Генератор с умножением напряжения

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано для получения импульсных напряжений. Достигаемый технический результат - получение импульсных напряжений с амплитудой 10⁵ В и выше при частотах следования импульсов до 10⁵ Гц. Генератор с умножением напряжения содержит источник выпрямленного напряжения, тиратрон, n дополнительных тиратронов, дроссель резонансной зарядки, зарядные диоды, накопительные конденсаторы, нагрузку с параллельно подключенной шунтирующей индуктивностью, резисторы, каждый из которых включен между катодом и управляющим электродом соответствующего тиратрона, источники питания, развязывающий фильтр, генератор импульсов запуска, источник отрицательного смещения, проходные конденсаторы. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано для получения импульсных напряжений с амплитудой ˜ 10⁵ В и выше при частоте следования импульсов до 10⁴-10⁵ Гц.

Известен генератор с умножением напряжения (генератор Аркадьева-Маркса), содержащий несколько конденсаторов (в общем случае n) и соответствующее количество разрядников. Конденсаторы соединяются параллельно и заряжаются от источника выпрямленного напряжения через зарядные сопротивления R до напряжения U. Если замкнуть одновременно все разрядники, то конденсаторы соединяются последовательно и на нагрузке образуется импульс с амплитудой, близкой к nU. Сопротивления R служат развязкой по импульсному напряжению и выбираются исходя из условия RC≫t_p.В свою очередь, длительность импульса t_p определяется величиной емкости в "ударе" С/n и сопротивлением нагрузки R_H. Обычно для инициации разряда в первом разряднике применяется дополнительный электрод или подсветка промежутка между дополнительным электродом и катодом разрядника ионизирующим излучением. Все остальные разрядники пробиваются последовательно в результате перенапряжения в разрядном промежутке [Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Советское радио, 213 стр., 1974]. Недостатком известного генератора является то, что он используется для получения импульсных напряжений с амплитудой 10⁵-10⁶ В и выше только при низких частотах срабатывания разрядников ˜ 10-10² Гц, что определяется временем восстановления электрической прочности разрядников.

Известен генератор с умножением напряжения (генератор Аркадьева-Маркса), где в качестве первого разрядника используется тиратрон, что обеспечивает высокую точность срабатывания [Иванов С.Н., Шунайлов С.А. Генераторы высоковольтных импульсов с субнаносекундным фронтом и повышенной точностью срабатывания. //Приборы и техника эксперимента, №3, С.72-75 (2000)]. Недостатком известного генератора является то, что он используется для получения импульсных напряжений с амплитудой 10⁵-10⁶ В и выше только при низких частотах срабатывания разрядников ˜ 10-10 Гц, что определяется временем восстановления электрической прочности разрядников.

Известен генератор с умножением напряжения, содержащий нагрузку с параллельно подключенной шунтирующей индуктивностью, один из концов которой заземлен, источник выпрямленного напряжения, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительный конденсатор, тиратрон с резистором, включенным между катодом и управляющим электродом - сеткой тиратрона, генератор импульсов запуска, проходной конденсатор, источник отрицательного смещения, источник питания. Дроссель резонансной зарядки через свою последовательно соединенную цепь, состоящую из дросселя резонансной зарядки, зарядного диода и накопительного конденсатора, соединен с анодом тиратрона и нагрузкой. Генератор импульсов запуска своим выходом электрически связан через проходную емкость с управляющим электродом - сеткой тиратрона. К управляющему электроду - сетке тиратрона - подключен источник отрицательного смещения. Между катодом тиратрона, с одной стороны, и подогревателем катода тиратрона и генератором водорода тиратрона, с другой стороны, выходом подключен источник питания. Источник выпрямленного напряжения одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом тиратрона и заземленным концом нагрузки. [Исаев А.А., Леммерман Г.Ю. Схемы питания импульсных лазеров на парах металлов. //Лазеры на парах металлов и их галогенидов. М.: Наука, тр. ФИАН; Т.181, С.164-179, 1987 г.].

Недостатком известного генератора является то, что он используется для получения импульсных напряжений с амплитудой, не превышающей допустимое напряжение на аноде тиратрона (указано в паспорте на конкретный тип тиратрона) при частотах следования до 10⁵ Гц.

Техническим результатом изобретения является получение импульсных напряжений с амплитудой ˜ 10⁵ В и выше при частотах следования импульсов до 10⁵ Гц.

Технический результат достигается тем, что в генератор с умножением напряжения, содержащий нагрузку с параллельно подключенной шунтирующей индуктивностью, один из концов которой заземлен, источник выпрямленного напряжения, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительный конденсатор, тиратрон, соединенный с резистором, причем резистор включен между катодом и управляющим электродом - сеткой тиратрона, генератор импульсов запуска, проходной конденсатор, источник отрицательного смещения, источник питания, причем дроссель резонансной зарядки соединен с анодом тиратрона через цепь, состоящую из последовательно соединенных зарядного диода и накопительного конденсатора, а генератор импульсов запуска своим выходом электрически связан через проходной конденсатор с управляющим электродом - сеткой тиратрона и к управляющему электроду - сетке тиратрона, подключен источник отрицательного смещения, а к катоду тиратрона подключен источник питания, источник выпрямленного напряжения одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом тиратрона и заземленным концом нагрузки, дополнительно введены n накопительных конденсаторов, где n=1, 2, 3,..., такое же количество зарядных диодов, тиратронов, резисторов, индуктивностей, проходных конденсаторов, развязывающих фильтров, источников питания. Причем к аноду каждого дополнительного тиратрона подключен свой накопительный конденсатор и к каждому дополнительному тиратрону подключен свой резистор, который включен между катодом и управляющим электродом - сеткой тиратрона, а все тиратроны, соединенные со своими накопительными конденсаторами, включены последовательно между собой, при этом анод тиратрона через свой накопительный конденсатор соединен с катодом первого дополнительного тиратрона, анод которого через свой накопительный конденсатор соединен с катодом следующего дополнительного тиратрона, а анод последнего n-го дополнительного тиратрона через свой накопительный конденсатор подключен к незаземленному концу нагрузки. При этом анод каждого дополнительного тиратрона подключен через свой зарядный диод к дросселю резонансной зарядки, а управляющий электрод - сетка дополнительного тиратрона через свой дополнительный проходной конденсатор соединена с заземленным концом нагрузки. При этом управляющие электроды - сетки всех тиратронов соединены также последовательно между собой через дополнительные индуктивности, а к катоду каждого дополнительного тиратрона подключен свой источник питания через развязывающий фильтр, который выполнен в виде двух индуктивностей и развязывающего конденсатора, одна из индуктивностей фильтра включена между катодом дополнительного тиратрона и заземленным концом нагрузки, а вторая - одним концом соединена с катодом дополнительного тиратрона, а вторым концом через развязывающий конденсатор соединена с заземленным концом нагрузки, при этом источник питания подключен параллельно развязывающему конденсатору. Кроме того, в генератор с умножением напряжения введены дополнительно индуктивности развязки, при этом одна из которых подсоединена в цепь между зарядным диодом и анодом тиратрона, а другие индуктивности развязки подсоединены по одной в каждую цепь между зарядным диодом и анодом дополнительных тиратронов. А также в него введены дополнительно обостряющие конденсаторы, при этом один из которых подсоединен параллельно резистору в цепь управляющий электрод - сетка тиратрона и катод тиратрона, а другие обостряющие конденсаторы подсоединены параллельно резистору по одному в цепь управляющий электрод - сетка дополнительного тиратрона и катод дополнительного тиратрона, а две индуктивности развязывающего фильтра выполнены со встречной намоткой на ферритовом сердечнике.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами. На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства. На фиг.2 приведена блок-схема предлагаемого устройства с индуктивностью развязки в зарядной цепи накопительного конденсатора. На фиг.3 приведена блок-схема предлагаемого устройства с обостряющим конденсатором на управляющем электроде - сетке тиратрона.

На фиг.1, 2 и 3 изображены: источник выпрямленного напряжения - 1; генератор импульсов запуска - 2; источник отрицательного смещения - 3; источник питания - 4; дроссель резонансной зарядки - 5; зарядные диоды - 6-6.n; накопительные конденсаторы - 7-7.n; тиратрон - 8; дополнительные тиратроны - 8.1-8.n; резисторы - 9-9.n; проходной конденсатор - 10; дополнительные проходные конденсаторы - 11.1-11.n; дополнительные индуктивности - 12.1-12,n; шунтирующая индуктивность - 13; нагрузка -14; развязывающий фильтр, состоящий из индуктивностей - 15 и 16, и развязывающего конденсатора - 17; индуктивности развязки - 18 - 18.n; обостряющий конденсатор - 19-19.n.

Параллельно нагрузке 14 подключена шунтирующая индуктивность 13, один из концов которой заземлен. Дроссель резонансной зарядки 5 через свою последовательно соединенную цепь, состоящую из дросселя резонансной зарядки 5, зарядного диода 6 и накопительного конденсатора 7, соединен с анодом тиратрона 8. Генератор импульсов запуска 2 своим выходом электрически связан через проходной конденсатор 10 с управляющим электродом - сеткой тиратрона 8. Между сеткой и катодом тиратрона 8 включен резистор 9. К управляющему электроду - сетке тиратрона 8 - подключен источник отрицательного смещения - 3, а к катоду тиратрона 8 одним выходом и подогревателю катода тиратрона и генератору водорода тиратрона другим выходом подключен источник питания - 4. Источник выпрямленного напряжения - 1 одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки 5, а другим - с катодом тиратрона 8 и заземленным концом нагрузки 14. К аноду каждого дополнительного тиратрона 8.1-8.n подключен свой накопительный конденсатор 7.1-7.n. Все дополнительные тиратроны 8.1-8.n со своими накопительными конденсаторами 7.1-7.n включены последовательно между собой, и соединены катодом первого дополнительного тиратрона 8.1 с накопительным конденсатором 7, а n-ым дополнительным накопительным конденсатором 7.n подключены к незаземленному концу нагрузки 14. Между сеткой и катодом каждого дополнительного тиратрона 8.1-8.n включен свой резистор 9.1-9.n. Анод каждого дополнительного тиратрона 8.1-8.n подключен через свой зарядный диод 6.1-6.n к дросселю резонансной зарядки 5. Сетки дополнительных тиратронов 8-8.n через свой дополнительный проходной конденсатор 11.1-11.n соединены с заземленным концом нагрузки 14, при этом сетки всех тиратронов 8-8.n соединены между собой через последовательно соединенные дополнительные индуктивности 12.1-12.n. К катоду каждого дополнительного тиратрона 8.1-8.n, подогревателю катода и генератору водорода дополнительного тиратрона 8.1-8.n подключен свой источник питания - 4 через развязывающий фильтр, который может быть выполнен в виде двух индуктивностей 15 и 16, одна из которых включена между катодом дополнительного тиратрона и заземленным концом нагрузки 14, а вторая одним концом соединена с подогревателем катода и генератором водорода дополнительного тиратрона, а вторым концом через развязывающий конденсатор 17 соединена с заземленным концом нагрузки 14, при этом источник питания - 4 подключен параллельно развязывающему конденсатору 17.

Генератор с умножением напряжения работает следующим образом. От источника выпрямленного напряжения 1 осуществляется параллельный заряд всех накопительных конденсаторов 7-7.n через дроссель резонансной зарядки 5 и свою последовательно соединенную цепь для каждого накопительного конденсатора 7-7.n, состоящую из общего дросселя резонансной зарядки 5, зарядного диода 6-6.n, накопительного конденсатора 7-7.n и индуктивности 15 и шунтирующую индуктивность 13. В результате этого процесса все накопительные конденсаторы 7-7.n заряжаются до удвоенного напряжения относительно напряжения на источнике выпрямленного напряжения 1. После заряда накопительных конденсаторов 7-7.n на сетку тиратрона 8 поступает импульс запуска через проходной конденсатор 10 от генератора импульсов запуска 2. При этом тиратрон 8 открывается и накопительный конденсатор 7 начинает частично разряжаться по цепи тиратрон 8, проходной конденсатор 11.1, резистор 9.1 на сетке дополнительного тиратрона 8.1. При этом дополнительный тиратрон 8.1 открывается. Накопительные конденсаторы 7 и 7.1 включаются последовательно и начинают частично разряжаться по цепи: тиратрон 7, дополнительный тиратрон 7.1, проходной конденсатор 11.2, резистор 9.2 на сетке дополнительного тиратрона 8.2. При этом дополнительный тиратрон 8.2 открывается. Накопительные конденсаторы 7, 7.1 и 7.2 включаются последовательно. И этот цикл продолжается, пока не откроется последний дополнительный тиратрон 7.n. В итоге, когда все тиратроны 8-8.n открыты, то накопительные конденсаторы 7-7.n соединяются последовательно и на нагрузке 14 формируется импульс возбуждения с амплитудой напряжения ˜ 2(n+1)U, где - U напряжение на источнике выпрямленного напряжения 1. После разряда накопительных конденсаторов 7 -7.п весь цикл повторяется с частотой следования, которая задается генератором импульсов запуска 2. Для надежного восстановления электрической прочности тиратронов после разряда накопительных конденсаторов, к сетке тиратронов подключен источник отрицательного смещения 3. Для того чтобы при этом не осуществлялось шунтирование тиратронов 8-8.n во время разряда накопительных конденсаторов 7-7.n, между сетками тиратронов 8-8.n включены дополнительные индуктивности 12.1-12. n˜100 мкГн каждая. На время формирования импульса возбуждения все дополнительные тиратроны 8.1-8.n оказываются под импульсным потенциалом импульса возбуждения. В этом случае, чтобы обеспечить работоспособность дополнительных тиратронов 8.1-8.n, источники питания 4 подогревателя катода и генератора водорода дополнительных тиратронов 8.1-8.n подключены к последним через развязывающий фильтр, состоящий из индуктивностей 15 и 16˜100 мкГн каждая и развязывающего конденсатора 17˜0,1 мкФ. Для снижения весогабаритных размеров развязывающий фильтр выполнен в виде двух индуктивностей 15 и 16˜100 мкГн со встречной намоткой на ферритовом сердечнике. Для исключения взаимовлияния тиратронов по питанию и снижению амплитуды импульса тока через зарядный диод 6-6.n во время разряда накопительного конденсатора каждый зарядный диод 6-6.n подключен к аноду соответствующего тиратрона 8-8.n через индуктивность развязки 18-18.n˜100 мкГн, как показано на фиг.2. Наличие импульса тока через зарядный диод во время разряда накопительного конденсатора обусловлено наличием собственной емкости дросселя резонансной зарядки 5 относительно земли, которая также заряжается до удвоенного напряжения относительно напряжения на источнике выпрямленного напряжения 1. При открывании тиратрона собственная емкость дросселя резонансной зарядки 5 перезаряжается через зарядный диод и тиратрон. Для надежного и устойчивого запуска всех тиратронов в генераторе с умножением напряжения параллельно каждому резистору 9-9.n в цепи сетка - катод тиратронов 8-8.n подключены обостряющие конденсаторы 19-19.n, как показано на фиг.3.

Катоды современных тиратронов выполняются термоэмиссионными. Поэтому для обеспечения работоспособности тиратрона необходимо разогреть катод тиратрона до рабочей температуры и обеспечить рабочее давление водорода в тиратроне. С этой целью к соответствующим электродам тиратрона (генератору водорода, подогревателю катода и катоду) подключают источник питания постоянного или переменного напряжения с номинальным рабочим напряжением ˜ 6,3 В. По этой причине в импульсных устройствах используются схемы с заземленным катодом тиратрона, чтобы источник питания находился под собственным потенциалом. В предлагаемом устройстве все дополнительные тиратроны 8.1-8.n оказываются под высоковольтным импульсным потенциалом. В предлагаемом устройстве осуществлена развязка источников питания 4 от высоковольтных импульсов возбуждения с помощью развязывающего фильтра. Если развязывающий фильтр выполнить в виде двух индуктивностей 15 и 16 величиной ˜ 100 мкГн со встречной намоткой на ферритовом сердечнике, например на ферритовом кольце, то за счет взаимоиндукции в обмотках достигается полная развязка источника питания 4 от потенциала импульса напряжения. Достижение технического результата в предлагаемом устройстве осуществляется за счет того, что за время действия импульса возбуждения индуктивности 15 и 16 развязывающего фильтра оказывают высокое реактивное сопротивление заряду развязывающего конденсатора 17 от импульса возбуждения.

Практическая реализация данного устройства была осуществлена в лазере на парах меди (ЛПМ) с одним дополнительным тиратроном ТГИ1-1000/25, т.е. в предлагаемом устройстве n=1. В качестве основного 8 и дополнительного 8.1 тиратронов использовались тиратроны ТГИ1-1000/25. В качестве нагрузки 14 использовалась промышленная лазерная трубка ГЛ-201 "Квант", рабочий канал которой изготовлен из алундовой керамики

- Al₂O₃ диаметром 20 мм и длиной 820 мм. В качестве источников питания 4 для каждого тиратрона 8 и 8.1 использовались промышленные трансформаторы ТН - 61/220 с номинальным напряжением на выходе ˜ 6,3 В. Развязывающий фильтр был выполнен в виде двух индуктивностей 15 и 16 величиной ˜ 100 мкГн со встречной намоткой на ферритовом кольце диаметром 120 мм. В качестве развязывающего конденсатора 17 использовался конденсатор К78-2 - 0,1 мкФ - 1000 В. Дроссель резонансной зарядки 5 представлял собой секционированную катушку с индуктивностью ˜ 0, 3 Гн. Зарядные диоды 6 и 6.1 собирались из 20 последовательно соединенных диодов КД226Д. В качестве накопительных конденсаторов 7 и 7.1 использовались конденсаторы типа КВИ3 - 2200 пФ; проходной конденсатор 10 - К78-2 - 0,01 мкФ - 1,6 кВ; дополнительный проходной конденсатор 11.1 - КВИ1 - 100 пФ - 20 кВ; дополнительные индуктивности 12.1˜100 мкГн; шунтирующая индуктивность 13˜100 мкГн; индуктивности развязки 18-18.1˜ 100 мкГн; обстряющие конденсаторы 19-19.1 - КВИ3-1000 пФ - 12 кВ.

В этой схеме возбуждения была получена средняя мощность генерации ЛПМ 14 Вт при частоте следования импульсов (ЧСИ) генерации 11 кГц. Длительность импульса возбуждения и генерации по полувысоте составляли 90 нс и 20 нс соответственно, потребляемая мощность от выпрямителя 3,5 кВт при напряжении на аноде каждого тиратрона ˜ 13 кВ и суммарном 26 кВ, обратном напряжении на аноде каждого из тиратронов ˜ 2,5 кВ. Генерация наблюдалась с задержкой 40 нс от начала импульса возбуждения. При напряжения на аноде каждого тиратрона ˜ 15 кВ и суммарном 30 кВ и ЧСИ генерации 8 кГц средняя мощность генерации составляла 18 Вт.

Данное техническое решение позволяет значительно расширить функциональные возможности генераторов с умножением напряжения. Представляет интерес для создания импульсных систем в лазерной и ускорительной технике.

1. Генератор с умножением напряжения, содержащий нагрузку с параллельно подключенной шунтирующей индуктивностью, один из концов которой заземлен, источник выпрямленного напряжения, дроссель резонансной зарядки, зарядный диод, накопительный конденсатор, тиратрон, соединенный с резистором, причем резистор включен между катодом и управляющим электродом-сеткой тиратрона, генератор импульсов запуска, проходной конденсатор, источник отрицательного смещения, источник питания, причем дроссель резонансной зарядки соединен с анодом тиратрона через цепь, состоящую из последовательно соединенных зарядного диода и накопительного конденсатора, а генератор импульсов запуска своим выходом электрически связан через проходной конденсатор с управляющим электродом-сеткой тиратрона и к управляющему электроду-сетке тиратрона подключен источник отрицательного смещения, а к катоду тиратрона подключен источник питания, источник выпрямленного напряжения одним своим выходом связан с входом дросселя резонансной зарядки, а другим - с катодом тиратрона и заземленным концом нагрузки, отличающийся тем, что в него введены дополнительно n накопительных конденсаторов, где n=1, 2, 3,..., такое же количество зарядных диодов, тиратронов, резисторов, индуктивностей, проходных конденсаторов, развязывающих фильтров, источников питания, причем к аноду каждого дополнительного тиратрона подключен свой накопительный конденсатор и к каждому дополнительному тиратрону подключен свой резистор, который включен между катодом и управляющим электродом - сеткой тиратрона, а все тиратроны, соединенные со своими накопительными конденсаторами, включены последовательно между собой, при этом анод тиратрона через свой накопительный конденсатор соединен с катодом первого дополнительного тиратрона, анод которого через свой накопительный конденсатор соединен с катодом следующего дополнительного тиратрона, а анод последнего n-го дополнительного тиратрона через свой накопительный конденсатор подключен к незаземленному концу нагрузки, при этом анод каждого дополнительного тиратрона подключен через свой зарядный диод к дросселю резонансной зарядки, а управляющий электрод-сетка дополнительного тиратрона через свой дополнительный проходной конденсатор соединена с заземленным концом нагрузки, при этом управляющие электроды-сетки всех тиратронов соединены также последовательно между собой через дополнительные индуктивности, а к катоду каждого дополнительного тиратрона подключен свой источник питания через развязывающий фильтр, который выполнен в виде индуктивностей и развязывающего конденсатора, одна из индуктивностей фильтра включена между катодом дополнительного тиратрона и заземленным концом нагрузки, а вторая - одним концом соединена с катодом дополнительного тиратрона, а вторым концом через развязывающий конденсатор соединена с заземленным концом нагрузки, при этом источник питания подключен параллельно развязывающему конденсатору.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в него введены дополнительно индуктивности развязки, при этом одна из которых подсоединена в цепь между зарядным диодом и анодом тиратрона, а другие индуктивности развязки подсоединены по одной в каждую цепь между зарядным диодом и анодом дополнительного тиратрона.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в него введены дополнительно обостряющие конденсаторы, при этом один из которых подсоединен параллельно резистору в цепь управляющий электрод-сетка тиратрона и катод тиратрона, а другие обостряющие конденсаторы подсоединены параллельно резистору по одному в цепь управляющий электрод-сетка дополнительного тиратрона и катод дополнительного тиратрона.

4. Генератор по п.2, отличающийся тем, что в него введены дополнительно обостряющие конденсаторы, при этом один из которых подсоединен параллельно резистору в цепь управляющий электрод-сетка тиратрона и катод тиратрона, а другие обостряющие конденсаторы подсоединены параллельно резистору по одному в цепь управляющий электрод-сетка дополнительного тиратрона и катод дополнительного тиратрона.

5. Генератор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что две индуктивности развязывающего фильтра выполнены со встречной намоткой на ферритовом сердечнике.