Приборы и техника эксперимента, 2021, № 3, стр. 50-54

Эффективность электроразрядных технологий, основанных на использовании последовательности мощных и коротких импульсов высокого напряжения, во многом определяется эффективностью генератора импульсов. Основной трудностью при его разработке является возможность резкого изменения электрического сопротивления нагрузки в процессе импульсного воздействия, которое может быть как штатным (обусловленным физическими принципами технологического процесса), так и аварийным. В таких условиях генератор должен сохранять работоспособность, а при штатном резком изменении сопротивления нагрузки он должен обеспечивать требуемые выходные параметры в следующем цикле коммутаций. Выполнение последнего требования является трудной задачей при достаточно высокой частоте следования импульсов.

Современное состояние транзисторной электроники определяет возможность построения таких генераторов на основе низковольтного емкостного накопителя энергии, повышающего импульсного трансформатора с большим коэффициентом трансформации и транзисторного коммутатора, позволяющего пропускать через первичную обмотку трансформатора мощные и короткие импульсы тока разряда емкостного накопителя. Малая длительность и малая амплитуда импульсов напряжения на первичной обмотке трансформатора обеспечивают ему малые габариты, даже при использовании в первичной обмотке только одного витка. При этом существенно упрощается создание надежной изоляции между обмотками трансформатора.

При резком уменьшении сопротивления нагрузки (например, в момент пробоя электроразрядного реактора) в цепь первичной обмотки трансформатора возвращается значительная часть коммутируемой энергии. Эта энергия обычно поглощается в демпфирующих резисторах или возвращается в источник питания через специальные цепи рекуперации, как, например, показано в [1–4].

На рис. 1 приведена оригинальная схема генератора [5], в которой отраженная от нагрузки энергия рекуперируется в цепь зарядки емкостного накопителя. По этой схеме был изготовлен опытный генератор, позволяющий на частоте 1 кГц коммутировать микросекундные импульсы высокого напряжения с дозированной энергией (~1 Дж).

Рис. 1.

Электрическая схема генератора. ЦУ – цепь управления, СУ – система управления, Ф – формирователь, Z – нагрузка; Т₁ – IRGPS60B120KDP (4 параллельно), Т₂ – IRGPS60B120KDP (2 параллельно); D₁ – KBPC3506, D₂, D₃ – 80APF12, D₄ – 80APF12 (2 параллельно); Тр – аморфный пермаллой 9КСР, 180 × 60 × 40 мм, w₁ = 1, w₂ = 35.

Генератор работает следующим образом. После зарядки конденсатора С₁ от сети ~220 В включается система управления СУ. Она осуществляет включение и выключение цепей управления силового транзистора Т₁ (ЦУ₁) и зарядного транзистора Т₂ (ЦУ₂). Сначала включается Т₁, а через ~200 мкс Т₂. После включения Т₂ в цепи С₁–Т₂–D₃–L–D₄–Т₁ начинает нарастать ток I_L. Он измеряется датчиком Холла в формирователе сигнала обратной связи Ф. Так как емкость конденсатора С₁ велика, то ток I_L нарастает практически линейно. В момент, когда он достигает штатного значения, Ф формирует сигнал обратной связи, поступающий в систему управления СУ, которая при этом выключает Т₂, а через 5 мкс – Т₁. В результате накопленная в индуктивности L энергия коммутируется в конденсатор С₄ и обеспечивает его зарядку до штатного напряжения 1 кВ.

Рассмотренный принцип работы генератора обеспечивает высокую стабильность напряжения зарядки конденсатора С₄, которое определяется только током через индуктивность L в момент выключения Т₂. В результате в конденсаторе С₄ накапливается энергия, которая не зависит от условий разряда С₄ и от пульсаций сетевого напряжения, но может изменяться при настройке формирователя Ф на срабатывание при другой величине I_L.

На рис. 2 приведены эпюры выходных импульсов цепей управления ЦУ₁ (импульс 1) и ЦУ₂ (импульс 2). Спад импульса 2 формируется по сигналу обратной связи с формирователя Ф. Чтобы исключить возможность нарастания тока через индуктивность L до чрезмерно большой величины в аварийном режиме (обрыв в цепи преобразователя Ф или отключение сети питания), максимальная длительность импульса 2 ограничена на уровне 400 мкс. При возникновении такого аварийного режима транзистор Т₁ не выключается, а выключается только Т₂. В результате ток I_L замыкается по цепи D₄–T₁–D₂–D₃ и медленно затухает по мере рассеивания энергии, запасенной в индуктивности L. В этих условиях система управления СУ останавливает работу генератора.

Рис. 2.

Выходные импульсы цепей ЦУ₁ (1) и ЦУ₂ (2).

Следующее включение T₁ происходит через 1 мс, что соответствует частоте 1 кГц. При этом в первичную обмотку w₁ повышающего трансформатора Тр коммутируется ток разряда конденсатора C₄ и через обмотку w₂ протекает короткий выходной ток I_Z, обеспечивающий формирование на нагрузке Z импульса высокого напряжения. В штатном режиме параметры выходной цепи генератора согласованы с сопротивлением нагрузки. При этом на нагрузке формируется униполярный импульс напряжения и конденсатор С₄ полностью разряжается.

Если при коммутации тока I_Z сопротивление Z резко уменьшается, то это приводит к существенной перезарядке конденсатора С₄. Затем он перезаряжается повторно до напряжения исходной полярности по цепи w₁–D₂–D₃–L. В процессе повторной перезарядки C₄ транзистор T₁ не выключается, поэтому в момент достижения исходной полярности напряжения на C₄ протекающий через индуктивность L ток коммутируется в цепь D₄–T₁. Так как потери энергии в этой цепи малы, то ток через индуктивность L практически не изменяется до момента включения транзистора T₂.

При включении T₂ диод D₂ выключается и конденсатор С₁ разряжается по цепи T₂–D₃–L–D₄–T₁ до момента поступления в СУ сигнала обратной связи с формирователя Ф. В момент поступления этого сигнала СУ выключает Т₁ (а затем Т₂), что обеспечивает зарядку С₄ до штатного напряжения, определяемого величиной тока, протекающего через индуктивность L.

Если при коммутации выходного тока I_Z сопротивление нагрузки становится значительно выше штатного значения, то существенно увеличивается длительность выходного импульса. Так как трансформатор Тр не может ее обеспечить, то его сердечник насыщается. После насыщения сердечника индуктивность первичной обмотки Тр резко уменьшается, что приводит к быстрой перезарядке С₄ через обмотку w₁. В дальнейшем генератор работает так же, как и в ранее описанном режиме с резким уменьшением сопротивления нагрузки. В результате обеспечивается зарядка С₄ до штатного напряжения рабочей полярности.

Осциллограммы на рис. 3 и 4 иллюстрируют работу генератора на частоте 500 Гц при использовании в качестве нагрузки Z резисторов с разной величиной сопротивления.

Рис. 3.

Осциллограммы тока через индуктивность L (I_L) и напряжения на конденсаторе С₄ (${{U}_{{{{C}_{4}}}}}$) при Z = 750 Ом (а), 10 Ом (б) и 10 кОм (в). Масштаб по вертикали: тока – 10  А/деление, напряжения – 500 В/деление; по горизонтали – 100 мкс/деление.

Рис. 4.

Осциллограммы тока ${{I}_{{{{w}_{1}}}}}$ через первичную обмотку трансформатора Тр и напряжения на нагрузке U_Z  при Z = 750 Ом (а), 10 Ом (б) и 10 кОм (в). Масштаб по вертикали: тока – 250 А/деление, напряжения – 10 кВ/деление; по горизонтали – 2 мкс/деление.

На рис. 3а, 3б, 3в приведены осциллограммы тока через индуктивность L (I_L) и напряжения на конденсаторе С₄ (${{U}_{{{{C}_{4}}}}}$) при сопротивлении нагрузки 750 Ом, 10 Ом, 10 кОм соответственно.

Как видно из осциллограмм на рис. 3, напряжение зарядки конденсатора С₄ (${{U}_{{{{C}_{4}}}}}$ = 1 кВ) практически не изменяется при существенном изменении сопротивления Z. В результате строго дозируется энергия, передаваемая в цепь нагрузки Z при следующем акте коммутации.

На рис. 4а, 4б и 4в представлены осциллограммы тока ${{I}_{{{{w}_{1}}}}}$ через первичную обмотку трансформатора Тр и напряжения на нагрузке U_Z при сопротивлении нагрузки соответственно 750 Ом, 10 Ом и 10 кОм.

Как видно из осциллограмм на рис. 4, в режиме, близком к короткому замыканию (Z = 10 Ом), напряжение на нагрузке очень мало, а амплитуда тока ${{I}_{{{{w}_{1}}}}}$ близка к 1.5 кА. В режиме, близком к “холостому ходу” (Z = 10 кОм), ток ${{I}_{{{{w}_{1}}}}}$ в первые моменты коммутации мал, а напряжение на нагрузке достигает 40 кВ. Такое высокое напряжение приводит к быстрому насыщению сердечника Тр. В результате ток ${{I}_{{{{w}_{1}}}}}$ резко нарастает, а напряжение U_Z быстро снижается. Так как в рассмотренных режимах после коммутации тока в нагрузку напряжение на конденсаторе С₄ восстанавливается до штатного значения (см. рис. 3), то величина выходной энергии генератора не изменяется.

Рассмотренное достоинство генератора очень важно при его использовании в устройствах, физические принципы работы которых предполагают резкое изменение сопротивления нагрузки.

На рис. 5 приведена функциональная схема формирователя сигнала обратной связи Ф, который определяет момент выключения транзистора Т₁. По этому сигналу происходит высокостабильный обрыв тока через индуктивный накопитель L на заданном уровне. Нестабильность по току обрыва <5%.

Рис. 5.

Схема формирователя сигналов обратной связи.

Формирователь содержит преобразователь сетевого напряжения, датчик Холла LAH 50-P и компаратор на операционных усилителях LF411, который сравнивает опорный сигнал с сигналом от датчика Холла и при их равенстве генерирует выходной сигнал в усилитель на микросхеме MIC4452. Связь с СУ осуществляется с помощью оптопередатчика HFBR-1522.

Генератор был использован в устройстве электроразрядной обработки воды для проведения биологических исследований. В экспериментах он обеспечивал формирование импульсов разрядного тока с амплитудой в несколько сотен ампер на частоте до 500 Гц.

Принцип действия рассмотренного генератора позволяет существенно повысить коммутируемую энергию, амплитуду импульсов выходного напряжения и частоту следования выходных импульсов. Коммутируемая энергия определяется энергией, накапливаемой в индуктивности L, и может быть увеличена при увеличении L или тока через L. Амплитуду выходного напряжения можно повысить при увеличении коэффициента трансформации Тр. Предельная частота генератора определяется возможностями транзисторов, которые допускают работу на частотах в десятки килогерц.