ВЫХОДНОЙ КАСКАД ПЕРЕДАТЧИКА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ (ГРУППА ИЗ 4-Х УСТРОЙСТВ) Российский патент 2003 года по МПК H03F3/24 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к телевидению и связи.

В выходных каскадах передатчиков самым ответственным и дорогостоящим комплектующим элементом является электронный прибор (ЭП). Мощным ЭП присущи искрения и пробои, являющиеся по сути коротким замыканием (КЗ) в ЭП и приводящие к КЗ источника питания (ИП) выходного каскада передатчика.

Если в процессе разработки и эксплуатации передатчиков в радиоэлектронных системах не принимать специальных мер по ограничению тока КЗ и приложению к ЭП напряжения обратной полярности, то любой случайный пробой ЭП может привести к выходу его из строя. Аналогичные проблемы возникают также и при разработке и изготовлении собственно ЭП, поскольку их испытания (тренировка, динамические испытания) проводятся в штатной аппаратуре, дублирующей аппаратуру в эксплуатации.

Таким образом, для надежной работы ЭП необходимо, чтобы схема выходного каскада содержала элементы, существенно ограничивающие ток КЗ по амплитуде и по времени его протекания через ЭП. Также необходимо подавать на ЭП напряжение обратной полярности, чтобы надежно выводить его из состояния КЗ. Важно также, чтобы при возобновлении функций ЭП рабочее напряжение на нем устанавливалось монотонно, без перенапряжения.

Известно, что при КЗ в ЭП для его повреждения достаточна энергия W=50 Дж [1]. Для уменьшения этой энергии, рассеиваемой в ЭП при его КЗ, надо уменьшать энергию, запасенную в конденсаторе фильтра С_ф ИП. Однако это не всегда возможно, поскольку при заданной фильтрации выпрямленного напряжения требуется определенное значение С_ф. Например, в телевизионном передатчике мощностью 5 кВт С_ф=10 мкФ. Значит, и энергия, запасенная в конденсаторе при напряжении 10 кВ, составляет W=500 Дж. Правда, при КЗ в ЭП (например, усилительном клистроне) меньшая часть запасенной энергии рассеивается на ЭП, но ее может оказаться достаточно для вывода из строя ЭП. Для уменьшения этой энергии и тока КЗ при пробое в ЭП между конденсатором С_ф и ЭП часто устанавливают ограничительный резистор. Однако уменьшение тока КЗ может оказаться недостаточным при приемлемых потерях мощности в ограничительном резисторе в рабочем режиме. Например, уже при потерях мощности 5% габариты и стоимость выходного каскада существенно возрастают.

Для уменьшения энергии, рассеиваемой на ЭП, и снижении тока КЗ применяют либо последовательные коммутирующие устройства, прерывающие ток КЗ, либо параллельные с ЭП коммутирующие устройства, шунтирующие ток КЗ ЭП [2]. И те, и другие устройства довольно громоздки и существенно увеличивают габариты, массу и уменьшают КПД передатчика. При этом эти коммутирующие устройства и ограничительный резистор не подают на ЭП напряжение обратной полярности после прохождения прямого тока КЗ для надежного прерывания состояния КЗ. Всегда дело заканчивается срабатыванием максимальной защиты ИП.

Известно устройство для защиты нагрузки (ЭП) [3], в котором для ограничения тока КЗ используется ограничительный резистор и для приложения к ЭП напряжения обратной полярности сразу после КЗ установлена искусственная линия (ИЛ). Принимаем это устройство за прототип для всех предложенных устройств, поскольку мы собираемся предложить в выходном каскаде и ограничение тока КЗ, и приложение напряжения обратной полярности к ЭП для надежного гашения дуги в ЭП. Мы также предлагаем устройства для уменьшения количества электричества, проходящего через ЭП в момент его КЗ, снижения приложенного к ЭП напряжения обратной полярности, а также уменьшения (исключения) перенапряжения на ЭП после его выхода из состояния КЗ. Данное устройство [3] является лучшим предложением по сравнению с [2], поскольку ограничивает ток и прикладывает обратное напряжение к ЭП. Но недостатки его очевидны: большие потери мощности в ограничительном резисторе, увеличение массы и габаритов выходного каскада, особенно за счет ИЛ и резисторов. Кроме того, ИЛ в момент КЗ в ЭП существенно (в 2 раза и более) увеличивает ток КЗ, поскольку она подключается при КЗ параллельно источнику питания.

Целью изобретения является уменьшение амплитуды тока КЗ и количества электричества, проходящего через ЭП при его КЗ, приложение к ЭП напряжения обратной полярности сразу же после прохождения прямого тока КЗ и уменьшение (исключение) перенапряжения на ЭП после его выхода из состояния КЗ. При этом ставится задача, чтобы технические результаты достигались без дополнительных потерь мощности в рабочем режиме.

Сущностью изобретения является включение между емкостью фильтра Сф и ЭП Т-образной цепочки из двух линейных индуктивностей L1 и L2 в последовательном плече и емкости С1 в параллельном плече, включенной между индуктивностями L1 и L2 и общим полюсом ИП (в первом устройстве). При этом решается задача уменьшения амплитуды тока КЗ, проходящего через ЭП, и приложения к ЭП напряжения обратной полярности сразу же после прохождения тока КЗ. Во втором устройстве L2, в третьем L1 зашунтированы цепочками из последовательно соединенных резистора и диода R2D2 и R1D1 соответственно. При этом решается задача:
- во втором устройстве дополнительно к первому устройству уменьшения количества электричества, проходящего через ЭП в момент его КЗ, а также снижения приложенного к ЭП напряжения обратной полярности сразу же после КЗ;
- в третьем устройстве дополнительно к первому устройству уменьшения (исключения) перенапряжения на ЭП после его выхода из состояния КЗ.

В четвертом устройстве обе индуктивности L1 и L2 зашунтированы цепочками из последовательно соединенных резистора и диода соответственно R1D1 и R2D2. При этом решается задача дополнительно ко второму устройству уменьшения (исключения) перенапряжения на ЭП после его выхода из состояния КЗ.

На чертеже приведена упрощенная схема предлагаемого выходного каскада передатчика непрерывного действия (группа из четырех устройств).

В первом устройстве выходной каскад содержит источник питания (ИП), фильтр из индуктивности L_ф и емкости С_ф, электронный прибор (ЭП), например усилительный клистрон. Между емкостью фильтра С_ф и ЭП включена Т-образная цепочка из двух линейных индуктивностей L1 и L2 в последовательном плече и емкости С1 в параллельном плече, включенной между индуктивностями L1 и L2 и общим полюсом. Во втором устройстве L2, в третьем L1 зашунтированы цепочками из последовательно соединенных резистора и диода R2D2 и R1D1 соответственно. В четвертом устройстве обе индуктивности L1 и L2 зашунтированы цепочками из последовательно соединенных резистора и диода соответственно R1D1, R2D2.

Рассмотрим работу предлагаемого выходного каскада (группу из четырех устройств). В рабочем режиме, при отсутствии КЗ, подключение дополнительной Т-образной цепочки практически не только не оказывает никакого влияния на работу выходного каскада, но и дает дополнительную фильтрацию выпрямленного напряжения. В случае же искрений (пробоев) в ЭП первой начинает разряжаться емкость С1 через L2 и ЭП (индуктивность L1 значительно больше L2). Амплитуда тока КЗ и время его прохождения определяются в основном параметрами С1 и L2 и потерями в L2.

Задаваясь амплитудой тока КЗ и временем его прямого прохождения через ЭП, легко определяются значения С1 и L2. Позже мы приведем расчетные формулы и пример расчета. Индуктивность L1 играет роль разделительного элемента между С1 и Сф. Чтобы при токе КЗ индуктивности L1 и L2 не насыщались, надо их выполнять линейными (либо без сердечника, либо с сердечниками из ферромагнитного материала, но сердечник не должен насыщаться при токе КЗ).

Теперь рассмотрим работу выходного каскада при КЗ на примере четвертого устройства, как наиболее сложного. Затем будут даны пояснения работы других устройств: третьего, второго, первого.

В первую четверть периода разряда С1 при КЗ цепочка R2D2 не оказывает никакого влияния на процесс разряда С1, так как напряжение на аноде D2 отрицательное относительно катода D2. Таким образом, амплитуда тока КЗ определяется в основном параметрами C1L2. В момент максимума тока КЗ через ЭП и L2 напряжение на С1 равняется нулю, а далее конденсатор С1 начинает перезаряжаться напряжением обратной полярности (положительной). С этого момента на аноде диода D2 появляется положительное напряжение и он начинает проводить ток. Этот ток через R2D2 уменьшает ток (количество электричества) через ЭП, так как ток индуктивности L2 начинает делиться на ток через ЭП, который заряжает положительным напряжением С1, и ток через цепочку R2D2.

Уменьшенный ток через ЭП и С1 снижает положительное напряжение на С1, которое является обратным напряжением для ЭП после прохождения прямого тока КЗ. При этом изменение полярности напряжения на ЭП приводит к перемене направления тока через ЭП. Таким образом, с помощью С1 L2 уменьшается амплитуда тока КЗ через ЭП в первой четверти разряда С1. Во второй четверти разряда С1 вступает в работу цепочка R2 L2, уменьшая количество электричества через ЭП и обратное напряжение ЭП в 3-й и 4-й четвертях разряда С1. Все это способствует гашению дуги в ЭП, т.е. прекращению состояния КЗ в ЭП. Далее конденсатор С1 начнет заряжаться отрицательным (рабочим для ЭП) напряжением через L1. Чтобы этот заряд проходил монотонно (без колебаний, превышающих номинальный уровень на 30÷50%, а значит, это превышение напряжения будет и на ЭП) до номинального уровня, параллельно индуктивности L1 включена цепочка из последовательно включенных резистора R1 и диода Д1. Эта цепочка исключает перенапряжение на ЭП и на других элементах (C1, L2, R2, Д2).

В устройстве 3 не будет снижаться количество электричества через ЭП во второй четверти разряда C1 и обратное напряжение на ЭП в третьей и четвертой четвертях разряда С1 будет достигать почти рабочего уровня.

В устройстве 2 выходной каскад будет работать в основном также, только после выхода ЭП из состояния КЗ емкость C1 будет заряжаться отрицательным (рабочим) напряжением через L1 колебательным образом, причем перенапряжение может достигать (30÷50)%.

В устройстве 1, как и во всех других устройствах, амплитуда тока КЗ через ЭП определяется параметрами цепи C1L2, но количество электричества через ЭП во второй четверти разряда C1 и обратное напряжение на ЭП (положительное) во второй полусинусоиде разряда С1 не уменьшаются. После выхода из состояния КЗ ЭП заряд С1 отрицательным (рабочим) напряжением происходит с перенапряжением на (30÷50)%.

Приведем приближенные выражения для определения параметров отдельных предложенных элементов выходного каскада передатчика.

Задаваясь временем прохождения прямого тока КЗ через ЭП - t_к3 и отношениям амплитуды тока КЗ - I_m к номинальному току ЭП - I_o, т.е. задаваясь I_m/I_o при известном сопротивлении нагрузки, т.е. ЭП - R_н,
параметры элементов находим по следующим выражениям:
1. С1=t_к3(I_m/I_o-1)/πR_н.

2. L2=t_к3•R_н/[π(I_m/I_o-1)].

4. L1≥60L2.

6. Д1 выбирается на U_oбp≥1,5U_ип и на ток I_д1≈0,75I_о.

7. Д2 выбирается на U_oбp=U_ип и на ток I_д2=0,4I_m.

Приведем пример расчета предложенной цепочки для телевизионного передатчика дециметрового диапазона на усилительном клистроне по следующим исходным данным:
мощность передатчика Р= 5 кВт; напряжение ИП-10 кВ; ток, потребляемый клистроном, I_о= 2 А; индуктивность фильтра L_ф=12 Гн; емкость фильтра С_ф=10 мкФ. Эквивалентное сопротивление клистрона R_кл=R_н=10000/2=5000 Ом.

Полагая время прохождения прямого тока КЗ через ЭП t_к3=60•10^-6 с и отношение амплитуды тока КЗ I_m к номинальному току I_o, т.е, I_m/I_o=7,5 (I_m=15 A), найдем в соответствии с раннее приведенными выражениями
С1=0,025 мкФ; L2=0,015 Гн; L1=1,2 Гн; R1=100 Ом; R2=1000 Ом.

При этих данных предложенной цепочки обсудим картину переходного процесса после возникновения КЗ в ЭП. Моделирование проводилось на ПЭВМ.

Амплитуда тока КЗ будет превышать номинальное значение тока ЭП всего в 7,5 раз т. е. составит 15 А. Количество электричества за 60 мкс будет значительно меньше величины количества электричества чистой полусинусоиды (без R2Д2), ток с амплитудой 15 А будет проходить только 60 мкс, а далее в течение 48 мкс к ЭП будет приложено обратное (положительное) напряжение U_обр/U_клистр= 0,2, т.е. 2000 В. Все это в совокупности - малый ток КЗ 15 А и небольшое обратное напряжение 2000 В сразу же после прохождения тока КЗ - позволит погасить дугу в ЭП и, следовательно, ЭП восстановит свои функции. Далее начнется заряд емкости С1 от С_ф через L1. Этот заряд будет монотонным благодаря цепочке R1Д1. Напряжение будет нарастать на С1 и на ЭП в течение 120 мкс.

Таким образом, в приведенном примере при случайном искрении (пробое) в ЭП не произойдет отключения ИП, а значит, и не будет отказа в работе телевизионного передатчика.

Через время 60+48+120=228 мкс установится номинальный режим. Напряжение на конденсаторе фильтра С_ф и ток ИП за это время изменится всего на 0,2%, т. е. источник питания за такое короткое время КЗ в ЭП его даже "не почувствует". Максимальная защита по току ИП, имеющаяся в каждом передатчике и рассчитанная на десятки миллисекунд, не сработает. Общее количество электричества, прошедшее через ЭП за указанное время, будет на 2-3 порядка меньше того, что прошло бы через ЭП в случае ограничения тока КЗ резистором, на котором постоянно рассеивалась бы мощность (5÷10)%. При этом состоялось бы отключение передатчика (отказ) и после анализа новое включение.

Если же случится маловероятное, что за указанное время t=60+48=108 мкс ЭП не восстановит свои функции, то выигрыш все равно будет. После t=108 мкс ток через ЭП начнет монотонно возрастать с постоянной времени τ=L_ф/R_ип до установившегося значения тока КЗ, пока раньше не сработает максимальная защита. На монотонную составляющую тока КЗ будет накладываться затухающая колебательная составляющая тока в соответствии с частотой контура L1 Сф. Первый максимальный экстремум будет при t=5 мс на уровне I_m/I_o=12,5, т.е. I_m= 25 A. Из приведенных данных видно, что даже в таком, крайне редком, случае, амплитуда тока КЗ при t=5 мс составляет всего 25А. Если бы ограничение тока КЗ производилось резистором до уровня 25 А, то потребовался бы резистор R_oгp= 10000 B/25 A=400 Ом. На этом резисторе постоянно терялась бы мощность P_oгp/P_эп=8%.

Думаем, мы достаточно подробно изложили, что наше предложение имеет неоспоримое преимущество.

Если при использовании нашего предложения можно принять исходные данные по t_к3=60 мкс и I_m/I_o=7,5 (наш пример), но нагрузка будет другая (R'_н=K R_н, где К>0), то можно не считать заново параметры предложенной цепочки, просто индуктивности и резисторы в нашем примере увеличить, а емкости уменьшить в К раз.

Например: R'_н =1000 Ом вместо R_н=5000 Ом, т.е. К=0,2.

Тогда: L1=0,24 Гн; L2=0,003 Гн; С1=0,125 мкФ; R1=20 Ом; R2=200 Ом.

Источники информации
1. Справочник, по радиолокации под редакцией М. Сколника, т.3, стр. 13, Москва, Советское радио, 1979, стр. 113.

2. Смирнов А. В. Быстродействующая защита мощных электронных приборов непрерывного действия. - Электроника СВЧ, 4, 1975.

3. Смирнов А.В. и др. Устройство для защиты нагрузки. А.с. 543085. БИ 2, 1977.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к телевидению и связи. Техническим результатом является уменьшение амплитуды тока короткого замыкания и количества электричества, проходящего через электронный прибор (ЭП) при его коротком замыкании. Технический результат достигается тем, что предложены четыре разновидности выходного каскада передатчика непрерывного действия, в первом устройстве между емкостью фильтра источника питания (ИП) и ЭП включена Т-образная цепочка из двух линейных индуктивностей (L1) и (L2) в последовательном плече и емкости С1 в параллельном плече, включенной между L1 и L2 и общим полюсом ИП, во втором устройстве L2, а в третьем L1 зашунтированы цепочками из последовательно соединенных резистора и диода (R2D2) и (R1D1) соответственно. В четвертом устройстве L1 и L2 зашунтированы цепочками из последовательно соединенных резистора и диода R2D2 и R1D1. 1 ил.

1. Выходной каскад передатчика непрерывного действия, содержащий источник питания (ИП), индуктивность и емкость фильтра L_ф, С_ф, электронный прибор (ЭП), например, усилительный клистрон, отличающийся тем, что между емкостью фильтра С_ф и ЭП включена Т-образная цепочка из двух линейных индуктивностей L1 и L2 в последовательном плече и емкости С1 в параллельном плече, включенной между индуктивностями L1 и L2 и общим полюсом ИП. 2. Выходной каскад по п.1, отличающийся тем, что параллельно индуктивности L2 включена последовательная цепочка из резистора R2 и диода D2 катодом к катоду ЭП при отрицательном напряжении ИП и анодом к аноду ЭП при положительном напряжении ИП. 3. Выходной каскад по п.1, отличающийся тем, что параллельно индуктивности L1 включена последовательная цепочка из резистора R1 и диода D1 катодом в направлении к катоду ЭП при отрицательном напряжении ИП и анодом к аноду ЭП при положительном напряжении ИП. 4. Выходной каскад по п.2, отличающийся тем, что параллельно индуктивности L1 включена последовательная цепочка из резистора R1 и диода D1 катодом в направлении к катоду ЭП при отрицательном напряжении ИП и анодом к аноду ЭП при положительном напряжении ИП.