Способы заряда и разряда накопителя

В импульсных модуляторах с газоразрядными приборами в качестве коммутирующих устройств длительность и форма модулирующего импульса определяются свойствами накопителя.

Наилучшим образом эту задачу можно было бы решить при разряде на согласованную нагрузку длинной линии. Наличие на бесконечной ли­нии равномерно распределенного статического заряда можно представить как результат распространения вдоль неё в противоположных направле­ниях двух волн постоянного напряжения, каждая из которых несет половину напряжения, до которого заряжена линия. При этом результирующий ток будет равен нулю, а результирующее напряжение - сумме напряжений этих волн (слайд 54).

При замыкании линии на согласованное сопротивление (R_n = ρ) волна, движущаяся к этому концу, будет поглощаться в нагрузке без отражения, а волна, движущаяся к разомкнутому концу, отразится от него и будет распространяться в сторону нагрузки вслед за первой волной. Это создаст на нагрузке импульс напряжения, который закон­чится в момент, когда волна напряжения, движущаяся влево, пройдет линию справа налево и обратно. Таким образом, длительность импульса на нагрузка будет равна

,

где l –длина линии;

с - скорость распространения волны.

 

Амплитуда импульса на нагрузке будет равна половине напряжения, до которого заряжена линия. Однако длинную линию использовать в ка­честве накопителя не представляется возможным из-за её громоздкости (например, для получения импульса τ _u = 1мкс l=150 м!!!). Поэ­тому в качестве накопителей энергии в модуляторах используют искусственные линии, состоящие из нескольких сосредоточенных индуктивностей L и емкостей С - ячеек. Поэтому для получения формы модулирующего импульса, достаточно близкой к прямоугольной, количество ячеек в формирующей линии берет­ся равным от трех до восьми. Величины емкостей и индуктивностей в ячейках выбираются одинаковые.

 

Заряд накопителя (искусственной линии) можно производить через резистор и через дроссель. Заряд через резистор невыгоден энергетически, так как при этом линия заряжается до напряжения источника пи­тания, а нагрузке при разряде передается только половина этого на­пряжения. Следовательно, источник питания должен иметь напряжение в несколько десятков киловольт.

Заряд искусственной линии через дроссель дает возможность уве­личения заряда линии до двойного напряжения источника питания.

Схема заряда искусственной линии показана на слайд 55.

Величина индуктивности дросселя выбирается значительно больше суммарной величины индуктивности ячеек линии. Заряд линии происхо­дит значительно медленнее, чем её разряд (t_зар в сотни раз больше t_разр). Поэтому во время заряда индуктивностями ячеек линии можно пренебречь, а C_л=nC₀. Эквивалентная схема заряда формирующей линии показана на рис.7.3, б).

Индуктивность дросселя выбирается с таким расчетом, чтобы она вместе с емкостью линии образовала колебательный контур. Напряжение на линии (на C_л) изменяется по закону:

где .

В момент времени, равному половине периода собственных колеба­ний заряда цепи (t = π L_gpC_л), напряжение на линии достига­ет максимального значения:

где Q - добротность колебательного контура заряда (L_дрС_л).

При высокой добротности контура U_{сл max} ≈ 2Е_ист. Эпюры, поясняющие процесс заряда искусственной линии через дроссель, показаны на слайде 57.

Из рисунка видно, что разряд линии через генератор СВЧ целесообразно осуществлять, когда напряжение на линии максимальное, т.е. в момент времени t = π√L_gpC_л = Т₃/Т₂ - период свободных колебаний.

Следовательно, величины индуктивности дросселя и параметры ис­кусственной линии нужно выбирать из равенства

_.

В случае использования в РЛС переменного запуска с Т_п1 и Т_п2 в зарядную цепь включают диод, который после достижения на линии максимального напряжения исключает разряд линии через внутреннее со­противление источника, и напряжение на линии имеет максимальную ве­личину в течение длительного времени (слайд58).

Заряженную линию до напряжения U_л = 2Е_ист можно заменить ис­точником постоянного тока с внутренним сопротивлением, равным волно­вому сопротивлению линии ρ, которое в свою очередь определяется параметрами ячейки линии L₀C₀

Для формирования модулирующего импульса прямоугольной формы необходимо, чтобы R_н = ρ. В этом случае на нагрузке (генераторе СВЧ) будет выделено напряжение U_л/2. Длительность импульса опреде­ляется временем пробега падающей и отраженной волны, возникающих при разряде формирующей линии, т.е. количеством и параметрами ячеек линии

_,

где N₀ - количество ячеек в линии;

L_0, C₀ - индуктивность и емкость одной ячейки.

Эпюры напряжений, поясняющие процесс формирования модулирующих импульсов, показаны на рис. 7.6 (слайд).

Из вышесказанного следует, что разряд линии должен производить­ся на согласованную нагрузку. Только в этом случае будет передана наибольшая мощность генератору СВЧ и получена наилучшая форма им­пульса, т.е. между формирующей линией и генератором должно быть включено согласующее устройство. Как правило, функции согласования в модуляторах выполняет импульсный трансформатор. Кроме функции со­гласования импульсный трансформатор позволяет получить в генераторе СВЧ импульсы, превышающие в несколько раз по амплитуде напряжение источника питания.

 

В Ы В О Д Ы

1. Импульсный режим работы передатчиков СВЧ обусловил примене­ние модуляторов с накопителем энергии на искусственной длинной линии.

2. Использование заряда формирующей линии через дроссель поз­воляет повысить напряжение на линии до удвоенного напряжения источ­ника питания.

3. Фиксирующий диод обеспечивает постоянство максимального на­пряжения на линии в течение длительного времени, что необходимо при переменном запуске.

4. Разряд накопителя модулятора должен происходить на согласо­ванную нагрузку. С этой целью в модуляторах используются импульсные трансформаторы.

5. Модуляторы, выполненные по схеме с накопителем энергии, дают высокий КПД (до 0,9...0,95).

Третий учебный вопрос.

Принципиальная схема импульсного модулятора

 

В состав модулятора импульсного передатчика входят следующие функционально-необходимые элементы:

- источник питания;

- зарядный дроссель;

- фиксирующий диод;

- формирующая линия;

- коммутирующий элемент;

- согласующее устройство (импульсный трансформатор).

 

Кроме перечисленных элементов в состав модулятора могут вклю­чаться дополнительные устройства, которые обеспечивают коррекцию формы модулирующего импульса, защиту модулятора в аварийных режимах, работу передатчика с переменным периодом запуска.

Типовая схема импульсного модулятора показана на слайде № 60.

 

На схеме обозначены:

- источник питания, + Е_ист;

- зарядный дроссель, L_др;

- фиксирующий (зарядный) диод, Л1;

- две ячейки формирующей линии, L1_,C1;

- коммутирующий элемент (тиратрон), Л2;

- импульсный трансформатор, ИТ;

- корректирующая цепь, R_k,C_k;

- схема снятия перезаряда линии, Л3, С4, С5, R2;

- реле аварийного отключения, Р1, P2.

При отсутствии импульса запуска в момент включения источника питания начинается заряд формирующей линии по цепи

Напряжение на линии возрастает до U_фл ≈ 2Е_ист и поддерживается на этом уровне фиксирующим ди­одом (Л1).

Импульс запуска, приходящий с синхронизатора РЛС, поджигает тиратрон Л2, внутреннее сопротивление которого становится близким к нулю. Формирующая линия начинает разряжаться по цепи

Во вторичной обмотке импульсного трансформатора формируется прямоугольный импульс требуемой амплитуды и полярности. Длительность импульса определяется количеством ячеек и величиной емкости и индуктивности ячейки.

Сформированный во вторичной обмотке трансформатора импульс по­дается на генератор СВЧ, который во время действия этого импульса генерирует колебания СВЧ для зондирования пространства.

Корректирующая цепь R_kC_k обеспечивает согласование линии с нагрузкой (генератором) в момент подачи на него напряжения, так как в момент включения генератора его внутреннее сопротивление велико. При отсутствии корректирующей цепи в переднем фронте модулирующего импульса появился бы большой выброс напряжения (слайд61).

Корректирующая цепь сглаживает этот выброс.

В реальных условиях работы передатчика в его цепях могут воз­никнуть неисправности, которые приведут к аварийным режимам работы модулятора. Типовые неисправности приводят к двум режимам аварийной работы:

- режим "короткого замыкания";

- режим "холостого хода".

Причиной короткого замыкания может быть пробой или искрение в генераторном приборе, электрический пробой в тракте передачи энергии СВЧ. Это приводит к тому, что входное сопротивление импульсного реформатора становится равным нулю и формирующая линия при разряде будет не только разряжаться до нуля, но и перезаряжаться до напряжений (U_л = -2Е_ист) в первом периоде. После чего линия вновь зарядится до +2Е_ист. Это напряжение будет суммироваться с остаточным (при перезаряде), и общее напряжение на линии достигнет 4Е_ист, в следующем периоде - 6Е_ист и т.д. В результате произойдет ее пробой (слайд 62).

Аналогичное явление возникает при R_н «ρ.

Для защиты элементов схемы от перенапряжений применяется схема снятия напряжения перезаряда, состоящая из ЛЗ, реле Р2, фильтра R₂, и С₄,С₅ (рис.7.7).

При появлении на линии напряжения перезаряда отпирается диод Л3 и потечет ток по цепи: корпус - обмотка реле Р2 – R2 – Л3 -линия. Реле Р2 срабатывает и своими контактами разрывает цепь пита­ния источника (выпрямителя). Чтобы схема снятия перезаряда не сра­батывала от случайных искрений в генераторном приборе, применен фильтр С4, R2, С5, который увеличивает время срабатывания реле Р2.

Причиной холостого хода, т.е. R_н → ∞ может быть:

- обрыв в цепях генератора (отключена нагрузка);

- потеря эмиссии катода генераторного прибора.

При увеличении сопротивления нагрузки напряжение на линии при разряде будет убывать ступенчато до величины Е_ист (слайд 63), и тиратрон перейдет в режим непрерывного "горения".

Это приводит к резкому увеличению тока, потребляемого от ис­точника, так как он окажется нагружен на малое внутреннее сопротив­ление горящего тиратрона. Увеличение потребляемого тока от источни­ка питания приводит к срабатыванию реле аварийной защиты Р1. При срабатывании реле Р1 питание с модулятора снимается.

Четвертый учебный вопрос