RU141250U1

RU141250U1 - PULSE GENERATOR

Info

Publication number: RU141250U1
Application number: RU2014103372/08U
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Опре; Алексей Валерьевич Федоров; Анатолий Олегович Темников; Де Лос Сантос Алексей Рафаэолевич Гайосо
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ФЕДАЛ"
Priority date: 2014-01-31
Filing date: 2014-01-31
Publication date: 2014-05-27

Abstract

Импульсный генератор, содержащий источник э.д.с, к положительному зажиму которого подключен первый зажим полностью управляемого ключа цепи заряда и первый зажим ключа цепи рекуперации, при этом вторые зажимы ключей соединены с входным зажимом индуктивного накопителя и выходным зажимом индуктивного накопителя соответственно, а также нагрузку, подключенную одним выводом к общей шине, к которой подключен и минусовой зажим источника э.д.с., отличающийся тем, что дополнительно введены нулевой диод, анод которого подключен к общей шине, а катод - к входному зажиму индуктивного накопителя, второй ключ цепи заряда, один зажим которого подключен к общей шине, а второй зажим - к выходному зажиму индуктивного накопителя, к которому подключен первый зажим дополнительно введенного ключа цепи разряда, второй зажим которого подключен к нагрузке.A pulse generator containing an emf source, to the positive terminal of which is connected the first terminal of the fully controlled charge circuit key and the first terminal of the recovery circuit key, while the second key terminals are connected to the input terminal of the inductive storage device and the output terminal of the inductive storage device, respectively, and the load connected by one output to the common bus, to which the negative terminal of the emf source is connected, characterized in that an additional zero diode is introduced, the anode of which is connected to the common bus, and d - to the input terminal of the inductive storage device, the second key of the charge circuit, one terminal of which is connected to the common bus, and the second terminal to the output terminal of the inductive storage device, to which the first terminal of the additionally entered discharge circuit key is connected, the second terminal of which is connected to the load.

Description

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, в частности к силовой импульсной технике и может найти применение в импульсных системах питания таких нагрузок, как лампы накачки твердотельных лазеров, лазерные диоды, магнетроны, высоковольтные испытательные стенды и т.п.The inventive utility model relates to electrical engineering, in particular to power pulse technology and can find application in pulsed power systems of such loads as pump lamps of solid-state lasers, laser diodes, magnetrons, high-voltage test benches, etc.

Известны импульсные генераторы, работающие в режиме частичного разряда емкостного накопителя (А.Б. Иванов, Л.Н. Сосновкин. Импульсные передатчики СВЧ. М., «Сов. радио», 1956, с. 413). Такие генераторы позволяют получать импульсы прямоугольной формы регулируемой длительности с короткими фронтами и состоят из зарядного устройства, емкостного накопителя и полностью управляемого ключа. Такие генераторы имеют большие массогабаритные показатели накопителя, особенно при работе на низкоомную нагрузку, поскольку величина спада вершины импульсов определяется постоянной времени цепи разряда. Кроме этого недостатком таких генераторов является то, что энергия, запасаемая в накопителе, существенно превышает энергию, выделяемую в нагрузке за один импульс в частотном режиме. При отказе полностью управляемого ключа происходит полный разряд накопителя, что обычно приводит к разрушению нагрузки.Known pulse generators operating in the partial discharge mode of a capacitive storage (A.B. Ivanov, LN Sosnovkin. Microwave pulsed transmitters. M., "Sov. Radio", 1956, p. 413). Such generators allow you to receive rectangular pulses of adjustable duration with short fronts and consist of a charger, capacitive storage and a fully controllable key. Such generators have large mass and size characteristics of the drive, especially when working on a low-impedance load, since the magnitude of the drop in the peak of the pulses is determined by the time constant of the discharge circuit. In addition, the disadvantage of such generators is that the energy stored in the drive significantly exceeds the energy released in the load per pulse in the frequency mode. When a fully managed key fails, the drive is completely discharged, which usually leads to load failure.

В качестве накопителей и формирователей прямоугольных импульсов тока могут быть использованы формирующие двухполюсники в виде однородных искусственных линий (Евтянов С.И., Редькин Г.Е. Импульсные модуляторы с искусственной линией. - М., «Сов. радио», 1973, с. 6, рис. 1.1.), состоящие из зарядного устройства, формирующего двухполюсника и полууправляемого ключа. Недостатком таких генераторов являются существенные осцилляции на плоской части импульсов, большие относительные длительности фронтов импульсов, невозможность регулирования длительности импульсов и сохранения согласованного режима работы в случае нелинейных нагрузок при регулировании уровня зарядного напряжения линий.As storage devices and shapers of rectangular current pulses, forming two-poles in the form of homogeneous artificial lines can be used (Evtyanov S.I., Redkin G.E. Pulse modulators with an artificial line. - M., Sov. Radio, 1973, p. 6, Fig. 1.1.), Consisting of a charging device forming a two-terminal device and a semi-controlled key. The disadvantage of such generators is significant oscillations on the flat part of the pulses, large relative durations of the pulse fronts, the impossibility of controlling the pulse duration and maintaining a consistent mode of operation in the case of non-linear loads when regulating the level of charging voltage of the lines.

Для получения импульсов тока в нелинейных нагрузках можно использовать импульсные генераторы на основе индуктивных накопителей, работающих в режиме полного разряда (М.С. Нейман. Курс радиопередающих устройств. М., «Сов. радио», 1965, с. 406, рис. 4.25). Такие генераторы, состоящие из зарядного устройства, индуктивного накопителя и полностью управляемого ключа являются источниками тока, в силу чего изменение параметров нагрузки несущественно влияет на амплитуду импульсов. Недостатком этих генераторов является невозможность обеспечить регулирование длительности импульсов тока нагрузки, причем форма этих импульсов существенно отличается от прямоугольной формы, поскольку фронт и срез импульсов являются отрезками экспоненты. При этом отмечается, что использование индуктивного накопителя в режиме частичного разряда недопустимо из энергетических соображений, т.к. хранение энергии в индуктивности связано с постоянным протеканием тока и существенному снижению к.п.д., особенно при больших скважностях импульсов тока нагрузки.To obtain current pulses in nonlinear loads, you can use pulse generators based on inductive drives operating in the full discharge mode (MS Neumann. The course of radio transmitting devices. Moscow, Sov. Radio, 1965, p. 406, Fig. 4.25 ) Such generators, consisting of a charger, an inductive storage device and a fully controllable key, are current sources, as a result of which a change in the load parameters does not significantly affect the amplitude of the pulses. The disadvantage of these generators is the inability to control the duration of the load current pulses, and the shape of these pulses differs significantly from a rectangular shape, since the front and the slice of the pulses are segments of the exponent. It is noted that the use of an inductive storage in partial discharge mode is unacceptable for energy reasons, because energy storage in inductance is associated with a constant current flow and a significant reduction in efficiency, especially with large duty cycles of the load current pulses.

В качестве прототипа выбран рекуперативный генератор импульсов тока с секционированным индуктивным накопителем энергии, схема которого представлена на фиг. 1, (Чернявский Н.И., Чибисова Н.Н. Энергетические характеристики генераторов импульсов тока с индуктивными накопителями энергии для аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов неплавящимся электродом. Вектор науки ТГУ. №2 (16), 2011). Импульсный генератор (фиг. 1) содержит источник э.д.с. E, двухсекционный индуктивный накопитель энергии L с отпайками, два полностью управляемых ключа K1 и K2 и нагрузку R. Генератор обеспечивает в нагрузке биполярные импульсы тока, причем процесс накопления энергии и частичной рекуперации происходит при протекании тока через нагрузку. Недостатком такого устройства является невозможность генерирования униполярных импульсов тока с регулируемой в широких пределах их длительностью и частотой следования и сравнительно низкий к.п.д. процесса. Кроме этого устройство требует изготовления секционированного двухобмоточного дросселя с отпайками, что существенно усложняет конструкцию.As a prototype, a regenerative current pulse generator with a sectioned inductive energy storage unit was selected, the circuit of which is shown in FIG. 1, (Chernyavsky NI, Chibisova NN Energy characteristics of current pulse generators with inductive energy storage devices for argon-arc welding of aluminum alloys with non-consumable electrode. Vector of the TSU science. No.2 (16), 2011). The pulse generator (Fig. 1) contains an emf source E, two-sectional inductive energy storage L with soldering, two fully controllable switches K1 and K2 and load R. The generator provides bipolar current pulses in the load, and the process of energy storage and partial recovery occurs when current flows through the load. The disadvantage of this device is the inability to generate unipolar current pulses with widely adjustable duration and repetition rate and a relatively low efficiency process. In addition, the device requires the manufacture of a sectioned double winding inductor with tap, which greatly complicates the design.

Технический результат, на получение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в обеспечении импульсного режима питания нагрузки от индуктивного накопителя при обеспечении регулирования длительности и частоты следования импульсов тока нагрузки и при сохранении высокого значения к.п.д., не зависящего от скважности импульсного процесса.The technical result, to which the claimed utility model is directed, is to provide a pulsed mode of power supply to the load from the inductive storage while ensuring the regulation of the duration and frequency of the pulse repetition of the load current and while maintaining a high value of the efficiency that does not depend on the duty cycle of the pulse process.

Для получения указанного технического результата в импульсный генератор, содержащий источник э.д.с., к положительному зажиму которого подключен первый зажим полностью управляемого ключа цепи заряда и первый зажим ключа цепи рекуперации, при этом вторые зажимы ключей соединены с входным зажимом индуктивного накопителя и выходным зажимом индуктивного накопителя соответственно, а также нагрузку, подключенную одним выводом к общей шине, к которой подключен и минусовой зажим источника э.д.с., дополнительно введены нулевой диод, анод которого подключен к общей шине, а катод к входному зажиму индуктивного накопителя, второй ключ цепи заряда, один зажим которого подключен к общей шине, а второй зажим к выходному зажиму индуктивного накопителя, к которому подключен первый зажим дополнительно введенного ключа цепи разряда, второй зажим которого подключен к нагрузке.To obtain the indicated technical result, a pulse generator containing an emf source is connected to the positive terminal of the first terminal of the fully controlled charge circuit key and the first recovery circuit key key, while the second key terminals are connected to the input terminal of the inductive storage device and the output terminal by the clamp of the inductive storage, respectively, as well as the load connected by one output to the common bus, to which the negative terminal of the emf source is connected, an additional zero diode, an anode of which о is connected to the common bus, and the cathode to the input terminal of the inductive storage, the second key of the charge circuit, one terminal of which is connected to the common bus, and the second clip to the output terminal of the inductive storage, to which the first terminal of the additionally entered discharge circuit key is connected, the second terminal of which connected to the load.

Сущность заявляемого технического решения поясняется фиг. 2, на которой представлена схема заявляемого импульсного генератора, фиг. 3, на которой приведены диаграммы, поясняющие порядок работы ключей и фиг. 4, на которой приведены временные зависимости токов импульсного генератора в установившемся режиме.The essence of the claimed technical solution is illustrated in FIG. 2, which shows a diagram of the inventive pulse generator, FIG. 3, which shows diagrams explaining the operation of keys and FIG. 4, which shows the time dependences of the currents of a pulse generator in steady state.

Импульсный генератор (фиг. 2) содержит источник э.д.с. E, в качестве которого может использоваться как сетевой выпрямитель с емкостным фильтром на выходе, так и аккумуляторные батареи, к положительному зажиму которого подключен первый зажим полностью управляемого ключа K1 цепи заряда и первый зажим ключа K2 цепи рекуперации, при этом вторые зажимы ключей соединены с входным зажимом индуктивного накопителя L и выходным зажимом индуктивного накопителя L соответственно, нагрузку R, подключенную одним выводом к общей шине, к которой подключен и минусовой зажим источника э.д.с. E, нулевой диод D, анод которого подключен к общей шине, а катод к входному зажиму индуктивного накопителя L, второй ключ K3 цепи заряда, один зажим которого подключен к общей шине, а второй зажим к выходному зажиму индуктивного накопителя L, к которому подключен первый зажим ключа K4 цепи разряда, второй зажим которого подключен к нагрузке R.The pulse generator (Fig. 2) contains an emf source E, which can be used as a mains rectifier with a capacitive filter at the output, and batteries, to the positive terminal of which is connected the first terminal of the fully controlled key K1 of the charge circuit and the first terminal of the key K2 of the recovery circuit, while the second terminal clamps are connected to the input by the clamp of the inductive storage L and the output terminal of the inductive storage L, respectively, the load R connected by one output to the common bus, to which the negative terminal of the emf source is connected E, the zero diode D, the anode of which is connected to the common bus, and the cathode to the input terminal of the inductive storage L, the second key of the charge circuit K3, one clip of which is connected to the common bus, and the second clip to the output terminal of the inductive storage L, to which the first terminal key K4 of the discharge circuit, the second terminal of which is connected to the load R.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Величина тока заряда индуктивного накопителя L определяется величиной напряжения источника э.д.с. E, величиной индуктивности накопителя E и временем t1 включенного состояния ключей K1 и K3 и равна I=Et/L. На фиг. 3 приведены диаграммы, поясняющие порядок работы ключей. В нулевой момент времени включаются ключи K1 и К3 и происходит заряд накопителя причем ток накопителя возрастает по линейному закону. В момент времени t1 ключи K1 и K3 отключаются и одновременно включается ключ K4 на время, равное длительности импульса тока нагрузки τ. В нагрузке R генерируется импульс, амплитуда которого равна току накопителя L в момент времени t1 а спад плоской части импульса определяется постоянной времени цепи L/R. В момент времени t2=t1+τ ключ K4 выключается и включается ключ K2, причем время отключения этого ключа t3=2∗t1, и происходит процесс рекуперации энергии накопителя который разряжается в источник э.д.с. E, а ток разряда убывает по линейному закону.The magnitude of the charge current of the inductive storage L is determined by the magnitude of the voltage of the emf source E, the value of the inductance of the drive E and the time t1 of the on state of the keys K1 and K3 and is equal to I = Et / L. In FIG. 3 are diagrams explaining the operation of keys. At the zero point in time, the keys K1 and K3 are turned on and the drive is charging, and the drive current increases linearly. At time t1, the keys K1 and K3 are turned off and at the same time the key K4 is turned on for a time equal to the duration of the load current pulse τ. A pulse is generated in the load R, the amplitude of which is equal to the drive current L at time t1 and the decay of the flat part of the pulse is determined by the time constant of the circuit L / R. At time t2 = t1 + τ, key K4 is turned off and key K2 is turned on, moreover, the time for disconnecting this key is t3 = 2 ∗ t1, and the process of energy recovery of the drive occurs which is discharged to the emf source E, and the discharge current decreases linearly.

На фиг. 4 приведены временные зависимости токов импульсного генератора в установившемся режиме. В этом примере напряжение заряда E=200 B, индуктивность накопителя L=5 мгн, время заряда 5 мсек. Амплитуда импульса тока I=200 А. Из рисунка видно, что суммарная длительность процесса заряда, генерирования импульса и рекуперации не превышает 10 мсек и минимальный период частоты следования импульсов T равен 10 мсек, т.е. T≥2∗11. Уменьшение частоты следования импульсов, т.е. увеличение скважности, не приводит к снижению к.п.д., поскольку в паузах ток в индуктивном накопителе отсутствует.In FIG. Figure 4 shows the time dependences of the currents of a pulsed generator in steady state. In this example, the charge voltage is E = 200 V, the drive inductance is L = 5 mgn, and the charge time is 5 ms. The amplitude of the current pulse is I = 200 A. It can be seen from the figure that the total duration of the charge process, pulse generation, and recovery does not exceed 10 ms and the minimum pulse repetition rate period T is 10 ms, i.e. T≥2 ∗ 11. The decrease in the pulse repetition rate, i.e. an increase in duty cycle does not lead to a decrease in efficiency, since there is no current in pauses in the inductive storage.

Claims

A pulse generator containing an emf source, to the positive terminal of which is connected the first terminal of the fully controlled charge circuit key and the first terminal of the recovery circuit key, while the second key terminals are connected to the input terminal of the inductive storage device and the output terminal of the inductive storage device, respectively, and the load connected by one output to the common bus, to which the negative terminal of the emf source is connected, characterized in that an additional zero diode is introduced, the anode of which is connected to the common bus, and d - to the input terminal of the inductive storage device, the second key of the charge circuit, one terminal of which is connected to the common bus, and the second terminal to the output terminal of the inductive storage device, to which the first terminal of the additionally entered discharge circuit key is connected, the second terminal of which is connected to the load.