RU2714739C1 - Non-uniform forming long line (versions) - Google Patents
Non-uniform forming long line (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2714739C1 RU2714739C1 RU2019114213A RU2019114213A RU2714739C1 RU 2714739 C1 RU2714739 C1 RU 2714739C1 RU 2019114213 A RU2019114213 A RU 2019114213A RU 2019114213 A RU2019114213 A RU 2019114213A RU 2714739 C1 RU2714739 C1 RU 2714739C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- line
- long line
- circuit
- pulse
- distributed parameters
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
- H03K3/86—Generating pulses by means of delay lines and not covered by the preceding subgroups
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K5/00—Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
- H03K5/01—Shaping pulses
- H03K5/04—Shaping pulses by increasing duration; by decreasing duration
- H03K5/07—Shaping pulses by increasing duration; by decreasing duration by the use of resonant circuits
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехнической промышленности, в частности к импульсной технике, и может быть использовано в схемах питания импульсных источников света, искровых камер, лазеров и ускорителей, работающих как в импульсном, так и в импульсно-периодическом режимах.The invention relates to the field of the electrical industry, in particular to pulsed technology, and can be used in power circuits of pulsed light sources, spark chambers, lasers and accelerators operating in both pulsed and pulsed-periodic modes.
Кроме того, изобретение может найти использование в электроимпульсной технологии при обработке различных материалов высоковольтными разрядами.In addition, the invention may find use in electrical pulse technology in the processing of various materials by high-voltage discharges.
Известны неоднородные формирующие длинные линии с сосредоточенными или распределенными параметрами, в которых емкости конденсаторов и индуктивности дросселей изменяются по длине линии.Inhomogeneous forming long lines with concentrated or distributed parameters are known, in which the capacitors of the capacitors and inductances of the chokes vary along the length of the line.
Группа изобретений неоднородная формирующая линия с сосредоточенными параметрами (вариант 1) и неоднородная формирующая линия с распределенными параметрами (вариант 2), относятся к объектам одного вида, имеют одинаковое назначение и обеспечивают получение одного и того же технического результата.The group of inventions a non-uniform forming line with lumped parameters (option 1) and a non-uniform forming line with distributed parameters (option 2), belong to objects of the same type, have the same purpose and provide the same technical result.
Несмотря на то, что эквивалентные электрические схемы линий с сосредоточенными и распределенными параметрами могут быть одинаковыми, процессы в них принципиально отличны, так как процессы в линиях с сосредоточенными параметрами не носят волнового характера.Despite the fact that the equivalent electrical circuits of lines with lumped and distributed parameters can be the same, the processes in them are fundamentally different, since the processes in lines with lumped parameters are not wave-like.
Такие линии применяются в генераторах для формирования мощных электрических импульсов заданной длительности на согласованной или несогласованной нагрузке, а также для трансформации и передачи электрической или магнитной энергий от источников питания к нагрузке.Such lines are used in generators for the formation of powerful electric pulses of a given duration at a coordinated or inconsistent load, as well as for the transformation and transmission of electrical or magnetic energies from power sources to the load.
Генераторы импульсов обычно формируют импульсы по форме близкие к прямоугольным, которые применяют в ускорителях заряженных частиц, когда необходимо получать поток частиц с одинаковым во времени энергетическим спектром, а также в радиолокации. Такие импульсы получают при замыкании предварительно заряженной длинной линии через коммутатор или разрядник-обостритель на сопротивление нагрузки.Pulse generators usually form pulses close to rectangular in shape, which are used in charged particle accelerators when it is necessary to obtain a stream of particles with the same energy spectrum in time, as well as in radar. Such pulses are obtained by shorting a pre-charged long line through a switch or a surge arrester to a load resistance.
Однако во многих случаях по применению генераторов импульсов с использованием длинных линий, например для питания импульсных источников света или для формирования объемного разряда в электроразрядных газовых лазерах, не обязательно получать на нагрузке прямоугольный импульс с плоской вершиной, достаточно сформировать выходной импульс с максимальной амплитудой напряжения и минимальной длительностью, чтобы, переключив его на нагрузку, выделить на ней за минимально возможное время всю электрическую энергию, которая первоначально запасена в емкости длинной линии.However, in many cases when using pulse generators using long lines, for example, for supplying pulsed light sources or for generating a volume discharge in electric-discharge gas lasers, it is not necessary to obtain a rectangular pulse with a flat top on the load, it is enough to generate an output pulse with a maximum voltage amplitude and a minimum duration, so that, switching it to the load, to allocate on it in the shortest possible time all the electrical energy that is initially stored hay in a long line capacity.
Известна неоднородная формирующая длинная линия с сосредоточенными или распределенными параметрами, в которых емкости конденсаторов и индуктивности дросселей изменяются по длине линии по экспоненте:Known inhomogeneous forming a long line with lumped or distributed parameters, in which the capacitance of the capacitors and inductance of the chokes vary exponentially along the line length:
где L(0) - погонная индуктивность в начале линии;where L (0) is the linear inductance at the beginning of the line;
L(x) - погонная индуктивность на расстоянии х от начала линии;L (x) is the linear inductance at a distance x from the beginning of the line;
С(0) - погонная емкость в начале линии;C (0) is the linear capacity at the beginning of the line;
С(х) - погонная емкость на расстоянии х от начала линии;C (x) is the linear capacity at a distance x from the beginning of the line;
[Г.А. Месяц, /«Импульсная энергетика и электроника» / М.: Наука, 2004. 704 с. (с. 38-43), / О.Н. Литвиненко, В.И. Сошников, / «Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике»/ М. Советское радио, 1964, 536 с, (с. 26-29)/].[G.A. Month, ““ Pulse energy and electronics ”/ M .: Nauka, 2004. 704 p. (p. 38-43), / O.N. Litvinenko, V.I. Soshnikov, / “Theory of inhomogeneous lines and their application in radio engineering” / M. Sovetskoe Radio, 1964, 536 s, (p. 26-29) /].
Эквивалентная электрическая схема данной неоднородной формирующей линии с сосредоточенными или распределенными параметрами содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, конденсаторы соединены последовательно в цепочку, все дроссели одним выводом подсоединены к общей шине, другие выводы подключены к точкам соединения двух конденсаторов, при этом последний дроссель линии подключен к концу цепочки из конденсаторов, а начало цепочки из конденсаторов подключено к потенциальному выводу источника питания.The equivalent electrical circuit of this inhomogeneous forming line with lumped or distributed parameters contains a power source, N series-connected L-shaped four-terminal devices, including N capacitors and N chokes, capacitors are connected in series to a chain, all chokes are connected to a common bus with one terminal, other terminals connected to the connection points of two capacitors, while the last line choke is connected to the end of the capacitor chain, and the beginning of the capacitor chain a terminal connected to a potential source.
Эквивалентная электрическая схема данной неоднородной формирующей линии отличается от эквивалентной схемы заявляемой неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными или распределенными параметрами, хотя выбор зависимостей, по которым изменяются индуктивности дросселей и емкости конденсаторов приводит к тому, что напряжение вдоль линии будет увеличиваться по зависимости U(x)=U(0) екх/2, где (U0) - напряжение в начале линии, екх/2 - коэффициент передачи длинной линии по напряжению на расстоянии х от начала линии. Однако длительность выходного импульса напряжения будет равна времени двойного прохода энергии вдоль линии, что является недостатком.The equivalent electrical circuit of this inhomogeneous generating line differs from the equivalent circuit of the claimed heterogeneous generating long line with lumped or distributed parameters, although the choice of dependences by which the inductors of the inductors and capacitance of the capacitors change leads to the voltage along the line increasing in dependence U (x) = U (0) e kx / 2 , where (U0) is the voltage at the beginning of the line, e kx / 2 is the transmission coefficient of the long line by voltage at a distance x from the beginning of the line. However, the duration of the output voltage pulse will be equal to the time of double passage of energy along the line, which is a drawback.
Известна неоднородная формирующая длинная линия с сосредоточенными или распределенными параметрами, в которых емкости конденсаторов Cn и индуктивности дросселей Ln изменяются по длине линии так, что ее волновое сопротивление, равное изменяется по параболическому закону. [/ О.Н. Литвиненко, В.И. Сошников, / «Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике»/ М. Советское радио, 1964, 536 с, (с. 17, с. 377, Рис. XIII.5)/]. Данная неоднородная формирующая длинная линия применяется в генераторах импульсов для получения на ее выходе прямоугольных импульсов с плоской вершиной и ее электрическая схема содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, дроссели соединены последовательно в цепочку, все конденсаторы одним выводом подсоединены к общей шине, а другими выводами подключены к точкам соединения двух дросселей, при этом последний конденсатор линии подключен к концу цепочки из дросселей.Known inhomogeneous forming a long line with lumped or distributed parameters, in which the capacitance of the capacitors C n and the inductance of the chokes L n vary along the length of the line so that its wave impedance equal to varies according to a parabolic law. [/ HE. Litvinenko, V.I. Soshnikov, / “Theory of inhomogeneous lines and their application in radio engineering” / M. Sovetskoe Radio, 1964, 536 s, (p. 17, p. 377, Fig. XIII.5) /]. This inhomogeneous forming long line is used in pulse generators to obtain rectangular pulses with a flat top at its output and its electrical circuit contains a power source, N series-connected L-shaped four-terminal devices, including N capacitors and N chokes, chokes are connected in series in a chain, all capacitors are connected to a common bus with one terminal, and connected to the points of connection of two chokes with the other terminals, while the last capacitor of the line is connected to the end of the circuit Kidney of chokes.
Недостатком данной неоднородной формирующей длинной линии является то, что для ее работы перед источником питания необходимо подключать дополнительный конденсатор емкостью равной статической емкости параболической линии. При этом амплитуда импульса выходного напряжения линии снижается практически вдвое и коэффициент умножения линии (коэффициент передачи) по напряжению невысок. Длительности импульса выходных сигналов напряжения и тока равны времени двойного прохода энергии вдоль линии. [Г.А. Месяц, / «Импульсная энергетика и электроника» / М.: Наука, 2004. 704 с. (с. 62, Рис. 4.8)/].The disadvantage of this inhomogeneous forming long line is that for its operation, an additional capacitor with a capacity equal to the static capacitance of the parabolic line must be connected in front of the power source. In this case, the amplitude of the pulse of the output voltage of the line is almost halved and the multiplication coefficient of the line (transmission coefficient) in voltage is low. The pulse duration of the output voltage and current signals is equal to the time of double passage of energy along the line. [G.A. Month, ““ Pulse energy and electronics ”/ M .: Nauka, 2004. 704 p. (p. 62, Fig. 4.8) /].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и выбранным в качестве прототипа является гиперболическая неоднородная формирующая длинная линия с сосредоточенными или распределенными параметрами, в которой емкости конденсаторов С равны между собой, а индуктивности дросселей, или индуктивность на единицу длины линии (погонная индуктивность), изменяются по длине линии, исходя из соотношения:The closest in technical essence to the claimed solution and selected as a prototype is a hyperbolic heterogeneous forming a long line with lumped or distributed parameters, in which the capacitors C are equal to each other, and the inductors of the chokes, or the inductance per unit length of the line (linear inductance), change along the length of the line, based on the ratio:
где L(0) - погонная индуктивность в начале линии;where L (0) is the linear inductance at the beginning of the line;
L(х) - погонная индуктивность на расстоянии х от начала линии;L (x) is the linear inductance at a distance x from the beginning of the line;
Т - время однократного прохода энергии вдоль линии.T is the time of a single passage of energy along the line.
[/О.Н. Литвиненко, В.И. Сошников, / «Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике»/ М. Советское радио, 1964, 536 с, (с. 381)/]. Эквивалентная электрическая схема такой линии приведена там же на с. 373.[/HE. Litvinenko, V.I. Soshnikov, / “The theory of inhomogeneous lines and their application in radio engineering” / M. Sovetskoe Radio, 1964, 536 s, (p. 381) /]. An equivalent circuit diagram of such a line is given in the same place on p. 373.
Эквивалентная электрическая схема данной неоднородной формирующей длинной линии также содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, дроссели соединены последовательно в цепочку, все конденсаторы одним выводом подсоединены к общей шине, а другими выводами подключены к точкам соединения двух дросселей, при этом последний конденсатор линии подключен к концу цепочки из дросселей.The equivalent electrical circuit of this inhomogeneous forming long line also contains a power source, N series-connected L-shaped four-terminal devices, including N capacitors and N chokes, chokes are connected in series in a chain, all capacitors are connected to a common bus with one terminal, and connected to other terminals to the connection points of two chokes, while the last line capacitor is connected to the end of the chain of chokes.
Недостатком данной неоднородной формирующей длинной линии является то, что, при ее применении в генераторах импульсов, длительности выходных сигналов напряжения и тока равны времени двойного прохода энергии вдоль линии, что не соответствует для решения требуемых задач, а коэффициент передачи напряжения не превышает единицы. Более того, на месте соединения Г-образных четырехполюсников появляются отраженные импульсы, уменьшающие КПД передачи энергии в нагрузку, так как их волновые сопротивления не согласованы между собой. Однако эквивалентная схема данной линии совпадает с эквивалентной схемой заявляемой неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными или распределенными параметрамиThe disadvantage of this inhomogeneous forming long line is that, when used in pulse generators, the duration of the voltage and current output signals is equal to the time of double passage of energy along the line, which is not suitable for solving the required problems, and the voltage transfer coefficient does not exceed unity. Moreover, reflected pulses appear at the junction of the L-shaped four-terminal networks, which reduce the efficiency of energy transfer to the load, since their wave impedances are not consistent with each other. However, the equivalent circuit of this line coincides with the equivalent circuit of the claimed heterogeneous forming a long line with lumped or distributed parameters
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными или распределенными параметрами, которая будет применяться в генераторах импульсов для формирования импульсов с повышенной амплитудой напряжения и короткой длительностью.The technical problem to be solved by the claimed invention is directed is the creation of a non-uniform forming long line with concentrated or distributed parameters, which will be used in pulse generators to generate pulses with increased voltage amplitude and short duration.
Техническим результатом настоящего изобретения является уменьшение длительности импульса выходного напряжения неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными или распределенными параметрами с одновременным увеличением его амплитуды.The technical result of the present invention is to reduce the pulse width of the output voltage of a nonuniform forming long line with concentrated or distributed parameters while increasing its amplitude.
Другим техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является увеличение КПД передачи электрической энергии, первоначально запасенной в неоднородной формирующей длинной линии, в нагрузку.Another technical result provided by the invention is to increase the efficiency of transmission of electric energy, originally stored in a non-uniform long line forming, to the load.
Как для неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными параметрами, так и для длинной линии с распределенными параметрами, поставленная проблема решается принципиально одним и тем же путем с достижением одного и того же результата, однако специфика эквивалентных электрических схем и технического исполнения линий с сосредоточенными и распределенными параметрами не позволяет объединить их в общий пункт, они являются независимыми вариантами.Both for an inhomogeneous forming long line with lumped parameters, and for a long line with distributed parameters, the problem posed is solved essentially in the same way with achieving the same result, however, the specifics of equivalent electrical circuits and the technical design of lines with lumped and distributed parameters does not allow to combine them into a common point, they are independent options.
Технический результат изобретения неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными параметрами обеспечивается тем, что ее электрическая схема содержит источник питания, N последовательно соединенных Г-образных четырехполюсников, включающих в себя N конденсаторов и N дросселей, дроссели соединены последовательно в цепочку, все конденсаторы одним выводом подсоединены к общей шине, а другими выводами подключены к точкам соединения двух дросселей, при этом последний конденсатор линии подключен к концу цепочки из дросселей, начало цепочки из дросселей подключено к потенциальному выводу источника питания. Согласно изобретению N конденсаторов и N дросселей образуют N резонансных LC-контуров, в качестве конденсаторов и дросселей резонансных LC-контуров используют конденсаторы, емкости которых Cn и дроссели, индуктивности которых Ln выбирают из следующих соотношений:The technical result of the invention of an inhomogeneous long line with lumped parameters is ensured by the fact that its electric circuit contains a power source, N series-connected L-shaped four-terminal devices, including N capacitors and N chokes, chokes are connected in series in a chain, all capacitors are connected to one terminal common bus, and other leads connected to the connection points of two chokes, while the last capacitor of the line is connected to the end of the chain of chokes, a chain of inductors connected to the power source potential terminal. According to the invention, N capacitors and N chokes form N resonant LC circuits, capacitors and chokes of resonant LC circuits use capacitors whose capacitances are C n and chokes whose inductances L n are selected from the following relations:
где n=2, 3, … N - порядковый номер конденсатора, дросселя или LC-контура;where n = 2, 3, ... N is the serial number of the capacitor, inductor or LC circuit;
С1 - емкость конденсатора первого LC-контура;C 1 is the capacitance of the capacitor of the first LC circuit;
L1 - индуктивность дросселя первого LC-контура;L 1 is the inductance of the throttle of the first LC circuit;
N - порядковый номер последнего LC-контура.N is the sequence number of the last LC circuit.
Технический результат изобретения неоднородной формирующей длинной линии с распределенными параметрами обеспечивается тем, что длина формирующей длинной линии разбита на N участков длиной имеет погонную емкость Ср и погонную индуктивность Lp, источник питания. Согласно изобретению емкости n-го участка длинной линии Cn=Cp⋅Δ и индуктивности n-го участка длинной линии Ln=Lp⋅Δ выбирают из соотношений (1) и (2),The technical result of the invention of an inhomogeneous forming long line with distributed parameters is ensured by the fact that the length forming a long line is divided into N sections of length has linear capacitance C p and linear inductance L p , power source. According to the invention, the capacitance of the n-th section of the long line C n = C p ⋅Δ and inductance of the n-th section of the long line L n = L p ⋅Δ choose from relations (1) and (2),
где n=1, 2, 3, … N - порядковый номер участка, на которые разбита линия;where n = 1, 2, 3, ... N is the serial number of the section into which the line is divided;
= длина неоднородной линии с распределенными параметрами; = length of an inhomogeneous line with distributed parameters;
N = число участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами;N = number of sections into which the line with distributed parameters is divided;
Δ = длина участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами.Δ = length of sections into which the line with distributed parameters is divided.
Применение данных закономерностей изменения емкостей конденсаторов и индуктивностей дросселей неоднородной формирующей линии с сосредоточенными или распределенными параметрами приводит к появлению нового свойства генератора, в котором применяется линия, а именно: отсутствию отражения электрической и магнитной энергий при их движении вдоль формирующей линии от ее начала к концу при замыкании коммутатора генератора расположенного перед линией. Это приводит к тому, что через коммутатор, в основном, протекает электрическая энергия запасенная в начале линии, или в ее первом конденсаторе, а остальная запасенная энергия распространяется к концу линии под воздействием перепада напряжений в соседних конденсаторах, вызванных разрядом конденсатора в начале линии, по принципу модели «сгребаемого снега» или «снежного плуга». При этом на выходе длинной линии появляется импульс напряжения с повышенной амплитудой и существенно меньшей длительностью, чем время двойного прохода энергии вдоль линии, что имеет место в прототипе.The application of these patterns of change in capacitances of capacitors and inductances of chokes of an inhomogeneous forming line with concentrated or distributed parameters leads to the appearance of a new property of the generator in which the line is used, namely: the absence of reflection of electric and magnetic energies when they move along the forming line from its beginning to the end when closure of the generator switch located in front of the line. This leads to the fact that the electric energy stored at the beginning of the line, or in its first capacitor, flows through the switch, and the remaining stored energy propagates to the end of the line under the influence of the voltage drop in neighboring capacitors caused by the discharge of the capacitor at the beginning of the line, the principle of the "raked snow" or "snow plow" model. At the same time, at the output of a long line, a voltage pulse appears with an increased amplitude and a significantly shorter duration than the time of double energy passage along the line, which takes place in the prototype.
Так как потери электрической энергии, происходящие в процессе формирования выходного импульса напряжения генератора, в основном определяются сопротивлением коммутатора, то отсутствие отраженной электрической энергии при прохождении импульса вдоль резонансной неоднородной формирующей линии приводит к уменьшению длительности импульса тока через коммутатор, а значит уменьшаются потери энергии на его сопротивлении и увеличивается КПД передачи электрической энергии от конденсаторов длинной линии в нагрузку.Since the loss of electrical energy that occurs during the formation of the output voltage pulse of the generator is mainly determined by the resistance of the switch, the absence of reflected electrical energy during the passage of the pulse along the resonant inhomogeneous forming line leads to a decrease in the duration of the current pulse through the switch, which means that the energy loss on it resistance and increases the efficiency of transmission of electrical energy from long line capacitors to the load.
В случае, связанном с выполнением заявляемого изобретения в виде неоднородной длинной линии с распределенными параметрами, под емкостями конденсаторов Cn и индуктивностями дросселей Ln следует понимать емкость и индуктивность n-го участка длинной линии, на которые разбита неоднородная длинная линия с распределенными параметрами.In the case associated with the implementation of the claimed invention in the form of an inhomogeneous long line with distributed parameters, the capacitances of capacitors C n and the inductances of the chokes L n should be understood as the capacitance and inductance of the nth portion of the long line into which the inhomogeneous long line with distributed parameters is divided.
Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.
На Фиг. 1 изображена электрическая схема неоднородной длинной линии с сосредоточенными параметрами по п. 1 формулы изобретения, которая соответствует эквивалентной электрической схеме неоднородной длинной линии с распределенными параметрами по п. 2 формулы изобретения, где: U0 - источник питания линии, Cn - конденсаторы, Ln - дроссели, ILn - токи через дроссели.In FIG. 1 shows an electric circuit of an inhomogeneous long line with concentrated parameters according to
На Фиг. 2 а) приведены графики изменения во времени напряжений на конденсаторах длинной линии в течение одного периода резонансных колебаний Т для шести резонансных LC- контуров длинной линии по п. 1 формулы изобретения, на Фиг. 2б) - графики изменения во времени токов через дроссели длинной линии. Значения номиналов конденсаторов и дросселей рассчитаны с точностью ≈ 0,1%, а графики построены по конкретным уравнениям с помощью стандартной программы.In FIG. 2 a) graphs of the time variation of the voltages on the capacitors of the long line during one period of resonant oscillations T for six resonant LC circuits of the long line according to
На Фиг. 3 а) приведены графики изменения во времени электрической энергии на конденсаторах длинной линии при тех же условиях, на Фиг. 3 б) приведены графики изменения во времени магнитной энергии в дросселях длинной линии.In FIG. 3 a) graphs of the time variation of electric energy on long-line capacitors under the same conditions, FIG. 3 b) graphs of the time variation of magnetic energy in long line chokes are shown.
На Фиг. 4 изображена электрическая схема неоднородной длинной линии с сосредоточенными параметрами, работа которой исследовалась с помощью стандартного пакета программ. Значения номиналов конденсаторов и дросселей рассчитаны по приведенным выше формулам и отличаются от точных значений на ≈ (3-5)%.In FIG. Figure 4 shows an electric circuit of an inhomogeneous long line with lumped parameters, the operation of which was studied using a standard software package. The values of the capacitors and chokes are calculated according to the above formulas and differ from the exact values by ≈ (3-5)%.
На Фиг. 5 приведены графики изменения во времени напряжений на конденсаторах UCn(t) и токов через дроссели ILn(t) длинной линии для N=6, построенные с помощью стандартного пакета программ.In FIG. Figure 5 shows the graphs of the time variation of the voltages on the capacitors U Cn (t) and currents through the inductors I Ln (t) of the long line for N = 6, constructed using the standard software package.
На Фиг. 6 приведен схематический рисунок неоднородной длинной линии с распределенными параметрами по п. 2 формулы изобретения (вариант 2), который поясняет переход к неоднородной длинной линии с сосредоточенными параметрами по п. 1 формулы изобретения.In FIG. 6 is a schematic drawing of an inhomogeneous long line with distributed parameters according to
На Фиг. 7 приведен примерный график изменения во времени Напряжения на последнем участке неоднородной длинной линии с распределенными параметрами по п. 2 формулы изобретения, когда вся электрическая энергия длинной линии переходит в момент времени t1 к концу линии.In FIG. 7 is an exemplary graph of the time variation of the Voltage in the last section of a non-uniform long line with distributed parameters according to
Неоднородная формирующая длинная линия с сосредоточенными параметрами по п. 1 формулы изобретения является составной частью генератора импульсов и работает следующим образом.The inhomogeneous forming long line with lumped parameters according to
Сосредоточенные емкости конденсаторов длинной линии Cn через соответствующие дроссели Ln заряжаются от источника питания до величины U0. Далее, если замкнуть коммутатор генератора, который расположен перед началом формирующей линии, в N связанных резонансных LC-контурах длинной линии начинается колебательный процесс с N независимыми частотами ωn, которые находятся в отношении ω1:ω2:ω3:…:…:ωn:…:ωN=N:N-1:…:n:…:3:2:1. При этом, в начале колебательного процесса через коммутатор и индуктивность L1 проходит ток, определяемый, в основном, электрической энергией запасенной в конденсаторе С1, которая переходит в энергию магнитного поля дросселя L1 (см. UC1, IL1 на Фиг. 2 а) и б) и EC1 EL1 на Фиг. 3 а) и б)), передаваемую далее в конденсатор С2. Затем, с некоторой задержкой, начинается разряд конденсатора С2 через дроссель L2 и конденсатор С1. При этом уже дроссель L2 запасает электрическую энергию из конденсатора С2 и остаток энергии из конденсатора С1 в энергию магнитного поля (см. UC2, IL2 на Фиг. 2 а) и б) и EC2 EL2 на Фиг. 3 а) и б)), которая далее передается в конденсатор С3. Этот процесс продолжается до момента времени t1, когда электрическая энергия доходит до конца линии, то есть до конденсатора CN, отражается от разомкнутого конца линии, и начинается аналогичный процесс движения энергии в сторону начала линии, но с токами через дроссели обратными по направлению.The concentrated capacitance of the capacitors of the long line C n through the corresponding chokes L n are charged from the power source to the value U 0 . Further, if you close the switch of the generator, which is located before the start of the forming line, in N connected resonant LC circuits of the long line, the oscillation process begins with N independent frequencies ω n , which are in relation ω 1 : ω 2 : ω 3 : ...: ...: ω n : ...: ω N = N: N-1: ...: n: ...: 3: 2: 1. At the same time, at the beginning of the oscillatory process, a current passes through the switch and inductance L 1 , which is determined mainly by the electric energy stored in the capacitor C 1 , which passes into the magnetic field energy of the inductor L 1 (see U C1 , I L1 in Fig. 2 a) and b) and E C1 E L1 in FIG. 3 a) and b)), transmitted further to the capacitor C 2 . Then, with some delay, the discharge of the capacitor C 2 begins through the inductor L 2 and the capacitor C 1 . In this case, the inductor L 2 already stores electric energy from the capacitor C 2 and the remainder of the energy from the capacitor C 1 into the energy of the magnetic field (see U C2 , I L2 in Fig. 2 a) and b) and E C2 E L2 in Fig. 3 a) and b)), which is then transferred to the capacitor C 3 . This process continues until time t 1 , when electric energy reaches the end of the line, that is, to the capacitor C N , is reflected from the open end of the line, and a similar process of energy movement towards the beginning of the line begins, but with the currents through the inductors inverse in direction.
Так как величины емкостей конденсаторов Cn и индуктивностей дросселей Ln выбираются по вышеприведенным закономерностям, которые определяют резонансный характер колебаний в связанных LC-контурах генератора, а также обеспечивают согласование входных и выходных волновых сопротивлений контуров, то появление отражений энергии импульса в процессе ее прохождения вдоль линии исключается. Это хорошо видно из графиков на Фиг. 3 а), б), которые были получены при точном решении уравнений, описывающих поведение электрической и магнитной энергий в неоднородной длинной линии для N = 6. При этом, вся электрическая энергия, первоначально запасенная в конденсаторах длинной линии, через время равное полупериоду колебательного процесса t1 переходит в последний конденсатор длинной линии CN (см. UC6 на Фиг. 2а) и EC6 на Фиг. 3 а)), который, если включить разрядник-обостритель генератора в момент времени t1, передает ее в нагрузку. Емкость последнего конденсатора линии существенно меньше суммарной емкости всех конденсаторов линии, поэтому напряжение на нем значительно возрастает, а время его разряда на Нагрузку, определяемое постоянной времени τ = RH⋅CN (RH - сопротивление нагрузки), заметно сокращается, то есть пиковая мощность генератора, передаваемая в нагрузку, по сравнению с известными генераторами, увеличивается.Since the capacitance values of the capacitors C n and the inductances of the chokes L n are selected according to the above patterns, which determine the resonant nature of the oscillations in the coupled LC circuits of the generator, and also ensure the matching of the input and output wave impedances of the circuits, the appearance of reflections of the pulse energy during its passage along line excluded. This is clearly seen from the graphs in FIG. 3a), b), which were obtained by the exact solution of the equations describing the behavior of electric and magnetic energies in an inhomogeneous long line for N = 6. Moreover, all the electric energy initially stored in the capacitors of the long line after a time equal to the half-period of the oscillatory process t 1 goes to the last capacitor of the long line C N (see U C6 in FIG. 2a) and E C6 in FIG. 3 a)), which, if you turn on the spark gap-sharpener of the generator at time t 1 , transfers it to the load. The capacitance of the last capacitor of the line is significantly less than the total capacitance of all capacitors of the line, so the voltage on it increases significantly, and the time of its discharge to the Load, determined by the time constant τ = R H ⋅C N (R H is the load resistance), is noticeably reduced, that is, the peak the power of the generator transmitted to the load, compared with the known generators, increases.
Как следует из вида зависимостей на Фиг. 2 длительность выходного импульса напряжения генератора уже для N = 6 существенно меньше времени двойного прохода импульса вдоль линии, в данном случае равном Т. Форма импульса выходного напряжения близка к треугольной, а длительность импульса по основанию приблизительно равна длительности импульса тока через коммутатор и дроссель L1.As follows from the type of dependencies in FIG. 2, the duration of the output voltage pulse of the generator for N = 6 is significantly less than the time of double passage of the pulse along the line, in this case equal to T. The shape of the output voltage pulse is close to triangular, and the pulse width at the base is approximately equal to the duration of the current pulse through the switch and inductor L 1 .
Неоднородная формирующая длинная линия с распределенными параметрами по п. 2 формулы изобретения является составной частью генератора импульсов и работает следующим образом.The inhomogeneous forming long line with distributed parameters according to
Неоднородная формирующая длинная линия с распределенными параметрами длиной , имеющая погонную емкость Ср и погонную индуктивность Lp, разбивается на N участков длиной (см. Фиг. 6) и [/ О.Н. Литвиненко, В.И. Сошников, / «Теория неоднородных линий и их применение в радиотехнике» / М. Советское радио, 1964, 536 с, (с. 372)/], а емкости Cn=Ср⋅Δ и индуктивности Ln=Lp Δ выбирают из соотношений (1), (2),Inhomogeneous forming long line with distributed parameters of length having linear capacitance C p and linear inductance L p , is divided into N sections of length (see Fig. 6) and [/ O.N. Litvinenko, V.I. Soshnikov, / “Theory of inhomogeneous lines and their application in radio engineering” / M. Sovetskoe Radio, 1964, 536 s, (p. 372) /], and capacitances C n = С p ⋅Δ and inductances L n = L p Δ choose from relations (1), (2),
где n = 1, 2, 3, … N - порядковый номер участка, на которые разбита линия;where n = 1, 2, 3, ... N is the serial number of the section into which the line is divided;
= длина неоднородной линии с распределенными параметрами; = length of an inhomogeneous line with distributed parameters;
N = число участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами;N = number of sections into which the line with distributed parameters is divided;
Δ = длина участков, на которые разбита линия с распределенными параметрами.Δ = length of sections into which the line with distributed parameters is divided.
Распределенные емкости конденсаторов длинной линии Cn через соответствующие дроссели Ln заряжаются от источника питания до напряжения U0. Далее, замыкается коммутатор генератора, который расположен перед началом формирующей линии, и в линии начинается колебательный процесс аналогичный тому, который происходит в неоднородной формирующей длинной линии с сосредоточенными параметрами. Так как в момент времени t1 напряжения на промежуточных участках длинной линии, кроме последнего, обращаются в нуль, на выходном участке длинной линии будет формироваться импульс напряжения как на последнем конденсаторе длинной линии с сосредоточенными параметрами (см. Фиг. 7).The distributed capacitance of the capacitors of the long line C n through the corresponding chokes L n are charged from the power source to a voltage of U 0 . Next, the generator switch closes, which is located in front of the start of the forming line, and the oscillation process begins in the line similar to that which occurs in a nonuniform long forming line with lumped parameters. Since at time t 1 the voltages in the intermediate sections of the long line, except the last, vanish, a voltage pulse will be formed at the output section of the long line as on the last capacitor of the long line with lumped parameters (see Fig. 7).
Проведено экспериментальное подтверждение работоспособности заявляемого изобретения с резонансной неоднородной формирующей линией с сосредоточенными параметрами для числа резонансных LC-контуров линии N = 4. Отношение емкостей конденсаторов длинной линии равнялось С1:С2:С3:C4=1:0,43:0,28:0,28, а индуктивностей дросселей L1:L2:L3:L4=1:1,92:3,38:7,06. Амплитуда импульса выходного напряжения повышается, получен коэффициент умножения по напряжению ≈ 2,5 для длинной линии по п. 1 формулы изобретения, а длительность импульса напряжения на полувысоте уменьшилась в ⋅ ≈ 4 раза по сравнению с импульсом прототипа.The experimental confirmation of the operability of the claimed invention with a resonant inhomogeneous forming line with lumped parameters for the number of resonant LC circuits of the line N = 4 was carried out. The ratio of the capacitances of the capacitors of the long line was C 1 : C 2 : C 3 : C 4 = 1: 0.43: 0 , 28: 0.28, and the inductances of the chokes L 1 : L 2 : L 3 : L 4 = 1: 1.92: 3.38: 7.06. The amplitude of the output voltage pulse increases, a voltage multiplication factor of ≈ 2.5 for a long line according to
Работоспособность заявляемого изобретения с неоднородной формирующей линией с распределенными параметрами для длинной линии по п. 2 формулы изобретения для числа участков длинной линии N = 6 подтверждается моделированием ее работы с помощью стандартного пакета программ, (см. Фиг. 5). Значения параметров участков формирующей длинной линии приведены на Фиг. 4 и рассчитывались по приведенным выше формулам. Из рисунка на Фиг. 5 видно, что до момента времени t1, когда энергия переключается в нагрузку, напряжения и токи на промежуточных участках длинной линии практически совпадают с теми, которые рассчитаны точно (см. Фиг. 3 а, б). При этом амплитуда импульса выходного напряжения повышается, коэффициент умножения по напряжению равен ⋅≈ 3,4, а длительность импульса напряжения на полувысоте уменьшилась в ⋅≈ 5 раз по сравнению с импульсом прототипа.The performance of the claimed invention with a non-uniform forming line with distributed parameters for a long line according to
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019114213A RU2714739C1 (en) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | Non-uniform forming long line (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019114213A RU2714739C1 (en) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | Non-uniform forming long line (versions) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2714739C1 true RU2714739C1 (en) | 2020-02-19 |
Family
ID=69626070
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019114213A RU2714739C1 (en) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | Non-uniform forming long line (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2714739C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2733053C1 (en) * | 2020-03-02 | 2020-09-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Госкорпорация "Росатом") | Electric pulse shaper |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5512853A (en) * | 1994-03-17 | 1996-04-30 | Fujitsu Limited | Interface circuit adaptive to high speed and low voltage operation |
US5781028A (en) * | 1996-06-21 | 1998-07-14 | Microsoft Corporation | System and method for a switched data bus termination |
KR20030065411A (en) * | 2002-01-31 | 2003-08-06 | 간지 오쯔까 | Signal transmission system |
RU2352056C1 (en) * | 2007-09-04 | 2009-04-10 | Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии | High-voltage impulse generator |
RU2572822C1 (en) * | 2014-09-24 | 2016-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for remote wire power supply of facilities |
-
2019
- 2019-05-07 RU RU2019114213A patent/RU2714739C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5512853A (en) * | 1994-03-17 | 1996-04-30 | Fujitsu Limited | Interface circuit adaptive to high speed and low voltage operation |
US5781028A (en) * | 1996-06-21 | 1998-07-14 | Microsoft Corporation | System and method for a switched data bus termination |
KR20030065411A (en) * | 2002-01-31 | 2003-08-06 | 간지 오쯔까 | Signal transmission system |
RU2352056C1 (en) * | 2007-09-04 | 2009-04-10 | Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии | High-voltage impulse generator |
RU2572822C1 (en) * | 2014-09-24 | 2016-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method for remote wire power supply of facilities |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2733053C1 (en) * | 2020-03-02 | 2020-09-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Госкорпорация "Росатом") | Electric pulse shaper |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Evans | Circuits for high-efficiency avalanche-diode oscillators | |
EP0094765B1 (en) | Short pulse generator | |
US8598813B2 (en) | High voltage RF opto-electric multiplier for charge particle accelerations | |
RU2714739C1 (en) | Non-uniform forming long line (versions) | |
WO2010104809A1 (en) | High power bipolar pulse generators | |
Smith | Linear induction accelerators made from pulse‐line cavities with external pulse injection | |
US5656873A (en) | Transmission line charging | |
US3636476A (en) | Solid-state double resonant pulser | |
CN112152592B (en) | High repetition frequency fast pulse generating circuit based on magnetic bead isolation | |
US4536723A (en) | High-power pulse generator using transmission line with spark discharge device | |
Shpak et al. | Amplitude compression of high-voltage pulses in subnanosecond formers on gas spark gaps | |
RU2352056C1 (en) | High-voltage impulse generator | |
Shmilovitz et al. | Pulsed power generation by means of transmission lines | |
Gao et al. | Performance improvement for sub-nanosecond Marx generator based on avalanche transistors by considering the traveling wave process | |
Pecastaing et al. | Optimization of the performance of a transmission line; transformer based on the use of ferrite beads | |
RU2164054C1 (en) | High-voltage pulse generator | |
RU2161858C1 (en) | High-voltage pulse generator | |
RU2161859C1 (en) | High-voltage pulse generator | |
Ghawde et al. | Pulse forming network with optimized pulse power and rise time | |
Kuthi et al. | Nanosecond pulse generator using a fast recovery diode | |
RU2121217C1 (en) | High-voltage pulse generator | |
Pinjari et al. | Compact Solid-State Marx Generator for Repetitive Applications | |
RU2121218C1 (en) | High-voltage pulse generator | |
JPH03185912A (en) | Pulse generator | |
RU2072626C1 (en) | Device for forming of discharge in gas (variants) |