Магнітно-напівпровідниковий генератор однополярних наносекундних імпульсів

Магнітно-напівпровідниковий генератор однополярних наносекундних імпульсів, що містить джерело напруги постійного струму, зарядне коло, складене із послідовно з'єднаних тиристора, першого конденсатора та робочої обмотки зарядного дроселя, яке відповідно провідності тиристора підключене до джерела напруги, перший дросель насичення, один вивід якого з'єднаний із спільною точкою тиристора та першого конденсатора, трансформатор, немаркований вивід первинної обмотки якого приєднаний до спільної точки першого конденсатора та маркованого виводу робочої обмотки зарядного дроселя, маркований та немаркований виводи вторинної обмотки трансформатора зашунтовані другим конденсатором, другий дросель насичення, перший та другий виводи якого підключені відповідно до маркованого виводу вторинної обмотки трансформатора та спільної точки першого виводу третього дроселя насичення U 2 40523 1 3 якого підключені відповідно до другого виводу першого дроселя насичення та спільної точки першого конденсатора і зарядного дроселя, його вторинна обмотка зашунтована другим конденсатором, другий дросель насичення, перший та другий виводи якого підключені відповідно до одного виводу вторинної обмотки трансформатора та спільної точки першого виводу третього дроселя насичення та першого виводу третього конденсатора, причому вивід третього дроселя насичення з'єднаний з першими виводами навантаження та четвертого конденсатора, а другі їх виводи разом із другими виводами вторинної обмотки трансформатора та третього конденсатора утворюють спільну шину пристрою, при цьому всі дроселі насичення та трансформатор мають додатково до робочих обмоток також обмотки підмагнічування, які всі з'єднані послідовно і вільними кінцями підключені до допоміжного джерела живлення. Недоліком відомого магнітно-тиристорного генератора є його додаткова складність, викликана необхідністю підмагнічування всіх магнітних елементів, підвищені втрати енергії в імпульсному трансформаторі внаслідок його додаткового перемагнічування за функціональним призначенням у цьому генераторі як трансформатора насичення, нестабільність сформованих імпульсів на навантаженні при відхиленнях напруги джерела напруги. Крім того, імпульсний трансформатор щодо первинного кола недостатньо узгоджений з першим дроселем насичення, що при високій напрузі неможливо досягти максимально можливої компресії імпульсів, які передаються трансформатором, що приводить до збільшення установленої потужності трансформатора та наступних дроселів насичення. До того ж, на високовольтній стороні за допомогою третього дроселя насичення при низькоомному навантаженні без відповідного корегування неможливо у більшості випадків одержати у такому навантаженні імпульси струму порядку ста наносекунд і менше. Задачею корисної моделі є створення магнітно-напівпровідникового генератора однополярних наносекундних імпульсів, у якому шляхом введення узгоджувального дроселя насичення з відповідним йому конденсатором, коригуючого дроселя насичення та лінійного дроселя, а також керуючої обмотки зарядного дроселя і схеми керування нею та відповідних нових зв'язків досягається новий технічний результат - зменшення установлених потужностей магнітних та інших силових елементів, досягнення мінімально можливих щодо тривалості наносекундних імпульсів при низькоомному навантаженні, стабілізація амплітуди імпульсів на навантаженні при відхиленнях напруги джерела живлення, спрощення пристрою в частині виключення обмоток підмагнічування у всіх дроселях насичення, трансформаторі та зменшення втрат енергії в трансформаторі, що сукупно дає позитивний ефект щодо спрощення пристрою у цілому та розширення його функціональних можливостей. Рішення поставленої задачі досягається за рахунок того, що у магнітно-напівпровідниковий генератор однополярних наносекундних імпульсів, що містить джерело напруги постійного струму, 40523 4 зарядне коло, складене із послідовно з'єднаних тиристора, першого конденсатора та робочої обмотки зарядного дроселя, яке відповідно провідності тиристора підключене до джерела напруги, перший дросель насичення, один вивід якого з'єднаний із спільною точкою тиристора та першого конденсатора, трансформатор, немаркований вивід первинної обмотки якого приєднаний до спільної точки першого конденсатора та маркованого виводу робочої обмотки зарядного дроселя, маркований та немаркований виводи вторинної обмотки трансформатора зашунтовані другим конденсатором, другий дросель насичення, перший та другий виводи якого підключені відповідно до маркованого виводу вторинної обмотки трансформатора та спільної точки першого виводу третього дроселя насичення та першого виводу третього конденсатора, причому другий вивід третього дроселя насичення з'єднаний з першим виводом четвертого конденсатора, другий вивід цього конденсатора та другий вивід третього конденсатора разом із немаркованим виводом вторинної обмотки трансформатора та негативним електродом навантаження, яке виконане із лазерної газорозрядної трубки, позитивний та негативний електроди якої зашунтовані п'ятим конденсатором, під'єднані до негативної шини пристрою, додатково введені узгоджувальний дросель насичення і шостий конденсатор, перші виводи яких утворюють спільну точку з другим виводом першого дроселя насичення, а їх другі виводи під'єднані відповідно до маркованого та немаркованого виводів первинної обмотки трансформатора, корегуючий дросель насичення, що ввімкнутий між другим виводом третього дроселя насичення та позитивним електродом навантаження, лінійний дросель, який шунтує позитивний та негативний електроди навантаження, керуюча обмотка зарядного дроселя, маркований та немаркований виводи якої підключені відповідно до позитивної та негативної клем схеми керування зарядним дроселем, а джерело напруги споряджене виходом додаткового живлення, з'єднаного з входом живлення схеми керування. Порівняльний аналіз із прототипом показує, що магнітно-. напівпровідниковий генератор однополярних наносекундних імпульсів, що заявляється, відрізняється наявністю нових елементів, а саме узгоджувального дроселя насичення з другим конденсатором, корегуючого дроселя насичення з лінійним дроселем, керуючої обмотки зарядного дроселя з його схемою керування, а також новими зв'язками, що полягають у відповідному з'єднанні нових елементів зазначеним чином. Нові елементи та зв'язки корисної моделі розраховані на її практичну реалізацію з досягненням поставленої задачі: зменшення підсумкової установленої потужності всіх магнітних та інших силових елементів внаслідок узгодження першого дроселя насичення з трансформатором за допомогою узгоджувального дроселя; зменшення елементних витрат за рахунок суміщення зарядним дроселем функцій стабілізації напруги на першому конденсаторі; досягнення мінімально можливих щодо тривалості наносекундних імпульсів струму в низькоомному 5 навантаженні та запобігання їх збудженої генерації внаслідок корегування вихідних імпульсів третього дроселя насичення за допомогою корегуючого та лінійного дроселів, причому з врахуванням особливостей навантаження. На підставі вищевикладеного можна зробити висновок про те, що сукупність істотних відмінних ознак, викладених у формулі корисної моделі, дозволяє досягти нового технічного результату, який забезпечує передбачувана корисна модель, щодо спрощення пристрою та розширення його функціональних можливостей. Сутність корисної моделі пояснюється кресленнями. На Фіг.1 представлена схема електрична принципова магнітно-напівпровідникового генератора однополярних наносекундних імпульсів. На Фіг.2 наведені епюри керуючих імпульсів UК2 тиристора - а), імпульсів струму у дроселях I L б) та напруги на першому конденсаторі Uc3, -Uc3 в), що відображають роботу корисної моделі. Магнітно-напівпровідниковий генератор однополярних наносекундних імпульсів містить джерело 1 напруги постійного струму, зарядне коло, складене із послідовно з'єднаних тиристора 2, першого конденсатора 3 та робочої обмотки 4 зарядного дроселя 5, яке відповідно провідності тиристора 2 підключене до джерела 1 напруги, перший дросель 6 насичення, один вивід якого з'єднаний із спільною точкою тиристора 2 та першого конденсатора 3, трансформатор 7, немаркований вивід первинної обмотки 8 якого приєднаний до спільної точки першого конденсатора 3 та маркованого виводу робочої обмотки 4 зарядного дроселя 5, маркований та немаркований виводи вторинної обмотки 9 трансформатора 7 зашунтовані другим конденсатором 10, другий дросель 11 насичення, перший та другий виводи якого підключені відповідно до маркованого виводу вторинної обмотки 9 трансформатора 7 та спільної точки першого виводу третього дроселя 12 насичення та першого виводу третього конденсатора 13, причому другий вивід третього дроселя 12 насичення з'єднаний з першим виводом четвертого конденсатора 14, другий вивід цього конденсатора та другий вивід третього конденсатора 13 разом із немаркованим виводом вторинної обмотки 9 трансформатора 7 та негативним електродом навантаження 15, яке виконане із лазерної газорозрядної трубки 16, позитивний та негативний електроди якої зашунтовані п'ятим конденсатором 17, під'єднані до негативної шини 18 пристрою. Магнітно-напівпровідниковий генератор додатково забезпечений узгоджувальним дроселем 19 насичення і шостим конденсатором 20, перші виводи яких утворюють спільну точку з другим виводом першого дроселя 6 насичення, а їх другі виводи під'єднанні відповідно до маркованого та немаркованого виводів первинної обмотки 8 трансформатора 7, корегуючий дросель 21 насичення, що ввімкнутий між другим виводом третього дроселя 12 насичення та позитивним електродом навантаження 15, лінійний дросель 22, який шунтує позитивний та негативний електроди навантаження 15, керуюча обмотка 23 зарядного дро 40523 6 селя 5, маркований та немаркований виводи якої підключені відповідно до позитивної та негативної клем схеми 24 керування зарядним дроселем 5, а джерело 1 напруги споряджене виходом 25 додаткового живлення, з'єднаного з входом 26 живлення схеми керування 24. Пристрій працює наступним чином. На керуючий електрод тиристора 2 подаються керуючі імпульси UK2, тиристор 2 включається. Після цього перший конденсатор 3, попередньо заряджений в усталеному режимі до напруги - UС3 перезаряджається від напруги - UС3 до напруги UС3 за час t5 струмом i5 , що протікає від джерела 1 напруги через відкритий тиристор 2 та робочу обмотку 4 зарядного дроселя 4. Перезаряд конденсатора 2 проходить в резонансному режимі. Завдяки періодично створюваній негативній напрузі - u3 на протязі часу t(- ) напруга на конденсаторі 3 становить: Uсз » (2,5...3,0)UОЖ, де UОЖ - напруга основного живлення джерела 1. При досягненні зворотної напруги на тиристорі 2, співвідношення U2 > UОЖ, що виникає за час » t5 тиристор 2 закривається, причому з нього попередньо знімається керуючий імпульс UK2, що має тривалість t2 » (0,3...0,5) t5 . За час t(- ) + » 0,5 t5 йде перемагнічування під впливом напруги -U3 трансформатора 7, дроселів t t 6 та 19. За час » 0,5 5 + В під впливом напруги U3 йде намагнічування дроселя 6 струмом, який i набагато менший струму 5 і практично не впливає на процес зарядження конденсатора 3, при цьому час t В >t 2 В - часу відновлення закритого t стану тиристора 2. За витоком часу В дросель 6 переходить у насичений стан, його опір миттєво у відношенні до часу хв зменшується у багато разів, нагромаджена енергія на конденсаторі 3 переда t i ється на конденсатор 20 за час 6 при струмі 6 Цей процес характеризується коефіцієнтом компресії імпульсів щодо тривалості них елементів буде: Kt 6 » t Kt Kt 6 = t 5 / t 6 , який для да. В пристрої (7... 10) і може бути більшим при збільшен i ні 5 . По закінченню струму 6 насичується дросель 19. Накопичений в конденсаторі 20 заряд в основному передається через насичений дросель 19 та трансформатор 7 в конденсатор 10 при струмі i19 в первинній обмотці 8 трансформатора 7 Kt 19 » і коефіцієнті (1,5...2,5), а залишок енергії конденсатора 20 йде на створення негативної наK t 19 у пруги - U3. Значне зменшення коефіцієнта відношенні до коефіцієнта К6 пояснюється впливом індуктивності розсіювання LS7 трансформато 7 40523 ра 7. Але при цьому зберігається значення Kt 6 = K ×K . K ,а 6 19 Таким підсумковий коефіцієнт t 6 -19 чином, через трансформатор 7 передаються на конденсатор 10 імпульси струму при великому K коефіцієнті компресії t 6-19 і при їх тривалості » (1,5...2,5)мкс. Це приводить до зменшення загальної установленої потужності дроселів 6,11,12 та трансформатора 7 до » (20...30) %. Тобто введення узгоджувального дроселя 19 запобігає зни Kt 6 » женню коефіцієнта до (3...5) з причини співрозмірності значень індуктивності насичення дроселя 6 та індуктивності LS7 трансформатора 7, сприяє створенню негативної напруги -U3 для розмагнічування трансформатора 7, дроселів 6,19, збільшенню резонансної напруги UC3, та виключає необхідність у підмагнічуванні дроселів 6,11,12 та трансформатора 7. Далі по закінченню струму i19 насичується дросель 11, через який заряд з конденсатора 10 передається на конденсатор 13 за час t11при i11 . i11 на імпульсі струму По закінченню струму сичується дросель 12, через який заряд з конденсатора 13 передається на конденсатор 14 за час т]2при імпульсі струму t 12 . Коефіцієнти компресії i11 , i12 імпульсів струму мають співвідношення: K t11 » (2,0...3,0) K t12 . Помітне зменшення коефіцієнта K t12 пояснюється впливом низькоомного навантаження 15, його індуктивності та зростаючих високочастотних складових у послідовності i i імпульсів струму 11 , 12 . Ця тенденція ще більше зростає, якщо, наприклад, дросель 12, підключається безпосередньо до навантаження 15 і тоді Kt 11 » (1,5...2,0), або якщо включається між дроселем 12 та навантаженням 15 наступний дросель насичення, наприклад, як дросель 21, але який функціонує згідно викладеного принципу компресії імпульсів струму щодо дроселів 11, 12 і тоді також зменшується коефіцієнт Kt 11 , а кінцевий імпульс струму майже повторює попередній i12 . Щоб за K побігти помітного зменшення коефіцієнта t 12 , досягти практично мінімально можливої тривалості імпульсів у низькоомному активно-індуктивному навантаженні 15, виключити можливі збудження генерації імпульсів струму пристрою внаслідок функціональної нелінійності лазерної газорозрядної трубки 16 для корегуючого дроселя 21 та лінійного дроселя 22 встановлюється наступний режим t` » t роботи. За витоком часу 12 (0,5...0,7) 12 насичується дросель 21, заряд з конденсатора 14 і частково заряд з конденсатора 13 передаються у навантаження 15 відповідно за час `` t 21 it 12 » 8 t i (0,3...0,5) 12 при імпульсному струмі 21 . За рахунок того, що при перекритті в часі імпульсів струму i12 t `` та i 21 на відрізку 12 дросель 21 насичується швидше в » (1,4...2,0) рази, що на таке ж значення зменшує його кількість витків і зменшує індуктивність його насичення в » (2,0...4,0) рази. До того ж, зважаючи на те, що для формування імпульсу струму i21 використовується заряд t конденса `` 12 торів 13 та 14 за час , що зменшує вихідний опір генератора, встановлюється співвідношення між зменшеною індуктивністю насичення дроселя 21, ємністю конденсатора 17 та індуктивністю трубки 16 таким чином, що в низькоомному навантаженні 15 формується імпульс струму i21що забезпечує технічні вимоги щодо мінімальної тривалості, максимальної амплітуди та найбільшої крутості фронту імпульсів струму для газорозрядної трубки 16. Дросель 22 на амплітуду імпульсів i21 практично не впливає, проте разом із дроселем 21 формують початковий загин, або п'єдестал, i імпульсу струму 21 із зниженим значенням за рахунок зменшеної індуктивності дроселя 21 і шунтування міжімпульсних струмів намагнічування дроселів 11,12,21, що є позитивним для трубки 16. Також дросель шунтує коливання струмів, викликані відхиленнями нелінійної індуктивності трубки 16, які мають тривалість співрозмірну з періодом генерації імпульсів Т, що виключає збудження генерації імпульсів пристрою. При відхиленні напруги Uож джерела 1 схема 24 керування, яка одержує живлення від джерела 1 напругою Uдж, відпрацьовує відхилення напруги UОЖ таким чином, що при збільшенні, або зменшенні, напруги UОЖ збільшується, або зменшується, до певного значення струм підмагнічування І п керуючої обмотки 23 дроселя 4, що його індуктивність відповідно збільшується, або зменшується, так, щоб при заряді конденсатора 3 від джерела 1 при відкритому тиристорі 2 рівень напруги UC3 за час tВ у визначених межах нестабільності остається незмінним. Експериментальні дослідження магнітнонапівпровідникового генератора, що заявляється, показали наступне: одержані імпульси накачування лазерної газорозрядної трубки, як наприклад, типу KULON LT-1,5Cu, тривалістю » (70.. .80) нс, амплітудою до » (320.. .350)А, з крутістю фронту 100А приблизно на (12...15)нс та п'єдесталом не більше (8...12)А. Трубка KULON LT-1,5Cu при живленні імпульсами з такими параметрами видала потужність лазерного випромінювання на » (20...25)% більше, ніж при її тестуванні на стендовому тиратронному генераторі; забезпечена нестабільність імпульсів накачування в межах ± 1% при відхиленнях напруги UOЖ в межах ± 15% та стійка, без зривів та збудження, їх генерація при всіх режимах роботи пристрою. Розрахунки та експериментальні дані також показали, що мінімальна підсумкова установлена 9 потужність всіх силових елементів пристрою досягається при умовах стабілізації зарядної напруги на першому конденсаторі, функціонування трансформатора з тривалістю імпульсів » (1,5...2,5)с, узгодження імпульсів струму через високовольтні дроселі насичення з низькоомним активноіндуктивним навантаженням за рахунок кінцевого дроселя із зменшеною індуктивністю насичення, який функціонує при деякому перекритті в часі його імпульсу струму з попереднім імпульсом струму. Ці умови щодо магнітнонапівпровідникового генератора, що заявляється, виконані за рахунок введення схеми та обмотки керування зарядним дроселем, узгоджувального дроселя з відповідним йому конденсатором, включеними перед трансформатором, корегуючого та лінійного дроселів, включених перед навантаженням. Пристрій у складі демонстраційно-дослідного зразка установи лазера на парах міді підтвердив 40523 10 свою працездатність та досягнення нового технічного результату щодо спрощення магнітнонапівпровідникового генератора і розширення його функціональних можливостей внаслідок суміщення у зарядному дроселі режиму стабілізації зарядної напруги, встановлення оптимальних умов роботи трансформатора та лазерної газорозрядної трубки при відповідно досягнутих у них імпульсах струму. Джерела інформації: 1. Меерович Л.А., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов. - М.: «Советское радио». - 1968, - 475с. (с. 228, рис. 7.1, а). 2. Ананьев Л.М., Гордеев П.Г., Калинов А.А. и др. Мощный магнитно-тиристорный генератор с высокой частотой следования импульсов. // ПТЭ (Приборы и техника экспериментов). - 1984. -№1. С.127-129. 11 Комп’ютерна верстка Л. Купенко 40523 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601