Импульсные генераторы с умножением напряжения. Умножение напряжения с использованием линий. Варианты умножения напряжения с одним коммутатором

Лекция 4. Импульсные генераторы с умножением напряжения.

4.1 Умножение напряжения с использованием линий.

Одиночная линия → импульс U_O/2 на согласованную нагрузку.

Двойная линия (Блюмляйна) → импульс U_O на согласованную нагрузку.

В коаксиальном варианте:

В полосковом варианте:

При одновременном включении ключей происходит перезарядка коммутирующих полосковых линий с –U_O на +U_O. В результате суммарное напряжение генератора равно 6U_O. В случае n линий при идеальных ключах:

(4.1)

Выходное сопротивление генератора с полосковыми линиями равно:

(4.2)

а длительность импульса:

(4.3)

На фронт импульса большое влияние оказывает паразитная емкость линий с землей (корпусом) τ_ф ~ С_п∙Z_o – время зарядки паразитной емкости. Для уменьшения этого времени следует уменьшать Z_O.

4.2 Варианты умножения напряжения с одним коммутатором.

Вариант 1.

Активные линии шириной а чередуются с пассивными линиями шириной а_О >> а. Их волновое сопротивление: Z << Z_O.

После перезарядки четных линий -V_O → +V_O пассивные линии оказываются заряженными до ± U_O. В результате отражения от конца (нагрузки) в пассивных линиях возникает волна разрядки:

	(4.4)
;      (ZO >>Z)	(4.5)

Вариант 2: активные линии включают последовательно.

Волна разрядки в пассивных линиях:

(4.6)

Спиральный генератор.

Полосковая линия проложена диэлектриком и свернута в спираль. Земляная шина сверху. Ключ размещен в середине длин линий ℓ + ℓ.

Когда волна разрядки добежала до концов спирали U_H ≈ n∙U_O, где n – число витков. Когда вернулась к ключу U_H ≈ 2n∙U_O.

Время, за которое напряжение достигает максимума   , где D – средний диаметр спирали.

Выходное напряжение:

при 0 < t < 2T = t_max                 где t_B – среднее время прохождения волной витка;

при t_max < t < 2t_max            

В спиральном генераторе был получен импульс амплитудой 750 кВ и длительностью 500 нс при входном напряжении 20 кВ и числе витков n = 54.

Импульсные генераторы с умножением напряжения на конденсаторах.

1. Генератор Аркадьева-Маркса.

U_имп ~ 10⁵ ÷ 10⁷ В

Принципиальная схема ГИН Аркадьева-Маркса:

Схема замещения разрядного контура:

Емкости все заряжаются параллельно R_З >> R_O >>R_H.

Выбор элементов зарядной цепи ГИН:

Эквивалентная схема включения ГИНа:

,	(4.7)
,	(4.8)

1)

2) R_З >> R_O → обеспечивает равномерность зарядки ступеней

3) RO – уменьшает скорость саморазряда ступеней.

Анализ разрядной схемы.

R_П1 = R_П2 = …. =R_П – паразитное сопротивление.

С_П1 = С_П2 = …. =С_П – паразитная емкость.

R_O – распределительное сопротивление.

          R_П = R_ИСКР + R_K + R_Ш

Потенциал в точке 2 возрастает от 0 до –U_O за время τ₁ = R_П∙С_П

Потенциал в точке 3 падает с постоянной  τ₂ = R_О∙С_П,  τ₁ << τ₂

L_H – паразитная индуктивность. Чтобы при зарядке С_П не возникало колебаний необходимо включать демпфирующее сопротивление ;

Анализ разрядного контура ГИН.

в случае                L = 0

C1 >> C2

R >> 2(L/C)^1/2

          τ_ф ≈ R₁∙C₂

τ₂ ≈ C₁∙R_H

(4.9)

Характеристическое уравнение (U = U_O∙e^-pt):

a∙p² + b∙p + 1 =0

Из начальных условий: А = U_C1 (0)

            

Инициируется срабатывание первого разрядника, а затем все остальные срабатывают по очереди. Все конденсаторы выстраиваются «в ударе» последовательно, причем R_O служат развязкой по импульсному напряжению.

Длительность импульса ГИН:

Пока не пробились все разрядники и обостритель, подержание тока в разряднках происходит за счет разряда паразитных емкостей С_i.

Временные характеристики ГИН.

Из анализа работы искрового разрядника при разряде емкости на активное сопротивление известно, что длительность импульса на полувысоте равна:

где

При неизменном напряжении U ≈ p∙d, т.е. Ө ~ p^-1 в воздухе при 1 атм τ_ф ≥ 4 нс т.е. необходимо помещать разрядник в газ под давлением.

Если разрядное время мало τ_ф^р, незначительна С_Н, то τ_ф будет определяться индуктивностью

      →                необходимо уменьшать индуктивность

→                повышать прочность изоляции, чтобы уменьшить размеры

→                весь ГИН помещать в газ

2. Генератор Фитча-Говелла

LC-генератор, в котором последовательное включение емкостей осуществляется при переполяризации напряжения на четных каскадах в колебательных LC-контурах. Схема такого генератора приведена на рис. 4. В исходном состоянии емкости заряжены от источника постоянного напряжения, как в схеме ГМ. В момент t = 0 четные емкости при замыкании ключей начинают разряжаться через индуктивности L. Через промежуток времени τ = π(LC)^1/2напряжение на них меняет знак, и на выходе генератора получается U_вых = NU₀, где N — число каскадов. При отсутствии нагрузки напряжение на выходе изменяется по закону

U_вых (t) = NU₀(1 — е^at cos wt),                             (3.14) где w² =1/LC, a = R/2L, R — сопротивление LC-контура, Ом. Из (14) видно, что время нарастания напряжения в отличие от ГМ определяется специально включаемой индуктивностью, а с уменьшением L может уменьшиться коэффициент умножения напряжения из-за увеличения параметра a.

По сравнению с ГМ эта схема имеет преимущество. В ней уменьшено вдвое количество коммутаторов. Однако их нужно включать по возможности одновременно, используя специальные схемы запуска, тогда как в ГМ включение осуществляется в ряде случаев автоматически. Другое преимущество — сопротивления разрядников и их индуктивности не влияют на выходной импеданс схемы, если LC-генератор включать на нагрузку через дополнительный быстрый коммутатор.

Условие:     время перезарядки  много больше времени разряда на нагрузку