Эл схема генератора прямоугольных импульсов. Расчет генераторов импульсов

Генераторы импульсов используют во многих радиотехнических устройствах (электронных счетчиках, реле времени), применяют при настройке цифровой техники. Диапазон частот таких генераторов может быть от единиц герц до многих мегагерц. Здесь приводятся простые схемы генераторов, в том числе на элементах цифровой «логики», которые широко используются в более сложных схемах как частотозадающие узлы, переключатели, источники образцовых сигналов и звуков.

На рис. 1 приведена схема генератора, который формирует одиночные импульсы прямоугольной формы при нажатии кнопки S1 (то есть он не является автогенератором, схемы которых приводятся далее). На логических элементах DD1.1 и DD1.2 собран RS-триггер, предотвращающий проникновение импульсов дребезга контактов кнопки на пересчетное устройство. В положении контактов кнопки S1, показанном на схеме, на выходе 1 будет напряжение высокого уровня, на выходе 2 - напряжение низкого уровня; при нажатой кнопке - наоборот. Этот генератор удобно использовать при проверке работоспособности различных счетчиков.

На рис. 2 показана схема простейшего генератора импульсов на электромагнитном реле. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1 и реле срабатывает, отключая источник питания контактами К 1.1. Но реле отпускает не сразу, поскольку некоторое время через его обмотку будет протекать ток за счет энергии, накопленной конденсатором С1. Когда контакты К 1.1 опять замкнутся, снова начнет заряжаться конденсатор - цикл повторяется.

Частота переключении электромагнитного реле зависит от его параметров, а также номиналов конденсатора С1 и резистора R1. При использовании реле РЭС-15 (паспорт РС4.591.004) переключение происходит примерно один раз в секунду. Такой генератор можно использовать, например, для коммутации гирлянд на новогодней елке, для получения других световых эффектов. Его недостаток - необходимость использования конденсатора значительной емкости.

На рис. 3 приведена схема еще одного генератора на электромагнитном реле, принцип работы которого аналогичен предыдущему генератору, но обеспечивает частоту импульсов 1 Гц при емкости конденсатора в 10 раз меньшей. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Спустя некоторое время откроется стабилитрон VD1 и сработает реле К1. Конденсатор начнет разряжаться через резистор R2 и входное сопротивление составного транзистора VT1VT2. Вскоре реле отпустит и начнется новый цикл работы генератора. Включение транзисторов VT1 и VT2 по схеме составного транзистора повышает входное сопротивление каскада. Реле К 1 может быть таким же, как и в предыдущем устройстве. Но можно использовать РЭС-9 (паспорт РС4.524.201) или любое другое реле, срабатывающее при напряжении 15...17 В и токе 20...50 мА.

В генераторе импульсов, схема которого приведена на рис. 4, использованы логические элементы микросхемы DD1 и полевой транзистор VT1. При изменении номиналов конденсатора С1 и резисторов R2 и R3 генерируются импульсы частотой от 0,1 Гц до 1 МГц. Такой широкий диапазон получен благодаря использованию полевого транзистора, что позволило применить резисторы R2 и R3 сопротивлением в несколько мегаом. С помощью этих резисторов можно изменять скважность импульсов: резистор R2 задает длительность напряжения высокого уровня на выходе генератора, а резистор R3 - длительность напряжения низкого уровня. Максимальная емкость конденсатора С1 зависит от его собственного тока утечки. В данном случае она составляет 1...2 мкФ. Сопротивления резисторов R2, R3 - 10...15 МОм. Транзистор VT1 может быть любым из серий КП302, КП303. Микросхема - К155ЛА3, ее питание составляет 5В стабилизированного напряжения. Можно использовать КМОП микросхемы серий К561, К564, К176, питание которых лежит в пределах 3 … 12 В, цоколевка таких микросхем другая и показана в конце статьи.

При наличии микросхемы КМОП (серия К176, К561) можно собрать широкодиапазонный генератор импульсов без применения полевого транзистора. Схема приведена на рис. 5. Для удобства установки частоты емкость конденсатора времязадающей цепи изменяют переключателем S1. Диапазон частот, формируемых генератором, составляет 1...10 000 Гц. Микросхема - К561ЛН2.

Если нужна высокая стабильность генерируемой частоты, то такой генератор можно сделать «кварцованным» - включить кварцевый резонатор на нужную частоту. Ниже показан пример кварцованного генератора на частоту 4,3 МГц:

На рис. 6 представлена схема генератора импульсов с регулируемой скважностью.

Скважность – отношение периода следования импульсов (Т) к их длительности (t):

Скважность импульсов высокого уровня на выходе логического элемента DD1.3, резистором R1 может изменяться от 1 до нескольких тысяч. При этом частота импульсов также незначительно изменяется. Транзистор VT1, работающий в ключевом режиме, усиливает импульсы по мощности.

Генератор, схема которого приведена на рисунке ниже, вырабатывает импульсы как прямоугольной, так и пилообразной формы. Задающий генератор выполнен на логических элементах DD 1.1-DD1.3. На конденсаторе С2 и резисторе R2 собрана дифференцирующая цепь, благодаря которой на выходе логического элемента DD1.5 формируются короткие положительные импульсы (длительностью около 1 мкс). На полевом транзисторе VT2 и переменном резисторе R4 выполнен регулируемый стабилизатор тока. Этот ток заряжает конденсатор С3, и напряжение на нем линейно возрастает. В момент поступления на базу транзистора VT1 короткого положительного импульса транзистор VT1 открывается, разряжая конденсатор СЗ. На его обкладках таким образом формируется пилообразное напряжение. Резистором R4 регулируют ток зарядки конденсатора и, следовательно, крутизну нарастания пилообразного напряжения и его амплитуду. Конденсаторы С1 и СЗ подбирают исходя из требуемой частоты импульсов. Микросхема - К561ЛН2.

Цифровые микросхемы в генераторах взаимозаменяемы в большинстве случаев и можно использовать в одной и той же схеме как микросхемы с элементами «И-НЕ», так и «ИЛИ-НЕ», или же просто инверторы. Вариант таких замен показан на примере рисунка 5, где была использована микросхема с инверторами К561ЛН2. Точно такую схему с сохранением всех параметров можно собрать и на К561ЛА7, и на К561ЛЕ5 (или серий К176, К564, К164), как показано ниже. Нужно только соблюдать цоколевку микросхем, которая во многих случаях даже совпадает.

Генератор импульсов тока (ГИТ) предназначен для формиро­вания многократно повторяющихся импульсов тока, воспроизво­дящих электрогидравлический эффект. Принципиальные схемы ГИТ были предложены еще в 1950-х годах и за истекшие годы не претерпели существенных изменений, однако значитель­но усовершенствовались их комплектующее оборудование и уро­вень автоматизации. Современные ГИТ предназначены для работы в широком диапазоне напряжения (5-100 кВ), емкости конден­сатора (0,1 -10000 мкФ), запасенной энергии накопителя (10-106 Дж), частоты следования импульсов (0,1 -100 Гц).

Приведенные параметры охватывают большую часть режимов, в которых работают электрогидравлические установки различного назначения.

Выбор схемы ГИТ определяется в соответствии с назначением конкретных электрогидравлических устройств. Каждая схема ге­нератора включает в себя следующие основные блоки: блок питания - трансформатор с выпрямителем; накопитель энер­гии - конденсатор; коммутирующее устройство - формирующий (воздушный) промежуток; нагрузка - рабочий искровой про­межуток. Кроме того, схемы ГИТ включают в себя токоограни­чивающий элемент (это может быть сопротивление, емкость, индуктивность или их комбинированные сочетания). В схемах ГИТ может быть несколько формирующих и рабочих искровых про­межутков и накопителей энергии. Питание ГИТ осуществляется, как правило, от сети переменного тока промышленной частоты и напряжения.

ГИТ работает следующим образом. Электрическая энергия через токоограничивающий элемент и блок питания поступает в накопитель энергии - конденсатор. Запасенная в конденсаторе энергия с помощью коммутирующего устройства - воздушного формирующего промежутка - импульсно передается на рабочий промежуток в жидкости (или другой среде), на котором происхо­дит выделение электрической энергии накопителя, в результате чего возникает электрогидравлический удар. При этом форма и длительность импульса тока, проходящего по разрядной цепи ГИТ, зависят как от параметров зарядного контура, так и от па­раметров разрядного контура, включая и рабочий искровой про­межуток. Если для одиночных импульсов специальных ГИТ пара­метры цепи зарядного контура (блока питания) не оказывают существенного влияния на общие энергет-ические показатели электрогидравлических установок различного назначения, то в промышленных ГИТ КПД зарядного контура существенно влияет на КПД электрогидравлической установки.

Использование в схемах ГИТ реактивных токоограничивающих элементов обусловлено их свойством накапливать и затем отдавать энергию в электрическую цепь, что в конечном счете повы­шает КПД.

Электрический КПД зарядного контура простой и надежной в эксплуатации схе{ды ГИТ с ограничивающим активным зарядным сопротивлением (рис. 3.1, а) весьма низок (30-35 %), так как заряд конденсаторов осуществляется в ней пульсирующими напря­жением и током. Введением в схему специальных регуляторов напряжения (магнитного усилителя, дросселя насыщения) можно добиться линейного изменения вольт-амперной характеристики заряда емкостного накопителя и тем самым создать условия, при которых потери энергии в зарядной цепи будут минимальны, а общий КПД ГИТ может быть доведен до 90 % .

Для увеличения общей мощности при использовании простей­шей схемы ГИТ кроме возможного применения более мощного трансформатора целесообразно иногда использовать ГИТ, имеющий три однофазных трансформатора, первичные цепи ко­торых соединены «звездой» или «треугольником» и питаются от трехфазной сети. Напряжение с их вторичных обмоток подается на отдельные конденсаторы, которые работают через вращающий­ся формирующий -промежуток на один общий рабочий искровой промежуток в жидкости (рис. 3.1, б) [-|] . .4

При проектировании и разработке ГИТ электрогидравлических установок значительный интерес представляет использование резонансного режима заряда емкостного накопителя от источника переменного тока без выпрямителя. ОбгЦий электрический КПД резонансных схем очень высок (до 95 %), а при их использова­нии происходит автоматическое значительное повышение рабо­чего напряжения. Резонансные схемы целесообразно использо­вать при работе на больших частотах (до 100 Гц), но для этого требуются специальные конденсаторы, предназначенные для работы на переменном токе. При использовании этих схем необходимо соблюдать известное условие резонанса

Ш = 1 /л[ГС,

Где со-частота вынуждающей ЭДС; Ь-индуктивность контура; С- емкость контура.

Однофазный резонансный ГИТ (рис. 3.1, в) может иметь общий электрический КПД, превышающий 90%. ГИТ позволяет получать стабильную частоту чередования разрядов, оптимально равную либо однократной, либо двукратной частоте питающего тока (т. е. 50 и 100 Гц соответственно) при питании током про­мышленной частоты. Применение схемы наиболее рационально (. при мощности питающего трансформатора 15-30 кВт. В разряд­ный контур схемы вводится синхронизатор - воздушный форми­рующий промежуток, между шарами которого расположен вра-

Щающийся диск с контактом, вызывающим срабатывание форми­рующего промежутка при проходе контакта между шарами. При этом вращение диска синхронизируется с моментами пиков напряжения .

Схема трехфазного резонансного ГИТ (рис. 3.1,г) включает" в себя трехфазный повышающий трансформатор, каждая обмотка на высокой стороне которого работает как однофазная резонан­сная схема н^ один общий для всех или на три самостоятель­ных рабочих искровых промежутка при общем синхронизаторе на три формирующих промежутка. Эта схема позволяет получать частоту чередования разрядов, равную трехкратной или шести­кратной частоте питающего тока (т. е. 150 или 300 Гц соответ­ственно) при работе на промышленной частоте. Схема рекомен­дуется для работы на мощностях ГИТ 50 кВт и более. Трехфазная схема ГИТ экономичнее, так как время зарядки емкостного на­копителя (той же мощности) меньше, чем при использовании одно­фазной схемы ГИТ. Однако дальнейшее увеличение мощности выпрямителя будет целесообразно" только до определенного предела .

Повысить экономичность процесса заряда емкостного накопи­теля ГИТ можно путем использования различных схем с фильтро­вой емкостью. Схема ГИТ с фильтровой емкостью и индуктив­ной зарядной цепью рабочей емкости (рис. 3.1, (3) позволяет по­лучать, практически любую частоту чередования импульсов при работе на небольших (до 0,1 ^мкФ) емкостях и имеет общий электрический КПД - около 85 %. Это достигается тем, что филь­тровая емкость работает в режиме неполной разрядки (до 20 %), а рабочая емкость заряжается через индуктивную цепь - дрос­сель с малым активным сопротивлением - в течение одного полу- периода в колебательном режиме, задаваемым вращением диска на первом формирующем. промежутке. При этом фильтровая емкость превышает рабочую в 15-20 раз .

Вращающиеся диски формирующих искровых промежутков сидят на одном валу и поэтому частоту чередования разрядов можно варьировать в очень широких пределах, максимально огра­ниченных лишь мощностью питающего трансформатора. В этой схеме могут быть использованы трансформаторы на 35-50 кВ, так как она удваивает напряжение. Схема может подсоединяться и непосредственно к высоковольтной сети.

В схеме ГИТ с фильтровой емкостью (рис. 3.1, е) поочередное подсоединение рабочей и фильтровой емкостей к рабочему искро­вому промежутку в жидкости осуществляется при помощи одного вращающегося разрядника - формирующего промежутка . Однако при работе такого ГИТ срабатывание вращающегося разрядника начинается при меньшем напряжении (при сближении шаров) и заканчивается при большем (при удалении. шаров), чем это задано минимальным расстоянием между шарами раз­рядников. Это приводит к нестабильности основного параметра

Разрядов-.напряжения, а следовательно, к снижению надеж­ности работы генератора.

Для повышения надежности работы ГИТ путем обеспечения заданной стабильности параметров разрядов в схему ГИТ с фильт­ровой емкостью включают вращающееся коммутирующее устрой­ство - диск со скользящими контактами для поочередного пред­варительного бестокового включения и выключения зарядного и разрядного контуров.

При подаче напряжения на з"арядный контур генератора пер­воначально заряжается фильтровая емкость. Затем вращающимся контактом без тока (а значит, и без искрения) замыкается цепь, на шарах формирующего разрядника возникает разность потен­циалов, происходит пробой и рабочий конденсатор заряжается до напряжения фильтровой емкости. После этого ток в цепи ис­чезает и контакты вращением диска размыкаются вновь без искрения. Далее вращающимся диском (также без тока и искре­ния) замыкаются контакты разрядного контура и напряжение рабочего конденсатора подается на формирующий разряднйк, происходит его пробой, а также пробой рабочего искрового про­межутка в жидкости. При этом рабочий конденсатор разряжается, ток в разрядном контуре прекращается и, следовательно, контак­ты вращением диска могут быть разомкнуты вновь без разрушаю­щего их искрения. Далее цикл повторяется с частотой следования разрядов, задаваемой частотой вращения диска коммутирующего устройства.

Использование ГИТ этого типа позволяет получать стабильные параметры неподвижных шаровых разрядников и осуществлять замыкание и размыкание цепей зарядного и разрядного контуров в бестоковом режиме, тем самым улучшая все показатели и надеж­ность работы генератора силовой установки.

Была разработана также схема питания электрогидравли - ческих установок, позволяющая наиболее рационально исполь­зовать электрическую энергию (с минимумом возможных потерь). В известных электрогидравлических устройствах рабочая камера заземлена и поэтому часть энергии после пробоя рабочего искрового промежутка в жидкости практически теряется, рас­сеиваясь на заземлении. Кроме того, при каждом разряде рабочего конденсатора на его обкладках сохраняется небольшой (до 10 % от первоначального) заряд.

Опыт показал, что любое электрогидравлическое устройство может эффективно работать по схеме, в которой энергия, запасен­ная на одном конденсаторе С1, пройдя через формирующий про­межуток ФП, поступает на рабочий искровой промежуток РП, где в большей своей части расходуется на совершение полезной работы электрогидравлического удара. Оставшаяся неизрас­ходованной энергия поступает на второй незаряженный конденса­тор С2, где и сохраняется для последующего использования (рис. 3.2). После этого энергия дозаряженного до требуемого
значения потенциала второго конденса­тора С2, пройдя через формирующий про­межуток ФП, разряжается на_ рабочий искровой промежуток РП и вновь неис­пользованная часть ее попадает теперь уже на первый конденсатор СУ и т. д.

Поочередное подсоединение каждого из конденсаторов то в зарядную, то в раз­рядную цепь производится переключате­лем /7, в котором токопроводящие пласти­ны А и В, разделенные диэлектриком, по­очередно подсоединяются к контактам 1-4 зарядного и разрядного контуров.

Генератор импульсных токов (ГИТ) предназначен для первичного преобразования электрической энергии. Включает элек­трическую сеть переменного тока частотой 50 Гц, высоковольтный трансформатор, выпрямитель, токоограничивающее устройство, аппа­ратуру защиты. В ГИТе выделяют зарядный и разрядный контуры, которые связаны между собой батареей конденсаторов. ГИТ, являю­щийся источником питания, связан с технологическим блоком через разрядный контур.

Импульсные генераторы характеризуются следую­щими основными параметрами: напряжением на батарее конденсаторов U, электрической емкостью батареи С, накопленной в конденсаторах энергией W н, энергией в импульсе W 0 частотой следования импульсов υ.

Назначение зарядного контура - заряжание батареи конденсаторов до заданного напряжения. Контур включает токоограничивающее устройство, повышающий трансформаторе и высоковольтный выпрямитель. Для выпрямления зарядного тока применяют селеновые или кремниевые столбы. Высоковольтным трансформатором исходное напряжение питающей сети 380/220 В повышается до (2-70) 10 3 В.

В схеме L - С – D имеем ή 3 > 50 %.

При применении генераторов импульсных токов значительны поте­ри энергии на стадии формирования разряда. Этого недостатка лишена распространенная система, в которой сочетаются генераторы импульсных токов и напряжения (рис. 30). В этой системе пробой формирующего промежутка производится за счет энергии конденсаторной батареи генератора напряжения, что создает токопроводящий канал в основном рабочем промежутке и обеспечивает выделение основной энергии разря­да в разрядном промежутке генератора импульсных токов.

Характерное для такой системы соотношение электрических напряжений и ем­костей составляет: » при где индекс 1 соответствует генератору напряжений, а индекс 2 - генератору токов. Так, к примеру

Энергетические и массогабаритные показатели генератора существенно зависят от высоковольтного трансформатора и выпрямителя. Коэффициент полезного действия зарядно-выпрямительного устройства повышается при применении высоковольтных кремниевых столбов. Выпрямители имеют высокие характеристические показатели - удельный

объем от 0,03 до 0,28 м 3 /кВт и удельную массу 25-151 кг/кВт.

В электроимпульсных установках применяются также единые бло­ки, включающие трансформатор и выпрямитель, что уменьшает основ­ные размеры и упрощает коммутационную сеть.

Импульсные конденсаторы предназначены для накоп­ления электрической энергии. Высоковольтные импульсные конден­саторы должны обладать повышенной удельной энергоемкостью, малой внутренней индуктивностью и малым сопротивлением при больших токах разряда, способностью выдерживать многократные циклы заряд-разряд. Основные технические данные импульсных конденсаторов при­ведены ниже.

Напряжение (номинальное), кВ...................................5-50

Емкость (номинальная), мкФ. . ...................................0,5-800

Частота разряда, число импульсов/мин.......................1-780

Ток разряда, кА...............................................................0,5-300

Энергоемкость, Дж/кг....................................................4,3-30

Ресурс, число импульсов...............................................10 э - 3 10 7

Одной из основных характеристик импульсных конденсаторов, влияющей на размеры батареи и электроимпульсной установки в целом, является показатель удельной объемной энергоемкости

(3.23)

где Е н - накапливаемая энергия; V к - объем конденсатора.

Для существующих конденсаторов ω с = 20 -г 70 кДж/м 3 , что оп­ределяет повышенные размеры накопителей. Так объем батареи для Е н = 100 кДж составляет 1,5-5,0 м 3 . В накопителях установок кон­денсаторы соединяют в батареи, что обеспечивает суммирование их электрической емкости, которая равна 100-8000 мкФ.

Высоковольтные коммутаторы применяются для мгновенного выделения в технологическом узле электрической энергии, накопленной в батарее конденсаторов. Высоковольтные коммутаторы (разрядники)" выполняют две функции: отключают разрядную цепь

от накопителя при его заряжании; мгновенно включают накопитель в цепь нагрузки.

Возможны различные конструктивные схемы разрядников и соот­ветствующие этим схемам типы коммутаторов: воздушные, вакуум­ные, газонаполненные, контактные тарельчатые, игнитронные и тригатронные, с твердым диэлектриком.

Основные требования к коммутаторам следующие - выдерживать высоковольтное рабочее напряжение без пробоя, иметь малую индук­тивность и малое сопротивление, обеспечивать заданную частоту сле­дования импульса тока.

В лабораторных электроимпульсных установках применяются преимущественно разрядники воздушного типа, обеспечивающие ком­мутацию больших энергий при длительном сроке эксплуатации и имею­щие сравнительно простую конструктивную схему (рис. 31).

Разряд­ники этого типа имеют ряд существенных недостатков, ограничиваю­щих их применение: влияние состояния поверхности и состояния ат­мосферного воздуха (запыленности, влажности, давления) на стабиль­ность воспроизводимого импульса; образуются оксиды азота, оказы­вающие воздействие на человека; образуется мощное высокочастот­ное звуковое давление.

В промышленных передвижных установках распространение полу­чили механические тарельчатые коммутаторы (см. рис. 31, а). Разряд­ники этого типа просты по электрической схеме и конструктивному ис­полнению, надежны при транспортировке и работе на участках с пе­ресеченным рельефом, но требуют регулярной очистки поверхности тарельчатых элементов. I

В состав электроимпульсной установки входят также блоки управ­ления импульсным генератором и технологическим процессом, системы защиты и блокировок, вспомогательные системы, обеспечивающие ме­ханизацию и автоматизацию процессов в технологическом узле.

Блок управления включает электрические схемы запуска, блоки­ровки и схему формирования импульса синхронизации.

Система блокировки служит для «мгновенного отключения вы­соковольтного напряжения. Система контроля состоит из вольтметра и киповольтметра, указывающих соответственно напряжение сети и на батарее конденсаторов, из индикаторных ламп, звуковых сигналов, а также частотомера.

Технологический узел

Технологический узел предназначен для преобразования электри­ческой энергии в другие виды энергии и для передачи преобразованной энергии на объект обработки.

Применительно к специфике разрядно-импульсной технологии разрушения горных пород технологический узел включает: рабочую разрядную камеру, рабочий орган в виде элек­тродной системы или электрогидравлического взрывателя, устрой­ство для впуска и выпуска рабочей жидкости и устройство перемеще­ния электродов или взрывающегося проводника (рис. 32). Рабочая разрядная камера заполняется рабочей жидкостью или специальным диэлектрическим составом.

Разрядные (рабочие) камеры делят на открытые и закрытые, заглубленные и поверхностные, стационарные, перемешаю­щиеся и выносные. Камеры могут быть одноразовые и многоразовые; вертикальные, горизонтальные и наклонные. Тип и форма рабочей ка­меры должны обеспечивать максимальное выделение накопленной элек­трической энергии, максимальный к л.д. преобразования этой энергии в механическую, передачу этой энергии на объект обработки или в заданную его зону.

Рабочий технологический орган предназначен для непосредственного преобразования электрической энергии в механичес­кую и для ввода этой энергии в рабочую среду, а через нее - на объект обработки. Тип рабочего органа зависит от используемой в данном тех­нологическом процессе разновидности электрического разряда в жид­кости - при свободном формировании разряда рациональны электрод­ные системы (рис. 33, а); при инициируемом разряде - электрогид­равлический взрыватель с взрывающимся проводником (рис. 33,6).

Рабочий орган испытывает динамические нагрузки, действие элек­тромагнитного поля и ультрафиолетовых излучений, а также влияние рабочей жидкости.

Электродная система применяется при свободном формировании разряда. По конструктивному фактору выделяют стержневые линей­ные и коаксиальные системы. Наиболее просты по исполнению линей­ные (противостоящие или параллельные) системы с сочетаниями форм электродов острие - острие и острие - плоскость. Недостатками ли­нейных систем являются их значительная индуктивность (1-10 мкГн) и ненаправленность действия.

Более совершенны коаксиальные сис­темы, имеющие малую собственную индуктивность и большой к.п.д. преобразования накопленной электрической энергии в энергию плаз­мы. Недостаток коаксиальных систем - их малая надежность и недол­говечность. Электродная система является технологичной и высоко­производительной за счет высокой частоты процесса создания механи­ческих нагружающих усилий.

По числу повторных разрядов выделяют системы разового и мно­гократного действия. Более экономичны и производительны системы многократного действия. Величина энергии, преобразуемой электродной системой, также влияет на конструктивное исполнение и долговечность.

В горной промышленности большее применение получили электродные системы, рассчитанные на с часто­той следования импульсов 1-12 в минуту. При электрическом разря­де из-за тепловых процессов происходит эрозия электродов, интенсив­ность которой зависит от материала электродов и рабочей жидкости, а также от количества энергии, выделяющейся в

канале разряда. Ра­бочая часть электродов изготавливается из стали Ст3 или Ст45; диа­метр выступающей части должен быть более 8 мм при длине не менее 12 мм. В зоне электрода температура плавления железа достигается за 10 -6 с, а температура кипения за 5 10 -6 с.

Вызванное этим интенсивное разрушение электрода сопровождается образованием плазменных струй (паров и жидких капель металла). Ослабленной зоной электрода являет­ся изоляционный слой на границе выхода стержня - токовода и воды.

Основными требованиями к электродной системе являются: высо­кий коэффициент преобразования электрической энергии, высокие

эксплуатационные и технологические показатели, экономически целе­сообразная стойкость. Наибольшую эрозионную стойкость имеют элек­троды из сплава меди, карбида вольфрама и никеля.

Площадь поверхнос­ти катода должна превышать площадь анода в 60-100 раз, что 6 соче­тании с подачей положительного импульса напряжения на анод обес­печит снижение потерь энергии на стадии формирования разряда и по­высит к.п.д. системы. Рациональный материал изоляции - стеклоплас­тик, вакуумная резина, полиэтилен.

Электрогидравлический взрыватель применяет­ся при инициируемом разряде, воспринимает динамические нагрузки, воздействие сильноточных полей и рабочей жидкости, что приводит к разрушению корпуса, изоляции и электрода.

В электрогидравлическом взрывателе положительный электрод изолирован от корпуса; взры­вающийся проводник устанавливается между электродом и заземлен­ным корпусом, выполняющим роль отрицательного электрода.

В за­висимости от решаемых технологических задач применяются проводни­ки из меди, алюминия, вольфрама; размеры проводника в пределах диаметр 0,25-2 мм, длина 60-300 мм. Конструкция электрогидрав­лического взрывателя должна обеспечивать концентрацию энергии в требуемом направлении и формирование цилиндрического по форме фронта ударной волны, а также технологичность операций по установ­ке и замене взрывающегося проводника.

Для выполнения части этих требований необходимо, чтобы корпус электрогидравлического взры­вателя служил жесткой преградой Для распространяющегося фронта волн.

Это обеспечивается применением специальных кумулятивных вые­мок в корпусе взрывателя и определенного сочетания линейных разме­ров корпуса и проводника. Так, диаметр корпуса взрывателя должен в 60 раз и более превышать диаметр взрывающегося проводника.

В последние годы разработаны новые конструктивные схемы и спе­циальные устройства, повышающие эффективность действия рабочих органов, обеспечивающие направленность действия на объект обработ­ки образуемых волн и гидропотока.

К таким устройствам относят пас­сивные отражающие поверхности, электроды со сложной геометрией, генераторы расходящихся волн. Имеются также устройства для протяж­ки взрывающегося проводника, что осложняет конструкцию взрыва­теля, но повышает технологичность процесса.

Для непосредственного преобразования энергии электрического разряда в энергию импуль­са сжатия применяют специальные электровзрывные патроны (рис. 34).

Рабочая жидкость, заполняющая технологический узел, играет весьма существенную роль в процессе электрического разряда. Именно в жидкости воспроизводится разряд с непосредственным пре­образованием электрической энергии в механическую.

В жидкости наб­людается ионизация, а также газовыделение непрореагировавших кис­лорода и водорода (до 0,5 10 -6 м 3 /кДж), жидкость вовлекается в дви­жение распространяющимся фронтом волн, что образует в технологи­ческом узле гидропоток, способный совершать механическую работу.

В качестве рабочей жидкости применяется вода (техническая, мор­ская, дистиллированная) и водные электролиты; углеводородные (ке­росин, глицерин, масло трансформаторное) и силиконовые (полиметилсилоксаны) жидкости, а также специальные диэлектрические, жид­кие и твердые составы. Большее применение получила техническая вода, удельная электрическая проводимость которой составляет (1- 10) См/м.

Электрическая проводимость жидкости существенно влияет на ве­личину энергии, необходимой для формирования разряда, так как оп­ределяет величину пробойного напряжения и скорость движения стри­меров. Минимальная напряженность, при которой возникают стримеры, оценивается в 3,6 10 3 В/мм.

Значения удельной электрической проводимости (См/м) некото­рых жидкостей, применяемых для заполнения технологического узла, приведены ниже.

Техническая вода (водопроводная).........................................................(1-10) 10 -2

Морская вода.............................................................................................1-10

Дистиллированная вода............................................................................4,3 -10 -4

Глицерин.....................................................................................................6,4 10 -6

Видно, что диэлектрические жидкости имеют малую ионную про­водимость. Удельное электрическое сопротивление жидкости (р ж) оп­ределяет также величину электрического к.п.д. и зависит от величины энергии, вводимой в единицу объема рабочей жидкости. Так, для воды параметр р ж уменьшается с увеличением до значений 500-1000 кДж/ ; с дальнейшим возрастанием W 0 параметр р ж стабилизирует­ся в пределах 10-25 Ом-м.

Электрический разряд в жидкости зависит также от плотности ра­бочей жидкости - с увеличением плотности уменьшаются пик перена­пряжений и крутизна спада тока. Чтобы повысить величину напряжения разрядного контура, а соответственно величину напряжения пробоя, следует применять рабочие жидкости с низкой удельной проводимостью (пример - техническую воду).

Применение жидкостей с большей прово­димостью облегчает процесс образования скользящих разрядов; увеличивает потери энергии на стадии формирования канала и снижает амплитуду ударной волны.

В качестве рабочей жидкости используют также вязкие составы (веретенное масло - 70%, алюминиевый порошок - 20%, мел - 10%), что повышает на 20-25 % амплитуду ударной волны и снижает потери энергии.

В качестве диэлектрика применяют также металлизированную диэлектрическую нить и бумажные ленты, пропитанные электролитом. Ввод твердого диэлектрика уменьшает общие затраты энергии на про­бой (в 4-5 раз), снижает требуемое число стримеров (в 4-6 раз) , уменьшает термическую радиацию и ультрафиолетовое излучение. Введение в поток рабочей жидкости твердых частиц токопроводящих добавок применяют взамен взрывающихся проводников.

В данной статье поговорим про импульсный генератор для ячейки Мэйера.

Изучая элементную базу электронных плат, на которых были собраны все устройства входящие в состав сложной установки, применяемой Мэйером в водородном генераторе, установленном им на автомобиль, я собрал «главную часть» устройства – импульсный генератор.

Все электронные платы выполняют в Ячейке определённые задачи.

Электронная часть мобильной установки генератора водорода Мэйера состоит из двух полноценных устройств, оформленных в виде двух независимых блоков. Это блок управления и контроля ячейки, вырабатывающей кислородно-водородную смесь и блок управления и контроля за подачей этой смеси в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Фотография первого представлена ниже.

Блок управления и контроля за работой ячейки состоит из устройства вторичного питания обеспечивающего все платы модуля энергией и одиннадцати модулей – плат, состоящих из генераторов импульсов, схем контроля и управления. В этом же блоке, за платами импульсных генераторов находятся импульсные трансформаторы. Один из одиннадцати комплектов: плата импульсного генератора и импульсного трансформатора используется конкретно только для одной пары трубок Ячейки. А поскольку пар трубок одиннадцать, то и генераторов тоже одиннадцать.

.

Судя по фотографиям, импульсный генератор собран на простейшей элементной базе цифровых логических элементов. Принципиальные схемы, публикуемые на различных сайтах, посвящённых Ячейке Мэйера, по принципу работы не так далеки от её оригинала, за исключением одного – они упрощены и работают бесконтрольно. Другими словами, импульсы подаются на трубки-электроды до той поры, пока не наступит «пауза», которую по своему усмотрению оперативно с помощью регулировки устанавливает конструктор схемы. У Мэйера «пауза» формируется только тогда, когда сама Ячейка, состоящая из двух трубок, сообщит что пора бы эту паузу сделать. Имеется регулировка чувствительности схемы контроля, уровень которой устанавливается оперативно с помощью регулировки. Кроме того, имеется оперативная регулировка длительности «паузы» — времени, в течение которого на ячейку не поступают импульсы. В схеме генератора Мэйера предусмотрена автоматическая регулировка «паузы» в зависимости от необходимости количества вырабатываемого газа. Эта регулировка осуществляется по сигналу, поступающему от блок управления и контроля за подачей топливной смеси в цилиндры ДВС. Чем быстрее вращается двигатель внутреннего сгорания, тем больше расход кислородно-водородной смеси и тем короче «пауза» у всех одиннадцати генераторов.

На переднюю панель генератора Мэйера выведены шлицы подстроечных резисторов осуществляющих регулировку частоты импульсов, длительности паузы между пачками импульсов и ручной установки уровня чувствительности схемы контроля.

Для репликации опытного импульсного генератора нет необходимости в автоматическом контроле потребности газа и автоматическом регулировании «паузы». Это упрощает электронную схему импульсного генератора. Кроме того, современная электронная база более развита, чем была 30 лет назад, поэтому при наличии более современных микросхем, нет смысла использовать простейшие логические элементы, которые ранее использовал Мэйер.

В настоящей статье публикуется схема импульсного генератора, собранного мной, воссоздающего принцип работы генератора ячейки Мэйера. Это не первая моя конструкция импульсного генератора, до неё было ещё две более сложных схемы, способных генерировать импульсы различной формы, с амплитудной, частотной и временной модуляцией, схемами контроля тока нагрузки в цепях трансформатора и самой Ячейки, схемами стабилизации амплитуд импульсов и формы выходного напряжения на Ячейке. В результате исключения, по моему мнению «ненужных» функций получилась простейшая схема, очень похожая на схемы, публикуемые на различных сайтах, но отличающаяся от них наличием схемы контроля тока Ячейки.

Как и в других публикуемых схемах, в ячейке имеются два генератора. Первый является генератором – модулятором, формирующим пачки импульсов, а второй генератором импульсов. Особенностью схемы является то, что первый генератор — модулятор работает не в режиме автогенератора, как у других разработчиков схем Ячейки Мейера, а в режиме ждущего генератора. Модулятор работает по следующему принципу: На начальном этапе он разрешает работу генератора, а по достижении непосредственно на пластинах Ячейки определённой амплитуды тока, происходит запрет генерации.

В мобильной установке Мэйера в качестве импульсного трансформатора используется тонкий сердечник, а количество витков всех обмоток огромное. Ни в одном патенте не указаны ни размеры сердечника, ни количество витков. В стационарной установке у Мэйера замкнутый торроид с известными размерами и количеством витков. Именно его и решено было использовать. Но поскольку тратить энергию впустую на намагничивание в однотактной схеме генератора это – расточительство, было решено использовать трансформатор с зазором, взяв за основу ферритовый сердечник от строчного трансформатора ТВС-90 применяемого в транзисторных чёрно-белых телевизорах. Он наиболее подходит под параметры, указанные в патентах Мэйера для стационарной установки.

Принципиальная электрическая схема Ячейки Мэйера в моём исполнении представлена на рисунке.

.

Никакой сложности в конструкции генератора импульсов нет. Он собран на банальных микросхемах – таймерах LM555. По причине того, что генератор экспериментальный и неизвестно какие токи нагрузки нас могут ожидать, для надёжности в качестве выходного транзистора VT3 используется IRF.

Когда ток Ячейки достигнет определённого порога, при котором происходит разрыв молекул воды, необходимо сделать паузу в подаче импульсов на Ячейку. Для этого служит кремниевый транзистор VT1 — КТ315Б, который запрещает работу генератора. Резистор R13 «Ток срыва генерации» предназначен для установки чувствительности схемы контроля.

Переключатель S1 «Длительность грубо» и резистор R2 «Длительность точно» являются оперативными регулировками длительности паузы между пачками импульсов.

В соответствии с патентами Мэйера трансформатор имеет две обмотки: первичная содержит 100 витков (для 13 вольт питания) провода ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм, вторичная содержит 600 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,18 мм.

При указанных параметрах трансформатора оптимальная частота следования импульсов – 10 кГц. Катушка индуктивности L1 намотана на картонной оправке диаметром 25 мм, и содержит 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм.

Теперь, когда вы всё это «проглотили», произведём разбор полётов этой схемы. С данной схемой я не применял дополнительных схем повышающих выход газа, потому что в мобильной Ячейке Мэйера их не наблюдается, конечно не считая лазерной стимуляции. Или я забыл сходить со своей Ячейкой к «бабке – шептунье», чтобы она нашептала высокую производительность Ячейки, или не правильно выбрал трансформатор, но КПД установки получился очень низкий, а сам трансформатор сильно нагревался. Учитывая, что сопротивление воды мало, сама Ячейка не способна выступать в качестве накопительного конденсатора. Ячейка просто не работала по тому «сценарию» который описывал Мэйер. Поэтому я добавил в схему дополнительный конденсатор С11. Только в этом случае на осциллограмме выходного напряжения появилась форма сигнала, с выраженным процессом накопления. Почему я поставил его не параллельно Ячейке, а через дроссель? Схема контроля тока ячейки должна отслеживать резкое повышение этого тока, а конденсатор будет препятствовать этому своим зарядом. Катушка уменьшает влияние С11 на схему контроля.

Я использовал простую воду из под крана, использовал и свежее дистиллированную. Как я только не извращался, но затраты энергии при фиксированной производительности были в три — четыре раза выше, чем напрямую от аккумулятора через ограничительный резистор. Сопротивление воды в ячейке настолько мало, что повышение импульсного напряжения трансформатором, с лёгкостью гасилось на малом сопротивлении, заставляя магнитопровод трансформатора сильно нагреваться. Возможно, предположить, что вся причина в том, что я использовал трансформатор на феррите, а в мобильной версии Ячейки Мэйера стоят трансформаторы, у которых сердечник почти отсутствует. Он больше выполняет функцию каркаса. Не трудно понять, что Мэйер компенсировал малую толщину сердечника большим количеством витков, тем самым увеличив индуктивность обмоток. Но сопротивление воды от этого не увеличится, поэтому и напряжение, о котором пишет Мэйер, не поднимется до описываемого в патентах значения.

С целью повышения КПД я решил «выкинуть» из схемы трансформатор, на котором происходит потеря энергии. Принципиальная электрическая схема Ячейки Мэйера без трансформатора представлена на рисунке.

.

Так как индуктивность катушки L1 очень маленькая, я так же исключил её из схемы. И «о чудо» установка стала выдавать сравнительно высокий КПД. Я провёл эксперименты и пришел к выводу, что на заданный объём газа установка затрачивает ту же самую энергию, что и при электролизе постоянным током, плюс-минус погрешность измерений. То есть я наконец собрал установку, в которой не происходит потерь энергии. Но зачем она нужна, если напрямую от аккумулятора точно такие же затраты энергии?

Завершение

Завершим тему очень маленького сопротивления воды. Сама Ячейка не способна работать в качестве накопительного конденсатора потому, что вода, которая выступает в качестве диэлектрика конденсатора, быть им не может – она проводит ток. Для того, чтобы над ней совершался процесс электролиза – разложения на кислород и водород, она должна быть проводящей. Получается неразрешимое противоречие, которое возможно разрешить только по одному пути: Отказаться от версии «Ячейка-конденсатор». Накопления в Ячейке подобно конденсатору происходить не может, это Миф! Если учитывать площадь обкладок конденсатора образованного поверхностями трубок, то даже при воздушном диэлектрике ёмкость ничтожно мала, а здесь в качестве диэлектрика выступает вода со своим малым активным сопротивлением. Не верите? Возьмите учебник физики и посчитайте ёмкость.

Можно предположить, что накопление происходит на катушке L1, но этого также не может быть по той причине, что её индуктивность также очень мала для частоты порядка 10 кГц. Индуктивность трансформатора на несколько порядков выше. Можно даже задуматься над тем, зачем её с малой индуктивностью вообще «воткнули» в схему.

Послесловие

Кто-то скажет, что всё чудо в бифилярной намотке. В том виде, в каком она представлена в патентах Мэйером, толку от неё не будет. Бифилярная намотка применяется в защитных фильтрах питания, не одного и того же проводника, а противоположных по фазе и предназначена для подавления высоких частот. Она даже имеется во всех без исключения блоках питания компьютеров и ноутбуков. А для одного и того же проводника, бифилярная намотка делается в проволочном резисторе, для подавления индуктивных свойств самого резистора. Бифилярная намотка может использоваться в качестве фильтра, защищающего выходной транзистор, не пропускающего мощные СВЧ-импульсы в схему генератора, подаваемые от источника этих импульсов непосредственно на Ячейку. Кстати и катушка L1 является отличным фильтром для СВЧ. Первая схема импульсного генератора, которая использует повышающий трансформатор – правильная, только чего-то не хватает между транзистором VT3 и самой Ячейкой. Этому я посвящу следующую статью.

Назначение этих устройств понятно из названия. С их помощью создают импульсы, которые обладают определёнными параметрами. При необходимости можно приобрести аппарат, изготовленный с применением фабричных технологий. Но в данной статье будут рассмотрены принципиальные схемы и технологии сборки своими руками. Эти знания пригодятся для решения разных практических задач.

Как выглядит генератор импульсов Г5-54

Необходимость

При нажатии клавиши электромузыкального инструмента, электромагнитные колебания усиливаются и поступают на громкоговоритель. Слышен звук определённого тона. В этом случае используется генератор синусоидального сигнала.

Для слаженной работы памяти, процессоров, других составных частей компьютера необходима точная синхронизация. Образцовый сигнал с неизменной частотой создаётся тактовым генератором.

Чтобы проверить работу счётчиков, других электронных устройств, выявить неисправности, применяют единичные импульсы с необходимыми параметрами. Такие задачи решают с помощью специальных генераторов. Обычный ручной переключатель не подойдёт, так как с его содействием не получится обеспечить определённую форму сигнала.

Параметры выходных сигналов

Перед выбором той или иной схемы, необходимо точно сформулировать цель проекта. На следующем рисунке приведён в увеличенном виде типичный прямоугольный сигнал.

Схема прямоугольного импульса

Его форма не является идеальной:

• Напряжение возрастает постепенно. Учитывают длительность фронта. Этот параметр определяется временем, за которое импульс вырастает от 10 до 90% амплитудной величины.
• После максимального выброса и возврата к исходному значению возникают колебания.
• Вершина – неплоская. Поэтому длительность импульсного сигнала замеряется на условной линии, которая проведена на 10% ниже максимального значения.

Также для определения параметров будущей схемы используют понятие скважности. Этот параметр вычисляется по следующей формуле:

• S – это скважность;
• T – период повторения импульса;
• t – длительность импульса.

При невысокой скважности кратковременный сигнал сложно фиксировать. Это провоцирует сбои в системах передачи информации. Если временное распределение максимумов и минимумов одинаковое, параметр будет равен двум. Такой сигнал называют меандром.

Меандр и основные параметры импульса

Для упрощения в дальнейшем будут рассмотрены только генераторы прямоугольных импульсов.

Принципиальные схемы

На следующих примерах можно понять принципы работы самых несложных устройств этого класса.

Схемы генераторов прямоугольных импульсов

Первая схема предназначена для формирования единичных прямоугольных импульсов. Она создана на двух логических элементах, которые соединены для выполнения функций триггера типа RS. Если кнопка находится в указанном положении, на третьей ножке микросхемы будет высокое напряжения, а на шестой – низкое. При нажатии уровни поменяются, но не возникнет дребезг контактов и соответствующие искажения выходного сигнала. Так как для работы требуется внешнее воздействие (в этом случае – ручное управление), это устройство не относится к группе автогенераторов.

Простой генератор, но выполняющий свои функции самостоятельно, изображён на второй половине рисунка. При подаче питания через резистор заряжается конденсатор. Реле срабатывает не сразу, так как после разрыва контакта, некоторое время течение тока через обмотку, обеспечивается зарядом конденсатора. После замыкания цепи этот процесс повторяется неоднократно, пока не будет отключено питание.

Изменяя номиналы сопротивления и конденсатора, можно наблюдать на осциллографе за соответствующими трансформациями частоты и других параметров сигнала. Такой генератор прямоугольных сигналов создать будет нетрудно своими руками.

Для того чтобы расширить диапазон частоты, пригодится следующая схема:

Генератор с изменяемыми параметрами импульсов

Чтобы реализовать план, двух логических элементов недостаточно. Но подобрать одну подходящую микросхему нетрудно (например, в серии К564).

Параметры сигнала, которые можно изменить регулировкой своими руками, другие важные параметры

Чтобы обеспечить стабильность частоты прямоугольных сигналов, используют схемы на кварцевых элементах:

Видео. Высоковольтный генератор импульсов своими руками

Чтобы своими руками было проще собрать генератор импульсов определённой частоты, лучше использовать универсальную монтажную плату. Она пригодится для экспериментов с разными принципиальными электрическими схемами. После приобретения навыков и соответствующих знаний, будет нетрудно создать идеальное устройство для успешного решения конкретной задачи.