Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

420

Глава 20.

Полупроводниковые

импульсные

включающие

коммутаторы

усиление мощности импульса, поскольку энергия из такой системы выводится в

нагрузку за существенно меньший промежуток времени.

В первых экспериментах по использованию 808-эффекта для генерирования

импульсов был реализован режим усиления мощности генератора Маркса преры-

вателем тока на основе высоковольтных выпрямительных диодов [5]. Генератор

Маркса имел разрядную емкость 0,13 мкФ и напряжение холостого хода 150 кВ.

Прерыватель тока 808 был собран из шестидесяти четырех диодов СДЛ-0,4-1300

(шестнадцать параллельных ветвей по четыре последовательных диода). Ток пря-

мой накачки прерывателя тока достигал 25 кА, обратной - 20 кА. Время ввода об-

ратного тока составляло 300-400 не. При этих условиях при обрыве тока на на-

грузке величиной 100 Ом формировались импульсы напряжения с амплитудой до

400 кВ и длительностью на полувысоте 40-60 не. В другой модификации прерыва-

тель тока имел двадцать параллельных ветвей из тех же диодов. На нагрузке

150 Ом были получены импульсы с амплитудой 420 кВ при напряжении холостого

хода генератора Маркса 150 кВ. На нагрузке К

=5,5 Ом амплитуда импульса со-

ставляла 160 кВ при времени нарастания тока 32 не. В этом эксперименте для по-

лупроводниковых прерывателей тока были достигнуты рекордные значения по

разрывной мощности и скорости ввода тока в нагрузку, которые соответственно

составляли 5 ГВт и 10

А/с. При минимальной индуктивности разрядного контура

(без добавочной индуктивности) и включении генератора Маркса непосредственно

на ту же нагрузку (5,5 Ом) без прерывателя тока время нарастания тока в нагрузке

составляло 180 не при амплитуде тока 25 кА. Таким образом, применение полу-

проводникового прерывателя тока на выпрямительных диодах позволило увели-

чить скорость ввода тока

нагрузку примерно в 7 раз.

В работах [5, 20] приведено описание разработанных наносекундных генерато-

ров и ускорителей с полупроводниковым прерывателем тока на основе промыш-

ленных полупроводниковых выпрямительных диодов, работающих в режиме 808-

эффекта. В качестве питающих устройств использовались емкостные генераторы

на основе схемы Маркса, а также одно- и двухконтурные схемы накачки. Генерато-

ры имели выходное напряжение от 150 до 450 кВ и отличались друг от друга по

величине запасаемой энергии на 3 порядка.

На рис. 13 приведены электрическая схема и осциллограмма выходного импуль-

са напряжения малогабаритного генератора, представляющего собой портативный

808

-ЛАА/У

-04-

808

-160

1-:

0 10 20 30

I [не]

Рис. 21.13.

Схема и осциллограмма выходного импульса малогабаритного генератора. Накач-

ка - генератор Маркса

21.5 Мощные наносекундные

импульсные

устройства на основе 808-диодов

421

переносной блок массой 10 кг и длиной 600 мм. Генератор Маркса содержит четы-

ре ступени с индуктивной развязкой, которые в импульсном режиме за 20 мкс за-

ряжаются до напряжения 18 кВ от тиристорного зарядного устройства. Выходные

параметры генератора: емкость 0,85 нФ, напряжение 70 кВ, запасаемая энергия

2 Дж. Индуктивность Ь^ промежуточного накопителя в одноконтурной схеме на-

качки прерывателя - 2,5 мкГн. При включении генератора Маркса импульс прямой

накачки 808 длится 150 не, обратной - 80 не. Обрыв тока происходит за время

около 10 не, что приводит к формированию на 180-омной нагрузке импульса на-

пряжения амплитудой 160 кВ и длительностью на полувысоте 10-12 не. Обрывае-

мый ток - около 1 кА. Прерыватель тока 808 собран из восьмидесяти восьми вы-

прямительных диодов КЦ105Д: четыре параллельных ветви по двадцать два диода

последовательно в каждой. Максимальная плотность тока в структуре при прямой

накачке - 15 кА/см

, перед обрывом тока - 12,5 кА/см

. Генератор выполнен в без-

масляном варианте, элементы выходного узла изолированы от корпуса съемным

экраном из нескольких слоев лавсановой пленки. Частота следования импульсов

устройства - 50 Гц.

Позже был разработан [21] более мощный сильноточный наносекундный уско-

ритель электронов с выходным напряжением до 450 кВ (рис. 14). Трехступенчатый

генератор Маркса имеет энергозапас 1,5 кДж при выходном напряжении 150 кВ.

Принципиальное отличие состоит в использовании двухконтурной накачки прерыва-

теля в режиме усиления обратного тока. Ускоритель размещен в металлическом кор-

пусе с размерами 1800x1000x800 мм

и массой 300 кг. Функцию промежуточного

индуктивного накопителя выполняют индуктивность генератора Маркса и индук-

тивность корпуса. Отсутствие сосредоточенных индуктивностей приводит к незна-

чительной величине напряжения на элементах конструкции относительно корпуса во

{б)

0,4

+ Накачка (+)

-о о-||-о о-)|ю

Генератор

Маркса (-)

—

'лУЧ

III

х-

1 >

* 1 1

* 1>

\к

1 1 1

—

'лУЧ

III

х-

1 >

* 1 1

* 1>

\к

1 1

0,4 0,8

I [мкс]

0,8 0,9

[мкс]

Рис. 21.14.

Схема ускорителя электронов с двухконтурной накачкой прерывателя тока

(а)

и ос-

циллограммы напряжения (сплошная

линия) и тока

(пунктирная

линия)

через прерыватель (б)

422

Глава 20.

Полупроводниковые

импульсные

включающие

коммутаторы

время прямой и обратной накачки 808, что позволяет эксплуатировать ускоритель

на воздухе без применения масла или сжатого газа. Вначале подключается конден-

сатор прямой накачки С

, что приводит к вводу прямого тока в прерыватель. Спус-

тя время задержки включается генератор Маркса и происходит ввод обратного

тока в прерыватель, величина которого примерно в 4-5 раз превышает величину

прямого тока. Последующий обрыв тока за время Г

приводит к формированию

импульса высокого напряжения на диоде ускорителя и генерации электронного

пучка. Основными параметрами, определяющими выходную мощность импульса и

коэффициент перенапряжения в этой схеме, являются величина емкости С

и вре-

мя задержки г

. Максимальные перенапряжения достигались при С

= 0,05 мкФ

и времени задержки /

около 0,75 , где - половина периода колебания тока

в контуре прямой накачки. Коэффициент перенапряжения достигал величины

3,3-3,5. Время обрыва тока лежало в диапазоне 30-70 не, обрываемый ток дости-

гал 45 кА при времени обратной накачки 200-400 не. Максимальная скорость вво-

да тока в нагрузку составила 2-Ю

А/с. Импульс напряжения имел длительность

на полувысоте 25-50 не с фронтом 10-15 не при амплитуде до 450 кВ. В диоде

был получен электронный пучок с максимальной энергией 400 кэВ, током 6 кА,

при длительности импульса на полувысоте 30 не. Прерыватель тока 808 содержал

90 диодов СДЛ-0,4-1600 с обратным напряжением 160 кВ. Конструктивно 808

состоял из двух параллельных панелей, каждая из которых содержала по пятна-

дцать параллельных ветвей из трех последовательно соединенных диодов. Плот-

ность тока прямой накачки достигала 1,8 кА/см

, обратной - 7,5 кА/см

После проведения экспериментальных и теоретических исследований 808-эф-

фекта и разработки первых мощных генераторов и ускорителей с использованием

для накачки полупроводникового прерывателя тока генераторов с искровыми раз-

рядниками стала очевидной возможность построения качественно новых мощных

наносекундных импульсных устройств, отличие которых от традиционных заклю-

чается в полностью твердотельной системе коммутации энергии с использованием

магнитных ключей. Подробнее об этом будет сказано в следующей главе.

Литература к главе 21

Тучкевич В.М., Грехов И.В.

Новые принципы коммутации больших мощностей полупро-

водниковыми приборами. Л.: Наука, 1988.

8сНоепЪасН

КН.,

ЬаМсма1а У.К., 8Хоий1

Э.С. е* а1. Е1ес1гоп-Веат-Соп1го11ес1 Ш^Ь-Ро^ег

БегтсопёисЮг 8луксЬез //

ШЕЕ Тгапз. Е1ес1гоп Эеуюез. 1989. Уо1. 36,

9, р11. Р.

1793-1802.

Еремин С.А., Мокеев О.К., Носов Ю.Р.

Полупроводниковые диоды с накоплением заряда

и их применение / Под ред. Ю.Р. Носова. М.: Сов. радио, 1966.

Грехов

И.В., Ефанов В.М.,

Кардо-Сысоев

А.Ф.,

Шендерей С.В.

Формирование высоко-

вольтных наносекундных перепадов напряжения на полупроводниковых диодах с дрей-

фовым механизмом восстановления напряжения // Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9, вып. 7.

С. 435-439.

Грехов И.В.

Генерирование мощных наносекундных импульсов с помощью

полупроводниковых размыкателей тока // Известия РАН, серия «Энергетика», 2002, №1.

С. 53-62.

5. Котов Ю.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н.,

Филатов

А.Л. Твердотельный прерыватель тока

для генерирования мощных наносекундных импульсов // Докл. РАН. 1993. Т. 330, № 3.

С. 315-317.

ОгекУюу

IV., Мезуа1з О.А. РЬузюа1 Ваз1з Гог №§Ь-Ролуег 8егтсопс1ис1ог Ыапозесопё

Орепт§ 8\уИсЬез // ШЕЕ ТгапзасИопз оп Р1азша 8с1епсе, 2000,

Уо1.

28, N 5,

Р.

1540-1544.

Литература

главе 19

3 85

7. Ьапёок-Воегпз*ет Митепса1 Ва*а

апс! Рипс1юпа1

КеЬйопзЫрз т 8аепсе апё ТесЬпо1о§у.

Уо1. 17, зиЬуо1. «а». РЬузюз оГ Огоир IV Е1етеп1з апё Ш-У Сотроипёз / Её. Ьу

О. Маёе1ип§. В.: 8рпп§ег, 1982.

8. Дарзнек С.А., Рукин С.Н,

Цыранов С.Н.

Влияние профиля легирования структуры на

процесс отключения тока в мощных полупроводниковых прерывателях // ЖТФ. 2000.

Т. 70, вып. 4. С. 59-62.

9. Рукин

С.Н.

Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми пре-

рывателями тока //

ПТЭ.

1999. № 4. С. 5-36.

10. Ваггпек

8.А., МезуаХз

О.А,

КиЫп

8.К,

Тзггапоу

8.К

ТЬеоге*юа1 Моёе1

о*ЧЬе 808 Ейес* //

Ргос. XI Ыегп. СопГ. оп НщЬ Ро^ег

РаЛю1е

Веатз. Рга§ие, 1996.

Уо1.

Р.

1241-1244.

11. Дарзнек С.А.,

Месяц Г.А.,

Рукин С.Н. Динамика электронно-дырочной плазмы в полу-

проводниковых прерывателях сверхплотных токов // ЖТФ. 1997. Т. 67, вып. 10.

С. 64-70. Рукин С.Н., Цыранов С.Н. Влияние объемного заряда на работу мощного

полупроводникового прерывателя тока

//'

Письма

ЖТФ. 2004. Т. 30, вып. 1. С. 43-50

12. Е/апоу УЖ,

Кагс1о-8узоеу

А.Е, Ьапопоу М.А. е* а1. Ро^егйЛ 8егшсопёис1ог 80 кУ

Ыапозесопё Ри1зег // Ргос. XI 1п*егп. ШЕЕ Ри1зеё Ро^ег СопГ. ВаШтоге, 1997. УЫ. 2.

Р. 985-987.

13.

СгекИоу

1.У Ме§а- апё 01§а^ай5-Кап§ез, КереИйуе Моёе 8егшсопёис*ог С1оз1п§ апё

Орепт§ 8^ксЬез //

1Ыё. Уо1.

Р.

425-429.

14. Пиапе

ЖЕ., Коп П. Ж.

Раз* Кесоуегу

Ер11:ах1а1

Вюёез // ШЕЕ 1пёиз1гу АррПсайоп 8ос1е*у.

Аппиа1

МееИп§. 1988. РаЛ

1. Р.

2-7.

15.

Потапчук

В.А., Мешков

О.М.

Силовые супербыстродействующие эпитаксиально-диф-

фузионные диоды // Электротехника. 1996. № 12. С. 14-16.

16.

АззаШ Н.В.,

ЕпЪоп

Ь.О., Жи

8.1 Ш§Ь Ро^ег

Соп1хо11ес1

8ой Кесоуегу Вюёе Вез1§п апё

АррИсайоп //

ШЕЕ 1пёиз*гу

АррНсайоп

8ос1е*у. Аппиа1

ЫееХгщ.

1979. Р.

1056-1061.

17.

СИи

С.К.,

ЗоУтзоп

ХЕ.,

8ргзак Р.В.,

Као

У.С.

Везщп Сопз1ёега1:юп оп №§Ь Ро^ег 8ой

Кесоуегу КесНйегз // ШЕЕ 1пёизйу АррНсайоп

8ос1е*у. Аппиа1

МееИп§. 1980.

Р.

720-722.

18. Дарзнек

С.А., Любутин

С.К,

Рукин С.Н.

и др. 808-диоды: наносекундные прерыватели

сверхплотных токов // Электротехника. 1999. № 4. С. 20-28.

19. КО(ОУ

Уи.А., Мезуа(з С.А., КиЫп

8Ж

еХ а1. Ме§ауо1* Ыапозесопё 50

Ауега§е Ро\уег А11-

8оИё-8Ше Впуег Гог

Сошшегс1а1

АррИсайопз // Ргос. X ШЕЕ Ыегп. Ри1зеё Ро^ег СопГ.

АШияиегяие, 1995.

Уо1.

Р.

1227-1230.

20. КоШ

Уи.А., Мезуа(з

С.А.,

КиЫп 8Ж. еХ

а1. А

Ыоуе!

Ыапозесопё 8еписопёис1ог Орешп§

З^ксЬ

{ОТ

Ме§ауо11 Кере1Шуе Ри1зеё Ро\уег ТесЬпо1о§у: Ехрептеп* апё АррПсайопз //

Ргос. IX ШЕЕ Ри1зеё Ро^ег

СопГ.

АШициегяие, 1993.

УЫ. 1. Р.

134-139.

21.

МезуаХз

С.А.,

КиЫп

8Ж.,

ЬуиЪиИп

8.К. е* а1. 8ешюопёис1ог Оретп§ 8\у11сЬ КезеагсЬ

аХ

1ЕР

Ргос.

Х1ЕЕЕ Ри!зеё Ро^ег

СопГ.

А1Ыщиегяие, 1995.

Уо1. 1. Р.

298-305?

22.

Пономарев

А.В., Рукин С.Н,

Цыранов С.Н.

Исследование процесса распределения на-

пряжения по структурам в мощном полупроводниковом прерывателе тока // Письма в

ЖТФ. 2001.

Т.

27, вып. 20. С. 29-34.

Глава 21

ГЕНЕРАТОРЫ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ В СХЕМАХ

С МАГНИТНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

§ 22.1 Свойства магнитных элементов в импульсных

магнитных полях

Применение в импульсных схемах магнитных бесконтактных активных элемен-

тов является весьма перспективным благодаря их высокой надежности и относи-

тельной простоте конструкции. Методы формирования и преобразования импульсов

с помощью нелинейных магнитных элементов были первоначально предложены и

разработаны для схем микросекундного диапазона [1]. Для формирования импульсов

наносекундной длительности некоторые из этих методов могут использоваться прак-

тически без принципиальных изменений [2].

Тело, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент, величина

которого зависит от размеров тела и свойств вещества, из которого оно состоит.

Если магнитный поток внутри тела однороден, то магнитный момент тела М

=МК, (22.1)

где V - объем тела, м

;

М-

намагниченность (магнитный момент единицы объема

вещества), А/м. Существенной величиной, определяющей магнитное состояние

тела, является магнитная индукция В, которая измеряется в теслах (1 Тл = 10

Гс)

и для кольцевого сердечника записывается в виде:

Д = ц

(М + #), (22.2)

где Я-напряженность магнитного поля, А/м(1 А/м= 1,2510~

Э); ц

=4я10"

Г/м-

магнитная проницаемость вакуума. Отличительной чертой ферромагнетиков является

магнитный гистерезис, т.е. зависимость намагниченности и индукции от ранее дей-

ствовавших полей. По петле гистерезиса индукции (рис. 1) могут быть определены

остаточная индукция В

, индукция насыщения В

, коэрцитивная сила Н

и на-

пряженность поля насыщения

Намагниченность насыщения М

и остаточная

намагниченность М

связаны и В

и В

соотношением (2). Однако, как правило,

и согласно (2) В

«|х

22.1 Свойства магнитных элементов

в импульсных

магнитных полях

425

-Н,

-Н

-Я

-В

Рис. 22.1. Петля гистерезиса ферромагнитного материала

Для использования ферромагнитных материалов в импульсных схемах необхо-

димо знать законы, описывающие процессы импульсного перемагничивания фер-

ромагнетиков, т.е. так называемые динамические характеристики. Важной харак-

теристикой динамических свойств ферромагнетиков является время перемагничи-

вания сердечника, под которым понимают время, необходимое для изменения

магнитного состояния от -В

до

+В

и которое определяется скоростью измене-

ния намагниченности сердечника. Простейший эксперимент по изучению скорости

перемагничивания состоит в приложении к ферромагнетику двух импульсов маг-

нитного поля. Один из этих импульсов должен быть достаточно большим, чтобы

получить исходное состояние остаточного насыщения, второй должен допускать

изменение амплитуды. За время действия второго импульса наблюдается измене-

ние намагниченности, причем предполагается, что время, соответствующее фрон-

ту перемагничивающего импульса, намного меньше времени перемагничива-

ния т

. При этих условиях, если сердечник переключается из одного стабильного

состояния в другое и если переключающее поле Я

>Я

, то время т

обратно

пропорционально полю:

где - коэффициент переключения. В области небольших полей и времен пере-

магничивания порядка Ю

-6

с зависимость (3) объясняется процессами смещения

границ между доменами [3]. Однако указанная модель справедлива лишь до вре-

мен перемагничивания порядка Ю

-6

с. При дальнейшем увеличении действующего

поля скорость перемагничивания увеличивается и теория смещения границ уже не

объясняет имеющихся экспериментальных фактов. Поэтому Джоржи [4] развил

теорию перемагничивания некогерентным вращением вектора намагниченности.

Согласно этой модели вектор намагниченности вращается одновременно во всем

образце. В качестве уравнения движения вектора намагниченности в модели неко-

герентного вращения использовано уравнение Ландау-Лифшица [5] с диссипатив-

ным членом в гильбертовской форме. Если допустить, что тороидальный сердеч-

ник эквивалентен бесконечному цилиндру, расположенному вдоль оси г, и что

магнитное поле Я

приложено вдоль оси г, то согласно уравнению Ландау-Лиф-

шица:

X -1=(Я

-Я

)5, (22.3)

уаМ

(

М})

1 + а

[ М}у

(22.4)

426

Глава 22. Генераторы мощных импульсов

схемах с магнитными элементами

где а - коэффициент диссипации, зависящий от физических свойств ферромагнит-

ного элемента, у = 2,2-10

м/Ас - гиромагнитное отношение для электрона. Совпа-

дение данных, полученных при расчете времени перемагничивания по уравнению

(4), и данных, полученных экспериментально, зависит от соответствующего выбора

величины коэффициента а. В выражение (4) входит величина а' =

а(1

+ а

)

-1

, ко-

торая слабо зависит от а, например при изменении а от 0,5 до 1 а' изменяется от

0,4 до 0,5. Таким образом, для решения практических задач важен правильный вы-

бор лишь приближенной величины а. Как правило, при расчетах в области сред-

них (10

—10

А/м) перемагничивающих полей принимают а = 0,4+1, что дает

удовлетворительное совпадение с экспериментальными данными по скорости пе-

ремагничивания в этих полях.

При дальнейшем увеличении амплитуды перемагничивающего поля время пе-

ремагничивания продолжает уменьшаться. Однако вследствие влияния конечных

размеров отдельных кристаллов магнита и возникающих вокруг них размагничи-

вающих полей [6] невозможно получить время перемагничивания, меньшее 1 не.

В соответствии с этим уменьшается величина коэффициента диссипации в выра-

жении (4). Определение а в области больших (Я

> 10

А/м) перемагничивающих

полей проводилось как по обычной методике испытаний ферромагнитных элемен-

тов, так и измерением параметров электромагнитных волн, возбуждаемых в испы-

туемом элементе. Полученное при этом значение коэффициента а колеблется, в

частности, от 0,05 для феррита 2 ВТ до 0,112 для НЦ-1000. При Я

< 10

А/м це-

лесообразно принимать а = 0,5. Следует указать, что, например, в области боль-

ших полей ферриты с прямоугольной и пологой петлей гистерезиса (11111) теряют

существенные различия в форме петли гистерезиса и в скорости перемагничива-

ния. Таким образом, оба указанных типа ферритов могут с успехом использоваться

в условиях наносекундного диапазона.

§ 22.2 Схемы генераторов мощных импульсов

Магнитный ключ представляет собой коммутатор, в котором используется эф-

фект резкого уменьшения индуктивности магнитного дросселя при насыщении его

сердечника. Диапазон выходных параметров генераторов, в которых используются

магнитные ключи, очень широк: выходное напряжение - от единиц кВ до единиц

МВ, импульсная мощность - от единиц МВт до единиц ТВт, длительность импульса -

от единиц не до десятков и сотен мкс. Главное преимущество магнитного ключа по

сравнению с газоразрядными коммутаторами состоит в том, что это твердотельный

коммутатор, в связи с чем он характеризуется большим сроком службы, надежно-

стью и способностью работать с высокой частотой следования импульсов.

Существуют импульсные генераторы с симметричным и асимметричным ре-

жимами питания. В первом типе питание генератора происходит от синусоидаль-

ного источника, а во втором от емкости, заряженной от постоянного источника.

Для пояснения принципа работы первого типа генератора рассмотрим схему

(рис. 2, а), состоящую из емкости С

{

, нелинейной индуктивности нагрузки К

зарядного дросселя Ь. Формирование импульса в рассматриваемой схеме осно-

вано на использовании нелинейности кривой намагничивания сердечника дрос-

селя

Пока сердечник не насыщен, напряженность Н магнитного поля в нем не

$ 22.2

Схемы генераторов мощных импульсов

427

ГГЧЛ.

(в)

|/п

(б)

т *

Рис. 22.2. Схема магнитных импульсных генераторов, а - однозвенный симметричный гене-

ратор, б - асимметричный генератор с управляемым тиристором

превышает некоторой величины зависящей от свойств магнитного материала.

В силу закона Ампера:

ограничен и ток /, протекающий через обмотку дросселя. Здесь и> - число витков

обмотки, / - длина сердечника. Очевидно, что эти параметры всегда могут быть

выбраны так, что при заряде конденсатора от источника шунтирующее действие

дросселя Ь

будет незначительно.

Магнитное состояние сердечника при этом определяется законом Фарадея, со-

гласно которому магнитный поток (индукция) пропорционален интегралу напря-

жения на обмотке дросселя:

Поскольку ток намагничивания I в ненасыщенном состоянии мал, напряжени-

ем на Д

можно пренебречь и считать, что все напряжение конденсатора С

при-

ложено к обмотке дросселя Ь

. Поэтому одновременно с зарядом С

магнитный

поток будет нарастать до тех пор, пока не достигнет значения Ф

, при котором

сердечник переходит в область насыщения (рис. 1).

В области насыщения напряженность поля уже не ограничена значением и

характер процесса будет определяться крутизной характеристики намагничивания,

т.е. величиной индуктивности дросселя в насыщенном состоянии. Если эта индук-

тивность будет значительно меньше индуктивности зарядного дросселя, то кон-

денсатор за короткое время разрядится на нагрузку. После разряда конденсатора

начинается его заряд током противоположного направления, при этом сердечник

перемагничивается в обратном направлении. В установившемся режиме сердечник

перемагничивается по симметричной предельной петле гистерезиса, насыщаясь

через каждые полпериода колебаний эдс источника. В нагрузке соответственно по-

лучаются импульсы чередующейся полярности. В этом режиме все напряжения и

токи имеют симметричную форму, и его принято называть симметричным. Таким

образом, дроссель Ь

работает как ключ, периодически подключая заряженный

(22.5)

(22.6)

428

Глава 22. Генераторы мощных импульсов

схемах с магнитными элементами

конденсатор к нагрузке. На этом основании дроссели (трансформаторы) звеньев

магнитного генератора будем называть переключающими.

Когда сердечник переключающего дросселя не насыщен, ток через обмотку

должен быть достаточно мал. При насыщении же сердечника желательно, чтобы

индуктивность дросселя была как можно меньше. Выполнение этих требований

достигается за счет использования режима глубокого насыщения сердечника и

применения высококачественных магнитных материалов, обладающих узкой пет-

лей гистерезиса и насыщающихся при малых значениях напряженности поля.

Для получения в нагрузке однополярного импульса используют магнитные ге-

нераторы, которые питаются от источников постоянного напряжения, заряжаемых

от конденсаторов. Простейшая схема магнитного генератора с управляемым

тиристором в качестве ключа представлена на рис. 2, б. Рассмотрим процессы в

этой схеме (рис. 3).

В исходном состоянии (/<*!) триод заперт, конденсатор С

разряжен до нуля,

а сердечник Ь

насыщен постоянным током /

при помощи обмотки подмагничи-

вания. После отпирания триода управляющим сигналом зарядный дроссель I ока-

зывается подключенным к источнику питания и в нем начинает нарастать ток. Рост

зарядного тока вызывает нарастание тока 1

в рабочей обмотке переключающего

дросселя. Как только напряженность магнитного поля, создаваемая током 1

, ста-

нет равной по абсолютной величине напряженности магнитного поля, создаваемой

током подмагничивания, сердечник дросселя Ь

перейдет в ненасыщенное состоя-

ние и дальнейший рост тока 1

прекратится. После этого в течение интервала, рав-

ного т, будет происходить заряд С

от источника питания через открытый тран-

зистор (замкнутый ключ) и зарядный дроссель Ь. Приложенное к дросселю Ь

напряжение вызовет нарастание индукции в его сердечнике. Когда сердечник пе-

рейдет в насыщенное состояние, конденсатор через насыщенный дроссель разря-

дится на нагрузку.

1ы

Рис. 22.3. Осциллограммы при работе генератора

$ 22.2

Схемы генераторов мощных импульсов

429

После окончания импульса тока через дроссель Ц его сердечник переходит в

ненасыщенное состояние. Триод в это время заперт, и поэтому ток 1

замыкается

через конденсатор, создавая на нем напряжение обратной полярности. Отрица-

тельное напряжение, приложенное к дросселю Ь

вызывает изменение индукции

в его сердечнике в противоположном направлении. Этот процесс восстановления

исходного состояния сердечника будем называть обратным перемагничиванием.

После насыщения дросселя в обратном направлении конденсатор разряжается,

образуя в нагрузке импульс обратного перемагничивания, и в схеме восстанавли-

вается исходное состояние.

Поскольку схемы магнитных генераторов при питании от источника постоян-

ного напряжения содержат дополнительный ключ, то возникает вопрос: какие пре-

имущества дает сочетание полупроводниковых приборов с магнитными звеньями

по сравнению с генераторами импульсов с использованием только одних вклю-

чающих приборов. Уже из рассмотренного принципа действия можно сделать за-

ключение об эффективности и целесообразности магнитных схем. Из приведенных

на рис. 3 осциллограмм видно, что длительность импульса тока, протекающего

через тиристор, во много раз больше длительности импульса в нагрузке. Поэтому

амплитуда тока через транзистор приблизительно во столько же раз меньше ам-

плитуды тока нагрузки.

На примере однозвенной схемы показано, что длительность разряда конденса-

тора через насыщенный переключающий дроссель значительно меньше длитель-

ности заряда этого конденсатора. Поэтому можно сказать, что в звене магнитного

генератора происходит сжатие энергии во времени, которое можно оценить отно-

шением длительностей заряда и разряда конденсатора. В связи с этим магнитные

генераторы называют схемами сжатия.

Однозвенные схемы на практике применяются сравнительно редко. С ростом

сжатия не только сильно растет объем сердечника переключающего дросселя, ве-

личина которого пропорциональна квадрату величины сжатия, но и резко падает

коэффициент полезного действия генератора. Для приемлемых значений кпд мак-

симальное сжатие одного звена является величиной порядка 20+40.

В то же время на практике, как правило, требуется получение больших значе-

ний сжатия, доходящих до нескольких сотен, а иногда и более. Это можно осу-

ществить путем каскадного соединения нескольких звеньев сжатия. На рис. 4

показана линия Мелвилла [7]. Примем, что емкости С

=С

=...=С

, а ин-

дуктивности Ь

>Ь

...>Ь

. Пусть индуктивность Ь

сконструирована таким

Рис. 22.4. Схема трехзвенного генератора