5. Генераторы импульсов тока регулируемой формы

5.1. Длинная линия с распределенным ключом

Задача генерирования импульсов тока регулируемой формы обычно решается с помощью реактивных формирующих цепей с ключами, обеспечивающих изменение параметров разрядного контура либо в процессе формирования импульсов, либо предварительным заданием конфигурации разрядного контура и его параметров с помощью управляемых ключей по определенному алгоритму. Тем не менее генераторы импульсов тока регулируемой формы (ГИТРФ) наиболее просто можно создать на основе однородной искусственной линии с управляемыми ключами (ОИЛК), обладающей целым рядом достоинств по сравнению с другими схемными решениями [11]–[13]. Основным преимуществом ОИЛК является неизменность согласования формирующего устройства с линейной активной нагрузкой при изменениях формы импульса в самых широких пределах, что очень важно с точки зрения энергетики процессов.

Введем такое понятие (аналогично ЛРД), как длинная линия с распределенным L-ключом (ЛРК), т. е. с ключом, который входит в состав распределенной индуктивности линии. Разобьем ЛРП на n одинаковых отрезков, соединенных друг с другом с помощью идеальных ключей (рис. 5.1). Первый отрезок через ключ К₁ подсоединяется непосредственно к согласованной линейной нагрузке R = . Разделим линию на более короткие отрезки, увеличив их число n, но сохранив общую длину линии l и идеальные ключи К между отрезками.

Рис. 5.1

В результате предельного перехода при n   получим линию с распределенной индуктивностью, совмещенной с распределенным ключом, т. е. индуктивность линии будет обладать еще и ключевыми свойствами, а именно – переходить из непроводящего состояния в проводящее в какой-либо момент времени t_кx по внешнему сигналу системы управления. Формально можно записать, что L = xL_п =  при t < t_кx; L = xL_п при t > t_кx, где x – элементарный отрезок линейного размера линии l; L_п – погонная индуктивность линии; t_кx – момент коммутации ключа с координатой x.

Введем также понятие распределенного идеального ключа с вентиль­ными свойствами (например, тиристора), объединив два понятия – распределенного диода (см. 3.4) и распределенного ключа, т. е. последовательно соединим каждый элементарный диод с элементарным ключом и наложим условие невозможности повторного включения вентильного ключа после спадания тока в элементе до нуля.

Для вентильного ключа необходимо выполнение следующих условий:

L = xL_п =  при t < t_кx или u(x) > u(x + x) и i(x) < 0; L = xL_п при t  t_кx и u(x)  u(x + x).

В том случае, когда все отрезки линии заряжены до одинаковых значений напряжений, при одновременной коммутации всех ключей в момент времени t = 0 в нагрузке выделится прямоугольный импульс тока длительностью  = 2l , поскольку при этом линия, разбитая на n отрезков, преобразуется в обычную ЛРП. Уровни напряжений отрезков линии U₁ = U₂ = ... = U_{n – 1} = U_n = U. Ток согласованной нагрузки I = 0,5U/. Тот же ток получим и в случае волнового закона коммутации ключей, когда первым включается ключ К₁, а остальные ключи включаются в порядке возрастания номеров с постоянным запаздыванием по времени друг относительно друга. Если задать моменты замыкания ключей таким образом, что

t_k = l(k – 1)/nV = [l(k – 1)/n] (5.1)

(где k – номер ключа; l(k – 1)/n – расстояние от k-го ключа до нагруженного конца линии; v – скорость распространения волны), то в нагрузке выделится n прямоугольных импульсов тока равных амплитуд с длительностью /n и вплотную примыкающих друг к другу. В итоге в нагрузке получим один прямоугольный импульс длительностью . Устремим число отрезков линии к бесконечности (n  ), сохраняя общую длину линии l и закон коммутации (5.1). При этом импульс тока нагрузки не претерпит никаких изменений. При n   в пределе получим ЛРК. Момент времени замыкания элементарного ключа К_x, отстоящего на расстоянии x от нагруженного конца линии,

t_x = x/V = x  = (x/l)  . (5.2)

Процессы в ЛРК полностью соответствуют процессам в ЛРП для случая u(x) = const, когда выполняется закон коммутации (5.2).

Основное различие между ЛРП и ЛРК состоит в том, что в ЛРК элементарные емкости могут быть каким-либо способом заряжены до напряжений u(x) различных уровней, значения которых будут функцией линейного размера x.

Как будет показано далее, возможность задания эпюра зарядного напряжения u(x), отличного от прямоугольного, придает ЛРК новые особые свойства, которые позволяют решить более сложную задачу, а именно, генерирование импульсов регулируемой формы. В случае задания эпюра зарядного напряжения неизменной формы ЛРК позволяет получать в нагрузке импульсы также неизменной наперед заданной (например, нарастающей) формы. При этом удается избежать трудностей, возникающих при формальном синтезе цепей, формирующих импульсы, форма которых существенно отличается от прямоугольной.

Помимо понятия "длинная линия с распределенным L-ключом" необходимо ввести понятие "длинная линия с распределенным С-ключом". В указанном случае ДЛРП также разбивается на n отрезков, но при этом все отрезки соединяются ключами с общей шиной (рис. 5.2).

Рис. 5.2

Электромагнитные процессы в длинной линии с распределенным С- клю­чом аналогичны процессам в длинной линии с распределенным L-ключом, но при переходе к эквивалентной ОИЛ ключи соединяются последовательно с емкостями ячеек и должны обладать двусторонней проводимостью.