Генератор наносекундных импульсов схема: портал и журнал для разработчиков электроники

Генератор наносекундных импульсов

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике. Устройство содержит активный ключ, параллельно подключенный к зарядному устройству, дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, нагрузку, а также первый и второй резонансные контуры, каждый из которых включает емкостный и индуктивный накопители энергии соответственно первого и второго контуров. Второй резонансный контур дополнительно содержит источник постоянного напряжения, последовательно подключенный к индуктивному накопителю энергии второго контура и параллельно подключенный к емкостному накопителю энергии второго контура. Причем емкость последнего в 10-20 раз больше емкости емкостного накопителя энергии первого контура для обеспечения линейного разгона тока через индуктивный накопитель энергии второго контура. При этом напряжение источника постоянного напряжения U_иcтoч составляет 10-40% от напряжения зарядного устройства U_заряда индуктивные накопители энергии и первого, и второго контуров последовательно подключены к дрейфовому диоду, который выполнен с возможностью обрыва обратного тока в момент времени, когда суммарный заряд Q_диод, прошедший через него, определен выражением Q_диод=∫I_диод*dt=0, где t – время рабочего цикла дрейфового диода от 0 до t₃; Q_диод – заряд, прошедший через дрейфовый диод; I_диод – ток через дрейфовый диод; t₃ – момент обрыва обратного тока через дрейфовый диод. При этом источник постоянного напряжения, емкостный накопитель энергии второго контура и дрейфовый диод вторым выводом подключены к общей шине. Технический результат заявляемого решения заключается в увеличении частоты повторения выходных импульсов за счет отсутствия остаточных токов в дрейфовом диоде с резким восстановлением непроводящего состояния после окончания рабочего цикла. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для решения широкого спектра задач, например для систем питания мощных лазеров, управления ячейками Поккельса, генерации озона и т.д.

Известен генератор мощных наносекундных импульсов (варианты), на базе дрейфового диода с резким восстановлением, включающий последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду, и ключи (см. патент RU №2580787, H03K 3/53, 2016).

Недостатком известного устройства является наличие двух ключей, что усложняет реализацию схемы.

Также необходимо использовать быстродействующие ключи с коротким временем закрывания. Как правило, это полевые транзисторы, которые рассчитаны на небольшой ток, следовательно, данное устройство не предназначено для формирования высоковольтных (с амплитудами больше 2-3 кВ) импульсов напряжения.

Известен также генератор импульсов, содержащий дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, подключенный к земле ключ, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду (см. патент RU №2589240, H03K 3/53, 2016).

Недостатком известного устройства является сложность реализации, связанная с большим количеством элементов.

Также наличие остаточных затухающих токов в контурах и через дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния после окончания рабочего цикла приводит к дополнительному нагреву элементов цепи и уменьшению возможной частоты повторения импульсов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является генератор импульсов напряжения, содержащий активный ключ, параллельно подключенный к зарядному устройству, дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, нагрузку, а также первый и второй резонансные контура, каждый из которых включает емкостный и индуктивный накопители энергии соответственно первого и второго контура (см. патент US №8115343, H03K 3/02, 2012).

Генератор импульсов выполнен с возможностью генерирования, по меньшей мере, одного импульса, имеющего длину не более 100 наносекунд и амплитуду, по меньшей мере, 1 кВ.

Недостатками известного устройства являются:

1. После завершения рабочего цикла через контуры и диод с резким восстановлением протекают остаточные токи, которые приводят к дополнительному нагреву элементов и уменьшают частоту повторения выходных импульсов.

2. Ток через активный ключ имеет большую амплитуду, что приводит к возрастанию потерь на нем и уменьшению КПД.

Технический результат заявляемого решения заключается в увеличении частоты повторения выходных импульсов за счет отсутствия остаточных токов в дрейфовом диоде с резким восстановлением непроводящего состояния после окончания рабочего цикла.

Дополнительный технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия за счет сокращения потерь на активном ключе при формировании высоковольтных импульсов напряжения с высокой частотой их повторения.

Для достижения указанного технического результата в генераторе наносекундных импульсов, содержащем активный ключ, параллельно подключенный к зарядному устройству, дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, нагрузку, а также первый и второй резонансные контуры, каждый из которых включает емкостный и индуктивный накопители энергии соответственно первого и второго контуров, согласно изобретению второй резонансный контур дополнительно содержит источник постоянного напряжения, последовательно подключенный к индуктивному накопителю энергии второго контура и параллельно подключенный к емкостному накопителю энергии второго контура, причем емкость последнего в 10-20 раз больше емкости емкостного накопителя энергии первого контура для обеспечения линейного разгона тока через индуктивный накопитель энергии второго контура, при этом напряжение источника постоянного напряжения U_источ составляет 10-40% от напряжения зарядного устройства U_заряд, а индуктивные накопители энергии и первого и второго контуров последовательно подключены к дрейфовому диоду, который выполнен с возможностью обрыва обратного тока в момент времени, когда суммарный заряд Q_диод, прошедший через него определен выражением:

Q_диод=∫I_диод*t=0, где

t – время рабочего цикла дрейфового диода от 0 до t₃;

Q_диод – заряд, прошедший через дрейфовый диод;

I_диод – ток через дрейфовый диод;

t₃ – момент обрыва обратного тока через дрейфовый диод,

при этом источник постоянного напряжения, емкостный накопитель энергии второго контура и дрейфовый диод вторым выводом подключены к общей шине.

Также согласно изобретению, активный ключ соединен с зарядным устройством положительной полярности, а положительный электрод источника постоянного напряжения через индуктивный накопитель второго контура подключен к катоду дрейфового диода.

Также согласно изобретению, активный ключ соединен с зарядным устройством отрицательной полярности, а отрицательный электрод источника постоянного напряжения через индуктивный накопитель второго контура подключен к аноду дрейфового диода.

Наличие источника постоянного напряжения во втором контуре РК₂ и взаимосвязь его элементов, позволяет осуществлять разгон основного обратного тока через дрейфовый диод в контуре РК₂, а именно в контуре, где нет активного ключа. Это приводит к уменьшению тока через активный ключ, и, соответственно, к сокращению потерь на нем, к увеличению коэффициента полезного действия генератора.

Выполнение емкостного накопителя энергии второго контура в 10-20 раз больше емкостного накопителя энергии первого контура обеспечивает практически линейный разгон тока через индуктивный накопитель энергии второго контура для того, чтобы основная часть обратного тока шла через РК₂ и разгружала РК1, снижая потери, позволяла не допустить существенной разрядки емкостного накопителя энергии второго контура.

Заявляемая схема генератора наносекундных импульсов позволяет увеличить частоту повторения выходных импульсов поскольку сразу после окончания рабочего цикла дрейфовый диод готов к новому циклу работы из-за отсутствия остаточных токов в нем.

Это происходит, так как ток через дрейфовый диод обрывается в момент времени, когда суммарный заряд, прошедший через дрейфовый диод, становится равным нулю, и дрейфовый диод остается в обратно смещенном положении из-за приложенного к нему напряжения источника постоянного напряжения во втором контуре РК₂.

Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлена связь двух резонансных контуров РК₁ и РК₂ генератора и дрейфового диода; на фиг. 2 представлена функциональная схема генератора наносекундных импульсов напряжения положительной полярности; на фиг. 3 представлены временные графики токов, зарядов и напряжений в схеме, а именно на фиг. 3а представлен временной график тока через индуктивный накопитель энергии первого контура; на фиг. 3б представлен временной график тока через индуктивный накопитель энергии второго контура; на фиг. 3в представлен временной график тока через дрейфовый диод; на фиг. 3г представлен временной график напряжения на нагрузке; на фиг. 4 представлена схема генератора наносекундных импульсов напряжения отрицательной полярности.

Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертеже не представлено.

На чертежах использованы следующие позиции: 1 – дрейфовый диод; 2 – активный ключ; 3 – емкостный накопитель энергии первого контура; 4 – индуктивный накопитель энергии первого контура; 5 – зарядное устройство; 6 – источник постоянного напряжения; 7 – емкостный накопитель энергии второго контура; 8 – индуктивный накопитель энергии второго контура; 9 – разделительный конденсатор; 10 – нагрузка.

Генератор наносекундных импульсов включает два резонансных контура РК₁ и РК₂, которые подключены параллельно дрейфовому диоду 1 (фиг. 1).

Первый резонансный контур РК₁ генератора наносекундных импульсов включает последовательно соединенные между собой активный ключ 2, емкостный накопитель энергии первого контура 3 и индуктивный накопитель энергии первого контура 4 (фиг. 2).

Таким образом, согласно схеме первого контура РК₁, положительный электрод активного ключа 2 последовательно подключен к положительному электроду емкостного накопителя энергии 3, а также параллельно подключен к положительному электроду зарядного устройства 5, которое предназначено для зарядки емкостного накопителя энергии первого контура 3 до напряжения +U_заряд.

Второй отрицательны электрод активного ключа 2, а также отрицательный электрод зарядного устройства 5 и анод дрейфового диода 1 подключены к общей шине.

Также согласно схеме первого контура РК₁, индуктивный накопитель энергии первого контура 4 последовательно подключен, как к емкостному накопителю энергии 3, так и к катоду дрейфового диода 1.

Второй резонансный контур РК₂ генератора наносекундных импульсов включает источник постоянного напряжения 6, емкостный накопитель энергии второго контура 7 и индуктивный накопитель энергии второго контура 8 (фиг. 2).

Таким образом, согласно схеме второго контура РК₂, положительный электрод источника постоянного напряжения 6 параллельно подключен к положительному электроду емкостного накопителя энергии второго контура 7 и последовательно подключен к индуктивному накопителю второго контура 8.

Второй электрод индуктивного накопителя энергии второго контура 8 последовательно подключен к катоду дрейфового диода 1.

Отрицательный электрод источника постоянного напряжения 6 и электрод емкостного накопителя второго контура 7 подключены к общей шине.

Генератор наносекундных импульсов также включает разделительный конденсатор 9 и нагрузку 10.

При этом одним концом нагрузка 10 подключена параллельно дрейфовому диоду 1 через разделительный конденсатор 9.

Разделительный конденсатор 9 предназначен для блокировки протекания постоянного тока от источника постоянного напряжения 6 в нагрузку 10.

Второй конец нагрузки 10 подключен к общей шине.

Схема генератора, представленная на фиг. 4, отличается полярностью зарядного устройства 5, источника постоянного напряжения 6 и направлением включения дрейфового диода 1.

В этой схеме активный ключ 2 соединен с зарядным устройством 5 отрицательной полярности, а отрицательный электрод источника постоянного напряжения 6 через индуктивный накопитель второго контура 8 подключен к аноду дрейфового диода 1.

Катод дрейфового диода 1 соединен общей шиной с положительным электродом зарядного устройства 5, источника постоянного напряжения 6, активного ключа 2 и нагрузки 10.

Генератор наносекундных импульсов работает следующим образом.

В исходном состоянии активный ключ 2 разомкнут.

Емкостный накопитель энергии первого контура 3 заряжен до напряжения (U_заряд-U_источ), зарядное устройство 5 выключено.

Напряжение U_заряд – напряжение на зарядном устройстве 5 и электроде емкостного накопителя энергии первого контура 3.

Напряжение U_источ – напряжение на источнике постоянного напряжения 6.

Для достижения максимальной амплитуды выходного импульса напряжение на источнике постоянного напряжения U_источ выбирают в диапазоне от 10% до 40% от напряжения зарядного устройства U_заряд.

В момент времени t₁=0 замыкается активный ключ 2 и начинает протекать ток в цепи первого резонансного контура РК₁, а именно через активный ключ 2, емкостный накопитель энергии первого контура 3, индуктивный накопитель энергии первого контура 4 и дрейфовый диод 1.

Форма тока через индуктивный накопитель энергии первого контура 4 представлена на рис. 3а.

Максимальная амплитуда тока I_1max прямо пропорциональна напряжению, приложенному к емкостному накопителю энергии первого контура 3 (U_заряд-U_источ), и обратно пропорциональна волновому сопротивлению контура согласно формуле:

I_1max=(U_заряд-U_источ)/√L₁/C₁, где

I_1max – максимальный ток через индуктивный накопитель энергии первого контура 4;

L₁ – индуктивность индуктивного накопителя энергии первого контура 4;

С₁ – емкость емкостного накопителя энергии первого контура 3.

Период колебаний тока определяется выражением:

T=2π√L₁*C₁, где

Т – период колебаний тока в первом резонансном контуре РК₁,

π – математическая постоянная 3,14.

Падениями напряжения на активном ключе 2 и дрейфовом диоде 1 в общем случае можно пренебречь.

Одновременно с протеканием тока в первом резонансном контуре РК₁ начинает протекать ток I₂ в цепи второго резонансного контура РК₂, а именно через источник постоянного напряжения 6, емкостный накопитель энергии второго контура 7, индуктивный накопитель энергии второго контура 8 и через дрейфовый диод 1.

Разгон тока определяется выражением:

dI₂/dt=U_источ/L₂, где

I₂ – ток через индуктивный накопитель энергии второго контура 8;

L₂ – индуктивность индуктивного накопителя энергии второго контура 8.

Форма тока через индуктивный накопитель энергии второго контура 8 представлена на фиг. 3б.

Суммарный ток через дрейфовый диод 1 при этом имеет вид, представленный на фиг. 3в и определяется формулой:

I_диод=Ι₁+Ι₂, где

I_диод – ток через дрейфовый диод 1;

Ι₁ – ток через индуктивный накопитель энергии первого контура 4;

I₂ – ток через индуктивный накопитель энергии второго контура 8.

В момент времени t₂ полярность тока через дрейфовый диод 1 меняет знак на противоположный и накопленный во время протекания прямого тока заряд начинает выноситься из дрейфового диода 1.

Ток через дрейфовый диод 1 обрывается в момент времени t₃, когда суммарный заряд Q_диод, прошедший через дрейфовый диод 1 становится равным нулю, согласно выражению:

Q_диод=∫I_диод*dt=0, при этом t=0-t₃, где

Q_диод – заряд, прошедший через дрейфовый диод 1;

I_диод – ток через дрейфовый диод 1;

t₃ – момент времени, когда обрывается обратный ток через дрейфовый диод 1.

После момента времени t₃ ток через индуктивные накопители энергии первого контура 4 и второго контура 8 перебрасывается в нагрузку 10.

На нагрузке 10 возникает максимальное напряжение U_{наг max}, которое определяется выражением (см. фиг. 3г):

U_{наг max}≈I_{диод max}*R, где

I_{диод max} – пиковое значение, которого достиг ток через дрейфовый диод 1 в момент t₃;

R – сопротивление нагрузки 10.

I_{диод max}=I_{1 max}+I_2max, где

I_1max – максимальный ток через индуктивный накопитель энергии первого контура 4 в момент времени t₃;

I_2max – максимальный ток через индуктивный накопитель энергии второго контура 8 в момент времени t₃.

Передний фронт напряжения на нагрузке 10 определяется емкостью С_диода дрейфового диода 1 и скоростью его обратного восстановления, задний фронт определяется величиной индуктивности L индуктивных накопителей энергии первого контура 4 и второго контура 8, включенных параллельно и сопротивления R нагрузки 10.

Напряжение на нагрузке 10 в момент времени t₄ достигает значения, согласно выражению:

0,37*U_{наг max} ко времени t₄=t₃+t_LR, где

U_{наг max} – максимальное напряжение на нагрузке в момент времени t₃;

t_LR=L/R – постоянная времени.

После момента времени t₃ ток через дрейфовый диод 1 прекращается, и он остается в обратно смещенном положении из-за приложенного к нему напряжения U_источ.

Таким образом, он готов к новому циклу.

Частота повторения импульсов определяется скоростью закрытия активного ключа 2 и скоростью зарядки емкостного накопителя энергии первого контура 3 зарядным устройством 5 до напряжения (U_заряд-U_источ).

В качестве активного ключа 2 могут быть использованы биполярные транзисторы, полевые транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором, тиристоры и другие электронные ключи.

Генератор отрицательных наносекундных импульсов (фиг. 4) работает аналогично описанному выше, за исключением того, что направление токов через индуктивные накопители энергии первого контура 4 и второго контура 8, а также через дрейфовый диод 1 имеют противоположную полярность. Соответственно, с помощью этой схемы можно получить такие же выходные импульсы, только отрицательной полярности.

1. Генератор наносекундных импульсов, содержащий активный ключ, параллельно подключенный к зарядному устройству, дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, нагрузку, а также первый и второй резонансные контуры, каждый из которых включает емкостный и индуктивный накопители энергии соответственно первого и второго контуров, отличающийся тем, что второй резонансный контур дополнительно содержит источник постоянного напряжения, последовательно подключенный к индуктивному накопителю энергии второго контура и параллельно подключенный к емкостному накопителю энергии второго контура, причем емкость последнего в 10-20 раз больше емкости емкостного накопителя энергии первого контура для обеспечения линейного разгона тока через индуктивный накопитель энергии второго контура, при этом напряжение источника постоянного напряжения U_источ составляет 10-40% от напряжения зарядного устройства U_заряд, а индуктивные накопители энергии и первого и второго контуров последовательно подключены к дрейфовому диоду, который выполнен с возможностью обрыва обратного тока в момент времени, когда суммарный заряд Q_диод, прошедший через него, определен выражением:

Q_диод=∫I_диод*dt=0, где

t – время рабочего цикла дрейфового диода от 0 до t₃;

Q_диод – заряд, прошедший через дрейфовый диод;

I_диод – ток через дрейфовый диод;

t₃ – момент обрыва обратного тока через дрейфовый диод, при этом источник постоянного напряжения, емкостный накопитель энергии второго контура и дрейфовый диод вторым выводом подключены к общей шине.

2. Генератор наносекундных импульсов по п. 1, отличающийся тем, что активный ключ соединен с зарядным устройством положительной полярности, а положительный электрод источника постоянного напряжения через индуктивный накопитель энергии второго контура подключен к катоду дрейфового диода.

3. Генератор наносекундных импульсов по п. 1, отличающийся тем, что активный ключ соединен с зарядным устройством отрицательной полярности, а отрицательный электрод источника постоянного напряжения через индуктивный накопитель энергии второго контура подключен к аноду дрейфового диода.

Генератор наносекундных импульсов. ГНСИ. – EnergyScience.ru

Принципы получения мощных высоковольтных импульсов напряжения малой длительности.

Итак, из просмотра параметров и характеристик георадаров мы выяснили, что на антенну передатчика нужно подавать моноимпульс (его ещё называют видеоимпульс) напряжением в несколько сотен вольт и длительностью, в зависимости от выбранной частоты антенны, от долей наносекунды до нескольких наносекунд. Так же, как и в металлодетекторах, “пробивает” землю только мощный импульс. Речь идёт о токах в сотни ампер за эти несколько наносекунд. Так как частота повторения импульсов относительно невелика (по отношению к его длительности), то эта сумасшедшая мощность “размазывается” за счёт огромной скважности до вполне обычных величин.

Вот конкретный пример: передатчик “Геотрон” вырабатывает импульсы напряжением 600 В и длительностью 3-4 нс. Пиковый ток 10 А, пиковая мощность 6000 ВА. Частота повторения импульсов 42 КГц, что даёт среднюю мощность передатчика (за час работы) около 4 вт. Ток потребления передатчика от батареи около 300 мА (общий ток потребления георадара около 700 ма). В приборе использован литий-полимерный аккумулятор ёмкостью 10 а•час, что позволяет работать без подзарядки около 14 часов.

Еще совсем недавно изготовление таких передатчиков было уделом немногих “избранных” и представляло собой нетривиальную задачу. Однако всё течет, реку под названием “время” не бороздит только ленивый, причём, с помощью интернета, в любых направлениях и многократно. .. Теперь сделать такое устройство может и простой радиолюбитель, если начитается разной информации, любезно сваленной в интернет такими же любителями и достанет где-нибудь ВЧ (или СВЧ) осциллограф. Пока ещё можно прикупить старые советские С1-104 или даже стробоскоп С7-8, причём за небольшие деньги. Если у Вас нет такого осциллографа и нет тяги к паянию, то всё остальное можно не читать. Да, ещё голова желательна…

Итак, с чего надо начинать? Начинать надо с прочтения нескольких книг и работ, в которых просто и доходчиво излагаются принципы формирования мощных высоковольтных импульсов. Я так и сделал, причём прочёл их несколько раз. Сначала при разработке “Геотрона”, потом при начале совместных работ с Краснодарским ООО “ЮГ-МД”. Список прочитанного по теме можно посмотреть в конце этой статьи. Нетрудно убедиться, что практическое применение для радиолюбителя могут найти только схемы с диодными формирователями – обострителями импульса или разновидности генераторов Маркса. Всё остальное или сложно, или требует применения разных экзотических полупроводников или ферритов. Их или негде взять, или это слишком дорогое удовольствие. Попутно чтению надо искать осциллограф, а также потрошить и складывать впрок детали от не новых “материнок”, блоков питания компьютеров и прочей современной техники. Так же не помешает утаить от жены несколько зелёных сотен, но не сразу, а в течение года☺ Мне повезло, средства на покупку осциллографа и деталей были предоставлены Краснодарским ООО “ЮГ-МД” и жена так ни о чём и не узнала☺

Но вернёмся к теме. Я прочитал (и пролистал тоже) множество книг, просмотрел несколько сотен патентов и выяснил, что целый класс генераторов импульсов обходится копеечными диодами, работающими в специальных режимах. Примерно в 90-х годах прошлого века такие корифеи, как Кардо-Сысоев, Белкин, Дьяконов, Прохоренко, McEwan и др. провели серию исследований и доказали, что применяя обычные выпрямительные диоды типа КД204, КД220, ДЛ112 или 1N5408 можно получить на выходе генератора импульсы напряжением свыше 1000 В при длительности 2-8 нс и токах до 100 А.

Была использована аббревиатура ДДРВ – дрейфовый диод с резким восстановлением запирающих свойств (DSRD по-английски).Вообще, у меня сложилось впечатление, что в качестве ДДРВ может использоваться любой старый диод, изготовленный по “советской” технологии. Это КД203, КД204, КД220, КД230, КД226, ДЛ112-143 и т.п. Из зарубежных это 1N5408, MURS160, MURS360 и т.п. Новые полупроводники в таких режимах не работают… Но нам же лучше, старые диоды и стоят по-старому, то есть копейки. Теперь пришла пора разобраться, как же работает типовой формирователь импульсов с размыкателем тока, включённым параллельно нагрузке
Вот блок-схема (а практически – и принципиальная схема) такого генератора.

В этой схеме Q – любой ключ, можно использовать MOSFET, IGBT или лавинные транзисторы. Т – насыщающийся трансформатор. D – ДДРВ диод.
На вход ключа в момент t0 подаётся открывающий импульс, ключ Q открывается и трансформатор Т начинает намагничиваться.

На вторичной обмотке возникает эдс индукции и начинается заряд С через диод D в прямом направлении. На диаграмме справа от схем можно видеть, как растут напряжение на конденсаторе Uc и ток заряда I+. Он накапливается и в структуре ДДРВ. Пока всё понятно.
До момента t1 трансформатор не насыщен. Параметры обмоток Т выбраны так, чтобы он насытился в момент t1, что соответствует максимальному заряду С. Однако ток I+ к этому моменту уже не будет максимальным, начинает проявляться эффект насыщения. Этому режиму соответствует верхняя схема – связь между первичной и вторичной обмотками ненасыщенного трансформатора показана толстой вертикальной чертой. Так обычно и обозначают сердечники трансформаторов.
Однако далее в книге Белкина, на странице 9, где и объясняется принцип работы схемы, есть интересная фраза “Обмотки ТР (ДР) выбраны таким образом, чтобы ТР (ДР) замагнился в момент t1…”. Я прочитал эту фразу несколько раз и впал в ступор. На ум моментально пришло незабываемое “Наука имеет много гитик” (© Лев Кассиль, “Кондуит и Швамбрания”) и “Палочки должны быть попендикулярны”©. С этой мыслью я, не выходя из ступора, полез в интернет. К счастью, ссылок на “замагнившийся” трансформатор там не нашлось, кроме одной – это слово в дипломной работе использовал студент Томского университета.

И всё же, что имелось в виду под “замагнившимся трансформатором”? Я думаю, это всего лишь то, что в момент t1 произошло насыщение его сердечника. Это значит, что ток в первичной обмотке продолжает увеличиваться, однако магнитный поток уже не увеличивается (кончились свободные домены) и в какой-то момент прекращается заряд конденсатора С. Магнитная связь между обмотками практически исчезает. Вот тут я стал рассуждать сам, ибо в первоисточнике объяснения какие-то смутные и неполные. Этому состоянию я соотнес нижнюю схему, убрав связь обмоток (нет сердечника). Кроме того, ток I+ будет расти только до начала насыщения – этому соответствует максимум на графике ID. Далее ток будет уменьшаться и к моменту насыщения сердечника t1 прекратится совсем. Но напряжение Uc будет расти до самого насыщения сердечника.

Но тут возникли чисто технические вопросы. Во-первых, до какого напряжения зарядится конденсатор? Тут и гадать нечего, есть соотношения (уравнение) для трансформатора: Uc = k•UHV•(w2:w1). Предположим, схема питается от напряжения UHV=+150В. Если использовать трансформатор Т с коэффициентом w1:w2=1:4, как я видел в практических схемах, то заряд произойдет до напряжения Uc = 150•4 = 600В – за исключением падения напряжения на нагрузке. Во-вторых, какое сопротивление имеет нагрузка? Эти схемы обычно работают на нагрузку 50 Ом, это может быть как кабель, так и согласующее устройство антенны. Но в таком случае сопротивление ДДРВ диода в открытом состоянии должно быть минимум на порядок ниже, иначе и не стоило громоздить всё это. Думаю, что сопротивление ДДРВ в открытом состоянии не более нескольких ом, иначе не было бы такого всплеска напряжения.

В-третьих, стал понятен выбор колец столь малого размера для трансформатора Т. В схемах, подсмотренных в работах [1-8], применяются кольца от К7х4х3 из феррита М3000 до К12х6х6 из альсифера. Вспомним, как мы рассчитывали сетевые трансформаторы – по току холостого хода, исходя из не насыщения сердечника. И число витков было офигенно большим, если транс должен быть маленьким. Поэтому маленькие трансы вечно грелись и дымились. Тут всё наоборот – сердечник должен быть настолько малым, чтобы за пару микросекунд он гарантированно вошёл в насыщение… Поэтому и первичная обмотка имеет один, от силы два витка – легче всего транс загнать в насыщение перегрузкой по первичке. Собственно, только так они и входят в насыщение, нагрузка вторички, наоборот, может вывести его из насыщения. В-четвёртых, не будем мудрствовать и попытаемся “на пальцах” объяснить работу ДДРВ. В момент протекания прямого тока он открыт и шунтирует нагрузку Rн. То, что он открыт, ясно – на диоде присутствует прямое смещение. Вспомним работу диодного коммутатора – его все, наверное, делали хотя бы раз в жизни радиолюбителя. Заодно вспомним, что надо сделать, чтобы коммутатор закрылся: надо подать на него запирающее напряжение.

Если подавать его на анод, то оно должно быть отрицательным относительно катода. При превышении некоторого напряжения (зависит от схемы включения и метода измерения) диод закроется, т.е. его сопротивление резко увеличится. В принципе, в этой схеме будут работать любые диоды, однако не все закроются так быстро, как нам хочется. Осталось только найти такие, и импульс сформирован.

Вот теперь можно идти дальше. Итак, в момент t1 из-за насыщения сердечника Т прекратился заряд С. Значит, начинается его разряд – ибо это не сферический транс в вакууме и есть нагрузка. Но разрядный ток, естественно, потечет в обратном направлении. Поэтому напряжение на аноде ДДРВ станет отрицательным относительно катода и в момент t2 он закроется. Этот момент показан на нижней схеме как обрыв в цепи катода – т.е. он прекратит шунтировать на землю сопротивление нагрузки. Вся прелесть ДДРВ в том, что сопротивление возрастёт за доли наносекунд. В этот момент на конденсаторе остаётся примерно 60-70% накопленной энергии. Ну, тут просто предположения – из работ выяснилось, что кпд такого формирователя около 50%. Предположим, что остаточное напряжение на конденсаторе, как показатель не совсем растерянной энергии, около 500 В. Вот этот всплеск напряжения (и тока, разумеется), мы и увидим при резком увеличении до 50 Ом сопротивлении нагрузки. Просто перераспределятся падения напряжений на внутреннем сопротивлении конденсатора и на нагрузке.

Когда всё это хоть как-то заработает, тогда можно, подбором числа витков трансформатора, его размеров и типа сердечника добиться того, чтобы выключение ДДРВ произошло именно при максимуме I-. Тогда почти вся запасённая энергия выделится на нагрузке, а не уйдёт обратно в первичку или на нагрев ДДРВ. Теперь можно подумать, когда можно выключить ключ Q. Вообще, его можно закрывать в любой момент, обычно сразу после t1. Тогда он выключается при нулевом токе, что ускоряет процесс закрывания. После формирования импульса и выключения Q сердечник Т размагничивается, так как ток в обмотках равен нулю. Время полного размагничивания определяется свойствами сердечника и обычно составляет несколько мкс. Отсюда имеем максимальную частоту повторения импульсов до 50-100 КГц. И всё же есть в этих рассуждениях об использовании серийных диодов в быстродействующих схемах что-то радиолюбительское… Наберите в Гугле, например, аббревиатуру ДДРВ и Вы увидите всего лишь несколько ссылок. Нет никаких сведений о ДДРВ диодах в Википедии. Немногим лучше обстоит дело с англоязычной аббревиатурой DSRD. Тут можно наткнуться на патент Кардо-Сысоева (в базе патентов США, конечно), работы Прохоренко и других отцов-основателей. Как-то мало для такой важной тематики. Поневоле вспоминаешь книгу Говарда Джонсона “Конструирование высокоскоростных цифровых устройств. Начальный курс черной магии”. Так как в реальной схеме всегда присутствуют паразитные индуктивности и емкости (например, индуктивности выводов стока и обмоток трансформатора), то можно вести речь о колебательном процессе с некоей частотой. Появляются различные выбросы и затухающие колебания. Поэтому детали должны быть или безвыводными, или иметь выводы минимальной длины. Монтаж тоже должен отвечать специфическим требованиям – фольга с одной стороны используется как земля, проводники не должны иметь резких поворотов… В общем, прошу панов до черной магии СВЧ устройств.

Есть различные реализации этой схемы. Но одно остаётся неизменным – использование в качестве ДДРВ диодов общего применения. Во время работы над передатчиком нового радара, который я делаю совместно с Краснодарским ООО “ЮГ_МД”, были проверены несколько схем формирователей (обострителей) импульса на ДДРВ. В одной схеме были использованы диоды 1N5408 и ДЛ-112-16, в другой использовался набор из 8 диодов MURS360. Если учесть погрешности измерений, то результат экспериментов вполне соответствовал описанным в работах [2-6]. Удалось получить импульсы напряжением до 1000 В и длительностью 3-6 нс. Фото импульсов с экрана осциллографа можно увидеть на этом сайте, в разделе отчета о работе передатчика “НьюГеотрон”. Форма тока на эквиваленте нагрузки будет позже, когда соберу соответствующее приспособление.

Теперь можно подумать о том, как подать этот однополярный импульс на антенну. Разумеется, просто так это сделать нельзя – у того же четвертьволнового вибратора (дипольной антенны) имеется два вывода, а тут один выход. Ну, земля ещё © Хотя, просматривая патенты США, мне приходилось видеть принципиальные схемы, где один вывод диполя соединен с выходом передатчика, а второй, не мудрствуя лукаво, “посажен” на землю…
Вот типичный однополярный импульс с выхода формирователя.

По всем возникшим вопросам или предложениям обращаться по адресам!
Email: [email protected]
Email: [email protected]
Telegram: @AntonDremlyuga1

ГЕНЕРАТОР НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ И СХЕМА НА ЛАВИННЫХ ТРАНЗИСТОРАХ (Журнальная статья)

НАНОСЕКУНДНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ И СХЕМА НА ЛАВИННЫХ ТРАНЗИСТОРАХ (Журнальная статья) | ОСТИ.GOV

перейти к основному содержанию

• Полная запись
• Другое связанное исследование

ABS>Описан генератор импульсов, который работает с высокой непрерывной частотой повторения и вырабатывает прямоугольные или экспоненциальные импульсы. Схема полностью твердотельная и использует лавинные транзисторы. При 5 МГц ширина импульса регулируется от 2 до 10 нс с временем нарастания 0,5 нс и амплитудой 8 вольт на 50 Ом. При частоте 25 МГц генерируются экспоненциальные импульсы с временем нарастания 1 нс и временем спада 15 нс. (авт.)

Авторов:

Самуэли, Дж.Дж.; Саразин, А; Гайон, Дж.

Дата публикации:

1964-02-01

Исследовательская организация:

Institut de Physique Nucleaire, Лион

Идентификатор ОСТИ:

4014919

Номер АНБ:

НСА-18-020300

Тип ресурса:

Журнальная статья

Название журнала:

Нукл. Инстр. Методы

Дополнительная информация журнала:

Том журнала: Том: 26; Другая информация: ориг. Дата получения: 31-DEC-64

Страна публикации:

Страна неизвестна/код недоступен

Язык:

французский

Тема:

ПРИБОРЫ; ЦЕПИ; ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ; ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ; ЧАСТОТА; ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСОВ; ИМПУЛЬСЫ; ТРАНЗИСТОРЫ

---

Форматы цитирования

• ГНД
• АПА
• Чикаго
• БибТекс

Самуэли Дж. Дж., Саразин А. и Гайон Дж. ГЕНЕРАТОР НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ И СХЕМА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАВИННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ . Страна неизвестна/Код недоступен: N. p., 1964. Веб. doi: 10.1016/0029-554X(64)-7.

Копировать в буфер обмена

Самуэли, Дж. Дж., Саразин, А., и Гайон, Дж. ГЕНЕРАТОР НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ И СХЕМА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАВИННЫХ ТРАНЗИСТОРОВ . Страна неизвестна/код недоступен. https://doi.org/10.1016/0029-554X(64)-7

Копировать в буфер обмена

Самуэли, Дж. Дж., Саразин, А., и Гайон, Дж. 1964. «ГЕНЕРАТОР НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ И СХЕМА НА ЛАВИННЫХ ТРАНЗИСТОРАХ». Страна неизвестна/код недоступен. https://doi.org/10.1016/0029-554Х(64)-7.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_4014919,
title = {ГЕНЕРАТОР НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ И СХЕМА НА ЛАВИННЫХ ТРАНЗИСТОРАХ},
автор = {Самуэли, Дж. Дж., Саразин, А. и Гийон, Дж.},
abstractNote = {ABS>Описан генератор импульсов, который работает с высокой частотой повторения и генерирует прямоугольные или экспоненциальные импульсы. Схема полностью твердотельная и использует лавинные транзисторы. При 5 МГц ширина импульса регулируется от 2 до 10 нс с временем нарастания 0,5 нс и амплитудой 8 вольт на 50 Ом. При частоте 25 МГц генерируются экспоненциальные импульсы с временем нарастания 1 нс и временем спада 15 нс. (авт.)},
дои = {10.1016/0029-554X(64)-7},
URL-адрес = {https://www.osti.gov/biblio/4014919}, журнал = {Нукл. Инстр. Методы},
номер = ,
объем = объем: 26,
place = {Страна неизвестна/Код недоступен},
год = {1964},
месяц = ​​{2}
}

Копировать в буфер обмена

---

https://doi.org/10.1016/0029-554X(64)-7

Найти в Google Scholar

Поиск в WorldCat, чтобы найти библиотеки, в которых может храниться этот журнал Вы должны войти в систему или создать учетную запись, чтобы сохранять документы в своей библиотеке.

Аналогичных записей в сборниках OSTI.GOV:

• Аналогичные записи

Анализ схемы

– Понимание генератора субнаносекундных импульсов

Задавать вопрос

спросил 1 год, 3 месяца назад

Изменено 1 год, 2 месяца назад

Просмотрено 376 раз

\$\начало группы\$

Я читал несколько статей (1,2), в которых используется диод с ступенчатым восстановлением для генерации субнаносекундных электрических импульсов для пульсации светодиода. Я просто пытаюсь понять назначение каждого из компонентов в схеме генерации импульсов, которая показана на приложенном рисунке, любая помощь будет очень признательна.

Насколько я понимаю, SRD и короткозамкнутый коаксиальный кабель (RG-316) создают короткий электрический импульс следующим образом: Цепь запускается входной прямоугольной волной. Когда SRD переключается с прямого смещения («включено») на обратное отсечку («выключено»), обратный ток кратковременно течет, поскольку заряд, накопленный в диоде, разряжается. Этот импульс разделяется на два пути — один к выходу и один по закороченному коаксиальному кабелю. Импульс, отраженный коротким замыканием, достигает выхода с задержкой, пропорциональной длине коаксиального кабеля, где он деструктивно интерферирует с другим импульсом… короткий выходной импульс равен этой задержке, так как это часть волн, которые не «отменяется» деструктивной интерференцией.

Назначение других компонентов генератора SRD мне не очень ясно. Я считаю, что крышка 470 нф и индуктор 33 мкГн представляют собой тройник смещения, который позволяет добавить смещение постоянного тока к выходному импульсу. Я думаю, что конденсатор 100 нФ и резистор 100 Ом представляют собой фильтр верхних частот для связи по переменному току с триггерного входа. Что мне наименее ясно, так это назначение диода Шоттки (SD) и прилегающего к нему конденсатора 470 нФ и резистора 56 Ом, любые мысли по этому поводу будут приветствоваться.

Каталожные номера: (1) Бинь и др., «Простой субнаносекундный генератор импульсов ультрафиолетового света с высокой частотой повторения и пиковой мощностью», Review of Scientific Instruments, 84 (2013) (2) Ли и Нгуен, «Генератор одноплоскостных пикосекундных импульсов с использованием диода с ступенчатым восстановлением», Electronics Letters, 37 (2001).

• анализ цепей
• драйвер светодиодов
• импульс

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Описание схемы, которое вы дали, верное.