ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР Российский патент 1995 года по МПК H03K7/02 H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для модуляции мощных СВЧ и других электронных приборов, работающих с малой скважностью, крутыми фронтами импульсов в изделиях с повышенной надежностью.

Наиболее близким к данному устройству, взятому в качестве прототипа, является импульсный модулятор, содержащий высоковольтный источник питания, первую и вторую модуляторные лампы, при этом анод первой модуляторной лампы подключен к первому выводу нагрузки, второй вывод которой подключен к общей шине, первый и второй электронные ключи, первый из которых соединен с второй модуляторной лампой, а второй электронный ключ с отрицательной шиной высоковольтного источника питания, генератор управляющих импульсов (1).

Недостатками указанного устройства является невысокая надежность, которая определяется отсутствием отечественных модуляторных триодных ламп, в которых сочетаются приемлемо низкие сеточные напряжения управления и устойчивость к механическим воздействиям.

Целью изобретения является повышение надежности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что импульсный модулятор содержит высоковольтный источник питания, первую и вторую модуляторные лампы, при этом анод первой модуляторной лампы подключен к первому выводу нагрузки, второй вывод которой подключен к общей шине, первый и второй электронные ключи, первый из которых соединен с второй модуляторной лампой, а второй электронный ключ соединен с отрицательной шиной высоковольтного источника питания, генератор управляющих импульсов, в него введены первый и второй источники питания, первые конденсатор и резистор, образующие интегрирующую цепь, второй конденсатор, второй резистор, диод, транзисторный ключ, первый усилитель и третьи конденсатор и резистор, образующие параллельную RC-цепь, а также четвертые конденсатор и резистор, образующие дифференцирующую цепь, второй усилитель, трансформатор и дополнительную нагрузку, при этом каждый электронный ключ выполнен на транзисторе, причем отрицательные полюса первого и второго источников питания первой модуляторной лампы соединены с нагрузкой, а отрицательные полюса первого и второго источников питания второй модуляторной лампы с отрицательной шиной высоковольтного источника питания, положительные полюса первого источника питания модуляторных ламп через транзисторный ключ соединены с экранирующей сеткой соответствующих модуляторных ламп и катодом соответствующего диода, положительные полюса второго источника питания модуляторных ламп через первый резистор соединены с управляющей сеткой соответствующих модуляторных ламп и через второй резистор с анодом соответствующего диода, коллектор каждого электронного ключа через конденсатор соединен с катодом соответствующих модуляторных ламп и через последовательно соединенные второй конденсатор и первый усилитель с управляющим входом соответствующего транзисторного ключа, первый питающий вход первого усилителя модуляторных ламп соединен с положительным полюсом первого источника модуляторных ламп, а второй питающий вход первого усилителя модуляторных ламп соединен с отрицательным полюсом второго источника питания модуляторных ламп и через первый конденсатор с вторым выводом соответствующего первого резистора, первый выход генератора управляющих импульсов соединен с базой первого электронного ключа и через последовательно соединенные четвертый конденсатор и второй усилитель с первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй выход генератора управляющих импульсов соединен с эмиттером первого электронного ключа, анодом второй модуляторной лампы, первым выводом четвертого резистора, первым питающим входом второго усилителя, вторым выводом первичной обмотки трансформатора и отрицательной шиной второго источника питания модуляторных ламп, второй питающий вход второго усилителя соединен с положительным полюсом первого источника питания первой модуляторной лампы, первый и второй выводы вторичной обмотки трансформатора соединены соответственно с базой второго электронного ключа и отрицательной шиной второго источника питания модуляторных ламп, при этом второй вывод четвертого резистора соединен с вторым выводом четвертого конденсатора, первый вывод дополнительной нагрузки соединен с первым выводом нагрузки, а второй вывод соединен с отрицательной шиной высоковольтного источника питания.

На фиг.1 приведена схема импульсного модулятора; на фиг.2 временные диаграммы управляющих напряжений на базе ключевого транзистора, включенного в цепь катода модуляторной лампы, на управляющей сетке лампы и на экранной сетке лампы.

Импульсный модулятор содержит генератор 1 управляющих импульсов, первую 2 и вторую 3 модуляторные лампы, представляющие собой тетроды, первую 4 и вторую 5 параллельные RC-цепи, первый 6 и второй 7 электронные ключи, выполненные на транзисторах n-p-n-типа, вторые конденсаторы 8, 9, первые усилители 10, 11, транзисторные ключи 12, 13, первые источники питания 14, 15, вторые источники питания 16, 17, вторые резисторы 18, 19, диоды 20, 21, интигрирующие цепи 22, 23, нагрузку 24, дифференцирующую цепь 25, второй усилитель 26, трансформатор 27, дополнительную нагрузку 28, третьи конденсаторы 29, 30 и третьи резисторы 31, 32, образующие параллельные RC-цепи 4, 5 первые конденсаторы 33, 34 и первые резисторы 35, 36, образующие интегрирующие цепи 22, 23, четвертые конденсатор 37 и резистор 38, образующие дифференцирующую цепь 25, при этом анод первой модуляторной лампы 2 подключен к положительной шине высоковольтного источника питания, а анод второй модуляторной лампы 3 подключен к первому выводу нагрузки 24, второй вывод которой подключен к общей шине, первый электронный ключ 6 соединен с второй модуляторной лампой 3, а второй электронный ключ 7 с отрицательной шиной высоковольтного источника 1 питания, каждый электронный ключ 6, 7 выполнен на транзисторе, отрицательные полюса первого 14 и второго 16 источников питания первой модуляторной лампы 2 соединены с нагрузкой 24, а отрицательные полюса первого 15 и второго 17 источников питания второй модуляторной лампы 3 соединены с отрицательной шиной высоковольтного источника питания 1, положительные полюса первых источников питания 14, 15 модуляторных ламп 2, 3 через транзисторные ключи 12, 13 соединены с экранирующей сеткой соответствующих модуляторных ламп 2, 3 и катодом соответствующих диодов 20, 21, положительные полюса вторых источников питания 16, 17 модуляторных ламп 2, 3 через первые резисторы 35, 36 соединены с управляющей сеткой соответствующих модуляторных ламп 2 и 3 и через вторые резисторы 18 и 19 с анодом соответствующих диодов 20, 21, коллектор каждого электронного ключа 6, 7 через третьи конденсаторы 29, 30 соединен с катодом соответствующих модуляторных ламп 2, 3 и через последовательно соединенные вторые конденсаторы 8 и 9 и первые усилители 10 и 11 с управляющим входом соответствующего транзисторного ключа 12 и 13, первый питающий вход первых усилителей 10, 11 модуляторных ламп 2, 3 соединен с положительным полюсом первых источников 14, 15 модуляторных ламп 2, 3, а второй питающий вход первых усилителей 10, 11 модуляторных ламп 2, 3 соединен с отрицательным полюсом вторых источников питания 16, 17 модуляторных ламп 2, 3 и через первые конденсаторы 33, 34 с вторым выводом соответствующего первого резистора 35 или 36, первый выход генератора 1 управляющих импульсов соединен с базой первого электронного ключа 6 и через последовательно соединенные четвертый конденсатор 37 и второй усилитель 26 с первым выводом первичной обмотки трансформатора 27, второй выход генератора 1 управляющих импульсов соединен с эмиттером первого электронного ключа 6, анодом второй модуляторной лампы 2 или 3, первым выводом четвертого резистора 38, первым питающим входом второго усилителя 26, вторым выводом первичной обмотки трансформатора 27 и отрицательной шиной вторых источников питания 16, 17 модуляторных ламп 2, 3, второй питающий вход второго усилителя 26 соединен с положительным полюсом первых источников питания 14, 15 первой модуляторной лампы 2, 3, первый и второй выводы вторичной обмотки трансформатора 27 соединены соответственно с базой второго электронного ключа 7 и отрицательной шиной вторых источников питания 16, 17 модуляторных ламп 2, 3, при этом второй вывод четвертого резистора 38 соединен с вторым выводом четвертого конденсатора 37, первый вывод дополнительной нагрузки 28 соединен с первым выводом нагрузки 24, а второй вывод соединен с отрицательной шиной высоковольтного источника питания.

Импульсный модулятор работает следующим образом.

В паузе между импульсами генератор 1 управляющих импульсов выключен, электронные ключи 6, 7 закрыты. При этом на коллекторах этих ключей устанавливается напряжение, равное сумме напряжений: напряжению на управляющей сетке ламп 2 или 3 и напряжению, соответствующему напряжению запирания этих ламп. Напряжение на управляющих сетках ламп 2, 3 непосредственно перед подачей управляющего импульса равно напряжению вторых источников питания 16 и 17 (как правило 30-80В).

В паузе напряжение на экранных сетках первой 2 и второй 3 ламп также равно напряжению вторых источников питания 16 и 17, поскольку транзисторные ключи 12 и 13, соединяющие положительные шины первых источников питания 14 и 15 с сетками первой 2 и второй 3 ламп закрыты. Напряжение на нагрузке 24 близко к потенциалу отрицательной шины высоковольтного источника питания. Указанное напряжение формируется за счет предварительной установки (работы ключевого элемента на второй лампе 3) и поддержания напряжения через дополнительную нагрузку 28. Таким образом, почти все напряжение высоковольтного ключа приложено к первой лампе 2, что обеспечивает работу первого электронного ключа 6 на транзисторе при относительно невысоких напряжениях.

При поступлении управляющего импульса на базу первого электронного ключа 6 последний открывается. Потенциал катода первой модуляторной лампы 2 приближается к потенциалу отрицательной шины второго источника питания 16, потенциал же управляющей сетки первой модуляторной лампы 2 в первый момент поступления импульса за счет энергии записанной первым конденсатором 33 остается неизменным. В результате на управляющей сетке первой модуляторной лампы 2 формируется положительное напряжение, равное напряжению второго источника питания 16 (фиг.2).

От переднего фронта, сформированного на коллекторе первого электронного ключа 6, импульсное напряжение через последовательно соединенные второй конденсатор 8 и первый усилитель 10 срабатывает первый транзисторный ключ 12 и замыкает экранную сетку первой модуляторной лампы 2 с положительной шиной первого источника питания 14 величиной в пределах 200-400В.

Таким образом, к сеткам первой модуляторной лампы 2 относительно катода прикладываются управляющие напряжения, подобранные так, что обеспечивается требуемый пиковый анодный ток первой модуляторной лампы 2.

По цепи: положительная шина высоковольтного источника питания, открытая первая модуляторная лампа 2, первая RC-цепь 4, открытый первый электронный ключ 6 начинается перезаряд емкости нагрузки 24 (управляющей сетке СВЧ-прибора, как правило, величиной 70-500 пФ).

Ток в нагрузке достигает наибольшей величины 5-20А на фронте формирующего импульса. В результате переходного процесса потенциал нагрузки 24 приближается к потенциалу положительной шины высоковольтного источника питания, ток анода первой модуляторной лампы 2 падает. Первый транзисторный ключ 12, время открытого состояния которого рассчитано на интервал прохождения основного тока в нагрузке 24, закрывается.

На экранной сетке первой модуляторной лампы 2 устанавливается напряжение менее напряжения второго источника питания 16 по цепи: второй резистор 18, первый диод 20. Указанное напряжение значительно ниже предшествующего напряжения первого источника питания 14, но достаточно для работы первой модуляторной лампы 2 при малых токах и низких анодных напряжениях.

Напряжение на управляющей сетке первой модуляторной лампы 2 за счет разряда первого конденсатора 33 уменьшается. Однако, поскольку основной пик тока через первую модуляторную лампу 2 завершен, оставшегося напряжения управления сетка-катод первой модуляторной лампы 2 достаточно для окончательного дозаряда емкости нагрузки 24 и поддержания небольшого тока с учетом дополнительной нагрузки 28 в течение всего периода формирования импульса даже с учетом отсутствия относительно высокого напряжения на экранной сетке первой модуляторной лампы 2.

Таким образом, непосредственно перед концом модулирующего импульса, сформированного генератором 1 управляющих импульсов, ток через первый электронный ключ 6 имеет малое значение, как правило, не более 0,1А, что способствует подготовке относительно малого времени переключения первого электронного ключа 6.

Задним фронтом импульса, сформированного генератором 1 управляющих импульсов, первый электронный ключ 6 закрывается и в результате разрывается гальваническая связь нагрузки 24 с положительной шиной высоковольтного источника питания.

От заднего фронта импульса, сформированного генератором 1 управляющих импульсов, через дифференцирующую цепь 25, второй усилитель 26 и трансформатор 27 на базу второго электронного ключа 7 поступает управляющий сигнал, открывающий второй электронный ключ 7.

Аналогично работе описанных ранее ключевых элементов коммутируется цепь, связывающая нагрузку 24 с отрицательной шиной высоковольтного источника питания.

Длительность управляющего импульса, поступающего на базу второго электронного ключа 7, определяется исполнением цепочки элементов, связывающих базу второго электронного ключа 7 с генератором 1 управляющих импульсов, и устанавливается из условий обеспечения необходимого времени на перезаряд емкости нагрузки 24, как правило 1-4 мкс.

При запирании второго электронного ключа 7 закрывается вторая модуляторная лампа 3 и связь емкости нагрузки 24 с высоковольтным источником питания осуществляется через дополнительную нагрузку 28. В паузе до поступления нового импульса с выхода генератора 1 управляющих импульсов происходит подзарядка первых конденсаторов 33 и 34, соединенных с управляющими сетками первой и второй модуляторных ламп 2, 3, до напряжения, равного напряжению вторых источников 16, 17. В итоге модулятор к моменту поступления следующего импульса возвращается в исходное состояние.

Главной особенность модулятора является тройное управление модуляторными лампами: по управляющей сетке, экранной сетке и по катоду (фиг.2).

В результате в первой части формируемого импульса на нагрузке 24 первая 2 и вторая 3 модуляторные лампы работают в типовом импульсном режиме, характеризующемся наличием соответствующих управляющих напряжений на управляющей и экранной сетках. Во второй части формируемого импульса, когда анодное напряжение на лампе существенно уменьшено, управляющее напряжение с экранной сетки снимается, а управляющее напряжение на управляющей сетке лампы уменьшается за счет явления автосмещения.

В третьей части формируемого импульса через первую модуляторную лампу 2 протекает незначительный ток, определяемый нагрузкой 28. При этом на управляющей сетке за счет автосмещения устанавливается низкое напряжение, что обеспечивает работоспособность лампы при практически любой длительности формируемого модулятором импульса.

Таким образом, с одной стороны, обеспечивается высокая скорость перезаряда емкости нагрузки 24 и, как следствие, высокий КПД модулятора, скважность по управляющей и экранной сеткам достаточно высокая, что обеспечивает надежность эксплуатации ламп, и следовательно, надежность устройства.

Импульсный модулятор используется для манипуляции мощных СВЧ и других электронных приборов, работающих с малой скважностью, крутыми фронтами импульсов в изделиях с повышенной надежностью. Устройство содержит генератор 1 управляющих импульсов, первую 2 и вторую 3 модуляторные лампы, представляющие собой тетроды, первую 4 и вторую 5 параллельные RC-цепи, первый 6 и второй 7 электронные ключи, выполненные на транзисторах n-p-n-типа, вторые конденсаторы 8 и 9, первые усилители 10 и 11, транзисторные ключи 12 и 13, первые источники питания 14 и 15, вторые источники питания 16 и 17, вторые резисторы 18 и 19, диоды 20 и 21, интегрирующие цепи 22 и 23, нагрузку 24, дифференцирующую цепь 25, второй усилитель 26, трансформатор 27, дополнительную нагрузку 28, третьи конденсаторы 29 и 30 и третьи резисторы 31 и 32, образующие параллельные RC-цепи 4, 5, первые конденсаторы 33 и 34 и первые резисторы 35 и 36, образующие интегрирующие цепи 22 и 23, четвертые конденсатор 37 и резистор 38, образующие дифференцирующую цепь 25. 2 ил.

1. ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР, содержащий высоковольтный источник питания, первую и вторую модуляторные лампы, при этом анод первой модуляторной лампы подключен к первому выводу нагрузки, второй вывод которой подключен к общей шине, первый и второй электронные ключи, первый из которых соединен с второй модуляторной лампой, а второй с отрицательной шиной высоковольтного источника питания, генератор управляющих импульсов, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в него для каждой модуляторной лампы, представляющей собой тетрод, введены первый и второй источники питания, первые конденсатор и резистор, образующие интегрирующую цепь, вторые конденсатор и резистор, диод, транзисторный ключ, первый усилитель и третьи конденсатор и резистор, образующие параллельную RC-цепь, а также четвертые конденсатор и резистор, образующие дифференцирующую цепь, второй усилитель, трансформатор и дополнительную нагрузку, при этом каждый электронный ключ выполнен на транзисторе, причем отрицательные полюса первого и второго источников питания первой модуляторной лампы соединены с нагрузкой, а второй модуляторной лампы - с отрицательной шиной высоковольтного источника питания, положительные полюса первого источника питания модуляторных ламп через транзисторный ключ соединены с экранирующей сеткой соответствующих модуляторных ламп и катодом соответствующего диода, положительные полюса второго источника питания модуляторных ламп через первый резистор с управляющей сеткой соответствующих модуляторных ламп и через второй резистор с анодом соответствующего диода, коллектор каждого электронного ключа через третий конденсатор соединен с катодом соответствующих модуляторных ламп и через последовательно соединенные второй конденсатор и первый усилитель с управляющим входом соответствующего транзисторного ключа, первый питающий вход первого усилителя модуляторных ламп соединен с положительным полюсом первого источника модуляторных ламп, а второй питающий вход с отрицательным полюсом второго источника питания модуляторных ламп и через первый конденсатор с вторым выводом соответствующего первого резистора, первый выход генератора управляющих импульсов соединен с базой первого электронного ключа и через последовательно соединенные четвертый конденсатор и второй усилитель с первым выводом первичной обмотки трансформатора, второй выход с эмиттером первого электронного ключа, анодом второй модуляторной лампы, первым выводом четвертого резистора, первым питающим входом второго усилителя, вторым выводом первичной обмотки трансформатора и отрицательной шиной второго источника питания модуляторных ламп, второй питающий вход второго усилителя соединен с положительным полюсом первого источника питания первой модуляторной лампы, первый и второй выводы вторичной обмотки трансформатора соединены соответственно с базой второго электронного ключа и отрицательной шиной второго источника питания модуляторных ламп, при этом второй вывод четвертого резистора соединен с вторым выводом четвертого конденсатора, первый вывод дополнительной нагрузки - с первым выводом основной нагрузки, а второй вывод с отрицательной шиной высоковольтного источника питания. 2. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что каждый транзисторный ключ выполнен в виде последовательно соединенных второго транзистора p n p-типа и третьего транзистора n p n-типа, пятого и шестого резисторов, управляющий вход транзисторного ключа соединен с базой второго транзистора и через пятый резистор с эмиттером второго транзистора, коллектором третьего транзистора и входом транзисторного ключа, а коллектор второго транзистора с базой третьего транзистора и первым выводом шестого резистора, второй вывод которого соединен с эмиттером третьего транзистора и выходом транзисторного ключа.