ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР Российский патент 1995 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к радиоэлетронике, а именно к импульсной технике, и может быть использовано в генераторах мощных импульсов для питания СВЧ-приборов в радиопередающих устройствах РЛС и других систем.

Известен и широко применяется импульсный модулятор с полным разрядом емкостного накопителя энергии формирующей линии [1] Такой модулятор отличается экономичностью, прост в эксплуатации и надежен.

Однако для него характерны применение высоковольтного источника питания и сложность регулирования амплитуды напряжения на нагрузке. При резонансном заряде линии от выпрямителя напряжение заряда не превышает удвоенного питающего напряжения, чем и определяется необходимость применения высоковольтного выпрямителя. Регулирование амплитуды выходного напряжения производится путем изменения напряжения выпрямителя, что усложняет модулятор.

Проблема снижения напряжения, питающего импульсный модулятор с формирующей линией, решается в устройстве, описанном в [2] Устройство включает источник постоянного напряжения, зарядную цепь из последовательно соединенных дросселя и диода, конденсатор, тиристор, трансформатор, формирующую линию, тиратрон, нагрузку, источник импульсов запуска и элемент задержки. Конденсатор соединен с источником питания через дроссель и диод. Параллельно конденсатору включена цепь из последовательно соединенных первичной обмотки трансформатора и тиристора. Параллельно вторичной обмотке трансформатора подключены формирующая линия и цепь из последовательно соединенных нагрузки и тиратрона. Импульсы запуска подаются на управляющий электрод тиристора непосредственно и на сетку тиратрона через элемент задержки.

Устройство функционирует следующим образом. Конденсатор заряжается до удвоенного напряжения источника питания через дроссель и диод. При поджиге тиристора происходит колебательный разряд конденсатора через трансформатор на формирующую линию, которая заряжается до напряжения, определяемого коэффициентом трансформации и соотношением емкостей линии и конденсатора. После достижения максимального напряжения на линии она разряжается на нагрузку с помощью тиратрона. Время запаздывания поджига тиратрона относительно тиристора определяется элементом задержки.

Устройство позволяет получить напряжение заряда линии, превышающее напряжение источника питания в требуемое число раз, но отличается сложностью и относительно большими габаритами, так как в устройство введены дополнительные элементы: конденсатор накопитель энергии, трансформатор, тиристор и элемент задержки.

Кроме того, регулирование величины напряжения на нагрузке в этом устройстве может производиться только путем изменения напряжения источника питания.

Техническая задача регулирования величины напряжения на нагрузке импульсного модулятора с полным разрядом формирующей линии без изменения напряжения источника питания решается в целом ряде известных устройство [3] путем введения дополнительных элементов в зарядную цепь.

Возможность регулирования величины напряжения на нагрузке без изменения питающего напряжения достигается ценой значительных усложнений модулятора.

Для этой цели в зарядную цепь вводятся различные дополнительные управляемые и нелинейные элементы, например дроссель с насыщением, тиратрон, электронная лампа, тиристор, что приводит к увеличению габаритов, снижению КПД и надежности устройства.

Недостатком устройств [2 и 3] является их сложность, вызванная введением дополнительных элементов.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является импульсный модулятор с зарядом формирующей линии от источника постоянного напряжения через дроссель и диод и полным разрядом формирующей линии на нагрузку с помощью коммутирующего элемента мягкого типа, например тиратрона или тиристора [4]
Устройство-прототип включает следующие элементы: источник постоянного напряжения, зарядную цепь, состоящую из последовательно соединенных дросселя и диода, формирующую линию, нагрузку, коммутирующий элемент, генератор управляющих импульсов, цепь снятия перезаряда, состоящую из последовательно соединенных резистора и диода, а также диод, шунтирующий нагрузку.

В качестве коммутирующего элемента в устройстве-прототипе применяется прибор мягкого типа, управляемый только на включение, например тиратрон, игнитрон, тиристор, реже разрядник или тригатрон.

Связи устройства-прототипа. Положительный полюс источника питания через зарядную цепь связан с положительным полюсом коммутирующего элемента, отрицательным полюсом коммутирующего элемента, отрицательным полюсом цепи снятия перезаряда и одним выводом формирующей линии, второй вывод которой соединен с одним выводом нагрузки, шунтированной диодом. С общей шиной соединены отрицательный полюс источника питания, отрицательный полюс коммутирующего элемента, положительный полюс цепи снятия перезаряда, второй вывод нагрузки. Выход генератора управляющих входом коммутирующего элемента.

Устройство-прототип работает следующим образом. Формирующая линия заряжается от источника питания через цепь до удвоенного напряжения источника. При подаче на управляющий вход коммутирующего элемента короткого импульса от генератора управляющих импульсов коммутирующий элемент отпирается и происходит разряд формирующей линии на нагрузку. Коммутирующий элемент находится в открытом, проводящем состоянии до окончания протекания тока по цепи формирующая линия нагрузка, после чего закрывается. При рассогласовании формирующей линии с нагрузкой на линии по окончании импульса имеется напряжение, обратной полярности, снимаемое цепью снятия перезаряда.

Диод, шунтирующий нагрузку и включенный в обратной полярности относительно выходного импульса модулятора, выполняет следующие функции: обеспечивает прохождение зарядного тока в случае вентильной нагрузки (например, магнетрон), устраняет выброс напряжения обратной полярности в случае включения импульсного трансформатора на выходе модулятора, а также устраняет напряжение обратной полярности, которое может иметь место на обмотке импульсного трансформатора во время заряда формирующей линии, особенно при малой скважности.

Недостатками устройства-прототипа являются необходимость применения высоковольтного источника питания, напряжение которого составляет половину требуемого напряжения заряда формирующей линии, а также сложность регулирования напряжения заряда.

Целью изобретения является снижение напряжения источника питания модулятора и упрощение регулировки амплитуды напряжения на нагрузке.

Для достижения поставленной цели в известном устройстве [4] в качестве коммутирующего элемента использован активный коммутатор, управляемый как на включение, так и на выключение, например транзистор или таситрон. В качестве генератора управляющих импульсов применен одновибратор с регулируемой длительностью импульса, причем длительность импульса генератора значительно превышает длительность импульса на нагрузке, формируемого линией.

Перечисленные изменения, внесенные в конструкцию устройства-прототипа, принципиально изменили функции, выполняемые дросселем в зарядном устройстве и коммутирующим элементом. В предлагаемом модуляторе они выполняются функцию индуктивного накопителя энергии. Дроссель заряжается от источника питания током, проходящим через открытый коммутирующий элемент, и разряжается на формирующую линию после запирания коммутирующего элемента. Это изменение функций и режима работы зарядного дросселя позволяет обеспечить получение положительного эффекта в виде повышения напряжения заряда линии до величины, превышающей напряжение источника питания не в два раза, как в прототипе, а в неограниченном (в принципе) число раз. При этом величина напряжения заряда, а следовательно, и выходного напряжения, регулируется простым изменением продолжительности открытого состояния коммутирующего элемента, т.е. длительности импульса на его управляющем входе.

Предлагаемый импульсный модулятор включает следующие элементы (см.фиг. 1): источник постоянного напряжения 1, зарядную цепь 2 из последовательно соединенных дросселя и диода, формирующую линию 3, например цепочечную искусственную линию, коммутирующий элемент 4, управляемый как на включение, так и на выключение, например таситрон или транзистор, нагрузку 5, цепь снятия перезаряда 6 из соединенных последовательно диод и резистора, генератор управляющих импульсов 7 одновибратор с регулируемой длительностью импульса и диод 8.

Связи элементов предлагаемого модулятора. Положительный полюс источника постоянного напряжения 1 через зарядную цепь 2 связан с положительным полюсом коммутирующего элемента 4, одним выводом формирующей линии 3, отрицательным полюсом цепи снятия перезаряда 6. Второй вывод формирующей линии 3 соединен с одним выводом нагрузки 5 и анодом диода 8. С общей шиной связаны отрицательные полюсы источника постоянного напряжения 1 и коммутирующего элемента 4, второй вывод нагрузки 5, положительный полюс цепи снятия перезаряда 6 и катод диода 8.

Выход генератора управляющих импульсов 7 соединен с управляющим входом коммутирующего элемента 4.

Вследствие применения активного коммутатора, управляемого импульсом большой длительности, процессы в предлагаемом модуляторе существенно отличаются от процессов в устройстве-прототипе.

Модулятор работает следующим образом.

При отпирании коммутирующего элемента 4 происходит разряд формирующей линии 3 на нагрузку 5, вырабатывается импульс выходного напряжения. Напряжение обратной полярности, имеющееся на формирующей линии 3 по окончании разряда в случае рассогласования с нагрузкой 5, снимается цепью снятия перезаряда 6. Диод 8 обеспечивает отсутствие на нагрузке напряжения обратной полярности после импульса и во время паузы между импульсами и обеспечивает прохождение тока заряда линии. В этой части процессы в предлагаемом устройстве и прототипе аналогичны.

По окончании разряда формирующей линии 3 на нагрузку 5 коммутирующий элемент 4 остается открытым. Ток в зарядной цепи 2 нарастает во времени по закону
i_зар(t) 1-e
(1) где Е напряжение источника;
L индуктивность дросселя зарядной цепи 2;
R суммарное омическое сопротивление дросселя и диода зарядной цепи 2, источника питания 1 и диода 8, шунтирующего нагрузку;
t время, отсчитываемое от момента включения коммутирующего элемента.

Если для упрощения рассуждений принять, что сопротивление R пренебрежимо мало, выражение (1) примет следующий вид:
i_зар(t) ≃ t (2)
Коммутирующий элемент 4 остается в открытом состоянии до окончания импульса на его управляющем входе, после чего запирается. В этот момент ток в зарядной цепи составляет
i_зар(t₁) ≃ t₁ (3)
В дросселе зарядной цепи 2 накоплена энергия, поэтому после запирания коммутирующего элемента 4 происходит колебательный процесс заряда формирующей линии 3 по закону
U_л(t-t₁) · esinω(t-t₁)
(4) где С емкость формирующей линии 3;
ω; a
В предположении малости величины R выражение (4) принимает более простой вид:
U_л(t-t₁) · sinω(t-t₁)
(5)
Заряд формирующий линии 3 прекращается в тот момент, когда ток в цепи достигает нулевого значения и запирается диод зарядной цепи 2. Энергия, запасенная в дросселе, полностью передана линии.

Напряжение, до которого заряжается формирующая линия 3, равно (в предположении малости R):
U i_зар(t₁) · · t₁
(6)
Время, в течение которого заряжается формирующая линия 3 после запирания коммутирующего элемента 4:
t_зар= (7)
Ток в зарядной цепи 2 в момент запирания коммутирующего элемента 4
i_зар(t₁) ≃ · t₁ (8)
Процессы в устройстве иллюстрируются эпюрами напряжений и тока, приведенными на фиг. 2, где на эпюре а показан тока коммутирующего элемента 4; на эпюре б напряжение на формирующей линии 3; на эпюре в напряжение на выходе генератора управляющих импульсов 7 (на управляющем входе коммутирующего элемента 4).

Существенными отличиями предлагаемого устройства являются:
применение в качестве коммутирующего элемента активного коммутатора, управляемого как на включение, так и на выключение (например, таситрона, транзистора) вместо мягкого коммутатора, управляемого только на включение (например, тиратрона, тиристора);
применение в качестве генератора управляющих импульсов одновибратора с регулируемой длительностью импульса, превышающей длительность импульса на нагрузке, в то время как в прототипе длительность управляющего импульса меньше или равна длительности импульса на нагрузке.

Перечисленные выше существенные отличия позволяют получить положительный эффект за счет реализации следующих технических преимуществ перед прототипом:
напряжение заряда формирующей линии может быть значительно выше удвоенного напряжения источника питания, практически отсутствуют ограничения величины отношения напряжения заряда к напряжению источника питания;
напряжение заряда линии легко изменяется путем изменения длительности открытого состояния коммутирующего элемента. Принципиальные ограничения пределов отсутствуют.

Ниже приведены результаты оценочных расчетов, подтверждающих возможность практической реализации предлагаемого устройства.

1. Импульсный модулятор мощностью в импульсе 150 кВт на таситроне ТГУ1-60/7.

Зададимся следующими исходными данными:
Напряжение на нагрузке, кВ 3
Ток нагрузки, А 50
Сопротивление нагрузки, Ом 60
Длительность импульса, мкс 10
Напряжение источника питания, В 250
По известной методике расчета находим:
Волновое сопротивление линии, Ом 60
Емкость линии, пФ 83
Напряжение заряда линии, кВ 6,0
Индуктивность зарядного
дросселя примем равной, Гн 1
По формуле (6) находим длительность t₁ открытого состояния коммутирующего элемента, необходимую для получения напряжения заряда линии 6 кВ. При этом расчете напряжение, действующее в зарядной цепи должно быть принято ниже, чем напряжение источника питания, на величину падения напряжения на таситроне. По техническим условиям на таситроне ТГУ1-60/7 оно не превышает 30 В.

t₁= · · 7,85 мс
Максимальный ток в зарядной цепи i_зар (t₁) также находим из формулы (6):
i_зар(t₁) 1,73A
Время заряда линии после запирания коммутирующего элемента находим по формуле (7):
t_зар= 0,45 мс
2. Импульсный модулятор на транзисторе КТ-704А.

Исходные данные:
Мощность в импульсе, Вт 800
Напряжение на нагрузке, В 200
Сопротивление нагрузки, Ом 50
Длительность импульса, мкс 100
Напряжение источника питания, В 12
Находим по известной методике:
Волновое сопротивление линии, Ом 50
Емкость линии, мкф 1
Напряжение заряда линии, В 400
Индуктивность зарядного
дросселя примем равной, Гн 0,1
По формулам (6) и (7) находим:
t₁ 10,5 мс
i_зар (t₁) 200 мА
t_зар 1,57 мс
Приведенные оценочные расчеты подтверждают возможность реализации предлагаемого устройства и его преимуществ перед устройством-прототипом; напряжение заряда линии в рассмотренных примерах превышает напряжение источника питания в 24 и 33 раза, амплитуда напряжения на нагрузке регулируется простым изменением длительности импульса генератора управляющих импульсов.

Экономическая эффективность предлагаемого изобретения определяется его техническими преимуществами. Величина экономического эффекта от использования изобретения может быть рассчитана при конкретной реализации устройства.

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к импульсной технике, и может быть использовано в генераторах мощных импульсов для питания СВЧ-приборов в радиопередающих устройствах РЛС и других систем. Импульсный модулятор содержит источник постоянного напряжения 1, зарядную цепь 2 из дросселя и диода, формирующую линию 3, коммутирующий элемент 4, управляемый как на включение, так и на выключение (таситрон или транзистор), нагрузку 5, цепь снятия перезаряда 6, генератор управляющих импульсов 7 - одновибратор с регулируемой длительностью импульса, и диод 8. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР, содержащий источник питания, зарядную цепь, включающую дроссель и первый диод, формирующую линию, коммутирующий элемент, генератор управляющих импульсов, последовательную цепь из второго диода и резистора, нагрузку и третий диод, причем отрицательный полюс источника питания, один вывод нагрузки, отрицательный полюс коммутирующего элемента, анод второго и катод третьего диода соединены с общей шиной, положительный полюс источника через зарядную цепь соединен с положительным полюсом коммутирующего элемента, одним выводом формирующей линии и через резистор с катодом второго диода, второй вывод формирующей линии соединен с вторым выводом нагрузки и анодом третьего диода, а выход генератора управляющих импульсов соединен с управляющим входом коммутирующего элемента, отличающийся тем, что, с целью снижения напряжения источника питания и упрощения регулировки амплитуды импульса напряжения на нагрузке, коммутирующий элемент выполнен на активном коммутаторе с управлением на включение и на выключение, а генератор управляющих импульсов выполнен на одновибраторе с регулируемой длительностью импульса, превышающей длительность импульса на нагрузке. 2. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что коммутирующий элемент выполнен на таситроне или транзисторе.