Импульсный модулятор Советский патент 1982 года по МПК H03K7/02 

Изобретение относится к импульсно технике и может быть использовано для модуляции мощных СВЧ и других электронных приборов, работающих с м лой скважностью и крутыми фронтами импульсов. Известен импульсный модулятор, содержащий источник питания, две последовательно соединенные лампы, к точке соединения которых подключена нагрузка, генератор управляющих импульсоз, подключенный через трансформаторы и емкости к управляющим электродам 1. Недостаток известного модулятора заключается в низком КПД. Известен также импульсный модулятор, содержащий источник питания, две последовательно соединенные моду ляторные лампы, первая из которых ан дом подключена к положительной шине источника питания, катодом к нагрузке, соединенной с общей шиной, а дру гая анодом к нагрузке, а катодом к отрицательной шине источника питания, генератор управляющих импульсов, подключенный через пороговые элементы к входам управляющих ключей||2. Недостатком этого импульсного моду лятора также является низкий КПД. Цель изобретения - повышение КПД. Поставленная цель достигается тем, что в импульсныймодулйтор, содержащий источник питания, две ix следовательно соединенные модуляторные лампы, первая из которых анрдом подключена к положительной шине источника питания, а другая анодом - к нагрузке, генератор управляющих им- , пульсов, подключенный через пороговые элементы к входам двух управляющих ключей, введены две форсирующие цепочки, выход первой из которых включен между управляющей сеткой первой модуляторной лампы и анодом второй, выход второй - между управляющей сеткой второй модуляторной цы и отрицательной шиной источника

питания, а их входы соединены соответственно с анодами первой и второй модуляторных ламп, причем первый управляющий ключ подключен между катодом первой модуляторной лампы и анодом второй, а второй - между катодом второй модуляторной лампы и отрицательной шиной источника питания.

Генератор управляющих импульсов выполнен в виде светодиода, оптически связанного через диэлектрические волноводы с пороговыми элементами.

Каждый пороговый элемент содержит транзистор и последовательно соединенные резистор и фоторезистор, объединенный вывод которых подключен к базе транзистора, причем в первом пороговом элементе фоторезистор подключен параллельно базаэмиттерному переходу, соединенному с нагрузкой, а резистор - базаколлекторкому переходу, соединенному с входом направляющего ключа, а во втором пороговом элементе фоторезистор подключен параллельно базаколлекторному переходу, соединенному с входом управляющего ключа, а резистор к - базаэмиттерному переходу, соединенному с отрицательной шиной источника питания

Каждый управляющий ключ содержит цепочку, состоящую из последовательно соединенных двух резисторов, трех диодов, включенных в прямом направлении и стабилитрона, пять транзисторов, два из которых соединены последовательно, причем первый транзистор базой подключен к объединенному выводу резисторов, коллектором - к другому выводу первого резистора, а через диод, включенный в противоположном направлении, - к накальной цепи модуляторной лампы и через разделительный конденсатор - к ее катоду и к коллекторам буферного и двух параллельно соединенных транзисторов, второй транзистор базой соединен с объединенным выводом второго резистора и диода, коллектором - с эмиттером первого транзистора, а эмиттером - с базой буферного транзистора, эмиттер которого подключен к базам двух параллельно соединенных транзисторов, эмиттеры которых через дополнительные резисюры подключены к аноду стабилитронэ.

Каждая форсирующая цепочка содер жит трансформатор и конденсатор, причем первые выводы выходных обмоток трансформаторов соединены с управляющими сетками модуляторных ламп, аноды которых через конденсаторы соединены с первыми выводами входных обмоток трансформаторов,а вторые выводы обмоток трансформаторов соединены между собой и подключены соответственно к аноду первой модуляционной лампы и к отрицательной шине источника питания.

На чертеже -показана функциональная схема импульсного модулятора.

Импульсный модулятор содержит генератор 1 управляющих импульсов, два диэлектрических волновода 2,два пороговых элемента 3 и , два управQ ляющих ключа 5 и 6, две модуляторные лампы 7 и 8 и две цепочки 9 и 10 форсирующие. Причем вход генератора 1 управляющих импульсов соединен с источником управляющих импульсов, а выход через диэлектрические волноводы 2-е входами первого 3 и второго 4 пороговых элементов, выходы которых соединены соответственно с входами первого 5 и второго 6 управляющих ключей, первый из которых включен между катодом первой модуляторной лампы 7 и анодом второй лампы 8, а второй - между катодом второй модуляторной лампы и отрицательным выводом источника питания; выход первой форсирующей цепочки 9 включен между управляющей сеткой первой модуляторной лампы 7 и анодом второй лампы 8, выход второй форсирующей цепочки 10 включен между управляющей сеткой второй модуляторной лампы 8 и отрицательным выводом источника питания, а входы каждой из форсирующих цепочек соединены соответственно с анодами первой и второй модуляторных ламп. Генератор 1 управляющих импульсов выполнен в виде светодиода, оптически связанного с диэлектрическими волноводами 2, а каждый из пороговых элементов выполнен в виде фоторезисторов 11 и 12, оптически связанных с соответствующими диэлектрическими волноводами и включенных в базовые цепи транзисторов 13 и 14, причем в первом пороговом

элементе 3 .фоторезистор подключен параллельно базаэмиттерному переходу транзистора, а во втором - параллельно базаколлекторному. Каждый ур 5 равляющий ключ содержит составные эмиттерные повторители 15 и 1б, « состоящие из двух последовательно соединенных транзисторов, цепочек 17 и 18 состоящих из последовательно соединенных двух резисторов, трех диодов, включенных в прямом направлении и стабилитрона, причем первые транзисторы базами подключены к объединенным выводам резисторов, коллекторами - к другим выводам пер.вых резисторов, а через диоды, включенные в обратном направлении к накальным цепям модуляторных ламп и через разделительные конденсаторы к их катодам и коллекторам составных эмиттеров 19 и 20, состоящих из буферных и двух параллельно соединенных транзисторов, подключенных через резисторы 21-2, соответственно к анодам стабилитронов. Первая форсирующая цепочка содержит конденсатор 25 и трансформатор 26, а вторая содержит конденсатор 27 1и трансформатор 28, причем первые выв |ды выходных обмоток трансформаторов со динены с -управляющими сетками соответствующих модуляторных ламп, аноды которых через конденсаторы соединены с первыми выводами входных обмото трансформаторов, а вторые выводы обмоток трансформаторов 26 и 28 соед нены i,у первой форсирующей цепочки) с нагрузкой 29, а у второй - с отри цательным выводом источника питания. Импульсный модулятор работает следующим образом. В паузе между импульсами генератор 1 управляющих импульсов выключен, фоторезисторы 11 и 12 имеют максимальное сопротивление, вслед;стаие чего транзистор 13 открыт, |а транзистор k закрыт. Поскольку транзистор 13 шунтирует вход управляющего ключа 5, то он разомкнут. Управляющий ключ 6 соответственно замкнут, В этом положении катод модуляторной лампы 8 оказывается-сое диненным по постоянному току через управляющий ключ 6 и трансформатор 28 с ее управляющей сеткой. Поэтому модуляторная лампа 8 открыта. Вследствие разрыва цепи между катодом модуляторной лампы 7 и анодом модулято ной лампы 8 управляющим ключем 5 лампа 7 запирается. При этом на ее катоде напряжение устанавливается равным паспортному напряжению запирания по сетке этой лампы (наприме| 06 для ГМИ-26 это приблизительно 100 В) Следовательно, почти все напряжение qT источника питания несколько кВ, падает только на лампе, что обеспечивает работу полупроводникового ключа, при малых напряжениях, т.е. в том режиме, который оптимален для полупроводников. Кроме того, данное напряжение является напряжением питания для транзисторного .каскада, входящего в состав ключа. Оно поддерживает его работу в ждущем режиме без отдельного собственного источника питания. При этом управляющий ключ 5 потребляет по цепи из входных, резисторов дежурный ток, который обратно пропорцио- нален коэффициенту усиления ключа по току и поэтому может быть доведен до весьма малой величины. При поступлении управляющего импульса на вход генератора 1 управляющих импульсов, последний излучает электромагнитные колебания, воздействующие через волноводы 2 на фоторезисторы 11 и 12, сопротивление которых при этом достигает минимальной величины. Транзистор 13 закрывается, а транзистор 1 открывается, рто приводит далее к открыванию управляющего ключа и закрыванию управляющего ключа 6. Однако такой процесс не может сам по себе обеспечить нормальную работу модуляторных ламп 8 момент переключения,так как эти лампы для нормального ( ускоренного ) срабатывания на фронтах импульсов требуют больших импульсных напряжений положительной полярности на управляющих сетках по отношению к катодам. Для обеспечения нормального рхежима работы модуляторных ламп, введено двойное управление модуляторными лампами. Одно - по катоду ( ключем ) и второе - по управляющей сетке форсирующей цепочкой . В моменты переключения, форсирующие цепочки 9 и 10 обеспечивают через конденсаторы 25 и 27 и трансформаторы 2б и 28 положительную обратную связь в модуляторных лампах и дают тот необходимый для срабатывания открывающейся лампы положительный выброс на управляющей сетке, который обеспечивает нормальный режим ее переключения. В моменты времени, соответствующие паузам и вершинам импульсов, токи через лампы меньше максимальных, и для ламп достаточно нулевого смещения, которое задается соответствующей коммутацией управляющих ключей 5 и 6. Таким образом, с приходом управляющего импульса на вход генератора 1 управляющих импульсов управляющий ключ 5 и модуляторная лампа 7 открываются, а управляющий ключ 6 и модуляторная лампа 8 закры ваются. Следовательно, формируется импульс. Когда управляющий импульс кончается, генератор управляющих импульсов гаснет и процесс идет в обрат ном порядке. Формируется спад импул са и пауза. Управляющие ключи 5 и 6 ввиду их малого внутреннего сопротивления нуждаются в специальной защите от пробоя во внешней цепи, напри мер в лампе. В предлагаемом устройстве такая защита обеспечивается пу тем ограничения тока черезключи. Это достигается введением резисторов 21 и 22 в эмиттерные цепи выходных транзисторов и ограничением входного напряжения каждого ключа с помощью цепочек 17 и 18, содержащих стабилитроны и диоды температур ной компенсации по числу л-р переходов между входами ключей и резисторами 21-2. При таком включении Падение напряжения на этих резисторах не может превысить опорной величины, задаваемой стабилитро нами (иначе транзисторы закрываются ), что позволяет ограничить ток соответствующим порогом. Кроме того это техническое решение позволяет легко решить, при необходимости про лему выравнивания токов через выход ные транзисторы при параллельном их включении. Чтобы увеличить насыщение в полу проводниковых ключах выходных транзисторов, может быть применена подпитка (дополнительный источник)для входного каскада ключа путем подачи выпрямленного накального напряжения как это показано на фиг. 1 . Главной особенностью импульсного модулятора является двойное управление модуляторными лампами - по сетке (по цепи положительной обратной связи) и по катоду (от цепей .управления). Это позволяет совместно с световой развязкой по входу применить в качестве каскадов предварительного усиления управляющие к 8 чи без отдельных источников питания и тем самым уменьшить выходную емкость устройства, повысить КПД, уменьшить длительность, фронтов и спадов выходных импульсов. Кроме того, уменьшение мощности потерь в дополнительных источниках питания и потерь На перезарядку паразитных емкостей позволяет снизить мощность каскадов предварительного усиления и выходных каскадов, повысить их надежность,, уменьшить габариты, вес и стоимость. Формула изобретения Импульсный модулятор, содержащий, источник питания, две последовательно соединенные модуляторные лампы, первая из которых анодом подключена к положительной шине источника питания, а другая анодом - к нагрузке, генератор управляющих импульсов, подключенный через пороговые элементы к входам двух управляющих ключей, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, в него введены две форсирующие цепочки, выход первой из которых включен между управляющей сеткой первой модуляторной лампы и анодом второй, выход второй - между управляющей сеткой второй модуляторной лампы и отрицательной шиной источника питания, а их входы соединены соответственно с анодами первой и второй модуляторных ламп, причем первый управляющий ключ подключен между катодом первой модуляторной лампы и анодом второй, a второй - между катодом второй модуляторной лампы и отрицательной шиг ной источника питания. 2.Модулятор по п.1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что генератор управляющих импульсов вьгполнен в виде светодиода, оптически связанного через диэлектрические волноводы с пороговыми элементами. 3.Модулятор по П.1, о т л ичающ ийся тем, что каждый пороговый элемент содержит транзистор и последовательно соединенные резистор и фоторезистор, объединенный вывод которых подключен к базе транзистора, причем в первом пороговом элементе фоторезистор подключен параллельно базаэмиттерному переходу, соединенному с нагрузкой, а резистор - базаколлекторному переходу, соединенному с входом управляющего ключа, а во втором пороговом элементе фоторезистор подключен параллельно базаколлекторному переходу, соединенному с входом управляющего ключа, а резистор - к базаэмиттерному переходу, соединенному с отрицательной шиной источника питания.

Л. Модулятор по п.1, о т л ич а ю щи и с я тем, что каждый управляющий ключ содержит цепочку, состоящую из. последовательно соединенных двух резисторов, трех диодов, включенных в- прямом направлений.и ст билитрона, пять транзисторов, два из которых соединены последовательно причем первый транзистор базой подклчен к объединенному выводу резисторов, коллектором - к другому выводу первого резистора, а через диод, включенный в противоположном направлении, - к накальной цепи модуляторной лампы и через разделительный конденсатор - к ее катоду и к коллекто,-. рам буферного и двух параллельно соединенных транзисторов, второй транзистор базой соединен с объединенным выводом второго резистора и диода, коллектором - с эмиттером первого транзистора, а эмиттером - с базо буферного транзистора, эмиттер которого подключен к базам двух параллельно соединенных транзисторов, эмитеры которых через дополнительные резисторы подключены к аноду стабилитрона.

5. Модулятор по п,1, о т л и .4 аю щ и и с я тем, что каждая форсирующая цепочка содержит трансформатор и конденсатор, причем первые выводы выходных обмоток трансформаторов соединены с управляющими сетка и модуляторных ламп, аноды которых

через конденсаторы соединены с первыми выводами входных обмоток трансформаторов, а вторые выводы обмоток трансформаторов соединены между собой и подключены соответственно к аноду первой модуляционной лампы и к отрицательной шине источника питания.

Источники информации,. принятые во внимание при экспертизе

1.Богомолов Ф.Г, Импульсный МО-, дулятор, - Электронная технйка. Сер. 1, Электроника СВЧ, вып. 3, стр. i2k.

2.Патент США Vf З ЗЗЗУв, л. 332- 1, 25.03.1969. LL