RU118139U1

RU118139U1 - HIGH VOLTAGE PULSE GENERATOR

Info

Publication number: RU118139U1
Application number: RU2012105945/08U
Authority: RU
Inventors: Зиннур Марселевич Гизатуллин; Рево Мухлисович Хаиров; Рифнур Марселевич Гизатуллин
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2012-07-10

Abstract

Генератор высоковольтных импульсов, содержащий импульсный источник высоковольтного напряжения, отличающийся тем, что в него введены переменный токоограничивающий резистор, электрически пробиваемый конденсатор с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками, конденсатор дифференцирующей цепочки и переменный резистор дифференцирующей цепочки, потенциальный вывод импульсного источника высоковольтного напряжения соединен с первым выводом переменного токоограничивающего резистора, общий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения соединен с вторым выводом электрически пробиваемого конденсатора с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками и со вторым выводом переменного резистора дифференцирующей цепочки, первый вывод электрически пробиваемого конденсатора с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками соединен со вторым выводом переменного токоограничивающего резистора и с первым выводом конденсатора дифференцирующей цепочки, второй вывод конденсатора дифференцирующей цепочки соединен с первым выводом переменного резистора дифференцирующей цепочки, второй вывод конденсатора дифференцирующей цепочки и общий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения являются выходами генератора высоковольтных импульсов. A high-voltage pulse generator containing a pulsed high-voltage voltage source, characterized in that a variable current-limiting resistor, an electrically punctured capacitor with a variable air gap between the plates, a capacitor of the differentiating chain and a variable resistor of the differentiating chain, the potential output of the pulsed high-voltage source is connected to the first the terminal of the variable current-limiting resistor, the common terminal of the high-voltage pulse source is connected to the second terminal of an electrically punctured capacitor with a variable air gap between the plates and to the second terminal of the variable resistor of the differentiating chain, the first terminal of an electrically breakable capacitor with a variable air gap between the plates is connected to the second terminal variable current-limiting resistor and with the first output of the capacitor of the differentiating chain, the second output of the condenser The driver of the differentiating chain is connected to the first terminal of the variable resistor of the differentiating chain, the second terminal of the capacitor of the differentiating chain and the common terminal of the pulsed high-voltage voltage source are outputs of the high-voltage pulse generator.

Description

Техническое решение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для генерации коротких высоковольтных импульсов напряжения.The technical solution relates to high-voltage pulse technology and can be used to generate short high-voltage voltage pulses.

Аналогом является генератор высоковольтных импульсов (Горошков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1988. - 176 с., С.136). Данное устройство содержит источник постоянного высоковольтного напряжения, потенциальный и общий выводы которого соединены соответственно с выводом питания и общим выводом цепочки последовательно соединенных транзисторов имеющих режим «лавинного» пробоя, выход цепочки последовательно соединенных транзисторов является выходом генератора, управляющий вывод цепочки последовательно соединенных транзисторов соединен с выходом управляющего генератора.An analogue is a high-voltage pulse generator (Goroshkov B.I. Elements of electronic devices: Reference book. - M.: Radio and communications, 1988. - 176 p., S.136). This device contains a source of constant high-voltage voltage, the potential and common conclusions of which are connected respectively to the power output and the general output of a series of transistors connected in series with an avalanche breakdown mode, the output of a series of transistors connected in series is the output of a generator, the control output of a chain of series-connected transistors is connected to an output control generator.

В качестве прототипа выбран генератор высоковольтных импульсов (патент РФ №2368069 от 20.09.2009). Данное устройство содержит импульсный источник высоковольтного напряжения, потенциальный и общий выводы источника высоковольтного напряжения соединены соответственно с выводом питания и общим выводом цепочек последовательно соединенных транзисторов имеющих режим «лавинного» пробоя, одноименные выводы которых соединены параллельно между собой, выход цепочек последовательно соединенных транзисторов является выходом генератора, вход управляющего генератора соединен с управляющим выводом источника высоковольтного напряжения, выход управляющего генератора соединен с управляющим выводом n цепочек последовательно соединенных транзисторов, где n - натуральный ряд чисел от 1 до ∞. Значение n может равняться двум.A high-voltage pulse generator was selected as a prototype (RF patent No. 2368069 from 09/20/2009). This device contains a pulsed high-voltage voltage source, the potential and general conclusions of the high-voltage voltage source are connected respectively to the power output and the general output of the chains of series-connected transistors having an avalanche breakdown mode, the same terminals of which are connected in parallel with each other, the output of the chains of series-connected transistors is the output of the generator , the input of the control generator is connected to the control terminal of the high voltage source, output One control generator is connected to the control output of n strings of transistors connected in series, where n is a natural series of numbers from 1 to ∞. The value of n can be two.

Представленная схема содержит большое количество радиоэлементов, требует точной подборки «лавинных» транзисторов по напряжению пробоя (±2,5 В) и для изменения параметров напряжения на выходе генератора требуется изменить его схему, в частности количество последовательно соединенных транзисторов имеющих режим «лавинного» пробоя.The presented circuit contains a large number of radio elements, requires an accurate selection of avalanche transistors by breakdown voltage (± 2.5 V), and to change the voltage parameters at the generator output, it is necessary to change its circuit, in particular the number of series-connected transistors having an avalanche breakdown mode.

Решаемая техническая задача - снижение количества радиоэлементов в устройстве и возможность изменения параметрами высоковольтных импульсов напряжения на выходе генератора без изменений его схемы.The technical problem to be solved is the reduction in the number of radioelements in the device and the possibility of changing the parameters of the high-voltage voltage pulses at the generator output without changing its circuit.

Решаемая техническая задача в генераторе высоковольтных импульсов, содержащем импульсный источник высоковольтного напряжения, достигается тем, что в него введены переменный токоограничивающий резистор, электрически пробиваемый конденсатор с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками, конденсатор дифференцирующей цепочки и переменный резистор дифференцирующей цепочки, потенциальный вывод импульсного источника высоковольтного напряжения соединен с первым выводом переменного токоограничивающего резистора, общий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения соединен с вторым выводом электрически пробиваемого конденсатора с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками и со вторым выводом переменного резистора дифференцирующей цепочки, первый вывод электрически пробиваемого конденсатора с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками соединен со вторым выводом переменного токоограничивающего резистора и с первым выводом конденсатора дифференцирующей цепочки, второй вывод конденсатора дифференцирующей цепочки соединен с первым выводом переменного резистора дифференцирующей цепочки, второй вывод конденсатора дифференцирующей цепочки и общий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения являются выходами генератора высоковольтных импульсов.The technical problem to be solved in a high-voltage pulse generator containing a high-voltage pulse source is achieved by introducing a variable current-limiting resistor, an electrically punctured capacitor with a variable air gap between the plates, a differentiating circuit capacitor and a differentiating circuit variable resistor, and a potential output of a high-voltage pulse source voltage is connected to the first terminal of an alternating current-limiting resistor; One pulsed high-voltage voltage source is connected to the second terminal of an electrically punched capacitor with a variable air gap between the plates and to the second terminal of a variable resistor of the differentiating circuit, the first terminal of an electrically pierced capacitor with a variable air gap between the plates is connected to the second terminal of a variable current limiting resistor and to the first the derivation of the capacitor of the differentiating chain, the second output of the capacitor of the differentiating chain is connected to a first terminal of the variable resistor differentiating circuit, the second terminal of the capacitor of the differentiating circuit and a common output pulsed source of high voltage generator are the outputs high voltage pulses.

На фиг.1 приведена структурная схема генератора высоковольтных импульсов; на фиг.2 приведена схема импульсного источника высоковольтного напряжения; на фиг.3 приведен график напряжения на потенциальном выводе импульсного источника высоковольтного напряжения; на фиг.4 приведен график напряжения на выходе генератора высоковольтных импульсов;Figure 1 shows the structural diagram of the generator of high voltage pulses; figure 2 shows a diagram of a pulsed source of high voltage; figure 3 shows a graph of the voltage at the potential output of a pulsed source of high voltage; figure 4 shows a graph of the voltage at the output of the generator of high voltage pulses;

Генератор высоковольтных импульсов (Фиг.1) содержит импульсный источник высоковольтного напряжения 1, переменный токоограничивающий резистор 2, электрически пробиваемый конденсатор 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками, конденсатор дифференцирующей цепочки 4 и переменный резистор дифференцирующей цепочки 5, потенциальный вывод импульсного источника высоковольтного напряжения 1 соединен с выводом 6 переменного токоограничивающего резистора 2, общий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения 1 соединен с выводом 7 электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками и с выводом 8 переменного резистора дифференцирующей цепочки 5, вывод 9 электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками соединен с выводом 10 переменного токоограничивающего резистора 2 и с выводом 11 конденсатора дифференцирующей цепочки 4, вывод 12 конденсатора дифференцирующей цепочки 4 соединен с выводом 13 переменного резистора дифференцирующей цепочки 5, вывод 12 конденсатора дифференцирующей цепочки 4 и общий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения 1 являются выходами генератора высоковольтных импульсов, управляющий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения 1 не используется.The high-voltage pulse generator (Fig. 1) contains a high-voltage pulse source 1, an alternating current-limiting resistor 2, an electrically punctured capacitor 3 with a variable air gap between the plates, a capacitor of the differentiating circuit 4 and a variable resistor of the differentiating circuit 5, a potential output of a pulsed source of high-voltage voltage 1 connected to terminal 6 of an alternating current-limiting resistor 2, a common terminal of a pulsed source of high voltage voltage 1 is connected n with terminal 7 of an electrically punched capacitor 3 with a variable air gap between the plates and with terminal 8 of a variable resistor of the differentiating circuit 5, terminal 9 of an electrically punched capacitor 3 with a variable air gap between the plates is connected to terminal 10 of a variable current limiting resistor 2 and with terminal 11 capacitor of the differentiating chain 4, terminal 12 of the capacitor of the differentiating chain 4 is connected to terminal 13 of a variable resistor of the differentiating chain 5, terminal 12 of the condensate differentiating circuit 4 and the general output of the pulse source of high voltage voltage 1 are the outputs of the generator of high voltage pulses, the control output of the pulse source of high voltage voltage 1 is not used.

Импульсный источник высоковольтного напряжения 1 (Фиг.2) содержит источник постоянного низковольтного напряжения 14, ключ 15 с двумя положениями переключения, конденсатор 16, трансформатор 17 с магнитомягким сердечником, первичная обмотка которого содержит количество витков W₁, а вторичная обмотка количество витков W₂, (W₂>>W₁), цепочку последовательно соединенных диодов 18 (не менее десяти диодов). В исходном состоянии ключ 15 в нижнем положении и соединяет первый вывод конденсатора 16 с общим выводом источника постоянного низковольтного напряжения 14 и вывод 19 первичной обмотки трансформатора 17, общий вывод источника постоянного низковольтного напряжения 14 заземлен, в таком положении конденсатор 16 разряжен, второй вывод конденсатора 16 соединен с выводом 20 первичной обмотки трансформатора 17. Вывод 21 вторичной обмотки трансформатора 17 соединен с первым выводом цепочки последовательно соединенных диодов 18, вывод 22 вторичной обмотки трансформатора 17 заземлен и является общим выводом импульсного источника высоковольтного напряжения 1. Второй вывод цепочки последовательно соединенных диодов 18 является потенциальным выводом импульсного источника высоковольтного напряжения 1.The pulse source of high voltage 1 (FIG. 2) contains a source of constant low voltage 14, a key 15 with two switching positions, a capacitor 16, a transformer 17 with a soft core, the primary winding of which contains the number of turns W ₁ , and the secondary winding number of turns W ₂ , (W ₂ >> W ₁ ), a series of series-connected diodes 18 (at least ten diodes). In the initial state, the key 15 is in the low position and connects the first terminal of the capacitor 16 to the common terminal of the source of constant low voltage 14 and the terminal 19 of the primary winding of the transformer 17, the common terminal of the source of constant low voltage 14 is grounded, in this position the capacitor 16 is discharged, the second terminal of the capacitor 16 connected to the terminal 20 of the primary winding of the transformer 17. The terminal 21 of the secondary winding of the transformer 17 is connected to the first terminal of the chain of series-connected diodes 18, the terminal 22 of the secondary winding ransformatora 17 is grounded and the common terminal of the pulsed high voltage source 1. The second terminal of the chain of serially connected diodes 18 is a potential source of high voltage output pulse voltage 1.

Генератор высоковольтных импульсов работает следующим образом. При замыкании ключа 15 в верхнее положение соединяются потенциальный вывод источника постоянного низковольтного напряжения 14 и первый вывод конденсатора 16 и конденсатор 16 начинает заряжаться через первичную обмотку трансформатора 17, из за чего на вторичной обмотке трансформатора 17 возбуждается импульсное положительное высоковольтное напряжение, например длительностью 100 мкс и величиной, например, 4 кВ. Для устранения отрицательного импульсного высоковольтного напряжения, которая возникает при обратном замыкании ключа 15 в нижнее положение и разряде конденсатора 16, используется цепочка последовательно соединенных диодов 18. В рабочем состоянии в данной схеме постоянное высоковольтное напряжение отсутствует. Импульсное высоковольтное напряжение имеет малую длительность, например t_пит=100 мкс и присутствует только в момент запуска генератора. Импульсное высоковольтное напряжение через потенциальный вывод импульсного источника высоковольтного напряжения 1 через переменный токоограничивающий резистор 2 поступает к электрически пробиваемому конденсатору 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками и начинает его заряжать. В момент времени t_п, равенства напряжения U₂ на выводе 9 электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками с U_пк, напряжением пробоя электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками происходит ожидаемый пробой зазора между обкладками. При этом наступление момента времени t_п, времени начала пробоя, можно регулировать путем изменения величины переменного токоограничивающего резистора 2. При наступлении пробоя электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками происходит быстрое изменение напряжения на выводе 11 конденсатора дифференцирующей цепочки 4. При этом на выводе 12 конденсатора дифференцирующей цепочки 4, который представляет собой выход генератора высоковольтных импульсов, возникает короткий высоковольтный импульс напряжения.The high-voltage pulse generator operates as follows. When the key 15 is locked to the upper position, the potential terminal of the source of constant low voltage 14 and the first terminal of the capacitor 16 are connected and the capacitor 16 begins to be charged through the primary winding of the transformer 17, due to which a pulsed positive high-voltage voltage is excited at the secondary winding of the transformer 17, for example, 100 μs and value, for example, 4 kV. To eliminate the negative pulsed high voltage voltage that occurs when the key 15 is shorted to the lower position and the capacitor 16 is discharged, a chain of diodes connected in series is used 18. In this state, there is no constant high voltage voltage in this circuit. The pulsed high-voltage voltage has a short duration, for example, _tpit = 100 μs and is present only at the moment the generator is started. The pulsed high-voltage voltage through the potential output of the pulsed source of high-voltage voltage 1 through an alternating current-limiting resistor 2 enters the electrically punctured capacitor 3 with a variable amount of air gap between the plates and starts to charge it. At time t _p , the equality of voltage U ₂ at terminal 9 of the electrically punched capacitor 3 with a variable amount of air gap between the plates with U _pc , the breakdown voltage of the electrically punched capacitor 3 with a variable amount of air gap between the plates, the expected breakdown of the gap between the plates occurs. In this case, the onset of time t _p , the time of the onset of breakdown, can be controlled by changing the value of a variable current-limiting resistor 2. When the breakdown of an electrically punched capacitor 3 occurs with a variable size of the air gap between the plates, a rapid change in voltage occurs at terminal 11 of the capacitor of the differentiating circuit 4. at the output 12 of the capacitor of the differentiating chain 4, which is the output of the high-voltage pulse generator, a short high-voltage and voltage pulse.

На фиг.3 приведен график напряжения U₁ на потенциальным выводе импульсного источника высоковольтного напряжения 1, U₂ напряжение на выводе 9 электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками, где, если напряжение U₂>U_пк (U_пк - напряжение пробоя электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками) в момент времени t_п происходит пробой зазора между обкладками. Момент времени t_п, времени начала пробоя, можно изменять путем изменения величины переменного токоограничивающего резистора 2. При этом напряжение пробоя U_пк электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками определяется величиной воздушного зазора. Напряжение пробоя воздушного зазора (сухой воздух, давление 1 атм.) между обкладками составляет 2 кВ/мм. График напряжения U₁ на потенциальным выводе импульсного источника высоковольтного напряжения 1 при отсутствии пробоя показан прерывистой линией.Figure 3 shows a graph of the voltage U ₁ at the potential output of a pulsed source of high voltage voltage 1, U _{2 the} voltage at terminal 9 of the electrically punched capacitor 3 with a variable value of the air gap between the plates, where, if the voltage is U ₂ > U _pc (U _pc is the voltage breakdown of an electrically punched capacitor 3 with a variable amount of air gap between the plates) at a time t _p there is a breakdown of the gap between the plates. The time t _p , the time of the start of the breakdown, can be changed by changing the value of the variable current-limiting resistor 2. In this case, the breakdown voltage U _{pc of the} electrically punched capacitor 3 with a variable value of the air gap between the plates is determined by the size of the air gap. The breakdown voltage of the air gap (dry air, pressure 1 atm.) Between the plates is 2 kV / mm. The voltage graph U ₁ at the potential output of a pulsed source of high voltage voltage 1 in the absence of breakdown is shown by a dashed line.

На фиг.4 приведен график напряжения на выходе генератора высоковольтных импульсов. Например, длительность высоковольтных импульсов составляет t_имп=10 нc.Figure 4 shows a graph of the voltage at the output of the generator of high voltage pulses. For example, the duration of high voltage pulses is t _imp = 10 ns.

Таким образом, количество радиоэлементов в данной схеме генератора высоковольтных импульсов существенно меньше, чем в прототипе за счет отсутствия цепочек (например, три) последовательно соединенных транзисторов (например, необходимо 20 шт. для напряжения на выходе генератора высоковольтных импульсов 2 кВ) и управляющего генератора. Амплитуда формируемого импульсного высоковольтного напряжения зависит от напряжения пробоя электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками, что в свою очередь определяется величиной регулируемого воздушного зазора между его обкладками. Например, величина регулируемого воздушного зазора между обкладками конденсатора 2 может составить 0,5-2 мм, с шагом изменения 0,25 мм. Тем самым обеспечивается возможность изменения напряжения на выходе генератора высоковольтных импульсов с 1 кВ до 4 кВ с шагом 0,25 кВ, без изменений его схемы. Длительность формируемого импульсного высоковольтного напряжения зависит от величины сопротивления переменного резистора дифференцирующей цепочки 5, емкости электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками и емкости конденсатора дифференцирующей цепочки 4, которые определяют постоянную времени разряда , где C₁ - емкость электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками, С₂ - емкость конденсатора дифференцирующей цепочки 4, R₁ - сопротивление переменного резистора дифференцирующей цепочки 5. Например, при C₁=С₁=100 пФ, R₁=50 Ом, τ_раз=10 нс; C₁=С₁=100 пФ, R₁=100 Ом, τ_раз=20 нс; C₁=200 пФ, С₂=100 пФ, R₁=50 Ом, τ_раз=15 нс;. Таким образом, изменяя сопротивление переменного токоограничивающего резистора 2 можно изменять момент времени возникновения коротких высоковольтных импульсов на выходе генератора. Также изменяя сопротивление переменного резистора дифференцирующей цепочки 5, емкости электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками и емкости конденсатора дифференцирующей цепочки 4 можно регулировать параметры (амплитуду и длительность) коротких высоковольтных импульсов на выходе генератора без изменений в его схеме.Thus, the number of radioelements in this circuit of a high-voltage pulse generator is significantly less than in the prototype due to the absence of chains (for example, three) of transistors connected in series (for example, 20 pcs are necessary for the voltage at the output of a 2 kV high-voltage pulse generator) and a control generator. The amplitude of the generated high-voltage pulse voltage depends on the breakdown voltage of the electrically punched capacitor 3 with a variable value of the air gap between the plates, which in turn is determined by the value of the adjustable air gap between its plates. For example, the size of the adjustable air gap between the plates of the capacitor 2 may be 0.5-2 mm, with a pitch of 0.25 mm. This makes it possible to change the voltage at the output of the high-voltage pulse generator from 1 kV to 4 kV with a step of 0.25 kV, without changing its circuit. The duration of the generated high-voltage pulse depends on the resistance value of the variable resistor of the differentiating circuit 5, the capacitance of the electrically punched capacitor 3 with the variable air gap between the plates and the capacitor of the differentiating circuit 4, which determine the discharge time constant where C ₁ is the capacitance of the electrically punched capacitor 3 with a variable amount of air gap between the plates, C ₂ is the capacitance of the differentiating circuit 4, R ₁ is the resistance of the variable resistor of the differentiating chain 5. For example, when C ₁ = C ₁ = 100 pF, R ₁ = 50 Ohms, τ _times = 10 ns; C ₁ = C ₁ = 100 pF, R ₁ = 100 Ohms, τ _times = 20 ns; C ₁ = 200 pF, C ₂ = 100 pF, R ₁ = 50 Ohms, τ _times = 15 ns ;. Thus, by changing the resistance of the variable current-limiting resistor 2, it is possible to change the time instant of occurrence of short high-voltage pulses at the output of the generator. Also, by changing the resistance of the variable resistor of the differentiating chain 5, the capacitance of the electrically punched capacitor 3 with the variable air gap between the plates and the capacitance of the capacitor of the differentiating chain 4, it is possible to adjust the parameters (amplitude and duration) of the short high-voltage pulses at the generator output without changes in its circuit.

Claims

A high-voltage pulse generator containing a high-voltage pulse source, characterized in that an alternating current-limiting resistor, an electrically punctured capacitor with a variable air gap between the plates, a differentiating circuit capacitor and a differentiating variable resistor, a potential output of a high-voltage pulse source are connected to the first the output of a variable current-limiting resistor, the total output of the pulse source is high voltage is connected to the second terminal of an electrically punched capacitor with a variable air gap between the plates and to the second terminal of a variable resistor of the differentiating circuit, the first terminal of an electrically pierced capacitor with a variable air gap between the plates is connected to a second terminal of a variable current limiting resistor and to the first terminal of a differentiating capacitor chain, the second terminal of the capacitor of the differentiating chain is connected to the first terminal of the differentiated resistor of the differentiating circuit, the second terminal of the capacitor of the differentiating chain, and the general output of the pulsed high-voltage voltage source are the outputs of the high-voltage pulse generator.