ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 1995 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к генерированию высоковольтных импульсов.

Известны генераторы импульсных напряжений (ГИН), в которых для уменьшения времени срабатывания и расширения диапазона управляемой работы используются резистивные связи между каскадами. Недостатком известных конструкций является дополнительное увеличение потерь энергии в резистивных связях, а также усложнение конструкции и снижение надежности.

Известна конструкция генератора импульсных напряжений, выбранная в качестве прототипа, содержащая накопительные конденсаторы, трехэлектродные разрядники, конденсаторы связи между предыдущими каскадами и средними электродами разрядников, экраны, осуществляющие каскадное экранирование.

Недостатком известной конструкции является большое время срабатывания ГИН, уменьшение надежности и усложнение конструкции вследствие использования для межкаскадных емкостных связей высоковольтных конденсаторов, которые могут пробиваться из-за перенапряжений, возникающих на некоторых режимах работы ГИН.

Целью изобретения является уменьшение времени срабатывания, повышение надежности и упрощение конструкции ГИН.

Цель достигается тем, что ГИН содержит накопительные конденсаторы и трехэлектродные разрядники, соединенные по схеме Аркадьева-Маркса, а также экраны для каскадного экранирования, соединенные со средними электродами разрядников. Экраны выполнены ступенчатой формы и установлены таким образом, что ступень, которая экранирует последующий от разрядника каскад, расположена ближе к накопительным конденсаторам, чем ступень, экранирующая предыдущий каскад. Таким образом, ступень, экранирующая последующий каскад, в свою очередь экранирована ступенью экрана, соединенного со средним электродом разрядника следующего каскада. Эти ступени экранов совместно с "землей" образуют емкостный делитель напряжения и обеспечивают емкостную связь между каскадами.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый ГИН отличается тем, что экраны для каскадного экранирования выполнены ступенчатой формы и установлены таким образом, что каждый каскад ГИН экранируется одновременно двумя экранами, соединенными со средними электродами соседних разрядников, кроме того, эти экраны обеспечивают емкостную связь между каскадами.

Таким образом, заявляемый ГИН соответствует критерию изобретения "новизна".

Цель изобретения уменьшение времени срабатывания ГИН. Известно решение этой задачи при помощи резистивных и емкостных связей между каскадами.

Цель достигается с помощью ступенчатых экранов, которые одновременно осуществляют покаскадное экранирование, причем это экранирование осуществляется двумя экранами, которые устанавливают емкостную связь между каскадами.

Такое техническое решение обеспечивает достижение положительного эффекта и, следовательно, соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже изображена схема генератора.

ГИН содержит накопительные конденсаторы 1, трехэлектродные разрядники 2, соединенные по схеме Аркадьева-Маркса. Покаскадное экранирование конструкции ГИН осуществляется с помощью ступенчатых экранов 3, которые соединены со средними электродами трехэлектродных разрядников. Расстояния между экранами рассчитаны на изоляцию от межкаскадного напряжения. Продольные и поперечные размеры экранов выбираются в зависимости от типа накопительных конденсаторов, способа их соединения, расположения разрядников, а также от того, является ли ГИН открытым или находится в металлическом корпусе.

ГИН работает следующим образом. Предположим, что с помощью внешней системы запуска, либо за счет перенапряжений сработает первый трехэлектродный разрядник 2, изображенный на фрагменте схемы. Средний электрод этого разрядника через промежуток времени, равный времени коммутации разрядника, приобретает потенциал соответствующего каскада. Характерное время коммутации трехэлектродных разрядников составляет десятки нс. Однако еще до установления на среднем электроде потенциала каскадных накопительных конденсаторов потенциал электрода относительно "земли" с приходом внешнего импульса изменяется согласно следующей последовательности: рост напряжения на первом зазоре после прихода внешнего импульса задержка пробоя первого промежутка переполюсовка среднего электрода с ростом напряжения на втором зазоре задержка пробоя второго промежутка. При помощи ступенчатых экранов 3 между средними электродами первого и следующего за ним разрядников установлена емкостная связь с емкостью С_э. Емкость С_э и емкость экрана, соединенного со средним электродом следующего разрядника, на "землю" С_з образуют емкостный делитель напряжения.

Приведенные выше изменения потенциала среднего электрода первого разрядника и соединенного с ним экрана воспринимает экран, соединенный со средним электродом следующего разрядника с коэффициентом деления
K
Далее импульсы напряжения по ступенчатым экранам распространяются вдоль ГИН к выходу с уменьшением амплитуды от разрядника к разряднику со скоростью электромагнитных волн в изоляционной среде ГИН. Это приводит к быстрому последовательному срабатыванию разрядников. Известно, что процесс включения разрядников можно соотносить со скоростью распространения электромагнитной волны в искусственной линии, образованной индуктивностями каскадов и емкостями каскадов на "землю". Волновой характер имеет работа ГИН, выбранного в качестве прототипа. Однако в прототипе в искусственную линию входят наряду с конденсаторами для межкаскадной связи и емкостями каскадов на "землю" индуктивности каскадов.

В предлагаемом решении электромагнитная волна распространяется только между экранами, минуя индуктивности каскадов, поэтому скорость прихода импульсов на средние электроды разрядников будет больше и время срабатывания ГИН уменьшается.

Оценим уменьшение времени срабатывания предлагаемого ГИН по сравнению с прототипом. Процесс включения разрядников ГИН в прототипе соизмерим с распространением электромагнитной волны в искусственной линии, образованной индуктивностями каскадов и емкостями каскадов на "землю" С_з. Время пробега волны в искусственной линии
t_и= 2·N где N число каскадов в ГИН, N 33.

В прототипе зарядка емкостей средних электродов разрядников относительно "земли" осуществляется через связи С_с, в качестве которых использованы конденсаторы К15-4 емкостью 250 пФ. В этом случае С_з С_э^.С_с/(С_э + С_с), где С_э емкость экранов, соединенных со средними электродами на "землю", С_э 45 пФ
C_з= 39 пФ
Индуктивность каскадов L_к 750 нГн и включает в себя индуктивность накопительного конденсатора, индуктивность выводов и конструктивную индуктивность.

t_и= 2·33· = 357 нс
Время включения одного каскада составит
t= ≈ 11 нс
Полученные значения соответствуют временам срабатывания, лежащим в диапазоне 350-550 нс.

В предлагаемом ГИН время распространения импульса напряжения от разрядника к разряднику по ступенчатым экранам составит
t где l расстояние между разрядниками в прототипе l ≈ 0,2 м;
ε- диэлектрическая проницаемость трансформаторного масла 2,3;
с скорость света в вакууме
t ≈ 1 нс
Благодаря ступенчатым экранам напряжение, достаточное для запуска хотя бы двух следующих разрядников, будет подано на них практически одновременно. Амплитуда напряжения на первом разряднике упадет в К раз, на следующем в К² раз. Подбор коэффициента К в диапазоне 0,7-0,9 технических проблем не представляет. Если считать К 0,8, то на втором разряднике амплитуда напряжения упадет в К 0,8²0,64 раза. Перенапряжения на зазорах разрядников могут быть трехкратными. Тогда на втором разряднике перенапряжение будет двукратным, что достаточно для пробоя зазоров разрядников. Поэтому можно утверждать, что в предлагаемом ГИН разрядники могут срабатывать попарно, если рассматривать, как в прототипе, процесс включения ГИН как процесс последовательного срабатывания разрядников. Следовательно, время срабатывания предлагаемого ГИН составит
T t 11· ≈ 180 нс
Время срабатывания ГИН уменьшилось по сравнению с прототипом в ≈2 раза. Упрощение и повышение надежности ГИН связано с тем, что отпадает потребность в конденсаторах для емкостей связи.

Повышение надежности связано с тем, что при некоторых режимах работы ГИН конденсаторы связи выходят из строя.

Изобретение относится к генерированию высоковольтных импульсов. Цель изобретения уменьшение времени срабатывания, повышение надежности и упрощение конструкции генератора импульсных напряжений. Генератор импульсных напряжений содержит накопительные конденсаторы, трехэлектродные разрядники, соединенные по схеме Аркадьева-Маркса, а также экраны для покаскадного экранирования. Экраны, соединенные со средними электродами разрядников, выполнены ступенчатой формы и установлены таким образом, что ступень, экранирующая последующий от разрядника каскад, расположена ближе к накопительным конденсаторам, чем ступень, экранирующая предыдущий каскад, и экранирована ступенью экрана, соединенного со средним электродом разрядника следующего каскада, при этом расстояния между экранами рассчитаны на межкаскадное напряжение. 1 ил.

ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, выполненный по схеме Аркадьева Маркса и содержащий накопительные конденсаторы, трехэлектродные разрядники и экраны покаскадного экранирования, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия при одновременном повышении надежности и упрощении, экраны, соединенные с поджигающими электродами трехэлектродных разрядников, выполнены ступенчатой формы и установлены так, что ступень, экранирующая последующий от разрядника каскад, расположена ближе к накопительным конденсаторам, чем ступень, экранирующая предыдущий каскад, и экранирована ступенью экрана, соединенного с поджигающим электродом трехэлектродного разрядника последующего каскада, при этом расстояния между экранами определяют исходя из величины междукаскадного напряжения.