CS206830B1 - Zapojení výkonové částí generátoru symetrických vysokonapěťových impulsů - Google Patents

Description

Vynález se týká zapojení výkonové části generátoru symetrických vysokonapěťových impulsů s.vy¹ sokou strmostí náběžné a sestupné hrany, s možností plynulého nastavení amplitudy a šířky impulsů a se symetrickou kapacitní zátěží na výstupu, i Zapojení generátoru je vhodné pro programované ovládání.

Podobná známá zapojení generátoru tohoto druhu s nízkým opakovacím kmitočtem pracují obvykle na principu spínání umělého impulzního vedení do charakteristické zátěže. Pro delší impulsy obsahuje vedení větší počet článků, vrchol impulsů je zvlněný, náběžné a sestupné hrany impulsů nejsou dostatečně strmé. Zatěžovací kai pacitu je nutno zahrnout do parametrů vedení jako ! konstantu. Šířku impulsů lze měnit pouze diskrétně přepínáním jednotlivých článků impulsního vedení. Celkové provedení generátoru z hlediska jeho zapojení je technicky a ekonomicky náročné.

_ Základní zapojení generátoru impulsu vysokého napětí, se strmými náběžnými a sestupnýmihrahami, pracující na principu vybíjení impulsního vede-. ní se soustředěnými veličinami do charakteristické impedance, je zevrubně popsáno a jeho účinky analyzovány v knize Vladislava Bubeníka „Impulzová technika“. Autor této knihy se zabývá pod206830 robně výpočtem a konstrukcí umělého impulsního vedení na vysoké napětí.

Thyratronový zdroj krátkých impulsů jedné polarity s nedefinovaným vrcholem impulsu je popsán v knize A. M. Boně — Brujeviče „Použití elektronek v experimentální fyzice“, SNTL — 1959; na str. 331 této knihy na obr. 298 je znázorněno zapojení, které dává krátké impulsy s amplitudou několika set voltů. V daném zapojení je užito jednoho thyratronu a paralelně k němu sady kondenzátoru C, které se nabijí ze zdroje s napětím vyšším než +1000 V přes odpor R.

¹ Mřížka thyratronu má záporné předpětí a kromě toho je na ni přiváděno harmonické napětí z pomocného zdroje nebo ze sítě, má-li být opakovači kmitočet impulsů roven 50 Hz. V okamžiku, kdy dosáhne mřížkový potenciál thyratronu dostatečné velikosti, vzplane v něm výboj a kondenzátor se vybijí přes thyratron. Jakmile se proud tekoucí thyratronem přeruší, thyratron zhasne a kondenzátor se začne znova nabíjet. Druhý impuls vybíjecího proudu se objeví, jakmile potenciál mřížky thyratronu znova dosáhne dostatečné velikosti. Krátké impulsy se odebírají z odporového děliče zapojeného v sérii s katodou thyratronu. Pro normální činnost^přístroje takto zapojeného se má v thyratroňu úplně dokončit proces deionizace dříve, než napětí na jeho anodě znova vzroste po průchodu proudového impulsu. Proto musí být nabíjecí čás kapacity C dostatečně veliký a potom je ovšem poměrně velký také čas potřebný pro nabití kapacity na dostatečně vysoké napětí. Tím je ovšem omezen kmitočet řídicího napětí a tedy také kmitočet vytvořených impulzů na hodnotu řádu set. Hz. Vyššího kmitočtu lze dosáhnout, jestliže se přivede na mřížku thyratroňu místo harmonického napětí periodický sled kladných impulsů. Další nevýhodou tohoto zapojení je skutečnost, že strmost náběhové hrany impulsů vznikajících ve thyratronovém obvodu je do značné míry určena rušivými veličinami respektive vlivy, které jsou obsaženy v paralelním obvodu k obvodu kondenzátoru s kapacitou C, zatímco strmost sestupné hrany impulsů je určena časovou konstantou, číselně rovnou součinu katodového odporu thyratronu a kapacity C. Kromě toho plochá část sestupné hrany impulsu, to znamená doznění impulsu, je tím kratší, čím vyšší je rychlost rozptylu prostorového náboje, vytvořeného kladnými ionty v thyratroňu. Deionizační doba je tím kratší, čím vyšší je kladný potenciál mřížky thyratroňu po přerušení výboje následkem poklesu anodového napětí. V daném obvodu je po přerušení výboje v thyratroňu na jeho mřížce poměrně velké kladné napětí, vytvářené řídicím napětím, a proto se doznění impulsu tj. plochá část sestupné hrany zkrátí. Šířku impulsů lze řídit kapacitou C. Tvar impulsů tj. vybuzených kmitů je podstatně odlišný od obdélníkových impulsů. Nelze vytvořit symetrické impulsy.

Z dostupné literatury lze uvést dále knihu „Technika vysokého napětí“ sovětských autorů Akopjana, Butkeviče a kol., SNTL - 1956. V této knize je na str. 329 na obr. 302 znázorněno schéma zapojení měniče impulsů libovolného tvaru a polarity v kladný impuls se strmým čelem á s danou vrcholovou hodnotou. Zapojení je vytvořeno dvěma thyratrony El, E2 a dvěma kondenzátory C2, C3. Po vedení 1 se přivádí spouštěcí impuls u 1, libovolného tvaru. Na výstupním vedení 2 se objevují výstupní pulsy u 2, které mají‘velmi strmou náběhovou hranu tj. čelo impulsu s kladnou polaritou. Velikost u 2 výstupního pulsu je prakticky rovna hodnotě napětí U2 napájecího zdroje. Získané impulsy jsou vždy kladné, i když spouštěcí impuls u 1 je záporný. - Nelze vytvořit symetrické impulsy. - V téže knize je popsáno a znázorněno zjednodušené zapojení na str. 331 na obr. 304. - Ani toto zapojení nelze použít pro vytvoření symetrických impulsů.

V patentovém spise DT-PS 19 42 012 je popsán⁴ vynález zapojení pro výrobu vysokonapěťových impulsů, s hodnotou napětí +1200 V. - Ani toto zapojení nedává možnost vytvoření symetrických napěťových impulsů. Je vytvořeno z řady v sérii zapojených tranzistorů typu NPN a z řady v sérii zapojených tranzistorů typu PNP, přičemž emitory tranzistorů typu NPN jsou spojeny přímo s kolektory následujících tranzistorů typu NPN a kolektory tranzistorů typu PNP jsou přímo spojeny, s emitory následujících tranzistorů typu PNP. Všechny tranzistory jsou zapojeny v základním zapojení báze. Kromě toho je použito dvou klopných obvodů a dvou zdrojů napájecích napětí +4 V a —4 V. — Účelem zapojení dle tohoto vynálezu je vytvoření napěťových impulsů o minimální šířce, maximální strmosti náběžné a sestupné hrany, přičemž lze dosáhnout amplitudy napětí +1200 V, kmitočtu 10 až 10⁺⁵ Hz, šířky impulsu 5 x 10^-6 sekundy až 10^-1 sekundy, trvání náběžné hrany 1,2 x 10^-7 sekundy, trvání sestupné hrany 2 x 10~⁷ sekundy. - Toto zapojení při srovnání vykazuje řadu nevýhod. Především, nelze použít pro vytvoření symetrických napěťových impulsů,' za druhé velikost výstupního pulsního napětí jé prakticky omezena složitostí zapojení vlivem toho, že na jeden tranzistor v každém z obou řetězců typů PNP a NPN lze připustit jen určitou hodnotu napětí a proto s rostoucí výší žádaného pulsního napětí roste úměrně počet použitých tranzistorů, odporů a kondenzátorů, za třetí s rostoucím žádaným pulsním napětím vlivem rostoucí složitosti stoupá poruchovost zapojení, za čtvrté je zapojení závislé na speciálním typu klopných obvodů zahraniční výroby a za páté je realizace zapojení podstatně nákladnější.

Podstatou vynálezu je zapojení výkonové části generátoru symetrických vysokonapěťových impulsů s vysokou strmostí náběžné a sestupné hrany,;

_: s možností plynulého nastavení amplitudy a šířky iimpulsů a se symetrickou kapacitní zátěží na Ivýstupu. Podle vynálezu kladná svorka prvního zdroje anodového napětí U_A a záporná svorka druhého zdroje anodového napětí U_B jsou spojeny; spolu a se zemicísvorkou. Záporná svorka prvního zdroje anodového napětí U_A je přes první odpor připojena ke kladné svorce prvního zdroje předpě-; tí Upi a zároveň ke katodě tyratronu, jehož mřížka je připojena k záporné svorce prvního zdroje; předpětí U_pl a zároveň k první svorce pro přivodí prvních spouštěcích impulsů S_p a jehož anoda je· přes druhý, anodový odpor a přes třetí odpor spojena s kladnou svorkou druhého zdroje anodo-; vého napětí U_B. Katoda prvního tyratronu je přes' první kondenzátor a přes čtvrtý, anodový odpor' připojena k anodě druhého tyratronu, jehož katoda je přes druhý kondenzátor připojena ke společnému vývodu druhého odporu a třetího odporu. Mřížka druhého tyratronu je připojena jednak ke; druhé svorce pro přívod druhých spouštěcích, impulsů S₂, jednak ke záporné svorce druhého; zdroje předpětí Ú_p2, jehož kladná svorka je připojena ke katodě druhého tyratronu. Společný vývod prvního kondenzátoru a čtvrtého odporu je připojen ku první výstupní svorce, k níž je zároveň' připojena katoda první diody, první vývod třetího kondenzátoru a první vývod pátého odporu. Katoda druhého tyratronu je připojena ke druhé výstupní svorce, k níž je zároveň připojena anoda, druhé diody, první vývod čtvrtého kondenzátoru a první vývod šestého odporu. Zemicí svorka je spojena s anodou první diody, s katodou druhé diody a se spolu spojenými druhými vývody třetího kondenzátoru, čtvrtého kondenzátoru, pátého odporu a šestého odporu.

Výkonovou část generátoru podle vynálezu lze ovládat dálkově, programově, a to amplitudu výstupních impulsů řízením velikosti napětí zdrojů anodových napětí U_A, U_B; kromě toho lze dálkově a podle programu ovládat frekvenci spouštěcích pulsů a jejich délku, která je ovšem závislá na : anodové ztrátě tyratronů. Je nutné, aby prodlevy mezi spouštěcími pulzy byly delší než zotavovací doba tyratronů.

j Konstrukčně je výkonová část generátoru jednodušší, než srovnatelné konstrukce, jak však nutno uvažovat a důsledně respektovat vlastnosti a nevýhody tyratronů jako takových; to znamená, že je zapotřebí udržovat odpovídající pracovní teplotu prostředí tyratronů, je nutno provádět správně jejich náběh a dodržovat dovolený pracovní režim.

ij Hlavní výhodou zapojení podle vynálezu je ' zanedbatelné zvlnění ve srovnání se zvlněním při zapojení, které užívá umělého vedení, neboť při zapojení podle vynálezu je účelem kondenzátorů ; zapojených paralelně k první a druhé diodě kom- ; penzovat vliv kapacity zátěže definované konden- ; zátory, zapojenými paralelně k zatěžovacím od- j pórům. I i ; Při realizaci výkonové části generátoru symetrických vysokonapěťových impulsů se docílilo těchto technických, charakteristických parametrů: :

amplituda výstupních impulsů plynule nastavitelná v rozmezí ±50 V až ±1500 V, šířka těchto :

výstupních impulsů plynule nastavitelná v rozmezí 1 až 10 mikrosekund, náběžná hrana impulsu na kapacitní zátěží 100 pF je kratší než 100 nanosekund.

j Podstata vynálezu je dále vysvětlena pomocí připojených výkresů, na nichž je znázorněno: na óbr. 1 — základní zapojení výkonové části gejnerátoru symetrických vysokonapěťových impulsů, na obr. 2 — průběhy napětí, tj. spouštěcích impulsů a výstupních symetrických impulsů.

í Na obr. 1 jsou spojeny spolu a se zemí kladná švorka prvního zdroje 1 anodového napětí U_A a záporná svorka druhého zdroje 2 anodového napětí U_B. Záporná svorka prvního zdroje 1 je přes první odpor 3 připojena ke kladné svorce prvního Zdroje 5 předpětí U_pl a zároveň ke katodě prvního tyratronů 6, jehož mřížka je připojena ku záporné svorce prvního zdroje 5 předpětí a zároveň k první svorce 13 pro přívod prvních spouštěcích impulsů Sj a jehož anoda je přes druhý, anodový odpor a přes třetí odpor 4 spojena s kladnou svorkou druhého zdroje 2 anodového napětí U_B. Katoda prvního tyratronů 6 je přes první kondenzátor a přes čtvrtý anodový odpor 12 připojena k anodě druhého tyratronů 11, jehož katoda je přes druhý : kondenzátor 9 připojena ke spolu spojeným vývodům druhého odporu 7 a třetího odporu 4. Mřížka druhého tyratronů 11 je připojena jednak ke druhé svorce 14 pro přívod druhých spouštěcích impulsů S₂, jednak k záporné svorce druhého zdroje 10 předpětí U_p2, jehož kladná svorka je připojena ke katodě druhého tyratronů 11. Společný vývod prvního kondenzátoru 8 čtvrtého odporu 12 je připojen k první výstupní svorce 21, k níž je zároveň připojena katoda první diody 15, první vývod třetího kondenzátoru 17 a první vývod pátého odporu 19. Katoda druhého tyratronů 11 je , připojena ke druhé výstupní svorce 22, k níž je i zároveň připojena anoda druhé diody 16, první vývod čtvrtého kondenzátoru 18 a první vývod šestého odporu 20. Zemní svorka 23 je spojena s anodou první diody 15, s katodou druhé diody 16 a se spolu spojenými druhými vývody třetího kondenzátoru 17, čtvrtého kondenzátoru 18, pátého odporu 19 a šestého odporu 20. Mezi první výstupní svorku 21 a zemici svorku 23 je zapojen sedmý odpor 25 a paralelně s ním pátý kondenzátor 27. Mezi druhou výstupní svorku 22 a zemici svorku 23 je zapojen osmý odpor 24 a paralelně s ním šestý kondenzátor 26. Čárkovaně naznačené odpory 28, 29 jsou tlumicí odpory, zapojené do serie se zátěží, kterou představují odpory 24, 25 a kondenzátory 26, 27.

Na obr. 2 jsou v horní části naznačeny průběhy ' Spouštěcích impulsů S_t a S₂. Průběh 30 znázorňuje jeden spouštěcí impuls S_t a průběh 31 znázorňuje jeden spouštěcí impuls S₂. V tomtéž časovém intervalu jsou v dolní části obr. 2 naznačeny : průběhy výstupních impulsních napětí. Průběh 32 znázorňuje kladné anodové impulsní napětí + Uimp, průběh 33 znázorňuje záporné anodové impulsní napětí — Uimp. V okamžiku, kdy dostoupí vrcholu spouštěcí impuls S_v jak patrno z průběhu 30, vzniká strmý náběh kladného a záporného výstupního anodového impulsního napětí + Uimp a — Uimp, jak patrno z průběhů 32 a 33. Ukončení těchto impulsů nastává v okamžiku, kdy dostoupí vrcholu spouštěcí impuls S₂, jak patrno z průběhu 31, a kdy vzniká strmá sestupná krana obou impulsů napětí + Uimp a - Uimp. Činnost výkonové části zapojené podle obr. 1 lze stručně popsat takto: první kondenzátor 8 se nabíjí přes první odpor 3 a přes první diodu 15 na napětí prvního zdroje 1 vysokého napětí U_A. Současně se nabíjí druhý kondenzátor 9 přes třetí odpor 4 a přes druhou diodu 16 na napětí druhého zdroje 2 vysokého napětí +U_B. Oba kondenzátory 8, 9 jsou tedy y klidové poloze nabity na napětí sice stejné velikosti, ale opačné polarity vůči zemi. Spínače, realizované dvěma tyratrony 6 a 11, jsou v nepropustném stavu vlivem toho, že jejich mřížky mají předpětí — U_pJ a — U_p2 ze zdrojů 5 a 10. Na výstupních svorkách 21, 22 se objeví pouze malé napětí, jež vzniká úbytkem napětí na diodách 15, 16 při nabíjení kondenzátorů 8, 9. Spouštěcí impuls S_p přivedený na mřížku prvního tyratronů .· 6, způsobí jeho zapálení a část náboje ná kondenzátorech 8, 9 se převede na kondenzátory 17, 27 a 18, 26. Diody 15, 16 jsou nyní polarizovány

206830 ( I v nepropustném směru. Ňa výstupu se objeví [ dvojice symetrických impulsů + Uinip a — Uimp. _L Hodnoty těchto impulsů vyplývají z výrazů:

-T .....c, .;+ Uimp = U_A c₁₊(_Cj+č přičemž C₃ + C₅ « Ci, - Uimp = U_B ; přičemž C₄ + Ce « C2

Uimp - U_{B C2 + C4 + C(}.

i Hodnoty Cý až C₆ jsou kapacity kondenzátorů i a sice: ·' kondenzátor 8 má kapacitu C_v kondenzátor 9 má I kapacitu U₂, i '' i kondenzátor 17 má kapacitu C₃, kondenzátor 18 i má kapacitu C₄, ···';' ’ kondenzátor 27 má kapacitu C₅ a kondenzátor 26 1 má kapacitu C₆.

Za předpokladu, že ύχ — C₂, C₃ = C₄, C_s — C₆ a U_A = U_B, je amplituda obou výstupních | impulsů stejná. Úasové konstanty τ_χ a τ₂ musí být i vzhledem JcJdélce impulsu dostatečně velké, aby : exponenciální pokles vrcholu impulzu byl zanedbatelný. Hodnoty obou časových konstant jsou určeny výrazy: _______ _ _________; (C₃ + C₅) . Ra- Rs

L R₃ + r_s (C₄ + Ce) R₄ . Re

R4 + Ró '·, přičemž hodnoty Ř₃, Ř₄, Ř₅, Ř₆ jsou hodnoty odporů 19, 20, 7, 12. Ukončení impulsu nastane i zapálením tyratronu 11 impulsem S₂. Zároveň; dojde — pokud je tyratron 6 ještě vodivý — k vybití všech kondenzátorů. Další nabíjení kondenzátorů:

₍ 8,9 nastane po ukončení deionizační doby tyratro- :

I nů. Odpory 25, 24, omezují proud tyratronových ; spínačů na dovolenou hodnotu a zároveň tlumí ! parazitní oscilace.; 1 j N astavení amplitudy výstupních impulsů sé proi vádí současnou změnou napětí U_A a U_B zdrojů 1,2.;: Požadovaná délka impulsů je dána vzájemným posunutím spouštěcích impulsů Šj, S₂ a je plynule měnitelná. Vysoká strmost náběžné a sestupné hrany impulsů je dosažena tím, že v okamžiku sepnutí je vnitřní odpor generátoru řádově jednot-: ky ohmů; prakticky je určen tlumicími odpory 24, 25, zatímco během trvání impulsů je vnitřní odpor · generátoru veliký, je dán velikostí svodových odporů 19, 25 a 20, 24. Přibližně má hodnotu 2x1 megohm. ·· · ^! Využití vynálezu přichází v úvahu při konstrukcí i zdroje vysokonapěťových impulsů všeobecně v ob- ; lasti pulsní techniky, přičemž aplikace vynálezu je j zvláště výhodná přisymetrické kapacitní zátěži.

zdroje impulsů v důsledku celkově koncepce zapojení, -jemuž nevadí kapacitní zátěži, na rozdíl od.: ; jiných srovnatelných zapojení zdrojů vysokonapěi ťových impulsů. Zapojeni podle vynálezu dává ; různé možnosti modifikací, podle potřeby a účelu,: : podle nároků ná amplitudu impulsů, na jejich ; frekvenci a na jejich čistotu. Za tím účelem lze také na výstup vložit tlumicí odpory 28,29 s nepatrnou ohmickou hodnotou a tak odstranit parazitní oscilace, jež mohou jinak snadno vzniknout.

Claims (1)

1. •PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Γ Zapojení výkonové Částí generátoru šymetricíkých vysokonapěťových impulsů s vysokou strmoj stí náběžné a sestupné hrany, s možností plynulého i nastavení amplitudy a šířky impulsů a se symetric;kou kapacitní zátěží na výstupu, vhodně pro! programované dálkové ovládání, vyznačené tím, že l kladná svorka prvního zdroje (1) anodového napětí U_A a záporná svorka druhého zdroje (2) anodového napětí U_B jsou spojeny spolu a se zemicí svorkou (23), záporná svorka prvního zdroje (1) : anodového napětí U_A je přes první odpor (3)

   I připojena ke kladné svorce prvního zdroje (5) předpětí U_pl a zároveň ke katodě prvního tyratronu (6), jehož mřížka je připojena k záporné svorce i ! prvního zdroje (5) předpětí U_pl a zároveň k první I svorce (13) pro přívod prvních spouštěcích impulsů , Si a jehož anoda je přes druhý, anodový odpor (7) a přes třetí odpor (4) spojena s kladnou svorkou druhého zdroje (2) anodového napětí U_B, katoda i prvního tyratronu (6) je přes první kondenzátor (8) j a přes čtvrtý, anodový odpor (12) připojena ) k anodě druhého tyratronu- (11), jehož katoda je j ¹ přes druhý kondenzátor (9) připojenaTče společnému vývodu druhého odporu (7) a třetího odporu i (4), zatímco mřížka druhého tyratronu (11) je í připojena jednak kě druhé svorce (14) pro přívod ^{* 1} ' druhých spouštěcích impulsů S₂, jednak ku záporné svorce druhého zdroje (10) předpětí U_p2, jehož [ kladná svorka je připojena ké katodě druhého : i tyratronu (11), přičemž společný vývod prvního 1 kondenzátoru (8) a čtvrtého odporu (12) je připo- i i jen k první výstupní svorce (21), k níž je zároveň j připojena katoda první diody (15), první vývod j 1 třetího kondenzátoru (17) a první vývod pátého ;^; odporu (19), katoda druhého tyratronu (11) je : připojena k druhé výstupní svorce (22), k níž je zároveň připojena anoda druhé diody (16), první vývod čtvrtého kondenzátoru (18) a první vývod ; šestého odporu (20), a konečně zemicí svorka (23) je spojena s anodou první diody (15), s katodou druhé diody (16) a se spolu spojenými druhými ' vývody třetího kondenzátoru (17), čtvrtého kondenzátoru (18),'pátého odporu (19) a šestého odporu (20). ________._______----2 výkresy