Устройство для стабилизации импульсного тока нагрузки Советский патент 1987 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано- .для получения мощных электрических импульсов тока со стабильной амплитудой, преимущественно в импульсных передатчиках СВЧ или в установках для ускорения заряженных частиц.

Целью изобретения является уменьшение искажения формы выходных импульсов за счет сокращения длительности среза выходных импульсов и минимального интервала между ними.

На чертеже приведена принципиальная схема устройства для стабилизации импульсного тока нагрузки.

Устройство для стабилизации импульсного тока нагрузки содержит импульсный модулятор 1 с частичным разрядом накопительного конденсатора 2 через электронную лампу 3, например, триод с защитной сеткой, причем заряд конденсатора 2 осуществляется через резисторы 4,5 от источника с напряжением Ер, а нагрузка 6, например магнетрон, подключена к выходу модулятора (параллельно резистору 5), усилительный элемент 7 первый электрод которого (коллектор транзистора ) через соединенные последовательно конденсатор 8 и первый импульсный трансформатор 9 (обмотку 10) соединен с общей шиной, кроме того, первый импульсный трансформатор 9 имеет вторичную обмотку 1, при этом к общей шине подключены эмиттер первого транзистора 12, анод первого стабилитрона 13, катод второго стабилитрона 14 и первая обкладка первого конденсатора 15, а балластный 16 и нагрузочный 17 резисторы включены последовательно между первым электродом усилительного элемента 7 (коллектором транзистора ) и положительным полюсом первого источника питания Е,, вьшоды соединенных между собой балластного и нагрузочного резисторов 16, J7 подключены непосредственно к катоду первого диода 18, через второй конденсатор 1 подключены к общей шине и через делитель 20 напряжения - к отрицательному полюсу источника 21 опорного напряжения, а выход делителя 20 напряжения через включенные последовательно усилитель 22. постоянного тока и второй диод 23 подключен к соединенным между собой коллектору второго транзистора 24 и базе первого транзистора 12, коллектор которого соединен с вторым электродом усилительного элемента 7 (эмиттером транзистора) а между базой и эмиттером первого транзистора 12 включен первый резистор 25, первый вывод вторичной обмотки 11.первого импульсного трансформатора 9 соединен с коллектором третьего транзистора 26, ано-. дом первого диода 18 и управляюощм входом импульсного модулятора 1 (сеткой лампы 3), к которому через вто- 5 рой резистор 27 подключены отрицательный полюс второго источника питания - Ej и эмиттер третьего транзистора 26, а второй вывод обмотки 11 соединен с анодом второго стаби- 0 литрона 14, параллельно которому

подключен-третий конденсатор 28, второй импульсный трансформатор 29, первая 30 и вторая 21 обмотка которого включены параллельно база-эмит- 5 терным переходам соответственно транзисторов 24 и 26, к катоду перовго диода 18 присоединены третий 32 и четвертый 33 резисторы, включенные последовательно, причем параллельно 0 четвертому резистору 33 включен конденсатор 34, а также содерж-ится генератор 35 импульсов запуска, элемент 36 задержки, третий стабилитрон 37, пятый 38 и шестой 39 резисторы, причем в устройство введены КЗ-триггер 40, истоковый повторитель 41, усилитель 42 мощности, дополнительные диоды 43-45 и дополнительные конедсато- ры 46, 47 причем, второй резистор 27 0 снабжен дополнительным вьшодом 48, а второй трансформатор 29 снабжен третьей обмоткой 49, которая через усилитель 42 мощности подключена к соединенным между собой R-входу RS- 5 триггера 40 и выходу элемента 36 задержки, выводы соединенных между собой резисторов 32, 33 подключены к катоду третьего стабилитрона 37 и второй обкладке первого конденса- gQ тора 15, к которой через четвертый резистор 33 подключен управляющий электрод усилительного элемента 7 (база транзистора), а пятый резистор 38 включен между эмиттером второ- gg го транзистора 24 и отрицательным полюсом источника 21 опорного напряжения, резистор 39 включен между анодом первого дополнительного диода 43 и анодом стабилитрона 37, при этом

5

анод диода 43 через первый дополнительный конденсатор 46 соединен с базой транзистора 12, к коллектору которого присоединен катод первого дополнительного диода 43, а выход генератора 35 импульсов запуска подключен к соединён между собой S-BXO- ду RS-триггера 40 и входу элемента 36 задержки, вьгход RS-триггера 40 через истоковый повторитель 41 соединен с базой транзистора 12, катод стабилитрона 37 соединен с катодом второго дополнительного диода 44, анод которого соединен с управляющим входом усилительного элемента 7, дополнительный вывод 48 резистора 27 соединен непосредственно с анодом третьего дополнительного диода 45 и через второй дополнительньй конденса тор 47 подключен к базе транзистора 26, коллектор которого соединен с катодом диода 45.

Элемент 36 задержки может быть выполнен, например, в виде обычной искусственной линии задержки. Генератор 35 импульсов запуска может быть выполнен, например, в виде бло кинг-генератора. Усилитель 22 постоянного тока может быть выполнен на основе операционного усилителя.

Устройство для стабилизации импульсного тока нагрузки работает следующим образом.

В интервалах между импульсами конденсатор 2 заряжается через последовательно соединенные резисторы 4, 5

от источника с напряжением Е. Электронная лампа 3 в это время заперта стабильным отрицательным напряжением смещения Е , равньм напряжению стабилизации стабилитрона 14. Ток стабилитрона 14 протекает от источни ка с напряжением - Ej через резистор 27 и обмотки II трансформатора 9. Транзистор 26 л диод 18 при этом заперты. Напряжение Е на управляющем входе усилительного элемента 7 в это время примерно равно падению напряжения на стабилитронах 13 и 37, включенных последовательно. Ток через эти стабилитроны протекает от источника с напряжением Е через резне- дение напряжения имеющее поляр- торы 16 и 32. Конденсатор 46 заряжа- ность, противоположную полярности ется до напряжения Е равного напря- импульса запуска Е. Это приводит жениш стабилизации стабилитрона 13. Диод 43 заперт, так как напряжение на его катоде, примерно равное Е,, превышает напряжение Е, на его каk уменьшению базового тока транзистора 1.2 и, соответственно, к уменьшению степени насыщения транзистора 12 во время вершины импульсов.

тоде. Транзисторы 7 и 12 находятся в активном режиме, через них протекает весьма малый ток (см. далее). Диоды 44, 45 тоже заперты. Конденсатор 47 заряжается до некоторого напряжения Е К-(Е J-E ), где - коэффициент деления делителя напряжения, образованного резистором 27 с

дополнительным выводом 48. Конденсатор 8 заряжается через резистор 1 7 и обмотку 10 до напряжения Е , существующего на конденсаторе 19. При поступлении очередного поло15

20

Г

30

35

житедьного импульса запуска Е от генератора 35 на вход S RS-триггера 40 он устанавливается в состояние на его выходе формируется импульс, который через истоковый повторитель 41 поступает на базу транзистора 12. Транзисторы 12 и 7 отпираются, а диод 44 запирается, при этом под действием форсирующей RS- цепочки из элементов 33 и 34 отпирание транзистора 7 происходит ускоренно, что способствует формированию фронта с уменьшенной длительностью. На обмотке 10 трансформатора 9 формируется отрицательный импульс в результате частичного разряда конденсатора 8. Этот импульс инвертируется в трансформаторе 9 и поступает на сетку лампы 3 в виде импульса превышения. Импульс превышения ограничивается по амплитуде на уровне напряжения , существующего на конденсаторе 19 благодаря отпиранию диода 18 (трансформатор 9 - повьшаю- щий). Диод 23 обеспечивает развязку

40 выхода усилителя 22 в моменты -подачи импульсов запуска от выхода истоко- вого повторителя 41 на базу транзистора 12.

В процессе отпирания транзистора

45 12 напряжение на его коллекторе

уменьшается от величины Е , примерно равной 1/2 Е ,9 , до напряжения Е з поскольку в этот момент диод 43 отпирается (фиг. Зз). Конденсатор 46 при этом начинает разряжаться через диод 43, транзистор 12 и резистор 25. При этом на резисторе 25 образуется па50

дение напряжения имеющее поляр- ность, противоположную полярности импульса запуска Е. Это приводит

k уменьшению базового тока транзистора 1.2 и, соответственно, к уменьшению степени насыщения транзистора 12 во время вершины импульсов.

Таким образом,. через диод 43, конденсатор 46 и резистор 25 замыкается цепь нелинейной обратной связи, способствующей ускоренному выключению транзистора 12 после окончания импульса.

При отпирании транзисторов 7 и 12 на время импульса Е происходит намагничивание магнитопровода тран- сформатора 9 линейно нарастающим током 1 в положительном направлении. При отпирании электронной лампы 3 импульсом Е,Е через нее происходит частичный разряд конденсатора 2 и через нагрузку 6 протекает выходной импульс тока 1.

В момент Т, соответствующий окончанию импульса, на выходе элемента 36 задержки появляется импульс сброса, который поступает на R-вход RS-триггера 40 и устанавливает его в состояние О. В результате импуль Е на базе транзистора 12 заканчивается. Одновременно импульс сброса усиливается усилителем 42 и поступает на базы транзисторов 24 и 26 чере трансформатор 29. Через транзистор 24 и резистор 38 на базу транзистора 12 от источника 21 поступает отрицательный импульс Е2. В первый момент после запирания транзистора 12 транзистор 7 остается еще открытым и потенциал на его коллекторе стремится увеличиться до Е , однако этому препятствует отпирание диода 44. В ре- аультате при переходном процессе (формирование среза импульса) емкость коллектор - эмиттер у транзистора 7 заряжается через диод 44. Ток заряда протекает через эмиттерно-ба- зовый переход транзистора 7 в обратном направлении, что содействует ускоренному запиранию этого транзистора. Коллектор транзистора 12 пр этом защищается от перенапряжений. Благодаря этому в сочетании с описанным вьше действием нелинейной обратной связи происходит ускоренное з.апирание транзистора 12 и прекращение тока через него. Так, при отсутствии импульсов Е J4 отрицательной полярности и отсутствии цепи линейно обратной связи (элементы 43, 46 и 25 время выключения транзистора 12 достигает 0,6-6,8 мкм в зависимости от тока его коллектора. Наличие импульса Ej и цепи обратной связи уменьшает это время до 0,3 мкм и менее. 0т

5

0

5

0

5

0

45

fiO

55

пирание транзистора 26 (одновременно с отпиранием транзистора 24) обеспечивает ускоренный разряд паразитной емкости цепи сетки лампы 3, что дает дополнительное сокращение длительности среза импульсов ЕЗ- При этом исключается перекрытие импульсов Е, и (случай, когда импульс Е еще не закончился, а импульс сброса Е j уже поступил). Такое перекрытие, которое может, иметь место в прототипе, как уже отмечалось, приводит к увеличению длительности среза импульсов.

Применение истокового повторителя 41 и усилителя 42 мощности на полевом транзисторе позволяет избавиться от влияния явлений рассасывания неосновных носителей заряда, которые в полевых транзисторах практически не име- бт места. Этим также предотвращается отмеченное выше явление перекрытия импульсов.

В истоковом повторителе целесообразно использование МОП-транзисторов с обогащением - они заперты при нулевом напряжении на затворе.

При отпирании транзистора 26 к , обмотке 11 на время импульса сброса прикладывается импульс напряжения с амплитудой . Этот импульс .аналогично прототипу вызывает протекание тока перемагничивания Iд, направленного противоположно предшествующему импульсу В результате к моменту окончания импульса сброса Е 42 значение магнитной индукции в магнитопроводе трансформатора 9 возвращается к исходному значению. Оно определяется постоянной составляющей тока I д. от источника - Ej, протекающего через обмотку 11. При, отпирании транзистора 26 потенциал - его коллектора не может быть меньшим, чем нарпяжение Е 47, существующее на конденсаторе 47, так как диод 45 отпирается. Конденсатор 47 разряжается частично через диод 45, тран- . зистор 26 и обмотку 31.-Ток разряда направлен навстречу току базы транзистора 26, что аналогично описанному вьше уменьшает степень насьщ1ения транзистора 26. В результате после окончания импульса сброса E 4j транзистор ускоренно выключается. Интервал между импульсами кодовой группы может быть предельно уменьшен.

Стабилизация импульсного тока нагрузки достигается путем выбора недо- напряженного режима работы лампы 3, характеризующегося большой величиной динамического сопротивления Rj лампы 3, при этом , где R - сопротивление нагрузки 6. Необходимая стабильность напряжения превышения EJ на сетке лАмпы 3 аналогично прототипу достигается путем поддержания постоянства напряжения на конденсаторе 19. Это напряжение определяет уровень ограничения амплитуды импульсов превьш1ения Е. Для этого напряжение, пропорциональное Е , сравнивается с помощью делителя 20 с опорным напряжением источника 21. Полученный сигнал ошибки после усиления в усилителе 22 постоянного тока поступает через диод 23 на базу транзистора 12. Если напряжение Е под действием дестабилизирующих факторов стремится возрасти, то транзисторы 12 и 7 приоткрываются под действирм сигнала ошибки. Падение напряжения на балластном резисторе 16 увеличивается до тех пор, пока напряжение не станет вновь равным заданному.

Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечивается сокращение длительности среза выходных импульсов и минимального интервала между ними, следовательно, достигается уменьшение искажений формы импульсов кодовой группы.

Формула изоб р-е тения

Устройство для стабилизации импульсного тока нагрузки, содержащее импульсный модулятор с частичным разрядом накопительного конденсатора через электронную лампу, выход которого подключен к нагрузке, усилитель ный элемент, например транзистор, первый электрод которого (коллектор) через включенные последовательно разделительный конденсатор и первичную обмотку первого импульсного тран сформатора соединен с общей шиной, к которой подключены эмиттер первого транзистора, анод первого стабилитрона , катод второго стабилитрона и первая обкладка первого конденсатора, содержащее также балластный и нагрузочный резисторы, включенные последовательно между первым электродом усилительного элемента и поло

5

524728

жительным полюсом первого источника питания, выводы соединенных между собой балластного и нагрузочного резисторов подключены непосредственно к катоду первого диода, через второй конденсатор к общей шине и через делитель напряжения к отрицательному полюсу источника опорного напряжения,

1Q а выход делителя напряжения через включенные последовательно усилитель постоянного тока и второй диод подключен к соединенным между собой коллектору; второго транзистора и базе

15 первого транзистора, коллектор которого соединен с вторым электродом усилительного элемента (эмиттером), между эмиттером и базой первого транзистора включен первый резистор, пер2Q вый вывод вторичной обмотки первого импульсного трансформатора соединен с коллектором , третьего транзистора, анодом первого диода и управляющим входом импульсного модулятора, к торому через второй ре.зистор подключены отрицательный полюс второго источника питания и эмиттер третьего транзистора, а второй вывод вторичной обмотки первого трансформатора

)Q соединен с анодом второго стабилитрона, параллельно которому подключен третий конденсатор, второй импульсный трансформатор, первая и вторая обмотки которого включены параллельно база-эмиттерным переходам второ го и третьего транзисторов соответственно, а к катоду первого диода присоединены третий и четвертый резисторы, включенные последовательно,

,.. четвертый конденсатор, включенный параллельно четвертому резистору, а также содержащее генератор импульсов запуска, элемент задержки, третий стабилитрон, пятый и шестой рез исто- ры,отл,ичающееся тем, что, с целью уменьшения искажения форм.ы выходных импульсов за счет сокращения длительности среза выходных импульсов и минимального интервала

„ между ними, в него введены RS-триг- гер, истоковый повторитель, усилитель мощности, дополнительные три диода и два конденсатора, причем второй резистор снабжен дополнительным выводом, а второй импульсньй трансформатор - третьей обмоткой, которая через, усилител-ь мощности подключена к R-вхо ду RS-триггера и выходу зла- мента задержки; вьшоды соединенных

55

между собой третьего и четвертого резисторов подключены к катоду третьего стабилитрона и к второй обкладке первого конденсатора, к которой через четвертый резистор подключен управляющий электрод усилительного элемента, пятый резистор включен между эмиттером второго транзистора и отрицательным полюсом источника опорного напряжения, шестой резистор включен между анодом первого дополнительного диода и соединенными между собой катодом первого стабилитрона и анодом третьего стабилитрона; анод первого дополнительного диода через первый дополнительный конденсатор соединен с базой первого транзистора к коллектору которого Присоединен

5

катод первого дополнительного диода; выход генератора импульсов запуска подключен к соединенным между собой S-входу RS-триггера и входу элемента задержки; при этом выход RS-триггера через истоковый повторитель соединен с базой первого транзистора, а катод третьего стабилитрона соединен с катодом второго дополнительного диода, анод которого подключен к управляющему входу усилительного элемента, дополнительный вьшод второго резистора соединен непосредственно с анодом третьего дополнительного диода и через второй дополнительный конденсатор подключен к базе третьего транзистора,коллектор которого соединен с катодом третьегодополнительного диода.

Изобретение может быть использовано для получения мощных электрических импульсов тока со стабильной , амплитудой, преимущественно в им- пульснык передатчиках СВЧ или в установках для ускорения заряженных частиц. Цель изобретения - уменьшение искажения формы выходных импульсов достигается за счет сокращения длительности среза выходных импульсов и минимального интервала между ними. Для этого в устройство дополнительно введены RS-триггер 40, истоковый повторитель 41, усилитель 42 мощности, дополнительные диоды 43, 44 и 45 и конденсаторы 46 и 47. Кроме того, устройство содержит импульсный модулятор 1 с частичным разрядом накопительного конденсатора 2 через электронную лампу 3, нагрузку магнетрон 6, усилитель на транзисторе 7, первЬй импульсный трансформатор 9 с обмотками 10 и II, транзисторы 12, 24 и 26, усилитель 22 постоянного тока, выполненный, например, в виде операционного усилителя, второй импульсный трансформатор 29, генератор 35 запускающих импульсов, выполненный, например, по схеме блокинг-генерато- ра, линию задержки 36, диоды, конденсаторы и резисторы, показанные на чертеже. 1 ил. О) Й « со СП К 4 INO