УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ МАГНЕТРОНА БЕЗЭЛЕКТРОДНОЙ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ ПРОЖЕКТОРА

Полезная модель относится к области электротехники, в частности, к источникам питания высоковольтных импульсных устройств, например, магнетронов и может быть использовано для создания мощной, с большим сроком службы и надежной излучающей информационной аппаратуры на основе мощного безэлектродного сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда для управления объектами.
Известна СВЧ безэлектродная лампа высокой интенсивности (RU №2159021 С2, МКП: Н05В 41/24, 41/30, дата публикации 10.11.2000 г.) - [1], которая содержит, содержащую горелку с колбой из оптически прозрачного материала, наполненную рабочим плазмообразующим составом вещество, источник постоянного напряжения, СВЧ генератор (магнетрон) и СВЧ электродинамическую систему со светопрозрачной частью в зоне расположения указанной колбы, а также импульсный модулятор, введенный в цепь, содержащую источник постоянного напряжения и СВЧ генератор.
Недостатком устройства [1] является то, что сетевое напряжение преобразуется в постоянное напряжение, которое не может обеспечить автоматическую регулировку мощности возбуждения магнетрона. Любое случайное изменение напряжения питания магнетрона из-за нестабильности сети приводит к не управляемому изменению его выходной мощности, электрического КПД или срыву генерации, что, в конечном счете, приводит к снижению мощности излучения или погасанию СВЧ газоразрядной лампы, снижению ресурса магнетрона, а, следовательно, и всего устройства. Кроме того, напряжение накала магнетрона не изменяется при изменении мощности, генерируемой магнетроном, что приводит к его перекалу или недокалу, что также снижает ресурс устройства в целом. Кроме того, устройство [1] не может обеспечить передачу информации в световом диапазоне из-за нестабильности импульсного светового потока.
Известно наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому техническому решению устройство возбуждения сверхвысокочастотной газоразрядной лампы (RU №104004 U1, МКП Н05В 41/24, 41/30, дата публикации 27.04.2011 г. Бюл. №12) - [2], которое является прототипом и содержит горелку с колбой из оптически прозрачного материала, наполненную рабочим плазмообразующим составом вещество, СВЧ электродинамическую систему, которая имеет светопрозрачную часть в зоне расположения колбы, СВЧ генератор в виде магнетрона, высокочастотный (ВЧ) инвертор питания, вход которого подсоединен к сети, источник напряжения накала катода магнетрона, источник постоянного высокого напряжения, импульсный (высоковольтный) модулятор, блоки оптимизации напряжения катода магнетрона и напряжения накала катода магнетрона, детектор амплитуды СВЧ колебаний в СВЧ электродинамической системе и датчик импульсного тока катода магнетрона, выполненный в виде, например, датчика Холла.
Недостатком устройства является то, что устройство возбуждения [2] обеспечивает только оптимальную генерацию СВЧ мощности магнетроном и не способно осуществить информационную модуляцию излучения оптического диапазона с целью управления объектами на больших расстояниях.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства возбуждения магнетрона безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы прожектора, способного обеспечить светоизлучающий информационный канал на требуемых частотах, например, в виде кодово-импульсной манипуляции на несущей сверхвысокой частоте для управления объектами на больших расстояниях при сохранении оптимального напряжения возбуждения магнетрона для максимального электрического КПД, повышении долговечности и надежности устройства.
Техническим эффектом от использования предлагаемого решения является расширение функциональной возможности предлагаемого устройства (управление объектами на больших расстояниях) за счет выполнения его с возможностью передачи высокочастотной информации в оптическом диапазоне излучения при сохранении высокими следующих его параметров:
- электрического КПД устройства, содержащего СВЧ газоразрядную лампу, за счет оптимизации амплитуды напряжения катода и напряжения накала катода магнетрона;
- долговечности (непрерывного срока службы устройства в целом) за счет оптимизации температуры термокатода магнетрона;
- надежности (максимального значения вероятности безотказной работы за заданный интервал времени) всего устройства возбуждения за счет стабильности СВЧ генерации магнетрона и температурной стабилизации колбы лампы прожектора.
Решение поставленной задачи и получение соответствующего технического эффекта достигаются тем, что в устройство возбуждения магнетрона безэлектродной сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора, содержащее колбу из оптически прозрачного материала, наполненную рабочим плазмообразующим составом веществ, СВЧ электродинамическую систему со светопрозрачной частью в зоне расположения колбы, СВЧ генератор, выполненный в виде магнетрона, источник напряжения накала катода магнетрона, датчик импульсного тока катода, источник постоянного высокого напряжения, импульсный (высоковольтный) модулятор, детектор амплитуды СВЧ колебаний, блоки оптимизации напряжений катода и накала катода и высокочастотный инвертор питания с ШИР, при этом магнетрон присоединен к СВЧ электродинамической системе, в которую встроен между колбой и магнетроном детектор амплитуды СВЧ колебаний, присоединенный входом к сети высокочастотный инвертор питания с ШИР силовым выходом присоединен к соответствующему входу источника постоянного высокого напряжения, который первым силовым выходом присоединен к катоду магнетрона и нити накала катода, вторым силовым выходом присоединен к соответствующему входу импульсного модулятора, а третьим силовым выходом - к силовому входу источника напряжения накала катода магнетрона, кроме того, блок оптимизации напряжения накала катода магнетрона присоединен управляющим входом к соответствующему выходу датчика импульсного тока катода магнетрона, который размещен на цепи связи первого силового выхода источника постоянного высокого напряжения с катодом магнетрона и нитью накала катода, а его управляющий выход присоединен к соответствующему входу источника напряжения накала катода магнетрона, который силовыми выходами присоединен к концам нити накала катода магнетрона, при этом управляющий вход блока оптимизации напряжения катода через детектор амплитуды СВЧ колебаний присоединен к СВЧ электродинамической системе, а его управляющий выход - к соответствующему входу высокочастотного инвертора питания с ШИР, введены высокочастотный импульсный (низковольтный) модулятор, источник регулируемого постоянного напряжения, интеллектуальное устройство управления, при этом высокочастотный инвертор питания с ШИР вторым силовым выходом присоединен к соответствующему входу источника регулируемого постоянного напряжения, силовой выход которого соединен с соответствующим входом высокочастотного импульсного модулятора, причем импульсный модулятор управляющим выходом присоединен к соответствующему входу интеллектуального устройства управления, а силовым выходом присоединен к соответствующему входу высокочастотного импульсного модулятора, силовой выход которого присоединен к заземленному аноду магнетрона, кроме того, интеллектуальное устройство управления одним из управляющих выходов присоединено к соответствующему входу источника регулируемого постоянного напряжения, а другим - к высокочастотному импульсному модулятору.
Совокупность импульсного модулятора с введенными в предлагаемое устройство высокочастотным импульсным модулятором и соединяющим их интеллектуальным устройством управления обеспечивают в целях создания светового информационного канала на требуемых частотах обеспечивает стробирование импульсной манипуляции за счет подачи напряжения возбуждения от импульсного модулятора в виде прямоугольных импульсов с частотой повторения, достаточной для устойчивой работы магнетрона безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы прожектора и допустимой по техническому заданию норме минимальной частоты пульсаций при максимальной интенсивности излучения устройства и дополнительной модуляции импульсов высокочастотными пачками импульсов от высокочастотного импульсного модулятора.
При этом интеллектуальное устройство управления, присоединенное входом к импульсному модулятору, а выходом - к высокочастотному импульсному модулятору задает длительность и частоту дополнительной модуляции импульсов согласно первоначально заложенному и корректируемому в процессе работы алгоритму управления.
Источник регулируемого постоянного напряжения, соединенный с силовым выходом высокочастотного инвертора питания с ШИР и управляющим выходом интеллектуального устройства управления, обеспечивает формирование напряжения питания высокочастотного импульсного модулятора по амплитуде, превышающей диапазон устойчивого напряжения генерации магнетрона.
Сопоставительный анализ предлагаемого устройства возбуждения магнетрона безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы прожектора, представляющего электрическую схему двухступенчатого импульсно-высокочастотного возбуждения магнетрона сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора, с известными устройствами аналогичного назначения и отсутствие описания таковых в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемой полезной модели критерию «новизна».
На фиг.1 представлена блочная электрическая схема устройства возбуждения магнетрона безэлектродной сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора.
На фиг.2 представлен вариант развернутой электрической схемы устройства возбуждения магнетрона безэлектродной сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора.
На фиг.3 представлены циклограммы, поясняющие принцип работы высокочастотного импульсного модулятора (а), импульсного модулятора (b), совместно импульсного и высокочастотного импульсного модуляторов (с), а также моменты времени генерации СВЧ мощности магнетроном предлагаемого устройства (d).
Представленная на фиг.1 блок схема устройства возбуждения магнетрона безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы прожектора содержит: колбу - 1, которая выполнена из оптически прозрачного материала и наполнена рабочим плазмообразующим составом веществ; СВЧ электродинамическую систему - 2, которая имеет светопрозрачную часть в зоне размещения колбы 1, а также имеет волновод (не обозначен) с закрепленным на одном его конце отражателем (не обозначен), в котором закреплен СВЧ светопрозрачный резонатор (не показан) с колбой 1 внутри; СВЧ генератор - 3, выполненный в виде магнетрона, который закреплен на противоположном от отражателя конце волновода СВЧ электродинамической системы 2; источник напряжения накала катода магнетрона - 4; датчик импульсного тока катода - 5; источник постоянного высокого напряжения - 6; импульсный (высоковольтный) модулятор - 7; детектор амплитуды СВЧ колебаний - 8, встроенный в волновод СВЧ электродинамической системы 2; блок оптимизации напряжения катода - 9; блок оптимизации напряжения накала катода - 10; высокочастотный инвертор питания с ШИР - 11, присоединенный входом к сети; высокочастотный импульсный модулятор - 12; источник регулируемого постоянного напряжения - 13; интеллектуальное устройство управления - 14.
При этом в устройстве на фиг.1 высокочастотный инвертор питания с ШИР 11 одним из силовых выходов присоединен к силовому входу источника постоянного высокого напряжения 6, а другим - к силовому входу источника регулируемого постоянного напряжения 13.
Источник постоянного высокого напряжения 6 одним из трех силовых выходов присоединен к катоду магнетрона и нити накала катода, другим силовым выходом - к импульсному модулятору 7, а третьим - к силовому входу источника напряжения накала катода 4 магнетрона 3, который силовыми выходами присоединен к концам нити накала катода магнетрона 3.
Блок оптимизации напряжения накала катода 10 магнетрона 3 присоединен управляющим входом к соответствующему выходу датчика импульсного тока катода 5, а управляющим выходом - к соответствующему входу источника напряжения накала катода 4 магнетрона 3. При этом датчик импульсного тока катода 5 размещен на цепи связи одного из силовых выходов источника постоянного высокого напряжения 6 с катодом магнетрона 3 и нитью накала катода.
Импульсный модулятор 7 силовым выходом присоединен к соответствующему входу высокочастотного импульсного модулятора 12, силовой выход которого присоединен к заземленному аноду магнетрона 3.
При этом импульсный модулятор 7 управляющим выходом присоединен к соответствующему входу интеллектуального устройства управления 14, один управляющий выход которого присоединен к управляющему входу высокочастотного импульсного модулятора 12, а другой управляющий выход - к соответствующему входу источника регулируемого постоянного напряжения 13, силовой выход которого присоединен к соответствующему входу высокочастотного импульсного модулятора 12.
Кроме того, блок оптимизации напряжения катода 9, соединенный с СВЧ электродинамической системой 2 через детектор амплитуды СВЧ колебаний 8, своим управляющим выходом присоединен к управляющему входу высокочастотного инвертора питания с ШИР 11.
На фиг.2 представлена подробная структурно-принципиальная схема устройства с конкретным вариантом выполнения интеллектуального устройства управления 14, которое в свою очередь может содержать: кодирующий формирователь алгоритма управления частотой повторения импульсов высокочастотной модуляции - 15; формирователь частоты повторения импульсов высокочастотной модуляции - 16 (согласно алгоритму); адаптер - 17, обеспечивающий преобразования импульса модулятора 7 в логический сигнал; схему совпадения «И» - 18 импульса модулятора 7 с кодированным сигналом; развязывающий усилитель импульсов высокочастотной модуляции - 19.
При этом формирователь алгоритма управления частотой повторения импульсов высокочастотной модуляции 15 одним из управляющих (функциональных) выходов присоединен к соответствующему входу формирователя частоты повторения импульсов высокочастотной модуляции 16, а другим - к входу источника регулируемого постоянного напряжения 13.
Схема совпадения «И» 18 одним из управляющих входов присоединена к соответствующему выходу формирователя частоты повторения импульсов высокочастотной модуляции 16, а другим - к выходу адаптера 17, присоединенного управляющим входом к импульсному модулятору 7. При совпадении импульсов от адаптера 17 с импульсами формирователя частоты повторения импульсов высокочастотной модуляции 16 на выходе схемы совпадения «И» 18 формируется логический сигнал, поступающий на управляющий вход усилителя импульсов высокочастотной модуляции 19, выход которого подключается к управляющему входу высокочастотного 9 импульсного модулятора 12. Источником силового напряжения питания высокочастотного импульсного модулятора 12 является источник регулируемого постоянного напряжения 13, управляемый от формирователя алгоритма управления частотой повторения импульсов высокочастотной модуляции 15. Силовое напряжение на источник регулируемого постоянного напряжения 13 поступает от высокочастотного инвертора питания с ШИР 11.
Работу предлагаемого устройства возбуждения магнетрона безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы прожектора будет рассмотрена на конкретном примере реализации устройства, показанной на фиг.2.
Для обеспечения возможности передачи предлагаемым устройством световой информации на большие расстояния с целью управления различными объектами используется дополнительная высокочастотная низковольтная импульсная модуляция, известная как кодово-импульсная модуляция (КИМ). Например, при частоте повторения основной импульсной модуляции 200 Гц от импульсного модулятора 7 при изменении длительности импульсов от 1 мс до 5 мс, частота КИМ может составлять 10-50 кГц.
Для объяснения механизма дополнительной высокочастотной модуляции на фиг.3 приведены циклограммы в функции времени четырех временных зависимостей, отражающих режимы работы основных узлов устройства: а) работа высокочастотного (низковольтного) импульсного модулятора 12; b) работа импульсного модулятора 7 в режиме ШИР; с) временная зависимость результирующего силового напряжения катод-анод магнетрона 3; d) моменты возбуждения автогенерации магнетрона 3, где:
1
3
t, t - фронты импульсного силового напряжения импульсного модулятора 7;
2
4
t, t - срезы импульсного силового напряжения импульсного модулятора 7;
1
T - длительность импульсов возбуждения магнетрона 3 от импульсного модулятора 7;
2
T - период повторения импульсов возбуждения магнетрона 3 от импульсного модулятора 7;
3
Т - период повторения высокочастотных импульсов (может изменяться согласно КИМ) высокочастотного импульсного модулятора 12;
Ul - напряжение высокочастотного импульсного модулятора 12;
dU1 -размах напряжения высокочастотного импульсного модулятора 12;
U2 - оптимальное значение напряжения генерации на магнетроне 3;
U3 - нижнее пороговое значение напряжения генерации на магнетроне 3;
U4 - верхнее пороговое значение напряжения генерации на магнетроне 3;
dU2 - зона допустимого изменения рабочего напряжения при генерации на магнетроне 3;
1
p - выходная импульсная СВЧ мощность магнетрона 3;
Размах импульсов КИМ dU1 (фиг.3с) относительно оптимального значения U2 должен быть на 100-120% больше разницы dU2 величины минимального U3 и максимального U4 напряжения (это сотни вольт), чтобы обеспечивать устойчивый срыв генерации СВЧ колебаний магнетроном 3 как при минимальном, так и при максимальном значениях напряжения на катоде.
Введение в устройство включенных последовательно высоковольтного импульсного модулятора 7 и низковольтного высокочастотного импульсного модулятора 12, соответствующий выход которого присоединен к аноду магнетрона 3, позволит получить импульсное высокочастотное излучение магнетрона 3, что соответственно обеспечивает пачечно-импульсное излучение безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы прожектора по заданному КИМ алгоритму.
При условии обеспечения сравнительно низкого уровня импульсной составляющей силового напряжения высокочастотного импульсного модулятора 12, который управляющим входом, определяющим в основном выходную высокочастотную (а также среднюю) мощность СВЧ генератора 3 (магнетрона), присоединен к импульсному модулятору 7, изменяющегося высокого уровня импульсного силового напряжения, а управляющим выходом - к аноду магнетрона 3, что позволяет манипулировать интенсивностью оптического излучения для обеспечения оптимальной частоты возбуждения СВЧ разряда, соответствующей заданным от интеллектуальной системы управления параметрам КИМ при минимальном потенциале.
Известно, что если напряжение на катоде магнетрона 3 меньше нижнего порогового U3 или выше верхнего порогового U4, то тока катода магнетрона 3 нет, а, соответственно, нет автогенерации. Только при напряжении, находящемся в диапазоне между верхним U4 и нижним U3 значениями, электроны в процессе подлета к аноду отдают энергию электрическому полю, возбуждаемому в объемных резонаторах анода магнетрона 3. В этом случае возникает автогенерация на той частоте, при которой конструктивные параметры анодного резонатора магнетрона 3 имеют максимальную добротность. Поэтому при подаче высокочастотного напряжения по амплитуде перекрывающего нижнее значение U3 обеспечивается генерация высокочастотных импульсов магнетрона 3 в виде пачки. Частота повторения пачек импульсов определяется частотой работы импульсного модулятора 7, а частота импульсов внутри пачки - заданным значением от интеллектуальной системы управления 14 (фиг.3d).
Таким образом, осуществляется формирование пачечно-высокочастотного напряжения, которое по амплитуде больше или меньше нижнего порогового значения напряжения генерации U3 магнетрона 3 (фиг.3d), что приводит к генерации магнетроном 3 СВЧ колебаний в пачечно-высокочастотном режиме.
При наличии напряжения на магнетроне 3 от высоковольтного импульсного модулятора 7 обеспечивается оптимальное значение постоянного силового напряжения U2 (фиг.3b, 3c), а при наличии высокочастотного низковольтного напряжения от высокочастотного импульсного модулятора 12 обеспечивается полное отсутствие автогенерации СВЧ колебаний. Высокочастотное напряжение как бы «вырезает» пачку импульсов из основного импульсного напряжения питания магнетрона 3.
Импульсный модулятор 7 и высокочастотный импульсный модулятор 12 обеспечивают генерации СВЧ колебаний магнетроном 3 в режиме максимально возможного электрического КПД, надежности при одновременном увеличении долговечности, так как длительность работы катода магнетрона 3 меньше при той же длительности импульса от импульсного модулятора 7, следовательно, ресурс катода пропорционально увеличивается.
Устройство (фиг.2) работает следующим образом: в исходном положении все питающие напряжения отсутствуют. При включении сетевого питания начинает работать сетевой высокочастотный инвертор питания с ШИР 11, обеспечивая питающими напряжениями источник напряжения накала катода магнетрона 4, источник постоянного высокого напряжения 6, источник регулируемого постоянного напряжения 13.
Постепенно все устройство выходит на оптимальный температурный режим с помощью блоков терморстабилизации, которые на схеме не показаны. После создания оптимального значения температуры термокатода магнетрона 3, всех источников питания и колбы 1 лампы прожектора начинается процесс установления минимального импульсного силового напряжения для зажигания лампы прожектора с СВЧ возбуждением путем запуска в работу магнетрона 3 без ударных тепловых и электрических нагрузок при минимально возможной длительности импульса от импульсного модулятора 7, при которой начинается устойчивая автогенерация СВЧ колебаний магнетроном 3, при этом напряжение на высокочастотном импульсном модуляторе 12 равно нулю. Далее устанавливается оптимальное напряжение на магнетроне 3 и появляется оптимальный ток магнетрона 3 (начинается автогенерация магнетрона в режиме ШИР). Далее включается в работу интеллектуальное устройство управления 14 и начинает выдавать импульсы управления на высокочастотный импульсный модулятор 12 согласно заданному алгоритму КИМ управления. Исходное напряжение на высокочастотный импульсный модулятор 12 поступает от источника регулируемого постоянного напряжения 13. Амплитуда постоянного напряжения выбирается такой величины, чтобы при появлении высокочастотного сигнала от интеллектуального устройства управления 14 высокочастотным импульсным модулятором 12 осуществлялся синхронный срыв СВЧ колебаний магнетрона 3.
Изменение абсолютного значения импульсной и средней мощности осуществляется путем изменения длительности импульсов силового напряжения импульсного модулятора 7, а работа высокочастотного импульсного модулятора 12 позволяет осуществлять высокочастотную модуляцию автогенерации магнетрона 3 согласно алгоритму КИМ, заданному от интеллектуального устройства управления 14, что приводит к пропорциональному изменению не только импульсной, но и средней мощности возбуждения магнетрона 3.
1
3
2
4
Применение импульсного с крутыми фронтами (t, t) и срезами (t, t) напряжения питания магнетрона 3 прямоугольной формы с малой величиной пульсаций (менее 1%) способствует не только увеличению электрического КПД, но и повышению максимально возможного значения частоты верхней гармоники КИМ.
Для получения максимального электрического КПД магнетрона, одновременно регулируют среднее значение выходной мощности излучения способом известным как широтно-импульсное регулирование (ШИР). Например, при частоте повторения 200 Гц, изменяя длительность высоковольтных импульсов возбуждения основного модулятора от 1 мс до 5 мс, выходная средняя мощность изменяется от 20 до 100% от максимального значения при постоянном значении импульсной мощности. Плавное наращивание средней мощности излучения при включении лампы необходимо не только по допустимым нормам скорости нарастания излучения, но и для исключения перегрузки сети при подключении большого числа одновременно работающих излучателей, или при работе излучателей в режиме не полной нагрузки при плавном регулировании средней мощности, или в случае выхода из строя отдельных излучателей, работающих одновременно с целью удержания постоянства амплитуды излучения в рабочей зоне облучения до времени, когда возможно проведение ремонтных работ по замене вышедшего из строя узла излучателя. А также в случае включения излучателя с СВЧ возбуждением в условиях экстремально низкой температуры для предотвращения повреждений из-за неравномерности прогрева всех элементов до рабочей температуры, обеспечивающей максимальный срок службы и надежность.
Особенно это важно для технологического устройства, каковым является прожекторная установка как источник информационного излучения большой мощности, который длительное время находится в условиях экстремально низких или высоких температур при редком (раз в год) техническом обслуживании, например, в условиях Арктики при внешней среде до минус 60°С или в условиях подводного облучения.
Предлагаемая полезная модель в режиме генерации высокочастотных импульсов в оптическом диапазоне позволяет:
- создать высокоинтенсивные информационные излучающие оптические устройства, которые не боятся сравнительно быстрых перепадов температур и питающих напряжений.
- обеспечить повышение качества работы безэлектродной СВЧ -газоразрядной лампы;
- максимально повысить надежность и долговечность генератора СВЧ колебаний - магнетрона;
- обеспечить энергосбережения за счет оптимального значения электрических характеристик модуляторов катодного питания магнетрона;
- повысить надежность и долговечность устройства возбуждения магнетрона безэлектродной сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора;