ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
PULSE VOLTAGE GENERATOR

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электротехнологических, электрофизических и радиотехнических установках с высоковольтными емкостными накопителями энергии. Генераторы импульсных напряжений, формирующие прямоугольные импульсы с плоской вершиной, применяются в качестве источников ускоряющего напряжения в мощных СВЧ - приборах, к которым относятся клистроны, магнетроны, гиротроны и др., которые, в свою очередь, находят применение в системах радиолокации, технологических электрофизических установках, системах физического эксперимента. Изобретение формирует высоковольтные импульсы с высокостабильной плоской вершиной при изменении сопротивления нагрузки. Это обеспечивает требуемые режимы работы высокочастотных вакуумных приборов, например, клистронов, используемых в радиосистемах и других приложениях.
В качестве первого аналога принят генератор импульсных напряжений [1], содержащий ряд накопительных конденсаторов, тиристорных коммутаторов, токоограничивающих дросселей, вспомогательный генератор импульсов и активную нагрузку.
Недостатком известного устройства является сложность силовой схемы, большие масса и габариты.
В качестве второго аналога принят генератор импульсных напряжений [2], содержащий последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор и активную нагрузку.
Общим недостатком вышеприведенных устройств является значительная емкость накопительного конденсатора, его масса и габариты при формировании в активной нагрузке прямоугольных импульсов из-за снижения напряжения в силовом контуре, подводимого к активной нагрузке, в процессе разряда накопительного конденсатора.
В качестве прототипа выбран известный генератор импульсных напряжений [3], содержащий зарядное устройство и последовательно соединенные транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку и тиристорный регулятор напряжения, включенный между накопительным конденсатором и коммутатором. Регулятор напряжения содержит N последовательно соединенных звеньев, каждое из которых содержит тиристор, к катоду которого присоединена отрицательная обкладка дополнительного накопительного конденсатора. Положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора присоединена к аноду тиристора смежного звена. Анод тиристора первого звена подключен к положительному выводу дополнительного зарядного устройства, а катод тиристора последнего звена - к его отрицательному выводу. Анод тиристора и положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора каждого звена соединены с диодом, анод которого присоединен к аноду тиристора. Катоды тиристоров смежных звеньев также соединены диодами, причем аноды диодов присоединены к электродам тиристоров предыдущих, а катоды - к электродам тиристоров последующих звеньев, считая от точки подключения положительного вывода дополнительного зарядного устройства.
Недостатком схемы прототипа является то, что при увеличении сопротивлении нагрузки и уменьшении тока, протекающего через нее, при формировании импульса величина напряжения на нагрузке в момент времени, когда происходит выключение коммутатора, больше, чем напряжение на нагрузке при включении коммутатора. Наблюдается подъем напряжения на вершине формируемого импульса.
Кроме того, при уменьшении сопротивлении нагрузки и увеличении тока, протекающего через нее, при формировании импульса величина напряжения на нагрузке в момент времени, когда происходит выключение коммутатора, меньше, чем напряжение на нагрузке при включении коммутатора. Наблюдается спад напряжения на вершине формируемого импульса.
В результате, не происходит формирование прямоугольных импульсов с плоской вершиной. Схема прототипа обеспечивает формирование прямоугольных импульсов с плоской вершиной только при фиксированном сопротивлении и токе нагрузки.
Предлагаемым изобретением решается задача формирования прямоугольных импульсов с плоской вершиной при изменении сопротивления и тока нагрузки, что расширяет область применения схемы.
Технический результат от применения изобретения состоит в улучшении электрических характеристик генератора, а именно, в реализации возможности формирования высокостабильных прямоугольных импульсов с плоской вершиной при различных токах и сопротивлениях нагрузки.
in
out
Указанный технический результат достигается за счет того, что в прототипе, содержащем зарядное устройство, накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку и регулятор напряжения с соответствующими связями, тиристоры звеньев регулятора напряжения заменены на транзисторы. Кроме того, в регулятор напряжения включен дополнительный транзистор и диод. В схему прототипа дополнительно введены шунт и система управления, состоящая из неинвертирующего усилителя, N+1 драйверов, преобразователя напряжение-частота (ПНЧ), инвертора, первого и второго дифференцирующих устройств, логического элемента «ИЛИ», регистра хранения, времязадающих конденсатора и резистора, клеммы импульсов управления. Вход неинвертирующего усилителя подключен к положительной обкладке дополнительного накопительного конденсатора последнего звена регулятора напряжения. Выходы драйверов подключены к затворам дополнительного транзистора и N транзисторов, входящих в звенья регулятора напряжения. Вход V преобразователя напряжение-частота подключен к выходу неинвертирующего усилителя, а выводы С1(1) и С1(2) соединены через времязадающий конденсатор. Вывод R ПНЧ подключен к общей точке схемы через времязадающий резистор. Клемма импульсов управления подключена одновременно к входам инвертора, первого дифференцирующего устройства и входу D1 регистра хранения. Выход инвертора соединен одновременно с входом второго дифференцирующего устройства, выводом INH ПНЧ и входом драйвера, управляющего дополнительным транзистором. Выходы первого и второго дифференцирующих устройств соединены с входами логического элемента «ИЛИ», выход которого, в свою очередь, подключен к входу R регистра хранения. Вход WR регистра хранения подключен к выходу V ПНЧ, а его выводы Q1 и D1, Q2 и D2, Q3 и D3 … QN+1 и DN+1 соединены попарно, причем каждый из выводов Q2, Q3 … QN+1 подключен к входу одного из N драйверов.
Технический результат достигается за счет изменения длительности интервалов между моментами подключения последовательно включенных с нагрузкой дополнительных накопительных конденсаторов, в зависимости от величины тока нагрузки, благодаря формированию обратной связи по току.
Следует сказать, что число N (где N=1, 2, 3 …) звеньев регулятора напряжения и соответствующее ему число (N+1) драйверов и синхронных D-триггеров регистра хранения выбирают исходя из требуемой величины пульсации напряжения на плоской вершине импульса, причем, чем больше это число, тем меньше величина пульсаций.
На фигуре, в качестве примера, приведена структурная схема генератора импульсных напряжений с тремя (N=3) звеньями регулятора напряжения и приняты следующие обозначения:
Генератор импульсных напряжений состоит из силовой цепи и системы управления
Силовая цепь содержит зарядное устройство 1, к выводам которого подключен накопительный конденсатор 2, и последовательно соединенные активную нагрузку 4, транзисторный высоковольтный коммутатор 3, шунт 35 и регулятор напряжения 5, включенный между положительным выводом накопительного конденсатора 2 и активной нагрузкой 4. Регулятор напряжения 5 содержит дополнительный транзистор 8, дополнительное зарядное устройство 7 и последовательно соединенные звенья (на фигуре в качестве примера изображен генератор импульсных напряжений с тремя звеньями), каждое из которых содержит один из транзисторов 9-11, к истоку которого присоединена отрицательная обкладка одного из дополнительных накопительных конденсаторов 18-20. Положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора 18-20 каждого звена соединена с катодом одного из диодов 13-15, анод которого присоединен к стоку транзистора соответствующего звена. Истоки транзисторов 9 и 10 соединены с анодами диодов 16 и 17,соответственно, причем катод диода 16 соединен с анодом диода 17, а катод диода 17 подключен к отрицательной обкладке конденсатора 20. Исток транзистора 8 соединен со стоком транзистора 9 первого звена и с катодом диода 12, анод которого соединен одновременно с положительным выводом накопительного конденсатора 2 и положительным выводом зарядного устройства 1, кроме того, катод диода 12 подключен к аноду диода 13. Дополнительное зарядное устройство 7 подключено положительным выходом к стоку дополнительного транзистора 8, а отрицательным - одновременно к катоду диода 17, истоку транзистора 11 и к отрицательной обкладке конденсатора 20.
Система управления 6 состоит из неинвертирующего усилителя 22 (выполненного, например, на базе операционного усилителя 544УД16У3), ПНЧ 29 (например, 564ГГ1В) с времязадающей RC-цепью, содержащей конденсатор 24 и резистор 32, инвертора 23, дифференцирующих устройств 30 и 31, логического элемента ИЛИ 33, регистра хранения 34, выполненного на синхронных D-триггерах (например, 1533ТМ9) и драйверов 25-28, управляющих транзисторами 8-11.
Положительная обкладка дополнительного конденсатора 20 последнего, считая от дополнительного зарядного устройства 7, звена регулятора напряжения подключена к входу неинвертирующего усилителя 22. Кроме того, положительная обкладка дополнительного конденсатора 20 подключена через шунт 35 одновременно к общей точке схемы и к нагрузке 4.
in
1
1
out
Выход неинвертирующего усилителя 22 подключен к выводу V ПНЧ 29. Времязадающий конденсатор 24 подключен к выводам C(1) и C(2) ПНЧ 29, а времязадающий резистор 32 - к выводу R ПНЧ 29 и к общей точке. Выход V ПНЧ 29 подключен к входу WR регистра 34.
1
Клемма импульсов управления 21 подключена к входу инвертора 23, входу первого дифференцирующего устройства 31 и к выводу D регистра 34. Выход инвертора 23 присоединен к входу второго дифференцирующего устройства 30 и к выводу INH - ПНЧ 29, который, в свою очередь, через тот же вывод подключен к входу драйвера 25. Выход драйвера 25 подключен к затвору дополнительного транзистора 8. Выходы дифференцирующих устройств 30, 31 присоединены к входам логического элемента ИЛИ 33, выход которого присоединен к выводу R регистра 34.
В регистре 34 соединены попарно выводы Q1 и D1, Q2 и D2, Q3 и D3, Q4 и D4. Выводы Q2, Q3, Q4, соответственно, присоединены к входам драйверов 26-28, выходы которых подключены к затворам транзисторов 9-11 первого, второго, третьего звеньев регулятора напряжения 5.
Принцип работы предлагаемого генератора импульсных напряжений заключается в следующем.
При нулевом относительно общей точки схемы уровне сигнала управления, поступающего от внешнего задающего устройства (на фигуре не показано), и, соответственно, нулевом сигнале управления на клемме 21 напряжение высокого уровня с выхода инвертора 23 поступает на вход драйвера 25, который отпирает дополнительный транзистор 8 и через него -диоды 13-17. Происходит зарядка дополнительных накопительных конденсаторов 18-20 до заданного напряжения от дополнительного зарядного устройства 7.
При подаче импульса управления на клемму 21 выходное напряжение инвертора 23 принимает нулевое значение, при этом выходное напряжение драйвера 25 также становится равным нулю и дополнительный транзистор 8 запирается, отключая цепь зарядки дополнительных накопительных конденсаторов 18-20 от дополнительного зарядного устройства 7. При этом одновременно импульс управления включает транзисторный высоковольтный коммутатор 3.
По спаду выходного напряжения инвертора 23 дифференцирующее устройство 30 формирует кратковременный импульс, который поступает на вход логического элемента ИЛИ 33 и далее с его выхода на вход R регистра 34, устанавливая его D-триггеры в исходное состояние.
out
При включении коммутатора 3 накопительный конденсатор 2 начинает разряжаться на нагрузку 4 через последовательно соединенные диоды 12-15 и шунт 35. Начинается формирование высоковольтного импульса на нагрузке 4. При этом на выходе V ПНЧ 29 начинают формироваться прямоугольные импульсы с частотой, определяемой параметрами времязадающего конденсатора 24 и резистора 32, а также уровнем выходного напряжения неинвертирующего усилителя 22, который определяется падением напряжения на шунте 35 относительно общей точки схемы и которое пропорционально току, протекающему через нагрузку 4. Выходные импульсы ПНЧ 29 поступают на вход WR регистра 34. При этом на выводах Q1, Q2, Q3, Q4 регистра 34, а также на выходах драйверов 26-28 со сдвигом, равным периоду выходной частоты ПНЧ 29, последовательно появляется сигналы высокого уровня, сохраняющиеся до момента окончания импульса управления на клемме 21. В результате, начиная со второго периода выходного напряжения ПНЧ 29, происходит последовательное отпирание транзисторов 9-11 и поочередное введение в цепь нагрузки 4 дополнительных накопительных конденсаторов 18-20, предварительно заряженных от дополнительного зарядного устройства 7.
За счет этого, при снижающемся при разряде напряжении на накопительном конденсаторе 2, напряжение транзисторного регулятора 5 увеличивается за счет увеличения числа последовательно включаемых с нагрузкой дополнительных накопительных конденсаторов 18-20, что компенсирует снижение напряжения на накопительном конденсаторе 2 и изменение напряжения и тока в нагрузке 4.
Очередной интервал зарядки конденсаторов 18-20 начинается в момент окончания импульса управления на клемме 21, когда на выходе инвертора 23 и драйвера 25 вновь появляется сигнал высокого уровня, отпирающий дополнительный транзистор 8, который вновь подключает цепь зарядки дополнительных накопительных конденсаторы 18-20 к дополнительному зарядному устройству 7.
По спаду импульса управления на клемме 21, дифференцирующее устройство 31 формирует короткий импульс, который поступает на вход логического элемента ИЛИ 33, выходной сигнал которого подается на вход R регистра 34 и устанавливает его D-триггеры в исходное состояние. На выводах Q1, Q2, Q3, Q4 регистра 34, а также на выходах драйверов 26-28 устанавливается сигнал нулевого уровня, транзисторы 9-11 запираются. Одновременно на выходе инвертора 23 и драйвера 25 вновь появляется сигнал высокого уровня, отпирающий дополнительный транзистор 8, который вновь подключает цепь зарядки дополнительных накопительных конденсаторов 18-20 к дополнительному зарядному устройству 7. Конденсаторы 18-20 заряжаются, и генератор импульсных напряжений готов к формированию очередного импульса.
Ток и напряжение накопительного конденсатора 2 при его разряде связаны известным соотношением:
где С - емкость накопительного конденсатора 2.
При относительно небольших пульсациях тока нагрузки, чему соответствует равенство i(t)=I=const, в процессе формирования выходного импульса снижение напряжения накопительного конденсатора 2 и нагрузки 4 в течение периода выходного напряжения ПНЧ 29 согласно выражению (1) можно представить в виде
где Т и ƒ, соответственно, период и частота следования импульсов выходного напряжения ПНЧ 29.
Выходная частота ПНЧ 29 прямо пропорциональна выходному напряжению неинвертирующего усилителя 22, которое, в свою очередь, пропорционально его входному напряжению, равному падению напряжения на шунте 35 и пропорциональному току нагрузки 4. Следовательно, выражение выходной частоты ПНЧ 29 можно представить следующей формулой
1
2
где k - коэффициент передачи ПНЧ 29, k - коэффициент усиления неинвертирующего усилителя 22, R - сопротивление шунта 35.
Подставляя формулу (3) в выражение (2) находим величину снижения напряжения нагрузки 4 на периоде выходного напряжения ПНЧ 29
Из полученного выражения следует, что величина снижения напряжения нагрузки 4 на периоде выходного напряжения ПНЧ 29 обратно пропорциональна величине емкости накопительного конденсатора 2 и не зависит от величины сопротивления и тока нагрузки 4.
При уменьшении сопротивления нагрузки 4 и увеличении ее тока скорость снижения напряжения на ней возрастает, но одновременно увеличивается частота выходного напряжения ПНЧ 29 и сокращается длительность интервалов между моментами подключения последовательно с нагрузкой дополнительных накопительных конденсаторов 18-20. Спада напряжения на вершине формируемого импульса не происходит.
При увеличении сопротивления нагрузки 4 и уменьшении ее тока скорость снижения напряжения на ней снижается. При этом одновременно уменьшается частота выходного напряжения ПНЧ 29 и возрастает длительность интервалов между моментами подключения последовательно с нагрузкой дополнительных накопительных конденсаторов 18-20. Подъема напряжения на вершине формируемого импульса не происходит.
В результате обеспечивается формирование прямоугольных импульсов с плоской вершиной при изменении сопротивления и тока нагрузки.
Следует заметить также, что при заданной длительности формируемого импульса величина ΔU обратно пропорциональна числу N звеньев транзисторного регулятора напряжения 5. Это позволяет за счет выбора соответствующего числа N звеньев ограничить на требуемом уровне величину пульсации напряжения на плоской вершине формируемого прямоугольного импульса.
Из приведенного описания следует, что введение дополнительных элементов в схему устройства и связей между ними позволяет получить высокую стабильность плоской части формируемых высоковольтных импульсов при изменении сопротивления нагрузки. Это обеспечивает требуемые режимы работы высокочастотных вакуумных приборов, например, клистронов, используемых в радиосистемах и других приложениях.
Источники информации
1. А.С. 1003310 СССР, Н03К 3/53, Генератор высоковольтных импульсов / Кириенко В.П., Ваняев В.В. // Опубл. 07.03.83.
2. M.P.J. Gaudreau, J.A. Cassee, Т.Р. Hawkey, J.M. Malvany, M.A. Kempkes, P. Ver Planck. Solid state modulator application in linear accelerators // Proceeding of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999, p. 1491-1493.
3. Патент 2403676, Н03К 3/00, Генератор импульсных напряжений / Копелович Е.А., Ваняев В.В. // Опубл. 10.11.2010.