генератор импульсов с инверсией напряжения

Формула изобретения

1. Генератор импульсов с инверсией напряжения, содержащий источник питающего напряжения, ключ выходного напряжения, нагрузку и n последовательно соединенных каскадов умножения, каждый каскад которого содержит два последовательно соединенных накопительных конденсатора, два зарядных элемента, индуктивность инверсии напряжения, ключ инверсии напряжения, отличающийся тем, что генератор дополнительно снабжен зарядной индуктивностью, зарядные элементы выполнены в виде входной ветви последовательно соединенных зарядных диодов и выходной ветви последовательно соединенных зарядных диодов, катод каждого из диодов входной ветви соединен с общей точкой последовательно соединенных накопительных конденсаторов предыдущей ступени умножения, а анод соединен с общей точкой последовательно соединенных накопительных конденсаторов последующей ступени умножения, катод каждого из диодов выходной ветви соединен с нижней обкладкой первого из последовательно соединенных накопительных конденсаторов каждого каскада умножения, а анод соединен с верхней обкладкой второго из последовательно соединенных накопительных конденсаторов каждого каскада умножения, при этом зарядная индуктивность включена между положительным полюсом источника питающего напряжения и анодом диода входной зарядной ветви n-го каскада, а отрицательный полюс источника питающего напряжения подключен к нижней обкладке первого накопительного конденсатора первого каскада умножения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зарядная индуктивность включена между отрицательным полюсом источника питающего напряжения и катодом диода входной зарядной ветви n-го каскада, а положительный полюс источника питающего напряжения подключен к нижней обкладке первого накопительного конденсатора первого каскада умножения, при этом все зарядные диоды включены в схеме с обратной полярностью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к импульсной высоковольтной технике и может быть использовано в источниках питания различных электрофизических устройств.

Известны генераторы импульсов высокого напряжения, собранные по схеме умножения напряжения с использованием инверсии напряжения на накопительных конденсаторах. Модификации такой схемы находят практическое применение в импульсной высоковольтной техники, в частности в работе (Коротков С.В., Аристов Ю.В., Воронков В.Ю. // ПТЭ. 2010. № 2. с.80.).

Недостатками указанного генератора являются большие потери мощности на активном сопротивлении зарядных резисторов и невозможность увеличения выходного напряжения без увеличения числа каскадов умножения.

Также известен генератор высоковольтных импульсов (а.с. РФ № 1131438, кл. H03K 3/53, 1998 г.). Основной целью этого генератора является увеличение коэффициента умножения генератора без увеличения числа каскадов умножения. В генераторе накопительные конденсаторы заряжаются через зарядное сопротивление и, как следствие, процесс заряда сопровождается потерями энергии и невозможностью зарядить эти конденсаторы до удвоенного напряжения источника питания. Далее осуществляется перезаряд накопительных конденсаторов через дополнительные индуктивности. Дополнительные индуктивности и накопительные конденсаторы должны быть подобраны в определенных соотношениях. При таких условиях возможен колебательный процесс, в результате которого суммарное напряжение на конденсаторах может быть на 35-40% больше, чем в известных аналогичных схемах.

Однако, как указывает сам автор, точный расчет параметров схемы для большого числа каскадов умножения практически невозможен, а, кроме того, временная и температурная нестабильности подобранных элементов будут приводить к разбалансировке схемы и, как следствие, к уменьшению выходного напряжения

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является генератор с использованием инверсии напряжения на накопительных конденсаторах, представленный в работе Фитча и Говелла (Fitch R.A., Howell V.T.S. Novel principle of transient high voltage generation. -"Proc. IEEE", Electronics Power Science and General, - 1964, v. III, № 4).

Недостатками указанного генератора также являются большие потери мощности на активном сопротивлении зарядных резисторов и невозможность увеличения выходного напряжения без увеличения числа каскадов умножения.

Технической задачей данного изобретения является уменьшение потерь мощности в зарядной цепи и получение удвоенного напряжения на накопительных конденсаторах.

Указанный технический результат достигается тем, что генератор импульсов напряжения, как и прототип, содержит источник питающего напряжения, ключ выходного напряжения, нагрузку и n последовательно соединенных каскадов умножения, каждый из которых содержит два последовательно соединенных накопительных конденсатора, два зарядных элемента, индуктивность инверсии напряжения и ключ инверсии напряжения.

В отличие от прототипа генератор дополнительно снабжен зарядной индуктивностью, зарядные элементы выполнены в виде входной ветви последовательно соединенных зарядных диодов и выходной ветви последовательно соединенных зарядных диодов, катод каждого из диодов входной ветви соединен с общей точкой последовательно соединенных накопительных конденсаторов предыдущей ступени умножения, а анод соединен с общей точкой последовательно соединенных накопительных конденсаторов последующей ступени умножения, катод каждого из диодов выходной ветви соединен с нижней обкладкой первого из последовательно соединенных накопительных конденсаторов каждого каскада умножения, а анод соединен с верхней обкладкой второго из последовательно соединенных накопительных конденсаторов каждого каскада умножения, при этом зарядная индуктивность включена между положительным полюсом источника питающего напряжения и анодом диода входной зарядной ветви n-го каскада, а отрицательный полюс источника питающего напряжения подключен к нижней обкладке первого накопительного конденсатора первого каскада умножения.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом отличается тем, что зарядная индуктивность может быть включена между отрицательным полюсом источника питающего напряжения и катодом диода входной зарядной ветви n-го каскада, а положительный полюс источника питающего напряжения подключен к нижней обкладке первого накопительного конденсатора первого каскада умножения, при этом все зарядные диоды включены в схеме с обратной полярностью.

На фигуре изображена электрическая схема предлагаемого генератора.

Генератор содержит 1 n каскадов, источник питающего напряжения с выходным напряжением +U₀, общую для всех каскадов зарядную индуктивность 2, ключ выходного напряжения 3, нагрузку 4.

Каждый из каскадов включает в себя по два накопительных конденсатора 5, индуктивность инверсии напряжения 6, ключ инверсии напряжения 7, зарядный диод входной ветви последовательно соединенных зарядных диодов 8 и зарядный диод выходной ветви последовательно соединенных зарядных диодов 9.

Генератор импульсных напряжений работает следующим образом.

Накопительные конденсаторы 5 заряжают через зарядную индуктивность 2 и зарядные диоды 8 и 9 от питающего напряжения +U₀. Так как во время заряда все диоды 8 и 9 открыты, то накопительные конденсаторы соединены параллельно и процесс заряда конденсаторов происходит одновременно. Время заряда конденсаторов определяется по формуле ,

L_з - зарядная индуктивность 2;

С - емкость накопительных конденсаторов 5;

n - количество каскадов;

- 3,14.

Такая схема позволяет зарядить накопительные конденсаторы с минимальными потерями мощности. При условии, что активное сопротивление цепи заряда близко к нулю, процесс заряда имеет колебательный характер. Накопительные конденсаторы 5 заряжаются до двойного напряжения питания, при этом нижний и верхний конденсаторы зарядятся в противофазе, как показано на фигуре с левой стороны от конденсаторов. После заряда накопительных конденсаторов 5 зарядные диоды 8 и 9 запираются и удерживают напряжение на каждом из накопительных конденсаторов, соединенных уже последовательно, на уровне 2U₀. Так как общее число последовательно соединенных конденсаторов четное, как в нашем случае 2n, то из-за разной полярности напряжения на соседних конденсаторах суммарное напряжение на них будет равно нулю. При одновременном замыкании ключей инверсии напряжения 7 происходит колебательный перезаряд нижних конденсаторов 5 в каждом каскаде через индуктивности инверсии напряжения 6 и за время произойдет полный перезаряд конденсаторов с изменением полярности, как показано на фигуре с правой стороны от конденсаторов. Здесь L_п - индуктивности инверсии напряжения 3.

В результате чего суммарное напряжение на накопительных конденсаторах составит U_вых=2U₀2n=4U ₀n.

При этом зарядные диоды 8 и 9 остаются закрытыми, не оказывая влияния на выходное напряжение. Если в этот момент времени замкнуть ключ выходного напряжения 3, то все напряжение 4U₀n будет приложено к нагрузке 4. После разряда накопительных конденсаторов на нагрузку диоды 8 и 9 открываются и периодический процесс полностью повторяется.

Если отрицательный полюс источника питающего напряжения подключить к зарядной индуктивности, а положительный - к нижней обкладке первого накопительного конденсатора первого каскада умножения, при этом все зарядные диоды включить в схеме с обратной полярностью, то при разряде конденсаторов на нагрузку генератор выработает импульс противоположной полярности амплитудой 4U ₀n.