Автогенераторы, СЧ и модуляции

радиоимпульса, но с несколько большей длительностью τ1 и с опережающим фронтом. При этом средняя мощность промежуточных каскадов снижается.

Рис.9.15. Структурные схемы импульсных модуляторов без накопителя энергии (а) и с накопителем (б)

ИМ можно получить аналогично модуляции на коллектор, включая на время τи источник высокого напряжения АЭ и отключая его на время паузы

(рис.9.15б). Модулятор (коммутатор К на рис.9.15) управляет мощностью источника питания ИП. В схеме на рис. 9.15, а он подключает ИП к АЭ только на время τи а в паузах ИП работает без нагрузки. Мощность ИП рассчитывается на импульсное значение Рои, что невыгодно.

В схеме на рис.9.15б, когда К разомкнут, мощность ИП поступает в накопитель энергии (НЭ). На время τи коммутатор К замыкается и АЭ получает мощность не от ИП, чему препятствует ограничительное сопротивление Rогр, а от НЭ. Здесь импульсный модулятор преобразует энергию ИП во времени, при этом мощность ИП равна среднему значению

на увеличение запаса энергии в НЭ, а НЭ отдает ее за короткий интервал τи.

Преимущества схемы на рис.9.15б очевидны, и практически используется только этот вариант.

9.8. Импульсные модуляторы Модуляторы отличаются типом коммутатора К и накопителя энергии НЭ.

Коммутатор пропускает большие мощности и поэтому должен иметь малые потери и быть безынерционным. Для коммутации применяют электронные

139

лампы, водородные тиратроны, тиристоры, транзисторы, нелинейные индуктивности и т. п.

Тип коммутатора определяет схему модулятора и процессы в нем. Принято делить модуляторы на два вида: с «жесткими» (лампы, транзисторы) и «мягкими» (тиратроны, тиристоры и др.) коммутаторами. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки и своя область применения.

Лампы практически безынерционны, могут управлять не только отпиранием, но и запиранием тока, поэтому НЭ используется в режиме частичного разряда, допускается работа с переменными τи и Тп. Имеются модуляторные лампы на напряжения до 60кВ и токи в сотни ампер, что позволяет коммутировать мощности свыше 10МВт. Недостатки: примерно

10...15% этой мощности теряется на аноде лампы, предъявляются жесткие требования к форме входного импульса при сравнительно большой его мощности.

Среди «мягких» коммутаторов широко используются водородные тиратроны, которые позволяют управлять током до 5000А и выдерживать напряжение до 80кВ, т. е. пропускать мощность до сотен мегаватт. Однако они могут только замыкать коммутатор К, т.е. определять лишь начало разряда НЭ. Размыкается коммутатор К при полном разряде НЭ, когда напряжение на нем становится близким к нулю. Потери на тиратроне малы, требования к форме поджигающего импульса некритичны (важна крутизна фронта).

Недостаток водородных тиратронов: относительно большое время деионизации – порядка 10 мкс.

Тиристоры уступают водородным тиратронам по мощности и более инерционны. Рабочие напряжения не выше 2 кВ, токи меньше 1500 А.

Нелинейные индуктивности (дроссели, трансформаторы) обладают высокой эксплуатационной надежностью и практически неограниченным сроком службы, коммутируют мощности в единицы мегаватт.

В качестве НЭ используют конденсаторы, катушки индуктивности,

отрезки длинных линий или их эквиваленты. Емкостной НЭ наиболее простой.

140

Модулятор с емкостным НЭ имеет высокий КПД только при частичном разряде емкости, и поэтому необходимо применять «жесткий» коммутатор.

Индуктивный НЭ способен существенно повышать напряжение, поэтому его используют при низковольтных источниках питания. Отрезки длинных линий и их эквиваленты применяют как НЭ с «мягкими» коммутаторами, так как при полном разряде они создают на нагрузке импульс напряжения, близкий к прямоугольному.

Нагрузкой модулятора служит автогенератор или усилитель мощности.

Активные элементы АГ и УМ отличаются односторонней проводимостью, и

поэтому нагрузка модулятора нелинейна. Если ток в цепи питания АЭ,

поступающий от модулятора, равен I0и, а напряжение Е, то эквивалентное сопротивление нагрузки

В дальнейшем, чтобы подчеркнуть эту особенность, нагрузку на схеме модуляторов будем изображать в виде эквивалентного диода.

Импульсный модулятор на жесткой лампе.

Рассмотрим схему модулятора с емкостным накопителем на лампе

(рис.9.16а). В паузах между импульсами лампа закрыта отрицательным

141

модуляторе – заряд и разряд накопителя С– поясняют эквивалентные схемы

(рис.9.16б,в). Здесь не показаны паразитные емкости Сп1 и Сп2 существенно меньшие С, поэтому при анализе энергетических соотношений их можно не учитывать. Они влияют на скорость нарастания и спадания напряжения на нагрузке, т.е. на длительность фронта τср и среза τс импульса (рис.9.16г).

Рис. 9.16. Схема импульсного модулятора на «жесткой» лампе « емкостным накопителем (а) в эквивалентные схемы цепей заряда (б) и разряда (в), а также форма

модулирующего напряжения (г)

Неравномерность вершины Е модулирующего импульса напряжения на ЭД Е(t) вызвана разрядом конденсатора С. Для получения плоской вершины применяют частичный разряд конденсатора, а его емкость С

выбирают так, чтобы постоянная времени цепи разряда CRЭД была значительно больше τи. Требования к форме модулирующего импульса

требования к постоянству предъявляют при модуляции колебаний в автогенераторах, так как вариации Е приводят к нестабильности частоты.

Например, в автогенераторах на ЛОВ типа М, у которых изменения напряжения на 1% вызывают нестабильность частоты того же порядка,

требуется обеспечивать Е Е 0,01 . В магнетроне неравномерность вершины импульса напряжения может привести к возбуждению соседних видов

142

колебаний, что сопровождается изменением частоты и мощности, т.е.

резисторах R1, R2, поэтому желательно иметь их сопротивления поменьше.

КПД цепи заряда представляет отношение энергии Wc, запасенной конденсатором, к энергии Wип, отдаваемой ИП: ηЭ=Wc/Wim. Известно, что

преобразовании получим:

Во время разряда конденсатора часть мощности Рс передается УД, а

часть рассеивается на аноде модуляторной лампы и резисторе R2. Кроме того, ИП отдает некоторую мощность в R1 и лампу. Поскольку КПД цепи разряда представляет собой отношение мощности Р0, потребляемой нагрузкой модулятора, к мощности, которую отдают конденсатор Рс и ИП

Здесь емin– остаточное напряжение на аноде лампы во время импульса.

Для повышения ηр сопротивления резисторов R1, R2 желательно иметь побольше. Учитывая противоречивые требования к сопротивлениям R1, R2

143

для получения больших ηЭ и ηр рекомендуют выбирать R1=R2=(10 ... 20)RАЭ .

Если емin = (0,1…0,2)Е, то ηр≈0,8. При этом КПД модулятора ηм=ηЭ·ηр ≈ 0,7.

Импульсный модулятор на «мягкой» лампе.

Для примера рассмотрим модулятор на тиратроне (рис.9.17а). Во время паузы между импульсами тиратрон закрыт отрицательным напряжением ЕСМ

на сетке и накопитель энергии (НЭ)— разомкнутый отрезок длинной линии– заряжается. Положительный импульс напряжения UСM открывает тиратрон,

его сопротивление резко падает и НЭ начинает разряжаться, отдавая энергию в нагрузку (ЭД). Через некоторое время действие напряжения UСM

прекращается, однако тиратрон не запирается и продолжает пропускать ток разряда НЭ до тех пор, пока напряжение на его аноде упадет практически до нуля (Uа = 0), НЭ разряжается полностью от uмаx до Umin = 0. Обычный конденсатор при полном разряде создает на нагрузке напряжение, спадающее по экспоненте. Здесь НЭ – разомкнутая линия – ведет себя как конденсатор во время заряда (С0) и формирует прямоугольный импульс напряжения при разряде.

КПД цепи заряда (46) близок к единице, если среднее напряжение Ucp≈Еп, а для Umin = 0 это означает uмаx ≈ 2Еп. Реализовать такое напряжение можно, если использовать особенности переходного процесса при подключении источника постоянного напряжения Еп к последовательному контуру L3C0 (резонансный заряд). Эквивалентная схема цепи заряда НЭ

(рис.9.17б) представляет контур с малыми потерями, его собственная частота

144

частоту Fп в широких пределах. Диод VD1 должен быть высоковольтным и поэтому имеет достаточно большое сопротивление, что снижает КПД цепи заряда до значений η=0,8...0,85.

При разряде НЭ основная доля энергии передается ЭL и частично теряется на импульсном трансформаторе (ИТ) и тиратроне. Практически КПД цепи разряда определяется ИТ, поэтому ηр≈ηт=0,8...0,9. Общий КПД модулятора при заряде через дроссель Lз ηм=ηЭηр=0,7...0,8, т.е. того же порядка, что и КПД модулятора на «жесткой» лампе.

Известно, что разомкнутая линия, заряженная до напряжения Uмах при разряде на сопротивление нагрузки Rн, равное волновому сопротивлению линии w, создает на нагрузке импульс напряжения 0,5Uмаx длительностью τи=2l/vф,

где l , vф– длина линии и фазовая скорость распространения волны в ней.

Оценивая величину l и полагая τи=1мкс, м/с, получаем l=0,5τиvф=150м. На практике линии такой длины малопригодны, поэтому их заменяют эквивалентами линии (ЭЛ) – двухполюсниками, составленными из реактивных элементов.

Остановимся кратко на способах расчета ЭЛ. Известными являются длительность импульса τи и сопротивление нагрузки RЭД. Обычно нагрузку включают через повышающий ИТ (рис.9.17а, 9.18а), чтобы уменьшить рабочее напряжение источника питания. Сопротивление АЭ, пересчитанное к

первичной обмотке ИТ, служит нагрузкой для линии при ее разряде:

146

Самым простым является замена линии цепочечным эквивалентом

(рис.9.19а). Известно, что линию с распределенными параметрами представляют бесконечным множеством элементарных ячеек L, С,

соединенных последовательно. Здесь число ячеек n– конечное, а их индуктивности L и емкости С определяются из условия

Чем больше ячеек n , тем ближе форма импульса к прямоугольной.

Реально n<8...12.

Второй способ расчета ЭЛ основан на сравнении частотных характеристик входного сопротивления разомкнутой длинной линии

Условие (9.54) справедливо для двухполюсника на рис.9.19б, а условие

(9.55)– для двухполюсника на рис. 9.19в. Зная только ωК, нельзя однозначно рассчитать LК, и CК контуров, поэтому составим еще одно уравнение,

которое вытекает из требования одинаковых изменений входных сопротивлений линии и ее эквивалента при малых вариациях частоты Δω

относительно ωК. Так вблизи нулей входного сопротивления (9.54) с учетом

(9.51):

147

Рис. 9.19. Схемы эквивалентов длинной линии цепочечный (а) с последовательными (б) и параллельными (в) контурами, а также переходная функция разомкнутой линии (г)

Сопротивление последовательного контура ЭЛ в схеме на рис.9.19б

Для двухполюсника с параллельными контурами (рис.9.19в)

Поясним назначение диода VD, шунтирующего тиратрон (рис.9.18а). При коротком замыкании ЭД (искрение) или неточном согласовании линии, когда

RН<w, во время разряда линия передает в нагрузку только часть энергии, а

остальная отражается так, что меняется знак напряжения на ЭЛ и тиратрон закрывается. Новый цикл заряда НЭ начинается при отрицательном напряжении и(0)=–Енач, и максимальное напряжение Uмах, до которого заряжается линия, возрастает. Этот, процесс будет продолжаться до пробоя тиратрона. Диод создает путь току разряда при отрицательных напряжениях на

148