Лекции 14-16 - Конспекты, страница 6

Например, еслиt2 5 , тогда КПД в момент времени t2 составитt 2  1 , а КПД накапливания –н t1  t 2 0,5  1 0,75 .22В частности, в этом случае удаётся получить импульс напряжения нанагрузке, приближенный к прямоугольному (за счёт увеличения накопительнойёмкости). Соответствующие осциллограммы напряжений приведены нарисунке 8.17.Ёмкостный ИМ имеет более высокий КПД по сравнению с индуктивными поэтому его более широко применяют на практике.Рисунок 8.17 – Осциллограммы напряжения при большой постоянной времениПрактическая схема высоковольтного ИМ с частичным разрядом НЭприведена на рисунке 8.18, где для примера в качестве генераторного прибора37Электропитание РЭАГлава 8ПУ показан магнетрон.Рисунок 8.18 – Традиционная схема высоковольтного ИМ с частичнымразрядом НЭВ интервале между импульсами модуляторная лампа V1 заперта, инакопительный конденсатор C заряжается через резистор Rз и открытый диодVD1 до напряжения, близкого к напряжению Uвх.

Для формирования импульсанапряжения на нагрузке V2 на сетку модуляторной лампы подаётсяположительный прямоугольный импульс, под действием которого лампаотпирается и подключает накопительный конденсатор С к магнетрону V2.Длительность импульса, создаваемая таким модулятором, определяетсядлительностью импульса на сетке модуляторной лампы V1.

Для формированиязаднего фронта импульса в модулятор вводится формирующая цепь, состоящаяиз индуктивности L и диода VD1.Однако при реализации на практике этой схемы возникают следующиетрудности:-отсутствиемалогабаритныхвысоковольтныхэлектровакуумныхприборов, способных формировать импульсы длительностью от 50 нс принапряжении 6...30 кВ и токах до нескольких десятков ампер и обеспечивающихвысокие надёжность и наработку на отказ;- большие потери на зарядном резисторе Rз и, как следствие, снижениеКПД ИМ;38Электропитание РЭАГлава 8- отсутствие возможности использовать полупроводниковые кремниевыедиоды в цепи формирования спада импульса из-за наличия чрезвычайнобольшихпотерь,связанныхспроцессомобратноговосстановления.Применение же электровакуумных диодов резко снижает ресурс работы ИМ,увеличивает его массу и габариты;- наличие индуктивности L приводит к возникновению резонансныхвыбросов на вершине импульса, неблагоприятно влияющих на работугенераторного прибора.Таким образом, в настоящее время такие ИМ не удовлетворяюттребованиям по надёжности, массе и габаритам.

Однако современнаяэлементная база позволяет не только отказаться от использования в ключевыхкаскадахИМэлектровакуумныхприборовиперейтинаполностьютвердотельные приборы, но и значительно повысить надёжность, а такжедобиться ранее недостижимых характеристик ИМ. Благодаря появлениюмощных высоковольтных ключевых транзисторов возникла возможностьконструировать малогабаритные ИМ с рабочими напряжениями до 50 кВ иимпульсными токами до 100 А.

При этом длительности фронта и спадавыходных видеоимпульсов напряжения в отдельных случаях могут непревышать 25 нс.Устранение ранее перечисленных недостатков традиционной схемы ИМ внастоящее время решено за счёт использования в качестве ИМ высоковольтнойдвухтактной схемы, реализованной на современной полупроводниковойэлементной базе.Упрощённая схема такого ИМ приведена на рисунке 8.19.

С приходом назатвор ключа VT2 положительного импульса, вырабатываемого СУ, оноткрывается и подключает заряженный накопительный конденсатор С кмагнетрону V1. Одновременно на затвор ключа VT1 подаётся импульсотрицательной полярности, надёжно запирающий его. Время, в течение39Электропитание РЭАГлава 8которого к магнетрону V1 приложено напряжение, определяется длительностьюуправляющего импульса.Рисунок 8.19 – Упрощённая схема двухтактного высоковольтного ИМСУ – схема управленияЧерез временно́ й интервал, равный длительности высоковольтногоимпульса напряжения, приложенного к магнетрону, полярность напряжения назатворах ключей VT2 и VT1 меняется на противоположную, что вызываетпереключение ключей.

При этом VT2 закрывается, отключая накопительныйконденсатор С от магнетрона V1, а VT1 открывается и шунтирует магнетрон V1своим внутренним сопротивлением, разряжая тем самым паразитную ёмкостьмагнетрона и формируя на нём спад импульса напряжения.СкоростьнарастанияимпульсанапряжениянамагнетронеV1определяется временем включения ключа VT2, величиной паразитной ёмкостимагнетрона и монтажа и крутизной вольтамперной характеристики (ВАХ)транзистора.Скорость спада импульса напряжения на магнетроне определяется двумясоставляющими: временем выключения транзистора и временем разрядапаразитной ёмкости магнетрона через сопротивление открытого ключа.Задержкавключениятранзисторовпрактическиневлияетнанестабильность переднего фронта импульса, которая в бо́ льшей мере40Электропитание РЭАГлава 8определяется стабильностью временно́ го положения управляющих импульсовна выходе СУ.Дляудовлетворительнойработыгенераторногоустройстватипамагнетрона в большинстве случаев достаточно, чтобы спад вершины к концуимпульса не превышал 1%.Согласно данной схеме в НИИ РЭТ (г.

Москва) был реализовантвердотельный двухтактныйИМдлямагнетронадиапазона3 ммснапряжением на аноде 11,5 кВ и импульсным током 12 А. Модуляторформирует видеоимпульсынапряжениядлительностью 80-150нсприминимальной скважности 500.Однако описанный выше ИМ не свободен от важнейшего недостатка,связанного с большими потерями на высоких частотах повторения импульсов.Проблема получения высокой (более 100 кГц) частоты повторенияимпульсов в ИМ усилительных и генераторных электровакуумных СВЧприборов (ламп бегущей волны, клистронов, магнетронов и т. д.) являетсяактуальной, поскольку определяет возможность реализации высоких тактикотехническиххарактеристиксовременныхРЛСсквазинепрерывнымизлучением. Она заключается в необходимости отвода большой мощностирассеивания от ключевых элементов ИМ, находящихся в гермообъёме подвысоким потенциалом (10-150 кВ) при жёстких требованиях к массе игабаритам ПУ.

Особенно это актуально для бортовых РЛС.Рассмотрим схему двухтактного ИМ, упрощённый вид которой приведённа рисунке 8.20. На схеме обозначены: Uсм, Uпр – напряжения смещения ипревышения (отпирания) управляющего электрода соответственно, VT1, VT2 –ключевые элементы, обеспечивающие поочерёдную подачу на управляющийэлектрод электровакуумного прибора соответствующих потенциалов, Сэвп –ёмкость катод-управляющий электрод электровакуумного прибора, которая в41Электропитание РЭАГлава 8современных электровакуумных приборах имеет величину 50-300 пФ, Rсм –резистор, обеспечивающий выдачу напряжения смещения в паузе.Рисунок 8.20 – Схема двухтактного ИМНедостаток такой схемы в том, что при высоких частотах повторенияимпульсов (100-1000 кГц) рассеиваемая на ключевых элементах мощностьдостигает 100-2000 Вт.Значительное снижение динамических потерь может быть осуществленоза счёт перевода части мощности, выделяемой при коммутации паразитнойёмкости, в реактивную составляющую.

Схема, реализующая данный принцип,приведена на рисунке 8.21, где обозначены: Е – источники напряжения каналасмещения ( E U см  U пр2); E1  U пр – источник напряжения превышения; VT1,VT2 – ключевые транзисторы двунаправленного коммутатора; VT3, VT4 –ключевые транзисторы фиксации напряжения на вершине импульса и в паузе;L – катушка индуктивности; Сн  С  Сэвп – эквивалентная ёмкость нагрузкимодулятора.В исходном состоянии ёмкость Cн заряжена через Rсм до уровнянапряжения смещения U см  2 E  E1 .Транзисторы VT1...VT4 закрыты. Вмомент прихода импульса транзистор VT2 открывается и Cн начинаетразряжаться через VT2, катушку индуктивности L и встроенный диод42Электропитание РЭАГлава 8транзистора VT1.

Этот разряд имеет резонансный характер с амплитудой,приблизительноравнойудвоенномуперепадунапряжения2Енапоследовательном контуре LCн. Таким образом, через четверть периодасвободных колебаний в контуре LCн напряжение на нагрузке достигаетвеличины Е1. В этот момент открывается транзистор VT4 и фиксирует этонапряжение (формируется вершина импульса).Рисунок 8.21 – Схема двухтактного ИМ с резонансным переключениемОтметим, что к моменту открывания VT4 напряжение на нём близко кнулю, поэтому процесс его включения происходит практически без потерь.Транзистор VT2 должен закрыться к моменту окончания импульса. В моментокончания импульса VT4 закрывается, а VT1 открывается, обеспечивая черезвстроенный диод транзистора VT2 перепад напряжения на контуре LCн, равныйЕ. Через четверть периода свободных колебаний в контуре напряжение нанагрузке Сн достигает величины 2 E  E1 .