CN86102439A - 用于产生高压脉冲的电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一用直流电压产生高压脉冲的电路装置，它包括一变压器，该变压器的一次级绕组和至少两个初级绕组，至少一二极管和一开关电路与该初级绕组串联；该串联电路连接于一电压源，一电容器连接于该电源和该初级绕组的公共端，另外该开关电路从一开关晶体管的发射极一集电极部分形成，一晶体管放大器的输出连接到该开关晶体管的基极，该晶体管放大器的输入与控制电路的输出耦合。

Description

本发明涉及一用直流电压产生高压脉冲的电路装置，它包括一变压器。该变压器的一次级绕组和至少两个初级绕组，该初级绕组与至少一个二极管和一开关电路串联;该串联电路连接于一电压源，一电容器连接于该电压源和该初级绕组的共公端，另外该开关电路由开关晶体管的发射极-集电极部分形成，一晶体管放大器的输出连接到该开关晶体管的基极，该晶体管放大器的输入与控制电路的输出耦合。

在电工技术和电子学中常常需要产生脉冲，特别是高压脉冲。这种需要很经常地出现在汽车电气领域中，其中用于内燃机点火的高压火花生产于高压脉冲。这种高压脉冲也用于闪光管的触发，它不仅应用在照相技术中，而且也应用在交通控制***和其他许多技术领域中。我们联系内燃机的点火***来叙述本发明，尽管本发明并不限于这种技术领域。

内燃机的电子点火***通常被采用，该***可分成两类。在第一类中有所谓可控硅或电容性的点火***，在这样的***中一电容将被充电，在点火的瞬时通过可控硅将这个电容的储存能量接通到高压变压器的主绕组上。这种***的优点在于控制点火瞬间的接触式断路器只切换很小的电流，因此可增加接触式断路器的寿命。然而，这种***的缺点在于需要一用于对电容器充电的转换器，由于其结构上需要许多元件，故它是很贵的，且在两个脉冲之间的很短的时间里只有很有限的能量以可以接受的成本储存进电容器。

所谓的晶体管点火***，属于第二类电子点火***，在这样一个***中不用接触式断路器，只用开关晶体管电路与普通的点火线圈的初级绕组串联。在这样一个***中接触式断路器负担也很轻，这是由于它只产生电流非常小的控制脉冲，而用开关晶体管来中断初级绕组中的高电流。这种***的优点在于接触式断路器负担轻，且那个较高的电流脉冲可以在点火线圈的初级绕组中被中断。

众所周知通过对燃料的更完美地实现点火可改善在内燃机中的燃烧质量和内燃机的效率，由于增加点火火花的能量使其成为可能。

如同我们所叙述过的，在电容性点火***中***的复杂性和价格的昂贵限制了增加点火花的能量。晶体管点火***的能量转换效率相对较低。高压脉冲的能量以及火花的能量随着电流电压的变化而显著地改变，这特别妨碍了汽车内燃机的冷起动。如同众所周知的那样，在冷起动时起动电气马达使冷起动器蓄电池的电压减小到这种程度以致这减小了的蓄电池电压常常不够产生点火火花。

公开号为T/31.483的匈牙利专利申请“用于产生高压脉冲的电路装置”的目的就是消除这些缺点，其中高压变压器的初级绕组被分成两个绕组部分。在这种已知的电路中变压器的一个初级绕组以及一开关电路和一个电容器一起形成了一个回路。两个初级绕组是串联的并经过一二极管与电压源相连。这种电路的工作原理为在形成开关电路的晶体管的电容器上储存能量驱动电流流经变压器的一个初级绕组，该电流加到从电压源流出的电流上，通过这种方法通过初级绕组能产生一非常高的电流脉冲。

这种电路的优点在于当流经初级绕组的电流中断时，即当开关晶体管截止时，产生于另一初级绕组中的极性相反的电压对电容器充电。在这种方法中这是一种能量恢复电路，因为在电流中断时所产生的感应电压把储存于变压器中的能量充进电容器。在这种方法中这是一种能量恢复电路。虽然这种电路在实际使用中工作的很好，但用于能量恢复的绕组未起到产生火花的作用。

在上述的电路中机电的开关装置可在理论上也可用作为开关电路，然而他们有许多缺点以致在电子点火***中他们至多用作控制开关。为了能中断流经变压器的初级绕组的高电流应首先考虑用大功率的开关晶体管。我已在根据我的上述专利申请    HU-PS    T/31.483的点火***中使用这种晶体管。在这种已知的电路中开关晶体管由一晶体管放大器推动，而该放大器侧由一控制电路控制。应用了包括随电压变化的电阻的负反馈电路，以避免电流电压的变化，首先是由电压的减小会大大地减小脉冲的能量。这种随电压变化的电阻（考虑了低电源电压、所需特性和电阻值）应为一白炽灯，然而其尺寸，寿命和可靠性与其他元件相比是不利的，这就是为什么这种电路的实际应用性受限制的原因。

为了实现发明的目的本发明在公开的材料中提供了一电路，它将电容性和晶体管点火***两者的优点结合起来;此外储存的磁能应以最可能高的效率恢复，通过这种方法可改进生产高压脉冲的效率。本发明的另一个目的在于形成这样一种开关电路，通过这种电路高压脉冲的能量当电源电压在宽范围内变化时，可保持恒定，这将对汽车的内燃机的冷起动特别有利。

我通过在公开的材料中所叙述的电路达到了这种目的，其中晶体管放大器的输入是第二晶体管的基极，在控制电路的该输出和输入之间两个串联的电阻，第一晶体管的发射极-集电极部分与该两个电阻的共公端相连接，电压分压器与第一晶体管的基极相连接，其处于集电极侧的分支被分组并被连接到一电压源，在该分支的分点与变压器的一初级绕组和开关晶体管的共公端之间接入一电容器，接入发射极侧的该电压分压器的一电阻连接到与该开关晶体管的发射极-集电极电路串联的电流控制电阻。

这种电路的优点在于通过加有双重反馈，可以实现开关晶体管的非常急剧的切换，同时即使电压源的电压减少50%以上产生的脉冲的能量实际仍可保持恒定。

在根据本发明的电路中，在控制电路中包括一对起动触点，一电阻和一感应线圈的串联电路连接到该电压源，一晶体管的基极-发射极部分并联于该感应线圈，该线圈带有的极性是在电流中断时产生于该感应线圈上的电压使该晶体管导通，该控制电路的输出则由该晶体管的集电极形成。这种电路的优点在于其结构要比上述的    HU-PS    T/31，483的结构简单多了，同时由于感应线圈的电流所产生的电源脉冲产生了快速的和确定的开关动作。

其进一步的优点在于该晶体管的基极和该感应线圈之间接入一电压分压器。最好在形成该控制电路的输出的该晶体管的集电极和该电流控制电阻之间接入一电容器。

本发明的一个有益的实施例的目的在于加速开关动作，其中一电容器与串联到该晶体管放大器的输入的该电阻并联。

一根据本发明的另一电路也有利于实现所设定的目的，它包括一变压器，其一次级绕组和至少两个初级绕组，该初级绕组及至少一个二极管和一开关电路串联在一起，该串联电路连接到电压源，一电容器连接到该电压源和该初级绕组的共公端，根据本发明其特征在于该二极管在两个该初级绕组之间，该电容器与该第一初级绕组并联，该初级绕组本身直接与电压源以及串联到该第一初级绕组的该二极管相连接，一个另外的电容器并联到该第二初级绕组，以及该二极管串联到该第二初级绕组上，该二极管相对于电压源的极性正向接入。这个最终电路的优点在于产生脉冲时供给变压器的很大一部分能量可通过在中断电流的瞬间把储存在线圈中的磁能给电容器充电并储存在其中的方法被恢复，然后这储存的能量被用于接着的脉冲的能量。

图1是根据本发明的变压器的能量恢复电路的电路图，

图2是在导通瞬间的图1线路图的等效电路图;

图3是根据本发明的开关电路的一实施例;

图4是流经根据本发明的开关电路的电流波形图;

图5展示了在上述匈牙利专利    HU-PS    T/31，483号的能量恢复电路中根据本发明开关电路的应用。

在图1中只能看见根据本发明的电路变压器1的初级绕组2和3，在其间接入一个二极管8。二极管8相对于电压源7的极性正向接入。电容器10和12分别经过二极管8并连到绕组2和3上。电容器12的两端分别连接到电压源7的正极和二极管8的阴极。电容器10的两端分别连接到二极管8的阴极和处于靠近电压源7的负极的初级绕组3的一端。开关电路6接在初级绕组3和电压源7的负极之间。

展示于图1中的电路的功能如下;

当接通开关电路6时电流开始从正极流经初级绕组2，二极管8，初级绕组3和开关电路6，到电压源7的负极。同时磁能存储在初级绕组2和3中。当断开开关电路6时，经初级绕组2和3的电流中断，在初级绕组2和3的两端产生一与前电压反极性的电压跳变。因此连接到二极管8的初级绕组2的一端将呈正极性，而连接于二极管8的阴极的初级绕组3的一端将呈负极性。在这瞬间初级绕组2和3可以被认为是电压源，有该极性后二极管8处于导通状态。因此初级绕组2所储存的磁能经二极管8流入电容器12并转换成静电能量贮存在电容器12中。同样地产生于初级绕组3中的电压跳变通过二极管8对电容器10充电。当初级绕组2和3的磁能被分别对电容器12和10完全过量充电时，在初级绕组2和3两端上的电压消失，二极管8截止。电路停留于这种状态。

当电路再次导通电容器12和10的电压将加到电压源7的电压上（由于二极管8仍处于截止状态）电容器12将经初级绕组3放电，而电容器10则经初级绕组2放电。考虑到电容器12和10能被充电到较高的电压，通过初级绕组2和3产生高电流脉冲。当电容器上的电荷放完时，即他们的电压降低，因而使二极管8导通，来自电压源7的同方向的电流流过初级绕组2和3其间的二极管8。在流经初级绕组2和3的高电流脉冲的影响下，在这里没有画出的高压变压器的次级绕组中产生高压脉冲。当然在电容器10和12放电的瞬间电压源必须能适应通过高电流脉冲。在带有起动蓄电池的情况下这是完全可能的。

在电容器12和10以该电流脉冲的形式分别向初级绕组2和3传送他们的能量后，他们失去电荷，其电压消失，以后从电压源7流经初级绕组2和3的电流再次在高压变压器1的铁芯上存储磁能。此后在开关电路6重复导通和断开的影响下上述过程重复产生，并因此产生高压脉冲。

在图3中根据本发明的实际上实行的开关电路与也是根据本发明的上述电路一起图示。在这种电路中变压器1包括两个初级绕组2和3，在其间接入一其极性相对于电压源7的极性为正向的二极管8。在二极管8和初级绕组2或初级绕组3之间的共公端上连有电容器，并被连接成电容器10连接到二极管8的阳极，其另一端则连接于处于靠近电压源7负极的初级绕组3的一端。二极管8的阴极连接有电容器12，电容器12的另一端则连接处于临近电压源7正极的初级绕组2的一端。变压器1包括一次级绕组5，其中在分别连系图1和图2所描述的电流脉冲的影响下产生高压脉冲。

在展示于图3中的根据本发明的开关电路中开关电路6由一开关晶体管14形成。开关晶体管14由控制电路16经过***的晶体管放大器15进行控制。在晶体管放大器15中晶体管30和31一同形成两级直流放大器。在这里所展示的例子中晶体管30是在共集电极电路中的一个npn型晶体管，电阻32接在其发射极电路中。晶体管30的发射极连接到晶体管31的基极，它连成共发射极电路。晶体管31在其集电极电路中有一负载电阻33，电阻的另一端连接到开关晶体管14的发射极;晶体管14在这个例子中连成共集电极路并由一pnp型晶体管形成。晶体管放大器15的输入18是晶体管30的基极。一电阻17串联连接到输入18，在一较好的实施例中，该电阻17被分为两部份，由电阻17a和17b形伞。

控制电路16的输出通过电阻17a和17b连接到晶体管放大器15的输入18。在控制电路16中一对起动触点19，一电阻20和一感应线圈21串联地连接到电压源7上。在内燃机的应用中起动触点对由内燃机的触点断路器形成。晶体管22的基极发射极电路并联到感应线圈21上。可实用的是在基极电路中接入一电压分压器23，将加到基极的电压进行分压。

开关电路16的功能（部分地根据图4所示的波形）如下。

在闭合起动触点对19时电流开始流经电阻20和感应线圈21，然后流经感应线圈21的电流将中断并在其中感应电压，其极性为正极性电压跳变将到达晶体管22的发射极和负极性电压跳变将到达晶体管22的基极。应注意在这里展示的例子中的晶体管22是pnp型的。在感应线圈21的电压跳变的影响下晶体管22导通，正向电压从电压源7通过感应线圈21和晶体管22的发射极集电极电路到达晶体管放大器15的输入18。晶体管放大器15的输出上连接有电容器29（这些我们将在后面再叙述），它对于在输出18处的波形的形成很重要。当在出现在感应线圈21上的电压脉冲的影响下晶体管22导通时，然后流经其发射极集电极电路的电流不仅由电压源7的电压驱动，而且也由与前者串联的并在感应线圈21中产生的电压脉冲驱动。

在电阻17a和17b之间的上述被分电阻17的分点上（其主要是输入18的分出的输入点）并联连接第一晶体管24的发射极集电极电路。通过这种方式，当第一晶体管24处于导通状态时，晶体管放大器15以及开关晶体管14的输入18处于关闭的状态。在开关晶体管14的集电极与电压源7的负极之间（后者通常是接地极）接入一阻值很低的电流控制电阻28。这个电流控制电阻28的阻值只是几个毫欧姆，因此实际上它不会限制流经开关晶体管14以及变压器1的初级绕组2和3的电流。上述第一晶体管24的基极上连接有一电压分压器，其电阻27，处于发射极侧并连接到电流控制电阻28。处于集电极侧的同一分压器的电阻25连接到电源7的正极并被适当地分成两个电阻。电容器26接在这两个电阻的分点与开关晶体管14和变压器1的共公端之间。这个电容器26产生反馈到第一晶体管24的基极的电压，同时在电流控制电阻28上所产生的电压（该电压与电流成正比例）产生反馈到同一第一晶体管24的基极的电流。

图3电路的功能也可以在图4的基础上继续研究。

图4展示流经变压器1的初级绕组2和3、开关晶体管14和电流控制电阻28的作为时间的函数的电流的波形。在点A处开关晶体管14导通，且如同被叙述过的那样，串联到电压源7的电容器10和12产生高电流脉冲，它一直增大至点B。在点B处电容器10和12上的电荷被放完，电流减小直至点C。这个电流脉冲在变压器1的次级绕组中感应高压脉冲。

在电流控制电阻上产生与电流成正比例的电压。这个电压把具有本身加到储存在电容器29中的电压上，这导致了当晶体管22已截止时晶体管30以及开关晶体管14继续停留在导通状态。

这个产生在电流控制电阻28上的电压也控制第一晶体管24的基极，且在点B的附近它作出努力使第一晶体管24导通。尽管如此同时产生在电容器26上的更高的负脉冲抵消了它，并保持晶体管24在点B处仍安全地处于截止状态，因此没有发生安全切断开关晶体管14一事。在了解晶体管24的分压器、电容器26、电压源7的电压和产生在电流控制电阻28上的电压降之后，这种功能可很容易地计算出来。

图4中在点B之后电容器10和12的放电电流减小，在点C处电压源7的电流只流经初级绕组2和3和二极管8，同时使二极管8导通。从点C处起电流I开始以由变压器1的感应率所确定的斜率上升。到达点D后产生在电流控制电阻28上的电压经电阻27使另一晶体管24导通。应注意在电容器26上的有截止极性的脉冲现在已不再存在。在晶体管24导通的瞬时，开关晶体管14突然截止，中断的电流I在初级绕组2和3中感应反极性的电压，它再次对电容器10和12充电。

晶体管24的温度相依性为正向电压的与稳定有关的变化改变着在电流I曲线上点D的位置。在较低的温度时点D移到图4中虚线的方向上，即，电流I可增加至一较高值。这再次使储存在变压器1的磁能增加，即，在寒冷且较低的电源电压的条件下高压脉冲在宽范围之内实际上可保持能量恒定。这对在寒冷的条件下起动汽车是非常有利的。

在电阻17b上并联电容器34可以是有益的，它将会加速第二晶体管30的导通。

根据本发明及在图3中所示的开关电路也可用于其他脉冲产生电路，其变压器1可配以能量恢复电路。这种电路的一个例子展示在图5中。

变压器1的初级绕组2和3以及二极管8串连接入到开关晶体管14的发射极集电极电路。直到这点开关电路与图3中展示的电路相对应。所不同的是初级绕组3、开关晶体管14和电容器34在一起形成回路，如同在上述HU-PS    T/31，483号的专利说明书中所详细描述的那样。根据本发明的开关电路的功能在这种情况中也与在上述的情况一致。

根据本发明的上述电路已被装在一普通的点火变压器的壳体中。作为控制电路16，晶体管放大器15和在一些情况中，开关晶体管14都可适于集成在一起或发展成一混合电路，这样他们可容易地与高压变压器1一起装在普通的点火变压器的壳体中。通过这种方法根据本发明的完整的电路可直接与现今应用于汽车中的普通点火线圈互换，而不需要附加的装置，设备或壳体，这大大地改进了根据本发明的电路的应用性。

Claims (6)

1、一种用直流电压产生高压脉冲的电路装置包括一变压器，该变压器的一次级绕阻和至少两个初级绕阻，至少一个二极管和一开关电路与该初级绕阻串联，该串联电路连接到一电压源，一电容器连接该电压源与该初级绕阻的共公端，另外该开关电路从一开关晶体管的发射极一集电极部分形成，一晶体管放大器的输出连接到该开关晶体管的基极，该晶体管放大器的输入与一控制电路的输出耦合，其特征在于该晶体管放大器(15)的输入(18)从一第二晶体管(30)的基极形成，两串联的电阻(17a和17b)连接在该输入(18)和该控制电路(16)的输出之间，第一晶体管(24)的发射极-集电极部分连接到该两个电阻(17a和17b)的共公端，一电压分压器连接到该第一晶体管(24)的基极，处于集电极侧的其分支(25)被分阻并连接到该电压源(7)，一电容器(26)接到该变压器(1)的上述初级绕阻(3)和该开关晶体管(14)的共公端，接于发射极侧的该电压分压器的电阻(27)连接到电流控制电阻(28)，它与该开关晶体管(14)的发射极一集电极电路串联。

2、根据权利要求1的电路，其特征在于在该控制电路（16）中包括一对起动触点（19），一电阻（20）和一感应线圈（21）的一串联电路连接到该电压源（7）上，一晶体管（22）的基极-发射极部分并联到该感应线圈（21），该感应线圈带有这样的极性，即在中断电流时，在该感应线圈（21）中所产生的电压使该晶体管（22）导通，该控制电路（16）的输出由该晶体管（22）的集电极形成。

3、根据权利要求2的电路，其特征在于一电压分压器（23）接入到该晶体管（22）的基极与该感应线圈（21）之间。

4、根据权利要求2的电路，其特征在于一电容器（29）接入到形成该控制电路（16）的该晶体管（22）的集电极与该电流控制电阻（28）之间。

5、根据权利要求1的电路，其特征在于一电容器（34）与该电阻（17b）并联，该电阻串联到该晶体管放大器（15）的输入。

6、一种用直流电压产生高压脉冲的电路包括一变压器，该变压器的一次级绕阻和至少两个初级绕阻，该初级绕阻及至少一个二极管和一开关电路串联连接，该串联电路连接于一电压源，一电容连接到该电压源和该初级绕阻的共公端，其特征在于该二极管（8）接入到两个该初级绕阻（2，3）之间，该电容器（12）并联到直接与该电压源（7）连接的该第一初级绕阻（2）以及与该第一初极绕阻串联（2）的该二极管（8），和一另外的电容器（10）并联到该第二初级绕阻（3）以及与该第二初级绕阻（3）串联的该二极管（8），该二极管（8）相对于电压源（7）的极性为正向接入。

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