.
Уровень техники
Существуют устройства для получения импульсов затухающих гармонических колебаний. Получаемые с их помощью прерывистые колебания имеют затухающий характер, что для ряда применений (индукционный нагрев, возбуждение низкотемпературной плазмы и др.) не имеет принципиального значения (Мастяев В.Я. Генераторы на импульсных тиратронах для индукционного нагрева. — М.: Энергия, 1978, 96 с.).
В патенте РФ № 2523163 описан твердотельный высокочастотный генератор с контуром ударного возбуждения (Твердотельный высокочастотный генератор с контуром ударного возбуждения. Патент РФ № 2523163, 2014). Устройство позволяло формировать на выходе импульсы затухающих колебаний с частотой колебаний, достигающей единиц мегагерц. Устройство использовалось для зажигания газовых разрядов с целью  возбуждения низкотемпературной плазмы (A. V. Ponomarev et al. High-frequency generator based on pulsed excitation of the oscillating circuit for biological decontamination. Pulsed Power Conference (PPC), 2013 19th IEEE, p. 1–5, 2013. doi:10.1109/PPC.2013.6627495).
В работе было показано, что при возбуждении низкотемпературной плазмы импульсами затухающих гармонических колебаний, ток разряда протекал только в первые периоды питающего напряжения. Ввиду затухания амплитуды напряжения во времени, его значения становилось недостаточным для зажигания разряда в последующие периоды колебаний. Таким образом, часть энергии импульса тратилась бесполезно, рассеиваясь в виде тепла в проводниках. Это приводило к повышенному потреблению устройством энергии, не поступающей в нагрузку, и излишнему тепловыделению в элементах схемы.
Одно из решений задачи повышения эффективности генератора импульсов затухающих колебаний описано в патенте JPS5862924 от 1983 года (Мощный генератор импульсов затухающих колебаний). В работе, затухающие колебания в цепи нагрузки запасались в виде остаточной энергии в дополнительном емкостном накопителе. После полного прекращения колебаний накопленная энергия возвращалась в источник питания с помощью дополнительной цепи рекуперации, повышая эффективность устройства.
Недостатком данного решения является продолжительное наличие колебаний в силовой цепи до их полного затухания и связанные с этим тепловые потери в проводниках. Кроме того, данное решение усложняет схемное решение введением дополнительных элементов цепи рекуперации энергии.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа "Генератор возбуждения колебаний", описанный в патенте США №4837525 от 1989 (Transient waveform generator). Устройство представляет собой четвертьмостовой преобразователь, в котором высокочастотные колебания в контуре возникают после коммутации емкостного накопителя тиристором с установленным параллельно ему диодом. Устройство формирует импульсы затухающих колебаний частотой около 1 МГц. Применения коммутатора с частичным управлением, а именно тиристора, не позволяет ограничить длительность формируемых импульсов затухающих колебаний путем его запирания внешним сигналом управления. Невозможность запирания тиристора исключает повторную подачу на него питающего напряжения до полного прекращения протекающего через него тока и восстановления его электрической прочности. Данное обстоятельство ограничивает частоту следования формируемых устройством импульсов.
Техническая задача
Технической задачей данного изобретения является задача повышения эффективности устройств инициирования низкотемпературной плазмы при зажигании газовых разрядов импульсами затухающих колебаний и повышение максимальной частоты их повторения.
Технические результат совпадает с технической задачей и достигается путем принудительного ограничения длительности импульса в момент прекращения поступления энергии в нагрузку. Получение подобных (ограниченных по длительности) импульсов дает возможность сохранить часть не потребленной нагрузкой энергии  импульса, что в свою очередь позволяет снизить потребляемую мощность от источника питания. Это приводит к снижению энергопотребления устройства и повышению его эффективности. Дополнительным преимуществом сокращения длительности импульса является возможность повышения частоты их повторения.
Решение
Для решения поставленной задачи предлагается генератор импульсов на основе четвертьмостового преобразователя, включающий источник питания, полупроводниковый коммутатор, антипараллельный диод, датчики тока,  включенный последовательно в колебательный контур с емкостным накопителем и первичной обмоткой трансформатора и предназначенный для генерации импульсов затухающих колебаний в нагрузке, подключенной к цепи вторичной обмотки трансформатора, отличающийся тем, что содержит схему управления, обеспечивающую контроль напряжения на ёмкостном накопителе и включение коммутатора при достижении определенного уровня этого напряжения, а также осуществляющую по сигналам с датчиков тока отключение коммутатора через фиксированный интервал времени в момент отсутствия протекающего через него тока, при протекании тока через параллельный коммутатору диод.
В качестве коммутатора с антипараллельным диодом может быть использован прибор с полным управлением, позволяющий прерывать колебания в контуре в определенный момент времени после их возникновения. В свою очередь, в качестве прибора с полным управлением может быть использован биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT транзистор) или MOSFET транзистор.
Для повышения рабочего напряжения может быть использован массив последовательно соединённых коммутаторов. А для повышения рабочего тока может быть использован массив параллельно или смешанно соединённых коммутаторов.
Описание чертежей
На фиг. 1 изображена электрическая схема предлагаемого устройства. Введены следующие обозначения: 1 – источник питания, 2 – схема управления, 3 – коммутатор, 4 – антипараллельный диод, 5 – емкостной накопитель, 6 – трансформатор, 7 – нагрузка, 8, 9 – датчики токов первичного контура и нагрузки соответственно.
На фиг. 2 изображены кривые тока в первичном контуре I1 и напряжения на емкостном накопителе Uc. Фиг. 2а: формирование ограниченных по длительности импульсов затухающих колебаний. Фиг. 2б: формирование импульсов затухающих колебаний без ограничения их длительности.
Детальное описание
Отличительная особенность данного технического решения от прототипа состоит в том, что в качестве первичного коммутатора использован прибор с полным управлением – в нашем случае  биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT-транзистор). Наличие у него возможности как включения, так и выключения внешним сигналом управления позволяет прервать ему колебания в первичном контуре в необходимый момент времени либо в момент прекращения потребления энергии нагрузкой. При этом часть энергии импульса, не потребленная нагрузкой, остается в емкости накопителя первичного контура. На величину этой остаточной энергии уменьшается энергия, поступающая в накопитель от источника питания для формирования последующего импульса. Именно это приводит к снижению энергопотребления устройства и повышению его эффективности.
Сокращение длительности самого импульса позволяет повысить максимальную частоту их повторения.
Включение и выключение коммутатора осуществляется системой управления. Во избежание перенапряжений на коммутаторе в случае обрыва тока в первичном контуре отключение производится только в момент отсутствия протекания тока через коммутатор. Отключение коммутатора происходит в момент протекания тока через параллельный транзистору диод. Таким образом, формируется только целое число периодов затухающих колебаний.
Предлагается устройство формирования импульсов затухающих гармонических колебаний ограниченной длительности. Электрическая схема предлагаемого устройства приведена на Фиг. 1.
Устройство представляет собой четвертьмостовой преобразователь постоянного напряжение в переменное – импульсное. Устройство состоит из источника питания (1), схемы управления (2), коммутатора (3), антипараллельного диода (4), емкостного накопителя (5), трансформатора (6), нагрузки (7), датчиков тока (8, 9). Источник питания обеспечивает зарядку емкостного накопителя до требуемого значения напряжения. Схема управления осуществляет контроль за величиной данного напряжения Uc и при достижении ее определенного уровня прекращает процесс зарядки емкостного накопителя путем отключения источника питания.
Схема управления формирует также сигналы управления коммутатором, переводя его в открытое или закрытое состояния в определенные моменты времени. Для определения этих моментов времени в схему управления могут поступать сигналы от датчиков тока первичного контура I1 или тока в цепи нагрузки I2.
Коммутатор совместно с диодом, емкостным накопителем и первичной обмоткой трансформатора образуют первичный колебательный контур. В качестве коммутатора могут быть использованы любые типы приборов с полным управлением, удовлетворяющие по своим электрическим параметрам и быстродействию. Коммутатор может состоять из единичного прибора или быть составным. Для повышения его рабочего напряжения может быть использовано последовательное соединение приборов. Увеличение рабочего тока возможно при их параллельном либо смешанном – параллельно-последовательном соединении. Возможно применение коммутаторов с уже встроенным в прибор антипараллельным диодом (MOSFET, IGBT транзисторы), что позволяет исключить из схемы дополнительный отдельный диод.
Возникновение затухающих по амплитуде колебаний в контуре происходит после включения коммутатора при наличии энергии в емкостном накопителе. Частота колебаний определяется значением емкости накопителя и индуктивности трансформатора и может достигать сотен килогерц. Предельная частота колебаний определяется быстродействиями коммутатора и системы управления. Энергия колебаний из первичного контура через трансформатор поступает в нагрузку. Нагрузка включена в цепь вторичной обмотки трансформатора. Трансформатор служит для согласования импеданса устройства с импедансом различных нагрузок для цели максимально эффективной передачи в них энергии. Скорость ухода энергии из первичного контура в нагрузку определяется величиной магнитной связи между первичной и вторичной обмотками. Эта величина определятся параметрами и конструкцией трансформатора.
Процесс формирования импульса затухающих колебаний начинается с момента начала зарядки источником питания емкостного накопителя до требуемого значения напряжения (момент времени t1, Фиг. 2а, б). При достижении этого значения в момент времени t2 схема управления отключает источник питания и подает сигнал на включение коммутатора. В первичном колебательном контуре, состоящем из коммутатора, емкостного накопителя и первичной обмотки трансформатора, возникают затухающие гармонические колебания.
Энергия каждого последующего полупериода колебаний меньше предыдущего на величину энергии ∆E  за счет энергии переданной в нагрузку, а также энергии потерь. Энергия потерь складывается из резистивных потерь и потерь в сердечнике трансформатора, в случае его использования. При отсутствии устройства прекращения колебаний в контуре энергия в первичном контуре уменьшается до момента прекращения колебательных процессов (Фиг. 2б).
Следует отметить, что формирование гармонических колебаний предложенным способом существенно эффективней по сравнению с использованием высокочастотных генераторов, работающих в непрерывном режиме. В непрерывном режиме формирование гармонических колебаний требует переключения коммутатора на частоте этих колебаний. Переключение прибора с высокой частотой приводит к появлению коммутационных потерь и снижению эффективности устройства. В нашем случае отпирание коммутатора происходит однократно, после чего он пребывает в открытом состоянии до окончания формируемого импульса. Запирание прибора происходит в момент отсутствия протекающего через него тока. В результате этого потери на переключение в коммутаторе практически отсутствуют. Это позволяет генерировать гармонические колебания высокой частоты, в том числе превышающей максимальную рабочую частоту используемого коммутатора. Кроме того, работа в импульсном режиме позволяет формировать импульсы с высокой пиковой мощностью, недостижимой при работе в непрерывном режиме. При этом средняя мощность будет зависеть от скважности. Скважность определяет отношение пиковой мощности импульсной установки к её средней мощности.
В предложенном устройстве момент прекращения колебательных процессов (момент времени t3, Фиг. 2а, б) в первичном контуре может быть осуществлен по ряду событий или условий. При наступлении данных событий или условий система управления формирует сигнал выключения коммутатора. Коммутатор запирается, и неизрасходованная к этому моменту энергия возвращается через антипараллельный диод в емкостной накопитель. Именно на эту величину уменьшится отбор энергии из источника питания для формирования последующего импульса. Величина этой энергии определяет величину остаточного напряжения на накопителе ∆U. С данного ненулевого значения напряжения будет осуществляться зарядка емкостного накопителя до требуемой величины для формирования последующего импульса.
Отключение коммутатора системой управления может быть выполнено по следующим условиям или событиям. Может быть задан момент времени отключения коммутатора; может осуществляться подсчет периодов колебаний с помощью датчика тока первичного контура и отключение коммутатора на заданном номере колебаний; может фиксироваться датчиком ток нагрузки и отключение произойдет по его прекращению. Все эти условия и события объединяет то, что коммутатор всегда отключается в момент отсутствия на нем напряжения и протекающего через него тока, что снижает коммутационные потери и не допускает возникновения на нем перенапряжения.
Кривые, приведенные на Фиг. 2а, б, демонстрируют преимущества предложенного решения. При использовании в качестве нагрузки газового искрового разряда между двумя электродами для демонстрации работы устройства были получены следующие результаты. Учитывая, что энергия в емкостном накопителе пропорциональна квадрату от величины напряжения на нем и что максимальное напряжение на накопителе равно 1000 В, можно сделать вывод, что в схеме без ограничения длительности импульса (Фиг. 2б), значение возвращенной в первичный контур энергии составило 4% (∆U=200 В). При этом в схеме с ограничением длительности импульса (Фиг. 2а) значение возвращенной в контур энергии превысило это значение в 6 раз и достигало 25% (∆U=500 В). Это означает, что в случае ограничения длительности импульса при работе устройство будет потреблять на 21% меньше энергии от первичного источника питания, чем без него. Полученное при сравнении кривых сокращение периода колебаний Т с 250 до 125 мкс показывает, что максимальная частота следования импульсов при ограничении их длительности может быть повышена практически в 2 раза (с 4 до 8 кГц). Эти данные получены при использовании искрового разряда в качестве нагрузки и могут различаться при использовании других типов разрядов и других номиналов элементов схемы.
Искровой разряд является простейшей реализацией типа разряда, и был использован только для демонстрации работоспособности схемы. Решение может быть применено для многих типов газовых разрядов. Использованное в работе напряжение 1000 В также является только примером реализации. При реализации данного решения могут быть использованы различные напряжения как выше, так и ниже этого значения. Но принцип работы схемы от этого не поменяется. Для повышения его значения выше рабочего напряжения одиночного коммутатора может быть использовано последовательное соединение приборов. Поэтому рабочее напряжение в схеме не является определяющим принцип ее работы. По аналогии и значение рабочей частоты не является определяющим фактором в реализации решения. Приведённые в описании значения являются только примером реализации, при этом объём правовых притязаний определяется исключительно патентной формулой.