Генератор импульсов высокого напряжения
Изобретение относится к импульсной технике, а именно к магнитным генераторам импульсов, и предназначено для генерирования импульсов высокого напряжения малой длительности высокой мощности для питания различных нагрузок. Технический результат заключается в повышении мощности и уменьшении длительности за счет предельного приближения накопителей энергии к нагрузке и предельного уменьшения индуктивностей в основных и во вспомогательных цепях. Генератор высоковольтных импульсов включает последовательно соединенные источник импульсов, импульсный трансформатор с цилиндрическим ферритовым сердечником, размещенным внутри токопровода, соединяющего один выход источника импульсов с концом первичной обмотки 5 импульсного трансформатора. Ее начало подключено к другому выходу источника импульсов. Обмотки импульсного трансформатора расположены соосно внутри вышеуказанного сердечника. Вторичная обмотка намотана на дополнительный сердечник и присоединена к нагрузке. Согласно изобретению в генератор дополнительно введен импульсный трансформатор с насыщающимся магнитопроводом, к первичной обмотке которого подключен выход источника импульсов. Выход вторичной обмотки подключен к началу первичной обмотки импульсного трансформатора и к токопроводу. Токопровод разделен на (n+1)-коаксиальных токопроводов, между которыми введены дополнительные изолированные цилиндрические или полосковые токопроводы, присоединенные, соответственно, одни к началу, а другие - к концу первичной обмотки импульсного трансформатора. Импульсный трансформатор снабжен n-обмотками, начала и концы которых присоединены к своим дополнительным токопроводам. Импульсный трансформатор с насыщающимся магнитопроводом снабжен n-вторичными обмотками. 1 ил.
Изобретение относится к импульсной технике, а именно к магнитным генераторам импульсов, и предназначено для генерирования импульсов высокого напряжения малой длительности высокой мощности для питания различных нагрузок.
Недостатками известных магнитных генераторов импульсов являются их значительные габариты и низкий к.п.д. В обзоре: Мешков А.Н. Магнитные генераторы мощных наносекундных импульсов.//ПТЭ №1, 1990 г., с.20-36 определены направления развития техники магнитных генераторов как на основе новой элементной базы, так и качественно новых методов построения схем.
Наиболее полно это положение (качественный новый метод построения схемы) реализовано в генераторе, описанном в патенте РФ №2189695 от 09.01.2001. МПК7 Н 03 К 3/53, опубл. 20.09.2002, Бюл. №26. Магнитный генератор импульсов содержит генератор исходных импульсов, выход которого присоединен к первичной обмотке насыщающегося трансформатора, его вторичная обмотка шунтирована вторым емкостным накопителем и соединена последовательно через насыщающийся дроссель, первый емкостной накопитель и первичную обмотку импульсного трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, причем насыщающийся дроссель имеет один виток, который размещен внутри сердечника и соосно его оси, а витки первичной обмотки импульсного трансформатора намотаны на сердечник насыщающегося дросселя, при этом насыщающийся трансформатор снабжен n-ветвями вторичной обмотки и соответственно первый и второй накопители разделены на n-одинаковых емкостных накопителей, соединенных своей ветвью первичной обмотки импульсного трансформатора. Разделение электрической цепи на n-цепей изменяет ее свойство - она становится канонической. Это применительно к магнитным генераторам позволяет повысить коэффициент сжатия звена, осуществить токоформирование в выходом каскаде - все это приводит к сокращению количества звеньев и элементов в генераторе, что повышает к.п.д., мощность и надежность генератора.
Однако недостатком этого генератора является относительно низкая мощность в импульсе, обусловленная значительным волновым сопротивлением дросселя, которое определяется его геометрическими размерами, обусловленные, в свою очередь, требуемым магнитным потоком импульсного трансформатора, поскольку у дросселя и импульсного трансформатора общий магнитопровод.
Этот недостаток устранен в генераторе высоковольтных импульсов, выбранном нами за прототип, описанном в патенте РФ №2181925 от 09.02.2000, МКИ7 Н 03 К 3/45, опубл. 27.04.2002, Бюл. №12. Генератор высоковольтных импульсов, включающий последовательно соединенные источник импульсов, импульсный трансформатор с цилиндрическим ферритовым сердечником, размещенным внутри токопровода, соединяющего один выход источника импульсов с концом первичной обмотки импульсного трансформатора, начало которой подключено к другому выходу источника импульсов. Обмотки импульсного трансформатора расположены соосно внутри вышеуказанного сердечника, причем вторичная обмотка намотана на дополнительный сердечник и присоединена к нагрузке. Размещение сердечника трансформатора внутри токопровода позволяет обеспечить необходимую площадь сердечника для потока импульсного трансформатора при малой толщине стенки сердечника, что обеспечивает низкое волновое сопротивление дросселя и, соответственно, потенциально обеспечивает высокую мощность генератора. Однако свойства элементов источника импульсов не позволяют эту возможность реализовать.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение мощности генератора и получение импульсов малой длительности.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, является генерирование импульсов высокой мощности и малой длительности, получаемые за счет предельного приближения накопителей энергии к нагрузке и предельного уменьшения индуктивностей в основных и во вспомогательных цепях.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном генераторе высоковольтных импульсов, включающем последовательно соединенные источник импульсов, импульсный трансформатор с цилиндрическим ферритовым сердечником, который размещен внутри токопровода, соединяющего один выход источника импульсов с концом первичной обмотки импульсного трансформатора, начало которой подключено к другому выходу источника импульсов. Обмотки импульсного трансформатора расположены соосно внутри вышеуказанного сердечника, причем вторичная обмотка намотана на дополнительный сердечник и присоединена к нагрузке. Согласно изобретению, в генератор дополнительно введен импульсный трансформатор с насыщающимся магнитопроводом, к первичной обмотке которого подключен выход источника импульсов, а выход вторичной обмотки подключен к началу первичной обмотки импульсного трансформатора и к токопроводу. При этом токопровод разделен на (n+1)-коаксиальных токопроводов, между которыми введены дополнительные изолированные цилиндрические или полосковые токопроводы, присоединенные, соответственно, одни к началу, а другие - к концу первичной обмотки импульсного трансформатора. Импульсный трансформатор снабжен n-обмотками, начала и концы которых присоединены к своим дополнительным токопроводам, а импульсный трансформатор с насыщающимся магнитопроводом снабжен при этом n-вторичными обмотками.
При этом токопроводы по краям и по середине точечно симметрично соединены между собой, а вторичные обмотки импульсного трансформатора с насыщающимся магнитопроводом содержат по две ветви, размещенные симметрично относительно начал (концов) на магнитопроводе.
Разделение токопровода на (n+1)-коаксиальных токопроводов и введение между ними дополнительных изолированных изоляцией коаксиальных или полосковых токопроводов позволяет создать накопитель энергии, предельно приближенный к нагрузке, и в n-раз уменьшить его волновое сопротивление. Точечное и симметричное соединение токопроводов по краям и по середине позволяет реализовать короткое время пробега электромагнитной волны по накопителю при формировании импульса. Введение в генератор импульсов импульсного трансформатора с насыщающимся магнитопроводом позволяет снизить влияние свойств источника импульсов на параметры генерируемого импульса, а выполнение вторичной обмотки импульсного трансформатора с насыщающимся магнитопроводом из n-обмоток, каждая из них содержат по две ветви, размещенные симметрично относительно начал (концов) на магнитопровод позволяет уменьшить величину индуктивности ˜ в 2n раз и равномерно распределить потенциалы по магнитопроводу, что обеспечивает высокую надежность импульсного трансформатора с насыщающимся магнитопроводом.
На чертеже приведена схема предложенного генератора. Генератор импульсов высокого напряжения содержит источник импульсов 1, содержащий последовательно соединенные коммутатор 1.1 и конденсатор 1.2, выход источника 1 подключен к первичной обмотке трансформатора 2 с насыщающимся магнитопроводом, вторичная обмотка которого разделена на n-обмоток 2.2.1...2.2.n и подключена к токопроводу 3 и к началу первичной обмотки импульсного трансформатора. Токопровод 3 является корпусом генератора, внутри токопровода 3 размещен цилиндрический ферритовый сердечник 4, обмотки импульсного трансформатора 5, 6 расположены соосно внутри сердечника, при этом вторичная обмотка 6 импульсного трансформатора намотана на дополнительный сердечник 7 и подключена к нагрузке 8, причем токопровод 3 разделен на (n+1) коаксиальных токопроводов 3.1...3.n+1, между которыми введены дополнительные изолированные изоляцией 9 цилиндрические или полосковые токопроводы 10.1...10.n, 11.1...11.n, присоединенные, соответственно, одни к началу, а другие - к концу первичной обмотки 5 импульсного трансформатора. При этом импульсный трансформатор содержит n первичных обмоток 5.1...5.n. Токопроводы по концам и по середине точечно и симметрично соединены между собой.
Работа генератора импульсов высокого напряжения осуществляется следующим образом. После заряда от внешнего источника 12 накопительного конденсатора 1.2 срабатывает коммутатор 1.1 и накопительный конденсатор 1.2 разряжается на первичную обмотку 2.1 импульсного трансформатора с насыщающимся магнитопроводом 2, во вторичной обмотке 2.2.1...2.2.n которого индуцируется напряжение, под действием которого заряжаются накопители, образованные разделенным токопроводом 3 и дополнительными изолированными изоляцией 9 токопроводами 10 и 11. После того, как напряжение на накопителях достигнет максимальной величины, сердечник импульсного трансформатора с насыщающимся магнитопроводом 2 насыщается и накопитель, образованный токопроводами 3 и 10 перезаряжается сам на себя практически до такого же напряжения. По окончании перезаряда накопители, образованные токопроводом 3 и дополнительными токопроводами 10 и 11, оказываются включенными униполярно и последовательно по отношению к токопроводу 3 и к первичной обмотке 5. По токопроводу 3 начинает распространяться волна тока, образуется ударная электромагнитная волна, сердечник 4 насыщается и накопители подключаются к обмотке 5 и разряжаются на нагрузку 8 через импульсный трансформатор.
Генератор импульсов высокого напряжения, содержащий источник импульсов, состоящий из последовательно соединенных заряжаемого от внешнего источника накопительного конденсатора и коммутатора, импульсный трансформатор с обмотками, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, токопровод, отличающийся тем, что он снабжен импульсным трансформатором с насыщающимся сердечником, к первичной обмотке которого подключен выход источника импульсов, а выход его вторичной обмотки, разделенной на n вторичных обмоток, - к началу первичной обмотки импульсного трансформатора и к токопроводу, причем обмотки импульсного трансформатора расположены соосно внутри его цилиндрического ферритового сердечника, его первичная обмотка разделена на n первичных обмоток, а его вторичная обмотка намотана на дополнительный сердечник, токопровод разделен на (n+1) коаксиальных токопроводов, между которыми введены n дополнительных изолированных цилиндрических или полосковых токопроводов, присоединенных соответственно к началам и к концам n первичных обмоток импульсного трансформатора и образующие накопители, включенные униполярно и последовательно по отношению к токопроводу и первичной обмотке импульсного трансформатора.
