Сеть формирования импульсов

Сеть формирования импульсов ( PFN ) — это электрическая цепь , которая накапливает электрическую энергию в течение сравнительно длительного времени, а затем высвобождает накопленную энергию в виде относительно прямоугольного импульса сравнительно небольшой длительности для различных применений импульсной мощности . В PFN компоненты накопления энергии, такие как конденсаторы , катушки индуктивности или линии передачи , заряжаются с помощью высоковольтного источника питания, а затем быстро разряжаются в нагрузку через высоковольтный переключатель , такой как искровой разрядник или водородный тиратрон . Частота повторения варьируется от одиночных импульсов до примерно 10. ⁴ в секунду. PFN используются для создания однородных электрических импульсов небольшой продолжительности для питания таких устройств, как клистроны или магнетронные ламповые генераторы в радиолокационных установках, импульсные лазеры , ускорители частиц , импульсные лампы и высоковольтное испытательное оборудование.

Большая часть исследовательского оборудования высоких энергий работает в импульсном режиме, как для уменьшения рассеивания тепла, так и потому, что физика высоких энергий часто происходит в коротких временных масштабах, поэтому большие PFN широко используются в исследованиях высоких энергий. Их использовали для получения импульсов наносекундной длины с напряжением до 10 В. ⁶–10 ⁷ вольт и ток до 10 ⁶ амперы с пиковой мощностью в тераваттном диапазоне, похожие на молнии .

Выполнение

PFN состоит из ряда высоковольтных энергоаккумулирующих конденсаторов и катушек индуктивности . Эти компоненты соединены между собой в виде « лестничной сети », которая ведет себя аналогично линии передачи . По этой причине PFN иногда называют « искусственной или синтетической линией передачи ». Электрическая энергия первоначально сохраняется в заряженных конденсаторах PFN с помощью источника питания постоянного тока высокого напряжения. Когда PFN разряжается, конденсаторы разряжаются последовательно, создавая примерно прямоугольный импульс. Импульс передается на нагрузку через линию передачи . Импеданс PFN должен быть согласован с нагрузкой, чтобы предотвратить отражение энергии обратно в сторону PFN.

PFN линии передачи

Участок линии передачи может использоваться в качестве сети формирования импульсов. ^[1]^[2] Это может привести к появлению практически плоских импульсов из-за неудобств использования кабеля большой длины.

В простом генераторе импульсов заряженной линии передачи (анимация справа) отрезок линии передачи, такой как коаксиальный кабель , подключается через переключатель к согласованной нагрузке R _L на одном конце, а на другом конце к источнику напряжения постоянного тока V. через резистор R _S , большой по сравнению с характеристическим сопротивлением Z ₀ линии. ^[1] Когда источник питания подключен, он медленно заряжает емкость линии через R _S . При замыкании ключа на нагрузку подается напряжение, равное V /2, накопленный в линии заряд начинает разряжаться через нагрузку током V /2 Z ₀ и скачок напряжения перемещается вверх по линии в сторону источник. ^[2] Истоковый конец линии представляет собой примерно разомкнутую цепь из-за высокого R _S , ^[1] поэтому шаг отражается в неинвертированном виде и возвращается обратно по линии к нагрузке. В результате на нагрузку подается импульс напряжения длительностью, равной 2 D / c , где D — длина линии, а с — скорость распространения импульса в линии. ^[1] Скорость распространения в типичных линиях передачи обычно составляет более 50% скорости света . Например, в большинстве типов коаксиального кабеля скорость распространения составляет примерно 2/3 скорости света, или 20 см/нс.

В PFN большой мощности обычно используются специализированные линии передачи, состоящие из труб, заполненных маслом или деионизированной водой в качестве диэлектрика, способного выдерживать большие силовые нагрузки. ^[2]

Недостатком простых генераторов импульсов PFN является то, что, поскольку линия передачи должна быть согласована с сопротивлением нагрузки R _L для предотвращения отражений, напряжение, запасенное в линии, делится поровну между сопротивлением нагрузки и характеристическим сопротивлением линии, поэтому напряжение Импульс, приложенный к нагрузке, составляет лишь половину напряжения источника питания. ^[1]^[2]

Линия передачи Блюмляйн

Схема линии передачи, позволяющая обойти вышеуказанную проблему и создающая выходной импульс, равный напряжению источника питания V , была изобретена в 1937 году британским инженером Аланом Блюмлейном. ^[3] и сегодня широко используется в PFN. ^[1] В генераторе Блюмляйна (анимация справа) нагрузка подключается последовательно между двумя линиями передачи одинаковой длины, которые заряжаются от источника постоянного тока на одном конце (обратите внимание, что правая линия заряжается через полное сопротивление нагрузки). . ^[1] Чтобы вызвать импульс, переключатель закорачивает линию на конце источника питания, в результате чего отрицательный скачок напряжения перемещается в сторону нагрузки. Поскольку волновое сопротивление Z ₀ линии сделано равным половине полного сопротивления нагрузки R _L , скачок напряжения наполовину отражается и наполовину проходит, ^[1] в результате образуются два симметричных скачка напряжения противоположной полярности, которые распространяются от нагрузки, создавая между ними падение напряжения В /2 − (− В /2)= В на нагрузке. Ступени напряжения отражаются от концов и возвращаются, заканчивая импульс. Как и в других генераторах линий заряда, длительность импульса равна 2 D / c , где D — длина отдельных линий передачи. ^[1] Вторым преимуществом геометрии Блюмляйна является то, что коммутационное устройство может быть заземлено, а не расположено на стороне высокого напряжения линии передачи, как в типичной заряженной линии, что усложняет электронику запуска.

Использование PFN

По команде высоковольтный переключатель передает энергию, накопленную в PFN, в нагрузку. Когда переключатель « срабатывает » (замыкается), сеть конденсаторов и катушек индуктивности внутри PFN создает примерно прямоугольный выходной импульс короткой длительности и высокой мощности. Этот мощный импульс становится кратковременным источником высокой мощности для нагрузки.

специально разработанный импульсный трансформатор Иногда между PFN и нагрузкой подключают . Этот метод улучшает согласование импеданса между PFN и нагрузкой, что повышает эффективность передачи мощности . Импульсный трансформатор обычно требуется при управлении устройствами с более высоким импедансом, такими как клистроны или магнетроны, от PFN. Поскольку PFN заряжается в течение относительно длительного времени, а затем разряжается в течение очень короткого времени, пиковая мощность выходного импульса может достигать мегаватт или даже тераватт.

Комбинацию источника высокого напряжения, PFN, переключателя высокого напряжения и импульсного трансформатора (при необходимости) иногда называют « модулятором мощности » или « импульсным генератором ».

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Хаддад, А.; Д. Ф. Варн (2004). Достижения в области техники высокого напряжения . ИЭПП. стр. 600–603. ISBN 0852961588 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Mesyats, Gennady A. (2005). Pulsed Power . Springer. pp. 13–14, 125. ISBN 0306486547 .
↑ Патент Великобритании 589127 « Усовершенствования устройства для генерации электрических импульсов или относящиеся к нему» , Алан Дауэр Блюмлейн, подан 10 октября 1941 г., выдан 12 июня 1947 г.

Внешние ссылки

Эрик Хейн, « Обращение ». Электронный отдел NIKHEF, Амстердам, Нидерланды.
Рипе, Кеннет Б., « Высоковольтная сеть формирования микросекундных импульсов ». Обзор научных инструментов, том 48 (8), стр. 1028–1030. Август 1977 г. ( Реферат )
Гласо, Дж. Норрис , Лебак, Жан В., « Генератор импульсов », McGraw-Hill, Серия радиационной лаборатории Массачусетского технологического института, том 5, 1948.

[Haddad-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Хаддад, А.; Д. Ф. Варн (2004). Достижения в области техники высокого напряжения . ИЭПП. стр. 600–603. ISBN 0852961588 .

[Mesyats-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Mesyats, Gennady A. (2005). Pulsed Power . Springer. pp. 13–14, 125. ISBN 0306486547 .

[3] Патент Великобритании 589127 « Усовершенствования устройства для генерации электрических импульсов или относящиеся к нему» , Алан Дауэр Блюмлейн, подан 10 октября 1941 г., выдан 12 июня 1947 г.

[1]

[2]

[3]