Ультразвуковой генератор

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧ ЕЖИ ХРЕСПУБЛИК 147482 А 1 4 НОЗ В 5 ТЕЛЬСТВУ ко ковсауч"Все т абилбр аз46,аво СССР 40, 198 РАТОР ул разра ьРь Ч ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМПРИ ГНКТ СССР(71) Смоленский филиап Московэнергетического института, Мокий энергетический институт ино-производственное объединенсоюзный научно-исследовательсинститут токов высокой частоты(57) Изобретение относится кзвуковой технике, а именно к ОБРЕТЕНИ ботке генераторов питания магнит стрикционных ультразвуковых излучателей. Цель изобретения - повышениенадежности работы. Ультразвуковойгенератор с коррекцией траекторийсиловых ключей содержит задакщий генератор 1, силовые ключи 2, 3, коммутирующие диоды 4, 5, источник 6 питания, источник 7 подмагничиванияи индуктивную нагрузку 8. Введениекорректирующих конденсаторов 9, 10,коммутирующих диодов 11, 12, 13 имагнитного реактора 4, выполненногов каждой из ппараллельных ветвейна первой и второй обмотках, гараллельная ветвь которого выполнена напервой, второй, третьей и четвертойобмотках, позволило обеспечить нажность работы за счет возможности ррекции положения рабочей точки вы. дной характеристики. 1 з,п, ф.-лы, 1474823Изобретение относится к ультразвуковой технике, а конкретно, кразработке генераторов питания магнитострикционйых ультразвуковых из 5лучател ей,Цель изобретения - повышение надежности работы.На,фиг. 1-4 изображены электрические принципиальные схемы устройства;на фиг. 5 и 6 - временные диаграммыработы.Ультразвуковой генератор содержитзадающий генератор 1 и выходной. каскад, выполненный по,схеме моста, в 15котором первое и второе противополож"ные плечи выполнены на соответствующем силовом ключе 2 (3), соединенном управляющим входом с задающим ге.нератором 1 третье и четвертое про1тивоположные плечи выполнены на первом и втором коммутирующих диодах4 .(5), причем первая диагональ мостаподключена к источнику 6 питания, аво вторую включены последовательносоединенные источник 7 подмагничивания и индуктивная нагрузка 8, причемкоммутирующие диоды 4 и 5 включенывстречно к источнику 6 питания, ппараллельно включенных ветвей, каждая 30,из которых содержит первый и второйкорректирующие конденсаторы 9 и 10,третий, четвертый, пятый коммутирующие диоды 11-13 и магнитный реактор,причем третье плечо моста шунтировано последовательно соединенными первым конденсатором 9 и третьим коммутирующим диодом 11, точка соединения которых подключена через последовательно соединенные первую обмотку 4014 магнитного реактора и четвертьйкоммутирующий диод 12 к точке соединения второго конденсатора 10 и пятого диода 13, шунтирующих четвертоеплечо:моста, третий, четвертьй и 45пятый диоды 11-13 включены встречнок источнику 6 питания. Магнитный реактор в каждой изипараллельных ветвей выполнен наОпервой и второй обмотках 14,. 15, и-япараплельная ветвь которого выполненана первой, второй, третьей и четвер"той сбмотках 16-19, расположенных насердечнике с нелинейной магнитнойхарактеристикой, причем все вторыеобмотки 15 и 17 параллельных ветвейвключены последовательно во вторуюдиагональ моста выходного каскада,а третья и четвертая обмотки 18 и 19и-й параллельной ветви включены всоответствующем плече выходного юста с первым и вторым коммутирующимидиодами последов ательно.Устройство работает следующим образом,Исходному состоянию схемы предшествует режим подготовки. В нем ключи 2 и 3 замкнуты и конденсаторы 9и 10 должны успеть зарядиться до напряжения источника 6 питания токомколебательного контура по цепи: источник 6, ключ 2, конденсатор 9, реактор, диод 12, конденсатор 10, ключ3 и источник 6, Напряжения междуколлекторами и эмиттерами ключей 2и 3 равны нулю. Токи их коллекторовсодержат два составляющих: линейнуюиз-за индуктивного характера нагрузки 8 и колоколообразную из-за коле"бательного характера процесса з арядаконденсаторов 9 и 10, Процесс зарядаконденсаторов 9 и 10 заканчивается вмомент смены полярности тока реактора размыканием диода 12. Длительности существования коллекторноготока должно хватать для окончанияпроцесса заряда конденсаторон 9и 10,Итак, устройство характеризуетсятем, что ключи 2 и 3 все еще замкнуты, а конденсаторы 9 и 10 заряжены каждый до напряжения питания источника 6.Рабочий режим устройства соответствует времени выключения одногоиз силовых ключей (транзисторов) 2или 3 выходного каскада ультразвукового генератора. По логике функционирования задающего генератора следом за одновременной замкнутостьюключей 2 и 3 идет процесс выключенияключа 3. Ток нагрузки 8, затягива"емый ее индуктивным характером, переключается на конденсатор 10 и протекает по цепи. "Нагрузка 8, конденса-,тор. 10, диод 13, ключ 2, источник7 и нагрузка 8, Диод 5 заперт до техпор, пока не разрядится конденсатор10 (конденсатор 9 остается заряженным). Кактолько конденсатор 10 станет не в силах удерживать диод 13открытьм, так ток нагрузки 8 переключится в диод 5, что полностью соответствует логике работы выходногокаскада ультразвукового генератора.Из изложенного ясно, что накопленнаяв конденсаторе 10 энергия поступаетполностью в нагрузку 8 при. идеальности диода 13. Положительный эффектизобретения достигается за счет за 5тягивания фронта напряжения 11(см.кэфиг. 5 а) во время размыкания силового ключа. При отсутствии в устройстве элементов 9-14, траектория 1 рабочей точки силового ключа на плоскости (Б, ) (фиг. 5 г) во время размикания выходит из области безопасной работы. Наличие этих элементовменяет траектории 1 на траекторию11. Площади под ними определяют величины динамических потерь в силовыхключах. Таким образом уменьшениеэтих потерь является положительнымэффектом изобретения,Время затягивания фронта напряжения Бэ определяется временем разрядаконденсатора 10, если, конечно, раз. мыкается кпюч 3. Так как к моментуего раэмыкания конденсатор 10 заряжен до напряжения источника 6 питания и полярности их встречны, торазность их равна нулю, С выключением ключа 3 напряжение на конденсаторе 10 уменьшается: стремясь сменить,свой знак, а напРЯжение Уэот нУлЯ 30нар аст ает.Но задающий генератор 1 в процессе изменения выходной мощности управ,ляется по ширине выходных импульсовименно за счет изменения длительности протекания коллекторного тока ключей 2 и 3, При малых длительностяхюжет оказаться, что корректирующиеконденсаторы 9 и 10 не успели зарядитъся до напряжения источника 7 питания, Тогда.в лучшем случае начинают возрастать динамические потери включах при их выключениях за счеттого, что разность напряжений источника 6 питания и конденсаторов 9 и 4510 становится ненулевой и напряжение У начинает возрастать не с нуля. А в худшем случае возможен выходтраектории ключа из области безопасной работы. Для устранения этого неже.50лательного явления можно включить параллельно и цепей так, как это пока- .зано на фиг. 2. Причем корректирующие конденсаторы 9 и 10 имеют, например, уменьшающиеся значения емкостей с ростом и. Чем меньше емкость конденсатора, тем меньше времяего заряда, а значит, шире областьизменения длительностей выходных им" пульсов задающего генератора 1. Емкости конденсаторов 9 и 1 О определяются требуемой минимально допустимойдлительностью изменяемых по шириневыходных импульсов задающего генератора 1. Для схемы, приведенной нафиг. 2, коллекторный ток ключа содержит одну линейную составляющую изза индуктивного характера нагрузки8 и и колоколообразных составляющихразличной длительности. Таким образом,в разрешенном диапазоне изменениядлительности выходных импульсов з адающего генератора 1 всегда будет хотя бы одна пара корректирующих конденсаторов, услевшая зарядиться полностью до напряжения источника 6,а значит, способная обеспечить начало формирования фронта напряженияП кэ с нуляНо схема, приведенная. на фиг, 2,обладает, всеми свэими достоинствамитолько тогда, когда диоды 4 и 5 имеют малые диффузионные емкости, т.е.выключаются очень быстро и практически не создают при замыкании ключей2 или 3 условий для протекания сквозного тока через замкнувшийся, например, ключ 2 и еще не запертыйдиод 4. При отсутствии таких диодовцели изобретения можно добиться спомощью схемы, представленной нафиг. 4.Различие схем фиг. 1 и 4 заключается в замещении однообмоточного ре"актора на многообмоточный реактор,являющийся трансформатором тока, Последний намотан на сердечнике с нелинейной магнитнойхарактеристикойи имеет вторую обмотку 17, включенную последовательно с источником 7,третья обмотка 18 включена последовательно с диодом 4, первая 16 - сдиодом 12, а четвертая 19 - с диодом5. Трансформатор тока представляетдве дополнительных возможности, Вопервых, его присутствие ограничиваеттоки в обмотках в силу связи междузначениями токов и числами витков,Во-вторых, третья и четвертаяего обмотки могут использоваться дляограничения сквозных токов,Исходному состоянию устройствапредшествует режим подготовки, прикотором ключи 2 и 3 замкнуты, конденсаторы 9 и О заряжаются до напряжения источника 6, а сердечник реактора входит в насыщение. Временная,1 Формул а изобретения диаграмма коллекторного тока(фиг. ба), Пропорциональная связь между первичными и вторичными токами реактора обеспечивает формирование не колоколообразной, а линейной добавки тока заряда конденсаторов 9 и 10. Они опять же должны успеть зарядится до напряжения питания источника 6 раньше, чем кончится управ ляющий импульс задающего генератора 1.Процесс формирования фронта напряжения П при выключении ключа 3 с помощью конденсатора 10 протекает так же,как и в схеме, изображенной на фиг, 1. Заканчивается он тоже разрядом конденсатора 10 и переключением тока нагрузки 8 на диод 5. Причем это переключение тока не сопро; 20 вождается изменением состояния сердечника реактора, поскольку и в его обмотках намагничивающая сила направления не меняет.Логика функционирования задающе б го генератора 1 обеспечивает после одновременного замыкания ключей 2 и 3 сигналы: размыкание ключа 3, потом размыкание ключа 2, снова замыкание ключа 2 и, наконец, одновременное за мыкание ключей 2 и 3. В конце процессов размыкания обоих ключей защищающие их конденсаторы 9 и 10 разряжены током нагрузки 8, который протекает по цепи: диод 4, третья обмотка 18 реактора, вторая обмотка 17 реактора, источник 7, нагрузка 8, четвертая обмотка реактора 19, диод 5, источник б и диод 4Встречное включение источников б и 7 обеспечи О вает уменьшение тока нагрузки нижеуровня его постоянной составляющей,Приходит команда на замыкание клю-, ча 2, Даже если диод 4 и накопил из, быточный заряд, сквозной ток протечь беэ ограничения не может по цепи: источник 6, ключ 2, диод 4 и источник 6, Этому препятствует третья обмотка 18 реактора. В ней намагничивающая сила меняет знак по отношению 5 О к предшествующему состоянию и сердечник реактора выходит из насыщения. Сквозной ток ограничивается связью между ним, током второй обмотки 17 и числами витков. Время восстановления диода 4 много меньше, чем время перемагничивания сердечника реактрра со стороны третьей обмотки 18. источником 6 и он не успевает перемагнититься, После запирания диода4 сердечник опять вводится в насыщение током нагрузки 8, протекающимпо цепи: ключ 2, вторая обмотка 17реактора, источник 7, нагрузка 8,четвертая обмотка 19 реактора, диод5 и ключ 2. Ток нагрузки, возрастая,стремится к постоянной составляющей.Конденсаторы 9 и 10 остаются незаряженными.При одновременном замыкании ключей 2 и 3 начинается заряд конденсаторов 9 и 10 по цепи: источник 6,ключ 2, конденсатор 9, первая обмотка 16 реактора, диод 12, конденсатор10 и ключ 3 иисточник б, Ток зарядаснова выводит сердечник реактора изнасыщения, обеспечивая конечностьвремени заряда. Окончание зарядасвидетельствует о готовности корректирующих конденсаторов к работе.В устройстве по фиг, 3, как и вустройстве по фиг. 1, укорочениедлительностей выходных импульсов задающего генератора 1 может привестик незавершенности заряда конденсаторов 9 и 10, что вызовет, как и ранее, ухудшение условий коммутациисиловых ключей 2 и 3. Для устраненияэтого явления и расширения диапазона изменения длительностей выходныхимпульсов генератора 1 южно ввестии параллельных ветвей по схеме, представленной на фиг. 4. Емкости конденсаторов 9 и 10 уменьшаются с ростом и. Сквозные токи ограничиваютсявторичными обмотками трансформатора,находящегося в той цепи, конденсаторы 9 и 10 которой раньше всех окажутся заряженными в режиме подготовки.График коллекторного тока д силового ключа в этом режимеприведен нафиг. бб,1. Ультразвуковой генератор, содер/жащий задающий генератор и выходной каскад, выполненный на схеме моста, в котором первое и второе противоположные плечи выполнены на соответст вующих силовых ключах, соединенных управлялцими входами с задающим генератором, третье и четвертое противоположные плечи выполнены на первом и втором коммутирующих диодах, причем первая диагональ моста подключена к источнику питания, а во вторую147482 3 8. включены последовательно соединенные источник подмагничивания и индуктивная нагрузка, причем коммутирукщие диоды вкпючены встречно к источнику питания, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения надежности работы, в него введены и параллельно включенных ветвей, каждая из которых содержит первый и второй ком мутирующие конденсаторы, третий, четвертый и пятый коммутирующие диоды и магнитный реактор, причем третье плечо моста шунтировано последовательно соединенными первым конденса ором и третьим коикутирунщим диодом, эочка соединения которых подключена 1Через последовательно соединенные первую обмотку магнитного реактора ичетвертый коммутирующий диод к точ ке соединения второго конденсатора и пятого диода, шунтируюших четвертое плечо юста, третий, четвертый и пятый диоды включены встречно к источнику питания.2. Генератор по и, 1, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что магнитный реактор в каждой иэ ипараллельных ветвей выполнен на первой и второй обмотках, а и-я параллельная ветвь выполнена на первой, второй, третьей и четвертой обмотках, расположенных на сердечниках с нелинейной магнитной характеристикой, причем все вторые обмотки параллельных ветвей включены последовательно во вторую диагональ моста выходного каскада, а третья и четвертая обмотки и-й параллельной ветви включены в соответствующем плече выходного моста последовательно с соответственно первым и вторым коммутирующими диодаии е1474823 Составитель В, ЧижиковТехред Л.Сердюкова ктор И,Муска ушев едактор дписно е ГКНТ ССС ельский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 10 изводственно ЗаказВНИИПИ 09/55 Тираж 880 осударственного комитета113035, Москва, Ж обретениям и открытия Раушская наб., д. 4/5