RU2189695C1

RU2189695C1 - Magnetic generator of pulses

Info

Publication number: RU2189695C1
Application number: RU2001100873/09A
Authority: RU
Inventors: А.В. Кривоносенко; В.Н. Трампильцев
Original assignee: Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-01-09
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: radio engineering. SUBSTANCE: magnetic generator of pulses is designed for generation of pulses with short front to excite quantum generators, radar systems and for other technical and technological purposes which demand employment of high-power pulses with short front. Magnetic generator of pulses has power supply source, charge and storage elements, key, saturating transformer. Secondary winding of transformer includes saturable-core reactor and pulse transformer, first and second capacitance storage circuits. Load is connected to output winding of pulse transformer. Reactor has one turn positioned inside core uniaxially with its axis. Turns of primary winding of pulse transformer are wound on cylindrical core of reactor. First capacitance storage circuit is placed in series between leads of turns of reactor and primary winding of pulse transformer. EFFECT: raised efficiency, reliability and pulse compression factor. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к магнитным генераторам импульсов, и предназначено для генерирования импульсов с коротким фронтом для возбуждения квантовых генераторов, радиолокационных систем и в других технических и технологических применениях, где есть потребность в импульсах с коротким фронтом высокой мощности. The invention relates to a pulse technique, namely to magnetic pulse generators, and is intended to generate pulses with a short front for exciting quantum generators, radar systems and in other technical and technological applications where there is a need for pulses with a short front of high power.

Магнитные формирователи импульсов строятся по следующему принципу:
накопление энергии в накопителе (емкостном или индуктивном) при потреблении ее от источника на малом уровне мощности через управляемый ключевой элемент в течение сравнительно длительного времени, с последующим высвобождением накопленной энергии за малые времена с преобразованиями, сводящимися к трансформации формы и амплитуды импульса для обеспечения требуемого режима работы нагрузки и устройства в целом.Magnetic pulse shapers are constructed according to the following principle:
energy storage in a storage device (capacitive or inductive) when it is consumed from a source at a low power level through a controlled key element for a relatively long time, followed by the release of stored energy in short times with transformations that are reduced to transforming the shape and amplitude of the pulse to provide the required mode work load and the device as a whole.

Этот принцип построения утвердился с 1951 г., когда В. Мелвилл предложил использовать для сжатия импульсов нелинейные колебательные контуры (например, в работе: Melville W.S.//Proc.IEE. 1951.V.98. 53.Р158). Недостатком этого устройства при его реализации является значительная величина первого дросселя, обуславливающая значительные потери энергии импульса и габариты. This construction principle has been established since 1951, when V. Melville proposed the use of nonlinear oscillatory circuits for compressing pulses (for example, in: Melville W.S. //Proc.IEE. 1951.V.98. 53.P158). The disadvantage of this device during its implementation is the significant size of the first inductor, which causes significant loss of pulse energy and dimensions.

Этот недостаток устранен в генераторе, описанном в монографии: Меерович Л. А. , Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М.: Магнитные генераторы импульсов, М. : Сов. радио. 1968 г., 476 с. (с.18), в котором функцию первого дросселя выполняет импульсный трансформатор, который выполняется с насыщающимся магнитопроводом, однако и этот генератор обладает относительно низким кпд и громоздкостью, поскольку вся энергия импульса проходит через трансформатор при ее сжатии. This disadvantage was eliminated in the generator described in the monograph: Meerovich L. A., Vatin I. M., Zaitsev E. F., Kandykin V. M.: Magnetic pulse generators, M.: Sov. radio. 1968, 476 p. (p.18), in which the function of the first inductor is performed by a pulse transformer, which is performed with a saturable magnetic circuit, however this generator also has a relatively low efficiency and bulkiness, since all the pulse energy passes through the transformer when it is compressed.

Более совершенным (выбран нами как прототип) является магнитный генератор импульсов, описанный в а.с. СССР 1358071 от 19.02.85 г., МПК⁷ Н 03 К 3/53, опубл. 07.12.87 г. Бюл. 45. Транзисторно-магнитный генератор импульсов (далее магнитный), содержащий источник питания, между выводами которого включены соединенные последовательно зарядный и накопительный элементы, последний подключен через ключ к первичной обмотке насыщающегося трансформатора, его вторичная обмотка шунтирована вторым емкостным накопителем и соединена последовательно через насыщающийся дроссель и первичную обмотку импульсного трансформатора с первым емкостным накопителем, а к выходной обмотке импульсного трансформатора подключена нагрузка.More perfect (we have chosen as a prototype) is the magnetic pulse generator described in A.S. USSR 1358071 dated 02.19.85, IPC ⁷ N 03 K 3/53, publ. 12/07/87, Bull. 45. A transistor-magnetic pulse generator (hereinafter referred to as magnetic) containing a power source between the terminals of which charging and storage elements are connected in series, the latter is connected via a key to the primary winding of a saturable transformer, its secondary winding is shunted by a second capacitive storage and connected in series through a saturable inductor and the primary winding of the pulse transformer with the first capacitive storage, and a load is connected to the output winding of the pulse transformer zka.

Этот генератор обладает повышенным кпд и обладает меньшими габаритами по сравнению с описанными в упомянутой книге. Однако недостатками этого генератора являются относительно значительные габариты и относительно большая длительность фронта или относительно низкий коэффициент сжатия импульса. This generator has increased efficiency and has smaller dimensions than those described in the mentioned book. However, the disadvantages of this generator are their relatively large dimensions and relatively large front duration or relatively low pulse compression ratio.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение габаритов, повышение кпд и повышение коэффициента сжатия импульса или укорочение фронта импульса. The main task to be solved by the claimed invention is directed is to reduce the dimensions, increase the efficiency and increase the compression ratio of the pulse or shorten the front of the pulse.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, является снижение габаритов, повышение кпд и повышение коэффициента сжатия импульса, получаемый за счет объединения сердечников дросселя и трансформатора и получение квазипрямоугольного импульса на нагрузке. The technical result achieved by the claimed invention is to reduce the dimensions, increase the efficiency and increase the compression ratio of the pulse obtained by combining the cores of the inductor and transformer and obtaining a quasi-rectangular pulse at the load.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном магнитном генераторе импульсов, содержащем источник питания, между выводами которого включены соединенные последовательно зарядный и накопительный элементы, последний подключен через ключ к первичной обмотке насыщающегося трансформатора, его вторичная обмотка шунтирована вторым емкостным накопителем и соединена последовательно через насыщающийся дроссель и первичную обмотку импульсного трансформатора с первым емкостным накопителем, а к выходной обмотке импульсного трансформатора подключена нагрузка, согласно изобретению насыщающийся дроссель имеет один виток, который размещен внутри сердечника и соосно с его осью, а витки первичной обмотки импульсного трансформатора намотаны на сердечник дросселя, при этом первый емкостный накопитель включен последовательно между выводами витка насыщающегося дросселя и первичной обмотки импульсного трансформатора. The specified technical result is achieved by the fact that in the known magnetic pulse generator containing a power source, between the terminals of which charging and storage elements are connected in series, the latter is connected via a key to the primary winding of a saturable transformer, its secondary winding is shunted by a second capacitive storage and connected in series through a saturable the inductor and the primary winding of the pulse transformer with the first capacitive storage, and to the output winding of the pulse a load is connected to the transformer, according to the invention, the saturable inductor has one coil that is located inside the core and coaxially with its axis, and the turns of the primary winding of the pulse transformer are wound around the core of the inductor, while the first capacitive storage is connected in series between the terminals of the coil of the saturable inductor and the primary winding of the pulse transformer .

Такое объединение сердечников дросселя и трансформатора позволяет сократить объем сердечников, что, естественно, снижает величину потерь в магнитной системе, поскольку потери пропорциональны объему. Снижение потерь в магнитной системе приводит к повышению кпд генератора. Such a combination of the cores of the inductor and transformer allows to reduce the volume of the cores, which, of course, reduces the magnitude of losses in the magnetic system, since the losses are proportional to the volume. Reducing losses in the magnetic system leads to increased generator efficiency.

Кроме того, такое изменение выполнения дросселя изменяет характер процессов в нем, т.е. процессы, протекающие в устройстве прототипе в сосредоточенном элементе, преобразуются в процессы в устройствах с распределенными параметрами, а это изменяет и возможности процессов. Так, при сжатии импульса до, например, 10 нС из импульса 200 нС требуется несколько звеньев сжатия с дросселями и конденсаторами, поскольку в этом диапазоне времен коэффициент сжатия звеньев находится в диапазоне 3-1,5. Увеличение количества звеньев увеличивает и количество конденсаторов, что приводит к снижению надежности генератора. Формирование же импульса в устройстве с распределенными параметрами за счет ударной электромагнитной волны позволяет иметь коэффициент сжатия 10-20 и более, см., например. Катаев И.Г. Ударные электромагнитные волны. М. : Сов. радио, 1963., Кухаркин Е.С. Основы инженерной электрофизики. Ч. 1. Основы технической электродинамики. М.: Высшая школа, 1969, 510 с., с. 367, рис. 10.46. In addition, such a change in the performance of the throttle changes the nature of the processes in it, i.e. the processes that occur in the prototype device in a concentrated element are converted into processes in devices with distributed parameters, and this changes the capabilities of the processes. So, when compressing a pulse to, for example, 10 nS from a 200 nS pulse, several compression links with chokes and capacitors are required, since in this time range the compression ratio of the links is in the range of 3-1.5. An increase in the number of links also increases the number of capacitors, which leads to a decrease in the reliability of the generator. The formation of a pulse in a device with distributed parameters due to a shock electromagnetic wave allows you to have a compression ratio of 10-20 or more, see, for example. Kataev I.G. Shock electromagnetic waves. M.: Sov. radio, 1963., Kukharkin E.S. Fundamentals of Engineering Electrophysics. Part 1. Fundamentals of technical electrodynamics. M .: Higher school, 1969, 510 p., P. 367, fig. 10.46.

Причем в генераторе первый емкостный накопитель включен последовательно между выводами витка дросселя и витка первичной обмотки импульсного трансформатора. Такое включение первого емкостного накопителя позволяет иметь на обмотке импульсного трансформатора двойное напряжение (относительно напряжения на емкостном накопителе (конденсаторе)), а между выходом витка дросселя и выходом первичной обмотки напряжение конденсатора, т.е. на изоляцию, в том числе и на феррит, действует меньшее напряжение и это обеспечивает большую надежность генератора. Moreover, in the generator, the first capacitive storage is connected in series between the terminals of the coil of the inductor and the coil of the primary winding of the pulse transformer. Such switching on of the first capacitive storage device allows to have double voltage on the pulse transformer winding (relative to the voltage on the capacitive storage (capacitor)), and the capacitor voltage between the output of the inductor coil and the output of the primary winding, i.e. insulation, including ferrite, is subject to lower voltage and this ensures greater reliability of the generator.

Кроме того, в генераторе по п.1 первый и второй емкостные накопители (конденсаторы) разделены на n одинаковых конденсаторов, соединенных своей ветвью первичной обмотки импульсного трансформатора, при этом и насыщающийся трансформатор снабжен n ветвями вторичной обмотки, каждая из которых присоединена к своей ветви 1-го и 2-го накопительных конденсаторов. Такое исполнение позволяет получить квазипрямоугольный импульс на нагрузке, т.е. импульс с плоской вершиной. Это связано с тем, что после перезаряда вторых накопительных конденсаторов к ветвям первичной обмотки импульсного трансформатора прикладывается напряжение последовательных цепочек конденсаторов, но разряжаться начнет та цепочка конденсаторов, у которой напряжение выше, в силу разных причин: разная величина емкостей, добротностей и т.д., за счет взаимной индукции в других ветвях индуцируется эдс, которая не позволяет другим цепочкам конденсаторов разряжаться. По мере разряда одной ветви напряжение цепочки уменьшается, разряжаться начинает следующая ветвь и так последовательно все. Таким образом формируется плоская часть импульса. Кроме того, сокращается длительность импульса и уменьшается волновое сопротивление генератора в n^1/2 раз. Это приводит к повышению мощности генератора. Поясним это следующим образом: постоянная цепи после деления станет
t = π(LC/n)^1/2,
где L - индуктивность рассеяния ветви первичной обмотки импульсного трансформатора; С - величина емкости последовательно соединенных 1-го и 2-го емкостных накопителей до их деления; n - коэффициент деления.In addition, in the generator according to claim 1, the first and second capacitive storage (capacitors) are divided into n identical capacitors connected by its primary branch of the pulse transformer, and the saturable transformer is equipped with n secondary branches of the winding, each of which is connected to its branch 1 2nd and 2nd storage capacitors. This design allows you to get a quasi-rectangular pulse on the load, i.e. flat top momentum. This is due to the fact that after recharging the second storage capacitors, the voltage of successive chains of capacitors is applied to the branches of the primary winding of the pulse transformer, but the capacitor chain that has a higher voltage will begin to discharge, for various reasons: different capacitances, Q factors, etc. , due to mutual induction in other branches, an emf is induced, which does not allow other chains of capacitors to discharge. As one branch is discharged, the voltage of the chain decreases, the next branch begins to discharge, and so everything is sequential. Thus, the flat part of the pulse is formed. In addition, the pulse duration is reduced and the wave impedance of the generator is reduced by n ^1/2 times. This leads to an increase in generator power. We explain this as follows: the chain constant after division becomes
t = π (LC / n) ^1/2 ,
where L is the leakage inductance of the branch of the primary winding of a pulse transformer; C is the value of the capacity of the 1st and 2nd capacitive drives connected in series to their division; n is the division coefficient.

Из этого следует, что длительность импульса уменьшится в п^1/2 раз.It follows from this that the pulse duration will decrease by a factor of ^1/2 .

z= (Ln/C)^1/2 - волновое сопротивление ветви, но поскольку n-ветвей, то волновое сопротивление генератора (модулятора) будет
Z=l/n(Ln/C)^1/2
Таким образом, волновое сопротивление генератора (модулятора) уменьшится в (1/n)^1/2 раз.z = (Ln / C) ^1/2 is the wave resistance of the branch, but since there are n-branches, the wave resistance of the generator (modulator) will be
Z = l / n (Ln / C) ^1/2
Thus, the wave impedance of the generator (modulator) will decrease (1 / n) ^1/2 times.

На чертеже приведены электрические схемы предложенного генератора с вариантами его исполнения (а, б). Предлагаемый магнитный генератор импульсов содержит источник питания 1, между выводами которого включены соединенные последовательно зарядный элемент 2 и накопительный элемент 3, который подключен через ключ 4 к первичной обмотке насыщающегося трансформатора 5. Его вторичная обмотка шунтирована вторым емкостным накопителем 9 и соединена последовательно через насыщающийся дроссель 6 и первичную обмотку импульсного трансформатора 7 с первым емкостным накопителем 8. Нагрузка 10 включена между выводами выходной обмотки импульсного трансформатора 7. Различие в генераторе по вариантам а и б состоит только по исполнению 1-го и 2-го емкостных накопителей. По варианту б они разделены на n количество, и соответственно первичная обмотка импульсного трансформатора и вторичная обмотка насыщающегося трансформатора имеют по n ветвей. The drawing shows electrical circuits of the proposed generator with options for its execution (a, b). The proposed magnetic pulse generator contains a power source 1, between the terminals of which are connected in series a charging element 2 and a storage element 3, which is connected via a key 4 to the primary winding of a saturable transformer 5. Its secondary winding is shunted by a second capacitive storage 9 and connected in series through a saturated inductor 6 and the primary winding of the pulse transformer 7 with the first capacitive storage 8. The load 10 is connected between the terminals of the output winding of the pulse transformer Matora 7. The difference in the generator according to embodiments of a and b is composed only of the execution of the 1st and 2nd capacitive drives. According to option b, they are divided into n numbers, and accordingly, the primary winding of a pulse transformer and the secondary winding of a saturable transformer have n branches each.

Магнитный генератор импульсов работает следующим образом. Magnetic pulse generator operates as follows.

После заряда от источника 1 через зарядный элемент 2 накопительного элемента 3 замыкается ключ 4 и накопительный элемент 3 разряжается через первичную обмотку насыщающегося трансформатора 5. Первый 8 и второй 9 емкостные накопители заряжаются параллельно. Сердечник насыщающегося дросселя 6 и импульсного трансформатора 7 насыщен и существенного влияния на процесс заряда не оказывает. После того, как напряжение на емкостных накопителях 8 и 9 достигнет максимальной величины, сердечник насыщающегося трансформатора 5 насыщается. Напряжение на первом емкостном накопителе 8 прикладывается к витку насыщающегося дросселя 6 и выводит его из насыщения. Второй емкостный накопитель 9 перезаряжается сам на себя практически до такого же напряжения. Потери энергии при перезаряде определяются практически только активными потерями в проводе вторичной обмотки насыщающегося трансформатора 5 с насыщенным сердечником. По окончании перезаряда емкостного накопителя 9 емкостные накопители 8 и 9 оказываются включенными униполярно и последовательно по отношению к витку насыщающегося дросселя 6 и первичной обмотке импульсного трансформатора 7. По витку дросселя 6 начинает распространятся волна тока. After charging from the source 1, the key 4 is closed through the charging element 2 of the storage element 3 and the storage element 3 is discharged through the primary winding of the saturable transformer 5. The first 8 and second 9 capacitive drives are charged in parallel. The core of the saturable inductor 6 and the pulse transformer 7 is saturated and does not significantly affect the charge process. After the voltage on the capacitive drives 8 and 9 reaches its maximum value, the core of the saturable transformer 5 is saturated. The voltage at the first capacitive storage 8 is applied to the coil of saturable inductor 6 and removes it from saturation. The second capacitive storage 9 recharges itself almost to the same voltage. Recharge energy losses are determined almost exclusively by active losses in the secondary winding wire of a saturable transformer 5 with a saturated core. At the end of the recharging of the capacitive storage device 9, the capacitive storage devices 8 and 9 turn on unipolarly and sequentially with respect to the turn of the saturable inductor 6 and the primary winding of the pulse transformer 7. A current wave begins to propagate along the turn of the inductor 6.

При распространении волны тока образуется ударная электромагнитная волна, как, например, в Катаев И.Г. Ударные электромагнитные волны. М.: Сов. радио, 1963. При этом через импульсный трансформатор 7 осуществляется передача энергии емкостных накопителей 8 и 9 в нагрузку, и они разряжаются. Работа варианта б по фиг. 1 происходит аналогично описанному, только изменяются длительность и мощность импульса. When a current wave propagates, a shock electromagnetic wave is formed, as, for example, in Kataev I.G. Shock electromagnetic waves. M .: Sov. radio, 1963. At the same time, the energy of capacitive drives 8 and 9 is transferred to the load through a pulse transformer 7, and they are discharged. The operation of option b of FIG. 1 occurs similarly to that described, only the duration and power of the pulse change.

Claims

1. A magnetic pulse generator containing a power source between the terminals of which charging and storage elements are connected in series, the latter is connected via a key to the primary winding of a saturable transformer, its secondary winding is shunted by a second capacitive storage and connected in series through a saturable inductor and primary winding of a pulse transformer with the first capacitive storage, and a load is connected to the output winding of the pulse transformer, characterized in that The inductor has one coil, which is located inside the core and coaxially to its axis, and the turns of the primary winding of the pulse transformer are wound on the core of the saturable inductor, while the first capacitive storage is connected in series between the terminals of the turns of the saturable inductor and the primary winding of the pulse transformer.

2. The magnetic pulse generator according to claim 1, characterized in that the first and second capacitive storage are respectively divided into n identical capacitive storage connected by its branch of the primary winding of the pulse transformer, and the saturable transformer is equipped with n branches of the secondary winding, each of which is connected to its branches of the first and second capacitive drives.