Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии

Июнь 14, 2010 от admin Комментировать »

Все рассмотренные выше генераторы высокого напряжения имели в качестве накопителя энергии конденсатор. Не меньший интерес представляют устройства, использующие в качестве та­кого элемента индуктивности.

В подавляющем большинстве конструкции подобного рода преобразователей ранних лет содержали механический коммута­тор индуктивности. Недостатки такого схемного решения очевид­ны: это повышенный износ контактных пар, необходимость их периодической чистки и регулировки, высокий уровень помех.

С появлением современных бьютродействующих электрон­ных коммутаторов конструкции преобразователей напряжения с коммутируемым индуктивным накопителем энергии заметно уп­ростились и стали конкурентоспособными.

Основой одного из наиболее простых вьюоковольтных ге­нераторов (рис. 12.1) является индуктивный накопитель энер­гии [12.1].

Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии    clip image002 thumb92

Рис. 12.1. Электрическая схема высоковольтного генератора на основе индуктивного накопителя энергии

Генератор прямоугольных импульсов собран на микросхеме 555 {КР1006ВИ1). Параметры импульсов регулируются потенцио­метрами R2 и R3. Частота импульсов управления также зависит от емкости времязадающего конденсатора 01. Импульсы с выхода генератора подаются через резистор R5 на базу ключевого (ком­мутирующего) элемента — мощного транзистора VT1.

Этот транзистор в соответствии с длительностью и частотой следования управляющих импульсов коммутирует первичную об­мотку трансформатора Т1.

В итоге на выходе преобразователя формируются импульсы вьюокого напряжения. Для защиты транзистора VT1 {2N3055 — КТ819ГМ) от пробоя желательно параллельно переходу эмит­тер — коллектор подключить диод, например, типа КД226 (като­дом к коллектору).

Высоковольтный генератор (рис. 12.2), разработанный в Болгарии, также содержит задающий генератор прямоугольных импульсов на микросхеме 555 {К1006ВИ1). Частота импульсов плавно регулируется резистором R2 от 85 до 100 Гц. Эти им­пульсы через RC-цепочки поступают на ключевью элементы на транзисторах VT1 и VT2. Стабилитроны VD3 и VD4 защища­ют транзисторы от повреждения при работе на индуктивную нагрузку.

Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии    clip image004 thumb63

Рис. 12.2. Схема генератора высокого напряжения на основе ин­дуктивного накопителя энергии

Генератор вьюокого напряжения (рис. 12.2) может быть ис­пользован как самостоятельно — для получения вьюокого напря­жения (обычно до 1…2 кВ), либо как промежуточная ступень «накачки» других преобразователей.

Транзисторы BD139 можно заменить на КТ943В.

В качестве ключевых элементов преобразователей с ин­дуктивным накопителем энергии долгие годы использовали мощные биполярные транзисторы. Их недостатки очевидны: до­вольно высоки остаточные напряжения на открытом ключе, как следствие, потери энергии, перегрев транзисторов.

По мере совершенствования полевых транзисторов послед­ние начали оттеснять биполярнью транзисторы в схемах источни­ков питания, преобразователях напряжения.

Для современных мощных полевых транзисторов сопротив­ление открытого ключа может достигать десятью…сотью доли Ома, а рабочее напряжение достигать 1 …2 кВ.

На рис. 12.3 приведена электрическая схема преобразова­теля напряжения, выходной каскад которого выполнен на полевом транзисторе MOSFET. Для согласования генератора с полевым транзистором включен биполярный транзистор с большим коэф­фициентом передачи.

Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии    clip image006 thumb40

Рис. 12.3.

Электрическая схема генератора высоковольтных им­пульсов с ключевым полевым транзистором

Задающий генератор собран на /СМО/7-микросхеме CD4049 по типовой схеме. Как сами выходные каскады, так и каскады формирования управляющих сигналов, показанные на рис. 12.1 — 12.3 и далее, взаимозаменяемы и могут быть использованы в лю­бом сочетании.

Выходной каскад генератора вьюокого напряжения системы электронного зажигания конструкции П. Брянцева (рис. 12.4) вы­полнен на современной отечественной элементной базе [12.2].

При подаче на вход схемы управляющих импульсов транзи­сторы VT1 и VT2 кратковременно открываются. В результате ка­тушка индуктивности кратковременно подключается к источнику

Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии    clip image008 thumb25

Рис. 12.4. Схема выходного каскада генератора высокого напря­жения П. Брянцева на составном транзисторе

Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии    clip image010 thumb21

Рис. 12.5. Электрическая схема генератора высокого напряжения с задающим генератором на основе триггеров Шмитта

питания. Конденсатор С2 сглаживает пик импульса напряжения. Резистивный делитель (R3 и R5) ограничивает и стабилизирует максимальное напряжение на коллекторе транзистора VT2.

В качестве трансформатора Т1 использована катушка зажи­гания Б115. Ее основные параметры: Ri=1,6 Ом, \<QA, Ui<330 В. Ко­эффициент трансформации К=68. Для катушки Б116 (Ri=0,6 Ом, 1,<20/4, Uj<160 В, К=154) оптимальная величина R5=11 кОм.

Следующие две схемы вьюоковольтных генераторов нап­ряжения с использованием индуктивных накопителей энергии (рис. 12.5, 12.6) разработал Andres Estaban de la Plaza [12.3, 12.4].

Первое из устройств [12.3] содержит задающий генератор прямоугольных импульсов, промежуточный и выходной каскад, вьюоковольтный трансформатор.

Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии    clip image012 thumb18

Рис. 12.6.

Электрическая схема генератора высокого напряжения с задающим генератором на основе операционного усилителя

Задающий генератор выполнен на основе триггера Шмитта (КМО/7-микросхема типа 4093). Использование триггера Шмитта вместо логических элементов НЕ (см. например, рис. 12.3) позво­ляет получить импульсы с более крутыми фронтами, и, следова­тельно, снизить потери энергии на ключевых элементах.

Согласование КМО/7-элементов с силовым транзистором VT2 осуществляется предусилителем на транзисторе VT1. Вы­ходной трансформатор Т1 коммутируется силовым биполярным транзистором VT2. Этот транзистор установлен на теплоотводя-щей пластине.

Частота импульсов генератора ступенчато изменяется пе­реключателем SA1. Соотношение между длительностью импуль­са и паузой и частоту следования импульсов плавно регулируют потенциометрами R1 и R2.

Переключателем SA2 включают/отключают резистор R6, включенный последовательно с первичной обмоткой повышаю­щего трансформатора. Тем самым ступенчато регулируют выход­ную мощность преобразователя.

Рабочая частота генератора в его пяти поддиапазонах ре­гулируется в пределах 0,6…8,5 кГц; 1,5…20 кГц; 5,3…66 кГц; A3…МО кГц; 43…>200 кГц.

Первичная обмотка трансформатора Т1, намотанная на сердечнике от трансформатора строчной развертки, имеет 40 витков диаметром 1,0 мм. Выходное напряжение преобразовате­ля на частотах ниже 5 кГц составляет 20 кВ, в области частот 50…70 кГц выходное напряжение снижается до 5… 10 /св.

Выходная мощность высокочастотного сигнала устройства может доходить до 30 Вт. В этой связи при использовании данной конструкции, например, для газоразрядной фотосъемки необхо­димо принять особые меры по ограничению выходного тока.

Вьюоковольтный генератор, рис. 12.6 [12.4], имеет более сложную конструкцию.

Его задающий генератор выполнен на операционном уси­лителе DA1 {СА3140), Для питания задающего генератора и бу­ферного каскада (микросхема DDI типа 4049) используется стабилизатор напряжения на 12 S на интегральной микросхеме DA2 типа 7812.

Предоконечный каскад на комплиментарных транзисторах VT1 и VT2 обеспечивает работу оконечного — на мощном транзи­сторе VT3.

Соотношение длительность/пауза регулируют потенциомет­ром R7, а частоту импульсов — потенциометром R4.

Частоту генерации можно изменять ступенчато — переклю­чением емкости конденсатора С1. Начальная частота генерации близка к 20 кГц.

Первичная обмотка доработанного трансформатора строч­ной развертки имеет 5… 10 витков, ее индуктивность примерно 0,5 мГн. Защита выходного транзистора от перенапряжения осуществляется включением варистора R9 параллельно этой обмотке.

Транзистор 2N2222 можно заменить на КТ3117А, КТ645; 2N3055 — на КТ819ГМ; BD135 — на КТ943А, BD136 — на КТ626А, диоды 1N4148 — на КД521, КД503 и др. Микросхему DA2 можно заменить отечественным аналогом — КР142ЕН8Б{Д); DDI — К561ТЛ1.

Следующим видом генераторов вьюоковольтного напряже­ния являются автогенераторнью преобразователи напряжения с индуктивной обратной связью.

Импульсный преобразователь с самовозбуждением выра­батывает пакеты высокочастотных высоковольтных колебаний (рис. 12.7) [12.5].

Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии    clip image014 thumb15

Рис. 12.7. Электрическая схема импульсного преобразователя напряжения с самовозбуждением

Автогенератор импульсов высокого напряжения на транзи­сторе VT1 получает*сигнал обратной связи с трансформатора Т1 и в качестве нагрузки имеет катушку зажигания Т2. Частота гене­рации — около 150 Гц. Конденсаторы С*, С2 и резистор R4 опре­деляют режим работы генератора.

Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Ш 14×18. Обмотка I состоит из 18 витков провода ПЭВ-2 0,85 мм, намотан­ных в два провода, а II — из 72 витков провода ПЭЛШО 0,3 мм.

Стабилитрон VD2 укреплен в центре дюралюминиевого ра­диатора размерами 40x40x4 мм. Этот стабилитрон можно заме­нить цепочкой мощных стабилитронов с суммарным напряжением стабилизации 150 В. Транзистор VT1 также установлен на радиа­торе размерами 50x50x4 мм.

Резонансный преобразователь напряжения с самовозбуж­дением описан в работе Е. В. Крылова (рис. 12.8). Он выполнен на высокочастотном мощном транзисторе VT1 типа КТ909А [12.6].

Трансформатор преобразователя выполнен на фторопла­стовом каркасе диаметром 12 мм с использованием ферритового стержня 150ВЧ размером 10×120 мм. Катушка L1 содержит 50 витков, L2 — 35 витков провода ЛЭШО 7×0,07 мм. Катушки низко­вольтной половины устройства имеют по одному витку провода во

Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии    clip image016 thumb10

Рис. 12.8. Схема резонансного высоковольтного генератора с трансформаторной обратной связью

фторопластовой (политетрафторэтиленовой) изоляции. Они на­мотаны поверх катушки L2.

Выходное напряжение преобразователя составляет 1,5 кВ (максимальное — 2,5 кВ). Частота преобразования — 2,5 МГц. Потребляемая мощность — 5 Вт. Выходное напряжение устройст­ва изменяется от 50 до 100% при увеличении напряжения питания с 8 до 24 В.

Конденсатором переменной емкости 04 трансформатор настраивают на резонансную частоту. Резистором R2 устанавли­вают рабочую точку транзистора, регулируют уровень положи­тельной обратной связи и форму генерируемых сигналов.

Преобразователь безопасен в работе — при низкоомной на­грузке вьюокочастотная генерация срывается.

Следующая схема вьюоковольтного источника импульсно­го напряжения с двухкаскадным преобразованием показана на рис. 12.9 [12.7]. Электрическая схема его первого каскада доста­точно традиционна и практически не отличается от рассмотрен­ных ранее конструкций.

Отличие устройства (рис. 12.9) заключается в использова­нии второго каскада повышения напряжения на трансформаторе. Это заметно повышает надежность устройства, упрощает конст­рукцию трансформаторов и обеспечивает эффективную изоля­цию между входом и выходом устройства.

Трансформатор Т1 выполнен на Ш-образном сердечнике из трансформаторной стали. Сечение сердечника составляет

Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии    clip image018 thumb10

Рис. 12.9. Схема высоковольтного преобразователя с трансфор­маторной обратной связью и двойным трансформатор­ным преобразованием напряжения

16×16 мм. Коллекторные обмотки I имеют 2×60 витков провода диаметром 1,0 мм.

Катушки обратной связи II содержат 2×14 витков провода диаметром 0,7 мм. Повышающая обмотка III трансформатора Т1, намотанная через несколько слоев межслойной изоляции, имеет 20… 130 витков провода диаметром 1,0 мм. В качестве выходного (вьюоковольтного) трансформатора использована катушка зажи­гания автомобиля на 12 или 6 В.

К генераторам вьюокого напряжения с индуктивными нако­пителями энергии следует отнести и устройства, рассмотреннью ниже.

Для получения вьюоковольтных наносекундных импульсов В. С. Белкиным и Г. И. Шульженко [12.8, 12.9] была разработана схема формирователя на дрейфовых диодах и насыщающейся индуктивностью с однотактным преобразователем, синхронизи­рованным с формирователем, а также показана возможность со­вмещения функций ключа формирователя и преобразователя.

Схема преобразователя, синхронизированного с формиро­вателем, приведена на рис. 12.10; вариант схемы формирователя с раздельными ключевыми элементами приведен на рис. 12.11, а временные диаграммы, характеризующие работу отдельных уз­лов схемы формирователя, — на рис. 12.12.

Задающий генератор прямоугольных импульсов (рис. 12.10) вырабатывает импульсы, отпирающие транзисторный ключ VT1

Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии    clip image020 thumb7

Рис. 12.10. Схема формирователя высоковольтных импульсов с общим ключом для преобразователя и формирователя

Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии    clip image022 thumb6

Рис. 12.11. Фрагмент схемы формирователя высоковольтных им­пульсов с раздельными ключами

Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии    clip image024 thumb6

Рис. 12.12. Временная диаграмма работы преобразователя

на время 1н и запирающие на время \^ (рис. 12.12). Их сумма опре­деляет период повторения импульсов. За время через дроссель L1 протекает ток I„. После запирания транзистора ток через диод VD1 заряжает накопительную емкость формирователя С1 до напряжения и^, диод VD1 закрывается и отсекает конденсатор С1 от источника питания.

В таблице 12.1 приведены данные по возможному исполь­зованию полупроводниковых приборов в формирователе вы­соковольтных импульсов. Амплитуда формируемых импульсов приведена для низкоомной нагрузки величиной 50 Ом.

Таблица 12.1. Выбор элементов для формирователей высоковольтных импульсов

Длительность им­пульса, НС

Амплитуда генерируемого импульса, В

300

500

1000

4…6

КД204, КД226 {КТ858, КТ862)

КД212

7…10

ДЛ112-25{КТ847)

ДЛ122-40 {КП953)

11…15

КД213 {КТ847)

ДЛ132-80 {КП953)

Формирователи двухполярных импульсов на основе серий­ных диодов имеют амплитуду каждой полуволны 0,2… 1 кВ для согласованной нагрузки 50…75 Ом при полной длительности им­пульса 4…30 НС и частоте повторения до 20 кГц.

Оставить комментарий