Файл: Фогельсон, Т. Б. Импульсные водородные тиратроны.pdf

Суммарные коммутационные потерн при частоте следования им­ пульсов f„ равны

рым приближением определяющая предельно допустимые потери мощности в тиратроне п поэтому сведенная в качестве параметра для ряда типов тиратронов, как зарубежных, так и отечественных.

Фактически форма спада напряжения и роста тока сильно от­ личается от линейной. Относительно линейный участок на осцилло­ грамме анодного напряжения начинается с уровня около 0,9 Un. а закапчивается при напряжении около (0,5—0,4) Ua. Крутой «линей­ ный» рост тока начинается, когда спад напряжения на тиратроне уже почти закончился. Поэтому расчет потерь мощности по формуле

зависит от анодного напряжения н других параметров схемы, но возрастает с понижением давления (плотности) водорода в тира­ троне (см. гл. III).

Влияние параметров схемы на форму разрядного импульса то­ ка учитывается постоянной тСхЕсли формирующая линия представ­ ляет собой отрезок коаксиального кабеля с волновым сопротивле­

Тогда аналитическое выражение потерь мощности в тиратроне за

Если формирующая линия выполнена из ряда ячеек, включаю­ щих емкость С0 и индуктивность L„, то коммутационные потери в тиратроне можно определить с помощью следующих формул [92].

Для линии, согласованной с нагрузкой, т. е. при R„ = Z —

= У Li/Co, где L , — индуктивность первого звена (в сумме с индук­ тивностью выводов тиратрона), равная индуктивности La в осталь­ ных звеньях, потери равны

Если Rn y= Z и Ь^фЬа, формула принимает вид

Р ком = Р (1 + A) та/2 (1 -|- ink У L0Coha + Аха/ У L0C0), (VII.8).'

120

Коммутационные потери уменьшаются .при больших значениях тСх либо У L0C0 (уменьшение крутизны пе­

реднего фронта импульса тока анода). Для снижения коммутационных потерь можно использовать также спе­ циальные схемы, позволяющие задержать начало бы­ строго нарастания тока, пока не произойдет снижения анодного напряжения до напряжения горения [90, 93].

Второй фактор, влияющий на Рком — скорость спада анодного напряжения, определяется постоянной та, кото­ рая входит в формулы потерь во второй степени. Вели­ чина та зависит только от тиратрона и, как это уже от­ мечалось, заметно меняется с понижением давления во­ дорода в приборе. При высоких давлениях, когда та ма­ ла, коммутационные потери могут быть много меньше емкостных потерь [34, 91]. С понижением давления (плотности) газа доля коммутационных потерь резко увеличивается.

Так как плотность газа в тиратроне зависит от тем­ пературы электродов, определяющейся в свою очередь рассеиваемой мощностью, то значение та зависит от ре­ жима работы тиратрона. Такая неопределенность та значительно снижает точность расчета потерь мощности в тиратроне по формулам (VII.5) — (VII. 10). Например, только колебания напряжения накала в пределах 15% вызывают изменения та в тиратроне ТГИ1-2500/50 в 2—

лаждаемымн электродами в разных режимах работы. При расчете коммутационных потерь в мощных прибо­ рах целесообразно определять та непосредственно из ос­ циллограммы спада напряжения на тиратроне в данном электрическом режиме.

Емкостные потери Wc, Рс составляют заметную до­ лю стартовых потерь мощности в тиратроне и могут пре­ высить коммутационные потери [91].

Оценку емкостных потерь можно провести, считая, что в тиратроне выделяется вся энергия, запасенная

121

емкостями Са—с и Ссх в период заряда формирующей линии. Тогда

Минимальные емкостные потери, очевидно, обусловлены межэлектродной емкостью Са_с. Действие паразитной емкости схемы можно снизить, уменьшая Ссх, а также используя такое включение тиратрона, когда большая часть энергии, запасенной Ссх, рассеивается вне тира­ трона (рис. VII. 2,6). В общем случае

следует, что в режимах с одинаковыми значениями фак­ тора мощности F, но при разных параметрах схем (Ссх, Rn, т, k и т. д.) стартовые потери могут значительно различаться между собой.

Потери в период проводимости. Стартовые потери составляют основную долю потерь в режимах с малой длительностью импульса тока и большой частотой посы­ лок. С увеличением длительности импульса тока все большее значение приобретают потери в период горения разряда с установившейся амплитудой тока. Мощность, выделяемая в газе и на электродах в этот период, при

где ти — длительность импульса анодного тока; Д[/а_к — падение напряжения па тиратроне.

Потери проводимости растут пропорционально паде­

Отсюда следует, что потери мощности Япр растут с уве­ личением тока более, чем линейно.

В тиратроне с принудительным водяным охлаждением анода и сетки плотность газа вблизи этих электродов остается практически постоянной, независимо от режима работы прибора. Это позволяет проводить сравнение потерь в период проводимости в разных режи­ мах, используя экспериментально найденную для данного типа ти­

* Наклон вольт-ампернон характеристики &.Uа = f (!а), опре­

деляющий динамическое сопротивление тиратрона, зависит от скваж­ ности (т. е. в конечном счете от температуры катода и плотности газа в режиме импульсной работы). При расчете потерь по форму­

122

ратрона зависимость импульсных потерь в период проводимости от амплитуды тока. Импульсными потерями названа величина

ют с уменьшением скважности (рис. VII.3,6), что можно объяснить ростом эмиссии катода из-за повышения его температуры с увели­ чением среднего тока. Пользуясь графиками, приведенными на рис. VII.3, можно вычислить потерн в период проводимости в ти­ ратроне в режимах с разной длительностью импульса и частотой следования импульсов.

Послеимпульсные потери. Сразу же после окончания импульса тока к аноду тиратрона прикладывается отри­ цательное :(обратное) напряжение, возникающее на фор­ мирующей линии из-за существующего обычно рассогла­ сования сопротивления нагрузки RH с волновым сопро­ тивлением линии Z. В этот же период в объеме прибора еще существует плазма с высокой плотностью заряжен­ ных частиц. Остаточная плазма быстро распадается

.вследствие диффузии ионов и электронов к стенкам раз­ рядного промежутка и их рекомбинации здесь. Из рас­ падающейся плазмы на отрицательный анод течет зна­ чительный ионный ток, в образовании которого участ­ вуют ионы, находящиеся в пространстве между анодом и сеткой. Амплитуда ионного тока в мощных тиратронах

123

достигает нескольких десятков ампер, а длительность протекания его составляет 0 ,1 —0 ,2 мкс.

При высоком обратном напряжении ионный ток соз­ дает большие анодные потери

(VII.15)

и

На сетку приходит часть ионов плазмы из области катод— сетка, передавая сетке свою кинетическую энер­ гию и энергию ионизации.

Энергия, рассеиваемая при прохождении обратного тока, является функцией обратного напряжения, плот­ ности зарядов в остаточной плазме и скорости ее распа­ да. Осциллографические измерения /0ср и ио5р показа­ ли, что амплитуда обратного тока возрастает с увеличе­ нием прямого тока и обратного напряжения. При этом амплитуда.первого пика обратного напряжения, играю­ щего основную роль в образовании потерь №0 бр. зависит от нестационарных процессов в схеме, накладывающих на зарядную кривую ua= f (i) колебания со значитель­ ной амплитудой [33, 34].

Измерения, проведенные в [90, 91] показали, что по­ тери в обратный период определяются не самой ампли­ тудой прямого тока, а скоростью его снижения на конце импульса тока. Пока длительность импульса «0бр оста­ ется меньше длительности протекания i0бР, потери ЦД>бР растут пропорционально квадрату амплитуды обратного напряжения и пропорционально длительности его при­ ложения. Потери возрастают с повышением давления во­ дорода, что объясняется снижением скорости деиониза­ ции газа.

Потери мощности в обратный период особенно вели­ ки в режимах с большой частотой следования импуль­ сов, при большом рассогласовании Rn и Z и крутом спа­ де прямого тока. Уменьшить потери можно с помощью включения устройства, ускоряющего спад обратного на­ пряжения до небольшой величины [94].

Дополнительные потери мощности в тиратроне могут возникнуть и в период заряда формирующей линии, ес­ ли при высоком анодном напряжении появятся термоавтоэлектронные токи с сетки на анод. Хотя эти токи по абсолютной величине не превышают долей миллиампе­ ра, потери мощности, вызванные их прохождением при напряжениях порядка десятков киловольт, становятся ощутимыми.

124

VII.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ МЕЖДУ ЭЛЕКТРОДАМИ ТИРАТРОНА

Расход энергии в тиратроне при прохождении им­ пульса тока можно определить разными методами.

Численное интегрирование ло осциллограммам тока и напряжения на тиратроне позволяет разделить потери на составляющие, т. е. на потери стартовые, проводимо­ сти, послеимпульсные, но не дает оценки потерь на каж­ дом электроде в отдельности. Непосредственные изме­ рения потерь мощности на каждом электроде тиратрона в разные периоды горения разряда проводятся либо компенсационным, либо калориметрическим методами. Проведение измерений представляет значительные экс­ периментальные трудности, часто требуя изготовления специальных макетов тиратронов, снабженных термо­ парами и устройствами для нагрева или охлаждения электродов.

Для измерения потерь мощности на катоде обычно используется компенсационный метод. Он заключается в том, что с помощью термопар или пирометра измеряет­ ся температура катода Ти в импульсном режиме. Срав­ нивая полученное значение Гк с зависимостью темпера­ туры катода от мощности накала, легко определить мощ­ ность, выделившуюся на катоде из разряда.

Потери мощности на аноде или сетке тиратрона опре­ деляют калориметрическим методом по скорости нагре­ ва этих электродов при работе тиратрона в импульсном режиме. Наиболее просто .проводится калориметрирование потерь в приборах с водяным охлаждением элек­ тродов.

Калориметрическим методом можно измерить и сум­ марные потери мощности в тиратроне. Тиратрон поме­ щается в сосуд с водой [8 ] или маслом [90, 91] и из­ меряется скорость нагрева жидкости при работе тира­ трона в импульсном режиме. Отсюда вычисляется мощ­ ность Р, отводимая от тиратрона к жидкости. Потери, выделившиеся на электродах и стенках колбы тиратро­ на из разряда равны разности Р—Ра (Яи— мощность накала катода и генератора водорода).

Компенсационным и калориметрическим методами измеряются средние (суммарные) потери мощности на электродах. Разделение потерь на составляющие Яст, Япр и Робр осуществляется схемным способом. Так в ра­ боте [90, 91] путем калориметрирования было установ­ лено распределение потерь между электродами специ­

125-