用於產生高壓脈衝的電路裝置的製作方法
2023-10-25 02:10:02 3
專利名稱:用於產生高壓脈衝的電路裝置的製作方法
本發明涉及一用直流電壓產生高壓脈衝的電路裝置，它包括一變壓器。該變壓器的一次級繞組和至少兩個初級繞組，該初級繞組與至少一個二極體和一開關電路串聯;該串聯電路連接於一電壓源，一電容器連接於該電壓源和該初級繞組的共公端，另外該開關電路由開關電晶體的發射極-集電極部分形成，一電晶體放大器的輸出連接到該開關電晶體的基極，該電晶體放大器的輸入與控制電路的輸出耦合。
在電工技術和電子學中常常需要產生脈衝，特別是高壓脈衝。這種需要很經常地出現在汽車電氣領域中，其中用於內燃機點火的高壓火花生產於高壓脈衝。這種高壓脈衝也用於閃光管的觸發，它不僅應用在照相技術中，而且也應用在交通控制系統和其他許多技術領域：
中。我們聯繫內燃機的點火系統來敘述本發明，儘管本發明並不限於這種技術領域：
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內燃機的電子點火系統通常被採用，該系統可分成兩類。在第一類中有所謂可控矽或電容性的點火系統，在這樣的系統中一電容將被充電，在點火的瞬時通過可控矽將這個電容的儲存能量接通到高壓變壓器的主繞組上。這種系統的優點在於控制點火瞬間的接觸式斷路器只切換很小的電流，因此可增加接觸式斷路器的壽命。然而，這種系統的缺點在於需要一用於對電容器充電的轉換器，由於其結構上需要許多元件，故它是很貴的，且在兩個脈衝之間的很短的時間裡只有很有限的能量以可以接受的成本儲存進電容器。
所謂的電晶體點火系統，屬於第二類電子點火系統，在這樣一個系統中不用接觸式斷路器，只用開關電晶體電路與普通的點火線圈的初級繞組串聯。在這樣一個系統中接觸式斷路器負擔也很輕，這是由於它只產生電流非常小的控制脈衝，而用開關電晶體來中斷初級繞組中的高電流。這種系統的優點在於接觸式斷路器負擔輕，且那個較高的電流脈衝可以在點火線圈的初級繞組中被中斷。
眾所周知通過對燃料的更完美地實現點火可改善在內燃機中的燃燒質量和內燃機的效率，由於增加點火火花的能量使其成為可能。
如同我們所敘述過的，在電容性點火系統中系統的複雜性和價格的昂貴限制了增加點火花的能量。電晶體點火系統的能量轉換效率相對較低。高壓脈衝的能量以及火花的能量隨著電流電壓的變化而顯著地改變，這特別妨礙了汽車內燃機的冷起動。如同眾所周知的那樣，在冷起動時起動電氣馬達使冷起動器蓄電池的電壓減小到這種程度以致這減小了的蓄電池電壓常常不夠產生點火火花。
公開號為T/31.483的匈牙利專利申請「用於產生高壓脈衝的電路裝置」的目的就是消除這些缺點，其中高壓變壓器的初級繞組被分成兩個繞組部分。在這種已知的電路中變壓器的一個初級繞組以及一開關電路和一個電容器一起形成了一個迴路。兩個初級繞組是串聯的並經過一二極體與電壓源相連。這種電路的工作原理為在形成開關電路的電晶體的電容器上儲存能量驅動電流流經變壓器的一個初級繞組，該電流加到從電壓源流出的電流上，通過這種方法通過初級繞組能產生一非常高的電流脈衝。
這種電路的優點在於當流經初級繞組的電流中斷時，即當開關電晶體截止時，產生於另一初級繞組中的極性相反的電壓對電容器充電。在這種方法中這是一種能量恢復電路，因為在電流中斷時所產生的感應電壓把儲存於變壓器中的能量充進電容器。在這種方法中這是一種能量恢復電路。雖然這種電路在實際使用中工作的很好，但用於能量恢復的繞組未起到產生火花的作用。
在上述的電路中機電的開關裝置可在理論上也可用作為開關電路，然而他們有許多缺點以致在電子點火系統中他們至多用作控制開關。為了能中斷流經變壓器的初級繞組的高電流應首先考慮用大功率的開關電晶體。我已在根據我的上述專利申請 HU-PS T/31.483的點火系統中使用這種電晶體。在這種已知的電路中開關電晶體由一電晶體放大器推動，而該放大器側由一控制電路控制。應用了包括隨電壓變化的電阻的負反饋電路，以避免電流電壓的變化，首先是由電壓的減小會大大地減小脈衝的能量。這種隨電壓變化的電阻(考慮了低電源電壓、所需特性和電阻值)應為一白熾燈，然而其尺寸，壽命和可靠性與其他元件相比是不利的，這就是為什麼這種電路的實際應用性受限制的原因。
為了實現發明的目的本發明在公開的材料中提供了一電路，它將電容性和電晶體點火系統兩者的優點結合起來;此外儲存的磁能應以最可能高的效率恢復，通過這種方法可改進生產高壓脈衝的效率。本發明的另一個目的在於形成這樣一種開關電路，通過這種電路高壓脈衝的能量當電源電壓在寬範圍內變化時，可保持恆定，這將對汽車的內燃機的冷起動特別有利。
我通過在公開的材料中所敘述的電路達到了這種目的，其中電晶體放大器的輸入是第二電晶體的基極，在控制電路的該輸出和輸入之間兩個串聯的電阻，第一電晶體的發射極-集電極部分與該兩個電阻的共公端相連接，電壓分壓器與第一電晶體的基極相連接，其處於集電極側的分支被分組並被連接到一電壓源，在該分支的分點與變壓器的一初級繞組和開關電晶體的共公端之間接入一電容器，接入發射極側的該電壓分壓器的一電阻連接到與該開關電晶體的發射極-集電極電路串聯的電流控制電阻。
這種電路的優點在於通過加有雙重反饋，可以實現開關電晶體的非常急劇的切換，同時即使電壓源的電壓減少50%以上產生的脈衝的能量實際仍可保持恆定。
在根據本發明的電路中，在控制電路中包括一對起動觸點，一電阻和一感應線圈的串聯電路連接到該電壓源，一電晶體的基極-發射極部分並聯於該感應線圈，該線圈帶有的極性是在電流中斷時產生於該感應線圈上的電壓使該電晶體導通，該控制電路的輸出則由該電晶體的集電極形成。這種電路的優點在於其結構要比上述的 HU-PS T/31，483的結構簡單多了，同時由於感應線圈的電流所產生的電源脈衝產生了快速的和確定的開關動作。
其進一步的優點在於該電晶體的基極和該感應線圈之間接入一電壓分壓器。最好在形成該控制電路的輸出的該電晶體的集電極和該電流控制電阻之間接入一電容器。
本發明的一個有益的實施例的目的在於加速開關動作，其中一電容器與串聯到該電晶體放大器的輸入的該電阻並聯。
一根據本發明的另一電路也有利於實現所設定的目的，它包括一變壓器，其一次級繞組和至少兩個初級繞組，該初級繞組及至少一個二極體和一開關電路串聯在一起，該串聯電路連接到電壓源，一電容器連接到該電壓源和該初級繞組的共公端，根據本發明其特徵在於該二極體在兩個該初級繞組之間，該電容器與該第一初級繞組並聯，該初級繞組本身直接與電壓源以及串聯到該第一初級繞組的該二極體相連接，一個另外的電容器並聯到該第二初級繞組，以及該二極體串聯到該第二初級繞組上，該二極體相對於電壓源的極性正向接入。這個最終電路的優點在於產生脈衝時供給變壓器的很大一部分能量可通過在中斷電流的瞬間把儲存在線圈中的磁能給電容器充電並儲存在其中的方法被恢復，然後這儲存的能量被用於接著的脈衝的能量。
圖1是根據本發明的變壓器的能量恢復電路的電路圖，
圖2是在導通瞬間的圖1線路圖的等效電路圖;
圖3是根據本發明的開關電路的一實施例;
圖4是流經根據本發明的開關電路的電流波形圖;
圖5展示了在上述匈牙利專利 HU-PS T/31，483號的能量恢復電路中根據本發明開關電路的應用。
在圖1中只能看見根據本發明的電路變壓器1的初級繞組2和3，在其間接入一個二極體8。二極體8相對於電壓源7的極性正向接入。電容器10和12分別經過二極體8並連到繞組2和3上。電容器12的兩端分別連接到電壓源7的正極和二極體8的陰極。電容器10的兩端分別連接到二極體8的陰極和處於靠近電壓源7的負極的初級繞組3的一端。開關電路6接在初級繞組3和電壓源7的負極之間。
展示於圖1中的電路的功能如下;
當接通開關電路6時電流開始從正極流經初級繞組2，二極體8，初級繞組3和開關電路6，到電壓源7的負極。同時磁能存儲在初級繞組2和3中。當斷開開關電路6時，經初級繞組2和3的電流中斷，在初級繞組2和3的兩端產生一與前電壓反極性的電壓跳變。因此連接到二極體8的初級繞組2的一端將呈正極性，而連接於二極體8的陰極的初級繞組3的一端將呈負極性。在這瞬間初級繞組2和3可以被認為是電壓源，有該極性後二極體8處於導通狀態。因此初級繞組2所儲存的磁能經二極體8流入電容器12並轉換成靜電能量貯存在電容器12中。同樣地產生於初級繞組3中的電壓跳變通過二極體8對電容器10充電。當初級繞組2和3的磁能被分別對電容器12和10完全過量充電時，在初級繞組2和3兩端上的電壓消失，二極體8截止。電路停留於這種狀態。
當電路再次導通電容器12和10的電壓將加到電壓源7的電壓上(由於二極體8仍處於截止狀態)電容器12將經初級繞組3放電，而電容器10則經初級繞組2放電。考慮到電容器12和10能被充電到較高的電壓，通過初級繞組2和3產生高電流脈衝。當電容器上的電荷放完時，即他們的電壓降低，因而使二極體8導通，來自電壓源7的同方向的電流流過初級繞組2和3其間的二極體8。在流經初級繞組2和3的高電流脈衝的影響下，在這裡沒有畫出的高壓變壓器的次級繞組中產生高壓脈衝。當然在電容器10和12放電的瞬間電壓源必須能適應通過高電流脈衝。在帶有起動蓄電池的情況下這是完全可能的。
在電容器12和10以該電流脈衝的形式分別向初級繞組2和3傳送他們的能量後，他們失去電荷，其電壓消失，以後從電壓源7流經初級繞組2和3的電流再次在高壓變壓器1的鐵芯上存儲磁能。此後在開關電路6重複導通和斷開的影響下上述過程重複產生，並因此產生高壓脈衝。
在圖3中根據本發明的實際上實行的開關電路與也是根據本發明的上述電路一起圖示。在這種電路中變壓器1包括兩個初級繞組2和3，在其間接入一其極性相對於電壓源7的極性為正向的二極體8。在二極體8和初級繞組2或初級繞組3之間的共公端上連有電容器，並被連接成電容器10連接到二極體8的陽極，其另一端則連接於處於靠近電壓源7負極的初級繞組3的一端。二極體8的陰極連接有電容器12，電容器12的另一端則連接處於臨近電壓源7正極的初級繞組2的一端。變壓器1包括一次級繞組5，其中在分別連繫圖1和圖2所描述的電流脈衝的影響下產生高壓脈衝。
在展示於圖3中的根據本發明的開關電路中開關電路6由一開關電晶體14形成。開關電晶體14由控制電路16經過插入的電晶體放大器15進行控制。在電晶體放大器15中電晶體30和31一同形成兩級直流放大器。在這裡所展示的例子中電晶體30是在共集電極電路中的一個npn型電晶體，電阻32接在其發射極電路中。電晶體30的發射極連接到電晶體31的基極，它連成共發射極電路。電晶體31在其集電極電路中有一負載電阻33，電阻的另一端連接到開關電晶體14的發射極;電晶體14在這個例子中連成共集電極路並由一pnp型電晶體形成。電晶體放大器15的輸入18是電晶體30的基極。一電阻17串聯連接到輸入18，在一較好的實施例中，該電阻17被分為兩部份，由電阻17a和17b形傘。
控制電路16的輸出通過電阻17a和17b連接到電晶體放大器15的輸入18。在控制電路16中一對起動觸點19，一電阻20和一感應線圈21串聯地連接到電壓源7上。在內燃機的應用中起動觸點對由內燃機的觸點斷路器形成。電晶體22的基極發射極電路並聯到感應線圈21上。可實用的是在基極電路中接入一電壓分壓器23，將加到基極的電壓進行分壓。
開關電路16的功能(部分地根據圖4所示的波形)如下。
在閉合起動觸點對19時電流開始流經電阻20和感應線圈21，然後流經感應線圈21的電流將中斷並在其中感應電壓，其極性為正極性電壓跳變將到達電晶體22的發射極和負極性電壓跳變將到達電晶體22的基極。應注意在這裡展示的例子中的電晶體22是pnp型的。在感應線圈21的電壓跳變的影響下電晶體22導通，正向電壓從電壓源7通過感應線圈21和電晶體22的發射極集電極電路到達電晶體放大器15的輸入18。電晶體放大器15的輸出上連接有電容器29(這些我們將在後面再敘述)，它對於在輸出18處的波形的形成很重要。當在出現在感應線圈21上的電壓脈衝的影響下電晶體22導通時，然後流經其發射極集電極電路的電流不僅由電壓源7的電壓驅動，而且也由與前者串聯的並在感應線圈21中產生的電壓脈衝驅動。
在電阻17a和17b之間的上述被分電阻17的分點上(其主要是輸入18的分出的輸入點)並聯連接第一電晶體24的發射極集電極電路。通過這種方式，當第一電晶體24處於導通狀態時，電晶體放大器15以及開關電晶體14的輸入18處於關閉的狀態。在開關電晶體14的集電極與電壓源7的負極之間(後者通常是接地極)接入一阻值很低的電流控制電阻28。這個電流控制電阻28的阻值只是幾個毫歐姆，因此實際上它不會限制流經開關電晶體14以及變壓器1的初級繞組2和3的電流。上述第一電晶體24的基極上連接有一電壓分壓器，其電阻27，處於發射極側並連接到電流控制電阻28。處於集電極側的同一分壓器的電阻25連接到電源7的正極並被適當地分成兩個電阻。電容器26接在這兩個電阻的分點與開關電晶體14和變壓器1的共公端之間。這個電容器26產生反饋到第一電晶體24的基極的電壓，同時在電流控制電阻28上所產生的電壓(該電壓與電流成正比例)產生反饋到同一第一電晶體24的基極的電流。
圖3電路的功能也可以在圖4的基礎上繼續研究。
圖4展示流經變壓器1的初級繞組2和3、開關電晶體14和電流控制電阻28的作為時間的函數的電流的波形。在點A處開關電晶體14導通，且如同被敘述過的那樣，串聯到電壓源7的電容器10和12產生高電流脈衝，它一直增大至點B。在點B處電容器10和12上的電荷被放完，電流減小直至點C。這個電流脈衝在變壓器1的次級繞組中感應高壓脈衝。
在電流控制電阻上產生與電流成正比例的電壓。這個電壓把具有本身加到儲存在電容器29中的電壓上，這導致了當電晶體22已截止時電晶體30以及開關電晶體14繼續停留在導通狀態。
這個產生在電流控制電阻28上的電壓也控制第一電晶體24的基極，且在點B的附近它作出努力使第一電晶體24導通。儘管如此同時產生在電容器26上的更高的負脈衝抵消了它，並保持電晶體24在點B處仍安全地處於截止狀態，因此沒有發生安全切斷開關電晶體14一事。在了解電晶體24的分壓器、電容器26、電壓源7的電壓和產生在電流控制電阻28上的電壓降之後，這種功能可很容易地計算出來。
圖4中在點B之後電容器10和12的放電電流減小，在點C處電壓源7的電流只流經初級繞組2和3和二極體8，同時使二極體8導通。從點C處起電流I開始以由變壓器1的感應率所確定的斜率上升。到達點D後產生在電流控制電阻28上的電壓經電阻27使另一電晶體24導通。應注意在電容器26上的有截止極性的脈衝現在已不再存在。在電晶體24導通的瞬時，開關電晶體14突然截止，中斷的電流I在初級繞組2和3中感應反極性的電壓，它再次對電容器10和12充電。
電晶體24的溫度相依性為正向電壓的與穩定有關的變化改變著在電流I曲線上點D的位置。在較低的溫度時點D移到圖4中虛線的方向上，即，電流I可增加至一較高值。這再次使儲存在變壓器1的磁能增加，即，在寒冷且較低的電源電壓的條件下高壓脈衝在寬範圍之內實際上可保持能量恆定。這對在寒冷的條件下起動汽車是非常有利的。
在電阻17b上並聯電容器34可以是有益的，它將會加速第二電晶體30的導通。
根據本發明及在圖3中所示的開關電路也可用於其他脈衝產生電路，其變壓器1可配以能量恢復電路。這種電路的一個例子展示在圖5中。
變壓器1的初級繞組2和3以及二極體8串連接入到開關電晶體14的發射極集電極電路。直到這點開關電路與圖3中展示的電路相對應。所不同的是初級繞組3、開關電晶體14和電容器34在一起形成迴路，如同在上述HU-PS T/31，483號的書中所詳細描述的那樣。根據本發明的開關電路的功能在這種情況中也與在上述的情況一致。
根據本發明的上述電路已被裝在一普通的點火變壓器的殼體中。作為控制電路16，電晶體放大器15和在一些情況中，開關電晶體14都可適於集成在一起或發展成一混合電路，這樣他們可容易地與高壓變壓器1一起裝在普通的點火變壓器的殼體中。通過這種方法根據本發明的完整的電路可直接與現今應用於汽車中的普通點火線圈互換，而不需要附加的裝置，設備或殼體，這大大地改進了根據本發明的電路的應用性。
權利要求
1、一種用直流電壓產生高壓脈衝的電路裝置包括一變壓器，該變壓器的一次級繞阻和至少兩個初級繞阻，至少一個二極體和一開關電路與該初級繞阻串聯，該串聯電路連接到一電壓源，一電容器連接該電壓源與該初級繞阻的共公端，另外該開關電路從一開關電晶體的發射極一集電極部分形成，一電晶體放大器的輸出連接到該開關電晶體的基極，該電晶體放大器的輸入與一控制電路的輸出耦合，其特徵在於該電晶體放大器(15)的輸入(18)從一第二電晶體(30)的基極形成，兩串聯的電阻(17a和17b)連接在該輸入(18)和該控制電路(16)的輸出之間，第一電晶體(24)的發射極-集電極部分連接到該兩個電阻(17a和17b)的共公端，一電壓分壓器連接到該第一電晶體(24)的基極，處於集電極側的其分支(25)被分阻並連接到該電壓源(7)，一電容器(26)接到該變壓器(1)的上述初級繞阻(3)和該開關電晶體(14)的共公端，接於發射極側的該電壓分壓器的電阻(27)連接到電流控制電阻(28)，它與該開關電晶體(14)的發射極一集電極電路串聯。
2、根據權利要求
1的電路，其特徵在於在該控制電路(16)中包括一對起動觸點(19)，一電阻(20)和一感應線圈(21)的一串聯電路連接到該電壓源(7)上，一電晶體(22)的基極-發射極部分並聯到該感應線圈(21)，該感應線圈帶有這樣的極性，即在中斷電流時，在該感應線圈(21)中所產生的電壓使該電晶體(22)導通，該控制電路(16)的輸出由該電晶體(22)的集電極形成。
3、根據權利要求
2的電路，其特徵在於一電壓分壓器(23)接入到該電晶體(22)的基極與該感應線圈(21)之間。
4、根據權利要求
2的電路，其特徵在於一電容器(29)接入到形成該控制電路(16)的該電晶體(22)的集電極與該電流控制電阻(28)之間。
5、根據權利要求
1的電路，其特徵在於一電容器(34)與該電阻(17b)並聯，該電阻串聯到該電晶體放大器(15)的輸入。
6、一種用直流電壓產生高壓脈衝的電路包括一變壓器，該變壓器的一次級繞阻和至少兩個初級繞阻，該初級繞阻及至少一個二極體和一開關電路串聯連接，該串聯電路連接於一電壓源，一電容連接到該電壓源和該初級繞阻的共公端，其特徵在於該二極體(8)接入到兩個該初級繞阻(2，3)之間，該電容器(12)並聯到直接與該電壓源(7)連接的該第一初級繞阻(2)以及與該第一初極繞阻串聯(2)的該二極體(8)，和一另外的電容器(10)並聯到該第二初級繞阻(3)以及與該第二初級繞阻(3)串聯的該二極體(8)，該二極體(8)相對於電壓源(7)的極性為正向接入。
專利摘要
本發明涉及一用直流電壓產生高壓脈衝的電路裝置，它包括一變壓器，該變壓器的一次級繞組和至少兩個初級繞組，至少一二極體和一開關電路與該初級繞組串聯；該串聯電路連接於一電壓源，一電容器連接於該電源和該初級繞組的公共端，另外該開關電路從一開關電晶體的發射極一集電極部分形成，一電晶體放大器的輸出連接到該開關電晶體的基極，該電晶體放大器的輸入與控制電路的輸出耦合。
文檔編號H03K17/64GK86102439SQ86102439
公開日1986年11月12日 申請日期1986年4月8日
發明者阿達姆·克沃克斯 申請人:阿達姆·克沃克斯導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan