Введение
Импульсно-образующая сеть (PFN) — это электрическая цепь, которая накапливает электрическую энергию в течение относительно длительного времени, а затем высвобождает накопленную энергию в виде относительно прямоугольного импульса сравнительно короткой длительности для различных применений в области импульсной мощности. В PFN компоненты для накопления энергии, такие как конденсаторы, индукторы или линии передачи, заряжаются от источника высокого напряжения, а затем быстро разряжаются в нагрузку через высоковольтный коммутатор, например, искровой промежуток или водородный тиратрон. Частота повторения импульсов варьируется от единичных импульсов до приблизительно 10⁴ импульсов в секунду. PFN используются для генерации однородных электрических импульсов короткой длительности для питания устройств, таких как клистронные или магнитронные ламповые генераторы в радиолокационных станциях, импульсных лазерах, ускорителях частиц, импульсных лампах-вспышках и высоковольтном испытательном оборудовании. Значительная часть высокоэнергетического исследовательского оборудования работает в импульсном режиме, как для снижения тепловыделения, так и потому, что явления в физике высоких энергий часто происходят в короткие промежутки времени, поэтому большие PFN широко применяются в высокоэнергетических исследованиях. С их помощью были получены импульсы длительностью в наносекунды с напряжениями до 10⁶–10⁷ вольт и токами до 10⁶ ампер, с пиковой мощностью в тераваттном диапазоне, сопоставимой с мощностью молнии.
Реализация
PFN состоит из последовательно соединенных высоковольтных конденсаторов и индуктивностей для накопления энергии. Эти компоненты соединены между собой в виде "лестничной сети", которая по своему поведению аналогична линии передачи. Именно поэтому PFN иногда называют "искусственной или синтетической линией передачи". Электрическая энергия первоначально накапливается в заряженных конденсаторах PFN с помощью высоковольтного источника постоянного тока. При разряде PFN конденсаторы разряжаются последовательно, формируя импульс, близкий к прямоугольному. Этот импульс передается на нагрузку через линию передачи. Для предотвращения отражения энергии обратно в PFN необходимо обеспечить согласование импедансов PFN и нагрузки.
ПФН линии передачи
Длина линии передачи может использоваться как импульсообразующая сеть. Это позволяет получать импульсы с практически плоской вершиной, но требует использования значительной длины кабеля. В простом генераторе импульсов на заряженной линии передачи (анимация, справа) длина линии передачи, например коаксиальный кабель, соединяется через переключатель с согласованной нагрузкой RL с одного конца и с источником постоянного напряжения V через резистор RS с другого конца, при этом RS значительно больше характерного импеданса Z0 линии и широко используется в импульсообразующих сетях (PFN). В генераторе Блюмлейна (анимация, справа) нагрузка соединяется последовательно между двумя линиями передачи равной длины, которые заряжаются источником постоянного напряжения с одного конца (обратите внимание, что правая линия заряжается через импеданс нагрузки). Для формирования импульса переключатель замыкает линию на конце источника питания, в результате чего к нагрузке направляется скачок отрицательного напряжения. Поскольку характерный импеданс Z0 линии равен половине импеданса нагрузки RL, скачок напряжения наполовину отражается и наполовину передается, формируя два симметричных скачка напряжения противоположной полярности, которые распространяются от нагрузки, создавая между ними падение напряжения V/2 − (−V/2) = V на нагрузке. Скачки напряжения отражаются от концов линий и возвращаются, завершая импульс. Как и в других генераторах на линиях заряда, длительность импульса равна 2D/c, где D – длина каждой линии передачи. Второе преимущество геометрии Блюмлейна заключается в том, что коммутирующее устройство можно заземлить, а не размещать на стороне высокого напряжения линии передачи, как в типичной заряженной линии, что упрощает схему управления.
Использование PFN
По команде выключатель высокого напряжения передает энергию, накопленную в PFN, в нагрузку. Когда выключатель "срабатывает" (замыкается), сеть конденсаторов и индукторов внутри PFN создает приблизительно прямоугольный выходной импульс короткой длительности и высокой мощности. Этот импульс высокой мощности становится кратковременным источником энергии для нагрузки. Иногда между PFN и нагрузкой подключается специально разработанный импульсный трансформатор. Эта техника улучшает согласование импедансов между PFN и нагрузкой, что повышает эффективность передачи мощности. Импульсный трансформатор обычно необходим при питании устройств с высоким импедансом, таких как клистроны или магнетроны, от PFN. Поскольку PFN заряжается в течение относительно длительного времени, а затем разряжается за очень короткий промежуток времени, пиковая мощность выходного импульса может достигать мегаватт или даже тераватт. Комбинация источника высокого напряжения, PFN, выключателя высокого напряжения и импульсного трансформатора (при необходимости) иногда называется "модулятором мощности" или "генератором импульсов".