RU173338U1

RU173338U1 - Генератор переменного тока в катушке индуктивности

Info

Publication number: RU173338U1
Application number: RU2017113858U
Authority: RU
Inventors: Армен Араратович Сумбатян
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2017-08-22

Abstract

Устройство относится к преобразовательной технике и может быть использовано для физических исследований, в частности для получения высокочастотного магнитного поля в катушках индуктивности в широком диапазоне частот.Устройство выполнено по схеме ключевого однотактного генератора переменного тока в катушке индуктивности с внешним возбуждением и содержит генераторный прибор с источником питания и последовательный резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности L1, катушки индуктивности L2, конденсатора С, а также введены блокировочный конденсатор, блокировочная индуктивность, причем индуктивность катушки L2 в 4 раза больше, чем индуктивность катушки L1. Конденсатор С и катушка индуктивности L1 соединены параллельно и с одной стороны соединены с минусом источника питания генератора переменного тока, а с другой стороны с катушкой L2, а катушка L2 с другой стороны соединена через блокировочный конденсатор с генераторным прибором, который соединен через блокировочную индуктивность с плюсом источника питания.Резонансная частота последовательного резонансного контура определяется по формуле:Технический результат - повышение надежности работы за счет уменьшения потребляемой мощности источника питания, упрощение конструкции при обеспечении работы в широком диапазоне частот.

Description

Устройство относится к преобразовательной технике и может быть использовано для физических исследований, в частности для получения высокочастотного магнитного поля в катушках индуктивности в широком диапазоне частот.

Известны ключевые двухтактные генераторы с резонансным контуром, которые преобразуют мощность источника питания в мощность колебаний первой гармоники. На вход резонансного контура поступают прямоугольные импульсы напряжения, формируемые генераторными приборами (лампами, транзисторами), которые преобразуются в колебательном контуре с высокой добротностью (Q>10) в гармонический ток, в котором отсутствуют четные гармоники. Такие генераторы позволяют получить гармонические колебания в нагрузке в широком диапазоне частот без дополнительных фильтров: Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме, под ред. И.А. Попова, М.: Радио и связь, 1985. [1].

Однако генератор имеет ряд существенных недостатков.

При работе на повышенных частотах значительно увеличивается мощность, рассеиваемая на транзисторах из-за увеличения среднего значения сквозного тока в момент переключения транзисторов. Предварительно выключенный транзистор быстро переходит в проводящее состояние, а предварительно проводящий транзистор остается в проводящем состоянии до тех пор, пока не рассосутся носители в базе транзистора, и все это время протекает большой сквозной ток через транзисторы. Среднее значение величины сквозного тока и разогрев транзисторов пропорциональны рабочей частоте. Все это не позволяет генератору обеспечить гармонические колебания в широком диапазоне частот. Кроме того, для управления генераторными приборами в ключевой двухтактной схеме требуются либо трансформаторы, либо драйверы с дополнительными схемами питания, либо специальные драйверы высокого уровня, т.к. транзистор верхнего плеча должен быть изолирован от общей шины питания. Это так называемые полумостовые драйверы.

Полумостовые драйверы имеют меньшую надежность из-за импульсных наводок при работе в ключевом режиме и из-за большой разности потенциалов основного источника питания и источника питания транзистора верхнего плеча. Они имеют ограниченные характеристики по мощности, и по частоте по сравнению с драйверами нижнего уровня, что не позволяет использовать их в широком диапазоне частот.

Поэтому однотактная схема, для которой необходим драйвер только нижнего плеча, позволяет существенно увеличить верхнюю границу частоты переменного тока.

Известны ключевые однотактные генераторы с внешним возбуждением, в которых для получения тока, близкого к гармоническому, используются сложные выходные колебательные системы. В ключевой однотактной схеме генератора, в отличие от двухтактной, необходим дополнительный фильтр, который уменьшает мощность высших гармоник в нагрузке.

В простейшем случае это резонансный LC контур. А для работы в широком диапазоне частот требуется перестраиваемый фильтр: Проектирование радиопередатчиков, под ред. В.В. Шахгильдяна, М.: Радио и связь, 2000. [2]. Это значительно усложняет схему генератора и работу с таким генератором и, в конечном итоге, не позволяет создать гармонические колебания в широком диапазоне частот.

Наиболее близким по назначению (прототип) является линейный однотактный генератор с внешним возбуждением с параллельным питанием генераторного прибора, 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 [3].

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 генератора (задающего) 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.

Однако, чтобы получить в параллельном резонансном контуре большую амплитуду переменного тока, требуется обеспечить на контуре высокое напряжение. Поэтому в данном линейном генераторе с параллельным контуром 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.

Техническим результатом данной полезной модели является повышение надежности работы установки, упрощение конструкции при обеспечении работы в широком диапазоне частот.

Задача - уменьшить мощность источника питания генератора при получении необходимого тока в катушке индуктивности.

Технический результат достигается тем, что в ключевом однотактном генераторе переменного тока в катушке индуктивности с внешним возбуждением, содержащем генераторный прибор, резонансный контур, новым является то, что использован последовательный резонансный контур, который состоит из катушки индуктивности L1, катушки индуктивности L2, конденсатора С, а также введен блокировочный конденсатор, блокировочная индуктивность, причем индуктивность катушки L2 в 4 раза больше, чем индуктивность катушки L1, а конденсатор С и катушка L1 соединены параллельно, и с одной стороны соединены с минусом источника питания генератора переменного тока, а с другой стороны с катушкой индуктивности L2, а катушка L2 с другой стороны соединена через блокировочный конденсатор с генераторным прибором, который соединен через блокировочную индуктивность с плюсом источника питания, и резонансная частота контура определяется по формуле

На фиг. 1 представлена схема однотактного генератора с параллельным питанием последовательного L1L2C резонансного контура, где 1 - задающий генератор для обеспечения внешнего возбуждения, 2 - устройство управления генераторным прибором, 3 - блок питания, 4 - генераторный прибор (транзистор), 5 - резонансный последовательный контур L1L2C, 6 - узел с блокировочной индуктивностью (Lbl) и блокировочным конденсатором (Cb _l). Индуктивность катушки L2 в 4 раза больше, чем индуктивность катушки L1. Конденсатор С и катушка L1 соединены параллельно, и с одной стороны соединены с минусом источника питания генератора переменного тока, а с другой стороны с катушкой индуктивности L2, а катушка L2 с другой стороны соединена через блокировочный конденсатор (Cbl). с генераторным прибором, который соединен через блокировочную индуктивность (Lb _l) с плюсом источника питания.

На фиг. 2 показана амплитуда токов в катушках индуктивности L1 (кривая 1), L2 (кривая 2) и тока питания (кривая 3) в зависимости от отношения индуктивностей L2/L1 (L1=560 мкГн, L2 меняется в пределах 560 мкГн - 3920 мкГн, частота Fres=100 кГц). Данные получены с помощью программы схемотехнического моделирования МСАР.

На фиг. 3 представлены осциллограммы радиочастотного поля в катушке L1, полученные с помощью измерительной катушки в генераторе с параллельным питанием в диапазоне частот F=0.1-6 МГц. Индуктивность L1=25.5 мкГн и L2=6.7 мкГн. Указаны частота (F), емкость конденсатора С, напряжение питания (Uп), ток питания (Iп), амплитуда напряжения на измерительной катушке (Um), добротность (Q), волновое сопротивление контура (ρ).

Рассмотрим работу ключевого генератора. Схема работает следующим образом. Катушки L1, L2 и конденсатор С образуют последовательный резонансный контур с резонансной частотой:

т.е. результирующая индуктивность контура определяется по формуле параллельного соединения индуктивности L1 и L2. Моделирование в программе схемотехнического моделирования Micro-Cap показало, что при резонансе образуются два контура протекания тока. Первый контур (собственно последовательный контур): плюс источника питания, катушка L2, конденсатор С, генераторный прибор (транзистор), минус источника питания. Второй контур: конденсатор С, катушка L1. Это параллельный контур. Токи в этих контурах определяются соотношением индуктивностей L1 и L2. При L1=L2 токи в катушках одинаковые. Через конденсатор протекает суммарный ток двух катушек. Выбором соотношения L1 и L2 можно обеспечить больший рабочий ток в катушке при меньшем токе, протекающем через генераторный прибор, что значительно повышает надежность данной схемы. Моделирование в программе схемотехнического моделирования МСАР показало, что с увеличением соотношения L2/L1 ток в катушке L2 и ток питания падают, а ток в L1 имеет максимум при L2/L1≈4/1 (Фиг. 3).

В схему введен узел с блокировочным конденсатором и блокировочная индуктивность, которые предназначены для того, чтобы развязать генераторный прибор и резонансный контур от источника питания генератора.

Таким образом, в таком однотактном генераторе реализуется последовательный резонансный контур со встроенным фильтром в виде высокодобротного параллельного контура, причем резонансный контур не находится под напряжением питания.

В генераторе обеспечиваются гармонические колебания в рабочей катушке индуктивности в широком диапазоне частот, уменьшается мощность, рассеиваемая на транзисторе благодаря тому, что ток через транзистор в 4 раза меньше тока в рабочей катушке, что повышает надежность работы генератора.

Для управления транзистором в таком генераторе используются дешевые и быстродействующие драйверы. Данная схема была испытана с дешевыми драйверами IXDD614CI и транзисторами IRFB5620 на частотах до 6 МГц. Вход драйвера подключен к генератору сигналов SFG-72120.

В ключевом генераторе для достижения технического результата решены следующие задачи:

получены гармонические колебания в широком диапазоне частот при устранении недостатков, свойственных прототипу, а именно, используется простая схема генераторного прибора, а для управления транзистором в ключевой однотактной схеме используются специальные микросхемы, так называемые драйверы только нижнего уровня. Драйверы нижнего плеча имеют повышенные характеристики по выходному току и частоте по сравнению с драйверами для двухтактных схем, что позволяет генератор в более широком диапазоне частот:

используется последовательный резонансный контур. В этом случае не требуется высоковольтный источник питания;

используется последовательный резонансный контур, состоящий из двух катушек индуктивности и одного конденсатора, одна их которых вспомогательная (L2), а вторая - рабочая (L1), причем соотношение индуктивностей L2/L1=4/1.

С помощью моделирования и экспериментов было установлено, что при таком соотношении индуктивностей в катушке L1 достигается максимальный ток при минимальной затрате мощности источника питания (фиг. 2). При этом ток в рабочей катушке L1 в 4 раза больше, чем ток, протекающий через генераторный прибор (транзистор). Это, во-первых, уменьшает рассеяние мощности в транзисторе, увеличивая надежность генератора или, при сохранении допустимой рассеиваемой мощности позволяет увеличить частоту и амплитуду тока, проходящего через транзистор. Во-вторых, увеличивает добротность резонансного контура, что позволяет получить выходной ток, близкий по форме к гармоническому (без использования дополнительного фильтра) в широком диапазоне частот.

Кроме того, так же как и в прототипе, устраняются проблемы сквозных токов, характерные для двухтактной ключевой схемы.

Ниже представлены результаты экспериментов с генератором с параллельным питанием резонансного контура и транзистора. Из рассмотрения осциллограмм радиочастотного поля в катушке L1 (фиг. 3), полученных с помощью измерительной катушки, вытекает, что L1L2C контур позволяет получить форму тока в катушке, близкую к гармонической в широком диапазоне частот от 100 кГц до 6 МГц с катушкой L1=6.7 мкГн и L2=25.6 мкГн. Волновое сопротивление и добротность резонансного контура в таком большом диапазоне частот уменьшаются соответственно с 200 и 160 на частоте 6 МГц до 5 и 20 на частоте 150 кГц. Тем не менее, предлагаемый генератор позволяет работать во всем диапазоне частот без смены катушек индуктивности, только с переменным конденсатором, что значительно упрощает работу. Это позволяет с малыми аппаратными и программными затратами упростить работу устройства в широком диапазоне частот.

В то же время эксперименты, проведенные с последовательным LC контуром в параллельной схеме питания с катушкой L1=6.7 мкГн, показали, что форма тока сильно искажена, особенно на частотах, меньших 2 МГц, что делает невозможным использование такого генератора для работы в широком диапазоне частот без дополнительной фильтрации или использования сменной катушки с большей индуктивностью - задачи практически сложные для эксплуатации устройства.

Область применения. Заявляемый генератор разработан для использования в устройстве переворота спина поляризованных нейтронов в спин-эхо экспериментах, где необходима работа в широкой полосе частот (100 кГц-6 МГц).

Литература

1. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме, под ред. И.А. Попова, М.: Радио и связь, 1985.

2. Проектирование радиопередатчиков, под ред. В.В. Шахгильдяна, М.: Радио и связь, 2000, стр. 442;

3. Я.А. Касман, А.И Окороков, Е.И. Забидаров, Установка для исследования фазовых переходов. Системы стабилизации. Препринт Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе, № 398, Ленинград, 1972 - прототип.

Claims

Генератор переменного тока в катушке индуктивности с внешним возбуждением, который выполнен по однотактной схеме, содержащий генераторный прибор с источником питания, резонансный контур, отличающийся тем, что использован последовательный резонансный контур, который состоит из катушки индуктивности L1, катушки индуктивности L2, конденсатора С, а также введены: блокировочный конденсатор, блокировочная индуктивность, причем индуктивность катушки L2 в 4 раза больше, чем индуктивность катушки L1, а конденсатор С и катушка индуктивности L1 соединены параллельно и с одной стороны соединены с минусом источника питания генератора переменного тока, а с другой стороны - с катушкой индуктивности L2, а катушка индуктивности L2 с другой стороны соединена через блокировочный конденсатор с генераторным прибором, который соединен через блокировочную индуктивность с плюсом источника питания, причем резонансная частота последовательного резонансного контура определяется по формуле: