ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
IMPULSE VOLTAGE GENERATOR

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, предназначено для генерирования импульсов высокого напряжения. В частности, предлагаемый импульсный трансформатор может быть использован для формирования высоковольтного импульса, подаваемого на излучающую импульсную антенну.
Для формирования в нагрузке высоковольтного импульсного напряжения известны и широко распространены импульсные трансформаторы. В частности, в SU 892484, 1980 г. описан импульсный трансформатор, который содержит первичную обмотку, состоящую из нескольких гальванически не связанных секций, размещенных на цилиндрическом каркасе из изолирующего материала, и вторичную обмотку. При одновременной подаче на секции первичной обмотки импульсов напряжения на вторичной обмотке возникает импульс с напряжением, увеличенным на коэффициент трансформации. При этом напряжение во вторичной цепи пропорцонально напряжению, подаваемому от внешнего источника электрической энергии. Накопление энергии для импульса не предусматривается.
Для предварительного накопления энергии, подаваемой от внешнего источника, могут быть использованы конденсаторы. Так, в патенте RU 2167491, 1999 г. первичная обмотка выполнена из нескольких параллельных ветвей, к каждой из которых присоединены накопительные конденсаторы. От внешнего источника производят заряд накопительных конденсаторов всех ветвей первичной обмотки. При срабатывании коммутатора накопительные конденсаторы разряжаются через ветви первичной обмотки и индуцируют импульс напряжения во вторичной цепи. Недостаток - ограничение на возможность накопления энергии в конденсаторе. Увеличение накапливаемой электрической энергии за счет увеличения электрического напряжения на накопительном конденсаторе ограничено электрической прочностью конструкции. Увеличение накапливаемой электрической энергии за счет увеличения емкости конденсатора и электрической прочности конструкции приведет к увеличению индуктивности конструкции и растягиванию времени разряда накопительного конденсатора, что в конечном итоге приведет к снижению эффективности устройства.
Известным устройством формирования импульсов напряжения является генератор, выполненный по схеме Маркса. Частный случай такого генератора предложен в патенте RU 2300167, 2007 г. Этот патент принят за прототип. Генератор по этому патенту содержит последовательно соединенные через разрядные промежутки емкости. Зарядка емкостей до требуемого высокого напряжения осуществляется за счет механической нагрузки подсоединенных параллельно к каждой емкости сегнетоэлектрических элементов. После зарядки емкостей до требуемого высокого напряжения происходит пробой разрядных промежутков и формируется высоковольтный импульс в нагрузке, имеющей гальваническую связь с цепью емкостей.
Недостатком указанного устройства является то, что в разрядную цепь с нагрузкой включаются разрядные промежутки, имеющие существенно нелинейные характеристики.
В общем случае электрическое сопротивление разрядного промежутка существенным образом зависит от предыстории протекания через него электрического заряда. Из существенной нелинейности устройства вытекают проблемы согласования его с некоторыми видами нагрузок. Уменьшить влияние нелинейности на разрядное устройство, оставаясь в рамках прототипа, не представляется возможным, поскольку нелинейность является существенным свойством входящих в прототип разрядных промежутков.
Для устранения указанного недостатка в заявляемом устройстве, содержащем емкости, соединенные между собой в последовательную разрядную электрическую цепь через разрядные промежутки по схеме Маркса, указанная разрядная электрическая цепь выполнена короткозамкнутой и образует первичный виток импульсного трансформатора. При этом вторичная обмотка импульсного трансформатора, гальванически связанная с нагрузкой, представляет собой один или несколько витков проводника, имеющих магнитное сцепление с первичным витком импульсного трансформатора.
В частном исполнении для повышения эффективности передачи энергии от первичного витка ко вторичной обмотке емкости конденсаторов первичного витка и количество витков вторичной обмотки могут согласовываться с параметрами нагрузки таким образом, чтобы основная собственная частота первичного витка совпадала с собственной частотой вторичной обмотки с подсоединенной к ней нагрузкой.
Для формирования импульса с уменьшенной длительностью емкости, соединенные между собой в последовательную разрядную электрическую цепь через разрядные промежутки по схеме Маркса, могут располагаются в два ряда вдоль параллельных линий, при этом в каждом ряду содержится одинаковое число емкостей, а вторичная обмотка имеет единственный виток, охватывающий первичный виток и подсоединенный к нагрузке.
Один из разрядных промежутков, соединяющих два ряда емкостей, может являться управляемым или имеет меньшую электрическую прочность по сравнению с другими разрядными промежутками. Срабатывает этот разрядный промежуток раньше всех других разрядных промежутков. При этом подсоединение вторичной обмотки, имеющей единственный виток, к нагрузке осуществляется со стороны другого разрядного промежутка, соединяющего два ряда емкостей.
На Фиг.1 приведено схематичное изображение заявляемого генератора импульсного напряжения. На Фиг.2 приведена схема импульсного генератора напряжения, в котором емкости расположены двумя параллельными рядами, и между ними имеется управляемый разрядный промежуток. На Фиг.3 приведена осциллограмма напряжения, снятая с нагрузки при функционировании заявляемого генератора импульсного напряжения.
На Фиг.1 конденсаторы 1 соединены через разрядные промежутки 2 в замкнутую электрическую цепь, которая образует первичный трансформаторный виток. Вторичная обмотка 3 охватывает первичный виток и имеет с ним магнитное сцепление. Вторичная обмотка 3 имеет один или несколько витков и имеет гальваническое соединение с нагрузкой 4.
Емкости могут быть смонтированы, как показано на Фиг.2, в два параллельных ряда 5 и 6, содержащих равное число емкостей. Ряды емкостей соединены между собой через разрядные промежутки 7 и 8, из которых разрядный промежуток 7 является управляемым. Вторичная обмотка 3, соединенная с нагрузкой 4, в этом случае имеет единственный виток. Между рядами емкостей монтируется электрический изолятор 9.
На Фиг.2. также показана одна из возможных схем зарядки емкостей, соединенных в схему Маркса. Одна из обкладок каждого конденсатора через резисторы 10 соединена с источником 11 высокого напряжения. Соответственно другая обкладка каждого конденсатора через резисторы 12 соединена с заземлением 13.
Устройство работает следующим образом. Предварительно от стороннего источника 11 высокого напряжения через последовательно соединенные резисторы 10 подается высокое напряжение на одну из обкладок каждого конденсатора 1. При этом другая обкладка каждого конденсатора через цепочку последовательно соединенных резисторов 12 связана с заземлением 13. Указанная выше схема зарядки конденсаторов, соединенных по схеме Маркса, является общеизвестной. Кроме указанной выше схемы зарядки конденсаторов, могут использоваться и другие известные схемы зарядки конденсаторов, соединенных по схеме Маркса.
После зарядки всех конденсаторов 1 до заданного высокого напряжения происходит срабатывание разрядных промежутков 2 и конденсаторы соединяются в короткозамкнутую электрическую цепь. Как показано стрелками на Фиг.1, заряд перетекает между соседними обкладками конденсаторов через электропроводящую искровую плазму разрядных промежутков. Совокупность токов между соседними обкладками конденсаторов образует кольцевой ток в замкнутой цепи емкостей. Электрический ток разряда короткозамкнутой цепи емкостей формирует импульсное магнитное поле первичного трансформаторного витка. Это магнитное поле в свою очередь будет индуцировать переменную электродвижущую силу во вторичной электрической цепи трансформатора 3, которая имеет гальваническую связь с нагрузкой 4.
При подборе емкости конденсаторов 1 первичного витка и количества витков вторичной обмотки 3 таким образом, чтобы основная собственная частота первичного витка совпадала с собственной частотой вторичной обмотки, соединенной с нагрузкой, эффективность передачи электромагнитной энергии в нагрузку будет максимальной, как в известном трансформаторе Тесла.
Для формирования короткого импульса в нагрузке емкости могут быть соединены в два параллельных ряда, как показано на Фиг.2. Раньше других происходит срабатывание разрядного промежутка 7. Для этого он выполняется с электрической прочностью, меньшей, чем у остальных промежутков. Или этот промежуток выполняется управляемым, и его срабатывание определяется подачей на него управляющего напряжения. Конструкции управляемых разрядных промежутков являются общеизвестными.
После срабатывания разрядного промежутка 7 происходит последовательное срабатывание разрядных промежутков от разрядного промежутка 7 к разрядному промежутку 8 вдоль рядов емкостей 5 и 6. При этом вдоль рядов емкостей 5 и 6 от разрядного промежутка 7 к разрядному промежутку 8, как по двухпроводной линии, будет распространяться электромагнитная волна. В этом варианте исполнения генератора импульсного напряжения вторичная обмотка 3 имеет единственный виток, который охватывает первичный виток из конденсаторов. Электромагнитная волна, распространяющаяся вдоль рядов конденсаторов 5 и 6, индуцирует в витке вторичной обмотки электромагнитную волну, распространяющуюся в сторону нагрузки.
На выходе из рассматриваемого генератора импульсного напряжения электромагнитный импульс может быть обострен известными методами. Типичной нагрузкой для рассматриваемого устройства могут являться полосковые линии и импульсные антенны.
В испытанном варианте генератора конденсаторы монтировались в разъемной диэлектрической кассете в два ряда. Между рядами конденсаторов имелась изолирующая перегородка. Конденсаторы соединялись последовательно в замкнутую электрическую цепь через разрядные промежутки. Между крайними конденсаторами рядов на одном из торцов кассеты устанавливался управляемый разрядник. В каждом ряду было установлено по 12 керамических конденсаторов, имеющих емкость по 1000 пФ каждый. Таким образом, общая начальная емкость конденсаторов генератора импульсного напряжения составляла 24000 пФ.
Перед формированием импульса проводилась зарядка всех конденсаторов до начального напряжения 18 кВ от внешнего источника. Зарядка проводилась через последовательную цепь резисторов, которые крепились к внешней поверхности кассеты пластмассовыми хомутами и заливались эпоксидным компаундом. Диэлектрическая кассета с конденсаторами помещалась внутри петли токопроводящей медной ленты. С одного из торцов кассеты концы этой ленты имели гальваническую связь с нагрузкой. Медная лента обертывалась фторопластовой пленкой и плотно прижималась к внешней поверхности корпуса кассеты пластмассовыми хомутами. В корпусе кассеты напротив разрядных промежутков были выполнены отверстия, через которые разрядные промежутки продувались азотом при примерно атмосферном давлении. На Фиг.3 изображена зависимость напряжения от времени, измеренная на нагрузке с омическим сопротивлением 300 Ом и индуктивностью 11 мкГн.