Приборы и техника эксперимента, 2019, № 3, стр. 41-43

ВВЕДЕНИЕ

Генерация частотных импульсов напряжения с длительностью наносекундного диапазона является актуальной задачей для таких областей науки и техники, как плазменная и лазерная физика [1], ускорительная техника [2], генерация импульсного рентгена [3], электроразрядные технологии [4], генерация пучка убегающих электронов в газе [5], исследования по электромагнитной совместимости [6] и ряд других. В последние годы появились научно-технические задачи, предъявляющие особые требования к устройствам генерации импульсов, в частности к форме генерируемых импульсов, к возможности работы в частотном режиме, автономности и мобильности.

Целью данной работы является создание частотного генератора высоковольтных импульсов напряжения наносекундной длительности для исследований импульсной электропрочности материалов и изделий.

СХЕМА ГЕНЕРАТОРА

Принципиальная электрическая схема генератора представлена на рис. 1. Для обеспечения автономности и мобильности генератора в качестве источника питания используется свинцовая аккумуляторная батарея (36 В, 7 А · ч) АБ₁. В первой ступени повышения напряжения (с 36 В на батарее до 10 кВ на конденсаторе С₁) используется схема двухтактного преобразования. Основой преобразователя является повышающий трансформатор Тр2 с рабочей частотой до 50 кГц, выполненный на ферритовом кольцевом сердечнике. Первичная обмотка имеет две секции с нулевым выводом, которые поочередно коммутируются мощными транзисторными ключами FB180SA10P.

Вторичная обмотка для равномерного распределения высокого напряжения вдоль сердечника выполнена из десяти последовательно соединенных секций. Каждая секция соединена со своим выпрямительным мостом и конденсатором-фильтром. Выпрямленное напряжение с вторичной обмотки трансформатора Тр2 подается на накопительную емкость С₁. Накопитель первичного контура С₁ выполнен из набора конденсаторов типа КВИ-3 суммарной емкостью 178 нФ.

Транзисторные ключи FB180SA10P контролируются управляющим блоком электроники (на схеме не показан), который имеет обратную связь с высоковольтным выходом выпрямителей через делитель напряжения U₁. С блока электроники управляющие импульсы подаются на клеммы К₁–К₃ силовых транзисторов, что позволяет регулировать частоту следования импульсов (10–60 Гц) и уровень выходного напряжения (6–10 кВ) за счет изменения частоты и длительности разрешающих сигналов, подаваемых с управляющего блока на транзисторные ключи.

Высоковольтная клемма конденсатора С₁ закорачивается на “землю” управляемым разрядником Р₁ (РУ-62). Для запуска разрядника Р₁ используется блок поджига, включающий в себя аккумуляторную батарею (18 В, 1.5 А · ч) АБ₂, управляющий транзистор IRF1407, конденсатор С_упр и повышающий трансформатор Тр1. Через клеммы К₄, К₅ осуществляется запуск блока поджига от управляющего блока электроники. Импульс напряжения со вторичной обмотки трансформатора Тр1 подается на управляющий электрод разрядника Р₁.

Максимальное время зарядки накопителя С₁ от электронного преобразователя составляет 8.5 мс. После зарядки емкости первичного контура устанавливается пауза в работе преобразователя, длительность которой определяет частоту повторения импульсов генератора. На рис. 2 показаны осциллограммы работы электронного преобразователя. Хотя электронный преобразователь может обеспечить частоту повторения импульсов всего устройства до 100 Гц, она ограничена работой разрядника Р₁ (РУ-62) на уровне 60 Гц.

Вторая ступень повышения напряжения – трансформатор Тесла Тр3. Первичная обмотка трансформатора содержит 3 витка шины шириной 135 мм с диаметром намотки 175 мм. Вторичная обмотка, имеющая 112 витков, намотана с шагом 1.1 мм на конусном полиэтиленовом каркасе. Индуктивность первичной обмотки L_1Тр3 = = 1.15 мкГн, вторичной – L_2Тр3 = 846 мкГн.

При срабатывании разрядника Р₁ (РУ-62) конденсатор С₁ разряжается через первичную обмотку L_1Тр3 трансформатора Тесла Тр3. При этом напряжение вторичной обмотки подается на емкость С₂, которая заряжается до напряжения ~220 кВ. C₂ представляет собой конструктивную коаксиальную емкость, заполненную глицерином, и имеет значение около 215 пФ.

Эффективная передача энергии от первичного накопителя С₁ к вторичному накопителю C₂ возможна при равенстве собственных частот первичного и вторичного колебательных контуров трансформатора:

Магнитопровод в трансформаторе отсутствует, что приводит к увеличению собственной частоты и, соответственно, скорости набора напряжения на нагрузочной емкости С₂.

При ударном возбуждении системы двух связанных контуров изменение напряжения на емкости C₂ описывается выражением

где $k = M{\text{/}}\sqrt {{{L}_{{1Tр 3}}}{{L}_{{2Tр 3}}}} $; M – коэффициент взаимной индукции между обмотками трансформатора; ω = (L_1Тр3C₁)^1/2 = (L_2Тр3C₂)^1/2. При k = 0.6 достижение максимального напряжения на емкости C₂ происходит за минимальное количество колебаний [7]. При отсутствии потерь вся энергия емкости C₁ переходит в емкость C₂, и напряжение на ней определяется как:

Максимальное значение напряжения U₂ ≈ 220 кВ достигается на второй полуволне импульса. Период колебаний 1.6 мкс. После пробоя P₂ происходит перезарядка емкости C₂ ≈ 215 пФ на емкость C₃ ≈ 20 пФ с периодом T₃ ≈ 160 нс. Амплитуда напряжения на емкости C₃ определяется напряжением пробоя разрядника P₃ и составляет 350 кВ.

На рис. 3 представлена осциллограмма напряжения на емкости С₃. Момент пробоя Р₃ указан на рисунке стрелкой.

При этом напряжение U₄ на нагрузке и испытуемом объекте (например, на отрезке кабеля) примерно равно напряжению U₃ на емкости С₃.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создан частотный (до 60 Гц) генератор импульсов напряжения в виде затухающей синусоиды с периодом ~6 нс, амплитудой первой полуволны напряжения до ~400 кВ и добротностью Q ≈ 6. Генератор имеет малые габариты, автономен – он питается от аккумуляторной батареи (7 А · ч, 36 В). Время непрерывной работы составляет 10 мин. Генератор предназначен для исследований импульсной электропрочности материалов и изделий.