Принцип работы импульсного магнитного модулятора

применительно кпередатчику НРЛС "Наяда-5"

Чтобы понять принцип работы такого модулятора, рассмотрим теорию его построения [5.1,5.3,5.5].

Как было сказано выше, в качестве ключа раньше использовали электронную лампу (рис. 11) или ионную газоразрядную лампу (рис. 12). В последнее время, в качестве ключа используются катушки нелинейной индуктивности. Такие модуляторы называются магнитными.

Катушка нелинейной индуктивности содержит железный сердечник
из специального ферромагнитного материала, обладающий весьма узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса (рис.18).

Таким свойством обладает молибденовый пермаллой, суперпермаллой и др.
Участки верхнего и нижнего загиба характеризуют состояние соответственно положительного и

Рис.18. отрицательного магнитного насыщения.

А участок с большой крутизной (линейный участок) характеризует ненасыщенное состояние сердечника,

Из курса физики известно, что магнитная проницаемость ферромагнитного материала

μ= dB/dH (1)

где Н - напряженность намагничиваемого поля

(магнитного поля); В – намагниченность ферромагнетика от напряженности

намагничиваемого поля.

Индуктивность катушки (в генри) с ферромагнитным материалом (т.е. катушка нелинейной индуктивности), в зависимости от состояния ферромагнетика, определяется в ненасыщенном состоянии:

L _нн =(N ² S / l)μ_нн (2)

где N - число витков катушки;

S - площадь поперечного сечения сердечника ферроматериала;

l - длина средней магнитной линии,

а в насыщенном состоянии - L _нс =(N ² S / l)μ_нс. (3)

Исходя из уравнения (1) видно, что μ_нс << μ_нн. Тогда, согласно уравнений (2) и (3) следует, что индуктивность катушки при насыщенном состоянии сердечника во много раз меньше, чем индуктивность катушки с ненасыщенным сердечником, т. е. - ее реактивное сопротивление также значительно меньше катушки с ненасыщенным сердечником.

Это свойство катушки с ферромагнитным сердечником и дает возможность использовать ее в качестве коммутирующего прибора.

Простейшая схема магнитного модулятора с питанием от источника переменного напряжения приведена на рис.19.

Рис.19. Схема магнитного модулятора на переменном токе

Она.состоит из силового трансформатора Тр, зарядной индуктивности L _З, накопительного конденсатора С _Н, коммутирующей катушки нелинейной индуктивности L _К с обмоткой подмагничивания L п, импульсного трансформатора ИТр с нагрузкой в виде сопротивления R _Н магнетронного генератора.

Накопительный конденсатор С _Н заряжается от источника переменного напряжения с частотой ω. Зарядная цепь L _З С _Н настроена на частоту питающего напряжения .

Для удобства рассмотрения работы схемы будем считать, что петля гистерезиса (кривая намагничивания) имеет вид идеализированной ломаной линии (рис. 20).

Рис.20.Идеализированная кривая Рис.21. Графики изменения

намагничивания напряжений в магнитном модуляторе

Если напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора Тр изменяется по закону , то ток в зарядной цепи будет равен

.

Напряжение на конденсаторе С _Н в этом случае будет равно

.

Согласно [5.1], т.к <<ω, то можно считать, что ток заряда равен

,

а изменение напряжения на конденсаторе, согласно току заряда –

. (4)

Из выражения (4) следует, что при , максимальное напряжение на накопительном конденсаторе будет равно, ,

а при .

Из рис. 21,б видно, что за первую половину периода колебания

(рис. 21,а) напряжение на конденсаторе достигает значения 0,5π U_m.

Так как относительно небольшое напряжение этого конденсатора прикладывается к катушке нелинейной индуктивности L _К, то сердечник этой катушки намагнитится до точки " а " (см. рис.20). А это точка с большой магнитной проницаемостью, то есть, согласно уравнения (2) индуктивность катушки L _К будет большая (а, значит, ее реактивное сопротивление большое) и напряжение с накопительного конденсатора С _Н не сможет разрядиться на R _Н.

Во второй половине (отрицательной) периода колебания, напряжение на накопительном конденсаторе достигнет отрицательной максимальной величины - π U_m.

Сердечник катушки L _К перемагнитится в отрицательном направлении и произойдет ее насыщение (точка " b ", рис.20). В этом случае магнитная проницаемость минимальна, а из уравнения (3) индуктивность катушки L _К также становится минимальной; то есть, - реактивное сопротивление катушки L _К минимально и происходит разряд С _Н через импульсный трансформатор ИТр на R _Н (см. рис.21, в).

Таким образом, в приведенной упрощенной схеме магнитного модулятора, питаемого переменным источником напряжения, выходной импульс возникает через период входных колебаний - 2π.

После разряда накопительный конденсатор вновь начинает заряжаться и рабочая точка по кривой намагничивания В(Н) начнет перемещаться
из точки насыщения " b " в точку " а ".

Чтобы предотвратить преждевременный разряд С _Н через L _К, индуктивность L _К должна быть достаточно большой. Так как она входит в последовательную цепь разряда, в такой схеме невозможно получить на нагрузке импульс малой длительности.

Для получения более коротких выходных импульсов применяют многозвенные схемы магнитных импульсных модуляторов.

Они представляют собой цепочечное соединение накопительных конденсаторов С н₁ = С н₂ = С н₃ =..., энергия разряда от одного к другому передается через катушки нелинейной индуктивности L к_n.

Обычно, для того, чтобы уменьшалась длительность выходного импульса, L к₁ > L к₂> L. _К3 >...

К достоинству магнитного импульсного модулятора, питаемого от источника переменного напряжения, относится возможность использования нелинейных индуктивностей во всех коммутирующих устройствах. Однако - его недостаток - зависимость частоты следования сформированных импульсов на нагрузке от частоты питающего напряжения.

Поэтому, в передатчиках НРЛС большее применение нашли магнитные импульсные модулятора с питанием от источника постоянного напряжения.

К достоинствам магнитных импульсных модуляторов с питанием от источника постоянного напряжения следует отнести: возможность произвольного выбора и изменение частоты следования импульсов; использование низковольтных источников питания; возможность применения внешней синхронизации работы модулятора.

Особенностью магнитного импульсного модулятора с питанием от источника постоянного напряжения является то, что его схема, помимо магнитных коммутирующих элементов, должна содержать преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока.

В качестве преобразовательного элемента можно использовать электронную лампу, тиратрон, транзистор, но чаще всего используют управляемый полупроводниковый диод - тиристор.

В зависимости от места включения преобразовательного элемента различают: схемы с преобразовательным элементом во входном контуре (рис.22) и в первом звене (каскаде сжатия).

Рис.22. Схема с преобразовательным элементом во входном контуре

Причем, во втором случае преобразовательный элемент может быть включен последовательно и параллельно (рис. 23).

При отпирании VD синхронизирующим импульсами (τ_си) положительной полярности происходит резонансный заряд накопительного конденсатора С н от источника постоянного напряжения Е. Для этого входной линейный контур L ₃, С н настраивается на частоту, примерно равную половине частоты следования F _и синхроимпульсов τ_си, т.е.

Работа схем, приведенных на рис. 23 заключается в следующем.

Так как тиристоры работают при малых напряжениях, для получения больших выходных напряжений от модулятора (с выходной обмотки ИТр) и разделения схемы по постоянному току в каскадах сжатия применяют коммутирующие нелинейные трансформаторы (НТр).

При запертых тиристорах VD 2 в обеих схемах конденсатор С н1 заряжается через L ₃, VD 1 до удвоенного напряжения Е. Под воздействием τ_си VD 2 открывается и конденсатор С н1 разряжается через линейную индуктивность L ₀, первичную обмотку нелинейного трансформатора НТр на конденсатор С н2. Когда разрядный ток конденсатора С н1 проходит через нуль, тиристор выключается.

а)

б)

Рис.23. Схема включения тиристора в первый каскад сжатия:

а) последовательное включение;

б) параллельное включение.

Заряд накопительного конденсатора С н2 осуществляется по цепи:

вторичная обмотка НТр, дроссель L _K, первичная обмотка импульсного трансформаторе ИТр. Когда напряжение на конденсаторе С н2 достигнет максимума, сердечник НТр насыщается в противоположном направлении и конденсатор С н2 будет разряжаться на формирующую линию ФЛ через вторичную обмотку НТр (в качестве ФЛ используется искусственная длинная линия, показанной на рис.15). По мере заряда ФЛ происходит намагничивание сердечника нелинейной индуктивности L _K, и когда напряжение на ФЛ достигнет максимума, сердечник L к насыщается, то есть реактивное сопротивление катушки L _K становится минимальным. В таком, случае происходит разряд ФЛ на первичную обмотку ИТр.

Линейная индуктивность. L₀ обеспечивает необходимую длительность разряда конденсатора С н1. Диод VD 1 предотвращает разряд С н1 через катушку зарядной индуктивности L з на источник питания Е.

В современных тиристорно-магнитных модуляторах во вторичной обмотке ИТр можно создать импульсы отрицательной полярности амплитудой +(6…8) кВ, длительностью τ_зи = 0,1 мкс.

Для формирования больших длительностей выходных импульсов меняют режим работы нелинейной катушки индуктивности L к -вводится ее внешняя, дополнительная, подпитка постоянным напряжением.

Так как увеличение длительности выходных импульсов требует большого запаса энергии электрического поля накопительных конденсаторов, изменяется (увеличивается) внешнее постоянное напряжение питания Е.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: