Мощный импульсный модулятор

 

Использование: в генераторах мощных импульсов для питания СВЧ-приборов в радиопередающих устройствах. Сущность изобретения: устройство содержит источник питания 1, дроссель 2, два анода 3, 8, формирующую линию 4, тиратрон 5, загрузку 6, цепь 7 снятия перезаряда, два генератора управляющих импульсов 9, 11, электронную лампу 10. Генератор 11 выполнен на одновибраторе с регулируемой длительностью импульса. 1 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике, а более конкретно к импульсной технике, и может быть использовано в генераторах мощных импульсов для питания СВЧ-приборов в радиопередающих устройствах РЛС и других систем, в оборудовании для испытаний мощных СВЧ-приборов.

Известен и широко применяется импульсный модулятор с полным разрядом емкостного накопителя энергии формирующей линии с помощью "мягкого" коммутатора-тиратрона, тиристора [1] Такой модулятор сравнительно прост, экономичен и надежен, позволяет получить очень большую импульсную (до сотен МВт) и среднюю (десятки кВт) мощность.

Но его недостатком является необходимость применения высоковольтного источника питания с регулируемым напряжением.

Проблема снижения напряжения источника, питающего импульсный модулятор, известна и решается различными способами. Так, в устройстве [2] для этой цели используется промежуточный накопитель энергии конденсатор, заряжаемый от источника через дроссель и диод и затем разряжаемый на формирующую линию с помощью вспомогательного тиристора через повышающий импульсный трансформатор. Разряд линии на нагрузку производится с помощью коммутирующего тиратрона. Устройство, хотя и позволяет получить напряжение заряда линии, превышающее напряжение источника в необходимое число раз, но отличается сложностью. Полезный эффект достигается ценой введения дополнительных элементов. В устройстве имеются два емкостных накопителя энергии, конденсатор и формирующая линия, и каждый из них должен запасать полную энергию выходного импульса. При большом уровне мощности модулятора это значительно увеличивает его габариты и массу по сравнению с обычным модулятором, имеющим один накопитель-линию. Дополнительный трансформатор также имеет большие габариты и массу. Поэтому такое техническое решение не нашло применения в мощных модуляторах.

Другим недостатком его является то, что плавная регулировка выходного напряжения возможна только изменением напряжения источника питания.

Наиболее близким к заявленному устройству является импульсный модулятор с зарядом формирующей линии от источника постоянного напряжения через дроссель и диод и полным разрядом формирующей линии на нагрузку с помощью коммутирующего тиратрона [3] принятый за прототип.

Устройство-прототип включает следующие элементы: источник постоянного напряжения, зарядную цепь, состоящую из последовательно соединенных дросселя и диода, формирующую линию, нагрузку, коммутирующий прибор-тиратрон, генератор управляющих импульсов, цепь снятия перезаряда, состоящую из последовательно соединенных резистора и диода, а также диод, шунтирующий нагрузку.

Положительный полюс источника питания через зарядную цепь связан с анодом тиратрона, одним выводом формирующей линии и отрицательным полюсом цепи снятия перезаряда. Второй вывод формирующей линии соединен с одним выводом нагрузки и анодом диода, шунтирующего ее. С общей шиной связаны отрицательный полюс источника питания, катод тиратрона, положительный полюс цепи снятия перезаряда, второй вывод загрузки и катод диода, шунтирующего ее. Выход генератора управляющих импульсов связан с сеткой тиратрона.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Формирующая линия заряжается от источника питания через зарядные дроссель и диод до напряжения, не превышающего удвоенного напряжения источника. При подаче на сетку тиратрона импульса от генератора управляющих импульсов тиратрон поджигается и происходит полный разряд формирующей линии на нагрузку. Если имеет место рассогласование линии с нагрузкой, возникающее на линии напряжение обратной полярности снимается цепью снятия перезаряда. Диод, шунтирующий нагрузку, обеспечивает прохождение тока заряда линии в случае вентильной нагрузки и устраняет выбросы напряжения обратной полярности.

Недостатками устройства-прототипа [3] являются необходимость применения высоковольтного источника питания, напряжение которого должно быть не менее половины требуемого напряжения заряда линии, а также сложность регулирования напряжения заряда линии, а, следовательно, выходного напряжения модулятора.

К недостаткам устройства-прототипа следует также отнести инерционность регулирования выходного напряжения. Практически невозможно выполнить регулирование напряжения от импульса к импульсу, что бывает необходимо в оборудовании для испытаний мощных ЭВП СВЧ, например для измерения электронного смещения частоты или фазы.

Предлагаемое изобретение направлено на снижение напряжения питания мощного тиратронного модулятора, упрощение регулировки напряжения на нагрузке, в том числе от импульса к импульсу.

Поставленная техническая задача решается путем введения в известное устройство [3] дополнительных элементов: электронной лампы и второго генератора управляющих импульсов.

Связи дополнительно введенных элементов: анод электронной лампы соединен с общей точкой зарядного дросселя и диода, катод с общей шиной. Выход второго генератора управляющих импульсов соединен с управляющим электродом электронной лампы.

В качестве электронной лампы могут быть применены, например, триод, тетрод, титрон.

В качестве второго генератора управляющих импульсов применяется одновибратор с регулируемой длительностью импульса, причем длительность импульса генератора значительно больше длительности импульса на нагрузке, но меньше периода повторения импульсов.

Введение указанных дополнительных элементов принципиально меняет функцию зарядного дросселя и характер процессов в модуляторе.

В предложенном устройстве зарядный дроссель и электронная лампа, управляемая вторым генератором управляющих импульсов, выполняют функцию индуктивного накопителя энергии. Дроссель заряжается от источника питания током, протекающим через лампу, и разряжается на формирующую линию после запирания лампы. Такое изменение функции и режима работы дросселя обеспечивает получение положительного эффекта в виде повышения напряжения заряда линии до величины, превышающей напряжение заряда линии не в два раза, как в прототипе, а в неограниченное (в принципе) число раз. Величина напряжения заряда линии, а следовательно, и выходного напряжения модулятора, регулируется простым изменением продолжительности открытого состояния лампы, т.е. длительности импульса второго генератора управляющих импульсов, которое может производиться достаточно быстро, вплоть до изменения от периода к периоду повторения.

Функция и режимы работы остальных элементов предлагаемого устройства те же, что и в устройстве-прототипе.

Предлагаемое устройство включает следующие элементы (см. фиг. 1): источник питания 1, дроссель 2, первый диод 3, формирующую линию 4, тиратрон 5, нагрузку 6, цепь 7 снятия перезаряда из последовательно соединенных резистора и второго диода, третий диод 8, первый генератор управляющих импульсов 9, электронную лампу 10, второй генератор управляющих импульсов 11 - одновибратор с регулируемой длительностью импульса.

Отрицательный полюс источника питания 1, первый вывод нагрузки 6, катод тиратрона 5, анод второго диода в цепи снятия перезаряда 7, катод третьего диода 8 и входная цепь первого генератора управляющих импульсов 9 соединены с общей шиной. Положительный полюс источника питания 1 через дроссель 2 соединен с анодом первого диода 3, катод которого соединен с анодом тиратрона 5, первым выводом формирующей линии 4 и через резистор цепи снятия перезаряда 7 с катодом входящего в нее второго диода. Второй вывод формирующей линии 4 соединен со вторым выводом нагрузки 6 и анодом третьего диода 8. Выход первого генератора управляющих импульсов 9 соединен с управляющим электродом тиратрона. Анод электронной лампы 10 соединен с общей точкой дросселя 2 и первого диода 3, а ее катод соединен с общей шиной. Входная цепь второго генератора управляющих импульсов 11 соединена с общей шиной, а его выход соединен с управляющим электродом электронной лампы 10.

Устройство работает следующим образом.

При поджоге тиратрона 5 импульсов генератора 9 происходит разряд линии 4 на нагрузку 9. Напряжение обратной полярности, имеющееся на линии 4 по окончании разряда в случае ее рассогласования с нагрузкой 6, снимается цепью 7 снятия перезаряда. Диод 8, шунтирующий нагрузку 6, обеспечивает прохождение тока заряда линии в случае вентильной нагрузки, а также отсутствие на ней выбросов напряжения обратной полярности.

По окончании разряда линии 4 тиратрон 5 переходит в закрытое состояние (гасится).

Процесс заряда происходит следующим образом.

При подаче на управляющий вход лампы 10 импульса от второго генератора управляющих импульсов 11 лампа отпирается и ток в дросселе 2 нарастает во времени по закону: (1), где Е напряжение источника 1; U_л падение напряжения на открытой лампе 10 (для простоты анализа можно принять, что лампа 10 имеет "пентодную" характеристику и U_л f(I); L индуктивность дросселя 2; R суммарное омическое сопротивление дросселя 2 и источника 11; t время, отсчитываемое от момента отпирания лампы 10.

Если пренебречь величиной R, можно считать, что ток в дросселе нарастает по линейному закону: (2) Лампа 10 остается открытой до окончания импульса на ее управляющем входе, т. е. до момента t₁, после чего запирается. В этот момент ток в дросселе составляет:
(3)
В дросселе 2 накоплена энергия, поэтому после запирания лампы 10 происходит колебательный процесс в контуре, образованном дросселем 2 и линией 4, в ходе которого энергия передается из дросселя 2 в линию 4. Напряжение U_зар на линии 4 меняется по закону:
(4),
где
C емкость формирующей линии 4;
R₁ суммарное омическое сопротивление дросселя 2, источника 1, диодов 3 и 6.

В предложении малости величины выражение 4 принимает более простой вид:
(5)
Колебательный процесс, описываемый выражением (5), прекращается в тот момент, когда ток в цепи достигает нулевого значения и запирается диод 3. В этот момент энергия в дросселе равна нулю. Вся энергия, запасенная в нем на первом этапе процесса, передана в линию (за исключением потерянной в омических сопротивлениях).

Напряжение U_{зар.макс.} заряда линии 4 равно (в предложении малости омических потерь):
(6)
Следовательно, величина напряжения, до которого заряжается линия 4, может быть задана значительно выше напряжения источника Е путем выбора нужных значений величин элементов схемы и прямо зависит от величины t, т.е. продолжительности открытого состояния лампы 10 и может регулироваться изменением длительности импульса, отпирающего лампу 10.

Следует отметить, что момент отпирания лампы 10 может совпадать с окончанием выходного импульса модулятора или опережать его, но не более чем на величину длительности импульса генератора 11, отпирающего лампу 10.

В первом случае улучшаются условия деионизации тиратрона 5 после прохождения через него импульса тока, т.к. в течение всей длительности импульса генератора 11 прямое напряжение на аноде тиратрона минимально и равно падению напряжения на открытой лампе 10.

Опережение открывания лампы 10 может применяться в том случае, когда необходимо зарядить линию 4 за минимальное время, т.е. при высокой частоте повторения импульсов.

Изобретение позволяет получить следующий технический результат:
напряжение заряда формирующей линии может быть значительно выше удвоенного напряжения источника питания. Практически нет ограничений величины отношения напряжения заряда к напряжению источника питания;
напряжение заряда линии, а, следовательно, и выходное напряжение модулятора легко регулируются в широких пределах изменением длительности импульса генератора управляющих импульсов, регулировка безинерционна, вплоть до изменения амплитуды от импульса к импульсу.

Формула изобретения

Мощный импульсный модулятор, содержащий источник питания, зарядную цепь, включающую дроссель и первый диод, формирующую линию, коммутирующий тиратрон, первый генератор управляющих импульсов, последовательную цепь из второго диода и резистора, нагрузку и третий диод, причем отрицательный полюс источника питания, первый вывод нагрузки, катод тиратрона, анод второго диода, вход первого генератора управляющих импульсов и катод третьего диода соединены с общей шиной, положительный полюс источника питания через дроссель соединен с анодом первого диода, катод которого соединен с анодом тиратрона, первым выводом формирующей линии и через резистор с катодом второго диода, второй вывод формирующей линии соединен с вторым выводом нагрузки и анодом третьего диода, а выход первого генератора управляющих импульсов соединен с управляющим электродом тиратрона, отличающийся тем, что в него введены электронная лампа и второй генератор управляющих импульсов, причем анод электронной лампы соединен с общей точкой дросселя и первого диода, а ее катод с общей шиной, второй генератор управляющих импульсов выполнен на одновибраторе, его вход соединен с общей шиной, а выход соединен с управляющим электродом электронной лампы.

РИСУНКИ

Рисунок 1