книги из ГПНТБ / Фогельсон, Т. Б. Импульсные водородные тиратроны

противлению формирующей линии, когда полностью сни­ мается обратное напряжение.

Необходимо напомнить, что полное снятие перезаря­ да с формирующей линии в условиях линейного заряда может привести к повторным отпираниям тиратрона, в силу того, что отсутствует задержка появления поло­ жительного напряжения, создаваемая рассогласованием. Если по каким-либо обстоятельствам применение линей­ ного заряда необходимо, следует сократить допустимую величину рассогласования, вводить соответствующее (увеличенное) сопротивление в цепь перезаряда или за­ держивать рост анодного напряжения путем применения нелинейного дросселя (см. рис. XI.2).

Крутизна фронта импульса тока при разряде форми­ рующей линии задается условиями анодной модуляции генератора, служащего нагрузкой модулятора. Для каж­ дого типа тиратрона существует предельно допустимая крутизна фронта тока. При большой крутизне фронта ток нарастает в период, когда напряжение иа разрядном промежутке еще достаточно высоко. Это ведет к росту коммутационных потерь в тиратроне, возможно искаже­ ние формы импульса тока, так как фронт импульса начи­ нает определяться не формирующей линией, а процесса­ ми развития разряда в тиратроне. Для уменьшения ком­ мутационных потерь и создания импульса неискаженной формы можно разделить во времени спад напряжения на тиратроне и крутой рост тока [93]. Такое разделение осуществляется включением дросселя с насыщающимся сердечником в разрядную цепь анода тиратрона взамен индуктивности первого звена формирующей линии.

Когда сердечник дросселя ненасыщен, дроссель об­ ладает большой индуктивностью и развитие разряда че­ рез тиратрон происходит при малом значении тока. В на­ сыщенном состоянии индуктивность дросселя не отли­ чается от индуктивности звена формирующей линии. Сколь угодно быстрый рост тока, происходящий при низ­ ком анодном напряжении, не вызывает значительных коммутационных потерь и фронт тока не искажается. На рис. XI.5 приведена форма тока и напряжения на тиратроне при включении нелинейного дросселя в цепь разряда.

В [108] дроссель с насыщающимся сердечником ис­ пользовался для получения наносекундных импульсов в схеме с тиратроном ТГИ1-500/16. Неискаженный импульс с длительностью фронта 30—40 нс и амплитудой 180А

190

был получен при амплитуде тока ненасыщенного дроссе­ ля («ток подготовки»), равном 10А, минимальное время задержки составляло 40 нс. Значительное снижение ком­ мутационных потерь позволило повысить крутизну фрон­ та импульса тока в пять раз по сравнению с но­ минальной.

Применение нелинейного дросселя в схеме с тиратро­ ном ТГИ1 -2000/35 позволило увеличить частоту повторе­ ния импульсов тока в 6 раз при предельно допустимой импульсной мощности.

Сеточная цепь линейного модулятора включает гене­ ратор поджигающего импульса ГПИ, переходную ем­ кость Сп, сопротивление утечки Ry и фильтр, защищаю­ щий ГПИ от перенапряжения, возникающего между ка­ тодом и сеткой в момент отпирания (рис. III. 1). Сеточ­ ная цепь должна быть построена таким образом, чтобы создать положительный импульс поджига и про­ пустить значительный ионный ток в деионизационный период.

Для ускорения вос­ становления электриче­ ской прочности тиратрона рекомендуется включе­ ние отрицательного сме­ щения на сетку (особен­ но при повышенной ча­ стоте повторения им­ пульсов). Отрицательное смещение можно осущест­ вить от источника по­ стоянного тока или вос­ пользоваться «автосме­ щением», т. е. разрядом переходной емкости Сп (расчет параметров цепи

сетки для этого процесса дан в гл. VI). Переходную ем­ кость Сп и сопротивление утечки Ry целесообразно вы­ бирать, исходя из условий получения оптимального автосмещения. Обычно емкость Сп находится в пределах

191

форматоре, создает выброс отрицательного напряжения на сетке, способствующий ускорению деионизации.

Генератор поджигающих импульсов. Напомним, что одним из главных преимуществ водородного тиратрона является его высокий коэффициент управления но им­ пульсной мощности (отношение полезной анодной мощ­ ности к мощности сеточного импульса находится в преде­ лах 5-103 — Ю4). Поэтому генератор 'поджигающих им­ пульсов представляет собой либо простую трех-четырех каскадную ламповую схему, на выходе которой стоит ка­ тодный повторитель, либо маломощный линейный моду­ лятор. Параметрами генератора поджигающих импуль­ сов являются: напряжение Ucи крутизна его нарастания

го замыкания генератора UcjRi).

Между генератором поджигающих импульсов и сет­ кой тиратрона средней и большой мощности реко­ мендуется помещать фильтр, защищающий ГПИ от пе­ ренапряжения на сетке, которое возникает в период раз­

■фильтр в цепи сетки не должен пропускать частоты свы­ ше 5 МГц. Обычно ставится П-образный фильтр ГфСф. Индуктивность Еф не должна существенно уменьшать скорость нарастания тока сетки, так как это приводит к росту запаздывания анодного тока по отношению к на­ пряжению сетки *.

Полное сопротивление сетки относительно катода включает емкость промежутка катод — сетка Ск_ с, со­ противление утечки Ry и внутреннее сопротивление гене­ ратора поджигающих импульсов Ri. Емкость промежут­ ка сетка — анод Са - с. благодаря малому расстоянию между этими электродами и их большой поверхности имеет сравнительно большую величину (у некоторых ти­ ратронов достигает 100 пФ). Полное сопротивление меж­ ду катодом и сеткой и емкость Са _ с образуют делитель напряжения. При большой скорости нарастания напря­ жения на аноде (высокая частота следования импульсов тока, специальные режимы группового включения тира­ тронов) на сетке тиратрона появляются паразитные им­ пульсы, которые могут вызвать его отпирание. В схеме,

* То же следует иметь в виду при применении импульсного трансформатора в отношении индуктивности его обмоток.

192

где резкие скачки напряжения на аноде неизбежны, нуж­ но уменьшать полное сопротивление промежутка ка­ тод— сетка либо снижением сопротивления Ry, либо включением параллельно ему большой емкости.

Применение импульсных тиратронов в некоторых спе­ циальных схемах. Помимо простейшей схемы линейного модулятора, описанной выше, существуют более слож­ ные устройства.' Одним из таких часто используемых устройств решается задача получения кодированного сигнала в виде серии импульсов, промежуток между ко­ торыми меньше времени восстановления электрической прочности тиратрона. В схеме, показанной на рис. XI.6 ,

Рис. XI.6. Включение двух формирующих линий на общую нагрузку.

используется поочередное включение двух формирую­ щих линий на общую нагрузку. Аноды тиратронов связа­ ны между собой через формирующие линии. В силу это­ го выходные импульсы, возникающие на нагрузке при включении одного тиратрона, передаются на анод вто­ рого тиратрона в виде импульса отрицательного напря­ жения. Приближение импульса одного тиратрона к дру­ гому может быть ограничено появлением обратного зажигания на неработающем тиратроне. Однако это отно­ сится лишь к очень малым расстояниям между импуль­ сами, так как деионизация анодной камеры протекает даже в самых мощных тиратронах за несколько микро­ секунд. Опасно, если отрицательный импульс напряже­ ния сопровождается пульсацией с переменой знака. То­ гда за счет емкости сетка — анод возможно появление положительного потенциала на сетке и паразитного от­ пирания тиратрона.

Для того чтобы этого избежать, в схемах, где не-

сколько формирующих линий включены на общую на­ грузку, необходимо, чтобы полное сопротивление между катодом и сеткой было минимальным. Можно рекомендо­ вать подключение, помимо сопротивления емкости, рав­ ной нескольким десяткам тысяч пикофарад. Емкость должна иметь минимальную собственную индуктивность и возможно меньшую индуктивность в участках присо­ единения к катоду и сетке. В таких схемах следует по­ вышать мощность сеточного импульса по сравнению с номинальной, так как значительная часть мощности расходуется на сопротивлении или емкости, включенных паралллельно промежутку катод — сетка.

Применение импульсных тиратронов в качестве за­ щитных диодов. В линейных модуляторах импульсные тиратроны применяются не только как коммутирующие приборы. Широко практикуется их использование в ка­ честве защитных диодов в цепи снятия перезаряда фор­

/ —цепь снятия перезаряда формирующей линям, II —цепь шунтирования полек жительного выброса импульсного трансформатора.

— коммутирующий тиратрон, Лч и Л1 —тиратроны в защитных цепях, Л3 —ге­ нераторная лампа, —ограничительное сопротивление.

тирующей выброс положительного напряжения импульс­ ного трансформатора [94, ПО]. В последнем случае за­ щитный диод может быть включен как параллельно нагрузке, так и параллельно первичной обмотке импульс­ ного трансформатора (II на рис. XI.7). В обоих цепях главными свойствами, которыми должен обладать при­ бор (помимо низкого внутреннего сопротивления при

194

прохождении импульса тока, определяющего его защит­ ные свойства), являются малое время отпирания (при­ бор должен включаться в период нарастания выброса напряжения) и высокая электрическая прочность при отрицательном напряжении на аноде. Более тяжелым является режим в цепи снятия перезаряда, когда отрицательное напряжение анода нарастает посте­ пенно и приложено к аноду в течение длительного вре­ мени. В цепи, шунтирующей выброс напряжения им­ пульсного трансформатора, напряжение нарастает за доли микросекунды и существует лишь в течение дли­ тельности основного импульса.

Большинство импульсных тиратронов рассчитаны на достаточно высокое отрицательное напряжение, чему способствует низкая проницаемость сетки. Что же ка­ сается малого времени отпирания, то здесь существен­ ную роль играют условия поджига тиратрона. Обычно для тиратрона, используемого в режиме защитного дио­ да, не требуется специального генератора поджигающе­ го импульса. Поджиг может осуществляться, например, за счет энергии, запасенной в конденсаторе, включенном между анодом и сеткой (Сп и С'п на рис. XI.7), заряд которого происходит одновременно с зарядом формирую­ щей линии. Для уменьшения времени развития разряда я защитном диоде следует увеличить ток поджига, он должен значительно превышать сеточный ток в режиме коммутирующего прибора.

XI.2. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ ТИ­ РАТРОНОВ

В ряде устройств увеличение импульсной мощности целесообразно осуществлять путем параллельного или последовательного включения группы тиратронов. В схе­ мах малой и средней мощности переход к более мощным тиратронам не всегда удобен из-за пониженных вибра­ ционных характеристик, необходимости принудительного охлаждения и других особенностей приборов большой мощности. Создание сверхмощных устройств вообще не­ осуществимо без группового соединения тиратронов, так как импульсная мощность в единице прибора огра­ ничена.

Параллельное соединение предпочтительнее последо­ вательного. Тиратроны в схемах параллельного включе­

ния работают более надежно, кроме того в схемах па­ раллельного включения удобно осуществить резервиро­ вание приборов.

Наиболее важно при параллельном включении полу­ чить равномерное распределение тока между приборами. Непосредственное соединение анодов тиратронов, как и других типов газоразрядных приборов, при параллель­ ной работе не применяется, поскольку отпирание одного из тиратронов приводит к снижению анодного напряже­ ния настолько, что остальные тиратроны вообще не от­ пираются.

Для равномерного распределения токов между ано­ дами тиратронов помещаются специальные трансформа­ торы или балансные дроссели, обмотки которых имеют равное число витков и включены в противофазе. На рис. XI. 8 дана схема включения двух тиратронов Л\

и Л 2. Принципиально число приборов, включаемых па­ раллельно, может быть больше. При отпирании одного из тиратронов и уменьшении напряжения на нем на ин­ дуктивности Le, включенной в анодную цепь, возникает ЭДС, препятствующая нарастанию тока и снижению на­ пряжения в общей точке А модулятора до отпирания второго тиратрона.

Отпиранию отстающего тиратрона способствует пере­ напряжение на его аноде, возникающее за счет связи встречных обмоток балансного дросселя La- Как упоми­ налось выше, в импульсных тиратронах промежуток

196

анод — сетка обладает значительной емкостью. При быстро растущем напряжении анода запаздывающего тиратрона на его сетке возникает положительный им­ пульс, амплитуда которого тем больше, чем больше сум­ марное сопротивление промежутка катод-сетка. Возни­ кающее перенапряжение на сетке ускоряет отпирание.

После отпирания тиратронов в обоих плечах дроссе­ ля устанавливаются равные токи, суммарный магнитный поток сердечника падает и сопротивление дросселя уменьшается. Балансный дроссель регулирует и распре­ деление тока между тиратронами. При увеличении тока через один из тиратронов повышается реактивное сопро­ тивление обмотки дросселя, включенного в его анодную цепь, и токи выравниваются.

Неравномерность в распределении тока при парал­ лельной работе тиратронов на коротких импульсах тока (доли микросекунды) определяется главным образом разностью во времени запаздывания ta, а при работе на длинном импульсе разностью в сопротивлении обмоток балансного дросселя.

Уменьшить неравномерность распределения тока, су­ ществующую за счет различия времени запаздывания Ьл, можно, используя в качестве индуктивности первого зве­ на формирующей линии дроссель с насыщающимся сердечником (подобно тому, как это описано в разд. XI. 1). В такой схеме процесс отпирания обоих ти­ ратронов и перераспределение тока между ними должны быть завершены до насыщения дросселя. После насыще­ ния амплитуда тока увеличивается, когда падение напря­ жения на обоих тиратронах мало.

Повышению равномерности распределения тока меж­ ду параллельно включенными тиратронами способствует питание сеток обоих тиратронов от общего мощного ге­ нератора поджигающих импульсов при соединении сеток через балансный дроссель. Такое включение значитель­ но уменьшает различие во времени момента отпирания тиратронов. Обеспечить одновременное отпирание тира­ тронов можно также при подключении поджигающих импульсов на сетку каждой из ламп через регулируемую линию задержки (JI3 на рис. XI.8 ).

Применяя параллельное включение тиратронов, сле­ дует помнить, что кратковременное перенапряжение су­ ществует на них во всех схемах включения. Поэтому при параллельной работе тиратроны должны работать при напряжении, меньше номинального.

197

жащий для равномерного распределения напряжения между тиратронами. Делитель следует делать компен­ сированным, учитывая, что параллельно R t включена емкость на землю накального трансформатора тиратро-

—делитель напряжения, JJ3 —регулируемая линия задержки сеточного импульса, ЛЛ—диод и цепи снятия перезаряда линии.

на Л2. Недостаток последовательного включения в том, что цепи накала катода и сеточного поджига тиратро­ на Ло должны иметь высоковольтную изоляцию.

Другой недостаток последовательного включения — существование кратовременного перенапряжения на од­ ном из тиратронов, равного двойному анодному напря­ жению. Для уменьшения амплитуды и длительности пе­ ренапряжения, возникающего на запаздывающем тира­ троне нужен синхронный поджиг тиратронов.

В [109] описана схема модулятора, в котором для увеличения коммутируемой мощности последовательно включается несколько формирующих линий с коммути­ рующими тиратронами (рис. XI. 10). Все линии заряжают­ ся параллельно через индуктивности £зар, служащие од­ новременно разделительными н зарядными дросселями для каждой линии. При отпирании тиратронов вдоль формирующей линии (плечо I) распространяется волна напряжения, и через некоторое время t — т/2 , где т — длительность импульса, импульс напряжения возникает на нагрузке.

Последовательно разряжающиеся на нагрузку фор­

198

мирующие линии позволяют увеличить напряжение на ней в п раз по сравнению с напряжением на одном тира­ троне (п — число линий).

Преимущество этой схемы перед обычной схемой по­ следовательного включения в том, что перенапряжение на отстающем тиратроне может возникнуть лишь в том

Рис. XI. 10. Схема умножения напряжения с двойными формирую­ щими линиями.

£-зар —зарядные и разделительные дроссели, В —выпрямитель, ГПИ —генератор

сеточных импульсов, —коммутирующие тиратроны, И —нагрузка, / —ком­

мутируемое плечо двойной формирующей линии; II —плечо двойной формирую­ щей линии.

случае, если разброс во времени запаздывания от тира­ трона к тиратрону превышает т/2. Так как для большин­ ства типов тиратронов нестабильность во времени запаз­ дывания не превышает нескольких десятых микросекун­ ды, то уже при длительности импульса свыше 1—2 мкс, перенапряжения на тиратронах в этой схеме не возни­ кают.

XI.3. ГЕНЕРАТОРЫ С УДАРНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ КОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА

199