НЕОДНОРОДНАЯ ФОРМИРУЮЩАЯ ДЛИННАЯ ЛИНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2020 года по МПК H03K3/86 

Изобретение относится к области электротехнической промышленности, в частности к импульсной технике, и может быть использовано в схемах питания импульсных источников света, искровых камер, лазеров и ускорителей, работающих как в импульсном, так и в импульсно-периодическом режимах.

Кроме того, изобретение может найти использование в электроимпульсной технологии при обработке различных материалов высоковольтными разрядами.

Известны неоднородные формирующие длинные линии с сосредоточенными или распределенными параметрами, в которых емкости конденсаторов и индуктивности дросселей изменяются по длине линии.

Группа изобретений неоднородная формирующая линия с сосредоточенными параметрами (вариант 1) и неоднородная формирующая линия с распределенными параметрами (вариант 2), относятся к объектам одного вида, имеют одинаковое назначение и обеспечивают получение одного и того же технического результата.

Несмотря на то, что эквивалентные электрические схемы линий с сосредоточенными и распределенными параметрами могут быть одинаковыми, процессы в них принципиально отличны, так как процессы в линиях с сосредоточенными параметрами не носят волнового характера.

Такие линии применяются в генераторах для формирования мощных электрических импульсов заданной длительности на согласованной или несогласованной нагрузке, а также для трансформации и передачи электрической или магнитной энергий от источников питания к нагрузке.

Генераторы импульсов обычно формируют импульсы по форме близкие к прямоугольным, которые применяют в ускорителях заряженных частиц, когда необходимо получать поток частиц с одинаковым во времени энергетическим спектром, а также в радиолокации. Такие импульсы получают при замыкании предварительно заряженной длинной линии через коммутатор или разрядник-обостритель на сопротивление нагрузки.

Однако во многих случаях по применению генераторов импульсов с использованием длинных линий, например для питания импульсных источников света или для формирования объемного разряда в электроразрядных газовых лазерах, не обязательно получать на нагрузке прямоугольный импульс с плоской вершиной, достаточно сформировать выходной импульс с максимальной амплитудой напряжения и минимальной длительностью, чтобы, переключив его на нагрузку, выделить на ней за минимально возможное время всю электрическую энергию, которая первоначально запасена в емкости длинной линии.

Известна неоднородная формирующая длинная линия с сосредоточенными или распределенными параметрами, в которых емкости конденсаторов и индуктивности дросселей изменяются по длине линии по экспоненте:

где L(0) - погонная индуктивность в начале линии;

L(x) - погонная индуктивность на расстоянии х от начала линии;

С(0) - погонная емкость в начале линии;

С(х) - погонная емкость на расстоянии х от начала линии;

[Г.А. Месяц, /«Импульсная энергетика и электроника» / М.: Наука, 2004. 704 с. (с. 38-43), / О.Н. Литвиненко, В.И. Сошников, / «Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике»/ М. Советское радио, 1964, 536 с, (с. 26-29)/].

Эквивалентная электрическая схема данной неоднородной формирующей линии с сосредоточенными или распределенными параметрами содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, конденсаторы соединены последовательно в цепочку, все дроссели одним выводом подсоединены к общей шине, другие выводы подключены к точкам соединения двух конденсаторов, при этом последний дроссель линии подключен к концу цепочки из конденсаторов, а начало цепочки из конденсаторов подключено к потенциальному выводу источника питания.

Эквивалентная электрическая схема данной неоднородной формирующей линии отличается от эквивалентной схемы заявляемой неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными или распределенными параметрами, хотя выбор зависимостей, по которым изменяются индуктивности дросселей и емкости конденсаторов приводит к тому, что напряжение вдоль линии будет увеличиваться по зависимости U(x)=U(0) е^кх/2, где (U0) - напряжение в начале линии, е^кх/2 - коэффициент передачи длинной линии по напряжению на расстоянии х от начала линии. Однако длительность выходного импульса напряжения будет равна времени двойного прохода энергии вдоль линии, что является недостатком.

Известна неоднородная формирующая длинная линия с сосредоточенными или распределенными параметрами, в которых емкости конденсаторов C_n и индуктивности дросселей L_n изменяются по длине линии так, что ее волновое сопротивление, равное изменяется по параболическому закону. [/ О.Н. Литвиненко, В.И. Сошников, / «Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике»/ М. Советское радио, 1964, 536 с, (с. 17, с. 377, Рис. XIII.5)/]. Данная неоднородная формирующая длинная линия применяется в генераторах импульсов для получения на ее выходе прямоугольных импульсов с плоской вершиной и ее электрическая схема содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, дроссели соединены последовательно в цепочку, все конденсаторы одним выводом подсоединены к общей шине, а другими выводами подключены к точкам соединения двух дросселей, при этом последний конденсатор линии подключен к концу цепочки из дросселей.

Недостатком данной неоднородной формирующей длинной линии является то, что для ее работы перед источником питания необходимо подключать дополнительный конденсатор емкостью равной статической емкости параболической линии. При этом амплитуда импульса выходного напряжения линии снижается практически вдвое и коэффициент умножения линии (коэффициент передачи) по напряжению невысок. Длительности импульса выходных сигналов напряжения и тока равны времени двойного прохода энергии вдоль линии. [Г.А. Месяц, / «Импульсная энергетика и электроника» / М.: Наука, 2004. 704 с. (с. 62, Рис. 4.8)/].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и выбранным в качестве прототипа является гиперболическая неоднородная формирующая длинная линия с сосредоточенными или распределенными параметрами, в которой емкости конденсаторов С равны между собой, а индуктивности дросселей, или индуктивность на единицу длины линии (погонная индуктивность), изменяются по длине линии, исходя из соотношения:

где L(0) - погонная индуктивность в начале линии;

L(х) - погонная индуктивность на расстоянии х от начала линии;

Т - время однократного прохода энергии вдоль линии.

[/О.Н. Литвиненко, В.И. Сошников, / «Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике»/ М. Советское радио, 1964, 536 с, (с. 381)/]. Эквивалентная электрическая схема такой линии приведена там же на с. 373.

Эквивалентная электрическая схема данной неоднородной формирующей длинной линии также содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, дроссели соединены последовательно в цепочку, все конденсаторы одним выводом подсоединены к общей шине, а другими выводами подключены к точкам соединения двух дросселей, при этом последний конденсатор линии подключен к концу цепочки из дросселей.

Недостатком данной неоднородной формирующей длинной линии является то, что, при ее применении в генераторах импульсов, длительности выходных сигналов напряжения и тока равны времени двойного прохода энергии вдоль линии, что не соответствует для решения требуемых задач, а коэффициент передачи напряжения не превышает единицы. Более того, на месте соединения Г-образных четырехполюсников появляются отраженные импульсы, уменьшающие КПД передачи энергии в нагрузку, так как их волновые сопротивления не согласованы между собой. Однако эквивалентная схема данной линии совпадает с эквивалентной схемой заявляемой неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными или распределенными параметрами

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными или распределенными параметрами, которая будет применяться в генераторах импульсов для формирования импульсов с повышенной амплитудой напряжения и короткой длительностью.

Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение длительности импульса выходного напряжения неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными или распределенными параметрами с одновременным увеличением его амплитуды.

Другим техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является увеличение КПД передачи электрической энергии, первоначально запасенной в неоднородной формирующей длинной линии, в нагрузку.

Как для неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными параметрами, так и для длинной линии с распределенными параметрами, поставленная проблема решается принципиально одним и тем же путем с достижением одного и того же результата, однако специфика эквивалентных электрических схем и технического исполнения линий с сосредоточенными и распределенными параметрами не позволяет объединить их в общий пункт, они являются независимыми вариантами.

Технический результат изобретения неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными параметрами обеспечивается тем, что ее электрическая схема содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, дроссели соединены последовательно в цепочку, все конденсаторы одним выводом подсоединены к общей шине, а другими выводами подключены к точкам соединения двух дросселей, при этом последний конденсатор линии подключен к концу цепочки из дросселей, начало цепочки из дросселей подключено к потенциальному выводу источника питания. Согласно изобретению N конденсаторов и N дросселей образуют N резонансных LC-контуров, в качестве конденсаторов и дросселей резонансных LC-контуров используют конденсаторы, емкости которых C_n и дроссели, индуктивности которых L_n выбирают из следующих соотношений:

где n=2, 3, … N - порядковый номер конденсатора, дросселя или LC-контура;

С₁ - емкость конденсатора первого LC-контура;

L₁ - индуктивность дросселя первого LC-контура;

N - порядковый номер последнего LC-контура.

Технический результат изобретения неоднородной формирующей длинной линии с распределенными параметрами обеспечивается тем, что длина формирующей длинной линии разбита на N участков длиной имеет погонную емкость С_р и погонную индуктивность L_p, источник питания. Согласно изобретению емкости n-го участка длинной линии C_n=C_p⋅Δ и индуктивности n-го участка длинной линии L_n=L_p⋅Δ выбирают из соотношений (1) и (2),

где n=1, 2, 3, … N - порядковый номер участка, на которые разбита линия;

= длина неоднородной линии с распределенными параметрами;

N = число участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами;

Δ = длина участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами.

Применение данных закономерностей изменения емкостей конденсаторов и индуктивностей дросселей неоднородной формирующей линии с сосредоточенными или распределенными параметрами приводит к появлению нового свойства генератора, в котором применяется линия, а именно: отсутствию отражения электрической и магнитной энергий при их движении вдоль формирующей линии от ее начала к концу при замыкании коммутатора генератора расположенного перед линией. Это приводит к тому, что через коммутатор, в основном, протекает электрическая энергия запасенная в начале линии, или в ее первом конденсаторе, а остальная запасенная энергия распространяется к концу линии под воздействием перепада напряжений в соседних конденсаторах, вызванных разрядом конденсатора в начале линии, по принципу модели «сгребаемого снега» или «снежного плуга». При этом на выходе длинной линии появляется импульс напряжения с повышенной амплитудой и существенно меньшей длительностью, чем время двойного прохода энергии вдоль линии, что имеет место в прототипе.

Так как потери электрической энергии, происходящие в процессе формирования выходного импульса напряжения генератора, в основном определяются сопротивлением коммутатора, то отсутствие отраженной электрической энергии при прохождении импульса вдоль резонансной неоднородной формирующей линии приводит к уменьшению длительности импульса тока через коммутатор, а значит уменьшаются потери энергии на его сопротивлении и увеличивается КПД передачи электрической энергии от конденсаторов длинной линии в нагрузку.

В случае, связанном с выполнением заявляемого изобретения в виде неоднородной длинной линии с распределенными параметрами, под емкостями конденсаторов C_n и индуктивностями дросселей L_n следует понимать емкость и индуктивность n-го участка длинной линии, на которые разбита неоднородная длинная линия с распределенными параметрами.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На Фиг. 1 изображена электрическая схема неоднородной длинной линии с сосредоточенными параметрами по п. 1 формулы изобретения, которая соответствует эквивалентной электрической схеме неоднородной длинной линии с распределенными параметрами по п. 2 формулы изобретения, где: U₀ - источник питания линии, C_n - конденсаторы, L_n - дроссели, I_Ln - токи через дроссели.

На Фиг. 2 а) приведены графики изменения во времени напряжений на конденсаторах длинной линии в течение одного периода резонансных колебаний Т для шести резонансных LC- контуров длинной линии по п. 1 формулы изобретения, на Фиг. 2б) - графики изменения во времени токов через дроссели длинной линии. Значения номиналов конденсаторов и дросселей рассчитаны с точностью ≈ 0,1%, а графики построены по конкретным уравнениям с помощью стандартной программы.

На Фиг. 3 а) приведены графики изменения во времени электрической энергии на конденсаторах длинной линии при тех же условиях, на Фиг. 3 б) приведены графики изменения во времени магнитной энергии в дросселях длинной линии.

На Фиг. 4 изображена электрическая схема неоднородной длинной линии с сосредоточенными параметрами, работа которой исследовалась с помощью стандартного пакета программ. Значения номиналов конденсаторов и дросселей рассчитаны по приведенным выше формулам и отличаются от точных значений на ≈ (3-5)%.

На Фиг. 5 приведены графики изменения во времени напряжений на конденсаторах U_Cn(t) и токов через дроссели I_Ln(t) длинной линии для N=6, построенные с помощью стандартного пакета программ.

На Фиг. 6 приведен схематический рисунок неоднородной длинной линии с распределенными параметрами по п. 2 формулы изобретения (вариант 2), который поясняет переход к неоднородной длинной линии с сосредоточенными параметрами по п. 1 формулы изобретения.

На Фиг. 7 приведен примерный график изменения во времени Напряжения на последнем участке неоднородной длинной линии с распределенными параметрами по п. 2 формулы изобретения, когда вся электрическая энергия длинной линии переходит в момент времени t₁ к концу линии.

Неоднородная формирующая длинная линия с сосредоточенными параметрами по п. 1 формулы изобретения является составной частью генератора импульсов и работает следующим образом.

Сосредоточенные емкости конденсаторов длинной линии C_n через соответствующие дроссели L_n заряжаются от источника питания до величины U₀. Далее, если замкнуть коммутатор генератора, который расположен перед началом формирующей линии, в N связанных резонансных LC-контурах длинной линии начинается колебательный процесс с N независимыми частотами ω_n, которые находятся в отношении ω₁:ω₂:ω₃:…:…:ω_n:…:ω_N=N:N-1:…:n:…:3:2:1. При этом, в начале колебательного процесса через коммутатор и индуктивность L₁ проходит ток, определяемый, в основном, электрической энергией запасенной в конденсаторе С₁, которая переходит в энергию магнитного поля дросселя L₁ (см. U_C1, I_L1 на Фиг. 2 а) и б) и E_C1 E_L1 на Фиг. 3 а) и б)), передаваемую далее в конденсатор С₂. Затем, с некоторой задержкой, начинается разряд конденсатора С₂ через дроссель L₂ и конденсатор С₁. При этом уже дроссель L₂ запасает электрическую энергию из конденсатора С₂ и остаток энергии из конденсатора С₁ в энергию магнитного поля (см. U_C2, I_L2 на Фиг. 2 а) и б) и E_C2 E_L2 на Фиг. 3 а) и б)), которая далее передается в конденсатор С₃. Этот процесс продолжается до момента времени t₁, когда электрическая энергия доходит до конца линии, то есть до конденсатора C_N, отражается от разомкнутого конца линии, и начинается аналогичный процесс движения энергии в сторону начала линии, но с токами через дроссели обратными по направлению.

Так как величины емкостей конденсаторов C_n и индуктивностей дросселей L_n выбираются по вышеприведенным закономерностям, которые определяют резонансный характер колебаний в связанных LC-контурах генератора, а также обеспечивают согласование входных и выходных волновых сопротивлений контуров, то появление отражений энергии импульса в процессе ее прохождения вдоль линии исключается. Это хорошо видно из графиков на Фиг. 3 а), б), которые были получены при точном решении уравнений, описывающих поведение электрической и магнитной энергий в неоднородной длинной линии для N = 6. При этом, вся электрическая энергия, первоначально запасенная в конденсаторах длинной линии, через время равное полупериоду колебательного процесса t₁ переходит в последний конденсатор длинной линии C_N (см. U_C6 на Фиг. 2а) и E_C6 на Фиг. 3 а)), который, если включить разрядник-обостритель генератора в момент времени t₁, передает ее в нагрузку. Емкость последнего конденсатора линии существенно меньше суммарной емкости всех конденсаторов линии, поэтому напряжение на нем значительно возрастает, а время его разряда на Нагрузку, определяемое постоянной времени τ = R_H⋅C_N (R_H - сопротивление нагрузки), заметно сокращается, то есть пиковая мощность генератора, передаваемая в нагрузку, по сравнению с известными генераторами, увеличивается.

Как следует из вида зависимостей на Фиг. 2 длительность выходного импульса напряжения генератора уже для N = 6 существенно меньше времени двойного прохода импульса вдоль линии, в данном случае равном Т. Форма импульса выходного напряжения близка к треугольной, а длительность импульса по основанию приблизительно равна длительности импульса тока через коммутатор и дроссель L₁.

Неоднородная формирующая длинная линия с распределенными параметрами по п. 2 формулы изобретения является составной частью генератора импульсов и работает следующим образом.

Неоднородная формирующая длинная линия с распределенными параметрами длиной , имеющая погонную емкость С_р и погонную индуктивность L_p, разбивается на N участков длиной (см. Фиг. 6) и [/ О.Н. Литвиненко, В.И. Сошников, / «Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике» / М. Советское радио, 1964, 536 с, (с. 372)/], а емкости C_n=С_р⋅Δ и индуктивности L_n=L_p Δ выбирают из соотношений (1), (2),

где n = 1, 2, 3, … N - порядковый номер участка, на которые разбита линия;

= длина неоднородной линии с распределенными параметрами;

N = число участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами;

Δ = длина участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами.

Распределенные емкости конденсаторов длинной линии C_n через соответствующие дроссели L_n заряжаются от источника питания до напряжения U₀. Далее, замыкается коммутатор генератора, который расположен перед началом формирующей линии, и в линии начинается колебательный процесс аналогичный тому, который происходит в неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными параметрами. Так как в момент времени t₁ напряжения на промежуточных участках длинной линии, кроме последнего, обращаются в нуль, на выходном участке длинной линии будет формироваться импульс напряжения как на последнем конденсаторе длинной линии с сосредоточенными параметрами (см. Фиг. 7).

Проведено экспериментальное подтверждение работоспособности заявляемого изобретения с резонансной неоднородной формирующей линией с сосредоточенными параметрами для числа резонансных LC-контуров линии N = 4. Отношение емкостей конденсаторов длинной линии равнялось С₁:С₂:С₃:C₄=1:0,43:0,28:0,28, а индуктивностей дросселей L₁:L₂:L₃:L₄=1:1,92:3,38:7,06. Амплитуда импульса выходного напряжения повышается, получен коэффициент умножения по напряжению ≈ 2,5 для длинной линии по п. 1 формулы изобретения, а длительность импульса напряжения на полувысоте уменьшилась в ⋅ ≈ 4 раза по сравнению с импульсом прототипа.

Работоспособность заявляемого изобретения с неоднородной формирующей линией с распределенными параметрами для длинной линии по п. 2 формулы изобретения для числа участков длинной линии N = 6 подтверждается моделированием ее работы с помощью стандартного пакета программ, (см. Фиг. 5). Значения параметров участков формирующей длинной линии приведены на Фиг. 4 и рассчитывались по приведенным выше формулам. Из рисунка на Фиг. 5 видно, что до момента времени t₁, когда энергия переключается в нагрузку, напряжения и токи на промежуточных участках длинной линии практически совпадают с теми, которые рассчитаны точно (см. Фиг. 3 а, б). При этом амплитуда импульса выходного напряжения повышается, коэффициент умножения по напряжению равен ⋅≈ 3,4, а длительность импульса напряжения на полувысоте уменьшилась в ⋅≈ 5 раз по сравнению с импульсом прототипа.

Группа изобретений относится к импульсной технике и может быть использована в схемах питания импульсных источников, работающих как в импульсном, так и в импульсно-периодическом режимах. Техническим результатом является уменьшение длительности импульса выходного напряжения неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными или распределенными параметрами с одновременным увеличением его амплитуды, что может найти использование в электроимпульсной технологии при обработке различных материалов высоковольтными разрядами. Неоднородная формирующая длинная линия представляет собой формирующую длинную линию с сосредоточенными или распределенными параметрами, соотношения сосредоточенных параметров первой из которых зависят соответственно от порядкового номера конденсатора, дросселя или LC-контура, емкости конденсатора первого LC-контура, индуктивности дросселя первого LC-контура и порядкового номера последнего LC-контура, а также от соотношения распределенных параметров другой линии, зависящих от порядкового номера участка, на которые разбита линия, от длины неоднородной линии с распределенными параметрами, от числа участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами, и от длины участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Неоднородная формирующая длинная линия, представляющая собой формирующую длинную линию с сосредоточенными параметрами, электрическая схема которой содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, дроссели соединены последовательно в цепочку, все конденсаторы одним выводом подсоединены к общей шине, а другими выводами подключены к точкам соединения двух дросселей, при этом последний конденсатор линии подключен к концу цепочки из дросселей, начало цепочки из дросселей подключено к потенциальному выводу источника питания, отличающаяся тем, что N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников образуют N резонансных LC-контуров, в качестве конденсаторов и дросселей резонансных LC-контуров используют конденсаторы, емкости которых C_n, и дроссели, индуктивности которых L_n выбирают из следующих соотношений:

,

где n=2, 3, … N - порядковый номер конденсатора, дросселя или LC-контура;

С₁ - емкость конденсатора первого LC-контура;

L₁ - индуктивность дросселя первого LC-контура;

N - порядковый номер последнего LC-контура.

2. Неоднородная формирующая длинная линия, представляющая собой формирующую длинную линию с распределенными параметрами, длина которой разбита на N участков длиной имеющая погонную емкость С_р и погонную индуктивность , источник питания, отличающаяся тем, что емкости n-го участка длинной линии C_n=С_р⋅Δ и индуктивности n-го участка длинной линии Ln=Lp⋅Δ выбирают из соотношений:

где n=1, 2, 3, … N - порядковый номер участка, на которые разбита линия;

= длина неоднородной линии с распределенными параметрами;

N = число участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами;

Δ = длина участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами.