Ключевой генератор на управляемых вентилях

 

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в ключевых генераторах токов высокой частоты и ключевых усилителях мощности радиопередающих устройств. Изобретение решает задачу стабилизации энергетического режима многоячейкового ключевого генератора на управляемых вентилях при изменении сопротивления нагрузки генератора, т.е. ограничения максимальных значений напряжений на управляемых вентилях и элементах генераторных ячеек - разрядных конденсаторах и дросселях путем ограничения реактивной мощности в разрядных конденсаторах. Ключевой генератор выполнен по схеме многоячейкового последовательного резонансного инвертора и содержит источник питания (двухполярный), нагрузку и идентичные генераторные ячейки, каждая из которых выполнена в виде последовательного соединения первого дросселя, первого управляемого вентиля, второго дросселя, второго управляемого вентиля. В генератор дополнительно введены ограничительные диоды по числу генераторных ячеек, два блокировочных конденсатора и два блокировочных дросселя, а генераторные ячейки разделены на две группы. Число ячеек в группах равно или отличается на единицу. Технический результат - ограничение максимальных напряжений. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в ключевых генераторах токов высокой частоты и ключевых усилителях мощности радиопередающих устройств.

Известен одноячейковый последовательный резонансный инвертор, описанный, например, в книге Артыма А.Д. "Ключевые генераторы гармонических колебаний", "Энергия", Ленинградское отделение, 1972 г., стр. 139, состоящий из источника питания, нагрузки и генераторной ячейки, которая содержит два управляемых вентиля (УВ), два дросселя и разрядный конденсатор. Основным недостатком такого генератора является то, что он устойчиво может генерировать колебания до 1-3 кГц.

Известен трехъячейковый последовательный резонансный инвертор на управляемых вентилях (УВ), описанный в книге Артыма А.Д. "Ключевые генераторы гармонических колебаний", "Энергия", Ленинградское отделение, 1972 г., стр. 140-142. Такой генератор содержит источник питания (однополярный), нагрузку и три идентичные генераторные ячейки. Каждая ячейка состоит из двух УВ, двух дросселей и разрядного конденсатора. Основным достоинством этого генератора является его способность генерировать частоты значительно более высокие, чем те, которые определяются временем восстановления электрической прочности УВ. При поочередной подаче отпирающих импульсов на УВ, находящихся в разных генераторных ячейках, схемное время восстановления электрической прочности УВ может в десятки раз превосходить это время в одноячейковом генераторе. В результате максимальная частота, генерируемая многоячейковым генератором, во столько же раз превышает максимальную частоту колебаний одноячейкового генератора. Этот генератор и принят за ближайший аналог.

Недостатком рассматриваемого генератора как любого последовательного резонансного инвертора является существенная зависимость его энергетического режима, т. е. мощности, максимальных значений напряжений на УВ и реактивных элементах генераторных ячеек от сопротивления нагрузки генератора. В большинстве случаев применения таких генераторов сопротивление нагрузки может изменяться в значительных пределах. Например, при использовании генератора в качестве источника токов высокой частоты при термической обработке деталей из стали, сопротивление нагрузки может изменяться более чем в два раза в зависимости от температуры нагрева, и особенно при прохождении точки Кюри. При использовании такого генератора в качестве усилителя мощности радиопередатчика сопротивление нагрузки может меняться еще больше (до трех-пяти раз). Эти изменения нагрузки могут быть как медленными (при настройке системы выходных контуров и антенны), так и быстрыми, динамическими (при передаче сигналов в режимах частотной, амплитудной или фазовой модуляции). Значительные изменения нагрузки вызывают возникновение перенапряжений и экстратоков в элементах генератора, что приводит к снижению надежности их работы и вызывает необходимость предусматривать большие запасы по электрической прочности элементов генератора. Это в свою очередь приводит к неоправданному увеличению габаритов генераторных установок, особенно при больших генерируемых мощностях.

Изобретение решает задачу стабилизации энергетического режима многоячейкового ключевого генератора на УВ при изменении сопротивления нагрузки генератора, т. е. ограничения максимальных значений напряжений на УВ и элементах генераторных ячеек - разрядных конденсаторах и дросселях путем ограничения реактивной мощности в разрядных конденсаторах.

Решение задачи осуществляется за счет введения в генератор, выполненный по многоячейковой схеме последовательного резонансного инвертора и содержащий источник питания, идентичные генераторные ячейки, ограничительных диодов по числу генераторных ячеек, двух блокировочных конденсаторов, двух блокировочных дросселей. Источник питания генератора при этом выполнен двухполярным, каждая генераторная ячейка выполнена в виде последовательного соединения первого дросселя, первого УВ, второго дросселя, второго УВ. Кроме того, генераторные ячейки разделены на две группы, свободные выводы первых дросселей генераторных ячеек первой группы соединены и подключены к положительному полюсу двухполярного источника питания, катоды вторых УВ указанных генераторных ячеек соединены и подключены к общей шине генератора, свободные выводы первых дросселей генераторных ячеек второй группы соединены и подключены к общей шине генератора, катоды вторых УВ упомянутых генераторных ячеек соединены и подключены к отрицательному полюсу двухполярного источника питания, причем ограничительные диоды первой группы своими катодами подключены к вторым выводам разрядных конденсаторов генераторных ячеек первой группы, аноды этих диодов соединены и через первый блокировочный дроссель подключены к отрицательному полюсу двухполярного источника питания, а через первый блокировочный конденсатор подключены к общей шине генератора, ограничительные диоды второй группы своими анодами подключены к вторым выводам разрядных конденсаторов генераторных ячеек второй группы, аноды этих диодов соединены и через второй блокировочный дроссель подключены к положительному полюсу двухполярного источника питания, а через второй блокировочный конденсатор подключены к общей шине генератора. Первые выводы разрядных конденсаторов всех генераторных ячеек объединены и подключены к нагрузке.

Таким образом, реализация предлагаемого технического решения позволяет стабилизировать энергетический режим ключевого генератора при изменении сопротивления нагрузки генератора благодаря разделению питания двух групп генераторных ячеек от двух половин двухполярного источника питания и включению ограничительных диодов таким образом, чтобы опорным напряжением диодов одной группы являлось напряжение питания другой группы и наоборот.

Излишняя реактивная мощность из разрядных конденсаторов первой группы генераторных ячеек через ограничительные диоды сбрасывается в отрицательную половину источника питания, а излишняя реактивная мощность из разрядных конденсаторов второй группы сбрасывается в положительную половину источника питания. Это приводит к ограничению напряжений на УВ, конденсаторах и дросселях всего генератора. В результате появляется возможность значительного уменьшения массы и габаритов генератора, особенно большой мощности, вследствие того что отпадает необходимость предусматривать значительные запасы по электрической прочности элементов генератора.

На фиг. 1 представлена схема генератора, состоящего из пяти генераторных ячеек; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип действия генератора.

Обозначения, принятые на фиг. 1: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 - управляемые вентили генераторных ячеек; 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 - дроссели генераторных ячеек; 21, 22, 23, 24, 25 - разрядные конденсаторы генераторных ячеек; 26, 27, 28, 29, 30 - ограничительные диоды; 31, 32 - блокировочные конденсаторы; 33, 34 - блокировочные дроссели; 35 - двухполярный источник питания; 36 - нагрузка генератора.

Ключевой генератор выполнен по схеме многоячейкового, в рассматриваемом примере пятиячейкового последовательного резонансного инвертора, и содержит источник питания 36, нагрузку 35 и пять идентичных генераторных ячеек. Каждая генераторная ячейка выполнена в виде последовательного соединения первого дросселя (11, 13, 15, 17, 19), первого УВ (1, 3, 5, 7, 9), второго дросселя (12, 14, 16, 18, 20) и второго УВ (2, 4, 6, 8, 10). В состав ячеек входят также разрядные конденсаторы (21, 22, 23, 24, 25). Например, для первой ячейки вывод первого дросселя 11 подключен к аноду первого УВ 1, катод которого соединен с одним выводом второго дросселя 12, другой вывод которого подключен к аноду второго УВ 2. Второй вывод разрядного конденсатора 21 подключен к точке соединения катода УВ 1 с выводом дросселя 12. Остальные ячейки выполнены аналогичным образом из соответствующих элементов, а именно: вторая ячейка - первый дроссель 13, первый УВ 3, второй дроссель 14, второй УВ 4, конденсатор 22, третья ячейка - первый дроссель 15, первый УВ 5, второй дроссель 16, второй УВ 6, конденсатор 23 и так далее для остальных ячеек. При этом, так же как и в ближайшем аналоге, первые выводы разрядных конденсаторов (21-25) всех генераторных ячеек объединены и подключены к нагрузке 35. В генератор дополнительно введены пять ограничительных диодов (26-30), первый 31 и второй 32 блокировочные конденсаторы, первый 33 и второй 34 блокировочные дроссели, источник питания 36 выполнен двухполярным, а генераторные ячейки разделены на две группы, в данном случае первая группа состоит из трех ячеек (с первой по третью), вторая группа состоит из двух ячеек - четвертой и пятой. Свободные выводы первых дросселей 11, 13, 15 генераторных ячеек первой группы соединены и подключены к положительному полюсу двухполярного источника питания 36, катоды вторых УВ 2, 4, 6 указанных генераторных ячеек объединены и подключены к общей шине 35 генератора. Свободные выводы первых дросселей 17, 19 генераторных ячеек второй группы соединены и подключены к общей шине 35 генератора, катоды вторых УВ 8, 10 упомянутых генераторных ячеек соединены и подключены к отрицательному полюсу двухполярного источника питания 36. Ограничительные диоды 26-28 первой группы своими катодами подключены соответственно к вторым выводам разрядных конденсаторов 21-23 генераторных ячеек первой группы, аноды этих диодов 26-28 соединены и через первый блокировочный дроссель 33 подключены к отрицательному полюсу двухполярного источника питания 36, а через первый блокировочный конденсатор 31 подключены к общей шине 35 генератора. Ограничительные диоды 29, 30 второй группы своими анодами подключены соответственно к вторым выводам разрядных конденсаторов 24, 25 генераторных ячеек второй группы, аноды этих диодов 29, 30 соединены и через второй блокировочный дроссель 34 подключены к положительному полюсу двухполярного источника питания 36, а через второй блокировочный конденсатор 32 подключены к общей шине 35 генератора, которая соединена с общей шиной 35 источника питания 36.

В качестве управляемых вентилей могут быть применены тиристоры или тиратроны. При общем четном числе ячеек в генераторе наиболее целесообразно разделять их на две группы с равным числом ячеек в каждой группе. При общем нечетном числе ячеек число ячеек в группах не должно отличаться более чем на одну. Это является наилучшим вариантом выполнения и вызвано тем, чтобы токи, потребляемые от двух половин двухполярного источника питания, были одинаковыми или как можно меньше oтличались один от другого. Двухполярный источник питания при необходимости может быть заменен двумя однополярными источниками питания.

Предлагаемый ключевой генератор работает следующим образом. Управляющие короткие импульсы напряжения поступают последовательно на УВ различных генераторных ячеек таким образом, чтобы обеспечить равномерное чередование положительных и отрицательных импульсов тока в нагрузке и максимальные длительности пауз между перезарядами разрядных конденсаторов. Эти условия выполняются, например, при следующей последовательности отпирания УВ: 1, 4, 7, 6, 9, 2, 3, 8, 5, 10. Работа генератора поясняется временными диаграммами токов и напряжений на различных элементах. На фиг. 2а приведены импульсы токов через УВ, обозначенный на фиг. 1 цифрой 1; на фиг 2б - напряжение на этом же УВ; на фиг. 2в - суммарное напряжение на нагрузке от поочередной работы всех УВ; на фиг. 2г - напряжение между точкой подключения разрядного конденсатора 21 к первой генераторной ячейке и общей шиной генератора; на фиг. 2д - импульсы тока через ограничительный диод 26.

После прохождения синусоидального импульса тока через УВ 1 разрядный конденсатор 21 заряжается до напряжения, большего напряжения источника питания 36 (+E), в результате напряжение на УВ 1 оказывается отрицательным в течение четырех полупериодов генерируемых колебаний (до отпирания УВ 2), чем обеспечивается надежное восстановление электрической прочности УВ 1. Аналогично работают и остальные генераторные ячейки. В результате суммирования импульсов тока, поочередно проходящих через все УВ генератора, на нагрузке формируется практически гармоническое напряжение.

Напряжение между точками подключения разрядных конденсаторов к генераторным ячейкам и общей шиной генератора U_сз имеет вид, показанный на фиг. 2г. Причем в генераторных ячейках, питающихся от положительной половины источника питания, максимальные положительные значения этого напряжения по абсолютной величине больше максимальных отрицательных значений; в генераторных ячейках, питающихся от отрицательной половины источника питания, наоборот, - максимальные отрицательные значения по абсолютной величине больше максимальных положительных значений. Анализ работы такого генератора без ограничительных диодов показывает, что в номинальном режиме максимальные отрицательные значения напряжения U_сз в генераторных ячейках, питающихся от положительной половины источника питания, и максимальные положительные значения напряжения U_сз в генераторных ячейках, питающихся от отрицательной половины источника питания, по абсолютной величине близки к E и составляют (1,05-1,1)E. Следовательно, при подключении ограничительных диодов 26, 27, 28, подсоединенных к генераторным ячейкам, питающимся от положительной половины источника питания, к отрицательной половине источника -E, и при подключении ограничительных диодов 29, 30, подсоединенных к генераторным ячейкам, питающимся от отрицательной половины источника питания, к положительной половине источника питания +E, отрицательное и положительное значение соответственно напряжения U_сз будет ограничено на уровне E. Значит, даже в номинальном режиме через ограничительные диоды будет сбрасываться в источники питания часть реактивной мощности разрядных конденсаторов. При уменьшении сопротивления нагрузки генератора напряжения на реактивных элементах, в том числе и на разрядных конденсаторах, стремятся увеличиться. Однако при наличии ограничительных диодов напряжения U_сз остаются на уровне E, что приводит к увеличению сбрасываемой из разрядных конденсаторов реактивной энергии и препятствует увеличению мощности генератора. Блокировочные конденсаторы 31, 32 служат для замыкания на общую шину генератора переменной составляющей импульсов тока рекуперации ограничительных диодов, а блокировочные дроссели 33, 34 - для направления постоянной составляющей импульсов тока рекуперации ограничительных диодов в двухполярные источники питания +E, -E.

Формула изобретения

1. Ключевой генератор на управляемых вентилях, который выполнен по многоячейковой схеме последовательного резонансного инвертора, содержащий источник питания, идентичные генераторные ячейки, каждая ячейка содержит два управляемых вентиля, два дросселя и разрядный конденсатор, при этом первые выводы разрядных конденсаторов всех генераторных ячеек объединены и подключены к нагрузке, отличающийся тем, что в него введены ограничительные диоды по числу генераторных ячеек, первый и второй блокировочные дроссели, источник питания выполнен двухполярным, генераторная ячейка выполнена в виде последовательного соединения первого дросселя, первого управляемого вентиля, второго дросселя, второго управляемого вентиля, а второй вывод разрядного конденсатора подключен к точке соединения катода первого управляемого вентиля с выводом второго дросселя, при этом генераторные ячейки разделены на две группы, свободные выводы первых дросселей генераторных ячеек первой группы соединены и подключены к положительному полюсу двухполярного источника питания, катоды вторых управляемых вентилей указанных генераторных ячеек соединены и подключены к общей шине генератора, свободные выводы первых дросселей генераторных ячеек второй группы соединены и подключены к общей шине генератора, катоды вторых управляемых вентилей упомянутых генераторных ячеек соединены и подключены к отрицательному полюсу двухполярного источника питания, причем ограничительные диоды первой группы своими катодами подключены к вторым выводам разрядных конденсаторов генераторных ячеек первой группы, аноды этих диодов соединены и через первый блокировочный дроссель подключены к отрицательному полюсу двухполярного источника питания, а через первый блокировочный конденсатор подключены к общей шине генератора, ограничительные диоды второй группы своими анодами подключены к вторым выводам разрядных конденсаторов генераторных ячеек второй группы, аноды этих диодов соединены и через второй блокировочный дроссель подключены к положительному полюсу двухполярного источника питания, а через второй блокировочный конденсатор подключены к общей шине генератора.

2. Ключевой генератор по п.1, отличающийся тем, что число генераторных ячеек в группах равно или отличается на единицу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2