Генератор высоковольтных импульсов

Техническое решение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для генерации коротких высоковольтных импульсов напряжения. Достигаемый технический результат - снижение количества радиоэлементов в устройстве и возможность изменения параметров высоковольтных импульсов напряжения на выходе генератора без изменения его схемы. Генератор высоковольтных импульсов содержит импульсный источник высоковольтного напряжения, переменный токоограничивающий резистор, электрически пробиваемый конденсатор с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками, конденсатор дифференцирующей цепочки и переменный резистор дифференцирующей цепочки. 4 ил.

 

Техническое решение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для генерации коротких высоковольтных импульсов напряжения.

Аналогом является генератор высоковольтных импульсов (Горошков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1988. - 176 с., с.136). Данное устройство содержит источник постоянного высоковольтного напряжения, потенциальный и общий выводы которого соединены соответственно с выводом питания и общим выводом цепочки последовательно соединенных транзисторов имеющих режим «лавинного» пробоя, выход цепочки последовательно соединенных транзисторов является выходом генератора, управляющий вывод цепочки последовательно соединенных транзисторов соединен с выходом управляющего генератора.

В качестве прототипа выбран генератор высоковольтных импульсов (патент РФ №2368069 от 20.09.2009). Данное устройство содержит импульсный источник высоковольтного напряжения, потенциальный и общий выводы источника высоковольтного напряжения соединены соответственно с выводом питания и общим выводом цепочек последовательно соединенных транзисторов, имеющих режим «лавинного» пробоя, одноименные выводы которых соединены параллельно между собой, выход цепочек последовательно соединенных транзисторов является выходом генератора, вход управляющего генератора соединен с управляющим выводом источника высоковольтного напряжения, выход управляющего генератора соединен с управляющим выводом n цепочек последовательно соединенных транзисторов, где n - натуральный ряд чисел от 1 до ∞. Значение n может равняться двум.

Представленная схема содержит большое количество радиоэлементов, требует точной подборки «лавинных» транзисторов по напряжению пробоя (±2,5 В) и для изменения параметров напряжения на выходе генератора требуется изменить его схему, в частности количество последовательно соединенных транзисторов имеющих режим «лавинного» пробоя.

Решаемая техническая задача - снижение количества радиоэлементов в устройстве и возможность изменения параметрами высоковольтных импульсов напряжения на выходе генератора без изменений его схемы.

Решаемая техническая задача в генераторе высоковольтных импульсов, содержащем импульсный источник высоковольтного напряжения, достигается тем, что в него введены переменный токоограничивающий резистор, электрически пробиваемый конденсатор с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками, конденсатор дифференцирующей цепочки и переменный резистор дифференцирующей цепочки, потенциальный вывод импульсного источника высоковольтного напряжения соединен с первым выводом переменного токоограничивающего резистора, общий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения соединен с вторым выводом электрически пробиваемого конденсатора с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками и со вторым выводом переменного резистора дифференцирующей цепочки, первый вывод электрически пробиваемого конденсатора с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками соединен со вторым выводом переменного токоограничивающего резистора и с первым выводом конденсатора дифференцирующей цепочки, второй вывод конденсатора дифференцирующей цепочки соединен с первым выводом переменного резистора дифференцирующей цепочки, второй вывод конденсатора дифференцирующей цепочки и общий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения являются выходами генератора высоковольтных импульсов.

На фиг.1 приведена структурная схема генератора высоковольтных импульсов; на фиг.2 приведена схема импульсного источника высоковольтного напряжения; на фиг.3 приведен график напряжения на потенциальном выводе импульсного источника высоковольтного напряжения; на фиг.4 приведен график напряжения на выходе генератора высоковольтных импульсов;

Генератор высоковольтных импульсов (Фиг.1) содержит импульсный источник высоковольтного напряжения 1, переменный токоограничивающий резистор 2, электрически пробиваемый конденсатор 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками, конденсатор дифференцирующей цепочки 4 и переменный резистор дифференцирующей цепочки 5, потенциальный вывод импульсного источника высоковольтного напряжения 1 соединен с выводом 6 переменного токоограничивающего резистора 2, общий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения 1 соединен с выводом 7 электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками и с выводом 8 переменного резистора дифференцирующей цепочки 5, вывод 9 электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками соединен с выводом 10 переменного токоограничивающего резистора 2 и с выводом 11 конденсатора дифференцирующей цепочки 4, вывод 12 конденсатора дифференцирующей цепочки 4 соединен с выводом 13 переменного резистора дифференцирующей цепочки 5, вывод 12 конденсатора дифференцирующей цепочки 4 и общий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения 1 являются выходами генератора высоковольтных импульсов, управляющий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения 1 не используется.

Импульсный источник высоковольтного напряжения 1 (Фиг.2) содержит источник постоянного низковольтного напряжения 14, ключ 15 с двумя положениями переключения, конденсатор 16, трансформатор 17 с магнитомягким сердечником, первичная обмотка которого содержит количество витков W₁, а вторичная обмотка количество витков W₂, (W₂>>W₁), цепочку последовательно соединенных диодов 18 (не менее десяти диодов). В исходном состоянии ключ 15 в нижнем положении и соединяет первый вывод конденсатора 16 с общим выводом источника постоянного низковольтного напряжения 14 и вывод 19 первичной обмотки трансформатора 17, общий вывод источника постоянного низковольтного напряжения 14 заземлен, в таком положении конденсатор 16 разряжен, второй вывод конденсатора 16 соединен с выводом 20 первичной обмотки трансформатора 17. Вывод 21 вторичной обмотки трансформатора 17 соединен с первым выводом цепочки последовательно соединенных диодов 18, вывод 22 вторичной обмотки трансформатора 17 заземлен и является общим выводом импульсного источника высоковольтного напряжения 1. Второй вывод цепочки последовательно соединенных диодов 18 является потенциальным выводом импульсного источника высоковольтного напряжения 1.

Генератор высоковольтных импульсов работает следующим образом. При замыкании ключа 15 в верхнее положение соединяются потенциальный вывод источника постоянного низковольтного напряжения 14 и первый вывод конденсатора 16 и конденсатор 16 начинает заряжаться через первичную обмотку трансформатора 17, из-за чего на вторичной обмотке трансформатора 17 возбуждается импульсное положительное высоковольтное напряжение, например длительностью 100 мкс и величиной, например, 4 кВ. Для устранения отрицательного импульсного высоковольтного напряжения, которое возникает при обратном замыкании ключа 15 в нижнее положение и разряде конденсатора 16, используется цепочка последовательно соединенных диодов 18. В рабочем состоянии в данной схеме постоянное высоковольтное напряжение отсутствует. Импульсное высоковольтное напряжение имеет малую длительность, например t_пит=100 мкс и присутствует только в момент запуска генератора. Импульсное высоковольтное напряжение через потенциальный вывод импульсного источника высоковольтного напряжения 1 через переменный токоограничивающий резистор 2 поступает к электрически пробиваемому конденсатору 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками и начинает его заряжать. В момент времени t_п, равенства напряжения U₂ на выводе 9 электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками с U_пк напряжением пробоя электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками происходит ожидаемый пробой зазора между обкладками. При этом наступление момента времени t_п, времени начала пробоя, можно регулировать путем изменения величины переменного токоограничивающего резистора 2. При наступлении пробоя электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками происходит быстрое изменение напряжения на выводе 11 конденсатора дифференцирующей цепочки 4. При этом на выводе 12 конденсатора дифференцирующей цепочки 4, который представляет собой выход генератора высоковольтных импульсов, возникает короткий высоковольтный импульс напряжения.

На фиг.3 приведен график напряжения U₁ на потенциальным выводе импульсного источника высоковольтного напряжения 1, U₂ напряжение на выводе 9 электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками, где, если напряжение U₂>U_пк (U_пк - напряжение пробоя электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками) в момент времени t_п происходит пробой зазора между обкладками. Момент времени t_п, времени начала пробоя, можно изменять путем изменения величины переменного токоограничивающего резистора 2. При этом напряжение пробоя U_пк электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками определяется величиной воздушного зазора. Напряжение пробоя воздушного зазора (сухой воздух, давление 1 атм.) между обкладками составляет 2 кВ/мм. График напряжения U₁ на потенциальным выводе импульсного источника высоковольтного напряжения 1 при отсутствии пробоя показан прерывистой линией.

На фиг.4 приведен график напряжения на выходе генератора высоковольтных импульсов. Например, длительность высоковольтных импульсов составляет t_имп=10 нс.

Таким образом, количество радиоэлементов в данной схеме генератора высоковольтных импульсов существенно меньше, чем в прототипе за счет отсутствия цепочек (например, три) последовательно соединенных транзисторов (например, необходимо 20 шт. для напряжения на выходе генератора высоковольтных импульсов 2 кВ) и управляющего генератора. Амплитуда формируемого импульсного высоковольтного напряжения зависит от напряжения пробоя электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками, что в свою очередь определяется величиной регулируемого воздушного зазора между его обкладками. Например, величина регулируемого воздушного зазора между обкладками конденсатора 2 может составить 0,5-2 мм, с шагом изменения 0,25 мм. Тем самым обеспечивается возможность изменения напряжения на выходе генератора высоковольтных импульсов с 1 кВ до 4 кВ с шагом 0,25 кВ, без изменений его схемы. Длительность формируемого импульсного высоковольтного напряжения зависит от величины сопротивления переменного резистора дифференцирующей цепочки 5, емкости электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками и емкости конденсатора дифференцирующей цепочки 4, которые определяют постоянную времени разряда $${\tau }_{ра{з}_1}:{\tau }_{раз}=(C_1+C_2)R_1$$ , где C₁ - емкость электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками, C₂ - емкость конденсатора дифференцирующей цепочки 4, R₁ - сопротивление переменного резистора дифференцирующей цепочки 5. Например, при C₁=C₁=100 пФ, R₁=50 Ом, τ_раз=10 нс; C₁=C₁=100 пФ, R₁=100 Ом, τ_раз=20 нс; C₁=200 пФ, C₂=100 пФ, R₁=50 Ом, τ_раз=15 нс. Таким образом, изменяя сопротивление переменного токоограничивающего резистора 2, можно изменять момент времени возникновения коротких высоковольтных импульсов на выходе генератора. Также изменяя сопротивление переменного резистора дифференцирующей цепочки 5, емкости электрически пробиваемого конденсатора 3 с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками и емкости конденсатора дифференцирующей цепочки 4 можно регулировать параметры (амплитуду и длительность) коротких высоковольтных импульсов на выходе генератора без изменений в его схеме.

Генератор высоковольтных импульсов, содержащий импульсный источник высоковольтного напряжения, отличающийся тем, что в него введены переменный токоограничивающий резистор, электрически пробиваемый конденсатор с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками, конденсатор дифференцирующей цепочки и переменный резистор дифференцирующей цепочки, потенциальный вывод импульсного источника высоковольтного напряжения соединен с первым выводом переменного токоограничивающего резистора, общий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения соединен с вторым выводом электрически пробиваемого конденсатора с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками и со вторым выводом переменного резистора дифференцирующей цепочки, первый вывод электрически пробиваемого конденсатора с изменяемой величиной воздушного зазора между обкладками соединен со вторым выводом переменного токоограничивающего резистора и с первым выводом конденсатора дифференцирующей цепочки, второй вывод конденсатора дифференцирующей цепочки соединен с первым выводом переменного резистора дифференцирующей цепочки, второй вывод конденсатора дифференцирующей цепочки и общий вывод импульсного источника высоковольтного напряжения являются выходами генератора высоковольтных импульсов.