ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ

July 10, 2012 by admin Комментировать »

Безруков М. Ю., Горбачев К. В., Михайлов В. М., Нестеров Е. В., Петров В. Ю., Плаксина С. Д., Рощупкин С. А., Строганов В. А. Институт теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур РАН Ижорская 13/19, Москва 125412 Тел.:(095) 484-18-77, E-mail: nst@ihed.ras.ru

Рис. 1. Принципиальная схема источника высокого напряжения

теля постоянного напряжения на 10 кВ. Первичным источником энергии является батарея из 24 NiMH пальчиковых аккумуляторов.

Аннотация В докладе описан компактный генератор электромагнитных импульсов на основе источника повторяющихся импульсов высокого напряжения (> 150 кВ) с энергией ~ 200 мДж на нагрузке С=13 пФ, представляющий собой модифицированный диполь Герца с заряжаемой коаксиальной линией.

I.  Введение

Исследования по созданию компактных импульсных высоковольтных устройств имеют много приложений. Для исследования электромагнитной совместимости электронных и электротехнических систем требуются компактные источники электромагнитного излучения, способные работать в частотнопериодическом режиме. В данной статье представлена разработка малогабаритного источника, основанного на дипольном излучателе типа вибратора Герца и искровом газонаполненном коммутаторе.

II.  Описание генератора

Прежде всего, решалась задача разработки компактного источника высокого напряжения со следующими параметрами: выходное напряжение >150 кВ, передаваемая в нагрузку энергия -200 мДж (емкость -20 пФ), возможность работы в частотнопериодическом режиме.

При проектировании источника высокого напряжения были рассмотрены два возможных варианта построения ступени импульсной зарядки: импульсный трансформатор и генератор Маркса. Каждый из вариантов имеет свои достоинства и недостатки. Предварительный анализ показал, что генератор Маркса на требуемое напряжение и энергию в нагрузке будет иметь существенно большие размеры, чем трансформатор из-за большого количества дополнительной арматуры (зарядные резисторы, разрядники и ошиновка). К недостаткам генератора Маркса можно также отнести сложность конструкции и меньшую надежность.

Импульсный трансформатор имеет более простую конструкцию и позволяет достаточно свободно варьировать размеры. Низкий КПД, который является основным недостатком трансформатора без ферромагнитного сердечника, в данном случае не является решающим.

В результате был выбран следующий вариант построения источника высокого напряжения:

1.  Транзисторный преобразователь постоянного напряжения на 10н-20 кВ.

2.  Емкостной накопитель на основе малоиндуктивного конденсатора.

3. Газовый разрядник.

4. Импульсный трансформатор с коэффициентом трансформации ks 15.

Для получения высокого напряжения на нагрузке используется импульсный трансформатор с промежуточным емкостным накопителем. Емкостной накопитель заряжается от транзисторного преобразова

Fig.1. Circuit diagram of high-voltage source

Электрическая схема источника высокого напряжения приведена на рис. 1. Импульсный трансформатор имеет две обмотки: первичная четырехвитковая, четырехзаходная. Вторичная намотана медным проводом П1 мм и имеет 60 витков. Обе катушки намотаны на капролоновом цилиндре. Выводы вторичной обмотки расположены на торцах этого цилиндра. Для выравнивания потенциалов на краях трансформатора выводы вторичной обмотки соединены резистивной цепочкой общим сопротивлением 20 МОм. Средняя точка этой цепочки соединена с корпусом емкостного накопителя, т.е. с точкой подключения одного из выводов первичной обмотки трансформатора. Выводы вторичной обмотки трансформатора через 60-омные резисторы подключены к электродам нагрузки.

Емкостной накопитель представляет собой металлический цилиндр, внутри которого размещены бумажно-масляный конденсатор емкостью 25 нФ и миниатюрный разрядник, заполненный азотом под давлением 4 атм. Один из электродов разрядника выполнен подвижным, что позволяет плавно регулировать напряжение пробоя. Вывод для подключения трансформатора выполнен в противоположенном от разрядника торце накопителя, т.о. накопитель имеет полностью коаксиальную конструкцию. Свободное пространство внутри накопителя заполнено трансформаторным маслом.

Емкостной накопитель заряжается от полупроводникового преобразователя напряжения (30 В/10 кВ). Основным элементом преобразователя является повышающий трансформатор, намотанный на ферритовом кольце. Низковольтная цепь преобразователя содержит транзисторный ключ, управляющий током через первичную обмотку трансформатора. В начале каждого цикла работы преобразователя на эмиттер транзистора подается отпирающий импульс длительностью t-i. В течение этого времени ток в первичной обмотке трансформатора возрастает от 0 до величины

Рис. 3. Осциллограмма сигнала со щелевой антенны Fig. 3. Waveform of signal in slot antenna

Излучение принималось щелевой антенной, расположенной на линии, перпендикулярной оси излучающей антенны на расстоянии ~1м (ближняя зона). Принятый сигнал через экранированный 50-омный кабель поступал на 20 дБ ослабитель и, далее, на осциллограф. При размещении приемной и излучающей антенн были обеспечены необходимые расстояния до окружающих металлических предметов, чтобы отраженный сигнал не влиял на точность измерений. Осциллограмма полученного со щелевой антенны сигнала приведена на рис. 3. Длительность излучения составляет 1-1.5 периода на частоте -500 МГц.

IV.  Заключение

Разработан компактный генератор электромагнитных импульсов на основе источника повторяющихся импульсов высокого напряжения (> 150 кВ) с энергией ~ 200 мДж на нагрузке С=13 пФ, представляющий собой модифицированный диполь Герца с заряжаемой коаксиальной линией. Первые эксперименты подтвердили обоснованность заложенных предположений и расчетов и продемонстрировали возможность работы устройства в частотно-периодическом режиме.

ELECTROMAGNETIC PULSE GENERATOR

Bezrukov M. J., Gorbachev К. V., Mikhailov V. М., Nesterov E. V., Petrov V. Yu., Plaksina S. D., Roschoupkin S. A., Stroganov V. A.

Institute for High-Energy Densities (IHED) RAS Izhorskaya St. 13/19, Moscow 125412, Russia Tel.: (095)-484-18-77, E-mail: nstfcbihed.ras.ru

Abstract The compact electromagnetic pulse generator based on a high-voltage (above 150 kV) repetitive pulse source capable to deliver ~ 200 mJ energy to the capacitive load of 13 nF capacitance is described. The generator is a modified Hertz dipole combined with a chargeable forming line.

I.  Introduction

Compact high-voltage pulse devices are successfully used for solution of a wide range of problems. One of that number is study of electromagnetic interference problem for different electronic and electrical engineering systems, which requires compact electromagnetic radiation sources capable to operate in a frequency-repetitive mode. Development of a small-sized source based on dipole antenna and a spark-gap gas-filled switch is presented in the report.

II.  Main part

After comparative analysis of different high-voltage supply systems, the following design of high-voltage source was chosen for the device under development including the following:

1.    Transistor-based converter of constant voltage for 10-20

kV.

2.    Capacitive storage based on a low-inductance capacitor.

3.    Gas spark-gap switch.

4.    Pulse transformer with transformation ratio k«15.

A primary energy source for semiconductor converter supply is a battery of finger-size storage cells with total capacity of 1.6 Ah. Circuit diagram of high voltage source is given in Fig.1.

A load for high-voltage supply is a unit capable to produce a short pulse and radiate it into open space. For this purpose, a spark gap discharger built into a radiating antenna was used.

A radiating antenna is a cut of a coaxial line. Spark gap with a movable electrode is placed in one end of the line covered with a metal cap. The opposite face of the line is open, so that the inner electrode substantially extends above the outer one,, shaping an antenna close to a half-wave dipole (together with outer electrode). A vacant space between electrodes is filled with nitrogen under the pressure of 6-10 atm. The radiated power is defined by operation voltage of antenna spark gap, which depends on both electrodes gap duration and gas pressure. In our experiments, the breakdown voltage was varied from 100 to 180 kV.

Radiation had been detected with help of oscilloscope and a slot antenna. Oscilloscope was placed into a shielded room. The device under study was erected outside the room on the dielectric support of ~ 1.5 m high,.

A slot antenna was aligned perpendicular to the radiating antenna axis at the distance about 1 m. A received signal was directed first to 20 dB attenuator through the shielded 50-0hm cable and, then, to the oscilloscope. Waveform of the signal induced in the slot antenna is given in Fig.3. One can see pulse duration equal about 1-1.5 period of oscillations at the frequency of ~ 500 MHz.

III.  Conclusion

Compact generator of electromagnetic pulses was created on the ground of a high-voltage repetitive pulse source (>150 kV) with energy of ~ 200 mJ in the load, which is a modified Hertz dipole with a chargeable forming line of 13 nF total capacitance. First experiments confirmed principles and calculations put down into the basis of this device and indicated feasibility of operation in a frequency repetitive mode.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

1 комментарий

  1. дмитрий says:

    А можно подробнее о конструкции собственно излучателя?

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты