Импульсный модулятор с полным разрядом накопителя

Функциональная схема импульсного модулятора приведена на рис.3.30.

Рис.3.30. Импульсный модулятор с полным разрядом накопителя и водородным трактом в качестве коммутирующего прибора

В модуляторе в качестве накопительного элемента используется неоднородное искусственная формирующая линия (ИФЛ). Коммутирующий элемент (водородный тиратрон) открывается внешним импульсом (), который определяет только момент начала разряда накопителя (рис.3.31.).

Форма и длительность импульса на выходе модулятора определяются параметрами искусственной формирующей линии (ИФЛ).

Длительность формируемого импульса

,

где - число звеньев формирующей линии ();

- параметры элементов одного звена.

Число звеньев формирующей линии определяется соотношением , где - требуемая длительность фронта импульса.

Рис.3.31. Эпюры напряжений на элементах импульсного модулятора

Параметры элементов линии определяются соотношениями , , где - сопротивление нагрузки, равное волновому :

.

Зарядный дроссель () совместно с ёмкостью ИФЛ образуют последовательный колебательный контур, благодаря которому обеспечивается заряд ИФЛ до удвоенного напряжения высоковольтного выпрямителя (рис.3.31.).

Зарядный диод (фиксирующий диод) препятствует саморазряду ИФЛ через источник питания (ВВВ) до прихода импульса запуска коммутирующего элемента, чем обеспечивается возможность изменения частоты запуска модулятора. Длительность модулирующих импульсов можно изменять, подключая то или иное количество звеньев.

Формирование импульса заканчивается при полном разряде накопителя через коммутатор или импульсный трансформатор (ИТ), которые согласует сопротивление нагрузки с волновым сопротивлением формирующей линии. В случае аварийной работы модулятора на несогласованную нагрузку (разряд ИФЛ с переразрядом см. рис.3.31. пунктиром) предусматриваются защитные цепи (диод на рис.3.30.).

Длительность заднего фронта модулирующего импульса определяется действием многих паразитных элементов в цепи разряда ИФЛ. Для улучшения формы импульса (гашения «хвоста» или колебательного разряда) применяются корректирующие цепи (диод ).

Форма импульса напряжения у модуляторов с полным разрядом накопителя несколько хуже, чем у модуляторов с частичным разрядом. Время подготовки к работе так же значительное (5….12 мин) и зависит, в основном, от времени на прогрев тиратрона.

Модуляторы с водородными тиратронами имеют ряд положительных качеств. Они просты по устройству, имеют высокий КПД, к форме импульса подмодулятора не предъявляет жестких требований, требуемая мощность подмодулятора сравнительно низкая.

Разработаны водородные тиратроны на напряжение до 160 кВ и токи до 6000 А, что позволяет проектировать модуляторы на мощности до 400 МВт. В таблице 3.1. приведены параметры некоторых отечественных водородных тиратронов.

Таблица 3.1.

С целью повышения мощности модулятора водородные тиратроны могут включаться последовательно или параллельно.

Тиристорные и тиристорно-магнитные импульсные модуляторы имеют лучшие эксплуатационные качественные показатели.

Тиристор – это полупроводниковый аналог тиратрона. Средний срок службы тиристоров свыше 10000 часов, а время подготовки к работе практически «мгновенное», поскольку не требуется предварительный разогрев. В настоящее время тиристоры используют при длительности импульсов от 0, 3 мкс до 100 миллисекунд, некоторые их типы способны коммутировать токи амплитудой до 10000 А. Параметры некоторых отечественных тиристоров приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2.

Упрощенная принципиальная схема тиристорного импульсного модулятора приведена на рис.3.32.

Рис.3.32. Упрощенная схема тиристорного импульсного модулятора

Поскольку тиристоры уступают водородным тиратронам по величине коммутируемого напряжения, то импульсный трансформатор должен иметь больший коэффициент трансформации, чем в модуляторах на тиратронах. Иногда используют последовательное соединение тиристоров, но это существенно усложняет схему их запуска и снижает эксплуатационную надежность модулятора.

В тиристорно-магнитных импульсных модуляторах тиристоры работают в существенно более легком режиме (рис.3.33.).

Рис.3.33. Упрощенная схема тиристорно-магнитного импульсного модулятора

Тиристор в данной схеме, как правило, работает во входных звеньях модулятора с относительно длинными импульсами тока и при сравнительно невысоком напряжении. В последующих звеньях тиристорно-магнитного импульсного модулятора с коммутирующими элементами на нелинейных индуктивностях , происходит сжатие импульсов по длительности и увеличение их по амплитуде.

Форма импульса тиристорных и тиристорно-магнитных импульсных модуляторов такая же, как и тиратронных. Серьезным недостатком тиристорных и особенно тиристорно-магнитных импульсных модуляторов является нестабильность временной задержки импульса на нагрузке относительно импульса запуска. Для уменьшения влияния этого явления применяются специальные устройства компенсации нестабильности временной задержки импульса (рис.3.34.).

Рис.3.34. Структурная схема устройства компенсации нестабильности временной задержки импульса

Принцип работы схемы компенсации поясним с помощью графиков эпюр напряжений на входах и выходах схемы рис.3.34.

Рис.3.35. Эпюры напряжений на элементах схемы компенсации

Линия задержки задерживает импульс запуска на эталонное время так, чтобы в случае идеальной работы модулятора совпадал с серединой импульса . Временной дискриминатор формирует напряжение , нуль которого совпадает с серединой импульса . В случае, если эталонно задержанный импульс совпадает с положительной частью напряжения , то управляемый элемент задержки уменьшает задержку импульса (см. рис.3.35.) и наоборот увеличивает время задержки, если совпадает с отрицательной частью напряжения . Таким образом, компенсируется нестабильность временной задержки модулирующего импульса тиристорно-магнитного модулятора.

В магнитном модуляторе (рис.3.36.) конденсатор и дроссель образуют последовательный колебательный контур с резонансной частотой, равной частоте питающей сети (как правило ).

Дроссель насыщается при достижении напряжения на конденсаторе пикового значения, после чего энергия конденсатора передается конденсатору через дроссель . Токи - токи подмагничивания дросселей , , и трансформатора .

Рис.3.36. Принципиальная схема магнитного импульсного модулятора

Так как в режиме насыщения индуктивность , а емкость , то время перезаряда может быть в несколько раз (до 10 раз) меньше периода повторения питающей сети. Отношение периода повторения сетевого напряжения ко времени перезаряда называется коэффициентом сжатия. Для получения необходимой для РЛС длительности модулирующего импульса при питании модулятора от сети частотой 400 Гц, как правило, требуется три-четыре каскада сжатия.

Магнитный импульсный модулятор является так же источником импульсов запуска для других систем РЛС.

Трансформатор служит для передачи модулирующего импульса на катод автогенератора . Поскольку амплитуда модулирующих импульсов составляет десятки кВ, то нить накала генератора (например, магнетрона) электрически связана с катодом. Две вторичных обмотки трансформатора необходимы для того, чтобы потенциал нити накала по высокому напряжению был одинаковы. Конденсаторы , служат для дополнительного выравнивания потенциала нити накала по высокому напряжению. Трансформатор формирует низковольтное напряжение питания нити накала генератора.

Магнитные модуляторы имеют высокую надежность и хороший КПД, не требуют источника питания постоянного тока, их недостатками являются невозможность вобуляции частоты повторения модулирующих импульсов, которая равна частоте питающей сети, а так же сравнительно плохая форма импульсов.