Стабилизирующий источник высокого напряжения с глубоким разрядом для озонатора
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования при реализации электропитания емкостной нагрузки, например, озонатора, с электрическими разрядами по поверхности диэлектрика, при использовании коронно-стримерного разряда, которые могут быть использованы в озонаторах обеззараживания оборотной, питьевой воды и помещений. Техническая задача, решаемая изобретением состоит в увеличении глубины разряда и перезаряда емкостной нагрузки и тем самым в возможности получения на нагрузке знакопеременного напряжения. Сущность изобретения состоит в том, что стабилизирующий источник высокого напряжения, содержащий регулирующий титрон, коллектор которого подключен к промежуточному полюсу высоковольтного источника питания, а отрицательный и положительный полюсы последнего, соединены соответственно с шиной нулевого потенциала и с первым выводом токоограничивающего резистора, вторым выводом соединенного с анодом регулирующего титрона, катодом соединенного с первым выводом резистора смещения, второй вывод которого соединен с управляющим электродом регулирующего титрона, с анодом развязывающего диода и с первым выходным выводом для подключения нагрузки, второй вывод подключения нагрузки соединен с шиной нулевого потенциала, делитель напряжения обратной связи, включенный между выводами для подключения нагрузки, дифференциальный усилитель в котором неинвертирующий вход соединен с выходом делителя напряжения обратной связи, опорный вход - с выходной цепью источника опорного напряжения, соединенного последовательно через управляющий источник напряжения переменного тока с общей шиной, а эмиттер - коллекторный переход выходного транзистора включен в цепь связи с катодом управляющего титрона и с шиной нулевого потенциала, коллектор управляющего титрона соединен с катодом развязывающего диода, управляющий электрод с общей шиной нулевого потенциала, анод с положительным полюсом вспомогательного источника питания, отрицательный полюс которого соединен с шиной нулевого потенциала, двухполярный источник питания, средний вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, а положительный и отрицательный полюса подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам питания дифференциального усилителя, и в него введен компенсирующий конденсатор и пусковой резистор высокопотенциальные выводы которых соединены между собой и подключены к аноду развязывающего диода, а противоположные выводы соединены соответственно с выходной клеммой и шиной нулевого потенциала. 1 илл.
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования при реализации электропитания емкостной нагрузки, например, озонатора, с электрическими разрядами по поверхности диэлектрика, при использовании коронно-стримерного разряда, которые могут быть использованы в озонаторах обеззараживания оборотной, питьевой воды и помещений.
Известно устройство - стабилизирующий источник высокого напряжения (Патент РФ 
657423, МПК G05F 1/52, 1977), обеспечивающий использование высоковольтного стабилизированного источника питания с высоким динамическим сопротивлением для нагрузки при возможных пробоях в нагрузке.
Недостатком известного устройства является недостаточно высокий КПД источника питания и питание нагрузки. Невозможность получения знакопеременного питания на нагрузке
Близким к предлагаемому является устройство Стабилизирующий источник высокого напряжения (Патент РФ 1576887 МПК G05F 1/52, 1990), обеспечивающий повышение КПД источника и использование на емкостной нагрузке нелинейной резистивной утечки.
Недостатком источника является то, что он не обеспечивает питание емкостной нагрузки с нелинейными резистивными утечками, какими являются озонаторы и не дает возможности использовать знакопеременное питание на нагрузке.
Техническая решаемая изобретением состоит в увеличении глубины разряда и перезаряда емкостной нагрузки и тем самым в возможности получения на нагрузке знакопеременного напряжения.
Сущность изобретения состоит в том, что стабилизирующий источник высокого напряжения, содержащий регулирующий титрон, коллектор которого подключен к промежуточному полюсу высоковольтного источника питания, а отрицательный и положительный полюсы последнего, соединены соответственно с шиной нулевого потенциала и с первым выводом токоограничивающего резистора, вторым выводом соединенного с анодом регулирующего титрона, катодом соединенного с первым выводом резистора смещения, второй вывод которого соединен с управляющим электродом регулирующего титрона, с анодом развязывающего диода и с первым выходным выводом для подключения нагрузки, второй вывод подключения нагрузки соединен с шиной нулевого потенциала, делитель напряжения обратной связи, включенный между выводами для подключения нагрузки, дифференциальный усилитель в котором неинвертирующий вход соединен с выходом делителя напряжения обратной связи, опорный вход - с выходной цепью источника опорного напряжения, соединенного последовательно через управляющий источник напряжения переменного тока с общей шиной, а эмиттер-коллекторный переход выходного транзистора включен в цепь связи с катодом управляющего титрона и с шиной нулевого потенциала, коллектор управляющего титрона соединен с катодом развязывающего диода, управляющий электрод с общей шиной нулевого потенциала, анод с положительным полюсом вспомогательного источника питания, отрицательный полюс которого соединен с шиной нулевого потенциала, двухполярный источник питания, средний вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, а положительный и отрицательный полюса подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам питания дифференциального усилителя, и в него введен компенсирующий конденсатор и пусковой резистор высокопотенциальные выводы которых соединены между собой и подключены к аноду развязывающего диода, а противоположные выводы соединены соответственно с выходной клеммой и шиной нулевого потенциала.
Стабилизирующий источник высокого напряжения содержит высоковольтный источник 1 питания постоянного тока с положительным полюсом 2, промежуточным полюсом 3 и отрицательным полюсом 4, вспомогательный источник 5 питания постоянного тока с положительным полюсом 6 и отрицательным полюсом 7, двухполярный источник 8 питания с потенциальными полюсами 9, 10 и средним выводом 11, источника 12 опороного напряжения постоянного тока, управляющий источник 13 напряжения переменного тока (с низкоомным выходом), регулирующий титрон 14 с анодом 15, катодом 16, коллектором 17 и управляющим электродом 18, управляющий титрон 19 с анодом 20, катодом 21, коллектором 22 и управляющим электродом 23, делитель 24 напряжения обратной связи с резисторами 25 и 26, усилитель 27 сигнала рассогласования с дифференциальным усилителем 28 и выходным транзистором 29, токоограничивающий резистор 30, резистор 31 смещения, развязывающий диод 32, компенсирующий конденсатор 37, пусковой резистор 38. На схеме отмечены также выводы 33 и 34 для подключения нагрузки, шина 35 нулевого потенциала и нагрузочный конденсатор 36.
Коллектор 17 регулирующего титрона 14 подключен к промежуточному полюсу 3 высоковольтного источника 1 питания постоянного тока, связанного отрицательным полюсом 4 с шиной 35 нулевого потенциала, а положительным полюсом 2 с токоограничивающим резистором 30. Коллектор 22 управляющего титрона 19 подключен к аноду 15 регулирующего титрона 14 и к первому выводу токоограничивающего резистора 30. Делитель 24 напряжения обратной связи включен между выводами 33 и 34 для подключения нагрузки. Вывод 33 подключен к первому выводу зарядного конденсатора 37, второй вывод которого соединен с анодом диода 32 и с первым выводом пускового резистора 38, вторым выводом соединенного с шиной нулевого потенциала и с выводом 34. Сигнальный вход усилителя 27 сигнала рассогласования (неинвертирующий вход дифференциального усилителя 28) соединен с выходом делителя 24 напряжения обратной связи, опорный вход (инвертирующий вход дифференциального усилителя 28) - с выходной цепью источника 12 опорного напряжения постоянного тока через управляющий источник 13 напряжения переменного тока с шиной 35 нулевого потенциала. Эмиттер - коллекторный переход выходного транзистора 29 включен в цепь связи катода 21 управляющего титрона 19 с шиной 35.
Положительный полюс 6 вспомогательного источника 5 питания постоянного тока соединен с анодом 20 управляющего титрона 19, а отрицательный полюс 7 связан с шиной 35 нулевого потенциала. Управляющий источник 13 напряжения переменного тока включен последовательно в выходную цепь источника 12 опорного напряжения постоянного тока. Резистор 31 смещения одним из выводов соединен с катодом 16 регулирующего титрона 14, а другим выводом - с управляющим электродом 18 регулирующего титрона 14, анодом развязывающего диода 32 и с первым выводом компенсирующего конденсатора 37, второй вывод которого соединен с высоковольтным выводом 33 для подключения нагрузки. Второй вывод токоограничивающего резистора 30 и коллектор 17 регулирующего титрона 14 подключены соответственно к положительному полюсу 2 и промежуточному полюсу 3 высоковольтного источника 1 питания постоянного тока. Катод развязывающего диода 32 соединен с коллектором 22 управляющего титрона 19, а электрод 23 последнего связан с шиной 35 нулевого потенциала.
Стабилизирующий источник работает следующим образом:
При наличии напряжения на выходах питающих источников 1, 5, 8 и источника 12 опорного напряжения в момент времени, когда выходное напряжение управляющего источника 13 равно нулю, возникает переходный процесс. Начальный момент переходного процесса характеризуется отсутствием напряжения на выводах 33 и 34, а также на выходе делителя 24. При этом опорное напряжение от источника 12 прикладывается между входными потенциальными выводами дифференциального усилителя 28 практически без потерь. Это объясняется тем, что внутреннее сопротивление управляющего источника 13 и сопротивление резистора 26 значительно меньше входного сопротивления дифференциального усилителя 28.
Напряжение на выходе дифференциального усилителя отрицательно по знаку и закрывает транзистор 29 и управляющий титрон 19. Ток, протекающий через резистор 30, мал и практически равен току анода 15 регулирующего титрона 14. Падение напряжения на резисторе 30 оказывается незначительным и к аноду 15 прикладывается высокое отпирающее титрон напряжение от источника 1, что обеспечивает открытие регулирующего титрона 14. При наличии подключенного к выводам 33 и 34 нагрузки 36 напряжение распределяется между конденсаторами 36 и 37 благодаря открытому регулирующему титрону 14. Пусковой резистор 38 задает начальный ток через титрон 14, последний отпирается и поднимает потенциал на пусковом резисторе 38 в сторону увеличения.
Начинается заряд последовательно включенных конденсаторов 36 и 37. Зарядный ток протекающий через конденсатор 37 и нагрузочный конденсатор 36 одинаков для обоих конденсаторов, а напряжения обратнопропорциональны емкостям конденсаторов 36 и 37. При выборе емкости конденсатора 37 значительно большей, чем емкость нагрузочного конденсатора 36, напряжение на нагрузочном конденсаторе 36 будет значительно больше напряжения на конденсаторе 37.
Напряжение на делителе 24 по мере заряда конденсаторов 36 и 37 увеличивается до момента сравнивания напряжения на выходе делителя 24 и опорным напряжением источника 12.
Дальнейшее бесконечно малое приращение напряжения на выходе делителя 24 приводит к некоторому преобладанию по величине напряжения, прикладываемого к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 28. Последний открывается и на его выходе появляется положительное напряжение. Это напряжение приоткрывает транзистор 29 и управляющий титрон 19. Напряжение на аноде 15 регулирующего титрона 14 уменьшается и фиксируется на таком значении, при котором обеспечивается необходимый ток через регулирующий титрон 14. Так как напряжение на нагрузочном конденсаторе за счет цепи обратной связи поддерживается постоянным, титрон 14 продолжает отпираться, а конденсатор 37 продолжает заряжаться и тем самым поддерживается заданный потенциал на емкостной нагрузке 36. Необходимое напряжение на компенсирующем конденсаторе 37 может быть определено исходя из равенства энергий накопленной емкостью конденсатора 36 и емкостью компенсирующего конденсатора 37:
при C37>C36 имеем U36>U37
Напряжения на отпертых транзисторе 29 и развязывающем диоде 32 ничтожно малы по сравнению с рабочими напряжениями и ими можно пренебречь, а напряжение на титроне 19 в отпертом состоянии может быть определено исходя из характеристик на используемых титронных приборов. Например, минимальное падение напряжения на титроне типа ПП1-0,5/10 в отпертом состоянии составляет 150-200 В. При достижении определенных величин напряжений заряда конденсатора 37 и 36 включается управляемый источник питания переменного тока 13 и открывает титрон 19.
В течение времени протекания тока через регулирующий титрон 14 цепь питания нагрузки и делителя 24 напряжения изолируется от управляющего титрона 19 запертым диодом 32. Нагрузка запитывается исключительно через титрон 14, и конденсатор 37, а титрон 19 выполняет функции управления.
Выходное напряжения Uвых на выводах 33 и 34 определяется как
где R25 R26 - сопротивления соответственно резисторов 25 и 26; U12 - опорное напряжение источника 12
При появлении в управляющем источнике 13 некоторого напряжения, при котором суммарное напряжение источников 12 и 13 уменьшается, положительное первоначальное напряжение на выходе делителя 24 оказывается больше указанного суммарного напряжения и на выходе дифференциального усилителя 28 увеличивается положительное напряжение. В результате через транзистор 29 и управляющий титрон 19 увеличивается ток. Это приводит к некоторому увеличению падения напряжения на резисторе 30 и уменьшению тока через регулирующий титрон 14. Напряжение на выходе делителя 24 принимает значение, равное алгебраической сумме напряжений источников 12 и 13.
При знакопеременном напряжении управляющего источника 13 поочередно в зависимости от его полярности происходит либо сложение напряжений источников 12 и 13, либо вычитание. За счет кольца обратной связи напряжение на выходе делителя 24 в любой момент времени равно алгебраической сумме напряжений источников 12 и 13. Если последняя становится равной нулю, регулирующий титрон 14 закрывается, а управляющий титрон 19 максимально открывается. Падение на резисторе 30 оказывается максимальным. Напряжение на коллекторе титрона 19 оказывается минимальным. Так как конденсаторы 36 и 37 были заряжены максимально через открытый регулирующий титрон 14 и потенциал их суммарного заряда был значительно больше, чем потенциал коллектора полностью отпертого управляющего титрона 19. Конденсаторы 36 и 37 начинают разряжаться через отпертые диод 32, управляющий титрон 19, транзистор 29. Однако напряжение на выводе 33 оказывается скомпенсированным по отношению к потенциалу на коллекторе 22 управляющего титрона 19 напряжением противоположной полярности компенсирующего конденсатора 37. Обмен энергиями заряженного компенсирующего конденсатора 37 и заряженной емкости нагрузочного конденсатора 36 с противоположным знаком приводит к перезаряду емкостей через отпертый титрон 19, и следовательно к обнулению или перезаряду нагрузочного конденсатора 36, полюса подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам питания дифференциального усилителя.
Введение компенсирующего конденсатора C37 и пускового резистор R38 высокопотенциальные выводы которых соединены между собой и подключены к аноду развязывающего диода, а противоположные выводы соединены соответственно с выходной клеммой и шиной нулевого потенциала удается решить поставленную техническую задачу.
Стабилизирующий источник высокого напряжения, содержащий регулирующий титрон, коллектор которого подключен к промежуточному полюсу высоковольтного источника питания, а отрицательный и положительный полюсы последнего соединены соответственно с шиной нулевого потенциала и с первым выводом токоограничивающего резистора, вторым выводом соединенного с анодом регулирующего титрона, катодом соединенного с первым выводом резистора смещения, второй вывод которого соединен с управляющим электродом регулирующего титрона, с анодом развязывающего диода и с первым выходным выводом для подключения нагрузки, второй вывод для подключения нагрузки соединен с шиной нулевого потенциала, делитель напряжения обратной связи, включенный между выводами для подключения нагрузки, дифференциальный усилитель, в котором неинвертирующий вход соединен с выходом делителя напряжения обратной связи, опорный вход - с выходной цепью источника опорного напряжения, соединенного последовательно через управляющий источник напряжения переменного тока с общей шиной, а эмиттер - коллекторный переход выходного транзистора включен в цепь связи с катодом управляющего титрона и с шиной нулевого потенциала, коллектор управляющего титрона соединен с катодом развязывающего диода, управляющий электрод с общей шиной нулевого потенциала, анод с положительным полюсом вспомогательного источника питания, отрицательный полюс которого соединен с шиной нулевого потенциала, двухполярный источник питания, средний вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, а положительный и отрицательный полюса подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам питания дифференциального усилителя, отличающийся тем, что в него введен компенсирующий конденсатор и пусковой резистор, высокопотенциальные выводы которых соединены между собой и подключены к аноду развязывающего диода, а противоположные выводы соединены соответственно с выходной клеммой и шиной нулевого потенциала.
