NL8701515A

NL8701515A - Geschakelde helixvoeding voor een twt.

Info

Publication number: NL8701515A
Application number: NL8701515A
Authority: NL
Original assignee: Hollandse Signaalapparaten Bv
Priority date: 1987-06-29
Filing date: 1987-06-29
Publication date: 1989-01-16
Also published as: JP2633911B2; DE3872776T2; JPS6457549A; ES2034160T3; KR890001217A; PT87845A; KR960016145B1; AU593744B2; PT87845B; AU1763888A; EP0297653A1; CA1285320C; US4899113A; EP0297653B1; DE3872776D1; TR23317A

Description

' ί ψ

Geschakelde helixvoeding voor een TWT

De uitvinding betreft een geschakelde voeding voor het genereren 5 van een spanning voor een pulserende belasting, in het bijzonder voor het genereren van een helixspanning voor een TWT, waarbij de geschakelde voeding is voorzien van een gelijkspanningsbron, een buffer van waaruit de belasting wordt gevoed en schakelmiddelen met een controlecircuit voor het op laden van de buffer vanuit de 10 gelijkspanningsbron.

Het fasegedrag van een zender welke is voorzien van een TWT is direkt afhankelijk van de helixspanning van de TWT. Indien een dergelijke zender wordt toegepast in een radarapparaat, is het van 15 bijzonder belang dat het fasegedrag van de zender zeer nauwkeurig is. De dopplerinformatie van een doel wordt immers verkregen op grond van een faseverschil tussen uitgezonden en gereflecteerde radiogolven. Dit houdt in dat de voedingsspanning t.b.v. de helix van een TWT zeer nauwkeurig moet zijn. Een geschakelde voeding als 20 hierboven omschreven is echter niet voldoende nauwkeurig. De onvoldoende nauwkeurigheid in de voeding ontstaat t.g.v. het feit dat de buffer door het schakelen van de voeding in stapjes wordt opgeladen. De grootte van zo'n stapje is daarmee mede bepalend voor de onnauwkeurigheid van de voeding.

25

De uitvinding voorziet in de mogelijkheid een bijzonder nauwkeurige helixvoeding te ontwikkelen doordat de voeding is voorzien van een, aan de gelijkspanningsbron gekoppelde keten welke is opgebouwd uit een stroombron, de genoemde schakelmiddelen en een primaire zijde 30 van een converter, waarbij de buffer wordt gevoed vanuit een secondaire zijde van de genoemde converter en waarbij het controlecircuit de schakelmiddelen stuurt met een schakelsignaal welke een functie is van het rithme van de pulserende belasting en de spanning over de buffer.

$701515 i I ___ 2

Doordat het schakelen van de voeding een functie is van de, eventueel gestaggerde prf van de TWT, is het mogelijk de buffer van de voeding in één slag bij te laden. Dit houdt in dat de voeding overeenkomstig de uitvinding bijzonder nauwkeurig is omdat de 5 nauwkeurigheid van de voeding niet wordt begrensd door een stapgrootte zoals hiervoor omschreven. Hierbij wordt met nauwkeurigheid de grootte van de afwijking van de kathodespanning van de TWT van puls tot puls bedoeld. De nauwkeurigheid van de voeding is nu een functie van de nauwkeurigheid van een, in het 10 controlecircuit opgenomen spanningmeetcircuit voor het meten van de spanning over de buffer. Een bijzondere uitvoeringsvorm van het spanningmeetcircuit wordt in de beschrijving gegeven. De nauwkeurigheid van de voeding kan hiermede verder worden opgevoerd.

15 De uitvinding zal verder worden toegelicht aan de hand van de volgende figuren, waarvan:

Fig. 1 een uitvoeringsvorm van de voeding overeenkomstig de uitvinding voorstelt;

Fig. 2A-2C karakteristieken zijn voor het verklaren van de werking 20 van de voeding overeenkomstig de uitvinding;

Fig. 3 een eerste bijzondere uitvoeringsvorm van de voeding overeenkomstig de uitvinding voorstelt;

Fig. 4 een tweede bijzondere uitvoeringsvorm van de voeding overeenkomstig de uitvinding voorstelt; 25 Fig. 5 een uitvoeringsvorm van het controlecircuit van de voeding voorstelt.

In fig.1 is met behulp van verwijzingsnummer 1 een gelijkspannings- bron aangegeven welke de energie levert voor de helix van een TWT 2.

30 De schakelaars 3A en 3B kunnen via leidingen 4A en 4B onder besturing van een controlecircuit 5 worden gesloten. Indien de schakelaars 3A en 3B gelijktijdig worden aangesloten zal een

stroombron 6 een constante stroom I gaan leveren. De stroom I

s s 8701515 3 vloeit vanuit de positieve klem van de gelijkspanningsbron 1 via de genoemde schakelaars en via een stroomconverter 7 naar de negatieve klem van de gelijkspanningsbron 1. De stroomconverter 7 is opgebouwd uit een hoogspanningstransformator 8 waarvan de primaire winding 9 5 wordt gevoed met de stroom I en uit een diode 10 welke wordt gevoed vanuit de secondaire winding 11 van de hoogspanningstransformator 8. De stroom Ig door de primaire winding 9 bepaalt de primaire spanning van de hoogspanningstransformator 8 en daarmee de stroom 1^ door de secondaire winding 11. Een buffer 12 wordt via de diode 10 met de 10 stroom van de secondaire winding 11 op geladen. De laadstroom

van de buffer 12 is daarmee rechtstreeks afhankelijk van de grootte van de stroom door de primaire winding 9. De wikkelverhouding N

^ van de primaire en secondaire winding (respectievelijk 9 en 11) s van de hoogspanningstransformator 8 is dusdanig gekozen dat een voldoende hoge spanning voor het opladen van de buffer 12 wordt verkregen. Indien de schakelaars 3A en 3B onder besturing van de controlemiddelen 5 worden geopend zal de stroom Ig door de primaire wikkeling nul worden. De magnetiseringsenergie in de hoogspannings- 20 tranformator 8 kan dan via de dioden 13A en 13B worden teruggeleverd naar de gelijkspanningsbron 1.

De eigenschappen van het controlecircuit worden hierna besproken aan de hand van fig. 2A, 2B en 2C. De TWT wordt via leiding 14 vanuit 25 een, niet in fig. 1 aangegeven roostermodulator aangestuurd. Vanaf het tijdstip t = tg tot het tijdstip t = t^ genereert de TWT 2 onder besturing van leiding 14 een zendpuls met een vermogen P zoals aangegeven In fig. 2A. De TWT onttrekt hiertoe energie uit de buffer 12. De spanning f V. J van de buffer 12 zal hierdoor afnemen zoals is 30 weergegeven in fig. 2B.

870 1515 4

Op het tijdstip t = t^ wordt de radarpuls beëindigd, zodat de buffer niet langer wordt ontladen. Op dit tijdstip t = t-^ worden tevens de schakelaars 3Δ en 3B gesloten, waardoor de buffercondensator 12 met een constante stroom

5 I . N

_s__£

Tl= N

s wordt bij geladen.

Ten gevolge van de laadstroom 1^ zal de spanning over de buffer 12 weer toenemen. De spanning wordt via de leidingen 15A en 15B door het controlecircuit 5 gemeten. Een bijzondere uitvoeringsvorm van het controlecircuit 5, welke het mogelijk maakt om laatstgenoemde spanning zeer precies te meten wordt later uiteengezet ^5 aan de hand van fig. 5. Het controlecircuit 5 bewerkstelligt dat de schakelaars 3A en 3B weer worden geopend zodra = V Een referentiespanning -Vref-]_/M wordt via leiding 16 het controlecircuit 5 toegevoerd en bepaalt de grootte van de spanning indien de buffer 12 zich in de opgeladen toestand bevindt. Hierbij 2Q is M een gepredetermineerde constante met M » 1.

Op het tijdstip t = geldt dat = Vre^, zodat de schakelaars 3A en 3B worden geopend en de laadstroom 1-^ = 0 wordt, zie fig. 2B en 2C, Tussen de tijdstippen t - tj en t - t^ wordt de TWT 2 via de 25 leiding 14 getriggerd voor het uitzenden van een korte puls, een zgn. volgpuls (zie fig. 2A). De spanning van de buffer 12 zal hierbij minder dalen omdat de buffer gedurende kortere tijd wordt ontladen. Het controlecircuit 5 bewerkstelligt dat tussen de tijdstippen t - t^ en t = t5 de buffer 12 wordt opgeladen als 2Q hiervoor beschreven tussen de tijdstippen t = t^ en t - 870 1 5"l !> * 5

Het kan voorkomen dat het wenselijk is dat gedurende zekere tijd geen radarpulsen meer worden uitgezonden, bijvoorbeeld om te voorkomen dat de betreffende radarinstallatie wordt gepeild. Dit heeft tot gevolg dat de buffer 12 niet regelmatig wordt ontladen en 5 vervolgens weer wordt opgeladen. Het is hierbij niet uitgesloten dat de spanning over de buffer 12 langzaam daalt t.g.v. een lekstroom. Zodra het controlecircuit echter constateert dat de spanning V^ kleiner is dan Vref2 deze bewerkstelligen dat de schakelaars 3A en 3B worden gesloten zodat de buffer weer wordt 10 bijgeladen. Zodra geldt dat Vb = Vrefl zullen de schakelaars 3A en 3B weer worden geopend. In fig. 2 is een situatie aangegeven waarbij gedurende lange tijd (tussen t^ en tg) geen radarpulsen worden uitgezonden waardoor de spanning V^ langzaam afneemt. Hierbij is met t = tg het tijdstip aangegeven waarvoor geldt dat V^ — ^ref2 en met 15 t — ty het tijdstip waarvoor geldt dat = Vre^.

In fig. 3 is een uitvoeringsvorm van de voeding gegeven waarin de stroombron is voorzien van een PNP transistor 16, een weerstand 17 en een referentiespanningsbron 18 voor het genereren van een 20 referentiespanning vref3 · Met behulp van de referentiespanning Vref3 kan de stroom Ig worden ingesteld.

Het rendement van deze schakeling kan als volgt worden bepaald:

Voor de hoeveelheid aan de buffer 12 af gegeven energie geldt: 25 w0 = vp.is.(t2-tl).

Hierbij is Vp de ingangsspanning over de stroomconverter 7. Voor de hoeveelheid, door de gelijkspanningsbron afgegeven energie geldt:

Win-V

2Q Hierbij is V^ de spanning van de gelijkspanningsbron 1.

6701515 6 _ι

Met V = 1,75 V als praktische waarde geldt voor het rendement η:

c O

W0 1 η = .100% - 7*^7.100% - 57% .

W. 1,75 m ’ ^ Een bijzondere uitvoeringsvorm van de voeding met een bijzonder hoog rendement is weergegeven in fig. 4. De stroombron 6 is opgebouwd uit een stroomtransductor 19, een weerstand 20, een spanningsbron 18 en een zelfinductie 21. Doordat de stroomtransductor secundair (win- V18 ding 23) wordt gevoed met een gelijkstroom 1^ «= bevindt deze zich in verzadigde toestand. Als de schakelaars 3A en 3B worden gesloten komt over de primaire wikkeling 23 een spanning te staan. De stroom die ten gevolge hiervan gaat lopen is gelijk aan:

N

s N p 15 P

Hierbij is Ng/Np de wikkelverhouding van de stroomtransductor 19. Zolang schakelaars 3A en 3B gesloten blijven zal deze stroom blijven lopen totdat de stroomtransductor aan de andere zijde van de B-H curve van het kernmateriaal in verzadiging loopt. Zolang mogen de 20 schakelaars 3A en 3B echter niet gesloten blijven staan. Dit wordt voorkomen doordat de tijd in welke de schakelaars 3A en 3B gesloten zijn, gelimiteerd is.

Een hoeveelheid energie = (Vg - Vp) .Ig(t2 ' fci) wordt gedurende 25 tot t2 opgeslagen in de zelfinductie 21. Vanaf het tijdstip t = t2 wordt een hoeveelheid energie Wj = Vg.Is.tr gedurende een periode van tr seconden aan de gelijkspanningsbron 1 teruggeleverd, zodat, onder gebruikmaking van de conditie geldt dat:

V - V

30 'r-V'11!·1!1· g 8701515 7

De energieverliezen bestaan nu uit de verliezen W^g in de dioden 13A en 13C, W22 -*-n de windingen 22, ï^q in de weerstand 20 en de verliezen Wg in de schakelaars 3A en 3B.

Hierbij geldt dat: 5 *13 - Wu-V* *22 - Is2'E22<tr + <W> . 2 *20 - <5*·ν -*20 10 p *3 !νννν

Hierbij is V^g de drempelspanning van een diode 13A of 13C en Vg de spanning over een schakelaar 3A of 3B. Onder gebruikmaking van praktische waarden voor de variabelen van bovenstaande formules volgt dat een rendement van 93% realiseerbaar is. Dit bijzonder hoge rendement is met name realiseerbaar ten gevolge van de lage uitgangsimpedantie van stroombron 6.

2Q In Fig. 5 wordt een mogelijke uitvoeringsvorm van het controle-circuit 5 weergegeven. Omdat de spanning V-^ t.b.v. een helix in de orde van 30-50 kV bedraagt zal een nauwkeurige verzwakking van de spanning gewenst zijn alvorens de grootte van deze spanning geschikt is voor verdere verwerking. Het controlecircuit 5 wordt 2g hierbij dusdanig ingericht dat niet "Vrefl als referentiespanning wordt gebruikt maar -Vre^/M. Een lage referentiespanning 'Vref^/M met Μ » 1 is immers veel eenvoudiger te genereren dan prefi· De leiding 15A wordt hiertoe verbonden met aarde terwijl de leiding 15B wordt verbonden met een uiteinde van een keten 24, welke is 30 opgebouwd uit N identieke in serie geschakelde impedanties 25. Het andere uiteinde van de keten 24 wordt via een coaxiale kabel 26 met de inverterende ingang van een operationele versterker 27 verbonden.

8701515 8

De operationele versterker is tegengekoppeld met een impedantie 28. De niet-inverterende ingang van de operationele versterker is met aarde verbonden. Een referentiespanning -V wordt via een weerstand 29 met de inverterende ingang van de versterker 27 5 verbonden. De mantel van de coaxiale kabel 26 is eveneens met aarde verbonden terwijl de kern van de coaxiale kabel 26 aan weerszijde via een weerstand 30 resp. 31 en een condensator 32 resp. 33 met aarde is verbonden. Een impedantie 25 is opgebouwd uit een parallelschakeling van een weerstand 34 met een impedantie Z^, 10 waarbij een in serie geschakelde weerstand 35 en condensator 36 voorstelt. De impedantie 28 is opgebouwd uit een parallelschakeling van een weerstand 37 met een impedantie Zg, waarbij Z^ een serieschakeling van een weerstand 38 en condensator 39 voorstelt.

De schakeling wordt dusdanig gedimensioneerd dat, indien > Vre£-^ 15 voor de uitgangsspanning Vq van de operationele versterker geldt:

Vq > 0, terwijl, indien < Vre^ voor de spanning Vq geldt: v0 < 0.

Stel dat iedere weerstand 34 een weer standswaarde heeft van ΑΩ, en 20 de weerstand 29 een weerstandswaarde van N.^ Ω, terwijl de weerstand 37 een weerstandswaarde heeft van A/B Ω. Toepassing van de tweede wet van Kirchoff op het knooppunt van de inverterende ingang van de operationele versterker 27 geeft tesamen met de kennis dat de ingangsstroom van een operationele versterker nagenoeg gelijk aan 25 nul is: V0 - <Vb · Vre£l> ' (Vb ' Vrefl> O”»'1

NA

Hierbij is Vq de uitgangsspanning van de operationele versterker 27. 30 Indien NB > 1, geeft deze formule de eigenschap van een spannings- A\ deler weer. De wisselspanningsversterkingsfactor voor 87 01 515 ψ 9 de via leiding 15A toegevoerde signalen, bedraagt %28^25 ’ waar^^-j Z2g en Z25 de waarden van de respectievelijke impedanties 28 en 25 zijn. Voor het verkrijgen van een resonantievrije overdracht worden de weerstanden 35, 38 en de condensatoren 36, 39 op bekende wijze op 5 elkaar afgestemd, zodat geldt: R35 _ Z1 R38 Z2

Hierbij treedt het voordeel op, dat voor het verkrijgen van een afstemming overeenkomstig deze formule in principe geen afregeling nodig is t.a.v. de parasitaire capaciteit van de coaxiale kabel 26.

De weerstandswaarde van de weerstanden 30 en 31 wordt gelijk gekozen aan de karakteristieke weerstand van de coaxiale kabel 26 voor het verkrijgen van een reflectie-vrije afsluiting. De condensatoren 32 ^ en 33 zijn opgenomen opdat de gelijkspanningsoverdracht niet wordt beïnvloed door laatstgenoemde weerstanden.

De schakeling van fig. 5 is bijzonder storingsongevoelig omdat de punten A-B en C-D laagimpedant zijn. Het ruis- en stoorniveau zal 20 gering zijn omdat de referentiespanning rechtstreeks inkoppelbaar is zonder dat extra verzwakkingen en, na het inkoppelen, versterkingen noodzakelijk zijn.

De uitgangsspanning Vq wordt vervolgens via een leiding 40 naar de 25 inverterende ingang van een comparator 41 gestuurd, welke is voorzien van een hysterese AV. Voor de hysterese geldt:

refl vref2 iV - M

De niet-inverterende ingang van de comparator 41 wordt met aarde 30 verbonden. De hysterese is aangebracht opdat het controlecircuit 5 de schakelaars 3A en 3B doet sluiten indien V^ < Vre£2 > zoals in fig. 3 is weergegeven. Het logische uitgangssignaal van de comparator 41 wordt een eerste ingang van een inverterende OF-poort 8701515 10 toegevoerd. De tweede ingang van de OF-poort 42 wordt gestuurd door het stuursignaal (Prf) waarmee de TWT 2 wordt getriggerd. Op deze wijze wordt bewerkstelligd dat de schakelaars 3A en 3B worden gesloten indien < Vre£2 of indien de TWT 2 aanvangt met het 5 genereren van een uitgangspuls. Het is eveneens mogelijk het controlecircuit niet te voorzien van het signaal waarmee de TWT 2 wordt getriggerd omdat de spanning enige tijd nadat de TWT 2 start met het uitzenden van een zendpuls, beneden de waarde Vre£2 komt. Met behulp van de OF-poort 42 wordt echter bereikt dat eerder 10 wordt gestart met het opladen van de buffer 12, waardoor deze eerder gereed is voor het m.b.v. de TWT 2 genereren van een nieuwe zendpuls.

Tenslotte wordt het uitgangssignaal van de OF-poort 42 twee 15 identieke versterkers 43A en 43B toegevoerd, welke via de leidingen 4A en 4B de schakelaars 3A en 3B sturen.

20 25 30 8701 515"

Claims

1. Geschakelde voeding voor het genereren van een spanning voor een pulserende belasting, in het bijzonder voor het genereren van een 5 helixspanning voor een TWT, waarbij de geschakelde voeding is voorzien van een gelijkspanningsbron, een buffer van waaruit de belasting wordt gevoed en schakelmiddelen met een controlecircuit voor het opladen vanuit de gelijkspanningsbron, met het kenmerk, dat de voeding is voorzien van een, aan de gelijkspanningsbron 10 gekoppelde keten welke is opgebouwd uit een stroombron, de genoemde schakelmiddelen en een primaire zijde van een converter, waarbij de buffer wordt gevoed vanuit een secondaire zijde van de genoemde converter en waarbij het controlecircuit de schakelmiddelen stuurt met een schakelsignaal welke een functie is van het rithme 15 van de pulserende belasting en de spanning over de buffer.

2. Geschakelde voeding volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stroombron is opgebouwd uit een stroomtransductor met een secondaire in serie geschakelde spoel waarvan een eerste, van de 20 genoemde keten deel uitmakende wikkeling wordt gevoed vanuit de gelijkspanningsbron en waarvan de tweede wikkeling wordt verbonden met stuurstroom genererende middelen voor het bepalen van de stroom door de eerste wikkeling.

3. Geschakelde voeding volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat beide ingangsklemmen van de converter en beide ingangsklemmen van de eerste wikkeling van de stroomtransductor via diodes met de klemmen van de gelijkspanningsbron zijn verbonden, zodat bij geopende toestand van de genoemde schakelmiddelen de in de converter, 30 spoel en stroomtransductor opgeslagen energie terug kan stromen naar de gelijkspanningsbron. 870 1 51 ff »

4. Geschakelde voeding volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de stroombron is opgebouwd uit een transistor waarvan de basis wordt voorzien van een referentiespanning en waarvan de emitter-collectorketen is opgenomen in de eerder genoemde keten en een 5 stroom levert welke een functie is van de referentiespanning.

5. Geschakelde voeding volgens conclusie 2 of 4, met het kenmerk, dat de beide ingangsklemmen van de converter dusdanig via diodes met de klemmen van de gelijkspanningsbron zijn verbonden dat, bij 10 geopende toestand van de genoemde schakelmiddelen, de in de converter opgeslagen energie terugstroomt naar de gelijkspanningsbron.

6. Geschakelde voeding volgens één der voorgaande conclusies, met 15 het kenmerk, dat het controlecircuit de schakelmiddelen doet sluiten zodra de pulserende belasting start met opnemen van energie uit de buffer of wanneer de spanning van de buffer beneden een eerste referentiewaarde komt en waarbij het controlecircuit de schakelmiddelen opent indien de spanning over de buffer boven een 20 tweede referentiewaarde komt.

7. Geschakelde voeding volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de converter is opgebouwd uit een hoogspannings-transformator waarvan de secondaire winding is voorzien van 25 gelijkrichtmiddelen welke deel uitmaken van de genoemde secondaire zijde. 30 87 0 1 515