4. Генераторы прямоугольных импульсов тока регулируемой длительности

4.1. Принципы построения генераторов импульсов регулируемой длительности

Задача создания генераторов прямоугольных импульсов тока регулируемой длительности (ГИТРД) сравнительно просто решается при исполь­зовании схем, работающих в режиме частичного разряда емкостных накопителей (рис. 4.1) [7]. Для коммутации тока нагрузки в таких устройствах используются мощные полностью управляемые ключи различных видов. При подключении С_н к нагрузке начинается разряд, причем ток разряда изменяется по экспоненциальному закону. Если затем ключ К отключается в момент времени t  _max, а _max << RC_н, в нагрузке возникает прямоугольный импульс, длительность фронта и среза которого определяются в основном параметрами ключа К, а величина спада плоской части тем меньше, чем больше значение С_н.

Рис. 4.1 Рис. 4.2

Недостатком таких генераторов является необходимость накопления в емкости С_н энергии, во много раз превышающей энергию, выделяемую в нагрузке за один импульс, что при отказе ключа приводит к тяжелым авариям.

В случае применения ФД запасаемая в них энергия при согласованном режиме работы равна энергии, выделяемой в нагрузке, хотя в этом случае появляются трудности, если возникает необходимость регулирования длительности импульсов. Из всех канонических схем ФД только ОИЛ позволяет обеспечить дискретную регулировку длительности импульса отключением части ячеек линии. Способ недостаточно удобен, но тем не менее регулярно встречается на практике несмотря на низкую оперативность процесса регулировки.

В тех случаях, когда требуется плавная регулировка длительности при оперативном ее изменении в процессе работы, может быть применена схема, приведенная на рис. 4.2 [16]. В этом случае используется симметричность структуры ОИЛ, которая с помощью двух полууправляемых ключей К₁ и К₂ подключается с одной стороны к нагрузке R, а с другой – к балласту R_бал = R. Изменяя моменты включения ключей К₁ и К₂, можно получить в нагрузке импульс, длительность которого _var будет меняться в пределах от 0 до _. При генерировании импульсов, длительность которых больше 0,5 , первым включается ключ К₁ и с определенной задержкой ключ К₂. Если ключи К₁ и К₂ замыкаются одновременно, длительности импульсов тока нагрузки и балласта будут иметь длительность 0,5 . При необходимости генерирования импульсов с длительностью первым включается ключ К₂, а затем ключ К₁. В общем виде

, (4.1)

где – относительное время задержки, определяемое временами включения ключей К₁ и К₂ ( и соответственно):

.

На рис. 4.3 приведен укороченный импульс тока нагрузки (кривая 1) и импульс тока балласта (кривая 2), полученные при разряде 10-звенной нор­мированной ОИЛ. Ключ нагрузки К₁ был включен в нулевой момент времени, а ключ балласта К₂ – в момент времени t = 0,2 с. Очевидным недостатком этого решения является низкий КПД, прямо пропорциональный дли­тельности импульса тока нагрузки:  = _var/_max.

Рис. 4.3

В тех случаях, когда в генераторе применен резонансно-диодный заряд линии, напряжение заряда и вместо балласта может быть использован источник зарядного напряжения Е (рис. 4.4) [17], [18]. Ненагруженный конец ОИЛ с помощью ключа с вентильной проводимостью VT2 подключается к источнику Е. Поскольку режим разряда линии на источник является согласованным (см. 3.8), в линии будут отсутствовать отраженные волны и процесс регулирования длительности импульсов будет аналогичен предыдущему. Длительность импульса нагрузки также определяется зависимостью (4.1). Однако в этом случае КПД процесса разряда близок к единице, поскольку происходит рекуперация неиспользованной энергии ОИЛ в источник ЭДС.

Рис. 4.4

На рис. 4.5 приведены импульс тока нагрузки (кривая 1) и импульс тока рекуперации (кривая 2), которые практически совпадают с импульсами на рис. 4.3, но при этом КПД процесса разряда   1.

Длительность импульсов, генерируемых ФД, также можно регулировать с помощью силового полностью управляемого ключа. Но такой способ возможен только для ФД 2-го рода и ОИЛ, у которых первая индуктивность вынесена к нагрузке, и при этом она шунтирована нулевым диодом (рис. 4.6).

Рис. 4.5

Д

Рис. 4.6

анный способ обычно применяют при рассогласованном режиме работы, когда . В этом случае после отключения тока нагрузки в ячейках ФД возникают затухающие колебания, в результате чего часть энергии выделяется в реактивных элементах ФД, имеющих конечное значение добротности, что снижает КПД генератора и ограничивает его частотные свойства.

В таком виде это схемное решение мало применимо на практике, но, как будет показано далее, в случае использования в качестве ФД ОИЛ с неуправляемыми вентилями, включенными последовательно с индуктивностями ячеек, удается реализовывать ГИТРД с высокими технико-экономическими показателями.

Особое место занимают ГИТРД с электронным дискретным регулированием длительности импульсов тока нагрузки за счет изменения числа ячеек ОИЛ, участвующих в процессе генерации. Это позволяет изменять длительность импульсов с пульта управления генератора непосредственно в процессе работы либо по команде оператора, либо с помощью системы управления.