CN2781398Y - 感性负载的脉冲电流下降沿线性可调装置 - Google Patents

Abstract

感性负载的脉冲电流下降沿线性可调装置涉及感性负载的脉冲电流可调节装置，用于产生大功率下降沿高线性度的关断延时可调的双极性电流脉冲，适用于地球物理勘探，工程地质勘探。本实用新型包括直流电源、电源开关、二极管D₁、与直流电源连接的双极性电流脉冲发生器，与双极性电流脉冲发生器连接的控制电路，双极性电流脉冲发生器的输出端连接的感性负载；嵌位电路的输入端与感性负载连接，嵌位电路的输出端与可调直流电压源的输入端连接，可调直流电压源的输出端与电源开关或嵌位电路连接，二极管D₁的正、负极分别接可调直流电压源和双极性电流脉冲发生器。在电流脉冲下降期间，控制电感负载电压稳定，实现电流脉冲下降沿线性。

Description

感性负载的脉冲电流下降沿线性可调装置

技术领域：

本实用新型涉及感性负载的脉冲电流可调节装置，用于产生大功率下降沿高线性度的关断延时可调的双极性电流脉冲，适用于地球物理勘探，工程地质勘探。

背景技术：

在应用瞬变电磁法进行地质勘探时，由瞬变电磁发射机给发射线圈提供正供、停供、负供、停供四个节拍的双极性电流脉冲。瞬变电磁发射机发射的电流脉冲不是理想的脉冲波形，电流的下降有一定的延迟时间，为了探测浅部地质信息和便于数据处理，电流下降的延迟时间应尽量短；为了便于修正非理想电流脉冲对测量数据的影响，电流脉冲的下降沿应为线性；为了提高信噪比，需加大发射电流。因此，在大功率、负载电感量大的情况下，如何减小关断延时，如保证下降沿的高线性，是瞬变电磁发射机研究的重要内容和难点。

“双极性电流脉冲发生器”及其控制电路，“电子开关驱动电路”，“可调基准电压电路”，“感性负载”，“全控型电子开关J₅”，“运算放大器”均为现有技术，“双极性电流脉冲发生器”由全桥电路实现，四个桥臂开关采用全控形电力电子器件。

发明内容：

本实用新型的目的在于提供一种感性负载的脉冲电流下降沿线性可调装置，该装置在大功率、负载电感量大的情况下，在电流脉冲下降期间，控制电感负载电压稳定，达到电流脉冲下降沿高度线性，输出电流脉冲下降延时可调，缩短电流脉冲下降延迟时间。

为实现上述实用新型的目的，其技术方案是：

本实用新型包括直流电源、电源开关、二极管D₁、与直流电源连接的双极性电流脉冲发生器，与双极性电流脉冲发生器连接的控制电路，双极性电流脉冲发生器的输出端连接的感性负载；嵌位电路的输入端与感性负载连接，嵌位电路的输出端与可调直流电压源的输入端连接，可调直流电压源的输出端与电源开关或嵌位电路连接，二极管D₁的正、负极分别接可调直流电压源和双极性电流脉冲发生器。

本实用新型是这样实现其目的的：合上电源开关K，调节“双极性电流脉冲发生器”的频率，输出周期性电流脉冲，电流脉冲的周期须大于全控型电子开关的开通、关断延迟时间之和；调节直流电源的电压V₁，改变输出电流脉冲的幅值，使电流幅值小于全控型电子开关能通过的最大电流；通过控制在关断期间的负载电压V₀(t)为恒定值，使电流脉冲下降沿线性，通过调节关断期间的负载电压V₀(t)大小，达到调节关断延迟时间的目的。

本实用新型与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、在电流脉冲下降期间，控制电感负载电压稳定，实现电流脉冲下降沿线性。负载电感能量经“嵌位电路”转移到电容C₁中，电容C₁端电压经电阻R₃、R₄分压后连接到比较器同相端，“可调基准电压电路”连接到比较器反相端。当电容C₁两端电压V₂高于设定电压时，比较器输出信号通过“电子开关驱动电路”控制全控型电子开关J₅导通，电容C₁部分能量被转移到直流电源，部分能量被电阻R₁消耗；当电容C₁两端电压V₂低于设定电压时，比较器输出信号控制全控型电子开关J₅截止，电容C₁的能量被存储。通过控制全控型电子开关J₅的导通，使电容C₁两端电压V₂稳定。电容C₁两端电压V₂与设定电压的比较由滞环比较电路实现。

2、电流脉冲下降延迟时间t_d可调。通过调节设定基准电压，使电容两端的电压V₂可调，提高电容C₁两端的电压V₂，缩短了电流脉冲下降延迟时间。电容C₁两端的电压V₂设置在0到全控型电子开关额定耐压之间，实现电流脉冲下降延迟时间t_d可调。

3、实现电流脉冲下降沿的短延时。通过选择高耐电子开关，提高电感负载电压设定值，以缩短电流脉冲下降延迟时间。在发射电流57A，电压V₁＝38V，线圈电阻0.5Ω，线圈电感量1.9mH的情况下，经理论计算，取消二极管D₁，电流脉冲下降延迟时间为2ms左右，实验证明：设置V₂＝600V，本实用新型电流脉冲下降延迟时间为166us，缩短了约1.8ms。

附图说明：

图1是本实用新型的一个周期内的电压波形图和电流波形图；

图2是本实用新型的结构框图；

图3是本实用新型的结构框图的第一种电路拓扑图；

图4是本实用新型的结构框图的第二种电路拓扑图；

图5是本实用新型的结构框图的第三种电路拓扑图；

图6是发射电流57A，电压V₁＝38V，线圈电阻0.5Ω，线圈电感量1.9mH，电容电压设定值V₂＝600V，全控型电子开关采用1200V，100A的IGBT模块时的实测发射电流波形图；

图7是发射电流57A，电压V₁＝38V，线圈电阻0.5Ω，线圈电感量1.9mH，电容电压设定值V₂＝600V，全控型电子开关采用1200V，100A的IGBT模块，电流下降时间166us时的实测发射电流下降沿波形图；

图8是实测电容C₁两端的电压V₂的波形图；

图9是实测感性负载两端电压V₀(t)的完整的一个周期的波形图；

图10是实测感性负载两端电压V₀(t)的局部放大后的波形图。

在图1中：

t₀-输出正向电流脉冲的开始时刻，t₁-正向电流脉冲开始下降时刻，

t₂-正向电流脉冲下降到零的时刻，t₃-输出负向电流脉冲的开始时刻，

t₄-负向电流脉冲开始下降的时刻，t₅-负向电流脉冲下降到零的时刻，

t_d-电流脉冲下降延迟时间，      I₀(t)-电流脉冲波形，

V₀(t)-负载电压波形，           V₂-电容C₁两端的电压。

在图2中：

V₁-直流电源电压，

I₀(t)、V₀(t)、V₂的含义同图1中的I₀(t)、V₀(t)、V₂，图中虚线框表示双极性电流脉冲发生器的控制电路。

在图3中：

1-双极性电流脉冲发生器及其控制电路，

2-嵌位电路，

3-可调直流电压源。

具体实施方式：

在图1中：

电流脉冲上升、下降期间控制电压、电流脉冲的情况是：

t₀-t₁：V₀(t)＝V₁，电流脉冲上升；

t₁-t₂：V₀(t)由正值变为负值，V₀(t)＝-V₂，电流脉冲幅值下降，在t₂时刻电流衰减到零，在此期间，V₀(t)保持稳定，电流脉冲呈线性下降。

t₃-t₄：V₀(t)＝-V₁，电流脉冲为负值，上升到稳态。

t₄-t₅：V₀(t)由负值变为零，V₀(t)＝V₂，电流脉冲幅值下降，在t₅时刻电流衰减到零，在此期间，V₀(t)保持稳定，电流脉冲呈线性下降。

正电流脉冲下降斜率按以下公式计算：

$\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{R_{L}i\left(t\right)-V_2}{L}$

负电流脉冲下降斜率按以下公式计算：

$\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{V_2-R_{L}i\left(t\right)}{L}$

R_L-负载直流电阻值，L-负载电感量，

V₂-在电流脉冲下降期间设定的负载端电压。

如果V₂＞＞R_LI₀，得 $\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\≈\±\frac{V_2}{L},$ 负载电流线性下降。由于正电流脉冲和负电

流脉冲在下降期间的V₀(t)的绝对值相等，因此，正电流脉冲和负电流脉冲下降期间的下降斜率绝对值相等。电流脉冲下降沿线性度取决于比值 $K=\frac{V_2}{R_L{I}_0},$ K越大，线性度越高。

线性度公式：

$\mathrm{\γ}=\frac{\left|\mathrm{\Δ}{I}_{\max }\right|}{I_0}\×100\%$

I₀：电流脉冲下降沿初值；

ΔI_max：电流脉冲下降曲线与最佳拟合直线最大误差；

实验证明：在发射电流57A，电压V₁＝38V，线圈电阻0.5Ω，线圈电感量1.9mH，V₂＝600V的情况下，线性度为0.38％。

输出电流脉冲下降延迟时间按以下公式计算(单位：μs)

$t_d=-\frac{L}{R_L}\left(\ln \frac{V_2}{V_2+I_{0}R}\right)\×{10}^6$

其中：I₀-电流脉冲下降时的电流值。

在图3中：

嵌位电路包括二极管D₂、D₃，二极管D₂、D₃负极连接，二极管D₂、D₃正极分别与感性负载的两端连接。

可调直流电压源包括电容C₁，电阻R₁、R₂、R₃、R₄，全控型电子开关J₅，运算放大器、电子开关驱动电路，可调基准电压电路，电容C₁的两端分别连接二极管D₂、D₃的负极，全控型电子开关J₅和直流电源的负极，电阻R₁的两端分别连接电源开关和全控型电子开关J₅，电阻R₃、R₄的一端连接后接运算放大器的同相端，电阻R₃、R₄的另一端分别接直流电源的负极和全控型电子开关J₅，电阻R₂的两端分别接运算放大器的输出端和该运算放大器的同相端，全控型电子开关J₅接电子开关驱动电路，运算放大器的输出端、反相端分别接电子开关驱动电路和可调基准电压电路。

在图4中：

嵌位电路包括二极管D₂、D₃，二极管D₂、D₃正极连接，二极管D₂、D₃负极分别与感性负载的两端连接。

可调直流电压源包括电容C₁，电阻R₁、R₂、R₃、R₄，全控型电子开关J₅，运算放大器、电子开关驱动电路，可调基准电压电路，电容C₁的两端分别连接嵌位电路和双极性电流脉冲发生器中的二极管D₅、D₇负极，电阻R₁的两端分别连接全控型电子开关J₅和直流电源的负极，全控型电子开关J₅接嵌位电路和电子开关驱动电路，电阻、R₃、R₄的一端连接后接运算放大器的同相端，电阻、R₃、R₄的另一端分别接嵌位电路的输出端和电源开关，电阻R₂的两端分别接运算放大器的同相端和输出端，运算放大器的输出端接电子开关驱动电路，运算放大器的反相端接可调基准电压电路。

在图5中：

嵌位电路包括二极管D₈、D₉、D₁₀、D₁₁，二极管D₉、D₁₀的正极连接，二极管D₉的负极与二极管D₈的正极连接，二极管D₁₁、D₈的负极连接，二极管D₁₁的正极与二极管D₁₀的负极连接，二极管D₉的负极与二极管D₈的正极连接后与感性负载的一端连接，二极管D₁₁的正极与二极管D₁₀的负极连接后与感性负载的另一端连接。

可调直流电压源包括电容C₁，电阻R₁、R₂、R₃、R₄，全控型电子开关J₅，运算放大器、电子开关驱动电路，可调基准电压电路，电容C₁的一端连接全控型电子开关J₅和二极管D₈、D₁₁的负极，电容C₁的另一端连接二极管D₉、D₁₀的正极与电阻R₁的一端，电阻R₁的另一端连接电阻R₃的另一端，电阻R₁的另一端连接全控型电子开关J₅，全控型电子开关J₅连接电子开关驱动电路和电阻R₄的另一端，电阻、R₃、R₄的一端连接后接运算放大器的同相端，电阻R₂的两端分别接运算放大器的同相端和输出端，运算放大器的输出端接电子开关驱动电路，运算放大器的反相端接可调基准电压电路。

Claims (7)

1、一种感性负载的脉冲电流下降沿线性可调装置，包括直流电源、电源开关、二极管D₁，与直流电源连接的双极性电流脉冲发生器，与双极性电流脉冲发生器连接的控制电路，双极性电流脉冲发生器的输出端连接的感性负载；其特征在于嵌位电路的输入端与感性负载连接，嵌位电路的输出端与可调直流电压源的输入端连接，可调直流电压源的输出端与电源开关或嵌位电路连接，二极管D₁的正、负极分别接可调直流电压源和双极性电流脉冲发生器。

2、根据权利要求1所述的感性负载的脉冲电流下降沿线性可调装置，其特征在于嵌位电路包括二极管D₂、D₃，二极管D₂、D₃负极连接，二极管D₂、D₃正极分别与感性负载的两端连接。

3、根据权利要求1所述的感性负载的脉冲电流下降沿线性可调装置，其特征在于嵌位电路包括二极管D₂、D₃，二极管D₂、D₃正极连接，二极管D₂、D₃负极分别与感性负载的两端连接。

4、根据权利要求1所述的感性负载的脉冲电流下降沿线性可调装置，其特征在于嵌位电路包括二极管D₈、D₉、D₁₀、D₁₁，二极管D₉、D₁₀的正极连接，二极管D₉的负极与二极管D₈的正极连接、二极管D₈、D₁₁的负极连接，二极管D₁₁的正极与二极管D₁₀的负极连接，二极管D₉的负极与二极管D₈的正极连接后与感性负载的一端连接，二极管D₁₁的正极与二极管D₁₀的负极连接后与感性负载的另一端连接。

5、根据权利要求1所述的感性负载的脉冲电流下降沿线性可调装置，其特征在于可调直流电压源包括电容C₁，电阻R₁、R₂、R₃、R₄，全控型电子开关J₅，运算放大器、电子开关驱动电路，可调基准电压电路，电容C₁的两端分别连接二极管D₂、D₃的负极，全控型电子开关J₅和直流电源的负极，电阻R₁的两端分别连接电源开关和全控型电子开关J₅，电阻R₃、R₄的一端连接后接运算放大器的同相端，电阻R₃、R₄的另一端分别接直流电源的负极和全控型电子开关J₅，电阻R₂的两端分别接运算放大器的输出端和该运算放大器的同相端，全控型电子开关J₅接电子开关驱动电路，运算放大器的输出端、反向端分别接电子开关驱动电路和可调基准电压电路。

6、根据权利要求1所述的感性负载的脉冲电流下降沿线性可调装置，其特征在于可调直流电压源包括电容C₁，电阻R₁、R₂、R₃、R₄，全控型电子开关J₅，运算放大器、电子开关驱动电路，可调基准电压电路，电容C₁的两端分别连接嵌位电路和双极性电流脉冲发生器中的二极管D₄、D₆负极，电阻R₁的两端分别连接全控型电子开关J₅和直流电源的负极，全控型电子开关J₅接嵌位电路和电子开关驱动电路，电阻、R₃、R₄的一端连接后接运算放大器的同相端，电阻、R₃、R₄的另一端分别接嵌位电路的输出端和电源开关，电阻R₂的两端分别接运算放大器的同相端和输出端，运算放大器的输出端接电子开关驱动电路，运算放大器的反相端接可调基准电压电路。

7、根据权利要求1所述的感性负载的脉冲电流下降沿线性可调装置，其特征在于可调直流电压源包括电容C₁，电阻R₁、R₂、R₃、R₄，全控型电子开关J₅，运算放大器、电子开关驱动电路、可调基准电压电路，电容C₁的一端连接全控型电子开关J₅和二极管D₈、D₁₁的负极，电容C₁的另一端连接二极管D₉、D₁₀的正极与电阻R₁的一端，电阻R₁的另一端连接电阻R₃的另一端，电阻R₁的另一端连接全控型电子开关J₅，全控型电子开关J₅连接电子开关驱动电路和电阻R₄的另一端，电阻、R₃、R₄的一端连接后接运算放大器的同相端，电阻R₂的两端分别接运算放大器的同相端和输出端，运算放大器的输出端接电子开关驱动电路，运算放大器的反向端接可调基准电压电路。

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