Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов и электронный ключ для него (варианты)

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к импульсным источникам электропитания, и предназначено для подачи высоковольтных импульсов на анод или управляющий электрод с целью обеспечения снабжения электроэнергией клистронов, ускорителей частиц, магнетронов, ламп бегущей волны и подобных им устройств. Технический результат заключается в снижении массогабаритных характеристик при повышении надежности. Модулятор (фиг.1) содержит источник питания (1), конденсаторы (C1, С2), схему регулирования (2), датчик напряжения (ДН) (3), схему управления (СУ) (4), модулирующее устройство (МУ) (5), источник опорного напряжения (ИОН) (12). Ключевой элемент (КЭ) схемы регулирования выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора (Т) с резистором (Р), соединенным со стоком, или в виде полевого или биполярного с изолированным затвором Т с Р, соединенным с истоком, или в виде полевого или биполярного с изолированным затвором Т с индуктивностью, соединенной со стоком. Кроме того, СУ включает компаратор, один из входов которого соединен с выходом ДН, другой вход которого соединен с ИОН, а выход соединен с управляющим входом КЭ. МУ выполнено в виде последовательно соединенных блока ключей и схемы управления ключами. Даны варианты выполнения устройства и схема электронного ключа для него. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к импульсным источникам электропитания, и предназначено для подачи высоковольтных импульсов на анод или управляющий электрод с целью обеспечения снабжения электроэнергией клистронов, ускорителей частиц, магнетронов, ламп бегущей волны и подобных им устройств.

Известен твердотельный магнитный модулятор для использования в передатчике РЛС (US 3955106, опубл. 1976.05.04), в котором используется ряд конденсаторов, заряжаемых от источника постоянного тока и подключаемых при разряде параллельно. Конденсаторы разряжаются через индуктивность, не находящуюся в резонансе, через трансформатор на цепь формирования импульса, в которой включен второй зарядовый конденсатор.

К недостаткам данного изобретения можно отнести следующее:

- модулятор весьма сложен, имеет большие массу и габариты, так как в нем обязательно использование нескольких трансформаторов, дросселей с насыщением, импульсного мощного высоковольтного трансформатора и других элементов;

- модулятор не может работать с высокой частотой повторения импульсов, этого не позволят те же индуктивные элементы, о которых сказано выше, невозможен также пакетный режим;

- модулятор сложен в управлении и не может работать, если в процессе работы необходимо изменять длительность импульса на нагрузке в более или менее широких пределах, так как для этого потребовалось бы во время работы менять параметры импульсного трансформатора.

Известен импульсный модулятор (RU 2079967, опубл. 1997.05.20), содержащий источник питания, ключевые транзисторы, диоды, накопительные конденсаторы и нагрузку, в него дополнительно введены резисторы, конденсаторы, транзисторы и диоды. При этом вновь введенные элементы и их связи позволяют реализовать высоковольтный импульсный модулятор в твердотельном исполнении, что влечет за собой резкое снижение массогабаритных характеристик модулятора с одновременным повышением надежности, а также отсутствие необходимости дополнительных включений, проверок и тренировок за длительный период хранения. Снижение массогабаритных характеристик также обусловлено тем, что на элементах модулятора, за исключением блокирующих диодов 11, напряжение не превышает Е, а также повышением КПД зарядных и разрядных цепей основных накопительных конденсаторов 6. Повышение надежности обусловлено тем, что на элементах предлагаемой схемы не возникает перенапряжений.

Недостатком данного изобретения является то, что в модуляторе транзисторы включаются и срабатывают последовательно, поэтому фронты импульсов увеличиваются в N раз (где N - число транзисторов). Это уменьшает энергетическую эффективность питаемых через модулятор генераторов, а также ухудшает качественные показатели их работы такие, как стабильность частоты у магнетронных автогенераторов, стабильность фазы у клистронных и других генераторов с внешним возбуждением, а также увеличивает у них уровень фазовых шумов. В этом модуляторе использовано последовательное соединение емкостей, что уменьшает суммарную выходную емкость в N раз и, в свою очередь, увеличивает спад напряжения на плоской вершине импульса. В данном модуляторе отсутствует стабилизация амплитуд импульсов.

Известен импульсный модулятор (варианты) (RU 2234804, опубл. 2004.08.20), содержащий источник питания постоянного тока и управляемые электронные ключевые элементы с жесткой характеристикой управления, первичный накопитель энергии с частичным разрядом накопленной энергии в виде конденсатора и вторичного (индуктивного) накопителя. Модулятор формирует пачки из знакопеременных колоколообразных импульсов. Процессы формирования фронта и среза являются резонансными с частотой, определяемой реактивными параметрами вторичного индуктивного накопителя и емкости конденсатора. Технический результат заключается в повышении надежности преобразования постоянного напряжения в импульсное наносекундной длительности при любом виде нештатных пробоев в конденсаторе и изменений параметров реактивных элементов.

Недостатком данного изобретения является то, что данная установка является технологической, поэтому к ней не предъявляются требования радиолокационных модуляторов, а именно: постоянство амплитуд импульсов, прямоугольность импульсов (т.е. крутые фронт и спад, наличие плоской части). Использование резонансных процессов для формирования выходных импульсов делает невозможным добиться прямоугольной формы. Кроме того, выдаваемые установкой импульсы являются двуполярными. Такими импульсами нельзя питать СВЧ-приборы.

Известно устройство регулирования для компенсирования изменения напряжения питания (US 5942810, опубл. 1999.08.24), которое включает источник питания, соединенный параллельно с первым конденсатором, последовательно с которым соединен второй конденсатор, и резервный конденсатор, который через схему регулирования подключен параллельно второму конденсатору, при этом параллельно первому и второму конденсаторам подсоединена схема детектирования, выход схемы детектирования соединен с входом схемы управления, два выхода которой соединены с соответствующими выходами схемы регулирования. Схема регулирования содержит два ключевых элемента и индуктивность, выходы ключевых элементов соединены с одним из выводов индуктивности, второй вывод которой соединен с общей точкой первого и второго конденсатора, при этом силовой вход первого ключевого элемента соединен с одним из выходов резервного конденсатора, а силовой вход второго ключевого элемента, вторые выводы второго и резервного конденсатора соединены с общей шиной. А два выхода схемы управления подключены к управляющим входам ключевых элементов схемы регулирования. Схема управления формирует сигнал для управления ключевыми элементами.

Недостатком прототипа является низкая надежность данной схемы, т.к. применены два ключевых элемента и возможно появление сквозного тока, при котором резервный конденсатор и второй конденсатор будут разряжаться через открытые ключевые элементы, что приведет к появлению больших токов и выходу из строя схемы. Поскольку первый конденсатор соединен последовательно ко второму и резервному конденсатору, это приводит к уменьшению суммарной емкости. Для удовлетворения требований к уменьшению падения напряжения за время прохождения плоской вершины импульса приходится увеличивать емкость этих конденсаторов, что приводит к увеличению массы и габаритов схемы.

Данное изобретение является ближайшим аналогом предлагаемого изобретения, т.е. прототипом.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение массогабаритных характеристик при повышении надежности.

Данная задача по варианту 1 решается созданием высоковольтного импульсного модулятора со стабилизацией амплитуды импульсов, содержащего источник питания, первый конденсатор, второй конденсатор, схему регулирования, датчик напряжения, схему управления и модулирующее устройство, выход которого является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а управляющий вход является входом высоковольтного импульсного модулятора, при этом источник питания соединен параллельно с первым конденсатором, выход датчика напряжения соединен с одним из входов схемы управления, другой вход которой соединен с источником опорного напряжения, причем выход схемы управления соединен с управляющим входом схемы регулирования, которая выполнена в виде ключевого элемента, при этом первый вывод первого конденсатора через схему регулирования соединен с первым выводом второго конденсатора, с одним из входов датчика напряжения и с силовым входом модулирующего устройства, а второй вывод первого конденсатора, второй вывод второго конденсатора и второй вход датчика напряжения соединены с общей шиной.

Кроме того, ключевой элемент схемы регулирования выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора с резистором, соединенным со стоком.

Кроме того, ключевой элемент схемы регулирования выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора с резистором, соединенным с истоком.

Кроме того, ключевой элемент схемы регулирования выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора с индуктивностью, соединенной со стоком.

Кроме того, схема управления включает компаратор, один из входов которого соединен с выходом датчика напряжения, другой вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход соединен с управляющим входом ключевого элемента.

Кроме того, модулирующее устройство выполнено в виде последовательно соединенных блока ключей и схемы управления блоком ключей, причем выход схемы управления блоком ключей соединен с управляющим входом блока ключей, при этом силовой вход блока ключей является силовым входом модулирующего устройства, выход блока ключей является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а вход схемы управления блоком ключей является входом высоковольтного импульсного модулятора.

Кроме того, блок ключей выполнен в виде N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом.

Кроме того, блок ключей выполнен в виде 2N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом, причем середина последовательности транзисторов между стоком последнего ключа 1.N первой половины последовательности и истоком ключа 2.1 второй половины последовательности образует выход блока ключей, силовой вход ключа 2.N является силовым входом блока ключей, а силовой вход ключа 1.1 подсоединен к общей шине, при этом на управляющем входе модулирующего устройства установлен импульсный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с управляющим входом модулирующего устройства, каждая вторичная обмотка, число которых равно 2N, включена между затвором и истоком первого транзистора своего электронного ключа, причем начала и концы вторичных обмоток, относящихся к ключам 1.1...1.N включены встречно началом и концам обмоток, относящихся к ключам 2.1...2.N.

Данная задача также по варианту 2 решается созданием высоковольтного импульсного модулятора со стабилизацией амплитуды импульсов, содержащего источник питания, первый конденсатор, второй конденсатор, схему регулирования, датчик напряжения, схему управления и модулирующее устройство, выход которого является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а управляющий вход является входом высоковольтного импульсного модулятора, при этом источник питания соединен параллельно с первым конденсатором, первый вывод второго конденсатора соединен с датчиком напряжения, выход которого соединен с одним из входом схемы управления, другой вход которой соединен с источником опорного напряжения, а выход схемы управления соединен с управляющим входом схемы регулирования, которая выполнена в виде ключевого элемента, причем второй вывод второго конденсатора и второй вывод датчика напряжения соединены с общей шиной, при этом второй вывод первого конденсатора через схему регулирования соединен с общей шиной, общая точка соединения источника питания и первого вывода первого конденсатора соединена с первым выводом второго конденсатора, а силовой вход модулирующего устройства соединен с первым выводом второго конденсатора. Кроме того, ключевой элемент схемы регулирования выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора с резистором, соединенным со стоком.

Кроме того, ключевой элемент схемы регулирования выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора с резистором, соединенным с истоком.

Кроме того, ключевой элемент выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора с индуктивностью, соединенной со стоком.

Кроме того, схема управления включает компаратор, один из входов которого соединен с выходом датчика напряжения, другой вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход соединен с управляющим входом ключевого элемента.

Кроме того, модулирующее устройство выполнено в виде последовательно соединенных блока ключей и схемы управления блоком ключей, причем выход схемы управления блоком ключей соединен с управляющим входом блока ключей, при этом силовой вход блока ключей является силовым входом модулирующего устройства, выход блока ключей является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а вход схемы управления блоком ключей является входом высоковольтного импульсного модулятора.

Кроме того, блок ключей выполнен в виде N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом.

Кроме того, блок ключей выполнен в виде 2N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом, причем середина последовательности транзисторов между стоком последнего ключа 1.N первой половины последовательности и истоком ключа 2.1 второй половины последовательности образует выход блока ключей, силовой вход ключа 2.N является силовым входом блока ключей, а силовой вход ключа 1.1 подсоединен к общей шине, при этом на управляющем входе модулирующего устройства установлен импульсный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с управляющим входом модулирующего устройства, каждая вторичная обмотка, число которых равно 2N, включена между затвором и истоком первого транзистора своего электронного ключа, причем начала и концы вторичных обмоток, относящихся к ключам 1.1...1.N включены встречно началом и концам обмоток, относящихся к ключам 2.1...2.N.

Данная задача также по варианту 3 решается созданием высоковольтного импульсного модулятора со стабилизацией амплитуды импульсов, содержащего источник питания, первый конденсатор, второй конденсатор, модулирующее устройство, выход которого является выходом высоковольтного импульсного модулятора, управляющий вход является входом высоковольтного импульсного модулятора, схему регулирования, датчик напряжения и схему управления, выполненную в виде компаратора, при этом источник питания соединен параллельно с первым конденсатором, первый вывод второго конденсатора соединен с датчиком напряжения, выход которого соединен с одним входом компаратора, другой вход которого соединен с источником опорного напряжения, причем второй вывод второго конденсатора и второй вывод датчика напряжения соединены с общей шиной, при этом второй вывод первого конденсатора через схему регулирования соединен с общей шиной, общая точка соединения источника питания и первого вывода первого конденсатора соединена с первым выводом второго конденсатора, а силовой вход модулирующего устройства соединен с первым выводом второго конденсатора, при этом схема управления выполнена на первом резисторе и полевом транзисторе так, что второй вывод первого конденсатора через первый резистор и сток-исток полевого транзистора соединен с общей шиной, а выход компаратора соединен с затвором полевого транзистора, модулирующее устройство выполнено на блоке ключей и схеме управления ключами, причем выход схемы управления ключами соединен с управляющим входом блока ключей, силовой вход блока ключей является силовым входом модулирующего устройства, выход блока ключей является выходом модулирующего устройства, а вход схемы управления ключами является управляющим входом модулирующего устройства.

Кроме того, блок ключей выполнен в виде N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом.

Кроме того, блок ключей выполнен в виде 2N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом, причем середина последовательности транзисторов между стоком последнего ключа 1.N первой половины последовательности и истоком ключа 2.1 второй половины последовательности образует выход блока ключей, силовой вход ключа 2.N является силовым входом блока ключей, а силовой вход ключа 1.1 подсоединен к общей шине, при этом на управляющем входе модулирующего устройства установлен импульсный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с управляющим входом модулирующего устройства, каждая вторичная обмотка, число которых равно 2N, включена между затвором и истоком первого транзистора своего электронного ключа, причем начала и концы вторичных обмоток, относящихся к ключам 1.1...1.N включены встречно началом и концам обмоток, относящихся к ключам 2.1...2.N.

Данная задача также решается созданием электронного ключа, содержащего первый и второй транзисторы, первый диод, при этом анод первого диода соединен с истоком первого транзистора, причем исток второго транзистора является входом электронного ключа, а сток второго транзистора является выходом электронного ключа, а сток второго транзистора является выходом электронного ключа, отличающийся тем, что в него введены второй диод, третий диод, стабилитрон, первый и второй резисторы и конденсатор, при этом катод второго диода соединен со стоком первого транзистора, а анод второго диода соединен с катодом первого диода и с одним из выводов первого резистора, второй вывод которого соединен с затвором второго транзистора, с одним из выводов конденсатора и третьего диода, вторые выводы которых соединены с истоком второго транзистора, при этом второй резистор подключен между истоком второго транзистора и затвором первого транзистора, анод стабилитрона соединен с входом ключа, а катод с выходом ключа, при этом первый транзистор, первый и второй диод и первый резистор образуют схему управления ключом.

В радиолокационной технике мощные СВЧ импульсные генераторы на магнетронах и усилителях типа М, а также на некоторых типах пролетных клистронов работают в режиме анодной модуляции, для которого характерны большие импульсные токи. Для увеличения объема получаемой информации и расширения возможностей по управлению объектами вместо простых периодических импульсных последовательностей в настоящее время широко используется такие режимы генераторов, при которых излучаются пакетные импульсные последовательности (фиг.5). При этом средняя мощность СВЧ-колебаний в пакете относительно велика по сравнению со средней мощностью, определенной за период следования пакетов. В этом случае целесообразно, используя импульсный модулятор и высоковольтный источник питания, организовать накопление энергии в промежуточном накопителе (накопителе источника) С1 и подзаряжать накопитель модулятора С2 для того, чтобы не допустить снижения амплитуды импульсов генератора в пакетном режиме. Временные зависимости напряжений на накопителях Uc1 и Uc2 подтверждают, что параметры схемы могут быть подобраны так, чтобы напряжение на втором накопителе менялось за время импульса в допустимых пределах.

Работа высоковольтного импульсного модулятора со стабилизацией амплитуды импульсов иллюстрируется чертежами.

На фиг.1 представлена структурная схема высоковольтного импульсного модулятора со стабилизацией амплитуды импульсов по варианту 1.

На фиг.2 представлена структурная схема высоковольтного импульсного модулятора со стабилизацией амплитуды импульсов по варианту 2.

На фиг.3 представлена принципиальная схема высоковольтного импульсного модулятора по варианту 3.

На фиг.4 представлены варианты схемы ключевого элемента с нагрузкой в виде а) резистора, соединенного со стоком транзистора; b) резистора, соединенного с истоком транзистора; с) индуктивности, соединенной со стоком транзистора.

На фиг.5 представлены эпюры напряжения.

На фиг.6 представлена структурная схема модулирующего устройства.

На фиг.7 представлена принципиальная схема выполнения блока ключей на базе N полевых или биполярных транзисторов с изолированными затворами в однотактном исполнении.

На фиг.8 представлена принципиальная схема выполнения блока ключей на базе N полевых или биполярных транзисторов с изолированными затворами в двухтактном исполнении.

Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по варианту 1 содержит источник питания 1 (фиг.1), первый конденсатор С1, второй конденсатор С2, схему регулирования 2, датчик напряжения 3 и схему управления 4, при этом источник питания 1 соединен параллельно с первым конденсатором С1, выход датчика напряжения 3 соединен с одним входом схемы управления 4, другой вход которой соединен с источником опорного напряжения 12, также имеется модулирующее устройство 5, при этом первый вывод первого конденсатора С1 через схему регулирования 2 соединен с первым выводом второго конденсатора С2, с одним из входов датчика напряжения 3 и с силовым входом модулирующего устройства 5, а второй вывод первого конденсатора С1, второй вывод второго конденсатора С2 и второй вход датчика напряжения 3 соединены с общей шиной 6, причем выход схемы управления 4 соединен с управляющим входом схемы регулирования 2, при этом схема регулирования 2 выполнена в виде ключевого элемента, выход модулирующего устройства 5 является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а управляющий вход модулирующего устройства 5 является входом высоковольтного импульсного модулятора. Схема регулирования может быть выполнена с использованием ключевого элемента на базе полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора Т1 (фиг.4) а) с резистором R1, соединенным со стоком, б) с резистором R1, соединенным с истоком, в) с индуктивностью L1, соединенной со стоком.

Схема управления 4 (фиг.3), например, выполнена в виде компаратора Са1, один из входов которого соединен с выходом датчика напряжения 3, другой вход которого соединен с источником опорного напряжения 12, а выход соединен с управляющим входом ключевого элемента 2.

Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по варианту 2 (фиг.2), содержащий источник питания 1, первый конденсатор С1, второй конденсатор С2, схему регулирования 2, датчик напряжения 3 и схему управления 4, при этом источник питания 1 соединен параллельно с первым конденсатором С1, общая точка соединения 11 источника питания 1 и первого конденсатора С1 соединена с первым выводом второго конденсатора С2 и датчика напряжения 3, при этом выход датчика напряжения 3 соединен с одним из входов схемы управления 4, другой вход которой соединен с источником опорного напряжения 12, причем второй вывод второго конденсатора С2 и второй вывод датчика напряжения 3 соединен с общей шиной 6, также дополнительно введено модулирующее устройство 5, силовой вход которого соединен с первым выводом второго конденсатора С2, второй вывод первого конденсатора С1 через схему регулирования 2 соединен с общей шиной 6, а выход схемы управления 2 соединен с управляющим входом схемы регулирования 4, при этом схема регулирования 4 выполнена в виде ключевого элемента, причем выход модулирующего устройства 5 является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а управляющий вход модулирующего устройства 5 является входом высоковольтного импульсного модулятора.

Схема регулирования может быть выполнена с использованием ключевого элемента на базе полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора Т1 (фиг.4) а) с резистором R1, соединенным со стоком, б) с резистором R1, соединенным с истоком, в) с индуктивностью L1, соединенной со стоком.

Схема управления 4 (фиг.3), например, выполнена в виде компаратора Са1, один из входов которого соединен с выходом датчика напряжения 3, другой вход которого соединен с источником опорного напряжения 12, а выход соединен с управляющим входом ключевого элемента 2.

Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по варианту 3 (фиг.3) является более детальной схемой высоковольтного импульсного модулятора по варианту 2 и содержит источник питания 1 (фиг.3), первый конденсатор С1, второй конденсатор С2, схему регулирования 2, датчик напряжения 3 и схему управления 4, при этом источник питания 1 соединен параллельно с первым конденсатором С1, общая точка соединения 11 источника питания 1 и первого конденсатора С1 соединена с первым выводом второго конденсатора С2 и датчика напряжения 3, при этом выход датчика напряжения 3 соединен одним входом схемы управления 4, другой вход которой соединен с источником опорного напряжения 12, причем второй вывод второго конденсатора С2 и второй вывод датчика напряжения 3 соединен с общей шиной 6, в который дополнительно введены первый R1, второй R2 и третий R3 резисторы, полевой транзистор Т1, блок ключей 5.1, схема управления ключами 5.2, причем второй вывод первого конденсатора С1 через первый резистор R1 и сток-исток полевого транзистора Т1 соединен с общей шиной 6, а схема управления 4 выполнена в виде компаратора Са1, один вход которого соединен с выходом датчика напряжения 3, другой с источником опорного напряжения 12, а выход соединен с затвором полевого транзистора Т1, причем выход схемы управления ключами 5.2 соединен с управляющим входом блока ключей 5.1, а силовой вход блока ключей 5.1 соединен с первым выводом второго конденсатора С2, при этом выход блока ключей 5.1 является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а вход схемы управления ключами 5.2 является входом высоковольтного импульсного модулятора.

Ключевой элемент может быть выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора Т1 с резистором R1, соединенным со стоком (фиг.4а), в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора Т1 с резистором R1, соединенным с истоком (фиг.4б), в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора Т1 с индуктивностью L1, соединенной со стоком (фиг.4в).

Схема управления 4 (фиг.3), например, выполнена в виде компаратора компаратор Са1, один из входов которого соединен с выходом датчика напряжения 3, а выход соединен со управляющим входом ключевого элемента Т1 схемы регулирования 2.

Датчик напряжения может быть выполнен как резистивный делитель R2, R3.

Модулирующий элемент может быть выполнен по однотактной схеме (фиг.6а) и содержит схему управления ключами 10, блок ключей на базе полевых или биполярных с изолированным затвором транзисторов 1.1...1.N, либо может быть выполнен по двухтактной схеме (фиг.6б), где дополнительно введен блок ключей на базе полевых или биполярных с изолированным затвором транзисторов 2.1...2.N, управляющий вход которого соединен с выходом схемы управления ключами 10.

При аварийных искрениях в нагрузке может включаться балластный резистор для ограничения тока через транзисторы Т2, Т3.

Блок ключей модулирующего элемента 5 выполнен с использованием N электронных ключей: ключ 1, ключ 2... ключ N (фиг.7) на базе полевых или биполярных транзисторов VT2 с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом.

В отличие от однотактной схемы исполнения блока ключей в двухтактной схеме (фиг.8) имеются две группы ключей ключ 1.1...1.N и 2.1...2.N, которые отличаются лишь подключением к ним вторичных обмоток, таким образом, чтобы при подаче импульса на первичную обмотку трансформатора Тр1, они вызывали инверсные сигналы на входах разных групп ключей, что приводит к тому, что группы ключей работают в противофазе.

Электронный ключ (фиг.7) содержит первый VT1 и второй VT2 транзисторы, первый диод VD1, при этом анод первого диода VD1.2 соединен с истоком первого транзистора VT1, а исток второго транзистора VT2 является входом электронного ключа, а сток второго транзистора VT2 является выходом электронного ключа, второй диод VD2, третий диод VD3, стабилитрон VD4, первый R5 и второй R6 резисторы и конденсатор С3, при этом катод второго диода VD2 соединен со стоком первого транзистора VT1, а анод второго диода VD2 соединен с катодом первого диода VD1 и с одним из выводов первого резистора R5, второй вывод которого соединен с затвором второго транзистора VT2, с одним из выводов конденсатора С3 и третьего диода VD3, вторые выводы которых соединены с истоком второго транзистора VT6, при этом второй резистор R2 подключен между истоком второго транзистора VT2 и затвором первого транзистора VT1, анод стабилитрона VD4 соединен с входом ключа, а катод - с выходом ключа.

Устройство по вариантам 1, 2, 3 работает следующим образом.

Высокое напряжение на выходе источника питания (фиг.1, 2, 3) заряжает первый накопительный элемент С1, обычно входящий в состав источника питания и являющийся промежуточным накопителем. Далее напряжение с первого накопительного конденсатора С1 поступает на второй конденсатор С2 через схему регулирования (фиг.1, 2), которая может подключаться к высоковольтной (фиг.1) или низковольтной (фиг.2) шине питания, представляющую собой ключевой элемент, выполненный, например, с использованием полевого транзистора с различными вариантами включения токоограничивающих элементов (фиг.4): а) резистора, соединенного со стоком транзистора; б) резистора, соединенного с истоком транзистора; в) индуктивности, соединенной со стоком транзистора. При замкнутом состоянии схемы регулирования запасенный на первом конденсаторе С1 электрический заряд начинает через нее перетекать во второй конденсатор С2, заряжая его до некоторого значения напряжения, определяемого опорным напряжением Uопор, подаваемого с источника питания. К выходу второго конденсатора С2 подключен датчик напряжения, вырабатывающий сигнал, пропорциональный напряжению на его входе. Сигнал с датчика поступает на схему управления, в которой происходит его сравнение с опорным напряжением Uопор, поступаемым с источника напряжения. Если опорное напряжение Uопор меньше, чем напряжение с датчика напряжения 3, то со схемы управления на управляющий вход схемы регулирования подается сигнал, запирающий схему регулирования, и наоборот, если опорный сигнал Uопор больше, чем сигнал с датчика, то со схемы управления подается сигнал на открытие схемы регулирования, таким образом, происходит подзаряд второго накопителя С2 за счет перетекания заряда с накопителя С1, до тех пор, пока сигнал с датчика напряжения не станет больше Uопор. К выходу второго конденсатора С2 подключено модулирующее устройство, которое при подаче синхроимпульса на управляющий вход модулятора на время, определяемое характеристиками модулятора, переходит в проводящее состояние, т.е. замыкает выход конденсатора С2 и вход нагрузки, после чего до подачи следующего синхроимпульса модулирующее устройство переходит либо в запертое состояние при однотактном режиме работы, либо замыкает вход нагрузки на общую шину при двутактном режиме работы. Работа устройства характеризуется эпюрами напряжения (фиг.5), где на графике Uвх показаны синхроимпульсы, U_C1 - напряжение на первом накопительном элементе С1, U_C2 - напряжение на втором накопительном элементе С2 и Uвых - напряжение на нагрузке. Таким образом, видно, что при том, что напряжение на С1 изменяется в достаточно широких пределах, за счет использования частичного подзаряда напряжение на С2 по амплитуде остается постоянным и на выходе имеются импульсы, равные по амплитуде, что особенно важно, например, при построении радарных систем.

В устройстве высоковольтного импульсного модулятора со стабилизацией амплитуды импульсов по варианту 2 (фиг.2) схема регулирования включена в низковольтную шину, и для ее управления необходимы низковольтные сигналы, что дает дополнительные преимущества, так как работа с ними схемотехнически удобнее, чем работа с высоковольтными сигналами управления.

На фиг.3 представлена структурная схема высоковольтного импульсного модулятора со стабилизацией амплитуды импульсов по варианту 3, работа которой аналогична работе устройства по варианту 2. Источник питания 1 подключен к первому накопительному элементу С1, заряжая его. К нему через схему регулирования, представляющую собой ключевой элемент, выполненный в виде полевого транзистора Т1, с включенным в сток сопротивлением R1, подключен параллельно второй накопительный элемент С2, к которой, в свою очередь, параллельно подключен датчик напряжения, выполненный в виде резистивного делителя R2, R3. Сигнал с резистивного делителя, пропорциональный напряжению на его входе, подается на схему управления, выполненную в виде компаратора Са1, на его отрицательный вход. На положительный вход подается фиксируемое опорное напряжение Uопор, взятое с источника питания. Если напряжение с резистивного делителя больше Uопор, то компаратор Са1 вырабатывает сигнал нулевого уровня, что удерживает транзистор Т1 в запертом состоянии. При этом С2 и С1 разъединены и напряжение на С2 падает за счет потребления электрической мощности на нагрузке. Поскольку С2 падает, а следовательно, и сигнал с резистивного делителя также падает, то наступает момент, когда Uопор будет больше сигнала с делителя, при этом на выходе компаратор Са1 появляется сигнал высокого уровня, что переводит транзистор Т1 в открытое состояние, в цепи С1, С2, R1, сток-исток Т1 начинает течь ток, что подзаряжает конденсатор С2 до уровня, определяемого Uопор. Конденсатор С2 подключен к модулирующему устройству, представляющему собой схему управления ключами, подключенную своим выходом к управляющему входу блока ключей. При подаче синхроимпульсов на вход высоковольтного модулятора эти импульсы поступают на вход схемы управления, где по их переднему фронту вырабатывается прямоугольный импульс с длительностью, определяемой выходными характеристиками высоковольтного модулятора. Например, для использования его в составе радара для обнаружения удаленных целей длительность импульса может составлять до 1 милисекунды, а при работе с близлежащими целями до 1 микросекунды. Затем прямоугольный импульс поступает на блок ключей, который может быть выполнен по однотактной (фиг.7) или двухтактной схеме (фиг.8). В первом случае (фиг.7) импульс проходит через первичную обмотку трансформатора Тр1, тем самым вызывая импульс во вторичных обмотках, которые поступают на схему управления ключами 5.2 (Фиг.6), выполненную на полевом транзисторе VT1, первом диоде VD1, втором диоде VD2 и втором резисторе R6, и затем на ключи 1..N, соединенные последовательно друг с другом. Каждый ключ (фиг.7) может быть построен на базе двух полевых VT1, VT2 или биполярных транзисторов с изолированным затвором. Импульсы на вторичной обмотке трансформатора открывают транзисторы VT1, VT2 каждого ключа, тем самым блок ключей переходит в проводящее состояние, что приводит к разряду по экспоненте емкости С2 на нагрузку Rн. После окончания импульса со схемы управления ключами блок ключей переходит в запертое состояние, тем самым, формируя задний фронт выходных импульсов. Длительность заднего фронта определяется в этом случае временем разряда выходной паразитной емкости. Для того чтобы уменьшить время спада заднего фронта импульса, используют двухактную схему построения блока ключей (фиг.8). При этом поскольку вторичные обмотки трансформатора Тр1 разных групп ключей подключены встречно, то при подаче переднего фронта импульса на первичную обмотку трансформатора Тр1 происходит замыкание группы ключей 2.1...2.N и размыкание группы ключей 1.1...1.N. И, следовательно, высокое напряжение со входа проходит на выход блока ключей. При подаче заднего фронта импульса на вход трансформатора происходит размыкание ключей 2.1...2.N и замыкание ключей 1.1...1.N, т.е. подключение нагрузки Rн на общую шину, тем самым укорачивая спад заднего фронта импульса на нагрузке за счет принудительной разрядки паразитных емкостей.

В прототипе схема регулирования содержит два ключевых элемента и индуктивность, ток проходит через Скомп и заряжает его положительно, когда схема регулирования обнаруживает уменьшение напряжения, и начинает управлять схемой управления, так чтобы время проводимости второго ключа S2 увеличилось, во время включения первого ключа S1 излишек заряда на Скомп передается через индуктивность L на резервный конденсатор Ср, в результате чего увеличивается напряжение на Ср. Диод нужен для защиты от перенапряжения на конденсаторе Ср. В данной схеме возможно появление сквозного тока, при этом резервный конденсатор и конденсатор Скомп будут разряжаться через открытые ключевые элементы, что приведет к появлению больших токов и выходу из строя схемы. Поскольку первый конденсатор соединен последовательно ко второму и резервному конденсатору, то это приводит к уменьшению суммарной емкости, а следовательно, к увеличению массы и габаритов схемы. В отличие от прототипа в предлагаемом изобретении накопительные конденсаторы С1 и С2 соединены параллельно, что позволяет увеличить суммарную емкость, а следовательно, уменьшить массогабаритные параметры. А за счет использования однотактного ключа в схеме регулирования убирается возможность замыкания любой из емкостей на общий провод, даже при его выходе из строя, тем самым, повышается надежность схемы. Также однотактное исполнение схемы регулирования уменьшает сложность схемы.

Таким образом, заявленный высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов дает возможность снижения массогабаритных характеристик при повышении надежности, а также приводит к упрощению схемы устройства.

1. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов, содержащий источник питания, первый конденсатор, второй конденсатор, схему регулирования, датчик напряжения, схему управления и модулирующее устройство, выход которого является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а управляющий вход является входом высоковольтного импульсного модулятора, при этом источник питания соединен параллельно с первым конденсатором, выход датчика напряжения соединен с одним входом схемы управления, другой вход которой соединен с источником опорного напряжения, причем выход схемы управления соединен с управляющим входом схемы регулирования, которая выполнена в виде ключевого элемента, отличающийся тем, что первый вывод первого конденсатора через схему регулирования соединен с первым выводом второго конденсатора, с одним из входов датчика напряжения и с силовым входом модулирующего устройства, а второй вывод первого конденсатора, второй вывод второго конденсатора и второй вход датчика напряжения соединены с общей шиной.

2. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.1, отличающийся тем, что ключевой элемент схемы регулирования выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора с резистором, соединенным со стоком.

3. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.1, отличающийся тем, что ключевой элемент схемы регулирования выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора с резистором, соединенным с истоком.

4. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.1, отличающийся тем, что ключевой элемент схемы регулирования выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора с индуктивностью, соединенной со стоком.

5. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.1, отличающийся тем, что схема управления включает компаратор, один из входов которого соединен с выходом датчика напряжения, другой вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход соединен с управляющим входом ключевого элемента схемы регулирования.

6. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.1, отличающийся тем, что модулирующее устройство выполнено в виде последовательно соединенных блока ключей и схемы управления ключами, причем выход схемы управления ключами соединен с управляющим входом блока ключей, при этом силовой вход блока ключей является силовым входом модулирующего устройства, выход блока ключей является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а вход схемы управления ключами является входом высоковольтного импульсного модулятора.

7. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.6, отличающийся тем, что блок ключей выполнен в виде N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом.

8. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.6, отличающийся тем, что блок ключей выполнен в виде 2N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом, причем середина последовательности транзисторов между стоком последнего ключа 1.N первой половины последовательности и истоком ключа 2.1 второй половины последовательности образует выход блока ключей, силовой вход ключа 2.N является силовым входом блока ключей, а силовой вход ключа 1.1 подсоединен к общей шине, при этом на управляющем входе модулятора установлен импульсный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с управляющим входом модулятора, каждая вторичная обмотка, число которых равно 2N, включена между затвором и стоком первого транзистора своего электронного ключа, причем начала и концы вторичных обмоток, относящихся к ключам 1.1...1.N, включены встречно началам и концам обмоток, относящихся к ключам 2.1...2.N.

9. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов, содержащий источник питания, первый конденсатор, второй конденсатор, схему регулирования, датчик напряжения, схему управления и модулирующее устройство, выход которого является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а управляющий вход является входом высоковольтного импульсного модулятора, при этом источник питания соединен параллельно с первым конденсатором, общая точка соединения источника питания и первого конденсатора соединена с первым выводом второго конденсатора и датчика напряжения, при этом выход датчика напряжения соединен с одним входом схемы управления, другой вход которой соединен с источником опорного напряжения, причем второй вывод второго конденсатора и второй вывод датчика напряжения соединены с общей шиной, отличающийся тем, что в него дополнительно введено модулирующее устройство, силовой вход которого соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод первого конденсатора через схему регулирования соединен с общей шиной, а выход схемы управления соединен с управляющим входом схемы регулирования, при этом схема регулирования выполнена в виде ключевого элемента, причем выход модулирующего устройства является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а управляющий вход модулирующего устройства является входом высоковольтного импульсного модулятора.

10. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.9, отличающийся тем, что ключевой элемент схемы регулирования выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора с резистором, соединенным со стоком.

11. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.9, отличающийся тем, что ключевой элемент схемы регулирования выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора с резистором, соединенным с истоком.

12. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.9, отличающийся тем, что ключевой элемент выполнен в виде полевого или биполярного с изолированным затвором транзистора с индуктивностью, соединенной со стоком.

13. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.9, отличающийся тем, что схема управления включает компаратор, один из входов которого соединен с выходом датчика напряжения, другой вход которого соединен с источником опорного напряжения, а выход соединен с управляющим входом ключевого элемента схемы регулирования.

14. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.9, отличающийся тем, что модулирующее устройство выполнено в виде последовательно соединенных блока ключей и схемы управления ключами, причем выход схемы управления ключами соединен с управляющим входом блока ключей, при этом силовой вход блока ключей является силовым входом модулирующего устройства, выход блока ключей является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а вход схемы управления ключами является входом высоковольтного импульсного модулятора.

15. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.14, отличающийся тем, что блок ключей выполнен в виде N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом.

16. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.14, отличающийся тем, что блок ключей выполнен в виде 2N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом, причем середина последовательности транзисторов между стоком последнего ключа 1.N первой половины последовательности и истоком ключа 2.1 второй половины последовательности образует выход блока ключей, силовой вход ключа 2.N является силовым входом блока ключей, а силовой вход ключа 1.1 подсоединен к общей шине, при этом на управляющем входе модулятора установлен импульсный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с управляющим входом модулятора, каждая вторичная обмотка, число которых равно 2N, включена между затвором и стоком первого транзистора своего электронного ключа, причем начала и концы вторичных обмоток, относящихся к ключам 1.1...1.N, включены встречно началам и концам обмоток, относящихся к ключам 2.1...2.N.

17. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов, содержащий источник питания, первый конденсатор, второй конденсатор, модулирующее устройство, выход которого является выходом высоковольтного импульсного модулятора, управляющий вход является входом высоковольтного импульсного модулятора, схему регулирования, датчик напряжения и схему управления, выполненную в виде компаратора, при этом источник питания соединен параллельно с первым конденсатором, первый вывод второго конденсатора соединен с датчиком напряжения, выход которого соединен с одним входом компаратора, другой вход которого соединен с источником опорного напряжения, причем второй вывод второго конденсатора и второй вывод датчика напряжения соединен с общей шиной, отличающийся тем, что второй вывод первого конденсатора через схему регулирования соединен с общей шиной, общая точка соединения источника питания и первого вывода первого конденсатора соединена с первым выводом второго конденсатора, а силовой вход модулирующего устройства соединен с первым выводом второго конденсатора, при этом схема управления выполнена на первом резисторе и полевом транзисторе так, что второй вывод первого конденсатора через первый резистор и сток-исток полевого транзистора соединен с общей шиной, а выход компаратора соединен с затвором полевого транзистора, модулирующее устройство выполнено на блоке ключей и схеме управления ключами, причем выход схемы управления ключами соединен с управляющим входом блока ключей, силовой вход блока ключей является силовым входом модулирующего устройства, выход блока ключей является выходом модулирующего устройства, а вход схемы управления ключами является управляющим входом модулирующего устройства.

18. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.17, отличающийся тем, что блок ключей выполнен в виде N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом.

19. Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов по п.17, отличающийся тем, что блок ключей выполнен в виде 2N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом, причем середина последовательности транзисторов между стоком последнего ключа 1.N первой половины последовательности и истоком ключа 2.1 второй половины последовательности образует выход блока ключей, силовой вход ключа 2.N является силовым входом блока ключей, а силовой вход ключа 1.1 подсоединен к общей шине, при этом на управляющем входе модулирующего устройства установлен импульсный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с управляющим входом модулирующего устройства, каждая вторичная обмотка, число которых равно 2N, включена между затвором и стоком первого транзистора своего электронного ключа, причем начала и концы вторичных обмоток, относящихся к ключам 1.1...1.N, включены встречно началам и концам обмоток, относящихся к ключам 2.1...2.N.

20. Электронный ключ, содержащий первый и второй транзисторы, первый диод, при этом анод первого диода соединен с истоком первого транзистора, причем исток второго транзистора является входом электронного ключа, а сток второго транзистора является выходом электронного ключа, отличающийся тем, что в него введены второй диод, третий диод, стабилитрон, первый и второй резисторы и конденсатор, при этом катод второго диода соединен со стоком первого транзистора, а анод второго диода соединен с катодом первого диода и с одним из выводов первого резистора, второй вывод которого соединен с затвором второго транзистора, с одним из выводов конденсатора и третьего диода, вторые выводы которых соединены с истоком второго транзистора, при этом второй резистор подключен между истоком второго транзистора и затвором первого транзистора, анод стабилитрона соединен с входом ключа, а катод с выходом ключа, при этом первый транзистор, первый и второй диод и первый резистор образуют схему управления ключом.