RU2589240C1 - Генератор импульсов - Google Patents
Генератор импульсов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2589240C1 RU2589240C1 RU2015114755/28A RU2015114755A RU2589240C1 RU 2589240 C1 RU2589240 C1 RU 2589240C1 RU 2015114755/28 A RU2015114755/28 A RU 2015114755/28A RU 2015114755 A RU2015114755 A RU 2015114755A RU 2589240 C1 RU2589240 C1 RU 2589240C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- capacitor
- link
- inductance
- diode
- terminal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
- H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
- H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
Abstract
Использование: для формирования высоковольтных импульсов. Сущность изобретения заключается в том, что в генератор импульсов введено, по крайней мере, одно LC-звено, состоящее из индуктивного накопителя и конденсатора, при этом индуктивный накопитель LC-звена одним выводом соединен с нагрузкой и к точке их соединения подключен диод, а другим выводом индуктивный накопитель LC-звена соединен со второй индуктивностью и к точке их соединения одним выводом подключен конденсатор LC-звена, соединенный другим выводом с землей. Технический результат: уменьшение потерь мощности в резонансном контуре и увеличение амплитуды выходного импульса. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования высоковольтных импульсов.
Для формирования высоковольтных импульсов используется способность полупроводниковых приборов (диодов) к накоплению электрического заряда и восстановления непроводящего состояния при отсутствии накопленного заряда.
Известен генератор мощных наносекундных импульсов, включающий ключи, индуктивные накопители, конденсаторы, диод (см. патент RU №1487774, H03K 3/53, 1994).
Недостатком известного устройства является сложность реализации, связанная с большим количеством элементов.
Известен также генератор высоковольтных импульсов, включающий диод, анод которого подключен к земле, а катод подключен к индуктивному накопителю энергии, последовательно соединенному с конденсатором, а также ключ и нагрузку (см. патент US №7901930, H03K 3/00, 2011).
Недостатком известного устройства являются потери мощности в зарядной цепи.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является генератор импульсов напряжения, содержащий ключ, диод, первый резонансный контур, второй резонансный контур, при этом каждый из контуров содержит конденсатор и индуктивный накопитель энергии (см. патент US №8115343, H03K 3/02, 2012).
Генератор импульсов выполнен с возможностью генерирования, по меньшей мере, одного импульса, имеющего длину не более 100 наносекунд и амплитуду, по меньшей мере, 1 кВ.
Недостатком известного устройства является то, что после завершения рабочего цикла ток начинает протекать через нагрузку, конденсаторы и ключ, которые могут обладать значительными паразитными индуктивностями, сопротивлениями и емкостями относительно земли, а также друг относительно друга.
Это приводит к потерям энергии, что сказывается на выходных параметрах устройства, а именно амплитуде выходных импульсов.
Технический результат заявляемого решения заключается в уменьшении потерь мощности в резонансном контуре и увеличении амплитуды выходного импульса.
Для достижения указанного технического результата в генераторе импульсов, включающем диод, выполненный с возможностью резкого восстановления и подключенный к земле, ключ, первый и второй конденсаторы, первую и вторую индуктивности, образующие резонансный контур, в котором ключ одним выводом соединен с землей, а другим выводом - с первым конденсатором, соединенным другим выводом со вторым конденсатором, при этом к точке соединения конденсаторов подключена одним выводом первая индуктивностью, соединенная другим выводом с землей, причем второй конденсатор соединен другим выводом со второй индуктивностью, а нагрузка подключена параллельно диоду, согласно изобретению в него введено, по крайней мере, одно LC-звено, состоящее из индуктивного накопителя и конденсатора, при этом индуктивный накопитель LC-звена одним выводом соединен с нагрузкой и к точке их соединения подключен диод, а другим выводом индуктивный накопитель LC-звена соединен со второй индуктивностью и к точке их соединения одним выводом подключен конденсатор LC-звена, соединенный другим выводом с землей.
Также, согласно изобретению величины емкостей конденсаторов связаны соотношением:
где С1 - емкость первого конденсатора;
С2 - емкость второго конденсатора;
С - емкость конденсатора LC-звена.
Также, согласно изобретению величины индуктивностей связаны соотношением:
где L1 - первая индуктивность;
L2 - вторая индуктивность;
L - индуктивный накопитель LC-звена.
Также, согласно изобретению при наличии нескольких LC-звеньев индуктивные накопители предыдущего и последующего LC-звеньев соединены между собой, а к точке их соединения подключен конденсатор последующего LC-звена.
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 представлены временные графики напряжения, при этом линия 1 - напряжение на первом конденсаторе, линия 2 - напряжение на втором конденсаторе, линия 3 - напряжение на конденсаторе LC-звена; на фиг. 3 представлены временные графики токов, при этом линия 1 - ток, протекающий через ключ, линия 2 - ток, протекающий через диод и индуктивный накопитель.
На чертеже 1 использованы следующие позиции: 1 - первый конденсатор; 2 - второй конденсатор; 3 - первая индуктивность; 4 - вторая индуктивность; 5 - ключ; 6 - диод; 7 - нагрузка; 8 - индуктивный накопитель LC-звена; 9 - конденсатор LC-звена.
Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.
Устройство включает первый конденсатор 1 и второй конденсатор 2, первую индуктивность 3 и вторую индуктивность 4, ключ 5, диод 6 с резким восстановлением запирающих свойств (далее - диод) и нагрузку 7.
Элементы генератора импульсов, а именно ключ 5, конденсаторы 1 и 2, индуктивность 2, нагрузка 7 соединены последовательно. При этом ключ 5 одним выводом соединен с землей, а другим выводом для данного примера конкретного выполнения соединен с положительно заряженной обкладкой первого конденсатора 1.
Первый конденсатор 1 другим своим выводом соединен со вторым конденсатором 2, при этом к точке соединения конденсаторов 1 и 2 подключена одним выводом первая индуктивность 3, соединенная другим выводом с землей.
Второй конденсатор 2 соединен другим выводом со второй индуктивностью 4, а нагрузка 6 подключена параллельно диоду 6.
В качестве индуктивностей 3 и 4 может использоваться индуктивность без сердечника, индуктивность с сердечником, обмотка трансформатора, коаксиальная линия, искусственная формирующая линия с постоянным или переменным импедансом, полосковая линия, паразитная индуктивность других элементов схемы, проводник, состоящий из проводящей плазмы в среде газа или жидкости.
В нашем примере конкретного выполнения использована индуктивность без сердечника.
Заявляемый генератор импульсов также содержит, по крайней мере, одно LC-звено, которое включает индуктивный накопитель 8 и конденсатор 9.
Для нашего примера конкретного исполнения в функциональную схему генератора введено одно LC-звено.
Элементы генератора импульсов, а именно конденсаторы 1 и 2, индуктивности 3 и 4, а также LC-звено образуют управляемый резонансный контур, обеспечивающий накопление (накачку) заряда в диоде 6 с последующим расходованием (откачка) заряда.
При этом индуктивный накопитель 8 LC-звена одним выводом соединен с нагрузкой 7 и к точке их соединения катодом подключен диод 6, а другим выводом индуктивный накопитель 8 LC-звена соединен со второй индуктивностью 4 и к точке их соединения одним выводом подключен конденсатор 9 LC-звена, соединенный другим выводом с землей.
В другом варианте конкретного исполнения ключ 5 может быть подключен к отрицательно заряженной обкладке первого конденсатора 1 с целью формирования выходного импульса отрицательной полярности. При этом диод 6 к земле будет подключен катодом, а анодом - к точке соединения индуктивного накопителя 8 LC-звена и нагрузки 7.
Устройство работает следующим образом.
В начальный момент времени рабочего цикла при t=0 энергия содержится только в первом конденсаторе 1 (фиг. 2). Параметры резонансного контура таковы, что к моменту полного расхода заряда диода 6 (конец рабочего цикла t=Tend, Q+=Q-) начальная энергия первого конденсатора 1 переходит в индуктивный накопитель 8 LC-звена (фиг. 2, фиг. 3 линия 2).
При этом из-за полного расходования заряда происходит восстановление диода 6 (фиг. 3), вследствие этого ток индуктивного накопителя 8 LC-звена начинает протекать через нагрузку 7, формируя на ней напряжение импульса.
К моменту времени t=0 первый конденсатор 1 заряжен. Напряжение на втором конденсаторе 2 и конденсаторе 9 LC-звена равно нулю (фиг. 2), токи через первую 3, вторую 4 индуктивности и индуктивный накопитель 8 LC-звена равны нулю (фиг. 3).
В момент времени t=0 вследствие замыкания ключа 5 начинается процесс протекания токов и перераспределения энергии в управляемом резонансном контуре, то есть в первом и втором конденсаторах 1 и 2, первой и второй индуктивностях 3 и 4, а также в LC-звене (фиг. 2, фиг. 3 линия 2).
При этом заряд в диоде 6 сначала накапливается, затем выкачивается по мере протекания тока через индуктивный накопитель 8 LC-звена и диод 6 (фиг. 3 линия 2).
Поскольку диод 6 до конца рабочего цикла (до полного вывода накопленного заряда) сохраняет проводимость много большую, чем нагрузка 7, ток через нагрузку 7 не протекает (фиг. 1).
Рабочий цикл генератора импульсов состоит из двух периодов:
- период накопления заряда в диоде 6 (накачка);
- период вывода заряда из диода 6 (откачка).
За время накачки в диоде D накапливается заряд
За время откачки из диода 6 выводится заряд
Момент времени, когда выполняется условие равенства накопленного и отданного заряда в диоде 6, а именно Q-=Q+, является концом рабочего цикла генератора импульсов, так как в этот момент времени в диоде 6 начинается процесс резкого восстановления, то есть процесс прерывания тока через диод 6.
Расчетами установлено, что для формирования режима накачки и откачки заряда в диоде 6, при котором к концу рабочего цикла энергия первого конденсатора 1 полностью передается в индуктивный накопитель 8 LC-звена, необходимо обеспечить определенные соотношения величин следующих элементов: первого конденсатора 1, второго конденсатора 2 и конденсатором 9 LC-звена.
То есть, если за 1 принимаем емкость первого конденсатора 1, то необходимо выполнение первого условия:
где С1 - емкость первого конденсатора 1;
С2 - емкость второго конденсатора 2;
С - емкость конденсатора 9 LC-звена.
А также, если за 1 принимаем величину первой индуктивности 3, то необходимо выполнение второго условия:
где L1 - величина первой индуктивности 3;
L2 - величина второй индуктивности 4;
L - величина индуктивного накопителя 8 LC-звена.
В момент t=Tend происходит восстановление непроводящего состояния диода 6 и ток индуктивного накопителя 8 LC-звена замыкается через нагрузку 7, а также через конденсатор 9 LC-звена.
Ток индуктивного накопителя 8 LC-звена после восстановления диода 6 протекает через нагрузку 7 и конденсатор 9 LC-звена, в результате этого во время протекания тока через нагрузку 7 паразитные параметры элементов генератора импульсов, а именно ключа 5, первого и второго конденсаторов 1 и 2, первой и второй индуктивностей 3 и 4, не оказывают влияния на выходные параметры схемы (амплитуду выходного импульса).
Приводим численный пример конкретного выполнения указанных выше двух условий:
величина емкости первого конденсатора С1 - 10 нФ;
величина емкости второго конденсатора С2 - 23,1 нФ;
величина емкости конденсатора С LC-звена - 14,4 нФ;
величина индуктивного накопителя L LC-звена - 200 нГ;
величина первой индуктивности L1 - 751 нГ;
величина второй индуктивности L2 - 469 нГ.
Таким образом,
и также
При данной конфигурации схемы длина рабочего цикла составляет 304 нс, при начальном напряжении на первом конденсаторе С1 1000 В максимальный рабочий ток индуктивного накопителя L - 224 А. При этих условиях на нагрузке величиной 50 Ом возможно получение высоковольтного наносекундного импульса с напряжением до 11 кВ и полушириной 4-5 нс.
Заявляемое изобретение также позволяет уменьшить максимальный рабочий ток, проходящий через ключ, по сравнению с прототипом на 40%, вследствие этого можно применять более простые и надежные в работе конструкции ключа.
Claims (4)
1. Генератор импульсов, включающий диод, выполненный с возможностью резкого восстановления и подключенный к земле, ключ, первый и второй конденсаторы, первую и вторую индуктивности, образующие резонансный контур, в котором ключ одним выводом соединен с землей, а другим выводом - с первым конденсатором, соединенным другим выводом со вторым конденсатором, при этом к точке соединения конденсаторов подключена одним выводом первая индуктивностью, соединенная другим выводом с землей, причем второй конденсатор соединен другим выводом со второй индуктивностью, а нагрузка подключена параллельно диоду, отличающийся тем, что в него введено, по крайней мере, одно LC-звено, состоящее из индуктивного накопителя и конденсатора, при этом индуктивный накопитель LC-звена одним выводом соединен с нагрузкой и к точке их соединения подключен диод, а другим выводом индуктивный накопитель LC-звена соединен со второй индуктивностью и к точке их соединения одним выводом подключен конденсатор LC-звена, соединенный другим выводом с землей.
4. Генератор импульсов по п. 1, отличающийся тем, что при наличии нескольких LC-звеньев индуктивные накопители предыдущего и последующего LC-звеньев соединены между собой, а к точке их соединения подключен конденсатор последующего LC-звена.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015114755/28A RU2589240C1 (ru) | 2015-04-20 | 2015-04-20 | Генератор импульсов |
PCT/RU2016/000009 WO2016171582A1 (ru) | 2015-04-20 | 2016-01-18 | Генератор импульсов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015114755/28A RU2589240C1 (ru) | 2015-04-20 | 2015-04-20 | Генератор импульсов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2589240C1 true RU2589240C1 (ru) | 2016-07-10 |
Family
ID=56371097
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015114755/28A RU2589240C1 (ru) | 2015-04-20 | 2015-04-20 | Генератор импульсов |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2589240C1 (ru) |
WO (1) | WO2016171582A1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2623636C1 (ru) * | 2016-05-24 | 2017-06-28 | Алексей Александрович Новиков | Устройство подавления остаточных колебаний резонансной цепи |
RU2745112C1 (ru) * | 2020-10-23 | 2021-03-22 | Ефанов Михаил Владимирович | Генератор наносекундных импульсов |
Families Citing this family (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10978955B2 (en) | 2014-02-28 | 2021-04-13 | Eagle Harbor Technologies, Inc. | Nanosecond pulser bias compensation |
EP3069445B1 (en) | 2013-11-14 | 2023-04-05 | Eagle Harbor Technologies, Inc. | High voltage nanosecond pulser |
US11539352B2 (en) | 2013-11-14 | 2022-12-27 | Eagle Harbor Technologies, Inc. | Transformer resonant converter |
US10020800B2 (en) | 2013-11-14 | 2018-07-10 | Eagle Harbor Technologies, Inc. | High voltage nanosecond pulser with variable pulse width and pulse repetition frequency |
US10483089B2 (en) | 2014-02-28 | 2019-11-19 | Eagle Harbor Technologies, Inc. | High voltage resistive output stage circuit |
CN110692188B (zh) | 2017-02-07 | 2022-09-09 | 鹰港科技有限公司 | 变压器谐振转换器 |
JP6902167B2 (ja) | 2017-08-25 | 2021-07-14 | イーグル ハーバー テクノロジーズ, インク.Eagle Harbor Technologies, Inc. | ナノ秒パルスを使用する任意波形の発生 |
US11302518B2 (en) | 2018-07-27 | 2022-04-12 | Eagle Harbor Technologies, Inc. | Efficient energy recovery in a nanosecond pulser circuit |
US11222767B2 (en) | 2018-07-27 | 2022-01-11 | Eagle Harbor Technologies, Inc. | Nanosecond pulser bias compensation |
US10796887B2 (en) | 2019-01-08 | 2020-10-06 | Eagle Harbor Technologies, Inc. | Efficient nanosecond pulser with source and sink capability for plasma control applications |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1363386B1 (en) * | 2002-05-13 | 2005-01-05 | Luxon Energy Devices Corporation | High current pulse generator |
US7767433B2 (en) * | 2005-04-22 | 2010-08-03 | University Of Southern California | High voltage nanosecond pulse generator using fast recovery diodes for cell electro-manipulation |
WO2010011408A1 (en) * | 2008-05-23 | 2010-01-28 | University Of Southern California | Nanosecond pulse generator |
-
2015
- 2015-04-20 RU RU2015114755/28A patent/RU2589240C1/ru active
-
2016
- 2016-01-18 WO PCT/RU2016/000009 patent/WO2016171582A1/ru active Application Filing
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2623636C1 (ru) * | 2016-05-24 | 2017-06-28 | Алексей Александрович Новиков | Устройство подавления остаточных колебаний резонансной цепи |
RU2745112C1 (ru) * | 2020-10-23 | 2021-03-22 | Ефанов Михаил Владимирович | Генератор наносекундных импульсов |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2016171582A1 (ru) | 2016-10-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2589240C1 (ru) | Генератор импульсов | |
DE19548003A1 (de) | Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Impulsspannungsfolgen, insbesondere für den Betrieb von dielektrisch behinderten Entladungen | |
US10332705B2 (en) | Zero-current pulse with constant current gradient for interrupting a direct current | |
CN102931867B (zh) | 一种重复频率的脉冲倍压发生装置 | |
CN102751866A (zh) | 适用于光伏发电系统的高增益dc-dc升压转换器 | |
CN104503526B (zh) | 基于混合信号的反馈补偿电路及方法 | |
US20120161690A1 (en) | Electrical circuit for controlling electrical power to drive an inductive load | |
RU2636108C1 (ru) | Генератор высоковольтных импульсов | |
RU2653580C2 (ru) | Импульсный регулятор напряжения | |
RU2352056C1 (ru) | Генератор высоковольтных импульсов | |
RU2558693C2 (ru) | Способ генерации энергии и индуктивный генератор для его осуществления | |
WO2019220868A1 (ja) | 放電装置 | |
RU2457615C2 (ru) | Генератор субнаносекундных импульсов | |
RU2674884C1 (ru) | Генератор высоковольтных наносекундных импульсов с умножением напряжения до nUзарядн на согласованной нагрузке | |
CN103715937A (zh) | 两个倍压电路串联输出的磁脉冲压缩单元及磁脉冲压缩源 | |
Thrimawithana et al. | Pulsed power generation techniques | |
JP6370597B2 (ja) | 電圧生成回路 | |
RU2707699C1 (ru) | Способ рекуперации электрической энергии и устройство для его осуществления | |
RU2553660C2 (ru) | Двухтактный мостовой преобразователь напряжения | |
DE102010051088A1 (de) | Vorrichtung zur Impedanzanpassung | |
RU2226022C1 (ru) | Генератор наносекундных импульсов для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов | |
Redondo | Comparison between two solid-state transformerless modulators for capacitive type load applications | |
DE102009014702A1 (de) | Schaltungsanordnung und Verfahren zur Nutzbarmachung elektrischer Energie kleiner Generatoren | |
RU2422983C2 (ru) | Генератор импульсов напряжения | |
US9793807B2 (en) | Lossless power conversion to DC method and device |