ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
HIGH-VOLTAGE PULSE GENERATOR

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и предназначено для генерирования импульсов высокого напряжения с коротким фронтом.
Изобретение может быть использовано в устройствах высоковольтной синхронизации, а также в источниках импульсного питания различных электрофизических установок.
Известен генератор импульсов, описанный в [патент RU 2333597 С2 «Пусковое/поджигающее устройство», МПК Н03К 3/537, опублик. 10.09.2008 в бюл. №25]. Известное устройство состоит из N высоковольтных конденсаторов, N искровых разрядников, работающих в режиме самопробоя, 2N зарядных ветвей импульсного генератора Маркса и устройства запуска разрядников.
Недостатком известного устройства является то, что для запуска разрядников применяется высоковольтный импульсный трансформатор. Импульс перенапряжения с трансформатора используется для запуска только одного нижнего искрового разрядника генератора. Кроме этого высоковольтные трансформаторы затягивают фронт выходного сигнала, что влияет на стабильность срабатывания разрядников.
Другим недостатком использования высоковольтных трансформаторов в устройстве является то, что они, как правило, обладают значительными габаритами и весом, поскольку в них должна быть обеспечена изоляция между входными и выходными обмотками, и между обмотками и сердечником.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному генератору высоковольтных импульсов [авторское свидетельство №712979 «Импульсный рентгеновский генератор», опубл. 30.01.80 в бюл. №4]. Известный генератор собран по каскадной схеме умножения Аркадьева-Маркса, состоит из N каскадов, содержащих зарядные цепи, накопительные конденсаторы и неуправляемые искровые разрядники, и схемы запуска разрядников, содержащей генератор запуска и устройство передачи управляющего импульса.
В известном устройстве в качестве устройства передачи управляющего импульса для запуска искровых разрядников используется импульсный высоковольтный трансформатор с несколькими выходными обмотками, обеспечивающий одновременный запуск соответствующего числа искровых разрядников.
Подобно аналогу, недостатками известного устройства, принятого за прототип являются то, что для запуска разрядников применяется высоковольтный импульсный трансформатор. Высоковольтные трансформаторы, как правило, являются габаритными устройствами, при проектировании которых необходимо решить проблемы изоляции обмоток и сердечника, обеспечения максимального коэффициента связи между обмотками и минимизации собственной индуктивности обмоток. Кроме этого, из-за присутствия паразитных индуктивностей и емкостей обмоток, существует сложность получения крутых фронтов на выходе трансформатора. Это значительно влияет на стабильность формирования выходного импульса генератора в целом.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемой изобретение, является необходимость обеспечения высокой стабильности срабатывания генератора высоковольтных импульсов.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение стабильности работы генератора высоковольтных импульсов и уменьшение массогабаритных характеристик генератора высоковольтных импульсов, за счет применения развязывающих резистивно-емкостных цепей для подачи импульсов управления на неуправляемые искровые разрядники генератора высоковольтных импульсов.
Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в генераторе высоковольтных импульсов собранном по каскадной схеме умножения Аркадьева-Маркса, состоящем из n каскадов, включающих зарядные цепи, накопительные конденсаторы и неуправляемые искровые разрядники, и схемы запуска разрядников, включающей генератор запуска и устройство передачи управляющего импульса, через которое от генератора запуска поступает импульс перенапряжения на искровые разрядники, согласно изобретению в качестве устройства передачи управляющего импульса для запуска искровых разрядников используется, по крайней мере, одна резистивно-емкостная цепь.
Использование резистивно-емкостных цепей, подключенных к электродам искровых разрядников генератора, позволяет мгновенно передать фронты импульсов с генератора импульса запуска почти без снижения амплитуды импульсов. Это обеспечивает высокую стабильность срабатывания искровых разрядников, и генератора в целом.
Благодаря решению использовать высоковольтные конденсаторы, обладающие компактностью, в схеме запуска разрядников, упрощается конструкция, уменьшаются габариты и масса генератора высоковольтных импульсов.
Кроме того, мгновенная передача фронтов импульсов позволяет стабильно получать на выходе генератора высоковольтных импульсов наиболее крутой фронт импульса.
При выполнении генератора высоковольтных импульсов с количеством каскадов более, чем два, использование резистивно-емкостных цепей мало влияет на форму импульса управления.
В заявляемой схеме генератора высоковольтных импульсов имеется возможность использования в качестве зарядных цепей или индуктивностей, или резисторов, или их комбинаций. Это обеспечивает универсальность при решении различных прикладных задач.
На фиг. 1 изображена схема генератора высоковольтных импульсов, где:
1 - каскадная схема умножения Аркадьева-Маркса;
2 - зарядные цепи;
3 - накопительные конденсаторы каскадов генератора высоковольтных импульсов;
4 - неуправляемые искровые разрядники;
5 - схема запуска разрядников;
6 - генератор запуска;
7 - резисторы цепей управления;
8 - конденсаторы цепей управления;
9 - источник зарядного напряжения;
10 - сопротивление нагрузки.
Генератор высоковольтных импульсов собран по каскадной схеме умножения Аркадьева-Маркса 1 и состоит из n каскадов (n - натуральное число более 1), включающих зарядные цепи 2, в качестве которых могут использоваться или индуктивности, или резисторы, или их комбинации, накопительные конденсаторы 3 и неуправляемые искровые разрядники 4. Для запуска неуправляемых искровых разрядников 4 применяется схема запуска разрядников 5, включающая генератор запуска 6 и устройство передачи управляющего импульса. Устройство передачи управляющего импульса выполнено в виде цепей управления, каждая из которых представляет собой последовательно соединенные резистор 7 и конденсатор 8. С одной стороны цепи подключены к генератору запуска 6, а с другой стороны - к электродам разрядников 4, начиная с нижнего каскада. В случае двухкаскадной схемы умножения Аркадьева-Маркса устройство передачи управляющего импульса будет иметь одну цепь управления, в трехкаскадной схеме - две цепи управления, в 4-х каскадной и более - три цепи управления. Использование более трех цепей управления в многокаскадных схемах умножения Аркадьева-Маркса не желательно, поскольку волна перенапряжения после открытия третьего разрядника будет иметь достаточный уровень для стабильного открывания последующих разрядников, а цепи управления будут увеличиваться в габаритах из-за необходимости обеспечения возрастающих рабочих напряжений их конденсаторов и резисторов.
Цепи управления обеспечивают передачу импульса с генератора запуска 6 на разрядники 4. Полярность импульса с генератора запуска 6 должна отличаться от полярности источника зарядного напряжения 9. Для корректной работы номинал емкостей 8 должен быть много меньше емкостей каскада 3, а номинал сопротивлений 7 должен обеспечивать развязку каскадов при включенных разрядниках 4.
На фиг. 2 показана модификация генератора высоковольтных импульсов с инверсией выходного напряжения. Генератор собран по каскадной схеме умножения Аркадьева-Маркса 1 и состоит из n каскадов (n -натуральное число более 1), включающих зарядные цепи 2, накопительные конденсаторы 3 и неуправляемые искровые разрядники 4. Для запуска неуправляемых искровых разрядников 4 применяется схема запуска разрядников 5, включающая генератор запуска 6 и устройство передачи управляющего импульса в виде цепей управления, каждая из которых представляет собой последовательно соединенные резистор 7 и конденсатор 8. В отличии от схемы генератора без инверсии, полярность импульса с генератора запуска 6 совпадает с полярностью источника зарядного напряжения 9.
Генератор высоковольтных импульсов работает следующим образом.
Конденсаторы каскадов 3 заряжаются через зарядные цепи 2 от источника 9 до напряжения, которое на 10…20% ниже статического напряжения пробоя разрядников 4. Для срабатывания генератора высоковольтных импульсов от внешнего генератора 6 подается короткий импульс высокого напряжения инверсной полярности относительно напряжения зарядки в случае генератора высоковольтных импульсов без инверсии, и той же полярности в случае генератора высоковольтных импульсов с инверсией, превышающий уровень напряжения статического пробоя разрядников 4 не меньше чем в два раза. Разрядник нижнего каскада за короткое время оказывается почти под трехкратным перенапряжением, что обеспечивает быстрое и стабильное его срабатывание.
Графики напряжений на разрядниках 4 первых трех каскадов в процессе включения, и напряжения на выходе 4-х каскадного генератора высоковольтных импульсов, показаны на фиг. 3.
В момент появления импульса управления с генератора запуска 6 напряжение на разряднике 4 первого каскада начинает увеличиваться пропорционально напряжению генератора запуска 6 (график 1 фиг. 3). Напряжение на разрядниках 4 второго и третьего каскада увеличивается незначительно, но все же несколько приближается к напряжению самопробоя разрядников, тем самым «подогревая» их. После пробоя разрядника 4 первого каскада (напряжение графика 1 становится близким к нулю) на разряднике 4 второго каскада (график 2 фиг. 3) возникает резкий фронт напряжения, с максимальной амплитудой, равной сумме напряжения заряда и максимального напряжения генератора запуска 6. После пробоя разрядника 4 второго каскада фронт напряжения прикладывается к разряднику 4 третьего каскада. Максимальная амплитуда напряжения, приложенная к разряднику 4 третьего каскада, может достигать суммы удвоенного напряжения заряда и максимального напряжения генератора запуска 6 (график 3 фиг. 3). После открытия разрядника 4 третьего каскада импульс утроенного напряжения заряда прикладывается к разряднику 4 четвертого каскада. После открытия разрядника 4 четвертого каскада импульс высокого напряжения оказывается на выходе и прикладывается к нагрузке 10 (график 4 фиг. 3).
Работоспособность заявляемого технического решения проверена экспериментально. Образец генератора высоковольтных импульсов собран с применением пяти неуправляемых разрядников EPCOS типа А71 с пробивным напряжением 1,4 кВ, используемых для защиты от неконтролируемых бросков напряжения. В разных редакциях эксперимента зарядное напряжение составляло 1…1,3 кВ, емкость каскадов 16 нФ, зарядные цепи - сборки резисторов с общим сопротивлением 30 кОм, емкости цепей управления - 100 пФ, резисторы цепей управления 100 Ом, 240 Ом и 560 Ом на первом, втором и третьем каскадах соответственно. В качестве импульса управления подавался импульс напряжения с амплитудой 2,5 кВ и фронтом 30 нс.
Проведенные эксперименты показали высокую стабильность работы генератора высоковольтных импульсов. В режиме работы генератора на нагрузку 50 Ом разброс задержек срабатывания при напряжении источника питания 1,2 кВ не превысил 1,5 не в абсолютном значении при частоте срабатываний 10 Гц и продолжительности эксперимента 10 минут.