Генератор высоковольтных наносекундных импульсов с умножением напряжения до nU на согласованной нагрузке Российский патент 2018 года по МПК H03K3/12 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования мощных высоковольтных наносекундных импульсов в различных электрофизических устройствах. Например, генератор может быть изготовлен в зависимости от параметров выходного импульса и свойств используемых комплектующих элементов (при напряжении на согласованной нагрузке 250÷400 кВ и мощности несколько гигаватт) с габаритными размерами (длина⋅ширина⋅высота) от единиц до 50 дм³.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Известен генератор высоковольтных, наносекундных импульсов с умножением напряжения, содержащий n последовательно соединенных на выходе спаренных формирующих линий, начала потенциальных электродов которых, подключены через резисторы и дроссели к общему управляемому коммутатору, и неуправляемые коммутаторы, включенные между потенциальными электродами на выходе формирующих линий (авторское свидетельство №444310, опубликовано 25.09.1974). По назначению генератор по авторскому свидетельству №444310 близок к заявляемому генератору и может рассматриваться как прототип.

Работает генератор следующим образом. После заряда линий 1-8 (см. рис. 1) через резисторы 17-20 и 26 высоким напряжением Е_о запускается управляемый коммутатор 16. Начинается колебательный разряд линий 2, 4, 6, 8 через дроссели 21, 22, 23 и 24. Через время, соответствующее половине периода колебаний контура, образованного индуктивностью дросселей и эквивалентной емкостью линий 2, 4, 6, 8, произойдет переполюсовка напряжения и линии зарядятся до потенциала равного -Е_o. Таким образом, между электродами неуправляемых коммутаторов 9, 10, 11 и 12, находившихся до запуска под нулевой разностью потенциалов, появляется удвоенное зарядное напряжение 2Е_о. Пробой коммутаторов происходит несколько раньше полной переполюсовки. После пробоя одного из коммутаторов 9, 10, 11, 12 на остальных появляется многократное перенапряжение, в результате чего происходит мгновенный пробой всех коммутаторов. После пробоя всех коммутаторов на нагрузочном резисторе 25 формируется прямоугольный, импульс напряжения с амплитудой U=nE_o, где n - количество двухступенчатых линий.

Генератор имеет следующие недостатки применительно к целому ряду задач (например, при синхронизации с быстропротекающими процессами или другими устройствами, при создании мобильных генераторов и др.):

а) Большое мертвое время генератора. При пробое коммутатора 16 происходит перезарядка четных линий. Чтобы эти линии с распределенными параметрами после полупериода LC-колебаний были заряжены равномерно по всей длине, необходимо чтобы полупериод LC-колебаний был много больше (обычно на порядок) времени пробега электромагнитной волны по линии, для чего в схему и включены дроссели 21-24 с соответствующей величиной L. А для того чтобы нечетные линии не разряжались за время перезарядки четных линий необходимо в свою очередь чтобы RC (где С-емкость линии, a R-номинал резисторов 17-20) было много больше полупериода LC-колебаний. Таким образом, «мертвое» время генератора, по крайней мере, на два порядка больше длительности выходного импульса.

б) Большие размеры генератора. Все из-за той же колебательной перезарядки линий в каждой паре формирующих линий включены (рассчитанные на полное зарядное напряжение) резисторы, развязывающие дроссели и неуправляемые коммутаторов, которые усложняют конструкцию и увеличивают весогабаритные характеристики генератора.

в) Возможный разброс срабатывания неуправляемых коммутаторов. При генерации импульсов длительностью десятки наносекунд разброс срабатывания коммутаторов 9-12 имеет статистический характер и, несмотря на утверждение авторов о «мгновенном пробое всех коммутаторов», может составить несколько десятков наносекунд, что может удлинить фронт и уменьшить амплитуду выходного импульса генератора.

Цель изобретения - увеличение быстродействия и уменьшение весогабаритных характеристик генератора.

Данная цель достигается за счет перевода генератора в волновой режим работы вместо колебательной перезарядки линий в каждой паре формирующих линий.

Предложенный нами генератор высоковольтных наносекундных импульсов с умножением напряжения основан на дальнейшем развитии идеи использования отражения на неоднородности волны, распространяющейся по линии с импедансом ρ, заложенной в классической схеме двойной формирующей линии (ДФЛ). На рисунке 2 представлена схема предлагаемого генератора. Для увеличения выходного напряжения на согласованной нагрузке в n раз используются 2n одинарных, в частном примере коаксиальных, линий с волновым сопротивлением ρ и длиной , заполненные диэлектриком с высоким значением коэффициента диэлектрической проницаемости (ε»1). Конец высоковольтного электрода нечетной и начало высоковольтного электрода следующей четной линий соединены последовательно, а начало низковольтного электрода четной линии последовательно с концом низковольтного электрода следующей нечетной линии. Начала нечетных линий и зарядное напряжение U₀ подключены к общему коммутатору К, а согласованная нагрузка R_нагр=2nρ подключена между внешними электродами линии 1 и 2n. Работает генератор следующим образом. После зарядки всех линий через резистор R_зар до напряжения U₀, в момент времени t₀ замыкается коммутатор K. При этом по нечетным линиям распространяются волны снятия напряжения. В момент времени распространяющаяся в нечетной линии электромагнитная волна, «переполяренная» при отражении от короткозамкнутого коммутатора (z_k=0) по правилу на неоднородности порождает напряжение

Падение напряжения на R_нагр=2nρ равно

С этого же момента времени начинается разрядка четных линий, в каждой из которых волна, движущаяся в обратном направлении, на неоднородности порождает напряжение

Соответственно, на нагрузке R_нагр=2nρ появляется напряжение

Таким образом, в результате сложения всех волн, суммарное падение напряжения на согласованной нагрузке R_нагр=2nρ равно

где знак «минус» у второго слагаемого появился за счет встречного направления движения волн. Нетрудно показать, что за время равное вся энергия, запасенная в линиях выделяется на согласованной нагрузке

где - емкость коаксиального конденсатора, а

- волновое сопротивление коаксиальной линии. После включения коммутатора К высоковольтный импульс формируется на нагрузке через время пробега электромагнитной волны по линии.

Заявляемое изобретение позволяет решить следующие задачи, стоящие в данной области техники: упрощение конструкции, соответственно, повышение технологичности изготовления, увеличение быстродействия и уменьшение габаритов генератора.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования мощных высоковольтных наносекундных импульсов в различных электрофизических устройствах. Технический результат изобретения заключается в увеличении быстродействия и уменьшении весогабаритных характеристик генератора высоковольтных наносекундных импульсов. Технический результат достигается за счет генератора высоковольтных наносекундных импульсов с умножением напряжения до nU_зарядн на согласованной нагрузке, содержащего последовательно соединенные на выходе 2n формирующих линий с распределенными параметрами, нагрузку и коммутатор, при этом работа генератора организована в волновом режиме, для чего конец высоковольтного электрода нечетной линии соединен последовательно с началом высоковольтного электрода следующей четной линий, начало низковольтного электрода четной линии последовательно с концом низковольтного электрода следующей нечетной линии, начала высоковольтных электродов нечетных линий и зарядное напряжение подключены к общему коммутатору, а согласованная нагрузка R_нагр=2np подключена между низковольтными электродами первой и последней линий. 2 ил.

Генератор высоковольтных наносекундных импульсов с умножением напряжения до nU_зарядн на согласованной нагрузке, содержащий последовательно соединенные на выходе 2n формирующих линий с распределенными параметрами, нагрузку и коммутатор, отличающийся тем, что с целью увеличения быстродействия и уменьшения весогабаритных характеристик работа генератора организована в волновом режиме, для чего конец высоковольтного электрода нечетной линии соединен последовательно с началом высоковольтного электрода следующей четной линий, начало низковольтного электрода четной линии - последовательно с концом низковольтного электрода следующей нечетной линии, начала высоковольтных электродов нечетных линий и зарядное напряжение подключены к общему коммутатору, а согласованная нагрузка R_нагр=2np подключена между низковольтными электродами первой и последней линий.