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 un pulso relativamente cuadrado de duración comparativamente breve para varias aplicaciones de energía pulsada . En una PFN, los componentes de almacenamiento de energía, como condensadores , inductores o líneas de transmisión , se cargan por medio de una fuente de energía de alto voltaje y luego se descargan rápidamente en una carga a través de un interruptor de alto voltaje , como un descargador de chispas o un tiratrón de hidrógeno . Las tasas de repetición varían desde pulsos individuales hasta aproximadamente 10 4 por segundo. Las PFN se utilizan para producir pulsos eléctricos uniformes de corta duración para alimentar dispositivos como osciladores de tubo de magnetrón o klistrón en equipos de radar , láseres pulsados , aceleradores de partículas , tubos de destello y equipos de prueba de servicios públicos de alto voltaje.
Muchos equipos de investigación de alta energía funcionan 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 las PFN grandes se usan ampliamente en la investigación de alta energía. Se han utilizado para producir pulsos de longitud de nanosegundos con voltajes de hasta 10 6 – 10 7 voltios y corrientes de hasta 10 6 amperios, con potencia pico en el rango de los teravatios, similar a los rayos .
Una PFN consta de una serie de condensadores e inductores 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 este motivo, a veces se denomina a una PFN " línea de transmisión artificial o sintética ". La energía eléctrica se almacena inicialmente dentro de los condensadores cargados de la PFN mediante una fuente de alimentación de CC de alto voltaje. Cuando se descarga la PFN, los condensadores se descargan en secuencia, lo que produce un pulso aproximadamente rectangular. El 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.
Se puede utilizar una longitud de línea de transmisión como red de formación de pulsos. [1] [2] Esto puede generar pulsos con extremos 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 adaptada 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, 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 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 al alto R S , [1] por lo que el paso se refleja sin invertir y viaja de regreso 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 líneas de transmisión típicas es generalmente más 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.
Las 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 alta tensión de 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 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]
En 1937, el ingeniero británico Alan Blumlein [3] inventó un circuito de línea de transmisión que evitaba el problema anterior y producía un pulso de salida igual al voltaje de la fuente de alimentación V y hoy en día se usa ampliamente en las 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 (observe que la línea derecha se carga a través de la impedancia de la carga). [1] Para activar el pulso, un interruptor cortocircuita la línea en el extremo de la fuente de alimentación, lo que hace que un paso de voltaje negativo viaje hacia la carga. Como la impedancia característica Z 0 de la línea se hace igual a la mitad de la impedancia de carga R L , el paso de voltaje se refleja y se transmite a la mitad, [1] lo que da como resultado dos pasos de voltaje simétricos de polaridad opuesta, que se propagan lejos de la carga, creando entre ellos una 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 líneas 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.
Al recibir una orden, un interruptor de alto voltaje transfiere la energía almacenada dentro de la PFN a la carga. Cuando el interruptor se " activa " (se cierra), la red de capacitores e inductores dentro de la PFN crea un pulso de salida aproximadamente cuadrado de corta duración y alta potencia. Este pulso de alta potencia se convierte en una fuente breve de alta potencia para la carga.
A veces, se conecta un transformador de pulsos especialmente diseñado entre la PFN y la carga. Esta técnica mejora la adaptación de impedancia entre la PFN y la carga, de modo de mejorar la eficiencia de transferencia de potencia . Normalmente, se requiere un transformador de pulsos cuando se accionan dispositivos de mayor impedancia, como klistrones o magnetrones, desde una PFN. Debido a que la PFN se carga durante un tiempo relativamente largo y luego se descarga en un tiempo muy corto, el pulso de salida puede tener una potencia pico de megavatios o incluso teravatios.
La combinación de una fuente de alto voltaje, PFN, interruptor HV y transformador de pulso (cuando sea necesario) a veces se denomina " modulador de potencia " o " pulsador ".