КЛЮЧЕВОЙ ДВУХТАКТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Устройство относится к преобразовательной электронной технике и может быть использовано в различных областях науки и техники.
В физических исследованиях для получения гармонических колебаний в катушке индуктивности известен линейный однотактный генератор с внешним возбуждением, содержащий генераторные приборы, выполненные на электровакуумных лампах, и параллельный резонансный контур в качестве нагрузки (Установка для исследования фазовых переходов. Системы стабилизации. Препринт Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, N 398, Ленинград, 1972) [1]. Параллельный резонансный контур состоит из катушки индуктивности и переменного конденсатора для настройки резонансного контура на частоту задающего генератора. Параллельный резонансный контур подключен с одной стороны к минусу источника питания, а с другой стороны к генераторному прибору через блокировочный конденсатор и обладает высокой добротностью. Источник питания с выходным напряжением 600 В подключен к генераторному прибору через блокировочный дроссель. Для перестройки контура на частоту внешнего задающего генератора используется переменный конденсатор. Линейный генератор с высокодобротным колебательным контуром позволяет получить гармонические колебания в широком диапазоне частот, что является необходимым требованием для решения ряда физических задач.
Недостатком известного устройства является невозможность получения средневыпрямленного значения выходного напряжения, большего величины напряжения источника питания. Поэтому, чтобы получить в параллельном резонансном контуре большую амплитуду переменного тока, используется мощный высоковольтный источник питания и электронные лампы. Такая схема генератора ненадежна в работе и довольно громоздка, а высокое напряжение создает дополнительные проблемы с точки зрения безопасности.
Известен ключевой двухтактный генератор для источников питания электротехнологических установок индукционного нагрева, содержащий генераторные приборы, к которым подключен последовательный резонансный контур, состоящий из конденсатора и индуктора. Индуктор представляет собой маловитковую катушку с низкой величиной индуктивности и низким значением индуктивного сопротивления. Недостатком известного устройства является необходимость использования согласующего устройства между инвертором и последовательным резонансным контуром, как правило, трансформатора (Согласование транзисторных преобразователей частоты с индукционными нагревателями. С.В. Дзлиев, А.А. Завороткин, Ю.Ю. Перевалов, К.Е. Пищалев// Журнал - Индукционный нагрев - 2012. - №3(21) - с. 33-40. ISSN: 2076-3840) [2].
Наиболее близким по назначению (прототип) является ключевой двухтактный генератор, позволяющий с последовательным резонансным контуром получить гармонические колебания (Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме, под ред. И.А. Попова, М., Радио и связь, 1985) [3].
В состав ключевого двухтактного генератора-прототипа входит задающий генератор, генераторные приборы в виде транзисторов (далее генераторные приборы) со схемой управления, последовательный резонансный LC контур (далее LC контур). На вход схемы управления генераторных приборов поступают прямоугольные импульсы от задающего генератора. Схема управления обеспечивает формирование на выходе генераторных приборов прямоугольные импульсы напряжения со скважностью 2. Прямоугольные импульсы напряжения поступают на вход LC контура с высокой добротностью (Q>10) и преобразуются в
колебательном контуре в гармонические колебания. Такие генераторы позволяют получить колебания, близкие к гармоническим, в нагрузке в широком диапазоне частот без дополнительных фильтров (Проектирование радиопередатчиков. Под ред. В.В. Шахгильдяна. М, Радио и связь, 2000) [4]. В отличие от генераторов с параллельным резонансным контуром, в генераторе с последовательным резонансным контуром используется низковольтный источник питания.
Недостаток ключевого двухтактного генератора с последовательным резонансным контуром - прототипа заключается в том, что весь ток резонансного контура протекает через генераторные приборы. Из-за конечного сопротивления генераторных приборов в открытом состоянии при этом рассеивается часть мощности источника питания. Это приводит к ограничению колебательной мощности и уменьшению к.п.д., ограничивает частотный диапазон.
Техническим эффектом новой полезной модели является уменьшение затрат мощности источника питания, расширение диапазона частот генератора без усложнения конструкции установки.
Технический результат достигается тем, что в ключевом двухтактном генераторе гармонических колебаний, содержащем задающий генератор прямоугольных импульсов, генераторные приборы в виде транзисторов, соединенных по двухтактной схеме, со схемой управления, а схема управления выполнена с возможностью поочередного включения и выключения генераторных приборов, на которую поступает входной сигнал с генератора прямоугольных импульсов, резонансный контур, новым является то, что указанный резонансный контур является последовательным, состоящим из конденсатора С1, катушки индуктивности L, соединенных последовательно, конденсатора С2, подключенного параллельно к катушке L, причем С1 с одной стороны подключен к одному выходу генераторных приборов, а с другой стороны к катушке L и конденсатору С2, а катушка L и конденсатор С2 с другой стороны
подключены к другому выходу генераторных приборов, и резонансная частота
res
определяется по формуле  где C=С1+С2.
На Фиг. 1 представлена схема устройства, где:
1 - генератор прямоугольных импульсов;
2 - генераторные приборы, включающие схему управления (на рис. не указана);
3 - последовательный резонансный LCC контур (далее - LCC контур), состоящий из катушки индуктивности L, конденсатора С1, конденсатора С2.
Схема ключевого двухтактного генератора (Фиг. 1) работает следующим образом. На схему управления генераторных приборов 2 с определенной частотой поступают входные сигналы от генератора прямоугольных импульсов 1. Схема управления обеспечивает поочередное включение и выключение генераторных приборов на половину периода. На выходе генераторных приборов формируются мощные прямоугольные импульсы напряжения. Резонансный контур отфильтровывает все гармоники, кроме частоты, на которую он настроен. Количество и величина гармоник зависит от добротности контура.
Катушка L, конденсаторы С1 и С2 образуют последовательный резонансный LCC контур.
Резонансная частота контура определяется по формуле
рез
где С=С1+С2.
В резонансном режиме существуют два контура циркуляции тока, последовательный и параллельный.
Последовательный контур: один выход генераторных приборов - конденсатор С1 - катушка индуктивности L - другой выход генераторных приборов. Параллельный контур: конденсатор С2 - катушка индуктивности L.
Соотношение токов через конденсаторы С1 и С2 пропорционально емкостям, т.е.  Через катушку протекает суммарный ток конденсаторов, т.е.  Ток через катушку L в  раза больше, чем через генераторные приборы и конденсатор С1.
Lm
На Фиг. 2 представлен график зависимости затрат мощности источника питания ключевого двухтактного генератора с LC-контуром и с LCC-контуром при различных соотношениях величины конденсаторов С2/С1, полученный по результатам моделирования. Параметры моделирования: ток в катушке I=6A, индуктивность катушки L=6 мкГн, резонансная емкость конденсатора С=С1+С2=144 нФ, частота моделирования Р=100 кГц.
На Фиг. 3 представлены экспериментальные данные затрат мощности источника питания для получения одинаковой величины тока и напряженности поля в катушке в ключевом двухтактном генераторе с LCC-контуром при различных соотношениях конденсаторов С2/С1 без изменения величины резонансной емкости С=С1+С2. Затраты мощности источника питания генератора с LC-контуром определялись при С2/С1=0.
Поле определялось с помощью пробной катушки и осциллографа. Индуктивность катушки LCC контура L=6 мкГн. Резонансная частота около 170 кГц. С помощью переключателей коммутировались 12 конденсаторов по 11 нФ для получения различного соотношения С2/С1, общая емкость С=С2+С1≈140 нФ. Ток в катушке Im=2.66A, напряженность поля Hm=15 эрстед.
Таким образом, и моделирование и экспериментальное исследование показывают следующее:
1. При одинаковом токе в катушке затраты мощности источника питания в генераторе с LCC-контуром значительно меньше, чем в генераторе с LC-контуром.
2. Есть оптимальный диапазон соотношения С2/С1, в котором затраты мощности источника питания минимальны. При соотношении С2/С1 в диапазоне от 1.5 до 4 требуется в два раза меньше затрат мощности источника питания в генераторе с LCC-контуром по сравнению LC-контуром.
3. Добротность LCC-контура в оптимальном диапазоне в 2-3 выше, чем LC-контура.
4. Соотношение токов через конденсаторы С1 и С2 пропорционально емкостям, т.е.  Через катушку протекает суммарный ток последовательного С1 и параллельного С2 конденсаторов, т.е.  Ток через катушку L в  раза больше, чем ток через генераторные приборы и конденсатор С1. Таким образом, уменьшаются потери мощности источника питания на транзисторах.
5. Входное сопротивление LCC-контура растет с ростом соотношения С2/С1. Изменяя соотношение С2/С1 можно добиться оптимального согласования резонансного контура с генераторными приборами и расширить номенклатуру генераторных приборов без использования согласующего трансформатора.
Эти свойства позволяют расширить диапазон частот и уменьшить затраты мощности источника питания без усложнения схемы генератора.
Полезная модель, ключевой двухтактный генератор гармонических колебаний, непосредственно создана для установки спин-эхо малоуглового рассеяния нейтронов (СЭМУРН), в котором в качестве генераторных приборов применена микросхема IXDD614CI. Это так называемый драйвер нижнего плеча, выполненный в корпусе ТО-220-5, содержит двухтактный выходной каскад, работающий в ключевом режиме. Указанные выше свойства последовательного резонансного контура и предельные параметры драйвера (напряжение питания 35 В, непрерывный ток 4 А, максимальная амплитуда тока 14 А) позволяют получить необходимую амплитуду радиочастотного тока в катушке индуктивности для установки СЭМУРН в широком диапазоне от 30 кГц до 3 МГц без использования согласующего трансформатора, дополнительных фильтров и сменных катушек с коммутацией только конденсаторов резонансного контура.
На Фиг. 4 и Фиг. 5 приведены данные по затратам мощности источника питания и добротности для генератора с LC и LCC-контуром (катушка с индуктивностью 6 мкГн, амплитуда тока в катушке 2.7А). На таком большом диапазоне с уменьшением частоты волновое сопротивление и добротность LC-контура падает до единиц, и получить гармоническое колебание практически невозможно без усложнения схемы или увеличения индуктивности катушки. Но в генераторе с LCC-контуром на частоте 38 кГц добротность Q=10, а затраты мощности источника питания в нижней части диапазона в 2-3 раза меньше.
На Фиг. 6 и Фиг. 7 приведены осциллограммы радиочастотного магнитного поля и напряжения на входе в LCC и LC-контурах, снятые с помощью пробной катушки, расположенной в центре катушки индуктивности L. Осциллограммы наглядно иллюстрируют улучшенные фильтрующие свойства LCC-контура по сравнению с LC-контуром, особенно на нижних частотах.
Таким образом, создан простой, надежный, экономичный генератор, позволяющий создать гармонические колебания в расширенном диапазоне частот.