Red de formación de impulsos

Una red de formación de pulsos para un telémetro láser Nd: YAG

El dispositivo Shiva Star en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea , EE. UU., Que genera energía pulsada para experimentos de energía de fusión de alta energía . Cada uno de los 6 brazos radiales es una línea de formación de pulsos que entrega un pulso de energía al centro, cuyos capacitores almacenan un total de 10 MJ de energía y pueden crear pulsos de microsegundos de 120 kV y 6 millones de amperios.

Una red de formación de pulsos ( PFN ) es un circuito eléctrico que acumula energía eléctrica durante un tiempo comparativamente largo y luego libera la energía almacenada en forma de pulso relativamente cuadrado de duración comparativamente breve para varias aplicaciones de energía pulsada . En un PFN, los componentes de almacenamiento de energía, como condensadores , inductores o líneas de transmisión, se cargan por medio de una fuente de alimentación de alto voltaje y luego se descargan rápidamente en una carga a través de un interruptor de alto voltaje , como una descarga de chispas.o tirtrón de hidrógeno . Las tasas de repetición varían desde pulsos simples hasta aproximadamente 10 ⁴ por segundo. Los PFN se utilizan para producir pulsos eléctricos uniformes de corta duración para alimentar dispositivos como klystron o osciladores de tubo de magnetrón en equipos de radar , láseres pulsados , aceleradores de partículas , tubos de destellos y equipos de prueba de servicios públicos de alto voltaje.

Gran parte del equipo de investigación de alta energía se opera en modo pulsado, tanto para mantener baja la disipación de calor como porque la física de alta energía a menudo ocurre en escalas de tiempo cortas, por lo que los PFN grandes se utilizan ampliamente en la investigación de alta energía. Se han utilizado para producir pulsos de nanosegundos de longitud con voltajes de hasta 10 ⁶ –10 ⁷ voltios y corrientes de hasta 10 ⁶ amperios, con una potencia máxima en el rango de los teravatios, similar a los rayos .

Implementación

Un PFN consta de una serie de inductores y condensadores de almacenamiento de energía de alto voltaje . Estos componentes están interconectados como una " red en escalera " que se comporta de manera similar a una longitud de línea de transmisión . Por esta razón, a una PFN a veces se la denomina " línea de transmisión artificial o sintética ". La energía eléctrica se almacena inicialmente dentro de los condensadores cargados del PFN mediante una fuente de alimentación de CC de alto voltaje. Cuando se descarga el PFN, los condensadores se descargan en secuencia, produciendo un pulso aproximadamente rectangular. El pulso se conduce a la carga a través de una línea de transmisión . El PFN debe coincidir en impedancia a la carga para evitar que la energía se refleje hacia el PFN.

PFN de línea de transmisión

Generador de impulsos de línea de transmisión cargada simple

Se puede utilizar una longitud de línea de transmisión como red de formación de impulsos. ^{[1] [2]} Esto puede producir pulsos sustancialmente planos con el inconveniente de utilizar una gran longitud de cable.

En un generador de pulsos de línea de transmisión cargada simple (animación, derecha), una longitud de línea de transmisión, como un cable coaxial, se conecta a través de un interruptor a una carga combinada R _L en un extremo y en el otro extremo a una fuente de voltaje de CC V a través de una resistencia R _S , que es grande en comparación con la impedancia característica Z ₀ de la línea. ^[1] Cuando se conecta la fuente de alimentación, se carga lentamente hasta la capacitancia de la línea a través de R _S . Cuando el interruptor está cerrado, un voltaje igual a VSe aplica / 2 a la carga, la carga almacenada en la línea comienza a descargarse a través de la carga con una corriente de V / 2 Z ₀ , y un paso de voltaje viaja por la línea hacia la fuente. ^[2] El extremo de la fuente de la línea es aproximadamente un circuito abierto debido a la alta R _S , ^[1] por lo que el paso se refleja sin invertir y viaja hacia abajo de la línea hacia la carga. El resultado es que se aplica un pulso de voltaje a la carga con una duración igual a 2 D / c , donde D es la longitud de la línea y c es la velocidad de propagación del pulso en la línea. ^[1]La velocidad de propagación en las líneas de transmisión típicas está dentro del 50% de la velocidad de la luz . Por ejemplo, en la mayoría de los tipos de cable coaxial, la velocidad de propagación es aproximadamente 2/3 de la velocidad de la luz, o 20 cm / ns.

Los PFN de alta potencia generalmente utilizan líneas de transmisión especializadas que consisten en tuberías llenas de aceite o agua desionizada como dieléctrico para manejar la disipación de alta potencia. ^[2]

Una desventaja de los generadores de pulsos PFN simples es que debido a que la línea de transmisión debe coincidir con la resistencia de carga R _L para evitar reflejos, el voltaje almacenado en la línea se divide por igual entre la resistencia de carga y la impedancia característica de la línea, por lo que el voltaje El pulso aplicado a la carga es solo la mitad del voltaje de la fuente de alimentación. ^{[1] [2]}

Línea de transmisión Blumlein

El generador Blumlein tiene la ventaja de que puede generar un pulso igual al voltaje de carga V

En 1937, el ingeniero británico Alan Blumlein ^[3] inventó un circuito de línea de transmisión que evitó el problema anterior, produciendo un pulso de salida igual al voltaje de la fuente de alimentación V , y se usa ampliamente en la actualidad en los PFN. ^[1] En el generador Blumlein (animación, derecha), la carga está conectada en serie entre dos líneas de transmisión de igual longitud, que se cargan con una fuente de alimentación de CC en un extremo (tenga en cuenta que la línea derecha se carga a través de la impedancia de la carga). ^[1] Para disparar el pulso, un interruptor cortocircuita la línea en el extremo de la fuente de alimentación, provocando que un paso de voltaje negativo viaje hacia la carga. Dado que la impedancia característica Z ₀de la línea se iguala a la mitad de la impedancia de carga R _L , el paso de voltaje se refleja a la mitad y se transmite a la mitad, ^[1] dando como resultado dos pasos de voltaje simétricos de polaridad opuesta, que se propagan lejos de la carga, creando entre ellos un caída de voltaje de V / 2 - (- V / 2) = V a través de la carga. Los pasos de voltaje se reflejan desde los extremos y regresan, terminando el pulso. Como en otros generadores de línea de carga, la duración del pulso es igual a 2 D / c , donde D es la longitud de las líneas de transmisión individuales. ^[1] Una segunda ventaja de la geometría de Blumlein es que el dispositivo de conmutación puede conectarse a tierra, en lugar de ubicarse en el lado de alto voltaje de la línea de transmisión como en la línea cargada típica, lo que complica la electrónica de activación.

Usos de los PFN

Al recibir una orden, un interruptor de alto voltaje transfiere la energía almacenada dentro del PFN a la carga. Cuando el interruptor " dispara " (se cierra), la red de condensadores e inductores dentro del PFN crea un pulso de salida aproximadamente cuadrado de corta duración y alta potencia. Este pulso de alta potencia se convierte en una breve fuente de alta potencia para la carga.

A veces, se conecta un transformador de pulsos especialmente diseñado entre el PFN y la carga. Esta técnica mejora la adaptación de impedancia entre el PFN y la carga para mejorar la eficiencia de transferencia de energía . Por lo general, se requiere un transformador de pulsos cuando se activan dispositivos de alta impedancia, como klistrones o magnetrones, desde un PFN. Debido a que el PFN se carga durante un tiempo relativamente largo y luego se descarga en muy poco tiempo, el pulso de salida puede tener una potencia máxima de megavatios o incluso teravatios.

La combinación de fuente de alto voltaje, PFN, conmutador HV y transformador de pulsos (cuando se requiere) a veces se denomina " modulador de potencia " o " pulsador ".

Ver también

• Pulso (procesamiento de señal)
• Generador de pulso
• Poder pulsado
• Thyratron
• Tiristor
• Descarga de chispas activadas
• Generador de marx
• Crossatron
• Láser pulsado
• Radar

Referencias

1. Haddad, A .; DF Warne (2004). Avances en Ingeniería de Alta Tensión . IET. págs. 600–603. ISBN 0852961588.
2. Mesyats, Gennady A. (2005). Poder pulsado . Saltador. págs. 13-14, 125. ISBN 0306486547.
3. Patente del Reino Unido 589127, Mejoras en o relacionadas con aparatos para generar impulsos eléctricos , Alan Dower Blumlein, presentada el 10 de octubre de 1941, concedida el 12 de junio de 1947.

enlaces externos

• Eric Heine, " Conversión ". Departamento de Electrónica de NIKHEF, Amsterdam, Países Bajos.
• Riepe, Kenneth B., " Red de formación de pulsos de microsegundos de alto voltaje ". Revisión de instrumentos científicos Vol. 48 (8) págs. 1028–1030. Agosto de 1977. ( Resumen )
• Glasoe, G. Norris , Lebacqz, Jean V., " Generadores de pulsos ", McGraw-Hill, Serie del Laboratorio de Radiación del MIT, Volumen 5, 1948.