close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY7442

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 7442
(13) C1
(19)
(46) 2005.12.30
(12)
7
(51) H 03K 3/45, 17/20
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ГЕНЕРАТОР НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА
(ВАРИАНТЫ)
BY 7442 C1 2005.12.30
(21) Номер заявки: a 19990599
(22) 1999.06.15
(43) 2000.12.30
(71) Заявитель: Макрицкий Юрий Витольдович (BY)
(72) Авторы: Макрицкий Юрий Витольдович (BY)
(73) Патентообладатель: Макрицкий Юрий
Витольдович (BY)
(56) Катаев И.Г. и др. ПТЭ, 1971. - № 5. - С.
126-130.
Макрицкий Ю.В. ПТЭ, 1977. - № 1. С. 118-120.
SU 615801A, 1982.
(57)
1. Генератор наносекундных импульсов тока, содержащий генератор исходных импульсов, включающий коммутатор, дроссель и накопительный конденсатор, соединенные
последовательно, магнитное звено сжатия, состоящее из конденсатора, первым выводом
соединенного со вторым выводом накопительного конденсатора, являющегося сигнальным выходом генератора исходных импульсов, а вторым выводом - с общей шиной, и нелинейного индуктивного элемента, входом соединенного с выходом генератора исходных
импульсов, а выходом - последовательно с нагрузкой, соединенной с общей шиной, генератор запуска, выходом соединенный с управляющим электродом коммутатора, второй
вывод которого соединен с общей шиной, и устройство заряда накопительного конденсатора от источника анодного напряжения, отличающийся тем, что содержит нелинейный
индуктивный элемент, соединенный последовательно с элементами генератора исходных
импульсов, при этом нелинейные индуктивные элементы генератора исходных импульсов
и звена сжатия выполнены в виде ферритового кольца, насаженного на отрезок проводящей трубки, причем площадь сечения S1 магнитопровода ферритового кольца нелинейного индуктивного элемента магнитного звена сжатия определена из соотношения:
Фиг. 1
BY 7442 C1 2005.12.30
2U 0 C
L
,
Bm
C + C1
где U0 - напряжение на накопительном конденсаторе генератора исходных импульсов в
момент включения коммутатора,
C - емкость накопительного конденсатора генератора исходных импульсов,
Bm - максимальное значение магнитной индукции ферритового кольца нелинейного
индуктивного элемента магнитного звена сжатия при динамическом намагничивании,
L - индуктивность дросселя генератора исходных импульсов,
C1 - емкость конденсатора магнитного звена сжатия,
площадь сечения S магнитопровода ферритового кольца нелинейного индуктивного
элемента генератора исходных импульсов принята большей или равной величине S1, емкость конденсатора магнитного звена сжатия выбрана равной емкости накопительного
конденсатора генератора исходных импульсов тока (C1 = C), а величина сопротивления
нагрузки RH удовлетворяет условию:
L1
0 ≤ Rh ≤
,
C1
где L1 - распределенная индуктивность магнитного звена сжатия, равная сумме индуктивности отрезка проводящей трубки при насыщенном состоянии его ферритового кольца и
индуктивности подсоединений.
2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что содержит дополнительное звено, выполненное в виде ферритового кольца, насаженного на отрезок проводящей трубки, последовательно включенное с нелинейным индуктивным элементом магнитного звена сжатия и нагрузкой, и конденсатор, первым выводом соединенный со входом проводящей
трубки дополнительного звена, вторым - с общей шиной, емкость которого составляет 1/9
от емкости конденсатора магнитного звена сжатия, а площадь сечения магнитопровода
ферритового кольца составляет 1/6-1/9 от площади сечения магнитопровода ферритового
кольца магнитного звена сжатия.
3. Генератор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что содержит переключающий дроссель, первым выводом соединенный с сигнальным выходом генератора исходных импульсов, а вторым - с общей шиной, содержащий m витков провода, намотанного на ферромагнитный сердечник, площадь Sm сечения магнитопровода которого определена из соотношения:
U (τ )
S m = 0 u c1 ,
πm(B m )n
где (τu)с1 - время перезаряда накопительной емкости генератора исходных импульсов на
емкость магнитного звена сжатия,
(Bm)n - максимальное значение индукции сердечника переключающегося дросселя.
4. Генератор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что магнитное звено сжатия
совместно с дополнительным звеном выполнено в виде коаксиала, в котором центральный
проводник выполнен в виде отрезка проводящей трубки с насаженными на нем ферритовыми кольцами, а емкость указанных магнитных звеньев выполнена в виде сборок из n
конденсаторов, где n ≥ 2, включенных аксиально-симметрично между центральным и
внешним проводниками коаксиала.
5. Генератор по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что магнитное звено сжатия
соединено с выходом генератора исходных импульсов через отрезок коаксиального кабеля или полосковой линии длиной до трех метров.
6. Генератор по п. 1 или 5, отличающийся тем, что содержит n0-1 генераторов исходных импульсов, каждый из которых состоит из коммутатора, накопительного конденсатора, дросселя и нелинейного индуктивного элемента, соединенных последовательно, при
S1 =
2
BY 7442 C1 2005.12.30
этом нелинейный индуктивный элемент выполнен в виде ферритового кольца, насаженного на отрезок проводящей трубки, причем выходы n0-1 генераторов исходных импульсов
соединены со входом коаксиального кабеля или полосковой линии, с выходом которых
соединен конденсатор магнитного звена сжатия и нелинейный индуктивный элемент, последовательно соединенный с нагрузкой, и n0-1 генераторов запуска, выходами соответственно соединенных с управляющими электродами коммутаторов, вторые выводы которых
соединены с общей шиной.
7. Генератор наносекундных импульсов тока, содержащий генератор исходных импульсов, включающий коммутатор и накопительный конденсатор, соединенные последовательно, причем второй вывод накопительного конденсатора является сигнальным выходом генератора исходных импульсов, формирующую линию, содержащую от трех до пяти
конденсаторов и соответственно от трех до пяти последовательно соединенных нелинейных индуктивных элементов, выполненных в виде ферритовых колец одного типоразмера,
насаженных на отрезок проводящей трубки, входом соединенной с сигнальным выходом
генератора исходных импульсов, при этом первые выводы конденсаторов формирующей
линии соединены с проводящей трубкой формирующей линии в точке контакта ее с сигнальным выходом генератора исходных импульсов и в точках контакта между ферритовыми кольцами, а вторые выводы конденсаторов формирующей линии соединены с общей
шиной; генератор запуска, выходом соединенный с управляющим электродом коммутатора,
второй вывод которого соединен с общей шиной, устройство заряда накопительного конденсатора от источника анодного напряжения и нагрузку, отличающийся тем, что содержит
нелинейный индуктивный элемент, выполненный в виде ферритового кольца, насаженного на отрезок проводящей трубки, входом соединенный с выходом формирующей линии,
а выходом - с общей шиной, подключенный параллельно нагрузке, при этом площадь сечения Sn магнитопровода которого определена из соотношения:
U τ
Sn = u u ,
Bm
где Uu - амплитуда импульса напряжения на сопротивлении нагрузки,
τu - длительность импульса на сопротивлении нагрузки, равная времени переключения
ферритового кольца, подключенного параллельно нагрузке,
Bm - максимальное значение магнитной индукции при динамическом намагничивании
ферритового кольца, соединенного параллельно с нагрузкой,
суммарная площадь сечения S3 - магнитопроводов ферритовых колец формирующей линии определена из соотношения:
U
S 3 = 0 2L 2 C ,
Bm
где U0 - напряжение заряда накопительного конденсатора C генератора исходных импульсов в момент включения коммутатора,
L2 - распределенная индуктивность генератора исходных импульсов, равная сумме
индуктивностей элементов, их выводов и подсоединений;
конденсаторы формирующей линии имеют одинаковый номинал, суммарная емкость которых равна емкости накопительного конденсатора генератора исходных импульсов.
8. Генератор по п. 7, отличающийся тем, что формирующая линия выполнена в виде
коаксиала, центральный проводник которого выполнен в виде отрезка проводящей трубки
с насаженными на ней ферритовыми кольцами, а конденсаторы формирующей линии выполнены в виде сборок из n конденсаторов, где n ≥ 2, включенных аксиальносимметрично между центральным и внешним проводниками коаксиала.
9. Генератор наносекундных импульсов тока, содержащий генератор исходных импульсов, включающий коммутатор, дроссель и накопительный конденсатор, соединенные
последовательно, магнитное звено сжатия, состоящее из двух конденсаторов и нелинейно3
BY 7442 C1 2005.12.30
го индуктивного элемента, при этом первые выводы конденсаторов и вход магнитного
звена сжатия соединены со вторым выводом накопительного конденсатора, являющегося
сигнальным выходом генератора исходных импульсов, вторые выводы конденсаторов
магнитного звена сжатия соединены с общей шиной, формирующую линию, содержащую
от трех до пяти конденсаторов и соответственно от трех до пяти последовательно соединенных нелинейных индуктивных элементов, при этом первые выводы конденсаторов
формирующей линии соединены со входом формирующей линии и в точках контакта между ферритовыми кольцами, а вторые выводы конденсаторов формирующей линии соединены с общей шиной, вход формирующей линии соединен с выходом магнитного звена сжатия, генератор запуска, выходом соединенный с управляющим электродом коммутатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, устройство заряда
накопительного конденсатора от источника анодного напряжения и нагрузку, отличающийся тем, что содержит нелинейный индуктивный элемент, выполненный в виде ферритового кольца, насаженного на отрезок проводящей трубки, соединенный последовательно с элементами генератора исходных импульсов, а также нелинейный индуктивный элемент, выполненный в виде ферритового кольца, насаженного на отрезок проводящей
трубки, входом соединенный с выходом формирующей линии, а выходом - с общей шиной, подключенный параллельно нагрузке, каждый из нелинейных индуктивных элементов магнитного звена сжатия и формирующей линии выполнен в виде ферритового кольца, насаженного на отрезок проводящей трубки, магнитное звено сжатия совместно с
формирующей линией выполнено в виде коаксиала, в котором центральный проводник
выполнен в виде отрезка проводящей трубки с насаженным ферритовым кольцом, а конденсаторы формирующей линии и магнитного звена сжатия выполнены в виде сборок из n
конденсаторов, где n ≥ 2, включенных аксиально-симметрично между центральным и
внешним проводниками коаксиала.
10. Генератор по п. 9, отличающийся тем, что магнитное звено сжатия совместно с
формирующей линией и нагрузкой соединены с выходом генератора исходных импульсов
через отрезок коаксиального кабеля или полосковой линии длиной, не превышающей три
метра.
11. Генератор по любому из пп. 1-5 или 8-10, отличающийся тем, что площадь сечения S магнитопровода ферритового кольца нелинейного индуктивного элемента генератора исходных импульсов и длина l его ферритового заполнения удовлетворяют соотношениям:
t U
ε 0 ε(R k + rk )
S≥ n 0 , l≤
⋅ U0 ,
2R k H c B m
Bm
где tn - время переключения ферритового кольца нелинейного индуктивного элемента генератора исходных импульсов, равное времени задержки импульса анодного тока от спада
анодного напряжения на коммутаторе,
ε0 - диэлектрическая постоянная,
ε - относительное значение диэлектрической проницаемости ферритовых колец,
Rk, rk - внешний и внутренний радиусы ферритового кольца,
Hc - коэрцитивная сила,
при этом площадь сечения S магнитопровода ферритового кольца нелинейного индуктивного элемента генератора исходных импульсов принята большей или равной площади сечения S1 магнитопровода ферритового кольца нелинейного индуктивного элемента магнитного звена сжатия.
Изобретение относится к импульсной наносекундной технике и может быть использовано для питания устройств как с низкоомным входом, в том числе гетеролазеров и мат-
4
BY 7442 C1 2005.12.30
риц на их основе, служащих для дальнометрии и передачи информации по лазерному лучу, так и устройств с высокоомным входом.
Развитие импульсной наносекундной техники, с одной стороны, определялось требованиями вычислительной техники, и разработки в данной области были направлены на
микроминиатюризацию интегральных схем. Успехи в данном направлении позволили одновременно увеличить скорость обработки информации ЭВМ до 100 МГц и более. С другой стороны, прогресс в таких областях техники, как квантовая электроника, радиолокация, ультразвуковая техника и т.п., связан с разработкой генераторов импульсов, способных формировать токи амплитудой 100-1000 А и более, длительностью 10-100 нс, что
связано с разработкой коммутаторов на такие токи с крутизной нарастания 1010-1012 А/с.
Тиристоры удовлетворяют указанным требованиям по величине анодного тока, но их динамические параметры ограничены скоростью нарастания анодного тока, не превышающей 109 А/с [1].
При подаче импульса запуска на управляющий электрод в тиристорах вначале включается локальная область полупроводниковой структуры, расположенная вблизи управляющего электрода. Скорость распространения проводящей плазмы в поперечном направлении составляет величину порядка 102 м/с, что ограничивает скорость нарастания
анодного тока. Превышение скорости нарастания анодного тока выше допустимой величины приводит к локальному перегреву, диффузионному отжигу и проплавлению полупроводниковой структуры [1].
Плотность тока в проводящем канале на 1-2 порядка может превышать среднее значение, что следует из нижеприведенного рассмотрения.
На электроны проводимости в проводящем канале действует сила Лоренца, обусловленная собственным магнитным полем тока и смещающая электроны проводимости к
центру проводящего канала. В предположении постоянства плотности тока по сечению
проводящего канала распределение сжимающего потенциала U по радиусу r сечения имеет вид [2]:
µ µ r
U( r ) = 0 ⋅
⋅ j02 ,
(1)
4 en i
где µ0 - магнитная постоянная;
µ - относительное значение магнитной проницаемости;
е - элементарный заряд;
ni - концентрация электронов проводимости;
j0 - плотность тока в проводящем канале.
Уравнение (1) получено на основании формулы Лоренца при условии, что плотность
тока j0 = eniν0,
где ν0 - скорость движения электронов.
Электрическое поле внутри проводящего канала, образованного положительно заряженными ионами решетки, равно нулю, что вытекает из равенства нулю электрического
поля внутри заряженного цилиндра.
Наличие радиальной составляющей электрического поля вызывает перераспределение
электронов проводимости по сечению проводящего канала. На основании выражения
(2)
diνD = ρ = е⋅∆ni,
где diνD - дивергенция вектора электрической индукции D;
ρ - плотность заряда, создаваемого избыточными электронами проводимости, заряд
которых компенсирует напряженность электрического поля, создаваемую собственным
магнитным полем тока;
∆ni - концентрация избыточных электронов проводимости; получено, что величина
ε εµ µ
ε εµ µ
∆n i = 0 2 0 ⋅ j02 = 0 0 ⋅ ν 02 ⋅ n i = k ⋅ n i ,
(3)
2e n i
2
5
BY 7442 C1 2005.12.30
где ε0 - диэлектрическая постоянная;
ε - относительное значение диэлектрической проницаемости;
ε εµ µ
ε εµ µ
k = 0 2 02 ⋅ j02 = 0 0 ⋅ ν 02 −
(4)
2e n i
2
коэффициент сжатия, пропорциональный квадрату плотности тока и обратно пропорциональный квадрату концентрации электронов проводимости, а также равный отношению квадратов скоростей движения электронов к скорости движения электромагнитной
волны в среде.
Увеличение концентрации электронов проводимости в проводящем канале приводит к
увеличению плотности тока и соответственно напряженностей магнитного и электрического полей, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему уменьшению радиуса. Равновесие установится, когда напряженность электрического поля за счет силы Лоренца компенсируется зарядом избыточных носителей, - радиус проводящего канала при этом станет равным rе.
Величина rе определена методом последовательных приближений. Второе приближение получено, полагая, что концентрация электронов проводимости в проводящем канале
n1 = n0 + ∆n0, плотность тока j1 = eν1⋅(n0 + ∆n0) и объемная плотность избыточного заряда
ρ1 = е⋅∆n1.
Тогда, рассуждая по аналогии с выводом уравнения (3), получено, что величина избыточной концентрации электронов в проводящем канале:
(5)
∆n = n0⋅(k + k2).
При числе приближений, стремящемся к бесконечности, сумма членов геометрической прогрессии приведена к виду:
k
,
∆n = n 0 ⋅
(6)
1− k
где ∆n - избыточная концентрация электронов в проводящем канале; а радиус проводящего канала определен из соотношения:
(7)
rе = r0⋅(1-k)1/2,
где r0 - радиус проводящего канала до сжатия.
Из данного рассмотрения сделан вывод, что скорость движения электронов не зависит
от степени сжатия, а также, что величина избыточной концентрации и соответственно
плотность тока в проводящем канале не зависят от расстояния, измеряемого от оси канала.
Из полученных выражений также следовало, что, когда плотность тока в проводящем
канале достигает предельной величины, равной:
en 0
jпр = 2 ⋅
,
(8)
ε 0 εµ 0 µ
происходит "схлопывание" проводящего канала под действием собственного магнитного поля тока. Уравнение (8) получено из выражения (7) при условии, что радиус канала
стремится к нулю.
Полученные результаты рассмотрены при работе тиристорной структуры. Напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода в кремнии равно 1 кВ при концентрации
примеси в n-слое, равной 1,9⋅1014 см-3 [3]. Полагая для кремния µ = 1, ε = 12, n0 = 1,9⋅1014
см-3, на основании уравнения (8) получено, что в проводящем канале, диаметр которого
при включении тиристора равен 0,1 мм [4], схлопывание носителей тока происходит при
токе 29 А, что ограничивает динамические характеристики тиристоров, биполярных и полевых транзисторов.
Мощные полевые транзисторы с изолированным затвором находят также все более
широкое применение в схемах формирования импульсов тока амплитудой в несколько десятков ампер и длительностью 100 нc и более обуславливает ряд требований к устройст6
BY 7442 C1 2005.12.30
вам запуска, а именно: время заряда-разряда входной емкости не должно превышать несколько десятков наносекунд; напряжение заряда входной емкости не должно превышать
максимально допустимого значения, для различных типов транзисторов равного 10-20 В,
но должно быть сравнимым с данной величиной при работе в ключевом режиме, поскольку превышение напряжения выше максимально допустимой величины приводит к выходу
транзистора из строя, а активное сопротивление канала сток-исток уменьшается с увеличением напряжения заряда входной емкости.
Известно устройство для управления мощным полевым транзистором, содержащее
две схемы коммутации, выходы которых соединены с затвором и истоком мощного полевого транзистора, одна из схем коммутации служит для включения мощного полевого
транзистора, вторая - для его выключения, каждая из схем коммутации содержит генератор пусковых импульсов, трансформатор и переключающий транзистор, первичные обмотки трансформаторов соединены с выходами генераторов пусковых импульсов, выводы
вторичной обмотки трансформаторов через диод и соединенный с ним переключающий
транзистор соединены с затвором мощного полевого транзистора и его истоком; запуск
переключающих транзисторов осуществляется от дополнительной вторичной обмотки
трансформаторов, соединенной с затвором и истоком транзистора [5].
При формировании импульса положительной полярности на вторичной обмотке
трансформатора включающий транзистор открывается и происходит заряд входной емкости мощного полевого транзистора и его включение, - в это время выключающий транзистор заперт. При включении мощного полевого транзистора на сопротивлении нагрузки
формируется импульс. При смене полярности импульса на вторичной обмотке трансформатора выключающий транзистор открывается, происходит разряд входной емкости мощного полевого транзистора и его выключение.
Недостатком известного устройства является сравнительно большая длительность
формируемых на нагрузке импульсов, связанная с большим временем включения и выключения мощного полевого транзистора, обусловленным его большой входной емкостью
и малой амплитудой импульса управления.
Известны два основных способа формирования мощных импульсов тока наносекундной
длительности из импульсов микросекундного диапазона длительностей, основанных на:
1) образовании ударных электромагнитных волн в длинных коаксиальных линиях со
сплошным ферритовым заполнением [6];
2) сжатии во времени исходных импульсов тока магнитными звеньями, содержащими
конденсатор и дроссель или трансформатор с ферромагнитным сердечником [7].
Известен генератор мощных наносекундных импульсов тока, содержащий генератор
исходных импульсов, включающий коммутатор и накопительный элемент, выполненный
в виде двух искусственных линий с сосредоточенными параметрами, подключенных с одной стороны к коммутатору, две нелинейные коаксиальные линии со сплошным ферритовым заполнением, вход каждой из которых подсоединен к искусственной линии, а выходы
соединены фазоинвертором, и импульсный трансформатор на длинных линиях, содержащий двадцать четыре отрезка коаксиального кабеля длиной по двенадцать метров, входы
которых соединены последовательно-параллельно, а выходы - параллельно, к которым
подключена нагрузка [8].
Длительность импульсов на выходе схемы соответствует разности времен задержки
нелинейных формирующих линий.
Недостатками известного устройства являются большие массогабаритные характеристики, большая величина волнового сопротивления формирующих линий и необходимость применения импульсного трансформатора на длинных линиях для согласования
выхода генератора с сопротивлением нагрузки.
Наиболее близким по технической сущности является генератор импульсов, содержащий генератор исходных импульсов, включающий коммутатор, накопительный конденса7
BY 7442 C1 2005.12.30
тор и дроссель, соединенные последовательно, схему сжатия исходных импульсов, включающую три магнитных звена, состоящих из нелинейного индуктивного элемента и конденсатора, в которой конденсатор первого магнитного звена одним выводом соединен со
вторым выводом накопительного конденсатора, являющегося сигнальным выходом генератора исходных импульсов, а вторым - с общей шиной, вход нелинейного индуктивного
элемента первого магнитного звена соединен с выходом генератора исходных импульсов,
а выход - со входом нелинейного индуктивного элемента второго магнитного звена, выход нелинейного индуктивного элемента последнего магнитного звена - со входом формирующей линией с сосредоточенными параметрами, служащей для обострения фронта
импульса и состоящей из двадцати восьми магнитных звеньев с малой постоянной времени, нелинейные индуктивные элементы которых выполнены на ферритовых сердечниках,
трансформатор, включенный между вторым и третьим магнитными звеньями, выходной
каскад, служащий для согласования выхода генератора с нагрузкой, один из выводов которой соединен с общей шиной, генератор запуска, входом соединенный с управляющим
электродом коммутатора, вторым выводом - с общей шиной, устройство заряда накопительного конденсатора от источника анодного напряжения [9].
Формирование импульсов наносекундной длительности в данной схеме основано на
использовании нелинейной кривой намагничивания сердечника переключающегося дросселя. Сердечники переключающихся дросселей работают в режиме глубокого насыщения,
когда напряженность магнитного поля значительно больше коэрцитивной силы. Когда
сердечник не насыщен, напряжение приложено к обмотке переключающегося дросселя,
после переключения которого происходит перезаряд емкости предыдущего магнитного
звена на емкость последующего звена.
Постоянная времени, равная (LocmCзв)1/2 , каждого предыдущего звена значительно
больше постоянной времени последующего магнитного звена, где Locm - остаточное значение индуктивности переключающегося дросселя; Сзв - емкость конденсатора.
Коэффициент сжатия равен отношению постоянных времени предыдущего к последующему звену. Максимальный коэффициент сжатия, равный примерно 20, как правило,
достигался первым звеном формирующей линии при сжатии исходного импульса тока. С
ростом коэффициента сжатия объем сердечника переключающегося дросселя увеличивается пропорционально квадрату величины коэффициента сжатия.
Основными недостатками данного устройства являются большие массогабаритные
характеристики, большая величина волнового сопротивления магнитных звеньев формирующей линии, обусловленная большой величиной остаточной индуктивности, и большое
значение постоянной времени звена формирующей линии, определяющего длительность
импульса на выходе устройства, а также низкий КПД устройства и большой временной
интервал между импульсами.
Известен также генератор наносекундных импульсов, работающий на принципе укорочения фронта исходных импульсов, содержащий генератор исходных импульсов, включающий
коммутатор и накопительный конденсатор, соединенные последовательно, причем второй вывод накопительного конденсатора является сигнальным выходом генератора исходных импульсов, формирующую линию, содержащую от трех до пяти конденсаторов и соответственно
от трех до пяти последовательно соединенных нелинейных индуктивных элементов, выполненных в виде ферритовых колец одного типоразмера, насаженных на отрезок проводящей
трубки, входом соединенной с сигнальным выходом генератора исходных импульсов, при этом
первые выводы конденсаторов формирующей линии соединены с проводящей трубкой формирующей линии в точке контакта ее с сигнальным выходом генератора исходных импульсов и в
точках контакта между ферритовыми кольцами, а вторые выводы конденсаторов формирующей линии соединены с общей шиной, генератор запуска, входом соединенный с управляющим электродом коммутатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, устройство заряда накопительного элемента от источника анодного напряжения и нагрузку [10].
8
BY 7442 C1 2005.12.30
В устройстве нелинейные индуктивные элементы формирующей линии выполнены с
одинаковыми параметрами, а величина емкости каждого последующего звена выбрана в
два раза меньше предыдущего.
Недостатками известного устройства являются большая длительность импульсов тока,
большая длительность спада и большой временной интервал между импульсами, не позволяющий использовать генератор в устройствах передачи информации в режиме кодово-импульсной модуляции.
Задача изобретения - разработка устройства, работающего на низкоомную несогласованную нагрузку, и уменьшение массогабаритных характеристик за счет упрощения устройства при сохранении основных его характеристик.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее генератор исходных
импульсов тока, включающий коммутатор, накопительный конденсатор и дроссель, соединенные последовательно, магнитное звено сжатия, состоящее из конденсатора, подключенного первым выводом к сигнальному выводу генератора исходных импульсов, а
вторым - к общей шине, и нелинейного индуктивного элемента, вход которого соединен с
выходом генератора исходных импульсов, а выход - последовательно с нагрузкой, соединенной с общей шиной, генератор запуска, выходом подключенный к управляющему
электроду коммутатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, и устройство
заряда накопительного конденсатора от источника анодного напряжения, введен нелинейный индуктивный элемент, включенный последовательно с элементами генератора исходных импульсов, при этом нелинейные индуктивные элементы генератора исходных импульсов и звена сжатия выполнены в виде ферритового кольца, насаженного на отрезок
проводящей трубки, причем площадь сечения S1 магнитопровода ферритового кольца нелинейного индуктивного элемента магнитного звена сжатия определена из соотношения:
2U 0 C
L
S1 =
⋅
,
(9)
Bm
C + C1
где U0 - напряжение на накопительном конденсаторе генератора исходных импульсов в
момент включения коммутатора;
С - емкость накопительного конденсатора генератора исходных импульсов;
L - индуктивность дросселя генератора исходных импульсов тока;
C1 - емкость конденсатора магнитного звена сжатия;
площадь сечения S магнитопровода ферритового кольца нелинейного индуктивного
элемента генератора исходных импульсов принята большей или равной величине S1, емкость конденсатора магнитного звена сжатия выбрана равной емкости накопительного
конденсатора генератора исходных импульсов (C1 = C) , а величина сопротивления нагрузки Rн удовлетворяла условию:
L1
0 ≤ Rн ≤
,
(10)
C1
где L1 - распределенная индуктивность звена сжатия, равная сумме индуктивности отрезка проводящей трубки при насыщенном состоянии его ферритового кольца и индуктивности подсоединений.
В данном устройстве длительность импульса τu на сопротивлении нагрузки Rн равна:
(11)
τ u = π ⋅ L 1C1 ,
а коэффициент k0 сжатия исходного импульса во времени при равенстве емкостей C1 и
С равен:
2L
k0 =
,
(12)
L1
9
BY 7442 C1 2005.12.30
а длительность исходного импульса в 25-50 раз превышает длительность импульса тока на сопротивлении нагрузки, который имеет колоколообразную форму, а его амплитуда
в 5-7 раз превышает амплитуду исходного импульса тока.
Для формирования импульса тока квазипрямоугольной формы в устройство введено
дополнительное звено, выполненное в виде ферритового кольца, насаженного на отрезок
проводящей трубки, последовательно включенное с нелинейным индуктивным элементом
магнитного звена сжатия и нагрузкой, и конденсатор, первым выводом соединенный с входом проводящей трубки дополнительного звена, вторым - с общей шиной, емкость которого
составляет 1/9 от емкости конденсатора магнитного звена сжатия, а площадь сечения магнитопровода ферритового кольца составляет 1/6-1/9 от площади сечения магнитопровода
ферритового кольца нелинейного индуктивного элемента магнитного звена сжатия.
В такой схеме ток заряда накопительного конденсатора протекает через устройство
заряда накопительной емкости и нагрузку.
Для уменьшения тока заряда накопительного конденсатора, протекающего через нагрузку, устройство содержит переключающийся дроссель, первым выводом соединенный
с сигнальным выходом генератора исходных импульсов, а вторым - с общей шиной, содержащий m витков провода, намотанного на ферромагнитный сердечник, площадь Sm сечения магнитопровода которого определена из соотношения:
U 0 ⋅ (τ u ) C1
,
Sm =
(13)
π ⋅ m ⋅ (B m ) n
где (τu)C1 - время перезаряда накопительной емкости С на емкость C1 звена сжатия;
(Bm)n - максимальное значение индукции сердечника переключающегося дросселя.
Для укорочения длительности формируемых на нагрузке импульсов тока и повышения импульсной мощности, выделяемой на сопротивлении нагрузки, магнитное звено
сжатия совместно с дополнительным звеном выполнено в виде коаксиала, в котором центральный проводник выполнен в виде отрезка проводящей трубки с насаженным на нем
ферритовым кольцом, а емкость указанных магнитных звеньев выполнена в виде сборок
из n конденсаторов, где n ≥ 2, включенных аксиально-симметрично между центральным и
внешним проводниками коаксиала.
Для удобства подключения нагрузки магнитное звено сжатия совместно с дополнительным звеном и нагрузкой подключено к выходу генератора исходных импульсов через
отрезок коаксиального кабеля или полосковой линии длиной до трех метров.
Для уменьшения временного интервала между импульсами при работе в режиме кодово-импульсной модуляции в устройство дополнительно введено n0-1 генераторов исходных импульсов, каждый из которых состоит из коммутатора, накопительного конденсатора, дросселя и нелинейного индуктивного элемента, соединенные последовательно, при
этом нелинейный индуктивный элемент выполнен в виде ферритового кольца, насаженного на отрезок проводящей трубки, причем выходы n0-1 генераторов исходных импульсов
соединены со входом коаксиального кабеля или полосковой линии, с выходом которых
соединен конденсатор магнитного звена сжатия и нелинейный индуктивный элемент, последовательно соединенный с нагрузкой, и n0-1 генераторов запуска, выходами соответственно соединенных с управляющими электродами коммутаторов, вторые выводы которых
соединены с общей шиной.
Данные устройства способны работать без перегрузок в режиме короткого замыкания
выходных контактов, к которым подсоединена нагрузка. Сопротивление нагрузки не
должно превышать волнового сопротивления звена сжатия при насыщенном феррите.
Для формирования квазипрямоугольных импульсов наносекундной длительности с
крутыми фронтом и спадом, а также для расширения диапазона сопротивлений нагрузок
от нуля до бесконечности в генератор наносекундных импульсов тока, содержащий генератор исходных импульсов, включающий коммутатор и накопительный конденсатор, соединенные последовательно, причем второй вывод накопительного конденсатора является
10
BY 7442 C1 2005.12.30
сигнальным выходом генератора исходных импульсов, формирующую линию, содержащую от трех до пяти конденсаторов и, соответственно, от трех до пяти последовательно
соединенных нелинейных индуктивных элементов, выполненных в виде ферритовых колец одного типоразмера, насаженных на отрезок проводящей трубки, входом соединенной
с сигнальным выходом генератора исходных импульсов, при этом первые выводы конденсаторов формирующей линии соединены с проводящей трубкой формирующей линии в
точке контакта ее с сигнальным выходом генератора исходных импульсов и в точках контакта между ферритовыми кольцами, а вторые выводы конденсаторов формирующей линии соединены с общей шиной, генератор запуска, выходом соединенный с управляющим
электродом коммутатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, устройство
заряда накопительного конденсатора от источника анодного напряжения и нагрузку, введен нелинейный индуктивный элемент, включенный параллельно нагрузке и выполненный в виде ферритового кольца, насаженного на отрезок проводящей трубки, входом соединенный с выходом формирующей линии, а выходом - с общей шиной, при этом площадь сечения Sn магнитопровода которого определена из соотношения:
U τ
Sn = u u ,
(14)
Bm
где Uu - амплитуда импульса напряжения на сопротивлении нагрузки;
τu - длительность импульса на сопротивлении нагрузки, равная времени переключения
ферритового кольца, подсоединенного параллельно нагрузке;
Вm - максимальное значение магнитной индукции при динамическом намагничивании
ферритовых колец, соединенного параллельно нагрузке;
суммарная площадь сечения S3 магнитопроводов ферритовых колец формирующей
линии определена из соотношения:
U
S 3 = 0 ⋅ 2L 2 C ,
(15)
Bm
где U0 - напряжение заряда накопительного конденсатора С генератора исходных импульсов в момент включения коммутатора;
L2 - распределенная индуктивность генератора исходных импульсов, равная сумме
индуктивностей элементов, их выводов и подсоединений; конденсаторы формирующей
линии имеют одинаковый номинал, суммарная емкость которых равна емкости накопительного конденсатора генератора исходных импульсов.
Такая схема не требует применения переключающегося дросселя, служащего для заряда накопительного конденсатора и шунтирующего нагрузку, поскольку заряд его происходит через нелинейный индуктивный элемент, подсоединенный параллельно нагрузке.
Для уменьшения длительности фронта импульсов на сопротивлении нагрузки формирующая линия выполнена в коаксиальном виде, центральный проводник которого выполнен в виде отрезка проводящей трубки с насаженными на ней ферритовыми кольцами, а
конденсаторы формирующей линии выполнены в виде сборок из n конденсаторов, где
n ≥ 2, включенных аксиально-симметрично между центральным и внешним проводниками
коаксиала.
Для формирования наносекундных импульсов тока с крутыми фронтами, повышения
КПД устройства и расширения диапазона сопротивлений нагрузки от нуля до бесконечности в устройство, содержащее генератор исходных импульсов, включающий коммутатор,
накопительный конденсатор и дроссель, соединенные последовательно, магнитное звено
сжатия, состоящее из двух конденсаторов и нелинейного индуктивного элемента, при
этом первые выводы конденсаторов и вход магнитного звена сжатия соединены со вторым
выводом накопительного конденсатора, являющегося сигнальным выходом генератора
исходных импульсов, вторые выводы конденсаторов магнитного звена сжатия соединены
с общей шиной, формирующую линию, содержащую от трех до пяти конденсаторов и со11
BY 7442 C1 2005.12.30
ответственно от трех до пяти последовательно соединенных нелинейных индуктивных
элементов, при этом первые выводы конденсаторов формирующей линии соединены со
входом формирующей линии и в точках контакта между ферритовыми кольцами, а вторые
выводы конденсаторов формирующей линии соединены с общей шиной, вход формирующей линии соединен с выходом магнитного звена сжатия, генератор запуска, выходом
соединенный с управляющим электродом коммутатора, второй вывод которого соединен с
общей шиной, устройство заряда накопительного конденсатора от источника анодного
напряжения и нагрузку, введен нелинейный индуктивный элемент, выполненный в виде
ферритового кольца, насаженного на отрезок проводящей трубки, соединенный последовательно с элементами генератора исходных импульсов, и нелинейный индуктивный элемент, выполненный в виде ферритового кольца, насаженного на отрезок проводящей
трубки, входом соединенный с выходом формирующей линии, а выходом с общей шиной,
подключенный параллельно нагрузке, каждый из нелинейных индуктивных элементов
магнитного звена сжатия и формирующей линии выполнен в виде ферритового кольца,
насаженного на отрезок проводящей трубки, магнитное звено сжатия совместно с формирующей линией выполнено в виде коаксиала, в котором центральный проводник выполнен в виде отрезка проводящей трубки с насаженным ферритовым кольцом, а конденсаторы формирующей линии и магнитного звена сжатия выполнены в виде сборок из n конденсаторов, где n ≥ 2, включенных аксиально-симметрично между центральным и
внешним проводниками коаксиала.
Для удобства подключения нагрузки магнитное звено сжатия совместно с формирующей линией и нагрузкой подключено к выходу генератора исходных импульсов через отрезок коаксиального кабеля или полосковой линии длиной, не превышающей три метра.
Для повышения надежности работы коммутатора площадь сечения S магнитопровода
ферритового кольца нелинейного индуктивного элемента генератора исходных импульсов
и длина l его ферритового заполнения удовлетворяли соотношениям:
ε 0 ε(R k + rk )
t U
S≥ n 0 ; l≤
⋅ U0 ,
(16)
Bm
2R k H c B m
где tn - время переключения ферритового кольца нелинейного индуктивного элемента генератора исходных импульсов, равное времени задержки импульса анодного тока от спада
анодного напряжения на коммутаторе;
Нс - коэрцитивная сила;
Rk, rk - внешний и внутренний радиусы ферритового кольца;
при этом площадь сечения S магнитопровода ферритового кольца нелинейного индуктивного элемента генератора исходных импульсов принята большей или равной площади сечения S1 магнитопровода ферритового кольца нелинейного индуктивного элемента магнитного звена сжатия.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-10), на которых элементы схемы, выполняющие одинаковые функции, обозначены одинаковыми цифрами. Номера фигур соответствуют последовательности изложения сущности изобретения и пунктам формулы изобретения, кроме пункта 11 формулы, относящегося к группе генераторов.
Перечень фигур:
фиг. 1 - генератор наносекундных импульсов тока, содержащий генератор исходных
импульсов и звено сжатия исходных импульсов тока;
фиг. 2 - генератор наносекундных импульсов тока, содержащий генератор исходных
импульсов, звено сжатия и дополнительное звено, настроенное на вторую гармонику разложения импульса в ряд Фурье;
фиг. 3 - генератор наносекундных импульсов тока, содержащий генератор исходных
импульсов, звено сжатия, дополнительное звено и переключающийся дроссель, включенный к выходу генератора исходных импульсов;
12
BY 7442 C1 2005.12.30
фиг. 4 - генератор наносекундных импульсов тока, в котором звено сжатия и дополнительное звено выполнены в виде коаксиала;
фиг. 5 - генератор наносекундных импульсов тока, в котором звено сжатия совместно
с дополнительным звеном и нагрузкой соединены с выходом генератора исходных импульсов через отрезок коаксиального кабеля или полосковой линии;
фиг. 6 - генератор наносекундных импульсов тока, содержащий n0 генераторов исходных импульсов, сигнальные выводы которых соединены с полосковой или коаксиальной
линией, к выходу которой подсоединено магнитное звено сжатия;
фиг. 7 - генератор наносекундных импульсов тока, содержащий генератор исходных
импульсов, формирующую линию и нелинейный индуктивный элемент, подсоединенный
параллельно нагрузке;
фиг. 8 - генератор наносекундных импульсов тока, содержащий генератор исходных
импульсов, формирующую линию и нелинейный индуктивный элемент, в котором формирующая линия выполнена в виде коаксиала;
фиг. 9 - генератор наносекундных импульсов тока, содержащий генератор исходных
импульсов, звено сжатия, формирующую линию, выполненные в коаксиальном виде, и
нелинейный индуктивный элемент, подсоединенный параллельно нагрузке;
фиг. 10 - генератор наносекундных импульсов тока, содержащий генератор исходных
импульсов, звено сжатия, формирующую линию, выполненные в коаксиальном виде, нелинейный индуктивный элемент, подсоединенный параллельно нагрузке, в котором звено
сжатия соединено с выходом генератора исходных импульсов через отрезок коаксиального кабеля.
Устройство (фиг. 1) содержит генератор запуска 1, подключенный к управляющему
электроду коммутатора 2, проводящую трубку 3, на которую насажено ферритовое кольцо
4, дроссель 5, накопительный конденсатор 6, соединенные последовательно и образующие
генератор исходных импульсов тока, магнитное звено сжатия, состоящее из конденсатора
7 и нелинейного индуктивного элемента, выполненного в виде ферритового кольца 8, насаженного на отрезок проводящей трубки 9, вход которой соединен со вторым выводом
накопительного конденсатора 6, являющегося сигнальным выходом генератора исходных
импульсов, и первым выводом конденсатора 7, причем второй вывод конденсатора 7 соединен с общей шиной, нагрузку 10, подсоединенную между свободным выводом проводящей трубки 9 и общей шиной, и устройство 11 заряда накопительного конденсатора 6 от
источника анодного напряжения.
Устройство работает следующим образом.
В устройстве (фиг. 1) реализован принцип сжатия электромагнитной энергии во времени. В исходном состоянии включен источник анодного напряжения и накопительный
конденсатор 6 находится в заряженном состоянии. При подаче импульса от генератора запуска 1 на управляющий электрод коммутирующего элемента 2 происходит его включение. В течение времени включения напряжение на коммутаторе 2 спадает, - в то же время
напряжение нарастает на отрезке трубки 3 с насаженным ферритовым кольцом 4, что обуславливает процесс переключения ферритового кольца 4.
После переключения ферритового кольца 4 в первом разрядном контуре, образованном коммутатором 2, отрезком трубки 3 с насаженным ферритовым кольцом 4, дросселем
5, накопительным конденсатором 6 и конденсатором звена сжатия 7, выступающим в качестве нагрузки генератора исходных импульсов, протекает переходной процесс, описываемый линейным дифференциальным уравнением, решение которого для напряжения на
конденсаторе 7 имеет вид:
C
−t
⋅ ª§¨1 − e τ ·¸ − Q 2 (1 − e − 2βt )º −
U c (t ) = U 0 ⋅
(17)
»¼
¹
C + C1 «¬©
в случае апериодического режима разряда;
13
BY 7442 C1 2005.12.30
[
]
C
⋅ 1 − e −βt (1 + βt ) −
(18)
C + C1
при критическом режиме разряда;
C
β
ª
º
U c (t ) = U 0 ⋅
⋅ «1 − e −βt (cos ωt + sin ωt )» −
(19)
C + C1 ¬
ω
¼
для колебательного режима разряда,
где Uс (t) - напряжение на конденсаторе 7 как функция времени t, измеряемое с момента
переключения ферритового кольца 4;
U0 - напряжение на конденсаторе 7 в момент подачи на управляющий электрод коммутатора 2 импульса запуска;
С - емкость накопительного конденсатора 6;
C1 - емкость конденсатора 7 звена сжатия;
(20)
τ = R(C + C1);
R - величина активного сопротивления контура генератора исходных импульсов тока,
представляющего собой сумму активных сопротивлений коммутатора 2 в открытом состоянии, намоточного провода дросселя 5, соединительных проводов, а также эквивалентного активного сопротивления, характеризующего активные потери на конденсаторах 6 и
7 (данная величина присутствует только в расчетах);
1
;
ω20 =
(21)
L ( C + C1 )
U c (t ) = U 0 ⋅
ω = ω20 − β 2 ;
(22)
R
,
(23)
2L
L - индуктивность дросселя 5, значительно превышающая распределенную индуктивность генератора исходных импульсов, обусловленную индуктивностью элементов схемы
и их подсоединений;
ρ
Q= ;
(24)
R
L
ρ=
.
(25)
C + C1
При апериодическом режиме разряда емкостей С на C1 напряжение на конденсаторе
C1 достигает 86 % от стационарного значения за время tn = 2τ; при критическом - 80 и
90 % соответственно при tn = 3/β и tn = 4/β, а при колебательном - достигает максимального значения через время (tn)max = π/ω.
Принимая указанное выше время tn равным времени переключения ферритового кольца 4, насаженного на проводящую трубку 3, площадь сечения магнитопровода ферритового кольца определена по формуле:
1 tn
S1 =
U ( t )dt ,
(26)
B m ³0
а величина интеграла равна:
2τ
C
2
(27)
³0 U(t )dt = U 0 ⋅ C + C1 ⋅ τ ⋅ (1,13 − 2Q );
β=
4β
³ U(t )dt = U
0
0
⋅
C
2
⋅ ;
C + C1 β
14
(28)
BY 7442 C1 2005.12.30
π/ω
C
2
⋅
−
(29)
C + C1 ω 0
0
соответственно при апериодическом, критическом и колебательном режимах разряда.
Как следует из уравнений (17), (18), напряжение U(t) на конденсаторе 7 растет практически линейно со временем до тех пор, пока его величина станет равной остаточному
значению напряжения на накопительном конденсаторе 6.
Так, при равенстве емкостей С и C1 напряжение на данных конденсаторах становится
равным U0/2 . Поэтому при выборе апериодического или критического режимов разряда в
первом разрядном контуре ток во втором контуре, образованном звеном сжатия, протекающий через сопротивление нагрузки 10 после переключения ферритового кольца 8,
описывается системой дифференциальных уравнений. Численное решение такой системы
уравнений показывает, что выбор такого режима разряда в первом контуре, в котором
формируется исходный импульс тока, приводит к уменьшению амплитуды и увеличению
длительности импульса во втором контуре.
В случае колебательного режима разряда, описываемого формулой (19), и выполнения
условия, что емкость конденсатора С1 ≥ С, происходит полный перезаряд накопительной
емкости С на C1 за время (tn)max = π/ω при добротности контура Q > 2. Поэтому площадь
сечения S1 магнитопровода ферритового кольца 8 определена по формулам (26), (29).
Площадь сечения S магнитопровода ферритового кольца 4 генератора исходных импульсов определена согласно закону электромагнитной индукции Х закона Фарадея, полагая, что за время переключения tn магнитная индукция ферритового кольца меняется от 0
до Вm, а ЭДС самоиндукции от 0 до U0:
t U
S= n 0.
(30)
Bm
Для предотвращения обратного перезаряда емкостей C1 на С площадь сечения S магнитопровода ферритового кольца 4 выбрана равной или несколько больше, чем сечение S1
ферритового кольца 8. При выполнении данных условий (C1 ≥ С), (S1 ≥ S) амплитуда и
длительность импульса тока, формируемого на нагрузке 10 после переключения ферритового кольца 8, определяется величиной параметров второго контура (контура сжатия), образованного элементами 7-10. Hа практике принималось, что емкость C1 = C, поскольку
увеличение емкости C1 приводит к увеличению длительности импульса, формируемого на
нагрузке, и соответственно уменьшению амплитуды напряжения. С другой стороны, в
случае применения коммутатора полупроводникового типа для расширения проводящего
канала при его включении время переключения tn ферритового кольца 4, определяющее
время задержки импульса тока относительно спада анодного напряжения на коммутаторе
2, выбрано равным или больше (0,5-1)tвкл,
где tвкл - время включения коммутатора 2, определяемое по спаду на нем анодного напряжения с 90 до 10 %.
Импульс тока, формируемый на сопротивлении нагрузки во втором контуре, описывается первым полупериодом колебательного процесса:
i( t ) = i 0 ⋅ e −β1t sin ω1 t ,
(31)
где время t отсчитывается с момента переключения ферритового кольца 8;
U (0)
i0 = c
(32)
ω1 L1
амплитудное значение импульса тока;
Uс(0) - напряжение на конденсаторе 7 в момент переключения ферритового кольца 8 и
в момент времени, когда произошел полный перезаряд емкости С на емкость C1 в первом
контуре;
³
U( t )dt = U 0 ⋅
15
BY 7442 C1 2005.12.30
2
ω1 = ω10
− β12 ;
(33)
1
;
(34)
L 1C1
R
β1 = н ;
(35)
2L 1
L1 - распределенная индуктивность второго контура, равная сумме индуктивностей
элементов схемы и их подсоединений при насыщенном состоянии ферритового кольца 8
(величина L1 на фиг. 1 не показана, поскольку как отдельный элемент схемы не существует, а присутствует только в расчетах);
Rн - активное сопротивление нагрузки 10.
Как первый, так и второй контуры схемы (фиг. 1) содержат нелинейные элементы,
выполненные в виде отрезков проводящей трубки 3 и 9 с насаженными на них ферритовыми кольцами, которые обладают односторонней проводимостью в насыщенном состоянии, поскольку для их переключения из состояния +Вm до состояния -Вm импульсами обратной полярности требуется время в два раза больше. Поэтому в устройстве реализуется
только первый полупериод колебательного процесса, описываемого формулой (30). При
этом величина сопротивления нагрузки удовлетворяла условию колебательного процесса
(Rн < 2ρ1),
где ρ1 = L1 / C1 - волновое сопротивление контура сжатия,
т.е. схема работает на низкоомную несогласованную нагрузку. Длительность импульса тока, формируемого на нагрузке, τ u = π L1C1 .
Если под коэффициентом сжатия понимать отношение длительностей импульсов предыдущего контура к последующему, то коэффициент сжатия в первом приближении пропорционален корню квадратному из отношения индуктивностей первого и второго контуров.
Применение нескольких контуров сжатия не всегда целесообразно, поскольку требуемый коэффициент сжатия может быть достигнут одним контуром сжатия, что требует минимального объема феррита.
Энергия на конденсаторе C1 , необходимая для формирования тока амплитудой i0 ,
оценена из соотношения:
2
ω10
=
2
1 § 0,8 · 2
¸ ⋅ i 0 ⋅ L1
A ≈ ¨¨1 +
2 © Q1 ¸¹
(36)
ρ1
−
(37)
Rн
добротность контура звена сжатия.
Сжатие электромагнитной энергии во времени в данном устройстве происходит из-за
значительного различия индуктивностей первого контура, формирующего исходные импульсы тока, и второго контура, формирующего импульс в нагрузке. Дроссель 5 служит
также для ограничения амплитуды исходных импульсов тока.
Площадь сечения магнитопровода ферритового кольца 4 ограничена: с одной стороны, условием, чтобы время его переключения было не меньше 0,5 tвкл, что обуславливает
задержку импульса анодного тока относительно спада анодного напряжения на коммутаторе и соответственно уменьшение мощности, рассеиваемой на нем;
с другой стороны,
условием, чтобы время переключения ферритового кольца 4 не превышало времени
включения коммутатора tвкл, что приводило бы к значительному увеличению веса и габаритов устройства.
Q1
16
BY 7442 C1 2005.12.30
Устройство (фиг. 2) содержит генератор запуска 1, подключенный к управляющему
электроду коммутатора 2, проводящую трубку 3, на которую насажено ферритовое кольцо
4, дроссель 5, накопительный конденсатор 6, соединенные последовательно и образующие
генератор исходных импульсов тока, магнитное звено сжатия, состоящее из конденсатора
7 и нелинейного индуктивного элемента, выполненного в виде ферритового кольца 8, насаженного на отрезок проводящей трубки 9, вход которой соединен с сигнальным выводом генератора исходных импульсов и первым выводом конденсатора 7, свободный вывод
которого соединен с общей шиной, нагрузку 10 и устройство 11 заряда накопительного
конденсатора 6 от источника анодного напряжения; кроме того, в отличие от устройства,
показанного на фиг. 1, в устройство введено дополнительное звено, состоящее из ферритового кольца 12, насаженного на отрезок проводящей трубки 13, соединенный последовательно с проводящей трубкой 9, и конденсатора 14, первым выводом соединенного со
входом проводящей трубки 13 дополнительного звена, вторым с общей шиной, причем
нагрузка 10 соединена между свободным выводом проводящей трубки 13 и общей шиной.
При значениях площади сечения магнитопровода ферритового кольца 12 и величины
емкости 14 в шесть-девять раз меньше соответствующих значений сечения магнитопровода ферритового кольца 8 и конденсатора 7 на нагрузке 10 сформирован импульс тока квазипрямоугольной формы, поскольку в этом случае параметры дополнительного звена соответствуют второй гармонике разложения прямоугольного импульса в ряд Фурье.
Работа устройства (фиг. 2) аналогична работе устройства (фиг. 1), поскольку после
переключения ферритовых колец 8 и 12 конденсаторы 7 и 14 оказываются включенными
параллельно, так как индуктивностью трубки 9 после переключения ферритового кольца 8
можно пренебречь.
В устройство (фиг. 3), в отличие от устройства (фиг. 2), введен нелинейный дроссель
15, соединенный параллельно конденсатору 7, между сигнальным выводом генератора исходных импульсов и общей шиной. Переключающийся дроссель 15 служит для уменьшения тока заряда накопительного конденсатора 6, протекающего через нагрузку 10 во время заряда конденсатора 6. Площадь сечения магнитопровода переключающегося дросселя
15 определена из соотношения (13). Процесс формирования импульсов в устройстве аналогичен работе устройств, представленных на фиг. 1 и 2.
Отличительной особенностью устройств, представленных на фиг. 1-3, является то, что
конденсатор 7, а вместе с ним и весь контур сжатия могут быть выполнены в одном модуле совместно с нагрузкой.
Устройство (фиг. 4) содержит генератор запуска 1, подсоединенный к управляющему
электроду коммутатора 2, проводящую трубку 3, на которую насажено ферритовое кольцо
4, дроссель 5, накопительный конденсатор 6, соединенные последовательно и образующие
генератор исходных импульсов тока, магнитное звено сжатия, состоящее из сборки конденсаторов 7а и 7б и нелинейного индуктивного элемента, выполненного в виде ферритового кольца 8, насаженного на отрезок проводящей трубки 9, вход которой подсоединен к
сигнальному выводу генератора исходных импульсов и первым выводам конденсаторов
7а и 7б, свободные выводы которых соединены с общей шиной, нагрузку 10 и устройство
11 заряда накопительного конденсатора 6 от источника анодного напряжения, дополнительное звено, состоящее из ферритового кольца 12, насаженного на отрезок проводящей
трубки 13, соединенный с проводящей трубкой 9 последовательно, между свободным выводом которой и общей шиной подсоединена нагрузка 10, и сборки конденсаторов 14а и
14б, первыми выводами подсоединенных к проводящей трубке между ферритовыми кольцами 8 и 12 и общей шиной, а также переключающийся дроссель 15, первым выводом соединенный с сигнальным выводом генератора исходных импульсов, вторым - с общей
шиной, причем магнитное звено сжатия и дополнительное звено выполнены в виде коаксиала, в котором центральный проводник выполнен в виде отрезка проводящей трубки с
насаженными на нем ферритовыми кольцами, а емкость звена сжатия выполнена в виде
17
BY 7442 C1 2005.12.30
сборки из двух-шестнадцати конденсаторов, подсоединенных между центральным проводником и внешней трубкой коаксиала.
Работа устройства (фиг. 4), как и предыдущих схем, основана на полном перезаряде
накопительной емкости 6, на емкости 7а и 7б звена сжатия после включения коммутатора
2. Емкости 14а и 14б дополнительного звена служат для коррекции фронта и спада импульсов.
В устройстве (фиг. 5), в отличие от устройства (фиг. 4), магнитное звено сжатия, дополнительное звено и нагрузка подсоединены к выходу генератора исходных импульсов
через отрезок коаксиального кабеля или полосковой линии 16. Все остальные элементы
устройства (фиг. 5) выполняют те же функции, что и в устройстве (фиг. 4). Индуктивность
отрезка коаксиального кабеля 16 воспринимается схемой как индуктивность, подсоединенная последовательно индуктивности 5 генератора исходных импульсов. Отрезок коаксиального кабеля выбран длиной до трех метров, поскольку при большей длине кабеля на
параметры импульса оказывают влияние емкостные свойства кабеля.
Устройство (фиг. 6) содержит n0 генераторов исходных импульсов, обозначенных под
номерами от [n0-(n0-1)] до n0, каждый из которых содержит генератор запуска 1, выход которого соединен с управляющим электродом коммутатора 2, отрезок проводящей трубки
3, на которую насажено ферритовое кольцо 4, дроссель 5, накопительный конденсатор 6 и
устройство 11 заряда накопительного конденсатора, в котором сигнальные выходы всех
генераторов исходных импульсов подсоединены к коаксиальной или полосковой линии
16а, к выходу которой подсоединено магнитное звено сжатия, состоящее из конденсатора
7, ферритового кольца 8, насаженного на отрезок проводящей трубки 9, подключенной к
полосковой линии 16а, между свободным выводом проводящей трубки 9 и общей шиной
подключена нагрузка.
Наличие в схеме генератора исходных импульсов нелинейного индуктивного элемента, выполненного в виде ферритового кольца 4, насаженного на отрезок проводящей трубки 3, позволяет подсоединять выходы генераторов исходных импульсов параллельно к
одной полосковой линии или коаксиальному кабелю при поочередном запуске их коммутаторов. Минимальный временной интервал между запуском следующего коммутатора по
отношению к предыдущему определяется временем релаксации намагниченности ферритового кольца 8, принятого равным полупериоду частоты Лармора с учетом намагниченности феррита. Устройство (фиг. 6) способно работать в режиме кодово-импульсной модуляции при числе импульсов в коде не более n0.
Параметры импульса тока, формируемого на нагрузке 10, определяются параметрами
элементов магнитного звена сжатия.
На фиг. 7 представлен генератор наносекундных импульсов тока, содержащий генератор запуска 1, выход которого подсоединен к управляющему электроду коммутатора 2,
накопительный конденсатор 6, первым выводом соединенный последовательно с коммутатором 2, формирующую линию, состоящую из проводящей трубки 17, входом соединенную со вторым выводом конденсатора 6, на которую насажены ферритовые кольца 1820, и конденсаторов 21-23, которые первыми выводами соединены с входом проводящей
трубки 17 и между ферритовыми кольцами 18-20, вторые выводы конденсаторов соединены с общей шиной, ферритовое кольцо 24, насаженное на отрезок проводящей трубки 25,
входом подсоединенной к выходу трубки 17, а выходом - к общей шине, параллельно
трубке 25 подсоединена нагрузка 10.
В устройстве (фиг. 7) реализован принцип формирования фронта импульса нелинейной формирующей линией с полураспределенными параметрами, состоящей из проводящей трубки 17, на которую насажены ферритовые кольца 18-20, и конденсаторов 21-23.
Спад импульса формируется нелинейным индуктивным элементом, выполненным в виде
ферритового кольца 24, насаженного на отрезок трубки 25.
18
BY 7442 C1 2005.12.30
Длительность формируемых импульсов на сопротивлении нагрузки 10 равна времени
переключения ферритового кольца 24, площадь сечения которого определяется соотношением (14). Данное устройство не требует применения нелинейного индуктивного элемента, содержащего отрезок проводящей трубки 3, поскольку он может внести осцилляции на вершине импульса, а также не требует применения переключающегося дросселя 15
(см., например, фиг. 3), так как ток заряда накопительной емкости 6 от источника анодного напряжения протекает через отрезок проводящей трубки 25 с насаженным ферритовым
кольцом 24. Влиянием ферритового кольца 24 на заряд накопительной емкости можно
пренебречь из-за малой величины тока и большого времени заряда емкости 6.
При включении коммутатора 2 накопительный конденсатор 6 разряжается на конденсаторы 21-23 формирующей линии, разделенные ферритовыми кольцами 18-20. Длительность фронта импульса в данном устройстве (фиг. 7) определяется постоянной времени
звена формирующей линии, равной корню квадратному из произведения емкости конденсатора и распределенной индуктивности звена формирующей линии при переключенном
ферритовом кольце. Оптимальное число звеньев формирующей линии выбрано в пределах
трех-пяти, поскольку при большем числе звеньев длительность фронта импульса, с одной
стороны, уменьшается за счет уменьшения постоянной времени звена, с другой стороны,
увеличивается пропорционально корню квадратному из числа звеньев.
На фиг. 8 представлено такое же устройство, что и на фиг. 7, в котором формирующая
линия выполнена в коаксиальном виде, а конденсаторы формирующей линии выполнены
в виде сборок из n, где n ≥ 2, конденсаторов; на фиг. 8 показано, что сборки состоят из
двух конденсаторов (21а и 21б), (22а и 22б) и (23а и 23б), первыми выводами подсоединенных попарно симметрично к проводящей трубке 17 перед ферритовыми кольцами 1820 соответственно, вторые выводы конденсаторов соединены с общей шиной.
Устройство (фиг. 8) работает аналогично устройству (фиг. 7).
Устройство (фиг. 9) содержит генератор запуска 1, подсоединенный к управляющему
электроду коммутатора 2, нелинейный индуктивный элемент, выполненный в виде проводящей трубки 3, на которую насажено ферритовое кольцо 4, дроссель 5, накопительный
конденсатор 6, соединенные последовательно и образующие генератор исходных импульсов тока, магнитное звено сжатия, состоящее из сборки конденсаторов (7а и 7б) и ферритового кольца 8, насаженного на отрезок проводящей трубки 9, входом подсоединенной к
сигнальному выводу генератора исходных импульсов и первым выводам конденсаторов
7а и 7б, вторые выводы конденсаторов соединены с общей шиной, нагрузку 10, устройство 11 заряда накопительной емкости 6 от источника анодного напряжения, формирующую
линию, состоящую из трех магнитных звеньев, содержащих отрезок проводящей трубки
17, на которую насажены ферритовые кольца 18-20, перед каждым из которых к проводящей трубке 17 симметрично первыми выводами подсоединены сборки конденсаторов (21а
и 21б), (22а и 22б) и (23а и 23б) соответственно, вторыми выводами - к общей шине, нелинейный индуктивный элемент, выполненный в виде ферритового кольца 24, насаженного
на проводящую трубку 25, параллельно которой подсоединена нагрузке 10, выход проводящей трубки 9 соединен со входом проводящей трубки 17, выход которой - со входом
проводящей трубки 25, а выход проводящей трубки 25 - с общей шиной.
В устройстве (фиг. 9) импульс тока, формируемый генератором исходных импульсов
после включения коммутатора, вначале сжимается во времени магнитным звеном сжатия,
затем формирующая линия обостряет фронт импульса, а нелинейный индуктивный элемент, подсоединенный параллельно нагрузке, формирует длительность и спад импульса,
причем длительность импульса на сопротивлении нагрузки равна времени переключения
ферритового кольца 24. Магнитное звено сжатия и формирующая линия в устройстве выполнены в коаксиальном виде.
19
BY 7442 C1 2005.12.30
В устройство (фиг. 10), в отличие от устройства (фиг. 9), введен отрезок коаксиального кабеля 16 длиной до трех метров, входом соединенный с выходом генератора исходных
импульсов, выходом - со входом магнитного звена сжатия.
Устройство (фиг. 10) работает аналогично устройству (фиг. 9).
Примеры конкретного исполнения.
В устройстве (фиг. 1) в качестве коммутатора 2 применен тиристор КУ 221А, в качестве ферритового кольца 4 - ферритовое кольцо типа M 2000 HM К 20 × 10 × 6, дроссель 5
имел индуктивность 10-5 Гн, емкости конденсаторов 6 и 7 были равны 5⋅10-9 Ф, в качестве
ферритового кольца 8 выбрано кольцо M 2000 HM К 12 × 5 × 5,5. При анодном напряжении 380 В генератор формировал импульс тока амплитудой 100 А, длительностью 20 не
на сопротивлении нагрузки 0,2 Ом.
Подсоединение к устройству, показанному на фиг. 1, дополнительного звена, в котором в качестве ферритового кольца 12 выбрано кольцо M 2000 HM К 7 × 4 × 2 (фиг. 2), а в
качестве конденсатора 14 - конденсатор емкостью 0,68·10-9 Ф (фиг. 2) уменьшило длительность фронта импульса вдвое.
В устройстве (фиг. 3) зарядный дроссель содержал 6 витков провода на ферритовом
кольце M 1000 HM К 28 × 16 × 9. Все остальные элементы устройства аналогичны элементам, представленным на фиг. 1 и 2.
В устройстве (фиг. 4) сумма емкостей конденсаторов 7а и 7б, а также 14а и 14б равнялась емкостям конденсаторов 7 и 14 (фиг. 1-3). Все остальные параметры элементов схемы были аналогичны. Выполнение устройства в коаксиальном виде позволило формировать импульс тока на сопротивлении нагрузки квазипрямоугольной формы.
В устройстве (фиг. 5) к выходу генератора исходных импульсов подсоединен кабель
PK 19 длиной 1 м, выход которого соединен со входом магнитного звена сжатия. На величину индуктивности данного кабеля уменьшена индуктивность 5. Все остальные параметры элементов устройства аналогичны устройству (фиг. 4).
Устройство (фиг. 6) содержало четыре генератора исходных импульсов, элементы которых соответствовали элементам схемы (фиг. 1, сигнальные выводы которых подключены параллельно к полосковой линии, а магнитное звено сжатия совместно с нагрузкой
подключено к выходу полосковой линии. Такое устройство позволило формировать кодовую последовательность, состоящую из четырех импульсов при минимальном временном
интервале между импульсами две микросекунды.
В устройстве (фиг. 7) в качестве коммутатора применен тиристор КУ 109 ГМ, накопительная емкость равна 0,09 мкФ, в качестве ферритовых колец формирующей линии выбрано по два кольца типа М2000 HM К 7 × 4 × 4, емкость конденсаторов формирующей
линии равна 0,03 мкФ, в качестве ферритового кольца 24 выбрано кольцо типа M 2000
HM К 28 × 16 × 9. Данное устройство применено для формирования импульсов тока длительностью 100 нс, амплитудой 70-100 А на сопротивлении нагрузки 1,5 Ом.
Выполнение устройства, представленного на фиг. 7, в коаксиальном виде позволило
уменьшить длительность фронта импульса на нагрузке. Такое устройство показано на
фиг. 8.
В устройстве (фиг. 9) в качестве коммутирующего элемента 2 применен тиристор КУ
211, в качестве накопительной емкости - 24 параллельно соединенных конденсатора типа
КТП 0,01 мкФ, ферритовые кольца 4 и 8 выбраны типа M 2000 HM К 28 × 16 × 9, суммарная емкость конденсаторов 7а и 7б магнитного звена сжатия равна емкости накопительного конденсатора, емкость конденсаторов и площадь сечения магнитопровода каждой последующей ячейки формирующей линии уменьшалась вдвое по сравнению с предыдущей,
в качестве ферритового кольца 24 нелинейного индуктивного элемента, шунтирующего
нагрузку, применено кольцо типа M 2000 HM К 12 × 5 × 5,5. Устройство формировало
импульсы тока амплитудой 100-400 А, длительностью 20-25 нс при длительностях фронта
20
BY 7442 C1 2005.12.30
и спада не более 1,5 нс, - при величине нагрузки менее 1 Ом длительность фронта и спада
увеличивалась до трех наносекунд.
В устройстве (фиг. 10), в отличие от устройства (фиг. 9), применен отрезок коаксиального кабеля длиной три метра типа PK 19, служащего для подсоединения входа магнитного звена сжатия с сигнальным выводом генератора исходных импульсов.
Источники информации:
1. Чебовский О.Г., Моисеев Л.Г., Сахаров Ю.В. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. - M.: Энергия, 1975.
2. Макрицкий Ю.В. Разработка и создание макета генератора мощных наносекундных
импульсов тока. - Минск, 1975. - С. 60 (Препринт/Акад. Наук Беларуси, Институт физики;
№ 79).
3. Блихер А. Физика тиристоров. - Л.: Энергоиздат, 1981. - С. 36-39.
4. Тучкевич В.M., Грехов И.В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. - Л.: Наука, 1988. - С. 4-6.
5. Заявка Франции (FR) 2556905, Н 03К 17/687, 21.06.85.
6. Катаев И.Г. Ударные электромагнитные волны. - M.: Сов. радио, 1963. - С. 151.
7. Меерович Л.А., Ватин И.M., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы
импульсов. - M.: Сов. радио, 1968. - С. 475.
8. Катаев И.Г., Липатов Н.Ф., Мешков А.Н., Рожков И.И. Генератор мощных наносекундных импульсов на нелинейных линиях передачи с ферритом // ПТЭ. - 1971. - № 5. - С.
126-130.
9. Катаев И.Г., Мешков А.Н., Рожков И.И., Шишко В.И. Магнито-тиристорный генератор импульсов с линией ударной волны // ПТЭ. - 1972. - № 5. - С. 103-106.
10. Макрицкий Ю.В. Генератор исходных импульсов с крутым фронтом // ПТЭ. 1977. - № 1. - С. 118-120.
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
Фиг. 5
21
BY 7442 C1 2005.12.30
Фиг. 6
Фиг. 7
Фиг. 8
Фиг. 9
Фиг. 10
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
22
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
334 Кб
Теги
by7442, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа