ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ
PULSE GENERATOR

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования высоковольтных импульсов.
Для формирования высоковольтных импульсов используется способность полупроводниковых приборов (диодов) к накоплению электрического заряда и восстановления непроводящего состояния при отсутствии накопленного заряда.
Известен генератор мощных наносекундных импульсов, включающий ключи, индуктивные накопители, конденсаторы, диод (см. патент RU №1487774, H03K 3/53, 1994).
Недостатком известного устройства является сложность реализации, связанная с большим количеством элементов.
Известен также генератор высоковольтных импульсов, включающий диод, анод которого подключен к земле, а катод подключен к индуктивному накопителю энергии, последовательно соединенному с конденсатором, а также ключ и нагрузку (см. патент US №7901930, H03K 3/00, 2011).
Недостатком известного устройства являются потери мощности в зарядной цепи.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является генератор импульсов напряжения, содержащий ключ, диод, первый резонансный контур, второй резонансный контур, при этом каждый из контуров содержит конденсатор и индуктивный накопитель энергии (см. патент US №8115343, H03K 3/02, 2012).
Генератор импульсов выполнен с возможностью генерирования, по меньшей мере, одного импульса, имеющего длину не более 100 наносекунд и амплитуду, по меньшей мере, 1 кВ.
Недостатком известного устройства является то, что после завершения рабочего цикла ток начинает протекать через нагрузку, конденсаторы и ключ, которые могут обладать значительными паразитными индуктивностями, сопротивлениями и емкостями относительно земли, а также друг относительно друга.
Это приводит к потерям энергии, что сказывается на выходных параметрах устройства, а именно амплитуде выходных импульсов.
Технический результат заявляемого решения заключается в уменьшении потерь мощности в резонансном контуре и увеличении амплитуды выходного импульса.
Для достижения указанного технического результата в генераторе импульсов, включающем диод, выполненный с возможностью резкого восстановления и подключенный к земле, ключ, первый и второй конденсаторы, первую и вторую индуктивности, образующие резонансный контур, в котором ключ одним выводом соединен с землей, а другим выводом - с первым конденсатором, соединенным другим выводом со вторым конденсатором, при этом к точке соединения конденсаторов подключена одним выводом первая индуктивностью, соединенная другим выводом с землей, причем второй конденсатор соединен другим выводом со второй индуктивностью, а нагрузка подключена параллельно диоду, согласно изобретению в него введено, по крайней мере, одно LC-звено, состоящее из индуктивного накопителя и конденсатора, при этом индуктивный накопитель LC-звена одним выводом соединен с нагрузкой и к точке их соединения подключен диод, а другим выводом индуктивный накопитель LC-звена соединен со второй индуктивностью и к точке их соединения одним выводом подключен конденсатор LC-звена, соединенный другим выводом с землей.
Также, согласно изобретению величины емкостей конденсаторов связаны соотношением:
,
где С1 - емкость первого конденсатора;
С2 - емкость второго конденсатора;
С - емкость конденсатора LC-звена.
Также, согласно изобретению величины индуктивностей связаны соотношением:
,
где L1 - первая индуктивность;
L2 - вторая индуктивность;
L - индуктивный накопитель LC-звена.
Также, согласно изобретению при наличии нескольких LC-звеньев индуктивные накопители предыдущего и последующего LC-звеньев соединены между собой, а к точке их соединения подключен конденсатор последующего LC-звена.
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 представлены временные графики напряжения, при этом линия 1 - напряжение на первом конденсаторе, линия 2 - напряжение на втором конденсаторе, линия 3 - напряжение на конденсаторе LC-звена; на фиг. 3 представлены временные графики токов, при этом линия 1 - ток, протекающий через ключ, линия 2 - ток, протекающий через диод и индуктивный накопитель.
На чертеже 1 использованы следующие позиции: 1 - первый конденсатор; 2 - второй конденсатор; 3 - первая индуктивность; 4 - вторая индуктивность; 5 - ключ; 6 - диод; 7 - нагрузка; 8 - индуктивный накопитель LC-звена; 9 - конденсатор LC-звена.
Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.
Устройство включает первый конденсатор 1 и второй конденсатор 2, первую индуктивность 3 и вторую индуктивность 4, ключ 5, диод 6 с резким восстановлением запирающих свойств (далее - диод) и нагрузку 7.
Элементы генератора импульсов, а именно ключ 5, конденсаторы 1 и 2, индуктивность 2, нагрузка 7 соединены последовательно. При этом ключ 5 одним выводом соединен с землей, а другим выводом для данного примера конкретного выполнения соединен с положительно заряженной обкладкой первого конденсатора 1.
Первый конденсатор 1 другим своим выводом соединен со вторым конденсатором 2, при этом к точке соединения конденсаторов 1 и 2 подключена одним выводом первая индуктивность 3, соединенная другим выводом с землей.
Второй конденсатор 2 соединен другим выводом со второй индуктивностью 4, а нагрузка 6 подключена параллельно диоду 6.
В качестве индуктивностей 3 и 4 может использоваться индуктивность без сердечника, индуктивность с сердечником, обмотка трансформатора, коаксиальная линия, искусственная формирующая линия с постоянным или переменным импедансом, полосковая линия, паразитная индуктивность других элементов схемы, проводник, состоящий из проводящей плазмы в среде газа или жидкости.
В нашем примере конкретного выполнения использована индуктивность без сердечника.
Заявляемый генератор импульсов также содержит, по крайней мере, одно LC-звено, которое включает индуктивный накопитель 8 и конденсатор 9.
Для нашего примера конкретного исполнения в функциональную схему генератора введено одно LC-звено.
Элементы генератора импульсов, а именно конденсаторы 1 и 2, индуктивности 3 и 4, а также LC-звено образуют управляемый резонансный контур, обеспечивающий накопление (накачку) заряда в диоде 6 с последующим расходованием (откачка) заряда.
При этом индуктивный накопитель 8 LC-звена одним выводом соединен с нагрузкой 7 и к точке их соединения катодом подключен диод 6, а другим выводом индуктивный накопитель 8 LC-звена соединен со второй индуктивностью 4 и к точке их соединения одним выводом подключен конденсатор 9 LC-звена, соединенный другим выводом с землей.
В другом варианте конкретного исполнения ключ 5 может быть подключен к отрицательно заряженной обкладке первого конденсатора 1 с целью формирования выходного импульса отрицательной полярности. При этом диод 6 к земле будет подключен катодом, а анодом - к точке соединения индуктивного накопителя 8 LC-звена и нагрузки 7.
Устройство работает следующим образом.
+
-
В начальный момент времени рабочего цикла при t=0 энергия содержится только в первом конденсаторе 1 (фиг. 2). Параметры резонансного контура таковы, что к моменту полного расхода заряда диода 6 (конец рабочего цикла t=Tend, Q=Q) начальная энергия первого конденсатора 1 переходит в индуктивный накопитель 8 LC-звена (фиг. 2, фиг. 3 линия 2).
При этом из-за полного расходования заряда происходит восстановление диода 6 (фиг. 3), вследствие этого ток индуктивного накопителя 8 LC-звена начинает протекать через нагрузку 7, формируя на ней напряжение импульса.
К моменту времени t=0 первый конденсатор 1 заряжен. Напряжение на втором конденсаторе 2 и конденсаторе 9 LC-звена равно нулю (фиг. 2), токи через первую 3, вторую 4 индуктивности и индуктивный накопитель 8 LC-звена равны нулю (фиг. 3).
В момент времени t=0 вследствие замыкания ключа 5 начинается процесс протекания токов и перераспределения энергии в управляемом резонансном контуре, то есть в первом и втором конденсаторах 1 и 2, первой и второй индуктивностях 3 и 4, а также в LC-звене (фиг. 2, фиг. 3 линия 2).
При этом заряд в диоде 6 сначала накапливается, затем выкачивается по мере протекания тока через индуктивный накопитель 8 LC-звена и диод 6 (фиг. 3 линия 2).
Поскольку диод 6 до конца рабочего цикла (до полного вывода накопленного заряда) сохраняет проводимость много большую, чем нагрузка 7, ток через нагрузку 7 не протекает (фиг. 1).
Рабочий цикл генератора импульсов состоит из двух периодов:
- период накопления заряда в диоде 6 (накачка);
- период вывода заряда из диода 6 (откачка).
За время накачки в диоде D накапливается заряд
.
За время откачки из диода 6 выводится заряд
+
, равный заряду Q.
-
+
Момент времени, когда выполняется условие равенства накопленного и отданного заряда в диоде 6, а именно Q=Q, является концом рабочего цикла генератора импульсов, так как в этот момент времени в диоде 6 начинается процесс резкого восстановления, то есть процесс прерывания тока через диод 6.
Расчетами установлено, что для формирования режима накачки и откачки заряда в диоде 6, при котором к концу рабочего цикла энергия первого конденсатора 1 полностью передается в индуктивный накопитель 8 LC-звена, необходимо обеспечить определенные соотношения величин следующих элементов: первого конденсатора 1, второго конденсатора 2 и конденсатором 9 LC-звена.
То есть, если за 1 принимаем емкость первого конденсатора 1, то необходимо выполнение первого условия:
,
где С1 - емкость первого конденсатора 1;
С2 - емкость второго конденсатора 2;
С - емкость конденсатора 9 LC-звена.
А также, если за 1 принимаем величину первой индуктивности 3, то необходимо выполнение второго условия:
,
где L1 - величина первой индуктивности 3;
L2 - величина второй индуктивности 4;
L - величина индуктивного накопителя 8 LC-звена.
В момент t=Tend происходит восстановление непроводящего состояния диода 6 и ток индуктивного накопителя 8 LC-звена замыкается через нагрузку 7, а также через конденсатор 9 LC-звена.
Ток индуктивного накопителя 8 LC-звена после восстановления диода 6 протекает через нагрузку 7 и конденсатор 9 LC-звена, в результате этого во время протекания тока через нагрузку 7 паразитные параметры элементов генератора импульсов, а именно ключа 5, первого и второго конденсаторов 1 и 2, первой и второй индуктивностей 3 и 4, не оказывают влияния на выходные параметры схемы (амплитуду выходного импульса).
Приводим численный пример конкретного выполнения указанных выше двух условий:
величина емкости первого конденсатора С1 - 10 нФ;
величина емкости второго конденсатора С2 - 23,1 нФ;
величина емкости конденсатора С LC-звена - 14,4 нФ;
величина индуктивного накопителя L LC-звена - 200 нГ;
величина первой индуктивности L1 - 751 нГ;
величина второй индуктивности L2 - 469 нГ.
Таким образом,
и также
При данной конфигурации схемы длина рабочего цикла составляет 304 нс, при начальном напряжении на первом конденсаторе С1 1000 В максимальный рабочий ток индуктивного накопителя L - 224 А. При этих условиях на нагрузке величиной 50 Ом возможно получение высоковольтного наносекундного импульса с напряжением до 11 кВ и полушириной 4-5 нс.
Заявляемое изобретение также позволяет уменьшить максимальный рабочий ток, проходящий через ключ, по сравнению с прототипом на 40%, вследствие этого можно применять более простые и надежные в работе конструкции ключа.