Red formadora de pulsos

Una red formadora de pulsos ( PFN , por sus siglas en inglés) es un circuito eléctrico que acumula energía eléctrica durante un tiempo relativamente prolongado y luego la libera en forma de un pulso cuadrado de duración relativamente breve para diversas aplicaciones de potencia pulsada . En una PFN, los componentes de almacenamiento de energía, como condensadores , inductores o líneas de transmisión, se cargan mediante una fuente de alimentación de alto voltaje y luego se descargan rápidamente en una carga a través de un interruptor de alto voltaje , como un descargador de chispa o un tiratrón de hidrógeno . Las frecuencias de repetición varían desde pulsos individuales hasta aproximadamente 10⁴ ^por segundo. Las PFN se utilizan para producir pulsos eléctricos uniformes de corta duración para alimentar dispositivos como osciladores de tubo de klistrón o magnetrón en radares , láseres pulsados , aceleradores de partículas , tubos de destello y equipos de prueba de alta tensión.

Gran parte de los equipos de investigación de alta energía funcionan en modo pulsado, tanto para minimizar la disipación de calor como porque la física de alta energía suele desarrollarse en escalas de tiempo cortas; por ello, los PFN de gran tamaño se utilizan ampliamente en la investigación de alta energía. Se han empleado para generar pulsos de nanosegundos con voltajes de hasta 10⁶ ^– 10⁷ ^voltios y corrientes de hasta 10⁶ ^amperios , con una potencia máxima del orden de los teravatios, similar a la de los rayos .

Una PFN consta de una serie de condensadores e inductores de almacenamiento de energía de alto voltaje . Estos componentes están interconectados en una red en escalera que se comporta de forma similar a una línea de transmisión . Por esta razón, a veces se denomina a una PFN " línea de transmisión artificial o sintética ". La energía eléctrica se almacena inicialmente en los condensadores cargados de la PFN mediante una fuente de alimentación de CC de alto voltaje. Cuando la PFN se descarga, los condensadores se descargan secuencialmente, produciendo un pulso aproximadamente rectangular. Este pulso se conduce a la carga a través de una línea de transmisión . La PFN debe tener una impedancia adaptada a la carga para evitar que la energía se refleje de vuelta hacia la PFN.

Un tramo de línea de transmisión puede utilizarse como red de conformación de pulsos. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Esto puede generar pulsos prácticamente planos, aunque con el inconveniente de utilizar un cable de gran longitud.

En un generador de pulsos de línea de transmisión cargada simple (animación, derecha), un tramo de línea de transmisión, como un cable coaxial, se conecta mediante un interruptor a una carga adaptada R _L en un extremo y, en el otro extremo, a una fuente de voltaje 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, esta carga lentamente la capacitancia de la línea a través de R _S. Cuando se cierra el interruptor, se aplica un voltaje igual a V /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 escalón de voltaje viaja hacia arriba por la línea hacia la fuente. ^{[ 2 ]} El extremo de la línea que da a la fuente es aproximadamente un circuito abierto debido a la alta R _S , ^{[ 1 ]} por lo que el escalón se refleja sin invertir y viaja de regreso hacia abajo por 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 suele ser superior al 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.

Las PFN de alta potencia generalmente utilizan líneas de transmisión especializadas que consisten en tuberías llenas de aceite o agua desionizada como dieléctrico para soportar la alta tensión de potencia. ^{[ 2 ]}

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

Línea de transmisión de Blumlein

Un circuito de línea de transmisión que sorteaba el problema anterior, produciendo un pulso de salida igual a la tensión de alimentación V , fue inventado en 1937 por el ingeniero británico Alan Blumlein ^{[ 3 ]} y se utiliza ampliamente hoy en día en PFN. ^{[ 1 ]} En el generador de Blumlein (animación, derecha), la carga está conectada en serie entre dos líneas de transmisión de igual longitud, que se cargan mediante una fuente de alimentación de CC en un extremo (nótese 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, lo que provoca que un escalón de tensión negativa se propague hacia la carga. Dado que la impedancia característica Z ₀ de la línea se hace igual a la mitad de la impedancia de carga R _L , el escalón de voltaje se refleja y se transmite a la mitad, ^{[ 1 ]} resultando en dos escalones de voltaje simétricos de polaridad opuesta, que se propagan desde la carga, creando entre ellos una caída de voltaje de V /2  −  (− V /2)= V a través de la carga. Los escalones de voltaje se reflejan en 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 estar conectado a tierra, en lugar de estar ubicado en el lado de alto voltaje de la línea de transmisión como en la línea cargada típica, lo que complica la electrónica de disparo.

Al recibir una orden, un interruptor de alto voltaje transfiere la energía almacenada en la PFN a la carga. Cuando el interruptor se activa (se cierra), la red de condensadores e inductores dentro de la PFN genera 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.

En ocasiones, se conecta un transformador de impulsos especialmente diseñado entre la red de alimentación de potencia (PFN) y la carga. Esta técnica mejora la adaptación de impedancia entre la PFN y la carga, optimizando así la eficiencia de la transferencia de potencia . Generalmente, se requiere un transformador de impulsos al alimentar dispositivos de alta impedancia, como klistrones o magnetrones, desde una PFN. Debido a que la PFN se carga durante un tiempo relativamente prolongado y luego se descarga en un tiempo muy corto, el impulso de salida puede alcanzar una potencia máxima de megavatios o incluso teravatios.

La combinación de una fuente de alto voltaje, un PFN, un interruptor de alto voltaje y un transformador de impulsos (cuando sea necesario) a veces se denomina " modulador de potencia " o " generador de impulsos ".

• Pulso (procesamiento de señales)
• Generador de impulsos
• Potencia pulsada
• Tiratrón
• tiristor
• chispas desencadenadas
• Generador Marx
• Crossatrón
• Láser pulsado
• Radar

• Eric Heine, " Conversión ". Departamento de Electrónica de NIKHEF, Ámsterdam, Países Bajos.
• Riepe, Kenneth B., " Red de formación de pulsos de microsegundos de alto voltaje ". Review of Scientific Instruments, 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.