EA025461B1

EA025461B1 - Многоканальный импульсный модулятор

Info

Publication number: EA025461B1
Application number: EA201400793A
Authority: EA
Inventors: Сергей Иванович Коновалов; Сергей Леонидович Ботеновский; Юрий Анатольевич Полынкин; Геннадий Витальевич Кирячок; Олег Валерьевич Доницков; Константин Юрьевич Войтенко
Original assignee: Научно-Производственное Общество С Ограниченной Ответственностью "Окб Тсп"
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2016-12-30
Also published as: EA201400793A1

Abstract

Изобретение относится к многоканальным высоковольтным источникам питания с импульсной формой выходного напряжения и может быть использовано для модуляции разного рода приборов импульсами напряжения прямоугольной формы в широком диапазоне изменения их длительности и частоты. В многоканальном импульсном модуляторе, содержащем источник постоянного напряжения с положительным, отрицательным и общим (нулевым) выводами, последовательно соединенные первый и второй управляемые ключевые элементы, причем вход первого ключевого элемента соединен с выходом второго ключевого элемента и выводом первой нагрузки устройства, третий управляемый ключевой элемент, вход которого соединен с входом второго ключевого элемента, а выход соединен с анодом первого диода и выводом второй нагрузки устройства, блок управления для подачи сигналов на управляющие входы ключевых элементов, введены второй диод, подключенный параллельно второму ключевому элементу и соединенный своим анодом с выходом второго ключевого элемента, катод первого диода соединен с входом третьего ключевого элемента, последовательно соединенные четвертый ключевой элемент и первый резистор, вход четвертого ключевого элемента соединен с выводом второй нагрузки устройства, вывод первого резистора подключен к отрицательному выводу источника, второй резистор, соединенный с выходом первого ключевого элемента, с первым резистором и отрицательным выводом источника, каскад модуляции, подключенный между положительным и отрицательным выводами источника и содержащий последовательно соединенные третий ограничительный резистор, пятый и шестой управляемые

Description

Изобретение относится к многоканальным высоковольтным источникам питания с импульсной формой выходного напряжения и может быть использовано для модуляции разного рода приборов импульсами напряжения прямоугольной формы в широком диапазоне изменения их длительности и частоты.

Известен импульсный модулятор (а.с. 8И 932610, МПК Н03К 7/02, опубл. 30.05.1982), содержащий источник питания, две последовательно соединенные модуляторные лампы, первая из которых анодом подключена к положительной шине источника питания, а другая анодом - к нагрузке, генератор управляющих импульсов, подключенный через пороговые элементы к входам двух управляющих ключей. Импульс запуска передается на вход управляющих ключей через светодиод, фоторезистор и пороговое устройство.

Недостатком данного устройства является возможность работы только на одну нагрузку (управляющую сетку прибора СВЧ). Для управления нагрузками по двум и более каналам потребуется применения соответственно двух и более известных импульсных модуляторов, что экономически нецелесообразно.

Известен высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов и электронный ключ для него (патент КИ 2339158, МПК Н03К 3/57, Н02М 3/07, опубл. 20.11.2008), содержащий источник питания, первый конденсатор, второй конденсатор, схему регулирования, датчик напряжения, схему управления и модулирующее устройство, выход которого является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а управляющий вход является входом высоковольтного импульсного модулятора, при этом источник питания соединен параллельно с первым конденсатором, выход датчика напряжения соединен с одним из входов схемы управления, другой вход которой соединен с источником опорного напряжения, причем выход схемы управления соединен с управляющим входом схемы регулирования, которая выполнена в виде ключевого элемента, при этом первый вывод первого конденсатора через схему регулирования соединен с первым выводом второго конденсатора, с одним из входов датчика напряжения и с силовым входом модулирующего устройства, а второй вывод первого конденсатора, второй вывод второго конденсатора и второй вход датчика напряжения соединены с общей шиной. Модулирующее устройство выполнено в виде последовательно соединенных блока ключей и схемы управления блоком ключей, причем выход схемы управления блоком ключей соединен с управляющим входом блока ключей, при этом силовой вход блока ключей является силовым входом модулирующего устройства, выход блока ключей является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а вход схемы управления блоком ключей является входом высоковольтного импульсного модулятора. Кроме того, блок ключей выполнен в виде 2Ν электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом, причем середина последовательности транзисторов между стоком последнего ключа первой половины последовательности и истоком ключа второй половины последовательности образует выход блока ключей.

Недостатком такого устройства является возможность работы только на одну нагрузку. При необходимости управления двумя и более нагрузками потребуется применение соответственно двух и более известных устройств, что увеличивает габариты, массу и стоимость оборудования.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является импульсный многорежимный модулятор (патент КИ 2153763, МПК Н03К 7/02, опубл. 27.07.2000), содержащий три выходных ключа, причем первый и третий выходные ключи своими входами подсоединены к положительной шине источника питания, а выход второго выходного ключа соединен с отрицательной шиной источника питания. Вход второго выходного ключа соединен с выходом третьего выходного ключа, выходной клеммой нагрузка 2, первым разрядным резистором и через разделительный диод с выходной клеммой нагрузка 1 импульсного модулятора, выходом первого выходного ключа, который через второй разрядный резистор соединен с отрицательной шиной источника питания. К управляющим входам выходных ключей подключены выходы трех пусковых устройств ПУ1, ПУ2 и ПУ3, соответственно состоящих из согласующих устройств, светодиодов, световодов, фотодиодов, ключевых усилителей и форсирующих цепей. Вход ПУ1 соединен с выходом коммутатора. Вход ПУ2 соединен с выходом формирователя. Импульсы запуска и стробирующие импульсы от источника внешних управляющих импульсов поступают на первый и второй входы коммутатора, на формирователь и ПУ3.

Недостатком прототипа является ограничение его режимов работы. Данное ограничение вызвано невозможностью подачи ключом 2 отрицательного запирающего напряжения ко второй нагрузке в момент приложения открытым ключом 1 положительного напряжения к первой нагрузке из-за появления тока короткого замыкания через ключи 1, 2 и диод 6, включенный в прямом направлении. Этот недостаток вызван особенностями схемы силовой части устройства.

Задача изобретения заключается в обеспечении возможности независимого управления двумя и более нагрузками, а также в улучшении массогабаритных показателей за счет уменьшения объема и массы системы охлаждения устройства.

Поставленная задача решается тем, что в многоканальном импульсном модуляторе, содержащем источник постоянного напряжения с положительным, отрицательным и общим (нулевым) выводами, последовательно соединенные первый и второй управляемые ключевые элементы, причем вход первого

- 1 025461 ключевого элемента соединен с выходом второго ключевого элемента и выводом первой нагрузки устройства, третий управляемый ключевой элемент, вход которого соединен со входом второго ключевого элемента, а выход соединен с анодом первого диода и выводом второй нагрузки устройства, блок управления для подачи сигналов на управляющие входы ключевых элементов, введены второй диод, подключенный параллельно второму ключевому элементу и соединенный своим анодом с выходом второго ключевого элемента, катод первого диода соединен со входом третьего ключевого элемента, последовательно соединенные четвертый ключевой элемент и первый резистор, вход четвертого ключевого элемента соединен с выводом второй нагрузки устройства, вывод первого резистора подключен к отрицательному выводу источника, второй резистор, соединенный с выходом первого ключевого элемента, с первым резистором и отрицательным выводом источника, каскад модуляции, подключенный между положительным и отрицательным выводами источника и содержащий последовательно соединенные третий ограничительный резистор, пятый и шестой управляемые ключевые элементы и четвертый ограничительный резистор, причем четвертый ограничительный резистор подключен к отрицательному выводу источника, а выход пятого управляемого ключевого элемента соединен со входами второго и шестого управляемых ключевых элементов.

На фиг. 1 представлена функциональная схема многоканального импульсного модулятора.

Многоканальный импульсный модулятор (фиг. 1) содержит источник постоянного напряжения 1, имеющий в общем случае положительный, отрицательный и общий (нулевой) выводы. Устройство содержит N выходов для подключения нагрузок. В общем случае каждая из N нагрузок может быть подключена между одним из выходов устройства и положительным, либо отрицательным, либо общим выводом источника. В частном случае общий вывод источника может отсутствовать. Между положительным и отрицательным выводами источника включен каскад модуляции, содержащий последовательно соединенные четвертый ограничительный резистор 2, шестой и пятый управляемые ключевые элементы 3, 4 и третий ограничительный резистор 5. Четвертый ограничительный резистор 2 подключен к отрицательному выводу источника. Между общим выводом последовательно соединенных ключевых элементов 3, 4 и отрицательным выводом источника подключен первый каскад коммутации, который содержит последовательно соединенные второй ограничительный резистор 6, первый управляемый ключ 7 и параллельно соединенные второй управляемый ключ 8 и второй диод 9, подключенный своим катодом к общему выводу последовательно соединенных ключевых элементов 3 и 4. Последующие (N-1) каскадов коммутации подключены параллельно первому каскаду коммутации. Для подключения нагрузки каждый каскад коммутации содержит вывод, соединенный с анодом диода 9. Блок управления 10 предназначен для подачи сигналов на управляющие входы ключевых элементов. Ограничительные резисторы 2, 5 и 6 предназначены для уменьшения бросков тока через ключевые элементы при перезаряде емкостных нагрузок, а также при коротких замыканиях и пробоях в нагрузках.

Многоканальный импульсный модулятор работает следующим образом. В исходном состоянии управляемый ключ 4 и управляемые ключи 8 каскадов коммутации разомкнуты, а управляемый ключ 3 и управляемые ключи 7 каскадов коммутации замкнуты. При этом к нагрузкам будет подключено отрицательное напряжение источника. Это состояние может поддерживаться сколь угодно долго, независимо от длительности паузы между импульсами управления. При подаче от блока управления 10 модулирующего импульса к-го канала управление ключами происходит в следующем порядке. При формировании фронта импульса на нагрузке к-го канала размыкается ключ 7 к-го каскада коммутации и ключ 3 каскада модуляции, а ключ 8 к-го каскада коммутации и ключ 4 каскада модуляции замыкается. Это состояние может поддерживаться сколь угодно долго, обеспечивая формирование вершины импульса положительной полярности на нагрузке к-го канала. При формировании спада импульса размыкается ключ 4 и замыкается ключ 3. При этом к нагрузке через диод 9, ключ 3 и резистор 2 будет приложено отрицательное напряжения источника. После завершения коммутационных процессов в нагрузке размыкается ключ 8 и замыкается ключ 7.

Возможно несколько режимов работы устройства: модулирующие импульсы поступают в нагрузку одного из каналов; модулируются любые два или более каналов синхронно; поочередная модуляция каналов по их номерам и во времени по определенному закону. В режиме, когда работает только один канал, его ключи 7 и 8 переключаются в соответствии с управляющими импульсами, в остальных каскадах ключи 8 разомкнуты, а ключи 7 замкнуты и подают отрицательное напряжение на соответствующие нагрузки. В режиме, когда работают несколько выходных каналов одновременно, ключи 7 и 8 данных каналов переключаются синхронно с ключами 3 и 4 в соответствии с длительностью и частотой управляющих импульсов, в остальных каскадах ключи 8 разомкнуты, а ключи 7 замкнуты и подают отрицательное напряжение на соответствующие нагрузки.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы работы многоканального импульсного модулятора, где И1 - импульсы синхронизации блока 10 для управления к-каналом, И2 - импульсы синхронизации блока 10 для управления т-каналом, И3 - импульсы управления ключом 7 к-канала, И4 - импульсы управления ключом 8 к-канала, И5 - импульсы управления ключом 7 т-канала, И6 - импульсы управления ключом 8 т-канала, И7 - импульсы управления ключом 3, И8 - импульсы управления ключом 4, И9 - импульсы модуляции на нагрузке к-канала, И10 - импульсы модуляции на нагрузке т-канала.

- 2 025461

Из временных диаграмм видно, что включение ключей 8 в каскадах коммутации происходит с некоторым опережением относительно включения ключа 4, а включение ключей 7 происходит с некоторым запаздыванием относительно включения ключа 3. Применение данных задержек приводит к тому, что замыкание ключевых элементов 7 и 8 во всех каскадах коммутации происходит для всех режимов при напряжении, близком к нулю. При этом для реальных ключевых элементов, таких как лампы, последовательно соединенные высоковольтные биполярные, полевые или биполярные транзисторы с изолированным затвором, существенно уменьшаются токи разряда их собственных выходных емкостей и, как следствие, снижаются коммутационные (динамические) потери в этих элементах, особенно при высоких частотах следования импульсов модуляции.

Таким образом, заявленный многоканальный импульсный модулятор позволяет независимо модулировать N нагрузок и в случае применения указанных задержек в коммутации ключей обеспечивать снижение динамических потерь и, как следствие, уменьшение объема, занимаемого системой охлаждения.

Источники информации.

1. А.с. 8И 932610, МПК Н03К 7/02, опубл. 30.05.1982.

2. Патент КИ 2339158, МПК Н03К 3/57, Н02М 3/07, опубл. 20.05.2008.

3. Патент КИ 2153763, МПК Н03К 7/02, опубл. 27.07.2000 (прототип).

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Многоканальный импульсный модулятор, содержащий источник постоянного напряжения с положительным, отрицательным и общим выводами; последовательно соединенные первый и второй управляемые ключевые элементы, вход первого ключевого элемента соединен с выходом второго ключевого элемента и выводом первой нагрузки устройства; третий управляемый ключевой элемент, вход которого соединен со входом второго ключевого элемента, а выход соединен с анодом первого диода и выводом второй нагрузки устройства; блок управления для подачи сигналов на управляющие входы ключевых элементов, отличающийся тем, что содержит второй диод, подключенный параллельно второму ключевому элементу и соединенный своим анодом с выходом второго ключевого элемента, катод первого диода соединен со входом третьего ключевого элемента, последовательно соединенные четвертый ключевой элемент и первый резистор, вход четвертого ключевого элемента соединен с выводом второй нагрузки устройства, вывод первого резистора подключен к отрицательному выводу источника, второй резистор, соединенный первым своим выводом с выходом первого ключевого элемента, а вторым своим выводом с отрицательным выводом источника, каскад модуляции, подключенный между положительным и отрицательным выводами источника и содержащий последовательно соединенные третий ограничительный резистор, пятый и шестой управляемые ключевые элементы и четвертый ограничительный резистор, причем четвертый ограничительный резистор подключен к отрицательному выводу источника, а выход пятого управляемого ключевого элемента соединен со входами второго и шестого управляемых ключевых элементов.
2. Многоканальный импульсный модулятор по п.1, отличающийся тем, что содержит N соединенных параллельно каскадов коммутации, каждый из которых содержит последовательно соединенные второй резистор, первый ключевой элемент и параллельно соединенные второй ключевой элемент и второй диод, анодом соединенный с выходом второго ключевого элемента и выводом нагрузки.