3.4. Двойная длинная линия
При работе в согласованном режиме напряжение на нагрузке ЛРП всегда в два раза меньше напряжения заряда этой линии, т. е. Uн=E/2. В высоковольтных установках это может быть существенным недостатком либо когда напряжение зарядного устройства недостаточно, либо когда рабочие напряжения применяемых конденсаторов находятся в диапазоне E > UС > Uн.
Использование одной линии в этом случае не представляется возможным, и тогда заслуживает внимания схема применения двух линий, разряжающихся на сопротивление нагрузки R, равное двойному волновому сопротивлению линий. Двойная линия позволяет осуществить формирование прямоугольного импульса напряжения с амплитудой, равной не половине зарядного напряжения, а полному зарядному напряжению E линий [4].
Схема двойной формирующей линии
представлена на рис. 3.11. Здесь две
совершенно идентичные линии
и
с одинаковым волновым сопротивлением
и одинаковой длины
l заряжаются до одинакового напряжения
Е. Сопротивление нагрузки R = 2
включено между двумя точками линий,
находящимися при одинаковых зарядных
напряжениях.
Рис.
3.11
Рассмотрим процессы, возникающие в
линиях после того, как ключ К отключит
линии от зарядного устройства и замкнет
накоротко левый конец линии
(рис. 3.11). В дальнейшем напряжения и токи
в линии
будем обозначать одним штрихом, а в
линии
– двумя штрихами (рис. 3.12). Начальные
условия для обеих линий, соответствующие
моменту t = 0
переключения ключа К:
;
(рис. 3.12, а).
Рис.
3.12
После замыкания ключа К напряжение на
левом конце линии должно стать равным
нулю. Для удовлетворения этого граничного
условия вдоль линии начинает
распространяться падающая волна
напряжения
(рис. 3.12, б),
с которой связана волна тока
.
По мере распространения падающей волны
напряжение в различных точках линии
становится равным нулю. В момент времени
напряжение на всей линии
равно нулю, но в линии протекает ток
(рис. 3.12, в).
До этого момента напряжение на линии
и на сопротивлении R
оставалось
неизменным:
– на линии
и
– на сопротивлении R.
В момент
,
когда волна
достигнет правого конца линии
,
возникают отраженная волна
,
падающая волна
и связанные с ними волны тока
и
,
амплитуды которых определяются граничным
условием
, так как
.
Поскольку нагрузка
не является распределенной системой,
а представляет собой сосредоточенное
сопротивление R,
то ток
,
протекающий через правые зажимы линии
,
а также и ток
,
протекающий через левые зажимы линии
,
в любой момент времени равны току
нагрузки
.
В свою очередь, напряжение нагрузки
в любой момент времени равно разности
напряжений на рассматриваемых зажимах
линий, т. е.
.
Исходя из этого, можно составить следующие
уравнения для определения волн напряжений
и токов:
; (3.11)
.
(3.12)
Так как волна
известна, то, решив уравнения (3.11) и
(3.12) относительно
и
,
с учетом соотношений
,
,
найдем
;
;
.
Распределение напряжения и тока вдоль линий в момент времени t > l/v показано на рис. 3.12, г.
Волны
и
,
достигнув концов линии, отражаются, в
результате чего через время
по линиям начинают распространяться
волны:
;
.
Такой характер волн
обязан короткому замыканию на конце
линии
и
разомкнутому концу на линии
.
В результате распространения волн
и
(рис. 3.12, д)
напряжение на обеих линиях будет
становиться равным нулю. В момент времени
напряжения и токи на линиях и в нагрузке
станут равными нулю. Таким образом, в
течение времени
в нагрузке действует импульс
напряжения
.
Тем не менее следует отметить, что искусственные двойные длинные линии на практике применяются редко как из-за их конструктивной сложности, так и из-за того, что импульсы тока или напряжения нагрузки имеют худшую форму по сравнению с импульсами, генерируемыми обычными ФД. На рис. 3.13 для сравнения приведены нормированные импульсы тока одинаковой амплитуды, полученные при одной и той же нагрузке в одном случае с помощью пятизвенной ОИЛ (рис. 3.14), заряженной до напряжения Е (кривая 1), а в другом – с помощью искусственной двойной линии, состоящей из двух пятизвенных ОИЛ, заряженных до напряжения E/2 (кривая 2).
И
Рис.
3.13
Рис.
3.14
Рис.
3.15
отметить, что схема, приведенная на рис. 3.14, на практике встречается крайне редко, поскольку нагрузка высоковольтных импульсных генераторов обычно требует заземления одного из зажимов, а применяемые в высоковольтных генераторах управляемые вакуумные или газонаполненые вентили имеют подогревной катод и цепи управления, находящиеся на потенциале катода. В связи с этим рекомендуется использовать в генераторах с двойной формирующей линией схему, приведенную на рис. 3.15, где и катод коммутирующего прибора, и нагрузка находятся на потенциале земли.