взрывной пьезогенератор для формирования импульса тока в индуктивной нагрузке

Формула изобретения

Взрывной пьезогенератор для формирования импульса тока в индуктивной нагрузке, содержащий плосковолновой генератор ударной волны, пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде набора пьезопластин, и конденсатор, подключенный к пьезопреобразователю электрически параллельно, отличающийся тем, что диэлектрический элемент конденсатора выполнен из поляризованной пьезокерамики, при этом электроды конденсатора включены встречно электродам пьезопреобразователя, а площадь S^K электродов конденсатора выбрана из соотношения

где S^K - площадь электродов пьезопластин конденсатора;

Р^K _r - остаточная поляризация пьезопластин конденсатора;

S - площадь электродов пьезопластин пьезопреобразователя;

P_r - остаточная поляризация пьезопластин пьезопреобразователя;

С - суммарная емкость взрывного пьезогенератора;

V₀ - напряжение на выходных клеммах взрывного пьезогенератора;

Т - время работы пьезопреобразователя;

L - индуктивность нагрузки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в системах однократного действия.

Известен взрывной пьезогенератор /Взрывной пьезогенератор. АС №1119564, МПК H 02 N 2/00, H02L 41/113, опубликовано в БИ №8, 1997 г./, содержащий плосковолновой генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь в виде набора пьезопластин, залитых электроизоляционным материалом. Генерирование электрического импульса в нагрузке генератора происходит после взрыва содержащегося в генераторе ударной волны взрывчатого вещества при прохождении фронта ударной волны по пьезопреобразователю. При этом в омической нагрузке, подключенной к выходным клеммам взрывного пьезогенератора, формируется импульс электрического тока П-образной формы.

В случае применения такого взрывного пьезогенератора в схеме с индуктивной нагрузкой (L-нагрузкой) в цепи нагрузки формируется импульс тока, изменяющийся во времени по синусоидальному закону. Возникающие в результате этого излишки заряда накапливаются на собственной емкости взрывного пьезогенератора и заряжают ее до напряжения, величина которого может превысить электрическую прочность системы "генератор + нагрузка". Для того, чтобы сохранить уровень надежности, приходится искусственно увеличивать емкость пьезопреобразователя за счет увеличения высоты (площади) электродов входящих в его состав пьезопластин. При этом оказывается, что процесс ударной деполяризации пьезопластин пьезопреобразователя и, соответственно, генерирование электрической энергии будет протекать лишь в незначительной части его объема, а другая, существенно большая, его часть будет служить только для реализации расчетной величины емкости. Это приводит к потере компактности конструкции, увеличению габаритно-массовых характеристик пьезопреобразователя и взрывного пьезогенератора в целом.

Известен взрывной пьезогенератор для формирования импульса тока в индуктивной нагрузке, содержащий плосковолновой генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь / В.А.Демидов, В.Д.Садунов и др. Пьезокерамический источник питания ВМГ. Труды Седьмой международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. Саров, 5-10 августа 1996 г., стр. 347-350/. Генератор плоской ударной волны содержит заряд взрывчатого вещества и устройство формирования плоской ударной волны. Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой блок пьезопластин, заключенный в корпус из электроизоляционного компаунда. При этом к выходным клеммам пьезоэлектрического преобразователя подключен дополнительный конденсатор. В этой конструкции взрывного пьезогенератора поглощение избыточного заряда и тем самым ограничение роста напряжения на выходных клеммах генератора обеспечивается за счет емкости дополнительного конденсатора. Применение дополнительного конденсатора в конструкции взрывного пьезогенератора позволяет сократить его габаритно-массовые характеристики.

Тем не менее в отдельных случаях применения взрывного пьезогенератора с дополнительным конденсатором его габаритно-массовые характеристики сокращаются недостаточно, что препятствует практическому применению генератора.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в сохранении уровня надежности взрывного пьезогенератора при дальнейшем уменьшении его габаритно-массовых характеристик, т.е. увеличении его потребительских свойств.

Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в стабилизации величины напряжения на выходных клеммах взрывного пьезогенератора с L-нагрузкой в течение всего времени его работы. Стабилизация напряжения достигается за счет процесса переключения поляризации предварительно поляризованного пьезокерамического (диэлектрического) элемента конденсатора (пьезоконденсатора). В результате этого обеспечивается дальнейшее сокращение габаритно-массовых характеристик конденсатора (пьезоконденсатора), пьезопреобразователя и взрывного пьезогенератора в целом.

Указанный результат достигается тем, что во взрывном пьезогенераторе, содержащем плосковолновой генератор ударной волны, пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде набора пьезопластин, и конденсатор, подключенный к пьезопреобразователю электрически параллельно, новым является то, что диэлектрический элемент конденсатора выполнен из поляризованной пьезокерамики, при этом электроды конденсатора включены встречно электродам пьезопреобразователя, а площадь электродов конденсатора S^K выбрана из соотношения

где S^K - площадь электродов пьезопластин конденсатора;

Р_r ^K - остаточная поляризация пьезопластин конденсатора;

S - площадь электродов пьезопластин пьезопреобразователя;

Р_r - остаточная поляризация пьезопластин пьезопреобразователя;

С - суммарная емкость взрывного пьезогенератора;

V₀ - напряжение на выходных клеммах взрывного пьезогенератора;

Т - время работы пьезопреобразователя;

L - индуктивность нагрузки.

При работе взрывного пьезогенератора в объеме пьезоконденсатора, подключенного к пьезопреобразователю, возбуждается электрическое поле. При достижении напряженностью поля значения Е=Е^K _c , где Е^K _c - напряженность коэрцитивного электрического поля пьезокерамического диэлектрика пьезоконденсатора, в его объеме начинается процесс переключения поляризации из состояния "+P^K _r" в состояние "-Р^K _r", который протекает при постоянном напряжении V ₀:

где x^K ₀ - расстояние между электродами пьезоконденсатора. Это позволяет стабилизировать (поддерживать постоянной) величину напряжения на выходных клеммах взрывного пьезогенератора. При этом за счет процесса переключения поляризации в пьезоконденсаторе происходит поглощение избыточного заряда, генерируемого пьезопреобразователем, равного по величине . Собственная емкость пьезоконденсатора в этом процессе существенной роли практически не играет. Использование процесса переключения поляризации пьезоконденсатора для поглощения избыточного заряда пьезопреобразователя позволяет значительно сократить площадь электродов S^K и, соответственно, существенно снизить габаритно-массовые характеристики пьезоконденсатора и взрывного пьезогенератора в целом. Этот режим работы реализуется при условии баланса зарядов: Q - заряда, выделившегося при деполяризации пьезопластин пьезопреобразователя, Q^K - заряда, поглощенного в объеме пьезоконденсатора в результате переключения поляризации, Q^C - заряда, аккумулированного на суммарной емкости пьезопреобразователя и пьезоконденсатора, и Q^L - заряда, перетекшего в цепи L-нагрузки:

где

или

Откуда

При постоянном напряжении на выходных клеммах ток в L-нагрузке генератора будет возрастать линейно и достигнет за время работы пьезопреобразователя Т своего максимального значения I₀ раньше примерно на 1/3, чем в случае взрывного пьезогенератора с дополнительным конденсатором. Величина сокращения времени работы пьезопреобразователя, т.е. времени достижения максимального значения тока I₀ и, соответственно, максимального значения энергии W ₀ в индуктивной нагрузке генератора, получена с учетом следующего:

- время работы пьезопреобразователя при использовании дополнительного конденсатора

- время работы пьезопреобразователя при использовании пьезоконденсатора

Тогда величина сокращения времени работы пьезопреобразователя определится следующим образом:

или

Сокращение времени работы пьезопреобразователя, характеризуемое соотношением (10), означает, что высота пластин пьезопреобразователя z₀ уменьшается примерно на 1/3 и, соответственно, уменьшаются габаритно-массовые характеристики пьезопреобразователя и взрывного пьезогенератора в целом.

Необходимые расчетные соотношения для определения геометрических размеров пластин пьезопреобразователя и пьезоконденсатора могут быть получены следующим образом.

Суммарная длина электродов пластин пьезопреобразователя y ₀ находится из условия равенства к моменту времени t=T тока I(Т) в L-нагрузке току деполяризации пьезопреобразователя I₀. При этом величины: V ₀, Р_r, Р^K _r, Е^K _c, Т, E₀ - напряженность рабочего электрического поля, U - скорость распространения фронта ударной волны по пьезопластинам пьезопреобразователя - считаются заданными.

Соответственно расстояние между электродами х₀ и высота электродов z ₀ пластин пьезопреобразователя рассчитываются следующим образом:

С учетом соотношений (11) и (12) площадь электродов пьезопреобразователя определяется как

Далее, используя соотношение (13), можно определить площадь электродов пьезоконденсатора S^K из выражения (1), в котором величиной слагаемого C V₀ можно пренебречь ввиду его малости по сравнению с другими членами

а расстояние между его электродами x ^K ₀ определяется из (2) в виде

Следует отметить, что известен взрывной пьезогенератор /Пьезоэлектрический генератор. Авторское свидетельство СССР №1835977. МПК Н 02 N 2/00, Н 01 L 41/113. Опубл. в БИ №15, 2002 г./, в котором имеется блок пьезопластин - пьезоконденсатор, подключенный к пьезопреобразователю электрически параллельно и встречно. Но для него площадь электродов S^K рассчитывается иначе, поскольку технический результат, достигаемый в предложенном устройстве, иной. Это устройство имеет два режима работы. В первом режиме, номинальном, пьезоконденсатор не участвует. Во втором режиме, аварийном, названном режимом компенсации, весь выделившийся в пьезопреобразователе заряд должен протечь только через пьезоконденсатор, поэтому площадь электродов пьезоконденсатора рассчитывается в соответствии со следующим уравнением, отражающим баланс зарядов для этого случая

где - степень переключения поляризации пьезоконденсатора, 0< <2, - абсолютная величина изменения поляризации пьезоконденсатора.

Взрывной пьезогенератор схематично показан на фиг.1. На фиг.2 представлено изображение прямоугольной пьезопластины пьезопреобразователя и показано направление распространения фронта ударной волны.

Взрывной пьезогенератор (см. фиг.1) содержит плосковолновой генератор ударной волны, пьезопреобразователь и пьезоконденсатор.

Плосковолновой генератор ударной волны состоит из электродетонатора 1, взрывчатого вещества 2 и устройства формирования плоской ударной волны 3.

Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой набор пьезопластин 4 с электродами 10. Пьезопластины 4 залиты электроизоляционным материалом 5, например эпоксидным компаундом.

Электроды 8 пьезоконденсатора 7 с поляризованной пьезокерамикой 11 подключены к электродам 6 пьезоэлектрического пьезопреобразователя электрически параллельно и встречно, т.е. положительный электрод пьезоконденсатора подключен к отрицательному электроду пьезопреобразователя. Индуктивная нагрузка 9 подключена к выходным клеммам 12 взрывного пьезогенератора параллельно. Площадь электродов пьезоконденсатора 7 рассчитывается в соответствии с выражением (1).

Взрывной пьезогенератор работает следующим образом. Электродетонатор 1 возбуждает детонацию во взрывчатом веществе 2, и в устройстве 3 формируется плоская ударная волна. При прохождении ударной волны по пьезопреобразователю в объеме пьезопластин 4 возбуждается рабочее электрическое поле Е ₀. В результате в пьезоконденсаторе 7 и L-нагрузке 9, подключенной к выходным клеммам 12 взрывного пьезогенератора, формируется линейно нарастающий импульс электрического тока. При этом в течение времени Т, поскольку пьезоконденсатор 7 подключен к пьезопреобразователю встречно, в объеме поляризованной пьезокерамики 11 при достижении напряженностью электрического поля значения Е ^K _c начинается процесс переполяризации из состояния "+P^K _r" в состояние "-Р^K _r", который протекает при значении E ^K _c=const и, соответственно, при постоянном напряжении на выходных клеммах 12 взрывного пьезогенератора.