ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В МИКРОВОЛНОВОМ ГЕНЕРАТОРЕ
HIGH-VOLTAGE SWITCH AND ITS APPLICATION IN MICROWAVE GENERATOR

Изобретение относится к высоковольтному переключателю, в частности для микроволнового переключателя, согласно родовому понятию пункта 1.
Во многих областях применения, в которых должны коммутироваться высокие напряжения, используются высоковольтные переключатели вышеназванного типа, через которые может разряжаться конденсаторная структура, которая заряжается посредством приложенного высокого напряжения. Если напряжение заряда достигает напряжения пробоя искрового промежутка, электрическая прочность которого зависит, в конечном счете, от применяемого диэлектрика, то происходит поджиг электрической дуги, разрядный промежуток становится проводящим, и энергия, накопленная емкостным способом, может разряжаться.
Примером применения, в котором импульс высокого напряжения должен переключаться с высокой энергией импульса, является микроволновый генератор. Функция такого генератора основывается на том, что источник высокого напряжения, представляющий собой батарею из последовательно включенных конденсаторов, по принципу схемы импульсного напряжения Маркса, разряжается через искровой промежуток высоковольтного переключателя. Такой импульсный процесс разряда приводит к резко нарастающему и сильноосциллирующему протеканию тока и, тем самым, к соответственно широкополосному излучению микроволнового спектра с высокой плотностью энергии, так что вблизи такого микроволнового генератора, по меньшей мере, создаются помехи радиосвязи, а электронная схема, по меньшей мере, со стороны входа может испытывать помехи или даже может быть разрушена.
В качестве источника высокого напряжения может также использоваться источник высокого напряжения, приводимый в действие взрывчатым веществом, который, по сравнению с обычными генераторами высокого напряжения, может вырабатывать единственный импульс высокого напряжения с очень высокой энергией импульса. Выходной импульс, вырабатываемый посредством такого генератора взрывного действия, может обеспечивать заряд, например, емкости 2 нФ до напряжения 1 МВ, что соответствует энергии импульса 1 кДж.
Однако конденсаторные структуры, которые применяются, например, в микроволновых генераторах описанного типа, не в состоянии накапливать подобные высокие энергии промежуточным образом или излучать в виде микроволнового импульса высокой мощности. Хотя было бы возможно повысить емкость конденсатора и, тем самым, емкость излучающей антенны. Однако это приводит к изменению резонансного поведения структуры, резонансная частота снижается, причем одновременно необходимые антенны для обеспечения эффективного излучения должны создаваться с очень большими размерами, что является нежелательным. Другим ограничивающим фактором является электрическая прочность искрового промежутка высоковольтного переключателя, который замыкает накоротко импульсообразующий проводник резонаторной антенны в микроволновом генераторе. Здесь находят применение искровые промежутки с газообразным и жидким диэлектриком, причем поджигающие электроды, с учетом минимально возможных потерь включения, позиционируются по отношению друг к другу на расстоянии примерно 2 мм. Хотя за счет увеличения расстояния между ними можно было бы увеличить электрическую прочность, однако вследствие этого увеличиваются потери, а эффективное излучаемое микроволновое поле не повышается. В качестве альтернативы применению диэлектриков в газообразной и жидкой форме известны также искровые промежутки с твердотельным диэлектриком. Они имеют заметно более высокое напряжение пробоя, чем диэлектрические жидкости или газы высокого давления, то есть напряжение удержания может быть заметно повышено, например, до 1,5-2 МВ. Такие твердотельные разрядные промежутки демонстрируют при пробое очень высокую скорость нарастания тока и, тем самым, малые потери включения. Однако недостатком является разрушение твердотельного диэлектрика при пробое, причем самовосстановление здесь невозможно, в отличие от того, как это имеет место в случае жидких или газообразных диэлектриков. Такие переключатели с твердотельным диэлектриком применимы, следовательно, только для однократного разряда и, следовательно, для однократной генерации импульса. Хотя в таких переключателях с твердотельным диэлектриком можно повысить напряжение удержания для искрового промежутка до МВ-диапазона, однако по вышеперечисленным причинам все-таки невозможно эффективно использовать чрезвычайно высокую импульсную энергию, вырабатываемую, например, генератором высокого напряжения взрывного действия.
Из документа DE 103 13 045 В3 известно переключающее устройство, которое предусмотрено для срабатывания при перенапряжении. Это известное переключающее устройство содержит искровые промежутки, соответственно, с двумя электродами, которые включены параллельно и которые в каждой параллельной ветви снабжены предохранителем, включенным параллельно искровому промежутку. Соответствующий предохранитель при пробое искрового промежутка необратимо разрушается. Соответствующий искровой промежуток может сдержать газообразный диэлектрик.
Компактный высокоэнергетичный микроволновый генератор описан в документе US 5 489 818. Этот известный микроволновый генератор содержит объемный резонатор, который включает в себя два противолежащих электрода, которые с высоким быстродействием приводятся в короткое замыкание, чтобы выработать высокоэнергетичный микроволновый импульс. В объемном резонаторе находится жидкий диэлектрик.
2
2
Из документа US 3 398 322 известен высоковольтный переключатель, который содержит зазор, в котором имеется газообразный диэлектрик, например, воздух, N или SF, или жидкий диэлектрик, например масляный диэлектрик или твердый диэлектрик, например полиэтилен или майлар.
В документе DE 35 87 679 Т2 описан предохранитель с предохранительным элементом, который располагается между двумя выводами в корпусе и имеет, по меньшей мере, два параллельно включенных проводника и, по меньшей мере, одну сердцевину из изоляционного материала. При этом один проводник может представлять собой стекловолокно, а другой проводник - медный провод. Медный провод может иметь диаметр, например, равный 25 мкм или 50 мкм. Диаметр соответствующего медного провода и комбинация медных проводов со стекловолокном зависит от номинального тока предохранителя и от желательного режима срабатывания предохранителя.
В основе изобретения лежит задача создания высоковольтного переключателя с искровым промежутком вышеназванного типа, который можно использовать повсюду, где должна коммутироваться высокая энергия, а не ограничиваться только микроволновым генератором и в связи с ним.
Эта задача решается в соответствии с изобретением признаками пункта 1. Предпочтительные варианты выполнения соответствующего изобретению высоковольтного переключателя приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Через параллельно включенные искровые промежутки возможен многократный разряд емкости и, тем самым, разделение полной энергии, обеспечиваемой источником высокого напряжения одиночного импульса, на несколько импульсов. Из нескольких параллельно включенных искровых промежутков при достижении специфического для промежутка напряжения пробоя, сначала поджигается «слабейший» искровой промежуток, и возникает первый частичный разряд. Ввиду предохранителя, включенного последовательно с соответствующим искровым промежутком, который при пробое необратимо разрушается, предотвращается то, что при дальнейшем заряде емкости формирующего импульс проводника может повторно произойти пробой этого искрового промежутка, который мог бы осуществляться при существенно более низком напряжении, после того как электрическая прочность, ввиду непосредственно предшествующего поджига, больше не соответствует первоначальной. Более того, можно соответствующую емкость заряжать до такой степени, пока напряжение удерживания не достигнет величины, соответствующей электрической прочности следующего «более слабого» искрового промежутка, так что он поджигается, но при этом, ввиду перегорания при поджиге предохранителя, непосредственно благодаря этому разъединяется. Таким способом может быть реализован квази-каскадный разряд в форме нескольких частичных импульсов, так что высокая энергия, обеспеченная источником напряжения, может быть эффективным образом использована в форме нескольких отдельных импульсов.
Соответствующий разрядный промежуток соответствующего изобретению высоковольтного переключателя может содержать в качестве диэлектрика жидкую или газообразную среду. Хотя подобные диэлектрики проявляют свойство самовосстановления, однако процесс самовосстановления с учетом скорости заряда конденсаторной структуры является относительно медленным процессом. Это означает, что сформированный при предыдущем пробое ионизированный канал еще не полностью аннулируется, когда напряжение заряда вновь достигает пониженной вследствие повторной ионизации электрической прочности уже сработавшего искрового промежутка. Это могло бы привести к существенно более раннему, неконтролируемому второму пробою. Однако вследствие необратимо разрушенного предохранителя, он более невозможен, но может свободно выполняться на втором искровом промежутке. Таким образом, второй процесс разряда может проходить существенно быстрее, чем это было бы возможно в случае искровых промежутков с жидкими или газообразными диэлектриками без использования соответствующего изобретению предохранителя.
В качестве альтернативы подобным диэлектрикам искровой промежуток может, разумеется, по меньшей мере, частично состоять из твердотельного диэлектрика, например эпоксидной смолы. Чтобы реализовать дискретные, четко определенные искровые промежутки, целесообразно, если каждый искровой промежуток образован посредством двух дискретных электродов, то есть напротив каждого электрода, защищенного предохранителем, расположен второй дискретный электрод.
С точки зрения технической реализации целесообразно, если предусмотрен изоляционный держатель с несколькими отдельными друг от друга каналами, в которых позиционированы, соответственно, один электрод, предпочтительно оба электрода и предохранитель. Этот изоляционный держатель, который, например, при применении твердотельного диэлектрика, изготовлен из того же материала, при необходимости, с диэлектриком каналов как единое целое, содержит несколько отдельных каналов, которые содержат искровые промежутки или определяют их. В каналах размещен, соответственно, по меньшей мере, первый электрод. Предпочтительным образом, изоляционный держатель продолжается между пластинами конденсатора, между которыми должен происходить пробой, так что предпочтительным образом, все электроды, а также предохранители позиционированы в каналах, причем соответствующие каналы предпочтительным образом по всей длине отделены друг от друга.
В качестве предохранителя может применяться, например, проволочный предохранитель, в частности медная проволока, которая имеет диаметр ≤100 мкм, в частности, от 5 мкм до 25 мкм, и длину ≤15 см, в частности, от 5 см до 10 см. С учетом того, что через предохранитель выдается только один единственный импульс напряжения, и протекает очень кратковременный ток разряда, можно применять такую тонкую проволоку. Предохранитель должен рассчитываться таким образом, чтобы перегорание примерно совпадало с желательным процессом разряда.
Как описано выше, соответствующий изобретению высоковольтный переключатель обеспечивает возможность каскадирования зависящих от напряжения моментов времени пробоя. Эти различные моменты времени пробоя могут вытекать из допусков на изготовление, так как, естественным образом, искровые промежутки по своей электрической прочности не могут быть все выполнены абсолютно одинаковыми. В этом случае последовательность поджига была бы, по крайней мере, случайной. Для того чтобы иметь возможность устанавливать определенным образом последовательность поджига и, тем самым, разумеется, соответствующие электрические прочности, зависящие от искрового промежутка, в варианте осуществления изобретения предусматривается, что для каскадирования моментов времени пробоя, расстояния между электродами соответствующих искровых промежутков выполняются различными, или, при применении твердотельных диэлектриков, толщина диэлектриков в зоне между электродами выбирается различной. Согласно этому варианту осуществления изобретения обеспечивается конструктивное влияние на процесс поджига.
Сами искровые промежутки могут предусматриваться в линейной или кольцевой конфигурации, в зависимости от того, каким образом выполнена сама конденсаторная структура.
Соответствующий изобретению высоковольтный переключатель может найти применение в микроволновом генераторе, который имеет, по меньшей мере, один накопитель заряда, который соединен последовательно с соответствующим высоковольтным переключателем, причем накопитель заряда может разряжаться через соответствующий высоковольтный переключатель для излучения микроволн.
Изобретение далее детально описывается на примерах осуществления со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее:
фиг. 1 - схематичное представление микроволнового генератора, соответствующего изобретению;
фиг. 2 - схематичное представление высоковольтного переключателя, соответствующего изобретению;
фиг. 3 - представление изменения во времени напряжения и излучаемых микроволновых импульсов при применении высоковольтного переключателя, соответствующего изобретению, в микроволновом генераторе;
фиг. 4 - схематичное представление второго варианта осуществления высоковольтного переключателя, соответствующего изобретению, и
фиг. 5 - схематичное представление третьего варианта осуществления высоковольтного переключателя, соответствующего изобретению.
На фиг. 1 показано иллюстративное схематичное представление микроволнового генератора 1, соответствующего изобретению, состоящего из полого цилиндрического корпуса 2 из электрически изолирующего материала. В нем предусмотрено два электрода 3, 4, причем электрод 3 выполнен цилиндрическим, по существу, в форме стакана, в то время как электрод 4 имеет форму полого сферического сегмента. Электрод 4 представляет в известной мере выпуклое основание в остальном выпуклого, бутылкообразного электрода внутри окружающего его электрода в форме стакана. Сужение 5 в форме горлышка бутылки примыкает к узкому основанию излучателя 6 в форме остроугольного полого усеченного конуса, который, вследствие этой воронкообразной формы, действует также как преобразователь импедансов для режима излучения совокупности высоких частот, когда оба электрода 3, 4 замыкаются накоротко высоковольтным переключателем 7 для осуществления разряда. Вся структура является осесимметричной. Электроды 3, 4 образуют конденсаторную структуру и, тем самым, накопитель заряда, который может заряжаться от источника 8 высокого напряжения. Источник 8 высокого напряжения, который может представлять собой, например, генератор высокого напряжения взрывного действия, связан через выключатель 9 с электродом 3, который при замыкании выключателя 9 заряжается. Если напряжение заряда достигает электрической прочности предусмотренного в высоковольтном переключателе 7 искрового промежутка, то последний пробивается, что приводит к поджигу и, следовательно, к короткому замыканию электродов 3, 4, за счет чего, ввиду процесса разряда накопителя заряда, то есть электрода 3, генерируются сильноосциллирующие токи короткого замыкания, и излучатель 6, то есть антенна излучает микроволновый импульс.
Так как источник 8 высокого напряжения, в частности, в форме генератора взрывного действия, выдает больше энергии, чем может излучаться посредством излучателя 6, используется высоковольтный переключатель 7, выполненный в соответствии с изобретением, как он показан для примера на фиг. 2. Показанный на фиг. 2 высоковольтный переключатель 7 содержит изоляционный держатель 10, в котором предусмотрено множество каналов 11, в которых выполнены искровые промежутки 12. В каждом канале 11 предусмотрен первый электрод 13, который через предохранитель 14 в форме проволоки связан с электродом 15, например электродом 3, показанным на фиг. 1. Напротив электрода 13 в форме полусферического сегмента на противоположном электроде 16, который соответствует, например, электроду 4 на фиг. 1, расположен, соответственно, второй электрод 17, также в форме полусферического сегмента. Между ними обоими находится искровой промежуток, 12, который заполнен диэлектриком. В показанной на фиг. 2 форме выполнения предусмотрен твердотельный диэлектрик 18, который может быть изготовлен, например, как единое целое с изоляционным держателем 10 и из того же материала, например из эпоксидной смолы. Остальное пространство в соответствующем канале 11 может быть заполнено, например, изолирующим газом.
Электрическая прочность соответствующего искрового промежутка 12 определяется электрической прочностью соответствующего диэлектрика 18. Если теперь электрод 15, или, как следует из фиг. 1, электрод 3 заряжается, то аналогичным образом заряжаются и электроды 13. Между этими электродами 13 и вторым противолежащими электродами 17, которые заземлены, образуется разность потенциалов. Если напряжение заряда достигает напряжения пробоя того искрового промежутка 12, который имеет самую низкую электрическую прочность, то этот искровой промежуток пробивается первым. Исходя из фиг. 2, можно предположить, что на этом чертеже показанный слева искровой промежуток 12 является самым «слабым» искровым промежутком, что, может объясняться, например, допусками на изготовление, или обеспечением соответствующего изменения расстояния между электродами 13 и 17 на соответствующих искровых промежутках, или путем варьирования диаметра твердотельного диэлектрика 18. В случае пробоя электрическая дуга поджигается между обоими электродами 13 и 17 левого искрового промежутка 12, что приводит к разряду конденсаторной структуры и, тем самым, к вводу мощного тока короткого замыкания в электрод 16, который связан с микроволновым излучателем, который затем излучает микроволновое излучение.
Во время пробоя предохранитель 14 необратимо разрушается, то есть проволочный предохранитель разрушается, поэтому электрод 13 больше не связан с электродом 15. Остальные искровые промежутки 12 остаются неповрежденными, так как они не поджигаются. При дальнейшем заряде емкости, образованной проводником формирования импульсов, примыкающим к электроду 15, ввиду разрушения предохранителя 14 уже сработавшего искрового промежутка 12, последний больше не может приводиться в действие. Однако второй пробой возможен через один из оставшихся искровых промежутков 12, а именно, через тот, который имеет следующую по величине электрическую прочность. Если теперь в показанном примере выполнения пробивается средний искровой промежуток 12, то и в этом случае в результате выполняется разряд емкости и излучение микроволнового импульса, но одновременно и здесь предохранитель 14 необратимо разрушается. При последующем заряде может затем произойти следующий пробой через третий искровой промежуток 12, причем, разумеется, может иметься более чем три показанных искровых промежутка.
Таким образом, с применением соответствующего изобретению переключателя осуществляется многократный заряд и разряд емкости и излучение нескольких микроволновых импульсов, то есть один единственный высокоэнергетичный выходной импульс одноимпульсного источника высокого напряжения разлагается на несколько частичных импульсов, что реализуется только за счет режима переключения высоковольтного переключателя 7.
На фиг. 3 показаны графики изменения во времени напряжения и импульса в форме трех диаграмм, которые, однако, в качестве принципиального графика не представляют действительных уровней напряжения и соотношения между напряжениями. Верхний график иллюстрирует изменение во времени напряжения высоковольтного источника однократного действия, такого как высоковольтный генератор взрывного действия, на большой нагрузочной емкости. Напряжение и, тем самым, энергия передается в форме одного единственного импульса. Средний график иллюстрирует соотношения для напряжений на заряженной конденсаторной структуре. Можно видеть, что она сначала быстро заряжается, до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигнет предела электрической прочности первого искрового промежутка, что выражается резко падающим напряжением на конденсаторе. Одновременно это приводит, как показано на нижнем графике, к излучению сформированного вследствие разряда импульса микроволнового излучения. Непосредственно после разряда следует повторный заряд, так как выдаваемый высоковольтным источником импульс напряжения по-прежнему приложен. При достижении напряжения пробоя второго искрового промежутка, вновь происходит пробой второго искрового промежутка и разряд, а также излучение второго микроволнового импульса, и т.д. Это происходит до тех пор, пока либо высоковольтный источник больше не заряжает конденсаторную структуру, либо все искровые промежутки сработали, и, вследствие этого, больше не возможен никакой пробой.
На фиг. 4 схематично представлен другой вариант выполнения высоковольтного переключателя 7а, в котором электроды 13а, 17а, а также предохранители 14а полностью залиты в изолирующий материал, который одновременно образует диэлектрик для искровых промежутков 12а. Принцип функционирования, однако, тот же, что и описанный выше для высоковольтного переключателя 7 со ссылкой на фиг. 2.
В отличие от этого, третья форма выполнения соответствующего изобретению высоковольтного переключателя показана на фиг. 7b. Он соответствует, по существу, высоковольтному переключателю 7, показанному на фиг. 2, однако здесь используется не твердотельный диэлектрик, а исключительно газообразный диэлектрик 18b в искровом промежутке 12b. Также возможно применение жидкого диэлектрика. Хотя эти диэлектрики проявляют свойство самовосстановления и, тем самым, возможность повторного достижения электрической прочности после произошедшего пробоя, однако второй поджиг, ввиду разрушения соответствующего предохранителя 14b, невозможен. Однако так как в распоряжении имеются другие искровые промежутки 12b, может осуществляться существенно более быстродействующее последующее срабатывание.
Как описано выше, использование соответствующего изобретению высоковольтного переключателя не ограничивается областью микроволновых генераторов. Напротив, соответствующие изобретению высоковольтные переключатели могут применяться повсюду в тех случаях, где необходима коммутация высокоэнергетичных импульсов, в частности однократных импульсов, например, в области управления и генерации лазерных импульсов.