Лекция 30 (лекции по УГФС), страница 4

Имеются модуляторные лампы на напряжения до 60 кВ и токи в сотни ампер, что позволяет коммутировать мощности свыше 10 МВт. Для увеличения коммутируемой мощности возможно использование параллельного включения нескольких ламп, количество которых может доходить до 6 – 8 и более. Недостатки импульсных модуляторных ламп: примерно 10…15% коммутируемой мощности теряется на аноде лампы; предъявляются жёсткие требования к форме входного импульса при сравнительно большой его мощности. Разработана специальная лампа «инжектрон», допускающая работу с напряжением до 300 кВ и током до 300 А. При этом потери мощности на аноде не превышают 10%, а входной ток составляет 1…2% анодного тока, что значительно снижает требуемую мощность входного импульса.

Рабочую точку коммутаторной лампы во время открывающего импульса выбирают вблизи линии критических режимов, то есть в области перегиба импульсных статических ВАХ анодного тока (точка А, рис.30.13).

Т ок в рабочей точке I равен току генератора, он же практически равен току разряда накопителя. Точка В соответствует меньшему значению напряжения на сетке модуляторной лампы. Следовательно, для достижения её требуется меньшая амплитуда входного импульса. Однако при этом увеличивается остаточное напряжение на аноде коммутаторной лампы, что соответствует большому значению сопротивления лампы по постоянному току и приводит к низкому значению КПД процесса разряда. Точка С соответствует большему напряжению на сетке модуляторной лампы и лежит в области перенапряжённого режима. Выбор этой точки выгоден с точки зрения минимума потери напряжения на аноде коммутаторной лампы. Однако при этом существенно возрастают требуемая амплитуда входного импульса и его мощность за счёт большего значения сеточного тока. Увеличение мощности входных импульсов приводит к увеличению мощности, рассеиваемой на сетке модуляторной лампы и соответственно к увеличению её разогрева. Последнее приводит к возникновению термоэмиссионного тока сетки.

Необходимая амплитуда управляющих импульсов

,

где – напряжение, необходимое для запирания модуляторной лампы в промежутках между импульсами.

Остаточное напряжение на аноде модуляторной лампы в открытом состоянии е_{А ОСТ} составляет сотни вольт и может доходить до 1 – 2 тысячи вольт.

Коммутаторные устройства, использующие газовый разряд

В импульсных модуляторах с искусственными линиями, заряженными до определённого напряжения, коммутаторное устройство выполняет задачу только замыкания разрядной цепи. Окончание разрядного процесса осуществляется без участия коммутаторного устройства за счёт полного разряда искусственной линии.

При таких условиях более целесообразным оказывается применять в качестве коммутаторных устройств не электронные лампы, а приборы с управляемым началом газового разряда, основными из которых являются тиратроны. Наиболее приспособленными для работы в качестве коммутаторов в импульсных устройствах являются специально разработанные для этой цели водородные тиратроны, которые, по сравнению с тиратронами с наполнением ртутными парами, обладают следующими преимуществами:

1) малое время деионизации после прекращения разряда, примерно в 10 раз меньше, чем у ртутных тиратронов, и составляет около 10 мкс. Это позволяет применять водородные тиратроны при сравнительно большой частоте повторения импульсов;

2) слабое влияние окружающей температуры на пусковую характеристику тиратрона;

3) возможность работы с нулевым напряжением смещения на сетке;

4) повышенная стойкость оксидного слоя катода по отношению к бомбардировке катода ионами при больших мощностях разрядного процесса.

При отсутствии на сетке водородного тиратрона положительного напряжения разряд через тиратрон не возникает даже при очень большом напряжении на аноде. При подаче на сетку сравнительно небольшого положительного напряжения (порядка 150 – 200 В) в анодной цепи тиратрона возникает разряд, после чего напряжение на аноде тиратрона падает до величины 100…200 В, так что внутреннее сопротивление его оказывается очень малым. При этом сетка теряет способность дальнейшего управления разрядным процессом, и разряд прекращается только после падения тока в разрядной цепи практически до нуля на время, достаточное для деионизации газа внутри баллона тиратрона.

В качестве основных преимуществ тиратронов по сравнению с электронными коммутаторными лампами могут быть отмечены:

1) возможность пропускать через их анодную цепь очень большие разрядные токи при весьма малом падении напряжения. Существуют водородные тиратроны, позволяющие управлять током до 5 000 А и выдерживать напряжение до 80 кВ, то есть пропускать мощность до сотен мегаватт;

2) возможность применять управляющие (поджигающие) импульсы малого напряжения и отсутствие необходимости использовать значительные отрицательные напряжения запирания на управляющих сетках тиратронов. Требования к форме поджигающего импульса некритичны, а важна крутизна фронта (указывается в паспортных данных).

Недостатками тиратронов по сравнению с электронными лампами являются:

1) наличие некоторой инерционности, обусловленной процессом оформления разряда;

2) разброс во времени оформления разряда (это время составляет несколько десятых долей мкс), обусловленный процессом ионизации. Величина разброса зависит от скорости нарастания напряжения на фронте управляющих импульсов и их амплитуды;

3) относительно большое время деионизации – порядка 10 мкс.

Тиратроны относятся к так называемым «мягким» коммутаторам. В таких коммутаторах управление осуществляется только началом процесса разряда накопителя. Другими примерами «мягких» коммутаторов являются тригатроны (в настоящее время находят ограниченное применение) и тиристоры. Тиристоры уступают водородным тиратронам по мощности и более инерционны. Рабочие напряжения у тиристоров не выше 2 кВ, токи меньше 1 500 А.

Принципиальная схема импульсного модулятора с частичным разрядом ёмкостного

накопителя энергии

Модулятор с частичным разрядом ёмкостного накопителя энергии может быть выполнен по схеме рис.30.4. Однако такая схема обладает серьёзным недостатком, как отсутствие общей заземлённой точки у генератора и коммутатора. Поэтому на практике при реализации схемы коммутатор и ёмкостный накопитель энергии меняют местами. При этом для замыкания цепи заряда в схему приходится вводить ещё одно зарядное сопротивление R^/_З , включаемое параллельно генератору, отображаемому сопротивлением R_ГЕН . Схема такого модулятора представлена на рис.30.14,а, где для сравнения на рис.30.14,б повторена схема рис.30.4. Процессы заряда и разряда ёмкости С понятны из схемы.

Чтобы избежать заметного шунтирования генератора сопротивлением R^/_З при разряде накопителя, последнее выбирается из условия

.

При работе на магнетрон вместо сопротивления R^/_З включают зарядную индуктивность L_З , что позволяет уменьшить длительность спада импульса. При этом в схему вводится дополнительно так называемый демпфирующий диод Д.

Полная принципиальная схема импульсного модулятора с частичным разрядом ёмкостного накопителя при работе на магнетрон представлена на рис.30.15.

При разомкнутом коммутаторе (лампа Л закрыта) происходит заряд ёмкости С через индуктивность L_З , при этом на аноде магнетрона М существует некоторое отрицательное напряжение. После замыкания коммутатора (лампа Л открыта) начинается разряд накопителя С. При этом напряжение на магнетроне не может возрасти скачком из-за паразитных ёмкостей С ^/ и С ^// , где С ^/ – межэлектродная ёмкость коммутаторной лампы и монтажная ёмкость элементов R_З и С ; С ^// – ёмкость катода магнетрона на землю, ёмкость зарядного дросселя L_З, межэлектродная ёмкость диода Д с учётом монтажной ёмкости соединительных проводов. После заряда накопительной ёмкости С напряжение на ёмкости С ^/ равно U_{C МАКС} , а на ёмкости С ^// равно нулю. После открывания коммутаторной лампы ёмкость
С ^/ разряжается до величины остаточного напряжения на аноде лампы, а ёмкость С ^// заряжается до максимального напряжения. Очевидно, время разряда ёмкости С ^/ и заряда ёмкости С ^// будет, по существу, определять длительность фронта модулирующего импульса. Чем меньше будут эти ёмкости, тем короче будет длительность фронта. Однако, при самом тщательном монтаже не удаётся сделать

(С ^/ + С ^// ) < (50…100) пФ.

После достижения напряжения на ёмкости С ^// величины, необходимой для нормальной работы магнетрона, в магнетроне начинаются автоколебания. Длительность фронта возникающего радиоимпульса, как отмечалось, практически определяется временем установления колебаний в резонаторе магнетрона.

Во время импульса за счёт разряда накопителя, а также из-за протекания части разрядного тока через индуктивность L_З , напряжение на аноде магнетрона несколько уменьшается к концу импульса. Разница между максимальным и минимальным напряжениями определяет величину спада импульса. Очевидно, для уменьшения спада необходимо увеличивать ёмкость С и индуктивность L_З . Существует также другой метод уменьшения спада, основанный на включении последовательно с генератором корректирующей цепочки из параллельно соединённых сопротивления R_К и индуктивности L_К . При этом может быть получено даже увеличение напряжения на генераторе к концу импульса, то есть наклон верхней части импульса может стать отрицательным.

После окончания импульса и запирания коммутаторной лампы начинается заряд накопительной ёмкости С.

О
днако к концу импульса ёмкость С ^// оказывается заряженной практически до полного напряжения U_{C МАКС} . При использовании лампового генератора высокочастотных колебаний эта ёмкость сравнительно быстро разряжается через сопротивление R_ГЕН . При использовании магнетронного генератора, начиная с некоторого напряжения, разряд ёмкости С ^// через магнетрон прекращается и происходит в основном через сопротивление
R ^/_З (рис.30.14,а). Однако сопротивление R ^/_З очень велико, в итоге спад импульса будет продолжительным. Получаемая при этом форма видеоимпульса показана на рис.30.16,а. Чтобы уменьшить длительность спада, в случае магнетронного генератора и включают вместо сопротивления R ^/_З индуктивность L_З. При этом происходит резонансный разряд ёмкости C ^//, что не только обусловливает хорошую крутизну заднего фронта импульса, но приводит к повторным открываниям магнетрона. Форма видеоимпульса при разряде ёмкости С ^// через индуктивность L_З показана на рис.30.16,б. Чтобы не было повторных открываний магнетрона, включают демпфирующий диод Д, который срабатывает при достижении некоторого отрицательного напряжения на нагрузке – магнетроне и гасит колебания разрядного процесса ёмкости С ^//. Получаемая при этом форма видеоимпульса показана на рис.30.16,в.

Модулятор с частичным разрядом ёмкостного накопителя чаще всего выполняется без импульсного трансформатора. Иногда импульсный трансформатор применяется, например, для некоторого повышения выходного напряжения. В случае лампового генератора импульсный трансформатор обычно служит для изменения полярности напряжения. Использование импульсного трансформатора позволяет обойтись часто без демпфирующего диода, так как из-за потерь в трансформаторе резонансный разряд паразитной ёмкости С ^// быстро затухает.