МАГНИТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2002 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к магнитным генераторам импульсов, и предназначено для генерирования импульсов с коротким фронтом для возбуждения квантовых генераторов, радиолокационных систем и в других технических и технологических применениях, где есть потребность в импульсах с коротким фронтом высокой мощности.

Магнитные формирователи импульсов строятся по следующему принципу:
накопление энергии в накопителе (емкостном или индуктивном) при потреблении ее от источника на малом уровне мощности через управляемый ключевой элемент в течение сравнительно длительного времени, с последующим высвобождением накопленной энергии за малые времена с преобразованиями, сводящимися к трансформации формы и амплитуды импульса для обеспечения требуемого режима работы нагрузки и устройства в целом.

Этот принцип построения утвердился с 1951 г., когда В. Мелвилл предложил использовать для сжатия импульсов нелинейные колебательные контуры (например, в работе: Melville W.S.//Proc.IEE. 1951.V.98. 53.Р158). Недостатком этого устройства при его реализации является значительная величина первого дросселя, обуславливающая значительные потери энергии импульса и габариты.

Этот недостаток устранен в генераторе, описанном в монографии: Меерович Л. А. , Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М.: Магнитные генераторы импульсов, М. : Сов. радио. 1968 г., 476 с. (с.18), в котором функцию первого дросселя выполняет импульсный трансформатор, который выполняется с насыщающимся магнитопроводом, однако и этот генератор обладает относительно низким кпд и громоздкостью, поскольку вся энергия импульса проходит через трансформатор при ее сжатии.

Более совершенным (выбран нами как прототип) является магнитный генератор импульсов, описанный в а.с. СССР 1358071 от 19.02.85 г., МПК⁷ Н 03 К 3/53, опубл. 07.12.87 г. Бюл. 45. Транзисторно-магнитный генератор импульсов (далее магнитный), содержащий источник питания, между выводами которого включены соединенные последовательно зарядный и накопительный элементы, последний подключен через ключ к первичной обмотке насыщающегося трансформатора, его вторичная обмотка шунтирована вторым емкостным накопителем и соединена последовательно через насыщающийся дроссель и первичную обмотку импульсного трансформатора с первым емкостным накопителем, а к выходной обмотке импульсного трансформатора подключена нагрузка.

Этот генератор обладает повышенным кпд и обладает меньшими габаритами по сравнению с описанными в упомянутой книге. Однако недостатками этого генератора являются относительно значительные габариты и относительно большая длительность фронта или относительно низкий коэффициент сжатия импульса.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение габаритов, повышение кпд и повышение коэффициента сжатия импульса или укорочение фронта импульса.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, является снижение габаритов, повышение кпд и повышение коэффициента сжатия импульса, получаемый за счет объединения сердечников дросселя и трансформатора и получение квазипрямоугольного импульса на нагрузке.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном магнитном генераторе импульсов, содержащем источник питания, между выводами которого включены соединенные последовательно зарядный и накопительный элементы, последний подключен через ключ к первичной обмотке насыщающегося трансформатора, его вторичная обмотка шунтирована вторым емкостным накопителем и соединена последовательно через насыщающийся дроссель и первичную обмотку импульсного трансформатора с первым емкостным накопителем, а к выходной обмотке импульсного трансформатора подключена нагрузка, согласно изобретению насыщающийся дроссель имеет один виток, который размещен внутри сердечника и соосно с его осью, а витки первичной обмотки импульсного трансформатора намотаны на сердечник дросселя, при этом первый емкостный накопитель включен последовательно между выводами витка насыщающегося дросселя и первичной обмотки импульсного трансформатора.

Такое объединение сердечников дросселя и трансформатора позволяет сократить объем сердечников, что, естественно, снижает величину потерь в магнитной системе, поскольку потери пропорциональны объему. Снижение потерь в магнитной системе приводит к повышению кпд генератора.

Кроме того, такое изменение выполнения дросселя изменяет характер процессов в нем, т.е. процессы, протекающие в устройстве прототипе в сосредоточенном элементе, преобразуются в процессы в устройствах с распределенными параметрами, а это изменяет и возможности процессов. Так, при сжатии импульса до, например, 10 нС из импульса 200 нС требуется несколько звеньев сжатия с дросселями и конденсаторами, поскольку в этом диапазоне времен коэффициент сжатия звеньев находится в диапазоне 3-1,5. Увеличение количества звеньев увеличивает и количество конденсаторов, что приводит к снижению надежности генератора. Формирование же импульса в устройстве с распределенными параметрами за счет ударной электромагнитной волны позволяет иметь коэффициент сжатия 10-20 и более, см., например. Катаев И.Г. Ударные электромагнитные волны. М. : Сов. радио, 1963., Кухаркин Е.С. Основы инженерной электрофизики. Ч. 1. Основы технической электродинамики. М.: Высшая школа, 1969, 510 с., с. 367, рис. 10.46.

Причем в генераторе первый емкостный накопитель включен последовательно между выводами витка дросселя и витка первичной обмотки импульсного трансформатора. Такое включение первого емкостного накопителя позволяет иметь на обмотке импульсного трансформатора двойное напряжение (относительно напряжения на емкостном накопителе (конденсаторе)), а между выходом витка дросселя и выходом первичной обмотки напряжение конденсатора, т.е. на изоляцию, в том числе и на феррит, действует меньшее напряжение и это обеспечивает большую надежность генератора.

Кроме того, в генераторе по п.1 первый и второй емкостные накопители (конденсаторы) разделены на n одинаковых конденсаторов, соединенных своей ветвью первичной обмотки импульсного трансформатора, при этом и насыщающийся трансформатор снабжен n ветвями вторичной обмотки, каждая из которых присоединена к своей ветви 1-го и 2-го накопительных конденсаторов. Такое исполнение позволяет получить квазипрямоугольный импульс на нагрузке, т.е. импульс с плоской вершиной. Это связано с тем, что после перезаряда вторых накопительных конденсаторов к ветвям первичной обмотки импульсного трансформатора прикладывается напряжение последовательных цепочек конденсаторов, но разряжаться начнет та цепочка конденсаторов, у которой напряжение выше, в силу разных причин: разная величина емкостей, добротностей и т.д., за счет взаимной индукции в других ветвях индуцируется эдс, которая не позволяет другим цепочкам конденсаторов разряжаться. По мере разряда одной ветви напряжение цепочки уменьшается, разряжаться начинает следующая ветвь и так последовательно все. Таким образом формируется плоская часть импульса. Кроме того, сокращается длительность импульса и уменьшается волновое сопротивление генератора в n^1/2 раз. Это приводит к повышению мощности генератора. Поясним это следующим образом: постоянная цепи после деления станет
t = π(LC/n)^1/2,
где L - индуктивность рассеяния ветви первичной обмотки импульсного трансформатора; С - величина емкости последовательно соединенных 1-го и 2-го емкостных накопителей до их деления; n - коэффициент деления.

Из этого следует, что длительность импульса уменьшится в п^1/2 раз.

z= (Ln/C)^1/2 - волновое сопротивление ветви, но поскольку n-ветвей, то волновое сопротивление генератора (модулятора) будет
Z=l/n(Ln/C)^1/2
Таким образом, волновое сопротивление генератора (модулятора) уменьшится в (1/n)^1/2 раз.

На чертеже приведены электрические схемы предложенного генератора с вариантами его исполнения (а, б). Предлагаемый магнитный генератор импульсов содержит источник питания 1, между выводами которого включены соединенные последовательно зарядный элемент 2 и накопительный элемент 3, который подключен через ключ 4 к первичной обмотке насыщающегося трансформатора 5. Его вторичная обмотка шунтирована вторым емкостным накопителем 9 и соединена последовательно через насыщающийся дроссель 6 и первичную обмотку импульсного трансформатора 7 с первым емкостным накопителем 8. Нагрузка 10 включена между выводами выходной обмотки импульсного трансформатора 7. Различие в генераторе по вариантам а и б состоит только по исполнению 1-го и 2-го емкостных накопителей. По варианту б они разделены на n количество, и соответственно первичная обмотка импульсного трансформатора и вторичная обмотка насыщающегося трансформатора имеют по n ветвей.

Магнитный генератор импульсов работает следующим образом.

После заряда от источника 1 через зарядный элемент 2 накопительного элемента 3 замыкается ключ 4 и накопительный элемент 3 разряжается через первичную обмотку насыщающегося трансформатора 5. Первый 8 и второй 9 емкостные накопители заряжаются параллельно. Сердечник насыщающегося дросселя 6 и импульсного трансформатора 7 насыщен и существенного влияния на процесс заряда не оказывает. После того, как напряжение на емкостных накопителях 8 и 9 достигнет максимальной величины, сердечник насыщающегося трансформатора 5 насыщается. Напряжение на первом емкостном накопителе 8 прикладывается к витку насыщающегося дросселя 6 и выводит его из насыщения. Второй емкостный накопитель 9 перезаряжается сам на себя практически до такого же напряжения. Потери энергии при перезаряде определяются практически только активными потерями в проводе вторичной обмотки насыщающегося трансформатора 5 с насыщенным сердечником. По окончании перезаряда емкостного накопителя 9 емкостные накопители 8 и 9 оказываются включенными униполярно и последовательно по отношению к витку насыщающегося дросселя 6 и первичной обмотке импульсного трансформатора 7. По витку дросселя 6 начинает распространятся волна тока.

При распространении волны тока образуется ударная электромагнитная волна, как, например, в Катаев И.Г. Ударные электромагнитные волны. М.: Сов. радио, 1963. При этом через импульсный трансформатор 7 осуществляется передача энергии емкостных накопителей 8 и 9 в нагрузку, и они разряжаются. Работа варианта б по фиг. 1 происходит аналогично описанному, только изменяются длительность и мощность импульса.

Использование: в импульсной технике для генерирования импульсов с коротким фронтом для возбуждения квантовых генераторов, радиолокационных систем и в других технических и технологических применениях, где есть потребность в импульсах с коротким фронтом высокой мощности. Технический результат заключается в повышении кпд, надежности и коэффициента сжатия импульса. Магнитный генератор импульсов содержит источник питания, зарядный и накопительный элементы, ключ, насыщающийся трансформатор. Его вторичная обмотка содержит насыщающийся дроссель и импульсный трансформатор, первый и второй емкостные накопители. К выходной обмотке импульсного трансформатора подключена нагрузка. Дроссель имеет один виток, размещенный внутри сердечника и соосно его оси. Витки первичной обмотки импульсного трансформатора намотаны на цилиндрический сердечник дросселя. Первый емкостный накопитель включен последовательно между выводами витков дросселя и первичной обмотки импульсного трансформатора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Магнитный генератор импульсов, содержащий источник питания, между выводами которого включены соединенные последовательно зарядный и накопительный элементы, последний подключен через ключ к первичной обмотке насыщающегося трансформатора, его вторичная обмотка шунтирована вторым емкостным накопителем и соединена последовательно через насыщающийся дроссель и первичную обмотку импульсного трансформатора с первым емкостным накопителем, а к выходной обмотке импульсного трансформатора подключена нагрузка, отличающийся тем, что насыщающийся дроссель имеет один виток, который размещен внутри сердечника и соосно его оси, а витки первичной обмотки импульсного трансформатора намотаны на сердечник насыщающегося дросселя, при этом первый емкостный накопитель включен последовательно между выводами витков насыщающегося дросселя и первичной обмотки импульсного трансформатора. 2. Магнитный генератор импульсов по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй емкостные накопители разделены соответственно на n одинаковых емкостных накопителей, соединенных своей ветвью первичной обмотки импульсного трансформатора, причем и насыщающийся трансформатор снабжен n ветвями вторичной обмотки, каждая из которых присоединена к своей ветви первого и второго емкостных накопителей.