WikiDer > Сеть, формирующая импульс - Википедия

Pulse-forming network - Wikipedia
Схема формирования импульсов для Nd: YAG лазерный дальномер
В Звезда Шивы устройство на Исследовательская лаборатория ВВС, США, который генерирует импульсная мощность для высоких энергий термоядерная энергия эксперименты. Каждое из 6 радиальных плеч представляет собой линию формирования импульсов, доставляющую импульс энергии к центру, конденсаторы которого хранят в общей сложности 10 МДж энергии и могут создавать микросекундные импульсы 120 кВ и 6 миллионов ампер.

А сеть формирования импульсов (PFN) является электрическая цепь что накапливается электроэнергия в течение сравнительно долгого времени, а затем высвобождает накопленную энергию в виде относительно квадрат пульс сравнительно небольшой продолжительности для различных импульсная мощность Приложения. В PFN компоненты накопителя энергии, такие как конденсаторы, индукторы или же линии передачи взимаются с помощью высокое напряжение источник питания, затем быстро разряжается в нагрузка через высоковольтный выключатель, например разрядник или водород тиратрон. Частота повторения колеблется от единичных импульсов до 104 в секунду. PFN используются для создания однородных электрических импульсов короткой продолжительности для питания устройств, таких как клистрон или же магнетрон трубка генераторы в радар наборы импульсные лазеры, ускорители частиц, вспышки, и испытательное оборудование для высоковольтных сетей.

Большая часть высокоэнергетического исследовательского оборудования работает в импульсном режиме, как для уменьшения рассеивания тепла, так и из-за того, что физика высоких энергий часто возникает в коротких временных масштабах, поэтому большие PFN широко используются в исследованиях высоких энергий. Они использовались для получения импульсов наносекундной длины с напряжением до 106–107 вольт и токи до 106 амперы, с пиковой мощностью в тераваттном диапазоне, аналогично молния болты.

Выполнение

PFN состоит из ряда высоковольтных аккумуляторов энергии. конденсаторы и индукторы. Эти компоненты связаны между собой как "лестница сеть", который ведет себя аналогично длине линия передачи. По этой причине PFN иногда называют "искусственная или синтетическая линия передачи". Изначально электрическая энергия сохраняется в заряженных конденсаторах PFN с помощью высоковольтного источника питания постоянного тока. Когда PFN разряжается, конденсаторы последовательно разряжаются, создавая приблизительно прямоугольный импульс. Импульс передается на нагрузку через линия передачи. PFN должен быть согласованный по импедансу к нагрузке, чтобы предотвратить отражение энергии обратно к PFN.

PFN линии передачи

Простой генератор импульсов заряженной линии передачи

Длина линии передачи может использоваться в качестве сети формирования импульсов.[1][2] Это может дать импульсы с практически плоской вершиной из-за неудобства использования кабеля большой длины.

В простой заряженной линии передачи генератор импульсов (анимация, справа) длина линии передачи, например коаксиальный кабель подключается через переключатель к согласованной нагрузке рL на одном конце, а на другом конце к источнику постоянного напряжения V через резистор рS, что велико по сравнению с характеристическое сопротивление Z0 линии.[1] Когда источник питания подключен, он медленно заряжает емкость линии через рS. Когда переключатель замкнут, напряжение, равное V/ 2 подается на нагрузку, заряд, накопленный в линии, начинает разряжаться через нагрузку с током V/2Z0, и скачок напряжения перемещается вверх по линии к источнику.[2] Истоковый конец линии представляет собой примерно разомкнутую цепь из-за высокого рS,[1] Таким образом, ступенька отражается не перевернувшись и перемещается обратно по линии к грузу. В результате на нагрузку подается импульс напряжения длительностью 2D/c, куда D - длина линии, а c - скорость распространения импульса в линии.[1] Скорость распространения в типичных линиях передачи находится в пределах 50% от скорость света. Например, в большинстве типов коаксиальный кабель скорость распространения составляет примерно 2/3 скорости света, или 20 см / нс.

PFN большой мощности обычно используют специализированные линии передачи, состоящие из труб, заполненных маслом или деионизированной водой в качестве диэлектрика, чтобы справиться с рассеиваемой большой мощностью.[2]

Недостатком простых генераторов импульсов PFN является то, что линия передачи должна соответствовать сопротивлению нагрузки. рL для предотвращения отражений напряжение, накопленное в линии, делится поровну между сопротивлением нагрузки и характеристическое сопротивление линии, поэтому импульс напряжения, приложенный к нагрузке, составляет только половину напряжения источника питания.[1][2]

Линия передачи Blumlein

Преимущество генератора Блюмлейна в том, что он может генерировать импульс, равный зарядному напряжению. V

Схема линии передачи, которая обошла вышеуказанную проблему, создавая выходной импульс, равный напряжению источника питания. V, был изобретен в 1937 году британским инженером Алан Блюмлейн[3] и сегодня широко используется в сетях PFN.[1] В генераторе Блюмлейна (анимация, справа) нагрузка подключена 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 стороне источника питания, в результате чего отрицательный скачок напряжения перемещается в сторону нагрузки. Поскольку характеристическое сопротивление Z0 линии делается равным половине импеданса нагрузки рL, шаг напряжения наполовину отражен и наполовину пропущен,[1] в результате возникают два симметричных шага напряжения противоположной полярности, которые распространяются от нагрузки, создавая между ними падение напряжения V/2 − (−V/2)= V поперек нагрузки. Шаги напряжения отражаются от концов и возвращаются, завершая импульс. Как и в других генераторах линии заряда, длительность импульса равна 2D/c, куда D - длина отдельных линий передачи.[1] Второе преимущество геометрии Блюмлейна состоит в том, что переключающее устройство может быть заземлено, а не размещено на стороне высокого напряжения линии передачи, как в типичной заряженной линии, что усложняет запускающую электронику.

Использование PFN

По команде высоковольтный переключатель передает энергию, хранящуюся в PFN, в нагрузку. Когда переключатель "пожары"(закрывается), сеть конденсаторов и катушек индуктивности внутри PFN создает приблизительно прямоугольный выходной импульс кратковременной и высокой мощности. Этот мощный импульс становится кратковременным источником высокой мощности для нагрузки.

Иногда специально разработанный импульсный трансформатор подключен между PFN и нагрузкой. Этот метод улучшает согласование импеданса между PFN и нагрузкой, чтобы улучшить передачу мощности эффективность. 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, выходной импульс может иметь пиковую мощность в мегаватт или даже тераватт.

Комбинация источника высокого напряжения, PFN, переключателя высокого напряжения и импульсного трансформатора (при необходимости) иногда называется "модулятор мощности" или же "генератор импульсов".

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я Haddad, A .; Д. Ф. Варн (2004). Достижения в области техники высокого напряжения. ИЭПП. С. 600–603. ISBN 0852961588.
  2. ^ а б c d Месяц, Геннадий А. (2005). Импульсная мощность. Springer. С. 13–14, 125. ISBN 0306486547.
  3. ^ Патент Великобритании 589127, Усовершенствования в аппаратах для генерации электрических импульсов или относящиеся к ним, Алан Дауэр Блюмлейн, подана 10 октября 1941 г., предоставлена ​​12 июня 1947 г.

внешняя ссылка

  • Эрик Гейне "Преобразование". Электронный отдел NIKHEF, Амстердам, Нидерланды.
  • Рипе, Кеннет Б. "Высоковольтная микросекундная импульсная сеть". Review of Scientific Instruments, том 48 (8), стр. 1028–1030. Август 1977 г. (Абстрактный)
  • Гласо, Дж. Норрис, Лебакц, Жан В. "Генераторы импульсов", McGraw-Hill, Серия радиационной лаборатории Массачусетского технологического института, том 5, 1948 г.