Импульсные модуляторы с накоплением энергии.

Импульсные модуляторы с накоплением энергии являются импульсными управляемыми источниками питания мощных каскадов передатчика, работающих с большой скважностью. В режиме молчания модуляторы накапливают энергию в течение времени ( ) и далее накопленная энергия в течение частично или полностью отдается генераторному каскаду. Такой способ построения импульсных модуляторов позволяет рассчитывать первичные источники питания на средние токи потребления, которые значительно меньше импульсных токов потребления, а это, в свою очередь, минимизирует массогабаритные показатели источников питания мощных каскадов передатчика и радиолокационной системы в целом.

Обобщенная схема импульсного модулятора (ИМ) с накоплением энергии представлена на рисунке

Расшифровка сокращений: ИП – первичный источник питания; «Зар.устр.»- зарядное устройство; «Накоп.Энергии» – накопитель энергии; «Электр.упр.ключ» – электронно управляемое ключевое устройство; «Нагрузка» – генераторный каскад, в котором осуществляется импульсная модуляция.

Разнообразие импульсных модуляторов обусловлено разнообразием накопителей энергии и способами их заряда, разнообразием электронно управляемых ключей и способов управления ключами. В ГВВ, использующих АЭ с правыми проходными характеристиками (ГВВ на биполярных и полевых транзисторах) роль электронно-управляемого ключа играет сами АЭ ГВВ.

Накопители энергии импульсных модуляторов.

Из рисунка обобщенной структурной схемы импульсного модулятора (ИМ) видно, что он имеет две условно самостоятельные цепи: цепь заряда накопителя, образованную ИП, зарядным устройством и накопителем энергии, и цепь разряда накопителя, образованную накопителем энергии и нагрузкой.

В зарядной цепи электрический процесс протекает относительно медленно. В течение длительного интервала времени происходит накопление энергии. Накопленной энергии должно быть достаточно для работы ГВВ. В разрядной цепи процесс передачи накопленной энергии в нагрузку, т.е. генератору, происходит в сотни - тысячи раз быстрее.

В качестве накопителей энергии в импульсных модуляторах могут использоваться конденсаторы постоянной емкости, соленоиды, искусственные и естественные длинные линии.

Конденсаторы накапливают электрическую энергию. Величина накопленной конденсатором энергии определяется отношением

,

где С – емкость конденсатора, - напряжение на конденсаторе.

Соленоид накапливает магнитную энергию. Величина накопленной соленоидом энергии связана с током, протекающим по соленоиду, соотношением

,

где L – индуктивность соленоида, - ток, протекающий по соленоиду.

Длинные линии могут являться накопителями как электрической, так и магнитной энергии. В импульсных модуляторах чаще используются искусственные длинные линии.

Разновидности искусственных длинных линий.

Длинная линия лестничного вида. Она по своему виду напоминает ФНЧ.

Из-за медленно текущего процесса заряда индуктивности линии не оказывают заметного влияния на процесс заряда. К концу заряда линия накапливает электрическую энергию

.

Эта энергия равномерно распределяется по «длине» линии.

Аналогично ведет себя длинная линия, образованная параллельным соединением последовательных контуров. В этой длинной линии ее индуктивности также не оказывают влияния на процесс заряда.

Запасенная в линии энергия определяется аналогичной формулой

Длинная линия, образованная последовательным соединением параллельных контуров. Этот тип длинной линии, запасает не электрическую, а магнитную энергию.

Величина накопленной энергии определяется током, протекающим по катушкам индуктивности. В процессе заряда ток линейно нарастает.

.

Напряжение, которое развивается на катушках индуктивности из-за медленности процесса нарастания тока ничтожно мало и накопленной в конденсаторах энергией можно пренебречь.

Принято объединения именовать ячейками длинной линии. Волновым сопротивлением длинной линии является величина .

Чем больше ячеек имеет длинная линия, тем сильнее она приближается к естественной длинной линии. Каждая ячейка имитирует погонные индуктивность и емкость ДЛ.

Естественные длинные линии на практике применяются весьма редко из-за своей громоздкости.

Разряд накопителей энергии.

В процессе разряда накопителя вся или часть накопленной энергии отдается в нагрузку. Частично разряжаются конденсаторы и соленоиды. Процесс заряда и разряда этого типа накопителей, также вид формируемых модулирующих ГВВ импульсов показан на рисунках.

Конденсатор передает нагрузке часть накопленной энергии, которая составляет величину

.

Аналогично ведет себя соленоид. Он тоже передает нагрузке часть накопленной энергии, которая составляет величину

.

Отдаваемая в нагрузку энергия должна быть достаточной для нормального функционирования генераторного устройства. Энергия, которую ГВВ преобразует ВЧ энергию, связаны соотношением

,

где - электронный КПД ГВВ.

Между энергией, отдаваемой накопителем в нагрузку, и энергией, необходимой для генерирования ВЧ мощности, должно существовать равенство вида

,

где - КПД разрядной цепи. Потери при разряде в основном обязаны своим появлением потерям в ключевом устройстве. При идеальном ключевом устройстве .

В случае использования емкостного накопителя указанное равенство преобразуется к виду

и при известных требованиях к модулирующему импульсу позволяет рассчитать емкость накопителя

.

В приведенном соотношении - напряжение источника питания, - абсолютная величина скола. Кпд разрядной цепи определяется выбором ключевого устройства.

Аналогично можно получить формулу для расчета индуктивности соленоида.

В отличие от накопителей типа конденсатора или соленоида длинная линия разряжается полностью. На этапе разряда длинная линия лестничного типа представляется источником напряжения с внутренним сопротивлением . При идеальном ключе цепь разряда можно представить в виде, представленном на рисунке.

Напряжение на линии зависит от способа ее заряда и при ее разряде оно сохраняется неизменным. Длительность разряда линии зависит от параметров ячейки и их числа

.

В момент замыкания ключа напряжение на внешних выводах линии изменяется. Если выполнено условие согласования и , оно падает ровно в два раза и удерживается на этом уровне до полного разряда линии в течение . По окончании разряда напряжение скачком падает до нуля. При этом на нагрузке формируется прямоугольный импульс. Длительность фронтов будет тем меньше, чем больше ячеек использовано в длинной линии, т.е. чем ближе она приближается к естественной длинной линии.

В случае рассогласованного состояния линии с нагрузкой картина меняется. Характер этих изменений показан на рисунках. Меняется также и форма сформированного модулирующего импульса. Для решения согласования ГВВ с длинной линией в состав модуляторов вводят импульсные трансформаторы.

Требуемое значение суммарной емкости длинной линии лестничного типа можно получить из равенства энергий .

.

Увеличивая число n и уменьшая значение емкости С можно выполнять ДЛ с разным числом ячеек, но одинаковым волновым сопротивлением

.

Способы заряда накопителей энергии

Каждый тип накопителя имеет свои характерные способы заряда. Мы остановимся на способах заряда наиболее часто используемых типах накопителей энергии: конденсаторе постоянной емкости и длинной линии лестничного типа.