Ультразвуковой генератор

 

Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к разработке генераторов питания магнитострикционных ультразвуковых излучателей. Цель изобретения - повышение надежности работы. Ультразвуковой генератор с коррекцией траекторий силовых ключей содержит задающий генератор 1, силовые ключи 2,3, коммутирующие диоды 4, 5, источник 6 питания, источник 7 подмагничивания и индуктивную нагрузку 8. Введение корректирующих конденсаторов 9,10, коммутирующих диодов 11,12,13, и магнитного реактора 14, выполненного в каждой из N-1 параллельных ветвей на первой и второй обмотках - параллельная ветвь которого выполнена на первой, второй, третьей и четвертой обмотках, позволило обеспечить надежность работы за счет возможности коррекции положения рабочей точки выходной характеристики. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

СО1ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕ(НИХ

РЕСПУБЛИК

15д 4 Н 03 В 5/40

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСИОММ СВИДЕ П=ЛЬСТВУ

Ь.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМ

ПРИ ГНКТ СССР (21) 4211 37/24-.1 (22) 18.03.87 (46) 23.04.89. Бюп. У 15 (71) Смоленский филиап Московского энергетического института Московский энергетический институт и Научно-производственное объединение "Всесоюзный научно-исследовательский институт токов высокой частоты" (72) Б.А. Глебов, А.О.Ширяев, Б. П. Ряз анов, О.И. Б абиков и А.А. Коричев (53 ) 62 1. 37 3 (088. 8) (56) Моин В, С., Лаптев И.Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергия, 1972, с. 346, ри с. 9- 18.

Авторское свидетельство СССР

Р 1337146, кп. Н 03 В 5/40, 1986. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГЕНЕРАТОР (57) Изобретение относится к ультразвуковой технике, а именно к разра„„SU... 1474823 А1 ботке генераторов питания магнитострикционных ультразвуковых излучателей. Цель изобретения — повышение надежности работы. Ультразвуковой генератор с коррекцией траекторий силовых ключей содержит задакщий генератор 1, силовые ключи 2, 3, коммутирующие диоды 4, 5, источник 6 питания, источник 7 подмагничивания и индуктивную на груз ку 8. Введение корректирующих конденсаторов 9, 10, коммутирующих диодов 11 12, 13 и магнитно го ре актор а 4, выполненного в каждой из п-1 параллельных ветвей на первой и второй обмотках, гараллельная ветвь которого выполнена на первой, второй, третьей и четвертой обмотках, позволило обеспечить надежность работы за счет возможности коррекции положения рабочей точки выходной характеристики. 1 з. п. ф.-лы, 6 ил.

1474823

Изобретение относится к ультра| звуковой технике, а конкретно, к разработке генераторов питания магнитострикционйых ультразвуковых из5 лучател ей.

Цель изобретения - повышение надежности работы.

На. фиг. 1-4 изображены электрические принципиальные схемы устройства; на фиг. 5 и 6 — временные диаграммы работы.

Ультразвуковой генератор содержит задающий генератор 1 и выходной.каскад, выполненный по,схеме моста, в 15 котором первое и второе противополож". ные плечи выполнены на соответствующем силовом ключе 2 (3), соединенном управляющим входом с задающим генератором 1 третье и четвертое про- 20

I тивоположные плечи выполнены на первом и втором коммутирующих диодах

4 .(5), причем первая диагональ моста подключена к источнику 6 питания, а во вторую включены последовательно соединенные источник 7 подмагничивания и индуктивная нагрузка 8, причем коммутирующие диоды 4 и 5 включены встречно к источнику 6 питания, и параллельно включенных ветвей, каждая 30 ,из которых содержит первый и второй корректирующие конденсаторы 9 и 10, третий, четвертый, пятый коммутирующие диоды 11-13 и магнитный реактор, причем третье плечо моста шунтирова- 35 но последовательно соединенными первым конденсатором 9 и третьим коммутирующим диодом 11, точка соединения которых подключена через последовательно соединенные первую обмотку 40

14 магнитного реактора и четвертьй коммутирующий диод 12 к точке соединения второго конденсатора 10 и пя.— того диода 1 3, шунтирующих четвертое плечо:моста, третий, четвертьй и 45 пятый диоды 11-13 включены встречно к источнику 6 питания.

Магнитный реакто р в каждой из и-1 параллельных ветвей выполнен на

>О первой и второй обмотках 14,: 15, п-я параплельная ветвь которого выполнена на первой, второй, третьей и четвертой сбмотках 16- 19, расположенных на сердечнике с нелинейной магнитной характеристикой, причем все вторые обмотки 15 и 17 параллельных ветвей включены последовательно во вторую диагональ моста выходного каскада, а третья и четвертая обмотки 18 и 19 и-й параллельной ветви включены в соответствующем плече выходного мэста с первым и вторым коммутирующими диодами последов ательно.

Устройство работает следующим образом, Исходному состоянию схемы предшествует режим подготовки. В нем ключи 2 и 3 замкнуты и конденсаторы 9 и 10 должны успеть зарядиться до напряжения источника 6 питания током колебательного контура по цепи: источник 6, ключ 2, конденсатор 9, реактор, диод 12, конденсатор 10, ключ

3 и источник 6. Напряжения между коллекторами и эмиттерами ключей 2 и 3 равны нулю. Токи их коллекторов содержат два составляющих. линейную из-за индуктивного характера нагрузки 8 и колоколообразную из-sa колебательного характера процесса з аряда конденсаторов 9 и 10. Процесс заряда конденсаторов 9 и 10 заканчивается в момент смены полярности тока реактора размыканием диода 12. Длительности существования коллекторного тока должно хватать для окончания процесса заряда конденсаторон 9 и 10.

Итак, устройство характеризуется тем, 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 одного из силовых ключей (транзисторов) 2 или 3 выходного каскада ультразвукового генератора. По логике функционирования задающего генератора следом за одновременной замкнутостью ключей 2 и 3 идет процесс выключения ключа 3. Ток нагрузки 8, затягиваемый ее индуктивным характером, переключается на конденсатор 10 и протекает по цепи. "нагрузка 8, конденса-.

Тор 10, диод 1 3, ключ 2, источник

7 и нагрузка 8, Диод 5 заперт до тех пор, пока не разрядится конденсатор

)0 (конденсатор 9 остается заряженным). Как только конденсатор 10 станет не в силах удерживать диод 13 открытьм, так ток нагрузки 8 переключится в диод 5, что полностью соответствует логике работы выходного каскада ультразвукового генератора.

Из изложенного ясно, что накопленная

1474823 в конденсаторе 10 энергия поступает полностью в нагрузку 8 при. идеапьности диода 13. Положительный эффект изобретения достигается за счет за5 тягивания фронта напряжения U„(cM. кэ фиг. 5а) во время размыкания силового ключа. При отсутствии в устройстве элементов 9-14, траектория I рабочей точки силового ключа на плос- 10 ко сти i „(U ) (фиг., 5 г) во время р азмикания выходит из области безопасной работы. Наличие этих элементов меняет траектории I на траекторию

П. Площади под ними определяют ве- 15 личины динамических потерь в силовых ключах. Таким образом уменьшение этих потерь является положительным эффектом изобретения.

Время затягивания фронта напряже- 20 ния U„ onðåäåëÿåòñÿ временем разряда конденсатора IO если, конечно, раз. мыкается кпюч 3. Так как к моменту его размыкания конденсатор 10 заряжен до напряжения источника 6 пита- 25 ния и полярности их встречны, то разность их равна нулю. С выключением ключа 3 напряжение на конденсаторе 10 уменьшается: стремясь сменить, свой знак, а напряжение U„ oò нуля 30 нарастает.

Но задающий генератор 1 в процессе изменения выходной мощности управ,ляется по ширине выходных импульсов

t именно за счет изменения длительнос- 35 ти протекания коллекторного тока ключей 2 и 3. При малых длительностях манжет оказ ать ся, что корректирующие конденсаторы 9 и 10 не успели зарядитъся до напряжения источника 7 пи- 4р тания, Тогда -в лучшем случае начинают возрастать динамические потери в ключах при их выключениях за счет того, что разность напряжений источника 6 питания и конденсаторов 9 и 45

10 становится ненулевой и напряжение U начинает возрастать не с нуля. А в худшем случае возможен выход тр аектории ключ а из обл асти без on асной работы. Для устранения этого неже-50 лательного 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 время его заряда, а значит, шире область изменения длительностей выходных им" пульсов з адающего генератор а I . Е икости конденсаторов 9 и IO определяются требуемой минимально допустим>й длительностью изменяемых по ширине выходных импульсов з адающего генератора 1. Для схемы, приведенной на фиг. 2, коллекторнь и ток ключа содержит одну линейную составляющую изза индуктивного характера нагрузки

8 и и колоколообразных составляющих различной длительности. Таким образом, в разрешенном диапазоне изменения длительности 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 напряжения

UKýc HyJlstHo схема, приведенная.на фиг. 2, обладает. всеми свэими достоинствами только тогда, когда диоды 4 и 5 имеют малые диффузионные емкости, т.е. выключаются очень быстро и практически не создают при замыкании ключей

2 или 3 условий для протекания сквозного тока через замкнувшийся, например, ключ 2 и еще не запертый диод 4. При отсутствии таких диодов цели изобретения можно добиться с помощью схемы, представленной на фиг. 4.

Различие схем фиг. 1 и 4 заключается в замещении однообмоточного реактора на многообмоточный реактор, являющийся трансформатором тока. Последний намотан на сердечнике с нелинейной магнитной характеристикой и имеет вторую обмотку 17, включенную последовательно с источником 7, третья обмотка 18 включена последовательно с диодом 4, первая 16 — с диодом 12, а четвертая 19 — с диодом

5. Трансформатор тока представляет две дополнительных возможности. Вопервых, его присутствие ограничивает токи в обмотках в силу связи между значениями токов и числами витков, Во-вторых, третья и четвертая его обмотки могут использоваться для ограничения сквозных токов.

Исходному состоянию устройства предшествует режим подготовки, при котором ключи 2 и 3 замкнуты, конденсаторы 9 и IO заряжаются до напря жения источника 6, а сердечник реактора входит в насыщение. Временная

1474823 диаграмма коллекторного тока i„„ (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-10 ляющий импульс задающего генератора 1.

Процесс формирования фронта напряжения 11„ 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; 2р вождается изменением состояния сердечника реактора, поскольку и в его обмотках намагничивающая сила направления не меняет.

Логика функционирования з адающе- 25 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- ЗО 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 ре актор а, источник 7, нагруз ка 8, четвертая обмотка реактора 19, диод

5, источник б и диод 4, Встречное включение источников б и 7 обеспечи- 4О вает уменьшение тока нагрузки ниже уровня 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 ВО 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 18источником 6 и он не успевает перемагнититься. После запирания диода

4 сердечник опять вводится в насыщение током нагрузки 8, протекающим по цепи. ключ 2, вторая обмотка 17 реактора, источник 7, нагрузка 8, четвертая обмотка 19 реактора, диод

5 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, конденсатор

10 и ключ 3 иисточник 6. Ток заряда снова выводит сердечник реактора из насыщения, обеспечивая конечность времени з аряда. Окончание заряда свидетельствует о готовности корректирующих конденсаторов к работе.

В устройстве по фиг. 3, как и в устройстве по фиг. 1, укорочение дпительностей выходных импульсов задающего генератора 1 может привести к незавершенности заряда конденсаторов 9 и 10, что вызовет, как и ранее, ухудшение условий коммутации силовых ключей 2 и 3. Дпя устранения этого явления и расширения диапазона изменения длительностей выходных импульсов генератора 1 можно ввести и параплельных ветвей по схеме, представленной на фиг. 4. Емкости конденсаторов 9 и 10 уменьшаются с ростом и. Сквозные токи ограничиваются вторичными обмотками трансформатора, находящегося в той цепи, конденсаторы 9 и 10 которой раньше всех окажутся заряженными в режиме подготовки.

График коллекторного тока i„> силового ключа в этом режиме приведен на фиг. бб., Формул а изобретения

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 вторую

1474823 включены последовательно соединенные источник подмагничивания и индуктивная нагрузка, причем коммутирунщие диоды вкпючены встречно к источнику питания, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы, в него введены и параллельно включенных ветвей, каждая из которых содержит первый и второй ком- 10 мутирующие конденсаторы, третий, четвертый и пятый коммутирующие диоды и магнитный реактор, причем третье плечо моста шунтировано последовательно соединенными первым конденса- 15 ором и третьим кожутирунщим диодом, точка соединения которых подключена

1.

Через последовательно соединенные первую обмотку магнитного реактора и ! четвертый коммутирующий диод к точ- 20 ке соединения второго конденсатора и пятого диода, шунтируюших четвертое плечо бюста, третий, четвертый и пятый диоды включены встречно к источнику питания.

2. Генератор по и, 1, о т л и— ч а ю шийся тем, что магнитный реактор в каждой иэ и-1 параллельных 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 е

1474823

79 г

Составитель В, Чижиков

Редактор С, Патрушева Техред Л. Сердюкова Корректор И.Муска

Заказ 1909/55 Тираж 880 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, r, Ужгород, ул. Гагарина, 1

It 11 н 101