Высоковольтный формирователь импульсов

 

Изобретение относится к устройствам для формирования высоковольтных импульсов. Цель изобретения расширение области использования формирователя за счет осуществления регулировки амплитуды выходного напряжения, позволяющее регулировать смещение диапазона несущих частот радиоимпульсов нагрузки (автогенератора). Сущность изобретения: в высоковольтном формирователе импульсов, содержащем генератор импульсов, импульсный трансформатор, стабилизатор напряжения параллельного типа, включающий в себя транзисторный усилитель с делителем напряжения и нагрузкой, блок задержки и тиристор, между делителем напряжения и базой усилительного транзистора включен разделительный конденсатор, а между базой усилительного транзистора и земляной шиной включена цепочка, состоящая из последовательно соединенных высокочастотного диода, ограничительного резистора и источника питания постоянного тока. Положительный эффект: при изменении выходного напряжения источника питания в высоковольтном формирователе импульсов на выходе нагрузки смещается диапазон несущих частот в течение импульса, что позволяет подстраивать частоту нагрузки под частоту потребителя мощности. 1 ил.

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к формирователям импульсов напряжения.

Известно устройство для коррекции плоской части мощных импульсов, выполненное по схеме активной коррекции, содержащее ламповый регулятор, усилитель в цепи обратной связи и источник фиксированного опорного напряжения, задающий уровень стабилизации. На анод лампового регулятора подается амплитуда импульсного напряжения. Недостатки схемы: большие габариты, высокая стоимость лампы, малый срок службы лампы (500-1000 ч), большая потребляемая мощность электроэнергии, большая величина снижения напряжения на плоской части к концу импульса, отсутствие возможности регулировки амплитуды импульса.

Известна схема генератора мощных импульсов, содержащая дроссели резонансного заряда, формирующую линию, синхронизатор, коммутирующий тиратрон, импульсный трансформатор, параллельно первичной обмотке которого включен шунтирующий тиратрон, управляющий электрод которого соединен с выходом линии задержки. Схема предназначена для получения мощных импульсов с сокращенной длительностью среза заднего фронта импульса. Недостаток схемы заключается в том, что при использовании на высоких напряжениях она имеет большие габариты, накальные цепи требуют значительных расходов электроэнергии, для запуска тиратрона требуется мощный запускающий импульс, имеет место большая длительность среза заднего фронта импульса, отсутствие возможности регулировки амплитуды импульса.

Известен высоковольтный формирователь импульсов, содержащий генератор импульсов, один выход которого соединен через импульсный трансформатор с входами стабилизатора напряжения параллельного типа, выполненного на транзисторном усилителе, состоящем из регулирующего и усилительного транзисторов, делителя напряжения, первый и второй выводы которого соединены с зажимами для подключения нагрузки, второй выход генератора импульсов через элемент задержки соединен с управляющим выводом тиристора, параллельно соединенного с делителем напряжения, катод которого соединен с общей шиной.

Недостатком схемы является узкая область использования, так как отсутствуют возможности смещения диапазона несущих частот радиоимпульсов нагрузки (автогенератора).

Цель изобретения расширение области использования высоковольтного формирователя импульсов за счет осуществления регулировки амплитуды выходного напряжения.

Цель достигается тем, что в схему высоковольтного формирователя импульсов введены конденсатор и цепочка, состоящая из ограничительного резистора и высокочастотного диода, анод которого через ограничительный резистор соединен с одним выводом источника питания постоянного тока, другой вывод которого соединен с общей шиной, а катод высокочастотного диода соединен с базой усилительного транзистора стабилизатора напряжения и с одним из выводов разделительного конденсатора, другой вывод которого соединен со средним выводом делителя напряжения.

Сущность изобретения заключается в следующем. Изменением амплитуды выходного напряжения источника питания постоянного тока меняется режим работы усилительного транзистора, и, соответственно, амплитуда выходного напряжения формирователя импульсов, подаваемого на нагрузку (электронная лампа автогенератора), также изменяется.

Это приводит к тому, что смещается диапазон частот радиоимпульсов в течение импульса, который необходимо корректировать, так как частота автогенератора и резонансная частота потребителя высокочастотной мощности автогенератора, например ускоряющая система линейного ускорителя электронов (ЛУЭ), должны изменяться синхронно. Резонансная частота ускоряющей системы изменяется из-за нагрева стенок высокочастотной мощностью, подаваемой от автогенератора. По своей сути это схема электронной ручной подстройки частоты нагрузки (автогенератора) под резонансную частоту потребителя (ускоряющую систему линейного ускорителя).

Ручная подстройка частоты осуществляется, как правило, перемещением механического элемента, например подстроечного диска в объеме ускоряющей системы.

Цепочка, состоящая из источника питания постоянного тока, ограничительного резистора, диода используется в вычислительной технике. Различие используемой и предлагаемой схем заключается в следующем. В известной работе источник импульсного напряжения через диод подключается в цепочку между ограничительным резистором и диодом, а в предлагаемой схеме непосредственно к базе усилительного транзистора. В схеме работы отсутствует так же разделительный конденсатор.

Назначение схем также различно. В известной работе цепочка используется в диодно-транзисторной логике, а в предлагаемой схеме цепочка совместно с разделительным конденсатором используется в высоковольтном формирователе импульсов для смещения диапазона несущих частот радиоимпульсов нагрузки (автогенератора).

Цепочка, состоящая из источника питания постоянного тока, ограничительного резистора, диода и разделительного конденсатора, ранее не использовалась, следовательно, отличие существенное.

Использование автоматической подстройки частоты (АПЧ) в схеме автогенератор ускоряющая система более удобно, чем ручная подстройка частоты (РПЧ). Однако в ЛУЭ ускоряющая система часто выполняется полностью паяной. Для работы же АПЧ нужно иметь для сравнения два сигнала: один с автогенератора, другой с ускоряющей системы, т.е. для этого в теле ускоряющей системы должен быть установлен элемент связи, например индуктивная петля для снятия сигнала. Установка петли существенно усложняет конструкцию ускоряющей системы, что нежелательно, так как это снижает ее надежность. Поэтому часто вместо АПЧ используется РПЧ, для которой установка элемента связи в теле ускоряющей системы не нужна.

На чертеже показан предлагаемый формирователь импульсов.

Схема высоковольтного формирователя импульсов напряжения положительной полярности состоит из генератора 1 импульсов, один вывод которого соединен с первичной обмоткой 3 импульсного трансформатора (ИТ) 2, второй конец которой подключен к общей шине (заземлен), вторичная обмотка ИТ содержит крайние выводы 4, 5 и средний вывод 6, которые соединены со стабилизатором 7 напряжения, крайний вывод 4 соединен с делителем 8, состоящим из резисторов 9, и с нагрузкой 10, противоположные концы делителя 8 и нагрузки 10 присоединены к общей шине, второй крайний вывод 5 ИТ через балластный резистор 11 соединен с общей шиной, средний вывод 6 ИТ соединен с общей шиной через последовательно соединенные дополнительный резистор 12 стабилитрон 13 с заземленным анодом и с эмиттером регулирующего транзистора 14, коллектор которого соединен с общей шиной, а база с коллектором транзистора 15, между базой усилительного транзистора 15 и резисторами 9 делителя 8 подключен разделительный конденсатор 21, эмиттер транзистора 15 подключен между стабилитроном 13 и дополнительным резистором 12. То есть регулирующий транзистор 14 и усилительный транзистор 15 включены по схеме с общим коллектором. Параллельно нагрузке 10 подсоединен тиристор 16, катод которого соединен с общей шиной, а анод подключен к концу нагрузки 10, соединенному с выводом 4 ИТ, а управляющий электрод тиристора через блок 17 формирователя импульсов задержки соединен с вторым выводом генератора 1 импульсов. Блок 17 формирования импульсов задержки состоит из дифференцирующей цепочки, включающей в себя конденсатор 18, резистор 19 и шунтирующий дифференцирующую цепочку диод 20. Между базой усилительного транзистора и земляной шиной включена цепочка, состоящая из последовательно соединенных в.ч. диода 22, катод которого подключен к базе транзистора, ограничительного резистора 23 и источника 24 питания постоянного тока с возможностью регулировки его выходного напряжения.

Формирователь импульсов работает следующим образом.

Опорным элементом является стабилитрон 13, анод которого заземлен, а катод стабилитрона через дополнительный резистор 12 подключен к среднему выводу вторичной обмотки ИТ 6. Тип стабилитрона выбирается из условия, что напряжение, снимаемое с делителя 8 на базу транзистора 15, например, равно опорному напряжению на стабилитроне, или, что то же самое, на эмиттере транзистора 15. Величина дополнительного резистора 12 определяется режимом работы стабилитрона. Функции регулирующего элемента выполняет транзистор 14, входящий в схему транзисторного усилителя, который в данном случае состоит из двух каскадов на транзисторах 14 и 15, включенных по схеме с общим коллектором. Транзистор 15 служит для усиления сигнала. Особенности схемы в том, что усилительный и регулирующий транзисторы имеют разные типы проводимостей, что позволяет упростить схему, так как исключаются дополнительные элементы для питания коллекторной цепи транзистора 15. Сам усилитель включен в цепи обратной связи ФИ. Схема делителя 8 выбирается из условия, чтобы, с одной стороны, он не шунтировал нагрузку 10, а с другой, чтобы были обеспечены требования по току и напряжению для создания требуемого режима работы транзистора 15. Транзисторы 14 и 15 должны обладать достаточным коэффициентом усиления. Балластный резистор 11 помещен в цепях для протекания токов, одна из которых включает в себя вторичную обмотку ИТ, нагрузку, делитель, балластный резистор вторичную обмотку ИТ. С этим током суммируется ток, протекающий по цепи: часть делителя, база-коллектор транзистора 15, база-коллектор транзистора 14, балластный резистор 11 вторичная обмотка ИТ.

Вторая цепь включает в себя часть вторичной обмотки ИТ (выводы 5 и 6), балластный резистор 11, коллектор-эмиттер транзистора 14 часть вторичной обмотки ИТ 2 (вывод 6), т.е. балластный резистор 11 является общим элементом двух цепей протекания токов, которые суммируются.

В качестве нагрузки может быть использована, например, электронная лампа автогенератора, на анод которой подается импульсный сигнал положительной полярности. Сопротивление нагрузки при работе не меняется практически.

С вторичной обмотки ИТ 2 снимаются импульсы с искаженной формой вершины. Это происходит потому, что на первичную обмотку ИТ 2 с модулятора импульсы поступают с искаженной формой вершины. Если, например, модулятор выполнен с частичным разрядом емкости, то форма вершины имеет вид экспоненты. Кроме того, свой вклад вносят индуктивность и емкость рассеяния обмоток ИТ 2.

Так как амплитуда импульса напряжения изменяется в течение импульса, то ток в нагрузке и, следовательно, в первой цепи меняется. Одновременно напряжение на базе транзистора 15 также меняется по отношению к опорному напряжению на эмиттере этого же транзистора. На базу регулирующего транзистора 14 с коллектора транзистора 15 поступает усиленный сигнал, пропорциональный коэффициенту усиления транзистора 15. Этот сигнал вызовет увеличение или уменьшение тока эмиттера регулирующего транзистора 14 в зависимости от величины сигнала во времени. В результате изменения токов эмиттера и нагрузки создается изменяющееся во времени падение напряжения на балластном резисторе 11, а амплитуда импульса напряжения в течение импульса на плоской части вершины остается близкой к постоянной.

Срез заднего фронта импульса осуществляется следующим образом. Импульс прямоугольной формы отрицательной полярности с генератора импульсов, например с подмодулятора, который входит в состав генератора импульсов, поступает на блок 17 формирования импульсов, где при прохождении через дифференциальную цепочку, состоящую из конденсатора 18 и вспомогательного резистора 19, разбивается на два импульса экспоненциальной формы противоположной полярности. Далее импульс отрицательной полярности диодом 20 срезается, а импульс положительной полярности поступает на управляющий электрод тиристора 16, который при этом включает в конце импульса тиристор 16 и отсекает его заднюю часть.

Время среза фронта импульса при наличии шунтирующего тиристора в несколько раз сокращается в сравнении со схемой формирователя импульса, который работает без него. Целесообразнее всего использовать тиристоры с малым временем включения (быстродействующие), так как время среза заднего фронта импульса для них наименьшее.

Особенностью формирователя импульсов является то, что опорное напряжение на стабилитроне сравнивается с частью выходного напряжения, снимаемого с делителя. Следовательно, могут быть использованы транзисторы, рассчитанные на рабочее напряжение, в несколько раз меньше, чем рабочее выходное напряжение U_вых ИТ, что позволяет сформировать импульсы с амплитудами, большими в несколько раз, чем рабочее напряжение транзисторов. Это повышает надежность схемы.

Изменение амплитуды анодного импульсного напряжения в течение импульса в нагрузке (в автогенераторе) приводит к изменению частоты автогенератора в течение импульса. Чем меньше величина снижения амплитуды напряжения на плоской части к концу импульса и чем короче длительность среза заднего фронта импульса, тем меньше изменение частоты автогенератора в течение импульса.

Установка разделительного конденсатора 21 предназначена для того, чтобы постоянное напряжение с цепочки, содержащей в.ч. диод 22, ограничительный резистор 23 и источник питания постоянного тока 24, не попадало в делитель 8 напряжения. Постоянное напряжение с блока 24 питания, которое регулируется в пределах от 0 до некоторого напряжения, через ограничительный резистор 23 и диод 22 подается на базу транзистора 15. Одновременно на базу транзистора 15 через разделительный конденсатор 21 с делителя 8 напряжения подается и импульсное напряжение. Эти два напряжения на базе транзистора 15 складываются, в результате чего изменяется режим работы транзистора и, следовательно, выходной ток усилительного транзистора 15 и, соответственно, выходное напряжение формирователя импульсов. То есть производится изменение напряжения, подаваемого на нагрузку (например, электронную лампу автогенератора) и, соответственно, диапазон частот радиоимпульсов в течение импульса смещается, так как частота автогенератора изменяется с изменением амплитуды напряжения, подаваемого с формирователя импульсов.

Источник 24 питания постоянного тока служит для подачи постоянного напряжения, резистор 23 служит для ограничения постоянного тока в цепи источник 24 питания база транзистора 15, диод 22 предназначен для развязки, чтобы импульсное напряжение не попало в источник 24 питания постоянного тока. Диод 22 должен выдерживать напряжение, снимаемое с делителя.

Использование вместо источника 24 питания постоянного тока источника питания переменного тока недопустимо, так как на базу усилительного транзистора 15 в этом случае будет подаваться пульсирующее напряжение, которое приведет к искажению плоской части вершины импульса и, соответственно, к расширению диапазона частот автогенератора в течение импульса, что в свою очередь будет являться причиной расширения спектра заряженных частиц, ускоряемых в ЛУЭ, за пределы технических требований.

Регулировка смещения диапазона частот радиоимпульсов нагрузки (автогенератора) необходима по следующим причинам. Высокочастотная мощность с нагрузки подается в клистрон, а из клистрона усиленная в.ч. мощность подается в ускоряющую систему ЛУЭ, в результате чего происходит нагрев последней и, соответственно, изменение резонансной частоты ускоряющей системы. Изменение частоты происходит сравнительно медленно (порядка нескольких часов), что позволяет вручную подстраивать частоту автогенератора под частоту ускоряющей системы. В данной схеме это достигается изменением выходного напряжения источника 24 питания постоянного тока.

Диапазон регулировки напряжения с источника 24 питания определяется диапазоном изменения резонансной частоты ускоряющей системы. При этом смещается и диапазон частот радиоимпульсов нагрузки (автогенератора). Однако разность частот (разница максимальной и минимальной частот) спектра радиоимпульсов в течение импульса не должна изменяться, т.е. величина снижения напряжения на плоской части к концу импульса и длительность среза заднего фронта импульса не должны практически меняться при регулировке выходного напряжения источника 24 питания. В данной схеме формирования импульсов эти требования выполняются.

В качестве индикатора при подстройке частоты нагрузки (автогенератора) под частоту ускоряющей системы могут служить, например, показания приборов, настроенных на измерения амплитуды падающей и отраженной волн в волноводе, установленных между автогенератором и ускоряющей системой. Известно, что при изменении частоты ускоряющей системы меняется и его входное сопротивление, а следовательно, и коэффициент стоячей волны (КСВ), величина которого вычисляется по измеренным значениям амплитуд падающей и отраженных волн. Оператор визуально наблюдает за изменением КСВ в тракте нагрузка (автогенератор) ускоряющая система ЛУЭ и соблюдает синхронизм частот нагрузки и ускоряющей системы путем регулировки выходного напряжения источника 24 питания постоянного тока. Могут быть использованы и другие схемы регистрации изменения частоты ускоряющей системы.

Подстройка частоты необходима для увеличения времени наработки ЛУЭ за счет сокращения времени холостого хода в течение протекания теплового переходного процесса ускоряющей системы. При наличии подстройки частоты практически сразу можно в ускоряющую систему ЛУЭ впрыскивать пучки заряженных частиц, ускорять их и выводить на мишень. Без подстройки частоты приходится ждать окончания теплового процесса в ускоряющей системе при подаче в.ч. мощности, который может длиться несколько часов, так как в течение этого времени спектр ускоряемых заряженных частиц в ЛУЭ не отвечает техническим требованиям.

Были проведены испытания предлагаемой схемы высоковольтного формирователя импульсов, включающего в себя стабилитрон типа Д816Г с напряжением стабилизации 39 В, транзистор 12 типа 2Т842А, транзистор 13 типа КТ605А, делитель на общее сопротивление 13кОм, нагрузка автогенератор на лампе ГИ-25А, балластный резистор на 50 Ом, ИТ рассчитан и изготовлен в лабораторных условиях на амплитуду импульсного напряжения 800 В, тиристор типа КУ236Б, разделительный конденсатор емкостью 6, 8 нФ, диод типа КД521, ограничительный резистор 510 Ом, источник питания постоянного тока типа Б5-30 с регулировкой выходного напряжения в пределах 2,5-50 В.

При подаче в.ч. мощности в ускоряющую систему ЛУЭР-40М ее частота изменялась в пределах 2449,943-2449,761 МГц в течение 3 ч, т.е. резонансная частота за время теплового переходного процесса изменилась на 0,182 МГц.

Изменение выходного напряжения источника постоянного тока в пределах 3-4,3 В приводит к тому, что на выходе нагрузки (автогенератора) частота в течение импульса в начале теплового переходного процесса изменялась в пределах 2449,943-2449,948 МГц, а в конце переходного процесса в пределах 2449,761-2449,768 МГц. То есть разница частот диапазона в течение импульса на выходе нагрузки в начале теплового процесса равна 0,005 МГц, а в конце переходного процесса 0,007 МГц, которые практически одинаковые и их различие укладывается в погрешность измерений. Выходное напряжение источника питания постоянного тока может регулироваться в более широких пределах, а именно в пределах 2,5-50 В. Следовательно, и сдвиг частот нагрузки может быть произведен в более широких пределах, чем изменяется резонансная частота ускоряющей системы.

Например, при изменении выходного напряжения источника питания в пределах 3-6,01 В на выходе нагрузки частота в течение импульса изменялась от 2449,943-2449,948 до 2449,755-2449,763 МГц. Однако для технических условий этого не требуется. Величина снижения напряжения на плоской части к концу импульса и время среза заднего фронта импульса в начале теплового процесса ускоряющей системы и в конце его не изменяются, что является причиной одинаковых диапазонов частот в течение импульса на выходе нагрузки в начале и в конце теплового переходного процесса. Величина снижения напряжения амплитудой 800 В на плоской части к концу импульса равна (2,5-2,56)˙10^-4 при длительности плоской части вершины импульса 13,2-13,4 мкс, время среза заднего фронта на уровне 0,9 от максимальной амплитуды импульса на выходе формирователя импульса равно 0,29-0,31 мкс.

Экономический эффект достигается за счет увеличения времени наработки ускорителя, например ЛУЭР-40М, в течение каждых суток.

Формула изобретения

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ, i-й выход которого соединен с содержащий генератор импульсов, один выход которого соединен через импульсный трансформатор с входами стабилизатора напряжения пареллельного типа, выполненного на транзисторном усилителе, состоящем из регулирующего и усилительного транзисторов, делителя напряжения, первый и второй выводы которого соединены с зажимами для подключения нагрузки, второй выход генератора импульсов через элемент задержки соединен с управляющим выводом тиристора, параллельно соединенного с делителем напряжения, катод которого соединен с общей шиной, отличающийся тем, что, с целью расширения области использования за счет осуществления регулировки амплитуды выходного напряжения формирователя импульсов, в него введены конденсатор и цепь, состоящая из ограничительного резистора и высокочастотного диода, анод которого через ограничительный резистор соединен с одним выводом источника питания постоянного тока, другой вывод которого соединен с общей шиной, а катод высокочастотного диода соединен с базой усилительного транзистора стабилизатора напряжения и с одним из выводов разделительного конденсатора, другой вывод которого соединен со средним выводом делителя напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1