СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСА ТОКА Российский патент 2009 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники, в частности к способам формирования импульса тока прямоугольной формы, и может быть использовано при создании генераторов импульсов тока.

Известен способ формирования импульса тока прямоугольной формы из описания к авторскому свидетельству СССР «Генератор импульса тока (его варианты)» №1061676, опубликованному 20.09.96 г. Данный способ заключается в том, что в первоначально замкнутом контуре, образованном источником питания, прерывателем тока, накопителем и короткозамкнутым отрезком, под действием источника устанавливается ток I₀, и энергия запасается в магнитном поле. В момент времени t₀ срабатывает прерыватель, и ток на входном зазоре ступенчатой линии накопителя становится равным нулю. В результате по первому отрезку ступенчатой линии в направлении нагрузки распространяется токовая волна I₀, которая при прохождении неоднородностей в местах соединения отрезков с разными волновыми сопротивлениями изменяет свою амплитуду. В момент времени t=nτ к нагрузке приходит токовая волна I₀(n+1)/2. Включается разрядник, и на нагрузке формируется импульс тока ступенчатой формы с длительностью ступеней, равной 2τ₀. Начальная амплитуда токового импульса максимальна в режиме короткого замыкания и равна (n+1)I₀, что при любом n больше нуля существенно превышает I₀. В согласованном режиме на нагрузке формируется одиночный прямоугольный импульс тока амплитудой, равной (n+1)I₀/2 и длительностью 2τ₀, в течение которого энергия, запасенная в индуктивном накопителе и короткозамкнутом отрезке, полностью передается в согласованную нагрузку. Такой способ формирования импульса тока целесообразно применять при создании генераторов тока в качестве импульсного источника питания для ускоряющих устройств, когда требуется формирование прямоугольных наносекундных импульсов тока повышенной амплитуды с высоким КПД, а когда необходимо получить импульс тока с другими параметрами, данный способ формирования становится неподходящим.

Наиболее близким техническим решением по решаемой задаче и количеству сходных признаков к предполагаемому изобретению является способ формирования импульса тока (Г.А.Месяц. Генерирование мощных наносекундных импульсов, 1974 г., М., Сов. Радио, стр.67), который был выбран в качестве прототипа. Данный известный способ включает в себя зарядку от источника питания постоянного тока одной формирующей линии и формирование в нагрузке через разрядник импульса тока прямоугольной формы.

Недостатком данного способа является отсутствие возможности изменять в заданный момент времени и на заданное время амплитуду сформированного прямоугольного импульса тока.

Задачей, стоящей в данной области техники и на решение которой направлено предлагаемое решение, является создание различных условий для проведения лабораторных исследований процесса взрыва тонких проволочек, влияющих на выходные характеристики.

Техническим результатом заявляемого решения является расширение функциональных возможностей способа путем ступенчатого уменьшения амплитуды формируемого прямоугольного импульса тока в требуемый момент времени и на заданное время.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе формирования импульса тока, включающем зарядку формирующей линии от источника питания постоянного тока и формирование импульса тока прямоугольной формы в нагрузке через разрядник, осуществляют зарядку дополнительной формирующей линии, при этом электрическую длину дополнительной формирующей линии выбирают меньшей, чем электрическая длина основной формирующей линии, а затем через разрядник и линию задержки в нагрузке формируют дополнительный импульс тока прямоугольной формы различной амплитуды длительностью, меньшей, чем основной импульс тока, и задержкой по времени, относительно начала основного импульса тока, на время прохождения дополнительного импульса тока через линию задержки, причем дополнительный импульс тока в нагрузке направляют навстречу основному.

Соблюдение всех перечисленных признаков позволяет получить в нагрузке прямоугольные импульсы тока со ступенчатым изменением его амплитуды в нужный момент времени и на заданное время.

Амплитуды основного и дополнительного импульсов тока можно регулировать изменением отношения волновых сопротивлений формирующих линий.

Осуществление зарядки дополнительной формирующей линии позволяет получить дополнительный импульс тока в нагрузке для последующего вычитания его из основного. Формирование в нагрузке дополнительного импульса тока прямоугольной формы позволяет осуществить ступенчатое изменение амплитуды импульса, что соответствует резкому изменению условий поступления энергии в нагрузку, тем самым расширить возможности исследования поведения нагрузки в этих условиях.

Выбор электрической длины дополнительной формирующей линии, меньшей, чем основной, связан с необходимостью изменения амплитуды основного импульса на время, меньшее длительности основного импульса, которая равна двойному пробегу волны разрядного тока по дополнительной формирующей линии, что позволяет получать характеристики нагрузки как до изменения амплитуды, так и после.

Формирование дополнительного импульса тока в нагрузке через линию задержки позволяет сформировать дополнительный импульс тока с задержкой по времени относительно основного импульса тока и изменить амплитуду основного импульса в строго заданный момент времени, определяемый электрической длиной линии задержки, что дает возможность прерывать поступление энергии на заданную фазу исследуемого процесса и изучать его влияние на характеристики нагрузки.

Выбор направления дополнительного импульса тока в нагрузке навстречу основному дает возможность уменьшения амплитуды основного импульса, что при соблюдении всех перечисленных выше признаков позволит получить в нагрузке прямоугольные импульсы тока со ступенчатым изменением его амплитуды в нужный момент времени и на заданное время.

Степень уменьшения амплитуды основного импульса тока определяется соотношением волновых сопротивлений дополнительной и основной линий (R_ρ2/R_ρ1), что позволяет изучать реакцию нагрузки на степень изменения амплитуды тока.

На фиг.1 приведена схема генератора импульса тока прямоугольной формы, поясняющая заявляемый способ.

На фиг.2 - типовая осциллограмма импульса тока.

Пояснение к фиг.1:

L1.1 - основная формирующая линия с волновым сопротивлением R_ρ1;

L2.2 - дополнительная формирующая линия с волновым сопротивлением R_ρ2;

L1 - линия, соединяющая нагрузку с разрядником;

L2 - линия задержки дополнительного импульса;

Р_H - нагрузка;

R_Ш - измерительный шунт;

R_ЗАР - зарядное сопротивление;

Р - разрядник.

Примером конкретного исполнения генератора импульса тока прямоугольной формы может служить следующее устройство.

Основная и дополнительная формирующие линии, а также линия задержки выполнены из коаксиальных радиочастотных кабелей с волновым сопротивлением R_ρ=50 Ом. При этом в каждой линии использовано по несколько кабелей, включенных параллельно. Длина соединительной линии L1 значительно меньше длины линии задержки L2 (L1<<L2).

Нагрузка R_H с активным сопротивлением, в (10-20) раз меньшим волнового сопротивления основной формирующей линии, включена в «разрыв» оплеток основной и дополнительной формирующих линий последовательно с измерительным шунтом (R_Ш), при этом дополнительная линия подключена к нагрузке таким образом, что импульс тока, сформированный дополнительной линией, вычитается из основного импульса тока.

Основная и дополнительная формирующие линии заряжаются от одного источника постоянного напряжения до одинакового напряжения U_зар.

Формирование импульса тока прямоугольной формы осуществляют следующим образом. При срабатывании разрядника Р основная (L1.1) и дополнительная (L2.2) формирующие линии через соединительную линию L1 и линию задержки L2 соответственно одновременно закорачиваются накоротко или на волновые сопротивления накопительных линий и волны разрядных токов обеих накопительных линий (I_{основной}=U_зар/R_ρ1; I_доп=U_зap/R_ρ2 - при коротком замыкании и I_{основной}=U_зар/R_ρ1; I_доп=U_зap/R_ρ2 - при разряде на волновое сопротивление) распространяются в направлении нагрузки. Поскольку электрическая длина соединительной линии L1 во много раз меньше электрической длины линии задержки L2 разряд основной формирующей линии L1.1 через нагрузку начнется раньше, чем разряд дополнительной формирующей лини L2.2. Длительность основного прямоугольного импульса тока определяется электрической длиной основной формирующей линии L1.1. Через время, определяемое разностью электрических длин линии задержки и лини связи (L2-L1), начинается разряд через нагрузку дополнительной формирующей линии. Длительность формируемого в нагрузке дополнительного импульса тока определяется электрической длиной дополнительной формирующей линии. Дополнительная формирующая линия подключена к нагрузке навстречу основной линии, и в нагрузке происходит вычитание разрядных токов, формируемых основной и дополнительной формирующими линиями, чем обеспечивается ступенчатое уменьшение амплитуды основного импульса тока.

Степень уменьшения амплитуды основного импульса тока определяется соотношением волновых сопротивлений формирующих линий, которое в данном случае задается числом кабелей, включенных параллельно в каждой линии.

При равенстве волновых сопротивлений (равенстве числа кабелей в каждой линии) амплитуда основного импульса тока уменьшается до нуля.

При числе кабелей, включенных параллельно, в основной и дополнительной линиях по 5 амплитуду основного импульса тока можно уменьшать дискретно с шагом 20%, отключая от нагрузки часть кабелей дополнительной формирующей линии.

Момент изменения амплитуды основного импульса тока задается дискретно длиной кабелей линии задержки.

Длительность уменьшенной амплитуды основного импульса тока задается длиной дополнительной формирующей линии.

При разряде накопительных линий накоротко получают наибольшую амплитуду тока при заданном зарядном напряжении, однако в этом случае возникают повторные отраженные импульсы тока. В тех случаях, когда «отраженные» импульсы нежелательны, разряд накопительных линий производят на сопротивления, по величине равные волновым сопротивлениям накопительных линий, но при этом амплитуды токов уменьшаются вдвое.

Предлагаемый способ формирования импульсов тока сложной формы отличается простотой конструктивного исполнения и высокой стабильностью амплитудных и временных параметров получаемых импульсов тока.

Конструктивно генератор импульсов тока состоит всего из трех элементов: 1) формирующих линий, в качестве которых используются радиочастотные коаксиальные кабели; 2) высоковольтного разрядника с малым временем коммутации; 3) узла нагрузки с элементами измерения импульсов тока.

Высокая стабильность временных параметров импульсов тока обеспечивается стабильностью скорости распространения электрических сигналов по радиочастотным коаксиальным кабелям, что позволяет использовать его в наносекундном диапазоне длительностей как основного, так и дополнительного импульсов тока, а стабильность амплитудных параметров гарантируется необходимой точностью измерения зарядного напряжения накопительных линий. Диапазон амплитуд импульсов тока ограничивается только электрической прочностью узла коммутации (тип разрядника) и накопительных линий и простирается от единиц до тысяч ампер.

Изобретение относится к области радиотехники. Способ формирования импульса тока предназначен для использования в лабораторно-исследовательских работах, где требуется создание импульса тока прямоугольной формы. В нагрузке формируют от двух формирующих линий - основной и дополнительной, направленные навстречу друг другу импульсы тока прямоугольной формы. Зарядку формирующих линий осуществляют от источника питания постоянного тока напрямую - основную, и через линию задержки - дополнительную. Электрическая длина дополнительной линии меньше, чем основной, и длительность основного формируемого импульса тока больше, чем дополнительного. Технический результат - расширение функциональных возможностей путем ступенчатого уменьшения амплитуды формируемого импульса тока в требуемый момент времени и на заданное время. 2 ил.

Способ формирования импульса тока, включающий зарядку формирующей линии и формирование в нагрузке через разрядник импульса тока прямоугольной формы, отличающийся тем, что также осуществляют зарядку дополнительной формирующей линии, при этом электрическая длина дополнительной формирующей линии меньше электрической длины основной формирующей линии, а затем через разрядник и линию задержки в нагрузке формируют дополнительный импульс тока прямоугольной формы, длительностью меньшей, чем основной импульс тока, и задержкой по времени относительно основного импульса тока, равной времени прохождения дополнительного импульса тока через линию задержки, причем дополнительный импульс тока в нагрузке направляют навстречу основному, при этом амплитуды основного и дополнительного импульсов тока регулируют изменением отношения волновых сопротивлений формирующих линий.