Сеть формирования импульсов - Pulse-forming network

Схема формирования импульсов для лазерного дальномера Nd: YAG
Устройство Shiva Star в исследовательской лаборатории ВВС США, которое генерирует импульсную мощность для экспериментов с высокоэнергетическим синтезом . 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.

Формирования импульсов сети ( PFN ) представляет собой электрическую цепь , которая накапливает электрическую энергию в течение сравнительно длительного времени, а затем освобождает накопленную энергию в виде относительно квадратного импульса сравнительно короткой продолжительности для различных импульсных силовых применений. В PFN компоненты накопителя энергии, такие как конденсаторы , катушки индуктивности или линии передачи , заряжаются с помощью источника питания высокого напряжения , а затем быстро разряжаются в нагрузку через высоковольтный переключатель , такой как искровой разрядник или водородный тиратрон . Частота повторения колеблется от единичных импульсов до примерно 10 4 в секунду. PFN , которые используются для производства однородных электрических импульсов малой длительности для питания устройств , таких как клистронные или магнетрон трубки генераторы в радиолокационных наборах, импульсные лазеры , ускорители частиц , flashtubes и высоковольтных испытательное оборудование утилита.

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 создания импульсов наносекундной длины с напряжением до 10 6 –10 7 вольт и током до 10 6 ампер с пиковой мощностью в тераваттном диапазоне, подобной ударам молнии .

Реализация

PFN состоит из серии высоковольтных конденсаторов накопления энергии и катушек индуктивности . Эти компоненты связаны между собой как « лестничная сеть », которая ведет себя аналогично отрезку линии передачи . По этой причине сеть PFN иногда называют « искусственной или синтетической линией передачи ». Первоначально электрическая энергия сохраняется в заряженных конденсаторах PFN с помощью высоковольтного источника постоянного тока. Когда PFN разряжается, конденсаторы разряжаются последовательно, образуя приблизительно прямоугольный импульс. Импульс передается на нагрузку по линии передачи . PFN должен быть согласован по сопротивлению с нагрузкой, чтобы предотвратить отражение энергии обратно в PFN.

PFN линии передачи

Простой генератор импульсов заряженной линии передачи

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

В простом генераторе импульсов заряженной линии передачи (анимация, справа) отрезок линии передачи, такой как коаксиальный кабель , подключен через переключатель к согласованной нагрузке R L на одном конце, а на другом конце - к источнику постоянного напряжения V через резистор R S , который велик по сравнению с волновым сопротивлением Z 0 линии. Когда источник питания подключен, он медленно заряжает емкость линии через R S . Когда переключатель замкнут, на нагрузку подается напряжение, равное V / 2, заряд, накопленный в линии, начинает разряжаться через нагрузку с током V / 2 Z 0 , и скачок напряжения перемещается вверх по линии в направлении источник. Истоковый конец линии представляет собой примерно разомкнутую цепь из-за высокого R S , поэтому ступенька отражается необратимо и возвращается обратно по линии к нагрузке. В результате на нагрузку подается импульс напряжения с длительностью, равной 2 D / c , где D - длина линии, а c - скорость распространения импульса в линии. Скорость распространения в типичных линиях передачи находится в пределах 50% от скорости света . Например, в большинстве типов коаксиальных кабелей 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.

Недостатком простых генераторов импульсов PFN является то, что, поскольку линия передачи должна быть согласована с сопротивлением нагрузки R L для предотвращения отражений, напряжение, накопленное на линии, делится поровну между сопротивлением нагрузки и характеристическим сопротивлением линии, поэтому напряжение импульс, приложенный к нагрузке, составляет только половину напряжения источника питания.

Линия передачи Blumlein

Генератор Блюмлейна имеет то преимущество, что он может генерировать импульс, равный зарядному напряжению V

Схема линии передачи, которая позволяет обойти указанную выше проблему, создавая выходной импульс, равный напряжению источника питания V , была изобретена в 1937 году британским инженером Аланом Блюмлейном и сегодня широко используется в сетях PFN. В генераторе Блюмлейна (анимация, справа) нагрузка подключена последовательно между двумя линиями передачи одинаковой длины, которые заряжаются источником постоянного тока на одном конце (обратите внимание, что правая линия заряжается через полное сопротивление нагрузки). . Чтобы вызвать импульс, переключатель закорачивает линию на стороне источника питания, в результате чего отрицательный скачок напряжения перемещается в сторону нагрузки. Поскольку характеристический импеданс Z 0 линии равен половине полного сопротивления нагрузки R L , скачок напряжения наполовину отражается и наполовину пропускается, что приводит к двум симметричным скачкам напряжения противоположной полярности, которые распространяются от нагрузки, создавая между ними падение напряжения V / 2 - (- V / 2) = V на нагрузке. Ступени напряжения отражаются от концов и возвращаются, завершая импульс. Как и в других генераторах линий заряда, длительность импульса равна 2 D / c , где D - длина отдельных линий передачи. 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 « срабатывает » (замыкается), сеть конденсаторов и катушек индуктивности внутри PFN создает примерно квадратный выходной импульс короткой продолжительности и большой мощности. Этот мощный импульс становится кратковременным источником высокой мощности для нагрузки.

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

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

Смотрите также

Рекомендации

внешние ссылки

  • Эрик Гейне, « Преобразование ». Электронный отдел NIKHEF, Амстердам, Нидерланды.
  • Рипе, Кеннет Б., « Высоковольтная микросекундная импульсная сеть ». Обзор научных инструментов, том 48 (8), стр. 1028–1030. Август 1977 г. ( Аннотация )
  • Гласо, Дж. Норрис , Лебакц, Жан В., « Генераторы импульсов », McGraw-Hill, MIT Radiation Laboratory Series, Volume 5, 1948.