Лекция 30 (лекции по УГФС), страница 5

Принципиальная схема импульсного модулятора с искусственной линией в качестве

накопителя энергии

Принципиальная схема импульсного модулятора с искусственной линией (ИЛ) приведена на рис.30.17. В качестве коммутатора используется тиратрон Т.

П
ри полном разряде накопителя (ёмкости или ИЛ) применяется его резонансный заряд через индуктивность L_З . Использование резонансного заряда позволяет применять источник питания Е с меньшим примерно в 2 раза напряжением, чем необходимое напряжение заряда линии U₀ (обычно Е ≈ 0,53…0,56U₀). При отсутствии диода Д1 частота следования импульсов должна быть в два раза больше, нежели собственная частота зарядной цепи

,

где k – число ячеек ИЛ. Соответственно kC определяет накопительную ёмкость цепи.

Введение в схему диода Д1 позволяет осуществить импульсную работу с любой частотой следования импульсов .

Рассмотрим кратко физику процессов при заряде накопителя. Напряжение на накопителе начинает плавно нарастать от нуля. При этом ток в цепи заряда Е – L_З – Д1 – ИЛ – – ИТ также плавно нарастает. Зарядный ток достигает максимального значения в момент, когда напряжение на ИЛ становится равным Е. Запасённая в зарядной индуктивности энергия после достижения зарядным током максимального значения продолжает заряд конденсатора, а сам зарядный ток уменьшается, поддерживаясь за счёт ЭДС самоиндукции. При этом напряжение на ИЛ достигает к концу разряда индуктивности L_З значения порядка 2Е (примерно 1,8…1,9Е). На рис.30.18 показаны временные диаграммы изменения напряжения на ИЛ и тока заряда во время зарядного процесса.

К огда зарядный ток становится равным нулю, напряжение на линии достигает максимального значения. Если в цепи заряда будет отсутствовать диод Д1, то через некоторое время напряжение на линии установится равным Е (процесс установления напряжения показан пунктирной линией). В итоге напряжение на входе импульсного трансформатора ИТ при разряде ИЛ будет Е/2. В то же время, если подать запускающий (управляющий) импульс в момент времени

,

когда напряжение на линии достигает максимального значения, то на входе ИТ в начале разрядного процесса может быть получено напряжение порядка Е, то есть в два раза выше, чем в предыдущем случае. В этом достоинство резонансного метода заряда ёмкостного накопителя энергии. Однако недостаток в том, что частота следования импульсов однозначно связана с собственной частотой зарядной цепи. Если в схему поставить зарядный диод Д1, то после достижения на линии максимального напряжения ≈ 2Е, оно может поддерживаться сколь угодно долго, так как диод Д1 оказывается закрытым, имея более высокое напряжение на катоде по отношению к аноду. Характер изменения напряжения на линии во время заряда вплоть до момента разряда показан на рис.30.18 сплошной линией. Очевидно, в этом случае частота следования импульсов может быть любой в пределах .

Корректирующая или согласующая цепочка С_К R_К включается для обеспечения нормального процесса разряда ИЛ при работе на магнетрон. Дело в том, что после начала процесса разряда пока в магнетроне не установились колебания и внутреннее сопротивление его велико, ИЛ разряжается на несогласованную нагрузку, что приведёт как к искажению формы модулирующего импульса, так и к недопустимым перенапряжениям в схеме. Для обеспечения постоянства нагрузки модулятора при формировании импульса и включается цепочка С_К R_К . Сопротивление R_К принимается равным волновому сопротивлению ИЛ и в начальный момент разряда линия разряжается на него. Ёмкость С_К выбирается из условия, чтобы напряжение на ней установилось за время фронта импульса. Диод Д2 служит для предотвращения перенапряжения в ИЛ, которое может иметь место, если линия будет разряжаться на сопротивление нагрузки, меньше волнового, что может иметь место при искрении (кратковременных коротких замыканиях) в магнетроне. Перенапряжения возникают из-за перезаряда ИЛ. Диод Д2 шунтирует напряжение обратной полярности на ИЛ.

Для присоединения ИЛ к ИТ может потребоваться отрезок коаксиальной линии КЛ.

Если к модулятору с ИЛ в качестве накопителя энергии предъявляются требования возможности работы при двух или трёх разных длительностях импульсов, то либо применяются сменные ИЛ с соответствующими переключателями, либо переключается число ячеек, пропорционально которому изменяется и длительность импульса.

Соотношения для определения параметров элементов ИЛ могут быть получены на основании следующих рассуждений. Так как линия, имеющая волновое сопротивление , должна разряжаться на согласованную нагрузку R_Н, то есть должно иметь место соотношение , то индуктивность ячейки ИЛ (рис.30.11,а)

Необходимая ёмкость ячейки ИЛ может быть определена из условия равенства запасённой в линии энергии той энергии, которая расходуется в сопротивлении нагрузки за один импульс, что отображается соотношением:

. (*)

Согласно последнему соотношению необходимая ёмкость ячейки ИЛ

.

Соответственно необходимая индуктивность ячейки ИЛ

.

Учитывая, что в общем случае , где n – коэффициент трансформации по напряжению ИТ, то соотношения для параметров элементов ИЛ можно представить в виде:

.

Мощность, отдаваемая ИЛ во время импульса в согласованную нагрузку, как следует из (*), равна

.

Соответственно, необходимое напряжение заряда линии

.

Как уже отмечалось, обычно ИЛ проектируются на волновые сопротивления от 25 до 80 Ом.

Магнитный импульсный модулятор

В качестве коммутирующего прибора в таком модуляторе используется нелинейная индуктивность.

Магнитные коммутирующие устройства по сравнению с другими коммутирующими устройствами, в частности, с электронными лампами и водородными тиратронами, обладают рядом преимуществ, основными из которых являются:

1) высокая эксплуатационная надёжность. Срок службы магнитного коммутирующего устройства практически неограничен;

2) постоянная готовность к работе, так как элементы модулятора не требуют предварительного разогрева, тогда как тиратроны требуют предварительного разогрева в течение нескольких минут;

3) отсутствие предельных токов в схеме подобно току эмиссии в электровакуумных приборах;

4) при рациональном конструировании габариты и вес магнитного модулятора могут быть меньше, чем лампового импульсного модулятора;

5) высокая механическая прочность и др.

Магнитные импульсные модуляторы могут коммутировать мощности в единицы МВт и генерировать короткие импульсы длительностью до десятых долей мкс.

По типу применяемого источника питания магнитные импульсные модуляторы разделяются на модуляторы с питанием от источника переменного тока и с питанием от источника постоянного тока.

В магнитном импульсном модуляторе с питанием от источника переменного тока могут полностью отсутствовать электровакуумные приборы или другие немагнитные коммутирующие элементы. В этом случае синхронизация работы, например, РЛС должна производиться от импульсного модулятора.

Магнитный импульсный модулятор с питанием от источника постоянного тока не может быть построен с применением одних лишь магнитных коммутирующих элементов. Схема должна также содержать немагнитное коммутирующее устройство.

Магнитный импульсный модулятор является импульсным модулятором с полным разрядом ёмкостного накопителя, в качестве которого используется ёмкость или искусственная линия. В качестве коммутирующего прибора, как уже отмечалось, используется нелинейная индуктивность, а именно нелинейный дроссель, нелинейный автотрансформатор, нелинейный трансформатор. На практике чаще применяют смешанные схемы, содержащие нелинейные дроссели и нелинейные автотрансформаторы или трансформаторы.

Нелинейная индуктивность в схеме магнитного импульсного модулятора представляет собой катушку с сердечником из специального ферромагнитного материала, обладающего весьма узкой и почти прямоугольной петлёй гистерезиса (рис.30.19).

Т акими свойствами обладают некоторые сплавы, например, молибденовый пермаллой, суперпермаллой и др. Участок левее нижнего загиба кривой намагничивания соответствует отрицательному магнитному насыщению, а участок правее верхнего загиба – положительному насыщению. Участок с большой крутизной соответствует ненасыщенному состоянию сердечника.

Поскольку магнитная проницаемость

,

то магнитная проницаемость сердечника в насыщенном состоянии во много раз меньше его магнитной проницаемости в ненасыщенном состоянии . Так как , то индуктивность катушки при насыщении сердечника во много раз меньше её индуктивности при ненасыщенном сердечнике. Указанное обстоятельство и позволяет использовать нелинейную индуктивность в качестве коммутирующего устройства.

Рассмотрим кратко принцип работы магнитного импульсного модулятора с питанием от источника переменного тока. Простейшая схема такого модулятора с использованием в качестве коммутатора нелинейного дросселя представлена на рис.30.20.

Модулятор питается от источника переменного тока, частота которого равна частоте следования импульсов. Конденсатор С является накопительной ёмкостью, L₀ – зарядная индуктивность, L – коммутирующий дроссель (нелинейная индуктивность), ИТ – импульсный трансформатор.

Собственная частота цепи заряда выбирается равной частоте источника питания , то есть