Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
МАГНИТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ
МАГНИТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ

МАГНИТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: в импульсной технике, в частности в формирователях мощных импульсов наносекундной длительности, и в сверхширокополосной радиолокации видеоимпульсами. Сущность изобретения: формирователь содержит последовательно соединенные источник 1 питания, входное звено 2 с накопителем 5 энергии и ключевым элементом 3, магнитное звено 6 сжатия, содержащее емкость 7 и переключающую индуктивность 8, нагрузку 11 и схему 4 запуска. В первое звено сжатия последовательно с переключающей индуктивностью 8 включен тиристор 12, открываемый импульсом из схемы запуска в момент окончания заряда емкости в том же звене. Особенностью изобретения является введение тиристора 12, управляемого от схемы 4, что позволяет повысить КПД. 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2010467
Класс(ы) патента: H03K3/53
Номер заявки: 5013927/21
Дата подачи заявки: 26.11.1991
Дата публикации: 30.03.1994
Заявитель(и): Катаев Иван Георгиевич; Важдаев Валерий Александрович
Автор(ы): Катаев Иван Георгиевич; Важдаев Валерий Александрович
Патентообладатель(и): Катаев Иван Георгиевич; Важдаев Валерий Александрович
Описание изобретения: Изобретение относится к импульсной технике, в частности к формирователям мощных импульсов наносекундной длительности, и может быть использовано, например, для широкополосной радиолокации видеоимпульсами.
Магнитные формирователи импульсов строятся по принципу накопления энергии при потреблении ее от источника на малом уровне мощности в течение сравнительно длительного времени индуктивным или емкостным накопителем, сжатия накопленной энергии во времени до необходимой длительности поступления ее в нагрузку, необходимых преобразований, сводящихся к трансформации формы и амплитуды импульса с тем, чтобы последние обеспечивали требуемый режим работы нагрузки и устройства в целом. Такие схемы известны и применяются на практике.
Недостатками известных формирователей являются низкий коэффициент сжатия каждого звена в отдельности и, как следствие, низкий КПД.
В качестве прототипа выбрана одна из первых реализаций подобных формирователей, в принципе рассмотрено использование в импульсных генераторах для сжатия импульсов насыщающихся индуктивностей. Схема содержит последовательно соединенные входное звено с емкостным накопителем энергии С1, управляемым ключевым элементом S1 и индуктивностью L, первое звено сжатия С2Р2, второе звено cжатия С3Р3 и нагрузку R. Во время τн заряда емкости С2, которое определяется полупериодом колебаний в контуре С12 ((τн= )), сердечник переключающей индуктивности Р2 находится в ненасыщенном состоянии, поэтому сопротивление этой индуктивности велико. К моменту окончания передачи энергии на С2 сердечник Р2 насыщается. Сопротивление Р2 резко уменьшается и приобретает чисто индуктивный характер. Поэтому передача энергии из емкости С2 в емкость С3 происходит на резонансной частоте контура С2Lр2С3 за время τпр= . Все емкости примерно одинаковы, но Lp2<L. Поэтому в звене С2Р2 происходит сжатие импульса в τнпр= раз. Анализ показывает, что коэффициент сжатия Ко определяется статическими характеристиками сердечника и составляет
K0 , где Во - индукция намагниченности насыщения; Но - амплитуда магнитного поля в сердечнике; μo = 4 π˙10-7 Гн/м - магнитная постоянная; μΔ - средняя эффективная относительная магнитная проницаемость сердечника при нарастании поля до Но за пределами гистерезисного цикла. При использовании ферритов величина Ко не превышает 3. . . 5, магнитных сплавов - 10. . . 20.
Недостатком этого звена сжатия является низкое значение коэффициентов сжатия. Во всей схеме формирователя общий коэффициент сжатия может составлять 104 и более. При среднем сжатии в одном звене в 4 раза для этого потребовалось бы 6. . . 7 звеньев. При потерях в каждом из них всего лишь 3% энергии потери достигают уже 20% . Но это всего лишь часть общих потерь, другую часть составляют потери на восстановление начального состояния намагниченности сердечников. Чем их больше, тем больше и потери на восстановление. Они могут достигать еще 30% от общего потребления.
Анализ на основе статических характеристик сердечников не раскрывает природу потерь. Она становится понятной лишь при анализе динамики процессов перемагничивания. Из этого анализа вытекает, что указанный недостаток сводится к тому, что переключающая индуктивность при ненасыщенном сердечнике имеет низкое сопротивление
Rр ≃λLр2, где λ - релаксационная частота. Для ферритов она имеет порядок 109с-1. В связи с этим уже во время накопления энергии на С2 часть ее через Р2проходит на С3 в виде затяжного предвестника. В конечном счете эта часть энергии оказывается потерянной, поэтому снижается КПД η звена. Он составляет
η 1- 1+ , где ω = 1/2 τпр - резонансная частота контура C2Lp2C3. При τпр = 5 мкс потери только в одном звене достигают 10% . У формирователя импульсов в целом η снижается до 20. . . 40% .
Новые разработки ферритов не могут привести к существенному росту λ. Поэтому величину λ надо увеличить искусственно.
Цель изобретения - повышение КПД формирователя за счет увеличения коэффициента сжатия первого звена.
Для осуществления цели в магнитном формирователе, содержащем подключенное к источнику питания входное звено с накопителем энергии и ключевым элементом, управляемым схемой запуска, которое через n магнитных звеньев сжатия, состоящих из емкости и переключающей индуктивности, соединено с нагрузкой, в отличие от прототипа в первом звене сжатия последовательно с переключающей индуктивностью включен тиристор, открываемый импульсом из схемы запуска в момент окончания заряда емкости в том же звене.
Наличие отличительных признаков указывает на соответствие заявляемого решения критерию "новизна".
Сравнение с другими техническими решениями в данной и смежных областях техники показывает, что тиристоры используются в магнито-тиристорных формирователях либо как управляющие вентили во входном звене, либо для подавления паразитных колебаний в нагрузке. Предложение использовать тиристор в первом звене сжатия для увеличения его коэффициента сжатия не известно и обеспечивает заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".
На чертеже изображена принципиальная схема магнитного формирователя импульсов.
Магнитный формирователь импульсов содержит последовательно соединенные источник 1 питания, входное звено 2, включающее ключевой элемент 3, управляемый схемой 4 запуска, и накопитель 5 энергии (индуктивный), первое звено 6 сжатия, с емкостью 7 переключающей индуктивностью 8; второе звено сжатия с емкостью 9 и переключающей индуктивностью 10, остальные звенья сжатия и нагрузку 11. В первом звене сжатия последовательно с переключающей индуктивностью 8 включен тиристор 12, управляемый схемой 4 запуска через развязывающий трансформатор 13.
Формирователь работает следующим образом.
В течение времени τн емкость 7 первого звена 6 сжатия принимает всю энергию от накопителя 5 входного звена 2. Схема может работать как с емкостным, так и с индуктивным накопителем. Во время τн тиристор 12 закрыт. По истечении этого времени тиристор 12 импульсом из схемы 4 запуска открывается и энергия из емкости 7 поступает в емкость 9 на резонансной частоте контура, образованного емкостью 7, индуктивностью 8, емкостью 9. Тиристор 12 относится к классу КУ или 2У. Среди них имеются такие, у которых допустимый ток в открытом состоянии ≈ 100 А, остаточное напряжение катод - анод ≈ 1,5 В, время включения τт = 30. . . 50 нс. В закрытом состоянии допустимое напряжение катод - анод 1. . . 2 кВ, ток ≈ 0,3. . . 0,5 мА. Сопротивление тиристора в закрытом состоянии превышает 2 МОм. Следовательно, Rр не меньше этой величины. При таких Rр утечка энергии на емкость 9 во время заряда емкости 7 практически исключена, что эквивалентно искусственному увеличению λ и росту η . Период колебаний на частоте контура разряда емкости 7 на емкость 9 с целью получения высокой добротности можно уменьшить до нескольких τт . Сердечник в индуктивности 8 может и отсутствовать, так как переключающие свойства полностью возлагаются на тиристор. Но сердечник целесообразно сохранять для того, чтобы ограничить бросок тока через тиристор на время его включения. Для обеспечения хорошей добротности контура 7, 8, 9 (емкость 7 равна емкости 9) приходится уменьшить емкость 7, что при заданной энергии W импульса влечет за собой повышение напряжения на выходе входного звена 2. Таким образом решается вторая, не менее важная задача повышения напряжения импульса до нужной величины.
Анализ показывает, что коэффициент сжатия в звене 6 с тиристором можно повышать до
K ≃ K0 .
При этом величина K может в десятки и сотни раз превосходить Ко. В обычном исполнении это звено можно было бы заменить тремя или четырьмя звеньями с общим КПД не лучше 0,8 и при более значительном расходе материалов.
Объем V магнитного сердечника переключающей индуктивности звена в обычном исполнении составляет
V = K0.
Коэффициент сжатия K = 90 можно было бы получить в лучшем случае в трех звеньях с коэффициентами Ко = 5; 4,5; 4 или в четырех звеньях с коэффициентами Ко = 4; 4; 3; 2. При этом объем всех сердечников составил бы
VΣ = [(5+4.5+4). . . (4+4+3+2)] = 14 .
В звене с тиристором сердечник выбирается так, чтобы задерживать разряд емкости 7 на емкость 9 после поджига тиристора на время τпф- (2. . . 3) τт. Его объем определяется соотношением
V = .
Объем феррита только в звеньях сжатия уменьшается не менее чем в 60 раз. К этому надо еще добавить отсутствие специального повышающего трансформатора.
В связи с резким уменьшением объема сердечников пропорционально уменьшаются и затраты энергии на восстановление их начальной намагниченности. При низкой скважности импульсов в первом звене сжатия эта экономия может достигать 30% общего расхода энергии. Таким образом, общее увеличение КПД формирователя при использовании изобретения составляет 40% .
Если принимать за < Ко> cреднее значение коэффициента сжатия звеньев в обычном исполнении, то объем сердечников уменьшается в общем случае в А раз:
A = 5<K>0>1+ по сравнению с объемом в звене с тиристором, имеющем коэффициент сжатия К = < Ко> (τн/5τт). При использовании тиристора КУ220 при τн = 45 мкс величина А составляет 97, а К = 300.
Вслед за столь значительным снижением потерь отпадает необходимость в громоздких радиаторах для теплоотвода. Вместе с уменьшением объема сердечников и количества конденсаторов это позволяет снизить объем и вес прибора в несколько раз. (56) Mellville: Тhe use of saturable reactor as discharge for pulse generators. The proceedings of the institution of electrical engineers, p. III, v. 98, N 53, 1951, р. 193.
Формула изобретения: МАГНИТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ , содеpжащий источник питания выход котоpого соединен последовательно с входным звеном, включающим накопитель энеpгии и ключевой элемент, N магнитных звеньев сжатия, каждый из котоpых включает емкость и пеpеключающую индуктивность соединенные последовательно, и нагpузку, а также блок запуска, пеpвая и втоpая выходные клеммы котоpого соединены с пеpвой и втоpой упpавляющими клеммами входного звена, отличающийся тем, что в пеpвое магнитное звено сжатия введен тиpистоp, пеpвая клемма котоpого соединена с втоpой клеммой пеpеключающей индуктивности, а втоpая клемма котоpого соединена с выходной клеммой пеpвого магнитного звена сжатия, упpавляющая клемма тиpистоpа соединена с пеpвой введенной упpавляющей клеммой пеpвого магнитного звена сжатия, а пеpвая и введенная втоpая упpавляющие клеммы пеpвого магнитного звена сжатия соединены с введенными тpетьей и четвеpтой выходными клеммами блока запуска.