СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2003 года по МПК H03K3/53 

Способ относится к области импульсной электроники, в частности к генераторам высоковольтных импульсов на основе индуктивных накопителей энергии.

Известны генераторы высоковольтных импульсов на основе емкостных накопителей энергии и на основе индуктивных накопителей энергии (ИНЭ) [1]. Принцип работы генераторов на основе емкостных накопителей энергии заключается в передаче энергии, накопленной в емкостном накопителе в нагрузку, подключением накопителя к нагрузке через замыкающий ключ. Энергия в емкости запасается за счет приложенного к ней напряжения. Напряжение на нагрузке равно напряжению накопителя. В ИНЭ энергия запасается за счет протекающего через индуктивность тока при замыкании ключа и предается в нагрузку в момент размыкания ключа. Напряжение на нагрузке определяется ЭДС самоиндукции. Для генераторов с индуктивным накопителем энергии требуются надежные размыкатели тока. Известны различные размыкатели тока: взрывающиеся проводники [1], полупроводниковые [2], газоразрядные [3], и др.

Недостатками известных методов являются:
1. Генераторы на основе емкостных накопителей энергии требуют использования высоковольтных источников питания, что делает их громоздкими.

2. ИНЭ с взрывающимися проводниками малогабаритны, но имеют одноразовый размыкатель тока и не надежны в работе.

3. ИНЭ с полупроводниковыми размыкателями требуют для своей работы применения генератора с емкостным накопителем энергии, что увеличивает их габариты.

4. ИНЭ с таситроном в качестве размыкателя имеют ограничения по максимальному напряжению на нагрузке.

Предлагаемый способ формирования импульса напряжения направлен на уменьшение массогабаритных показателей генераторов, снижение напряжения используемых источников питания и повышение амплитуды генерируемых импульсов.

Сущность изобретения проиллюстрирована на:
фиг. 1. Зависимость предельного заряда в тиратроне - 1 и предельного заряда в экспериментальном приборе - 2 от давления газа в приборах;
фиг.2. Схема экспериментальной установки;
фиг.3. Осциллограммы тока и напряжения на аноде;
фиг.4. Схема установки с заземленной нагрузкой;
фиг.5. Осциллограммы напряжения на аноде. 1 - без гашения, 2 - с гашением. I=200 A, Uг.в=4,6 В, Rн=1 кОм, L=25 мкГн, С 1=2 мкФ.

Основной особенностью способа является использование тиратрона в качестве размыкателя тока. Было известно, что в тиратроне может происходить самопроизвольный обрыв тока [4, 5], этот факт и используется для получения контролируемого обрыва тока через тиратрон.

Проведенные эксперименты показали, что при заданной геометрии сеточного узла и фиксированном давлении газа в тиратроне, заряд, пересекающий поверхность сетки до момента обрыва, величина - постоянная. Экспериментальные зависимости заряда Q_кр от давления водорода р для тиратрона с накаленным катодом ТГИ2-500/20 (прямая 1) и экспериментального образца тиратрона с холодным катодом (прямая 2) приведены на фиг.1. Из графика зависимостей хорошо видно, что их можно описать уравнением:
Q_кр=Ap+B (1)
где Q_кр [мКл] - критический заряд при прохождении, которого происходит обрыв тока, р [мм рт.ст.] - давление наполняющего газа; А и В - коэффициенты. Для тиратрона ТГИ2-500/20 А=10, В=-0,5, Q_кр=10p-0,5, для экспериментального прибора А=8,2, В=-0,4, Q_кр=8,2p-0,4.

Схема генератора высоковольтных импульсов представлена на фиг.2. Запуск тиратрона V осуществляется импульсами положительной полярности, которые подаются со схемы управления СУ. После включения тиратрона от емкости С через накопительную индуктивность L и тиратрон начинает протекать ток. Закон изменения тока синусоидальный и описывается формулой
i=(E_n/ωL)sin(ωt),
где - собственная частота контура [1/с]; L - накопительная индуктивность [Гн] ; С - емкость конденсатора [Ф]; Е_n - напряжение источника питания [В] . При прохождении тока через отверстия сетки переносится электрический заряд, который можно посчитать:

По достижению зарядом критической величины, которую можно определить по графику фиг.1 либо по формуле 1, происходит обрыв тока в тиратроне. С этого момента ток переключается в нагрузку и на ней формируется импульс напряжения. Если не учитывать потери энергии в тиратроне во время выключения, то амплитуда импульса напряжения на нагрузке определяется по закону Ома
U_m=I_обрR_h,
U_m - амплитуда напряжения на нагрузке [В]; I_обр - амплитуда тока в момент обрыва [А]; R_н - сопротивление нагрузки [Ом].

Таким образом, чем больше ток обрыва, тем больше амплитуда импульса напряжения на нагрузке. Осциллограммы тока, протекающего через тиратрон, и напряжения на его аноде, поясняющие работу генератора, приведены на фиг.3. Из чертежа видно, что при увеличении тока, время его протекания уменьшается, а амплитуда напряжения возрастает.

Используя формулу 2 осуществляют расчет напряжения источника питания, индуктивности дросселя и емкости конденсатора. При расчете индуктивного накопителя энергии исходят из энергии и тока нагрузки, которые задаются заказчиком. Из этих величин определяют накопительную индуктивность

где W - энергия [Дж]; I - ток нагрузки [A]; L - накопительная индуктивность [Гн]. Исходя из закона сохранения энергии

и формулы 2, с учетом того, что обрыв тока происходит в максимуме (Q_кр= СЕ_n (2)), рассчитывают минимальное напряжение источника питания
LI² = Q_крE_n (5)

После чего рассчитывают емкость конденсатора С

В генераторе импульсов использовался тиратрон ТГИ2-500/20 и экспериментальный тиратрон с холодным катодом. В качестве источника питания использовался регулируемый источник постоянного напряжения 0,5-2 кВ. Максимальная амплитуда импульса напряжения для тиратрона ТГИ2-500/20 составила 90 кВ, для экспериментального прибора с холодным катодом 80 кВ. Предельный обрываемый ток составил 850 А для ТГИ2-500/20 и 1000 А для экспериментального прибора с холодным катодом. Рабочее напряжение тиратрона ТГИ2-500/20 в стандартной схеме равно 20 кВ, в схеме с ИНЭ оно достигает 90 Кв. Представленная схема не имеет повышающего трансформатора, в ней применен низковольтный источник питания. Это позволяет значительно снизить массу и габариты генератора при формировании высоковольтных импульсов с мощностью в несколько десятков мегаватт.

При включении тиратрона (на стадии накопления энергии в индуктивности) ток протекает через индуктивность, а также может протекать через нагрузку, для устранения этого последовательно с нагрузкой ставится диод, как показано на фиг.2, 4.

Часто требуется подключать нагрузку к общей шине, в этом случае нагрузка одним полюсом подключается к общей шине, а вторым - через конденсатор к аноду тиратрона, как это показано на фиг.4. Принцип работы генератора остается прежним.

Для увеличения стабильности гашения разряда в момент обрыва дуги на сетку тиратрона подавался импульс напряжения отрицательной полярности. В этом случае часть анодного тока в момент обрыва дугового разряда протекала через сетку, что привело к увеличению стабильности обрыва электрической дуги, уменьшению времени выключения тиратрона и к небольшому увеличению амплитуды напряжения на нагрузке. Осциллограммы напряжения на аноде тиратрона для случая самопроизвольного обрыва - 1 и случая дополнительного гашения разряда - 2 приведены на фиг.5.

Источники информации
1. Месяц Г. А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М., Сов. радио, 1974, 256с.

2. Рукин С.Н. ПТЭ, 1999 г., 4, с. 5.

3. Верещагин Н.М., Крестов В.А., Пшеничников В.И. Электронная техника, 1976 г., серия 4, вып. 3, с. 122.

4. Фогельсон Т.Б. и др. Импульсные водородные тиратроны. М., Сов. радио, 1974 г.

5. Анитов Н.М. Диссертация, Рязань, РРТИ, 1973 г., с. 31.

Способ относится к области импульсной электроники, в частности к генераторам высоковольтных импульсов на основе индуктивных накопителей энергии. Технический результат заключается в уменьшении массогабаритных показателей генераторов, в снижении напряжения используемых источников питания и повышении амплитуды генерируемых импульсов. Предлагаемый способ формирования высоковольтных импульсов напряжения отличается тем, что в качестве размыкателя тока используется тиратрон, предварительно устанавливают давление газа, задающее параметр Q=Ар+В, а затем рассчитывают величины напряжения источника питания, индуктивность дросселя и емкость конденсатора, используя соотношение Q_кр=C•E_n•(1-cosω•t_обр). Предложена схема устройства с заземленной нагрузкой. Так же предложен способ, отличающийся тем, что, в момент обрыва разряда, на сетку тиратрона подается импульс напряжения отрицательной полярности. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ формирования высоковольтных импульсов напряжения, заключающийся в подаче с конденсатора, подключенного к источнику питания, через накопительную индуктивность, параллельно которой подключена нагрузка, на анод тиратрона положительного напряжения и импульса положительной полярности на управляющую сетку, отличающийся тем, что устанавливают давление газа, задающее параметр Q_кр= Ар+В, где Q_кр - предельный заряд, прошедший через отверстие сетки, при котором происходит обрыв тока в тиратроне и формирование высоковольтного импульса на нагрузке, р - давление газа, А и В - коэффициенты, характерные для каждого коммутатора, затем рассчитывают величины напряжения источника питания, индуктивность дросселя и емкость конденсатора, используя соотношение Q_кр= C•E_n•(1-cosω•t_обр), С - емкость конденсатора, E_n - напряжение источника питания,

- собственная частота колебаний контура, L - величина накопительной индуктивности, t_обр - время обрыва тока. 2. Способ формирования высоковольтных импульсов напряжения по п. 1, отличающийся тем, что нагрузка и индуктивность одним полюсом подключены к земле. 3. Способ формирования высоковольтных импульсов напряжения по п. 1, отличающийся тем, что, в момент обрыва разряда, на сетку тиратрона подается импульс напряжения отрицательной полярности.