ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР Российский патент 1997 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано для модуляции различных радиотехнических устройств.

Известны переключающие устройства, выполняющие функцию модуляторов и содержащие n последовательно соединенных транзисторных ключей, формирующих модулирующее напряжение на приборе СВЧ, например на катоде магнетрона (а.с. СССР N 738166, кл. H 03 K 17/60, опубл. 7.02.80 г. а.с. СССР N 841115, кл. H 03 K 17/08, опубл. 20.02.81 г. а.с. СССР N 1129736, кл. H 03 K 17/60, опубл. 15.08.84 г. а.с. СССР N1709511, кл. H 03 K 17/60, опубл. 30.01.92 г.).

Недостатками этих устройств являются довольно значительные массогабаритные характеристики и недостаточно высокая надежность, обусловленные в основном наличием высоковольтного источника питания или применением N низковольтных источников питания. Современные же модулирующие устройства для передающих устройств требуют значительного улучшения этих характеристик.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к изобретению является высоковольтный переключатель, описанный в авторском свидетельстве СССР N 1347178, кл. H 03 K 17/60, олубл. 23.10.87 г. Этот переключатель содержит транзисторы 1.1 1.М, диоды ограничители 2.1 2.M, зарядные 3.1 3.(M 1), разделительные 4.1 4.(M 1), защитный 5, резисторы 6.1 6.M, 7.1 7.M, конденсаторы 8.1 8. M, источник питания 9, общую 10 и выходную 11 шины, нагрузку 12.

Недостатком этого устройства является то, что, несмотря на параллельный заряд емкостей 8.1 8.M от источника 9 и последовательный разряд указанных емкостей, массогабаритные характеристики и надежность переключателя часто не удовлетворяют требованиям современных передающих устройств.

Довольно значительные массогабаритные характеристики устройства обусловлены тем, что в устройстве присутствуют импульсные трансформаторы 13.1-13. (M-1), зарядные резисторы 7.1-7.M, через которые протекает большой паразитный ток за время импульса, транзисторы 1.1-1.(M-1) должны быть мощными и рассчитаны на высокое напряжение (особенно транзистор 1.1), т.к. к этим транзисторам прикладывается напряжение, значительно большее, чем напряжение источника 9, низким КПД, т. к. после запирания транзистора 1.1 транзисторы от 1.2-1. M остаются открытыми до рассасывания неосновных носителей из их базовых областей и энергия, запасенная в конденсаторах 8.2-8.M, расходуется в виде тепла на транзисторах 1.2-1.M, диодах 2.2-2.M, 3.1-3.(M-1), 4.1-4. (M-1) и, по-видимому, в источнике 9 т.к. напряжение, большее чем напряжение источника 9, должно где-то погаситься).

Низкая надежность обусловлена, например, приложением высокого напряжения к коллектору транзистора 1.1 (на время открывания стабилитрона 14.1 и диода 4.1), большим тепловыделением на элементах, рассмотренных выше, наличие на нагрузке 12 напряжения после окончания импульса на выходной шине 11, т.к. ток и после окончания импульса на шине 11 будет проходить через первичную обмотку нагрузки, а это в большинстве случаев просто недопустимо и т. д.

Задачей, решаемой данным изобретением, является уменьшение массогабаритных характеристик импульсного модулятора с одновременным повышением его надежности.

Это достигается тем, что в устройство, содержащее источник питания, входную управляющую шину, N основных транзисторов, N основных ограничительных диодов, N-1 зарядных диодов, N-1 основных накопительных конденсаторов и нагрузку, дополнительно введены первый резистор, N блокирующих диодов, N-1 дополнительных накопительных конденсаторов, N дополнительных ограничительных диодов, N дополнительных транзисторов, N третьих резисторов, разрядный диод, N четвертых резисторов, при этом положительный полюс источника питания E подключен к первому выводу первого резистора и первому выводу первого из третьих резисторов, коллектору первого основного транзистора и аноду первого из N-1-ых зарядных диодов, отрицательный полюс источника E соединен с общей шиной, второй вывод первого резистора подключен к коллектору запускающего транзистора и первым выводам N вторых резисторов, база запускающего транзистора соединена с выходной управляющей шиной, а эмиттер с общей шиной, каждый из вторых выводов N вторых резисторов подключен к аноду соответствующего блокирующего диода, катод первого блокирующего диода соединен с базой первого дополнительного транзистора и катодом первого дополнительного ограничительного диода, катод каждого от второго до N-го блокирующего диода подключен к базе соответствующего дополнительного транзистора от второго до N-го, при этом переход эмиттер база каждого из дополнительных транзисторов от второго до N-го зашунтирован цепочкой, состоящей из параллельно соединенных дополнительного накопительного конденсатора и дополнительного ограничительного диода, второй вывод первого из третьих резисторов соединен с коллектором первого дополнительного транзистора, катодом первого ограничительного диода, базой первого основного транзистора, анод первого основного ограничительного диода соединен с эмиттером первого основного транзистора, при этом эмиттер первого основного транзистора соединен с катодом разрядного диода, анод которого подключен к общей шине, разрядный диод зашунтирован первым из N четвертых резисторов, катод первого из N зарядных диодов соединен с анодом второго зарядного диода, коллектором второго основного транзистора, первым выводом второго из N третьих резисторов и первым выводом первого основного накопительного конденсатора, второй вывод которого подключен к катоду разрядного диода, второму выводу второго из N четвертых резисторов и эмиттеру второго дополнительного транзистора, второй вывод второго из N третьих резисторов соединен с коллектором дополнительного транзистора, базой второго основного транзистора и катодом второго основного ограничительного диода, анод которого соединен с эмиттером второго основного транзистора, первым выводом второго из N четвертых резисторов, второй вывод второго основного накопительного конденсатора подключен к второму выводу N-го из четырех резисторов и эмиттеру N-го дополнительного транзистора, катод второго зарядного диода соединен с первым выводом второго основного накопительного конденсатора, коллектором N-го основного транзистора и первым выводом N-го из третьих резисторов, второй вывод которого соединен с коллектором N-го дополнительного транзистора, базой N-го основного транзистора и катодом N-го основного ограничительного диода, анод которого соединен с эмиттером N-го основного транзистора, первым выводом N-го из четырех резисторов, первым выводом нагрузки, второй вывод нагрузки, анод первого дополнительного ограничительного диода и эмиттер первого дополнительного транзистора соединены с общей шиной.

Патентные исследования по классам МКИ и H 03 K 17/60, 17/08, 5/00, 5/01, 5/12, 5/53, 5/55, 3/53 и сравнение с техническими решениями, известными из опубликованных источников информации, показывают, что заявляемое техническое решение обладает новизной и имеет изобретательский уровень.

Положительный эффект достигается за счет того, что введение первого резистора, N вторых резисторов, запускающего транзистора, N блокирующих диодов, N-1 дополнительных накопительных конденсаторов, N дополнительных ограничительных диодов, N дополнительных транзисторов, N третьих резисторов, разрядного диода, N четвертых резисторов позволяет резко уменьшить массо-габаритные характеристики модулятора с одновременным повышением его надежности, т.к. предложенная схема позволяет осуществлять параллельный заряд основных накопительных конденсаторов и осуществлять последовательный их разряд, формируя на нагрузке импульс высокого напряжения, равный (N-1) E, при этом на всех элементах схемы, за исключением блокирующих диодов, напряжение не превышает напряжения источника питания "E".

На чертеже представлена принципиальная схема импульсного модулятора. Предлагаемое устройство является промышленно осуществимым и содержит источник питания 1, входную запускающую шину 2, N основных транзисторов 3, N основных ограничительных диодов 4, N-1 зарядных диодов 5, N-1 основных накопительных конденсаторов 6, нагрузку 7, первый резистор 8, N вторых резисторов 9, запускающий транзистор 10, N блокирующих диодов 11, N-1 дополнительных накопительных конденсаторов 12, N дополнительных ограничительных диодов 13, N дополнительных транзисторов 14, N третьих резисторов 15, разрядный диод 16 и N четвертых резисторов 17.

При этом положительный полюс источника 1 подключен к первому выводу резистора 8 и первому выводу резистора 15, коллектору первого транзистора 3 и аноду первого зарядного диода 5, отрицательный полюс источника 1 соединен с общей шиной, второй вывод резистора 8 подключен к коллектору запускающего транзистора 10 и первым выводам резисторов 9, база запускающего транзистора 10 соединена с входной управляющей шиной 2, а эмиттер с общей шиной, каждый из вторых выводов резисторов 9 подключен к аноду соответствующего блокирующего диода 11, катод первого диода 11 соединен с базой первого дополнительного транзистора 14 и катодом первого из ограничительных диодов 4, катод каждого от второго до N-го диода 11 подключен к базе соответствующего дополнительного транзистора 14 от второго до N-го, при этом переход эмиттербаза каждого транзистора 14 от второго до N-го зашунтированы цепочкой, состоящей из параллельно соединенных дополнительного конденсатора 12 и диода 13, второй вывод первого из резисторов 15 соединен с коллектором первого из транзисторов 14, катодом первого из диодов 4, базой первого основного транзистора 3, анод первого диода 4 соединен с эмиттером первого транзистора 3, при этом эмиттер первого транзистора 3 соединен с катодом разрядного диода 16, анод которого подключен к общей шине, диод 16 зашунтирован первым из N резисторов 17, катод первого из диодов 5, соединен с анодом второго диода коллектором второго транзистора 3, первым выводом второго резистора 15 и первым выводом первого конденсатора 6, второй вывод которого подключен к катоду диода 16, второму выводу второго резистора 17 и эмиттеру второго транзистора 14, второй вывод второго резистора 15 соединен с коллектором второго транзистора 14, базой второго основного транзистора 3 и катодом второго диода 4, анод которого соединен с эмиттером второго транзистора 3, первым выводом второго резистора 17, второй вывод второго конденсатора 6 подключен к второму выводу N-го резистора 17 и эмиттеру N-го транзистора 14, катод второго диода 5 соединен с первым выводом второго конденсатора 6, коллектором N-го транзистора 3 и первым выводом N-го резистора 15, второй вывод которого соединен с коллектором N-го транзистора 14, базой N-го транзистора 3 и катодом N-го диода 4, анод которого соединен с эмиттером N-го транзистора 3, первым выводом N-го резистора 17, первым выводом нагрузки, второй вывод нагрузки 7, анод первого диода 13 и эмиттер транзистора 14 соединены с общей шиной.

Предложенное устройство работает следующим образом.

В статическом состоянии транзисторы 3 закрыты, транзисторы 14 открыты. По цепи: источник питания 1, диод 5, конденсатор 6, диод 4, транзистор 14, общая шина схемы происходит параллельный заряд конденсаторов 6 до напряжения E. При приходе на базу транзистора 10 с входной запускающей шины 2 импульса запуска происходит последовтаельное закрывание транзисторов 14, начиная от первого до N-го, и последовательное открывание транзисторов 3 током, протекающим от источника E через резистор 15, переход эмиттер-база транзистора 3, резистор 17 и общую шину схемы. При этом на эмиттере первого транзистора 3 и втором выводе первого накопительного конденсатора 6 возникает напряжение, близкое к E, а на первом выводе первого накопительного конденсатора 6 напряжение возникает до 2E, первый зарядный диод 5 закрывается, второй транзистор 3 открывается, а на первом выводе второго конденсатора 6 напряжение возрастает до 3E и так далее, при этом на нагрузке 7 формируется импульс напряжения с амплитудой, примерно равной (N-1)E.

Ток нагрузки протекает по цепи: первый вывод N-1-го конденсатора 6, переход коллектор-эмиттер N-го открытого транзистора 3, нагрузка 7, диод 16 и второй вывод первого конденсатора 6.

После окончания импульса запуска с входной шины 2 происходит последовательное открывание транзисторов 14 от первого до N-го и последовательное закрывание транзисторов 3 от первого до N-го.

Применение предлагаемого изобретения позволяет реализовать поставленную задачу резко снизить массогабаритные характеристики модулятора с одновременным повышением его надежности. Повышение надежности обусловлено тем, что на элементах предлагаемой схемы не возникает перенапряжений. В предлагаемой схеме значительно выше КПД и меньшее тепловыделение (в прототипе большие потери энергии как во время действия импульса, так и после его окончания, наличие мощных резисторов 7.1 7.M, импульсных трансформаторов, мощного высоковольтного диода 5 и т.д.).

Снижение массогабаритных характеристик также обусловлено тем, что на элементах модулятора, за исключением блокирующих диодов 11, напряжение не превышает E, а также повышением КПД зарядных и разрядных цепей основных накопительных конденсаторов 6.

Применение предлагаемого модулятора позволит также уменьшить стоимость модулятора за счет применения менее высоковольтных и менее мощных элементов.

Изобретение относится к области импульсной техники и может быть использовано для модуляции различных радиотехнических устройств.

Задачей, решаемой данным изобретением, является уменьшение массо-габаритных характеристик импульсного модулятора с одновременным повышением его надежности. Это достигается за счет того, что в импульсный модулятор, содержащий источник питания, ключевые транзисторы, диоды, накопительные конденсаторы и нагрузку, дополнительно введены резисторы, конденсаторы, транзисторы и диоды. При этом вновь введенные элементы и их связи позволяют реализовать высоковольтный импульсный модулятор в твердотельном исполнении, что влечет за собой резкое снижение массогабаритных характеристик модулятора с одновременным повышением надежности, а также отсутствие дополнительных включений, проверок и тренировок за длительный период хранения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Импульсный модулятор, содержащий источник питания, нагрузку, шину запуска и N каскадов коммутации, каждый из которых состоит из коммутирующего транзистора, между переходом эмиттер-база которого включен защитный диод, первого и второго резисторов, и в первых (N 1)-м каскаде коммутации последовательно соединенные зарядный диод и накопительный конденсатор, при этом первый вывод источника питания соединен с общей шиной первого каскада коммутации, отличающийся тем, что в каждый из N каскадов коммутации введен управляющий транзистор, между переходом эмиттер-база которого включен соответствующий защитный диод, при этом база управляющего транзистора через последовательно соединенные блокирующий диод и первый резистор в каждом из N каскадов коммутации соединены с коллектором запускающего транзистора, база которого соединена с шиной запуска, и через ограничительный резистор с вторым выводом источника питания и с шиной питания первого каскада коммутации, которая соединена в каждом каскаде коммутации, кроме N-го, с зарядным диодом, и в каждом каскаде коммутации с коллектором коммутирующего транзистора и через второй резистор с базой коммутирующего транзистора и с коллектором управляющего транзистора, эмиттер которого соединен с общей шиной соответствующего каскада коммутации, которая через третий резистор соединена с эмиттером коммутирующего транзистора, а в первых (N 1)-м каскаде коммутации и с накопительным конденсатором, общая шина каждого из N каскадов коммутации соединена с эмиттером коммутирующего транзистора предыдущего каскада, в каждом из N каскадов коммутации, кроме первого, шина питания соединена с точкой соединения зарядного диода и накопительного конденсатора предыдущего каскада коммутации, а параллельно переходу эмиттер-база управляющего транзистора подключен дополнительный накопительный конденсатор, причем эмиттер запускающего транзистора соединен с первым выводом источника питания, а нагрузка подключена между эмиттерами коммутирующих транзисторов первого и последнего каскадов коммутации. 2. Модулятор по п. 1, отличающийся тем, что между эмиттерами коммутирующего и управляющего транзисторов первого каскада коммутации включен разрядный диод.