Скачать презентацию ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ При АТ длительности посылок импульсов и
17_Импульсная модуляция.ppt
- Количество слайдов: 26
ИМПУЛЬСНАЯ МОДУЛЯЦИЯ При АТ длительности посылок импульсов и длительности пауз соизмеримы. В импульсных передатчиках АЭ вырабатывает короткие импульсы ВЧ колебаний, разделённые большими интервалами времени. Импульсные передатчики широко применяются для целей радиолокации и радионавигации. Используются импульсы с длительностью tи от долей микросекунды до нескольких микросекунд (мкс) и периодом повторения ТП 1000 tи. Обобщённая структурная схема импульсного радиопередатчика радиолокационной станции (РЛС) представлена на рис. К индикаторному устройству От синхронизатора РЛС Подмодулятор Модулятор ВЧ генератор (АГ) Рис. Источники питания В простых импульсных передатчиках ВЧ генератор, как правило, автогенератор, модулируется прямоугольными импульсами, поступающими от модулятора. 1
Модулятор запускается импульсами с подмодулятора, на вход которого поступают импульсы от синхронизатора, обеспечивающего синхронизацию работы узлов РЛС. ВЧ генератор в сантиметровом диапазоне выполняют на магнетроне, а в метровом и дециметровом диапазонах – на электронных лампах. В генераторах на магнетронах и на электронных лампах в основном применяется анодная модуляция. Модулирующий сигнал – (в идеале) прямоугольные импульсы амплитудой Е (видеоимпульсы). Реальная форма видеоимпульса отличается от прямоугольной (см. рис. ). Основными параметрами импульса, помимо длительности t. И, частоты следования F и амплитуды Е, являются также длительности фронта t. Ф, спада t. СП, нестабильность на вершине (спад вершины) ΔЕ. Часто под длительностью импульса понимается время t, определяемое на уровне, соответствующем половине амплитуды 0, 5 Е. +ΔЕ τИ Е видеоимпульсы 0, 9 E τИ t T –ΔЕ E 0, 5 E 1/f 0, 1 E UМ t радиоимпульсы τФ τИ τСП Рис. Видеоимпульс ВЧ генератор излучает радиоимпульсы, частота заполнения этих импульсов f, 2 амплитуда ВЧ колебаний UМ.
Большие значения t. Ф, t. СП и нестабильности напряжения ΔЕ на вершине модулирующего импульса отражаются на частоте автоколебаний (если модулируется АГ) и мощности во время генерирования радиоимпульса. Обычно допускается длительность фронта t. Ф=(0. 1 -0. 2) t. И, t. СП=(0. 2 -0. 3) t. И, относительная нестабильность импульса на вершине при модуляции ламповых АГ и при модуляции магнетронных генераторов. Длительности радиоимпульса t. РИ , а также его фронта t. РФ и спада t. РСП всегда получаются короче соответствующих параметров видеоимпульса. Это обусловлено тем, что колебания в ламповом АГ и магнетронном генераторе, начинаются после достижения определённого напряжения на аноде. Длительности фронта t. РФ и спада t. РСП радиоимпульса определяются скоростью нарастания и затухания ВЧ колебаний в колебательной системе (авто)генератора. Обычно на практике длительность видеоимпульса выбирают в пределах t. И (1. 05 -1. 1) t. РИ. Работа передатчика короткими импульсами заметно расширяет занимаемую им полосу частот, которая колеблется от сотен к. Гц до единиц МГц. Наименьшая и наибольшая длительности импульсов в однокаскадных генераторах 3 ограничиваются рядом условий.
1. При увеличении длительности импульсов пропорционально сокращается полоса спектра частот, в которой заключена основная мощность. И для снижения уровня шумов нужно уменьшать и полосу пропускания приёмного устройства. Это повышает требования к стабильности частоты передатчика и к форме видеоимпульсов. 2. При очень коротких импульсах время нарастания амплитуды ВЧ колебаний, и время ее спада становятся сравнимыми с длительностью импульса. Это приводит к искажению формы импульса и к уменьшению средней мощности, развиваемой генератором. Наиболее выгодные длительности импульсов укорачиваются с уменьшением рабочей длины волны. В радиолокации и при других применениях наиболее широко используют микросекундные длительности импульсов (0, 1… 10) мкс. При таких длительностях импульсов используются однокаскадные ВЧ генераторы, что существенно упрощает схему передатчика. Для радиолокации с большой дальностью действия (тысячи км) применяются радиопередатчики, работающие с длинными (миллисекундными) импульсами со скважностями S=(5 – 40), которые представляют мощные многокаскадные устройства с выходными каскадами на клистронах или ЛБВ. Им предшествуют маломощные, но сложные возбудители с высокостабильным задающим генератором и последующим умножением частоты в нескольких каскадах. Для радиолокации малой дальности, но очень высокой разрешающей способности как по дальности, так и по углам, применяются радиопередатчики, работающие 4 наносекундными импульсами.
Режим АЭ при ИМ описывают импульсными значениями IВЫХ И, РВЫХ И и др. , а также средними IВЫХ СР, РВЫХ СР и др. Мощность в импульсе высокочастотного генератора где Roe – эквивалентное сопротивление выходной колебательной системы. Средняя мощность, излучаемая передатчиком за время повторения импульсов, Величину = 1/S коэффициентом заполнения. называют скважностью, а обратную величину q Средняя мощность определяет тепловой режим РПУ с ИМ при той же длине линии связи имеют значительно меньшие габариты, чем РПУ с АМ или ЧМ. Большая импульсная мощность и маленькая средняя мощность накладывают резкий отпечаток на конструкцию и условия работы импульсных передатчиков большой мощности. 5
С одной стороны, малая средняя мощность позволяет применять сравнительно маломощные и малогабаритные источники питания, а также позволяет рассчитывать передатчик на малые средние мощности, рассеиваемые на анодах ламп. С другой стороны, большие мощности, развиваемые в течение коротких длительностей импульсов, требуют применения очень высоких напряжений и больших токов во время импульса. Например, номинальная мощность лампы в импульсном режиме может быть в 100… 1000 больше, чем в непрерывном. В мощных импульсных передатчиках, как правило, применяют специальные импульсные генераторные и модуляторные лампы, рассчитанные на большую эмиссионную способность катода и на работу при больших анодных напряжениях и, в то же время, на сравнительно малую мощность рассеяния на аноде. Буферны й каскад Генератор f 0 Импульсны й t 1 модулятор Формирователь импульсов t 1 Модулируемые каскады f 0 f 0 t 1 t. И Задержк а t. И t 1 ФИ t. И ИМ t 1 > t. И Структурная схема импульсного передатчика t. И – формируется в выходном каскаде. В промежуточных каскадах импульсы t 1 > t. И и с опережающим фронтом. ИМ можно реализовать, запирая входной электрод АЭ на время паузы и открывая его импульсным напряжением от модулятора на время t. И. 6
Высокое напряжение действует на электродах АЭ непрерывно, что снижает электропрочность и импульсную мощность. Достоинство в маломощном модуляторе. ИМ можно получить включая на время t. И источник высокого напряжения к АЭ и отключая его на время паузы. К При этом ИП должен быть рассчитан на импульсные ИП АЭ значения Р 0 И, что невыгодно. Поэтому применяют накопитель энергии (НЭ). Когда К разомкнут, мощность ИП поступает в накопитель энергии. На время t. И коммутатор К замыкается и АЭ получает мощность не от ИП, чему препятствует RОГР К АЭ ИП НЭ RОГР, а от НЭ. При этом: Р 0 СР = Р 0 И/S – мощность источника, S-скважность. На практике используется только этот вариант. ИМПУЛЬСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ Модуляторы отличаются типом коммутатора К и накопителем энергии НЭ. Коммутаторы. Коммутатор пропускает большие мощности и поэтому должен иметь малые потери и быть безынерционным. Для коммутации применяют электронные лампы, ртутные и водородные тиратроны, тригатроны (дугов. разряд), тиристоры, транзисторы, нелинейные индуктивности и т. п. Два вида модуляторов: с “жесткими” (лампы, транзисторы) и “мягкими” (тиратроны, тиристоры и др. ) коммутаторами. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки. 7
Лампы практически безынерционны, могут управлять не только отпиранием, но и запиранием тока, поэтому НЭ используется в режиме частичного разряда, допускается работа с переменными t. И и TП. Имеются модуляторные лампы на напряжение до 60 к. В и токи в сотни ампер, что позволяет коммутировать мощность больше 10 МВт. Недостатки: около 10 15% мощности теряется на аноде лампы, предъявляются жесткие требования к форме входного импульса при сравнительно большой его мощности. Рабочую точку коммутаторной лампы во время открывающего импульса выбирают вблизи линии критических режимов, то есть в области перегиба импульсных статических ВАХ анодного тока (точка А, рис. ) i. А I е. С МАКС С А В 0 e. А ОСТ Рис. e. А Точка В соответствует меньшему значению напряжения на сетке модуляторной лампы. Однако при этом увеличивается остаточное напряжение на аноде коммутаторной лампы, что приводит к низкому значению КПД процесса разряда. Точка С лежит в области ПР режима и выгодна (минимум потери напряжения на аноде), но при этом существенно возрастают требуемая амплитуда входного импульса и его мощность за счёт большего значения сеточного тока. Увеличение мощности входных импульсов приводит к увеличению мощности, рассеиваемой на сетке модуляторной лампы и, соответственно, к увеличению её разогрева. 8
Необходимая амплитуда управляющих импульсов где Е/С – напряжение, необходимое для запирания модуляторной лампы в промежутках между импульсами. Остаточное напряжение на аноде модуляторной лампы е. А ОСТ составляет сотни вольт и может доходить до 1 – 2 киловольт. Разработан прибор “инжектрон” позволяющий коммутировать цепи напряжением до 300 к. В и ток до 300 А. При этом потери на аноде 10%, а IВХ=1… 2% выходного, что значительно снижает входную мощность. Среди “мягких” коммутаторов выделяются водородные тиратроны на токи до 5000 А и напряжение до 80 к. В, т. е. мощность до сотен МВт. Но они только замыкают ключ, размыкая его при полном разряде НЭ. Потери в тиратроне малы, требования к поджигающему импульсу (к его форме) некритичны (важна лишь крутизна фронта). Недостатки водородных тиратронов: большое время деионизации (около 10 мкс). Тиристоры: напряжение до 2 к. В, токи до 1500 А, но они более инерционны. Нелинейные индуктивности (Др и Тр) обладают высокой надежностью и практически неограниченным сроком службы, позволяют коммутировать мощности до единиц МВт. Накопители энергии. • Конденсаторы: наиболее простой НЭ. Модуляторы с емкостным НЭ имеют высокий КПД только при частичном разряде емкости, поэтому необходимо применять 9 «жесткий» коммутатор.
• Индуктивный НЭ: способен существенно повышать напряжение, поэтому используется при низковольтных источниках питания. • Отрезки длинных линий и их эквиваленты применяют как НЭ с «мягкими» коммутаторами, т. к. при полном разряде они создают на нагрузке импульс U, близкий к прямоугольному. ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР НА «ЖЕСТКОЙ» ЛАМПЕ R 1 +EП U + АЭ С R 2 UСМ СП 1 RАЭ CП 2 IОИ R 1 – ограничивает ток заряда. R 2 – замыкает цепь заряда. Сп 1, Сп 2 – паразитные емкости, (<< С), они влияют на tф и t. СП импульса. -EСМ Для получения плоской вершины применяют частичный разряд С, и его емкость выбирают так, чтобы постоянная времени цепи разряда С·RАЭ была значительно больше t. И. Более жесткие требования к постоянству Е предъявляют при модуляции АГ, т. к. вариации Е приводят к нестабильности f. В генераторах на ЛОВ типа М изменение Е на 1% изменяет f приблизительно на ту же величину и требуется обеспечить Е/Е<0. 01. В магнетронах Е/Е<0. 015, иначе появляются дополнительные паразитные АМ и 10 ЧМ, и падает КПД.
ηЗ =WC/WИП – КПД модулятора при заряде WС – энергия (W), запасенная в емкости (С); WИП – энергия, отданная источником питания. Часть энергии теряется на сопротивлениях R 1 и R 2 (их надо уменьшать). WС=0. 5 C(U 2 MAX-U 2 MIN) WИП =ЕП C(UMAX-UMIN) ηЗ =UСР/ЕП, где UСР =0. 5 (UMAX+UMIN) - среднее напряжение на емкости. Чем ближе UСР к ЕП , тем выше КПД ηЗ заряда. При полном разряде конденсатора UMIN=0 и ηЗ <0. 5 т. к. UMAX< ЕП. КПД при разряде: ηР =Р 0/(РС+РИП) Р 0 – мощность, потребляемая нагрузкой модулятора (АГ) РС - мощность, отдаваемая емкостью РИП – мощность отдаваемая ИП. e. MIN – остаточное напряжение на аноде АЭ модулятора во время импульса. Для повышения ηР необходимо увеличивать R 1, R 2, что противоречит ηЗ. Для получения высоких ηЗ и ηР рекомендуется выбирать R 1=R 2=(10… 20)RАЭ. При e. MIN=(0. 1… 0. 2)Е; ηР=0, 8; а ηМОД=ηЗ·ηР =0, 7 – общий КПД модулятора. 11
UН ΔUC UC МАКС UC МИН τИ а UC t UC МИН = UC 0 (T – τИ) τИ UC МАКС t б Форма импульса напряжения на нагрузке UН и изменение напряжения на накопительной ёмкости UC Достоинством импульсных модуляторов с частичным разрядом накопительной ёмкости является возможность получения формы импульсов, близкой к прямоугольной и устойчивой к изменениям нагрузочного сопротивления RАЭ (к изменениям режима работы генератора). Кроме того, при малом значении ΔUС они имеют высокий ηЗ процесса заряда. Недостатком модуляторов с частичным разрядом ёмкости является необходимость осуществления коммутатором не только замыкания, но и размыкания разрядной цепи. То есть в качестве коммутатора могут быть только электронные лампы, которые должны пропускать большие токи. Из за большого Rвнутр электронных ламп снижается КПД процесса разряда накопительной ёмкости. Кроме того, для управления коммутаторными лампами на их управляющие сетки должны подаваться импульсы большой амплитуды и хорошей прямоугольной формы. Это существенно усложняет конструкцию подмодулятора. 12
ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР НА «МЯГКОЙ» ЛАМПЕ В качестве «мягкого» коммутаторного устройства применяются газоразрядные приборы, чаще всего водородные тиратроны. Их преимущества: а) малое падения напряжения при газовом разряде; б) возможность пропускания очень больших токов разряда; в) более простые требования к управляющим импульсам. При полном разряде накопительной ёмкости коммутатор не размыкает цепь разряда до полного прекращения тока в ней. Форма импульса напряжения на нагрузке получается экспоненциальной. Этот недостаток можно устранить путём применения в качестве накопителей энергии искусственных линий. При этом сохраняются все преимущества использования полного разряда. Применение линий обусловлено возможностью получения прямоугольных импульсов при разряде разомкнутого отрезка длинной линии длиной ℓ, заряженного до напряжения U 0 , на активное сопротивление RН , равное волновому сопротивлению линии Z 0. Величина напряжения на нагрузке равна U 0/2, а линия разряжается в течение времени где v – скорость распространения электромагнитных волн в линии. Время разряда t определяет длительность импульса на нагрузке. В начале процесса разряда отрезка линии напряжение U 0 делится пополам между 13 волновым сопротивлением линии Z 0 и согласованной нагрузкой RН = Z 0.
Д 1 LЗ C 0 +Е L Д 2 С L С L С w 0 tзар=p ИЛ Т СР UУПР ИТ R КЛ Катод СК RК М Выход Анод ИЛ – разомкнутый отрезок длинной линии, ведет себя как ёмкость. Т – тиратрон (активный элемент коммутатора), КЛ- коаксиальная линия. В паузе Т заперт, ИЛ накапливает энергию. UУПР отпирает тиратрон. ИЛ разряжается отдавая энергию в нагрузку (АЭ-М) (тиратрон эквивалентен тиристору). ИЛ разряжается полностью от Umax до Umin=0. ИЛ ведет себя как конденсатор во время заряда (С 0) через индуктивность LЗ и формирует прямоугольный импульс напряжения при разряде. КПД цепи разряда стремится к 1, если Uсред Еп, а для Umin=0 это значит Umax 2 Еп. Реализовать такое напряжение можно, если использовать особенности переходного процесса при подключении источника ЕП=const к последовательному контуру LЗС 0 – резонансный заряд. r=w 0 LЗ=1/ w 0 C 0 d=r/r 14
Umax 2 Еп w 0 tзар=p Д 1 C 0 +Е L L L Д 2 С LЗ С С L С ИЛ Т СР UУПР ИТ R КЛ Катод СК Выход RК М Анод 15
UИЛ или UC 2 E E t i. З t 1/2 FСОБСТ = ТСОБСТ /2 Рис. временные диаграммы изменения напряжения на ИЛ и тока заряда Зарядный ток достигает максимума в момент, когда UИЛ становится равным Е. Запасённая в индуктивности LЗ энергия после этого продолжает заряд конденсатора (ИЛ), а сам зарядный ток уменьшается, поддерживаясь за счёт ЭДС самоиндукции. При этом напряжение UИЛ на ИЛ достигает к концу разряда индуктивности LЗ значения близкого к 2 Е (примерно 1, 8… 1, 9 Е). В этом достоинство резонансного заряда. Но частота следования импульсов FП должна быть вдвое больше, чем частота зарядной цепи FСОБСТ. Введение в цепь заряда диода Д 1 позволяет осуществить импульсную работу с любой частотой следования импульсов Fп< FСОБСТ, так как после достижения на линии максимального напряжения ≈ 2 Е, оно может поддерживаться сколь угодно долго (диод Д 1 оказывается закрытым). Для обеспечения постоянства нагрузки модулятора при формировании импульса и включается цепочка СК RК. Сопротивление RК принимается равным волновому сопротивлению ИЛ и в начальный момент разряда линия разряжается на него. Ёмкость СК выбирается из условия, чтобы напряжение на ней установилось за время фронта импульса. Диод Д 2 служит для предотвращения перенапряжения в ИЛ, если линия будет разряжаться на сопротивление нагрузки меньше волнового. Диод Д 2 шунтирует 16 напряжение обратной полярности на ИЛ.
Ёмкость ячеек может быть определена из условия равенства запасённой в ИЛ энергии, и энергии, которая расходуется в RН за один импульс, что отображается соотношением: где k – число ячеек ИЛ, U 0 2 Uн – напряжение заряда ИЛ. Для работы с разными длительностями импульсов применяются сменные ИЛ, либо переключается число ячеек ИЛ ( «длина» ИЛ), пропорционально которому изменяется и длительность импульса. Мощность, отдаваемая ИЛ во время импульса в согласованную нагрузку равна необходимое напряжение заряда линии Обычно ИЛ проектируются на волновые сопротивления от 25 до 80 Ом. Диод Д 1 должен быть достаточно высоковольтным и поэтому имеет высокое сопротивление, что снижает КПД цепи заряда до η=0. 8… 0. 85. Часть энергии теряется в ИТ, поэтому ηР приблизительно равно ηИТ=0. 8… 0. 9. Общий ηМ=ηЗ·ηР=0. 7… 0. 8, т. е. того же порядка, что КПД на «жесткой» лампе. Импульсные модуляторы с искусственными линиями широко применяются на 17 практике.
Обычно известны сопротивление нагрузки RАЭ и длительность радиоимпульса t. И. АЭ автогенератора к источнику модулирующего напряжения подключают через повышающий импульсный трансформатор (для понижения напряжения питания модулятора), при этом сопротивление нагрузки для ИЛ Rн = RАЭ/Кит2, где Кит – коэффициент трансформации. Необходимое волновое сопротивление линии w= Rн связано с погонными LП индуктивностью и емкостью Cп соотношениями w= v Lп= 1/v. Cп (v – скорость распространения волн в линии). Т. к. длина линии l=0. 5 tиv и Lп = w/v, CП= 1/vw, то значения полной индуктивности и емкости линии L 0=l. Lп =0. 5 tиw; C 0=l. Cп=0. 5 tи/w. В случае линии с воздушным заполнением пространства между проводами скорость распространения электромагнитной волны v ≈ 3· 108 м/с и для формирования импульса длительностью τИ = 1 мкс потребуется отрезок линии длиной. Очевидно, такая длина неудобна даже при свёртывании линии в моток. Линия с распределенными параметрами на практике заменяется LC- ячейками количеством n >(6 - 12) с индуктивностью и емкостью каждой ячейки L=L 0/n, C=C 0/n, соответственно. При этом форма импульса остается близкой к 18 прямоугольной.
МАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР (МИМ) В качестве коммутирующего прибора в таком модуляторе используется нелинейная индуктивность. Магнитные коммутирующие устройства по сравнению с другими коммутаторами, в частности, с электронными лампами и водородными тиратронами, обладают рядом преимуществ, основными из которых являются: 1) высокая эксплуатационная надёжность, практически неограниченный срок службы; 2) постоянная готовность к работе, не требуют предварительного разогрева, тогда как тиратроны требуют предварительного разогрева в течение нескольких минут; 3) отсутствие предельных токов в схеме, подобно току эмиссии в ЭВП; 4) при рациональном конструировании габариты и вес МИМ могут быть меньше, чем лампового импульсного модулятора; 5) высокая механическая прочность и др. Магнитные импульсные модуляторы могут коммутировать мощности в единицы МВт и генерировать короткие импульсы длительностью до десятых долей мкс. По типу применяемого источника питания магнитные импульсные модуляторы разделяются на модуляторы: - с питанием от источника переменного тока; 19 - с питанием от источника постоянного тока.
В Ми. М с полным разрядом НЭ коммутатором является нелинейная индуктивность (НИН), представляющая собой катушку с сердечником из феррита или пермаллоя с очень узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса. Магнитная проницаемость (зависимость магнитной индукции (В) от напряженности магнитного поля (Н)) (m=d. B/d. H) на крутом участке (m 1) (ненасыщенное состояние) значительно больше, чем на пологом (m 2) (насыщение). m 1 >> m 2. В m 2 0 ВН В + 2 Индуктивность катушки L m L 1=L(m 1)>>L 2=L(m 2). Это обстоятельство m 1 0 Н Н – 3 m 2 0 а) и поэтому 1 ВН б) Реальная (а) и идеализированная (б) кривые намагничивания сердечника позволяет применить ее в качестве коммутатора. Рис. б – идеализированная кривая насыщения. Здесь в ненасыщенном состоянии m 1 , L 1 , и m 2 0, а L 2 const и мала в насыщенном состоянии. Простейшая схема магнитного импульсного модулятора при питании от источника переменного тока с использованием в качестве коммутатора нелинейного дросселя представлена на следующем рис. 20
В UП С - ИЛ e = EМ sin ω0 t L 0 ~ i + ВН LП IП 0 ИТ L С UC IL 2 К высокочастотному генератору Н 3 1– ВН Рис. схема магнитного импульсного модулятора Частота w 0 источника равна частоте следования импульсов. Конденсатор С (ИЛ) является накопительной ёмкостью, L 0 – зарядная индуктивность, L – коммутирующий дроссель (нелинейная индуктивность), ИТ – импульсный трансформатор. Собственная частота цепи заряда w выбирается равной частоте w 0 источника питания Рабочая точка дросселя L выбирается у нижнего загиба кривой намагничивания (точка 1) - сердечник отрицательно насыщен при помощи системы подмагничивания выбором тока IП. В начале каждого периода напряжение на конденсаторе С равно нулю. Для цепи заряда справедливы дифференциальные уравнения (IL const, r 1 ИТ 0, UL UC) : 21
В Подставляя одно в другое, получаем дифференциальное уравнение : + ВН 0 При начальных условиях UС = 0; i. C = 0 его решение имеет вид е =ЕМ sin ω0 t UС Н 3 0, 5πEM 2 – πEM В 1 3 2 1– ВН В момент t=T/2=p/w 0 напряжение =0, 5 p. ЕМ, а в момент Т UС=-p. ЕМ. При положительном UС рабочая точка дросселя перемещается по кривой намагничивания вверх до точки 2, не заходя в область насыщения. При отрицательном UС (вдвое большем положительного) рабочая точка дросселя перемещается вниз, проходит точку 1, и перемещается далее до точки 3 в область отрицательного насыщения сердечника. Индуктивность коммутирующего дросселя резко уменьшается и конденсатор С (линия-НЭ) быстро разряжается, формируя на входе ИТ, и на нагрузке, импульс напряжения. Условием преждевременного разряда является ограничение индукции Bмакс< BН. 22
Большая величина индуктивности L дросселя препятствует быстрому разряду накопителя и ограничивает возможность получения коротких импульсов. Это один из недостатков магнитного импульсного модулятора. Этот недостаток устраняется в многозвенных схемах модуляторов, в которых в насыщенном состоянии индуктивность дросселя каждого последующего звена много меньше предыдущего: L///<
Но кроме магнитных коммутаторов схема должна содержать преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного импульсного тока (лампа, тиратрон или тиристор). Простейшая схема магнитного импульсного модулятора с питанием от источника постоянного тока представлена на рис. . UП LП IП L 0 i E = L С UC Рис. ИТ IL К высокочастотному генератору При поджигании тиратрона начинается резонансный заряд накопительной ёмкости. Тиратрон гаснет, когда напряжение на ёмкости С достигает максимального значения. В этот момент зарядный ток (и ток через тиратрон) проходит через нулевое значение. Максимальное напряжение на ёмкости С благодаря использованию резонансного заряда почти в 2 раза превышает напряжение источника Е. Когда напряжение на ёмкости достигнет максимального значения (и, соответствующей ему, максимальной индукции в сердечнике дросселя), происходит её разряд через нелинейную индуктивность L и на нагрузке формируется импульс напряжения. Недостатком всех схем магнитных импульсных модуляторов является трудность регулировки длительности импульсов, что, например, легко обеспечивается при использовании коммутатора с электронной лампой. 24
Для получения наносекундных импульсов в качестве модулятора используются высоковольтные двухтактные схемы с непосредственным питанием, реализованные на современной элементной базе (МОП - транзисторы). Упрощённая эквивалентная схема такого модулятора приведена на рисунке 2. Схема работает следующим образом. С приходом на затворы ключа VTSW 2 положительного импульса, вырабатываемого схемой управления затворами и гальванической развязки (СУЗ и ГР), последний открывается и подключает заряженный накопительный конденсатор СНАК к магнетрону V 1. Одновременно на затворы ключа VTSW 1 подаётся импульс отрицательной полярности, надёжно запирающий транзистор этого ключа. Время, в течение которого к магнетрону приложено напряжение, определяется длительностью управляющего импульса. Через интервал, равный длительности высоковольтного импульса напряжения, приложенного к магнетрону, полярности напряжений на затворах транзисторов ключей VTSW 2 и VTSW 1 меняется на противоположные, что вызывает переключение ключей. 25
При этом VTsw 2 закрывается, отключая СНАК от магнетрона, а VTSW 1 открывается и шунтирует магнетрон своим внутренним сопротивлением RSW. ВКЛ, разряжая тем самым паразитную ёмкость магнетрона и формируя на нём спад импульса напряжения. Применение описанных выше принципов построения импульсных модуляторов позволяет значительно повысить их эффективность и надёжность по сравнению с традиционно применяемыми схемотехническими решениями. Реализованы ИМ для магнетрона диапазона 3 мм с напряжением на аноде 11, 5 к. В и импульсным током 12 А. Модулятор формирует импульсы длительностью 80. . . 150 нс при минимальной скважности 500. Итоги: Модуляторы различных типов в энергетическом отношении примерно одинаковы, их КПД=0. 7… 0. 8. Модуляторы на «жесткой» лампе отличаются устойчивой работой и формой импульса, мало зависящей от RАЭ. Модуляторы на «мягкой» лампе имеют меньшие габариты и массу, но меняют форму напряжения на выходе от изменения RАЭ и могут выйти из строя без дополнительной защиты. Модуляторы на тиристорах и НИН характеризуются большим сроком службы. 26