высокочастотный высоковольтный импульсный трансформатор
Классы МПК: | H01F19/08 с подмагничиванием, например трансформаторы импульсного типа |
Автор(ы): | Сильников М.В., Михайлин А.И., Кулаков С.Л. |
Патентообладатель(и): | Общество с ограниченной ответственностью "Научно- производственное объединение специальных материалов" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-01-09 публикация патента:
27.10.2002 |
Использование: в схеме однотактного преобразователя постоянного напряжения в высоковольтное импульсное с передачей энергии в паузе тока, применяемой в малогабаритных конструкциях высоковольтных устройств: схемы питания газовых лазеров, электрошоковые устройства. Трансформатор состоит из замкнутого сердечника с зазором и двух обмоток. Оптимальное количество витков в первичной обмотке определяется установленным соотношением между характеристиками сердечника трансформатора: материалом сердечника, величиной зазора, конструктивным выполнением обмотки, например коэффициентом ее формы и параметрами преобразователя, такими как допустимая величина амплитуды импульса тока в первичной обмотке, минимальные габариты устройства. Технический результат заключается в увеличении КПД при минимальных размерах устройства. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
Высокочастотный высоковольтный импульсный трансформатор в схеме однотактного преобразователя постоянного напряжения, содержащий замкнутый сердечник с зазором и первичную и вторичную обмотки, отличающийся тем, что число витков первичной обмотки n1 равно
где Нp- рабочая напряженность магнитного поля сердечника без зазора, соответствующая величине индукции насыщения Вм материала сердечника;

I - амплитуда тока в первичной обмотке;
d - величина зазора в сердечнике выбрана не более 0,03 эффективной длины магнитной силовой линии сердечника,

Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники, а именно к высокочастотным высоковольтным импульсным трансформаторам с замкнутым сердечником с зазором в высоковольтных однотактных схемах преобразования постоянного напряжения в высоковольтное импульсное и может быть использовано в малогабаритных преобразователях схем электропитания различных устройств, например, электрошоковых устройств (ЭШУ), газовых лазеров. Традиционная схема однотактного преобразователя включает в себя источник постоянного электропитания (ИПЭ), управляемый ключ, схему управления ключом, высокочастотный высоковольтный импульсный трансформатор (ВВТ), две обмотки которого расположены на замкнутом сердечнике. Общая задача, решаемая схемой преобразователя, формулируется следующим образом. Заданную мощность источника постоянного напряжения Рn, характеризуемую напряжением Un и допустимым средним током потребления i, необходимо передать в виде импульсов высокого напряжения амплитудой U2 (режим холостого хода) в нагрузку. При этом следует учитывать следующее принципиальное для малогабаритных конструкций требование: преобразователь должен иметь минимально возможные массогабаритные характеристики и, следовательно, конструкция ВВТ, обладающая наибольшими массогабаритными показателями из всех элементов преобразователя, должна иметь минимально возможные габариты. Известны однотактные преобразователи в схемах питания ЭШУ "Тандер", "Скорпион", "Мальвина", использующие конструкцию ВВТ, содержащую замкнутый сердечник с зазором, первичную и вторичную обмотки. В качестве сердечника в этих ВВТ использован ферритовый сердечник типа Кв 10 с характерными внешними размерами 27 х 27 х 19. К недостаткам этой конструкции ВВТ следует отнести то, что типоразмер сердечника в 1,5-2 раза превосходит размер, необходимый для 100%-ной передачи мощности ИПЭ, используемых в данных ЭШУ. Кроме того, из-за отсутствия оптимизации величины количества витков первичной обмотки преобразователь с данным ВВТ обладает низким КПД (менее 60%) при больших средних токах потребления (более 1 А), что крайне отрицательно сказывается на условиях работы источника постоянного тока. В патенте Российской Федерации 2069021, кл. H 10 F 19/08, 1996 (Высокочастотный импульсный трансформатор) предложена оптимизированная конструкция высоковольтного высокочастотного импульсного трансформатора и дано оптимальное соотношение длины обмотки L к ее среднему диаметру Д, как для первичной обмотки, так и для вторичной. Однако данные величины характеризуют только геометрию магнитного поля, определяя коэффициент магнитной связи (взаимную индуктивность и индуктивность рассеивания) обмоток. Величина числа витков n1 в первичной обмотке, а также связь этой величины с характеристиками используемого сердечника и параметрами схемы генератора полностью отсутствуют. Используя соотношение между L и Д невозможно выбрать оптимальное значение величины n1 для высоковольтного высокочастотного трансформатора в схеме однотактного преобразователя. Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому устройству является ВВТ, используемый в преобразователе ЭШУ "Air Taser" по патенту США 5786546, МКИ F 42 B 005/03, опубл. 28.07.98, содержащий замкнутый сердечник с зазором, первичную и вторичную обмотки. Из всех перечисленных выше устройств данный преобразователь обладает наиболее высоким КПД преобразования мощности источника питания (источник постоянного тока "Energaizer" - 9 В) в высоковольтные импульсы. Мощность, потребляемая от источника преобразователем, составляет Рп= Uпi=8 В

где d - величина зазора в сердечнике,



1. ВВТ должен передавать мощность
PТ


2. Частота следования высоковольтных импульсов должна быть равна
f=1/Т, где Т - период;
3. Коэффициент трансформации ВВТ должен обеспечивать
k=U2/U1=n2/n1. Кроме того, к заданным величинам следует добавить требование минимально возможных габаритов, а следовательно, и минимально возможных размеров сердечника ВВТ, а также минимально возможное число витков первичной (n1) обмотки. Для реализации передачи заданной мощности, на частоте f, в выбранном сердечнике необходимо в каждом импульсе запасать определенное количество энергии. Исходя из закона электромагнитной индукции и общих уравнений электротехники можно показать, что амплитуда импульса тока (I), необходимая для "накачки" максимальной мощности, составляет

где i - ток, потребляемый от источника постоянного тока, Т - период следования импульсов, tИ - длительность импульса "накачки" (tИ< Т). Данная амплитуда тока соответствует предельно допустимой величине напряженности магнитного поля в первичной обмотке трансформатора, не приводящей к насыщению сердечника, следовательно, можно определить оптимальное число витков первичной обмотки как

где Нр - рабочая напряженность магнитного поля, соответствующая величине Вм для сердечника без зазора,





где [Hp] - A/м, [I] - A, [d] - м,











Класс H01F19/08 с подмагничиванием, например трансформаторы импульсного типа