Максимальное значение напряжения на ёмкости и соответственно минимальное значение зарядного тока имеют место в конце процесса заряда, когда t = (T – τ_И). При этом, согласно (30.1), (30.2),

;

.

Не останавливаясь на подробностях, отметим, что КПД зарядного процесса будет тем выше, чем меньше разница между напряжениями U_C0 и
U_{C МАКС} . Физически это объясняется тем, что в этом случае оказывается малым зарядный ток и соответственно уменьшаются потери энергии на сопротивлении R_З . Кроме того, чем меньше отличаются U_{C 0} и U_{C МАКС} , тем меньше изменяется запасаемая в конденсаторе энергия и соответственно меньшая энергия будет требоваться от источника на подзарядку конденсатора.

После заряда конденсатора в момент времени t = (T – τ_И) срабатывает коммутатор и начинается процесс разряда накопителя. Пренебрегая малым током, проходящим через зарядное сопротивление, для анализа процесса разряда можно воспользоваться схемой рис.30.8.

Ч ерез R_Н обозначено полное сопротивление цепи разряда, равное сумме сопротивлений генератора R_ГЕН и коммутатора в замкнутом состоянии. Сопротивление R_Н предполагается не изменяющимся в процессе разряда.

Аналогично процессу заряда на основании второго закона Кирхгофа получаем

;

.

В последних соотношениях время отсчитывается от момента начала процесса разряда, то есть от момента замыкания коммутатора. Так как этот момент соответствует моменту окончания процесса заряда, то начальное напряжение на ёмкости в момент начала разряда равно U_{C МАКС} .

Возможны два случая осуществления разрядного процесса: 1) частичный разряд ёмкости; 2) полный разряд ёмкости.

Частичный разряд ёмкости имеет место, если коммутатор размыкается и прекращает разряд в момент времени, когда напряжение на накопительной ёмкости успело только немного уменьшиться против его максимального значения. В этом случае форма импульса напряжения на нагрузке U_Н имеет вид, показанный на рис.30.9,а, и может быть весьма близкой к прямоугольной. Характер изменения напряжения на накопительной ёмкости U_C при последовательных зарядах и разрядах её представлен на рис.30.9,б.

Напряжение на ёмкости в момент окончания разряда

.

Импульсные модуляторы с частичным разрядом накопительной ёмкости широко применяются на практике. Их основным достоинством является возможность получения формы импульсов, близкой к прямоугольной и притом устойчивой по отношению к не очень резким изменениям нагрузочного сопротивления, то есть по отношению к изменениям режима работы генератора. Кроме того, в случае частичного разряда при малом значении ΔU_С может быть получен весьма высокий КПД процесса заряда.

Существенным недостатком модуляторов с частичным разрядом ёмкости является необходимость осуществления коммутатором не только замыкания, но и размыкания разрядной цепи. При таких условиях в качестве коммутирующих устройств могут применяться только электронные лампы, которые во время импульсов должны пропускать через свою анодную цепь весьма большие токи. Вследствие сравнительно большого внутреннего сопротивления электронных ламп снижается КПД процесса разряда накопительной ёмкости. Кроме того, для управления электронными коммутаторными лампами на их управляющие сетки должны подаваться импульсы сравнительно большой величины и хорошей прямоугольной формы. Это существенно усложняет конструкцию подмодулятора, подающего управляющие импульсы на сетки коммутаторных ламп импульсного модулятора.

При полном разряде накопительной ёмкости коммутатор не размыкает цепь разряда до практически полного прекращения тока в ней. Соответственно форма импульса напряжения на нагрузке получается экспоненциальной (рис.30.10,а), то есть весьма отличной от прямоугольной. Характер изменения напряжения на накопительной ёмкости при последовательных процессах заряда и разряда для этого случая показан на рис.30.10,б.

При полном разряде накопительной ёмкости величина её может быть много меньше, чем в случае частичного разряда. Кроме того, коммутатор должен только замыкать цепь разряда в начале каждого импульса, так как размыкание её при соответствующих условиях может происходить после полного разряда накопительной ёмкости без участия коммутаторного устройства. При таких условиях в качестве коммутаторного устройства могут применяться не электронные лампы, а газоразрядные приборы, чаще всего тиратроны. Это является весьма существенным преимуществом ввиду: а) малого падения напряжения в таких коммутаторных устройствах после возникновения в них газового разряда; б) возможности пропускания через них очень больших токов разряда; в) более простых требований, предъявляемых в этом случае к управляющим импульсам.

Однако, несмотря на указанные достоинства, импульсные устройства с полным разрядом ёмкостного накопителя применяются редко из-за неудовлетворительной формы получающегося импульса. Этот недостаток, однако, может быть устранён путём применения более сложных ёмкостных накопителей, а именно накопительных искусственных линий. При этом сохраняются все преимущества использования полного разряда. Импульсные модуляторы с искусственными линиями широко применяются на практике. Наиболее употребительная схема искусственной линии показана на рис.30.11,а.

Применение искусственных линий для формирования импульсов, близких по форме к прямоугольным, обусловлено возможностью получения прямоугольных импульсов при разряде разомкнутого отрезка длинной линии длиной ℓ , заряженного до напряжения U₀ , на активное сопротивление R_Н , равное волновому сопротивлению линии Z₀ (рис.30.11,б).

Величина напряжения на нагрузке равна U₀/2,⁴ а линия разряжается в течение времени

, (30.3)

где v – скорость распространения электромагнитных волн в линии. Очевидно, время разряда будет определять длительность полученного импульса на нагрузке.

Из соотношения (30.3) видно, что чем длительнее требуется импульс, тем длиннее потребуется отрезок линии.

Например, в случае линии с воздушным заполнением пространства между проводами скорость распространения электромагнитной волны v ≈ 3·10⁸ м/с и для формирования импульса длительностью τ_И = 1 мкс потребуется отрезок линии длиной

.

Очевидно, такая длина неудобна даже при свёртывании линии в моток.

Искусственная линия по своим свойствам приближается к линии с распределёнными параметрами и тем сильнее, чем больше ячеек L,C . Обычно при использовании искусственной линии в качестве накопителя энергии оказывается достаточным иметь от 4-х до
6-и ячеек.

Сопротивление генератора по отношению к источнику анодного напряжения обычно порядка сотен – тысячи Ом. При таких условиях осуществление непосредственного разряда линии на АЭ генератора (на генератор) оказывается затруднительным, так как для согласования пришлось бы применять линии со слишком большими волновыми сопротивлениями и соответственно малыми ёмкостями ячеек, сравнимыми с паразитными монтажными ёмкостями. Поэтому, как правило, применяется разряд линии на генератор через повышающий импульсный трансформатор. При этом получается ещё то существенное преимущество, что линия и источник её питания при таких условиях работают с более низкими напряжениями. Обычно искусственные линии проектируются на волновые сопротивления от 25 до 80 Ом. При больших мощностях выгодно выбирать более низкое волновое сопротивление для снижения напряжения на линии.

Форма импульсов, создаваемых искусственной линией на согласованном активном нагрузочном сопротивлении, заметно отличается от прямоугольной (рис.30.12).

Н арастание и спадание импульса происходят с конечной скоростью, а верхняя часть получается не плоской, а волнистой. Число выбросов равно числу ячеек. При увеличении числа ячеек пропорционально возрастает скорость нарастания импульса, однако величина выбросов и впадин в верхней части импульса практически не уменьшается.

Для улучшения формы импульсов применяют линии с различными параметрами ячеек, например, ёмкости одинаковые, а индуктивности разные, причём между индуктивностями имеется определённая взаимная индукция, либо линию изготавливают с применением последовательного включения индуктивности, ёмкости и нескольких параллельных контуров. Окончательный подбор параметров искусственной линии в ответственных случаях производится при испытаниях её работы в действительных условиях.

Коммутаторы импульсных модуляторов пропускают большие мощности и поэтому должны иметь малые потери и быть безынерционными. Для коммутации применяют электронные лампы, водородные тиратроны, тригатроны, тиристоры, транзисторы, нелинейные индуктивности.

Рассмотрим основные из них.

Коммутаторные электронные лампы

В качестве коммутаторных электронных ламп применяются триоды или тетроды, специально разработанные для этой цели (обозначаются ГМИ – генераторные модуляторные импульсные) и соответственно приспособленные: а) для пропускания больших анодных токов в режиме коротких интервалов времени при возможно малых анодных напряжениях; б) к практически полному запиранию анодной цепи на время сравнительно длительных пауз между импульсами при наличии очень высоких анодных напряжений.

Лампы относятся к так называемым «жёстким» коммутаторам. Они позволяют управлять как началом процесса разряда ёмкостного накопителя энергии, так и его окончанием. Поэтому они допускают работу с импульсами переменной длительности τ_И и периода следования T. К «жёстким» коммутаторам относятся также транзисторы. По уровню коммутируемой мощности транзисторы значительно уступают лампам. Во всём остальном коммутаторы на лампах и транзисторах подобны.

Коммутаторные лампы должны обладать большой импульсной эмиссией катода, высокой электрической прочностью по аноду, большой крутизной линии критических режимов на семействе импульсных статических ВАХ и очень малым анодным током при достаточно больших отрицательных напряжениях на управляющей сетке. Помимо полной управляемости преимуществом электронных ламп по сравнению с другими коммутаторами является практически полная безынерционность их действия. Электронные лампы пригодны для использования в импульсных модуляторах с частичным разрядом накопительной ёмкости и в импульсных устройствах с накопительной индуктивностью.