Как изготовить мощный высоковольтный генератор импульсов. Высоковольтные генераторы с индуктивными накопителями энергии. Плюсы и минусы

Генераторы прямоугольных импульсов широко используются в радиотехнике, телевидении, системах автоматического управления и вычислительной технике.

Для получения импульсов прямоугольной формы с крутыми фронтами широко применяются устройства, принцип работы которых основан на использовании электронных усилителей с положительной обратной связью. К этим устройствам относятся так называемые релаксационные генераторы – мультивибраторы, блокинг-генераторы. Эти генераторы могут работать в одном из следующих режимов: ждущем, автоколебательном, синхронизации и деления частоты.

В ждущем режиме генератор имеет одно устойчивое состояние равновесия. Внешний запускающий импульс вызывает скачкообразный переход ждущего генератора в новое состояние, которое не является устойчивым. В этом состоянии, называемом квазиравновесным, или временно устойчивым, в схеме генератора происходят относительно медленные процессы, которые в конечном итоге приводят к обратному скачку, после чего устанавливается устойчивое исходное состояние. Длительность состояния квазиравновесия, определяющая длительность генерируемого прямоугольного импульса, зависит от параметров схемы генератора. Основными требованиями к ждущим генераторам является стабильность длительности формируемого импульса и устойчивость его исходного состояния. Ждущие генераторы применяются, прежде всего, для получения определенного временного интервала, начало и конец которого фиксируются соответственно фронтом и спадом генерируемого прямоугольного импульса, а также для расширения импульсов, для деления частоты повторения импульсов и других целей.

В автоколебательном режиме генератор имеет два состояния квазиравновесия и не имеет ни одного устойчивого состояния. В этом режиме без какого-либо внешнего воздействия генератор последовательно переходит скачком из одного состояния квазиравновесия в другое. При этом генерируются импульсы, амплитуда, длительность и частота повторения которых определяются в основном только параметрами генератора. Основным требованием, предъявляемым к таким генераторам, является высокая стабильность частоты автоколебаний. Между тем в результате изменения питающих напряжений, смены и старения элементов, воздействия других факторов (температуры, влажности, наводок и т. п.) стабильность частоты автоколебаний генератора обычно невелика.

В режиме синхронизации или деления частоты частота повторения генерируемых импульсов определяется частотой внешнего синхронизирующего напряжения (синусоидального или импульсного), подаваемого в схему генератора. Частота повторения импульсов равна или кратна частоте синхронизирующего напряжения.

Генератор периодически повторяющихся прямоугольных импульсов релаксационного типа называется мультивибратором.

Схема мультивибратора может быть реализована как на дискретных элементах, так и в интегральном исполнении.

Мультивибратор на дискретных элементах. В таком мультивибраторе используют два усилительных каскада, охваченных обратной связью. Одна ветвь обратной связи образована конденсатором и резистором, а другая – и (рис. 6.16).

состояний и обеспечивает генерирование периодически повторяющихся импульсов, форма которых близка прямоугольной.

В мультивибраторе оба транзистора могут находиться в активном режиме очень короткое время, так как в результате действия положительной обратной связи схема скачком переходит в состояние, когда один транзистор открыт, а другой закрыт.

Примем для определенности, что в момент времени транзисторVT 1 открыт и насыщен, а транзисторVT 2 закрыт (рис. 6.17). Конденсаторза счет тока, протекавшего в схеме в предшествующие моменты времени, заряжен до определенного напряжения. Полярность этого напряжения такова, что к базе транзистораVT 2 относительно эмиттера приложено отрицательное напряжение иVT 2 закрыт. Поскольку один транзистор закрыт, а другой открыт и насыщен, в схеме не выполняется условие самовозбуждения, так как коэффициенты усиления каскадов
.

В таком состоянии в схеме протекают два процесса. Один процесс связан с протеканием тока перезаряда конденсатора от источника питания по цепи резистор – открытый транзистор VT 1 .Второй процесс обусловлен зарядом конденсатора через резистор
и базовую цепь транзистораVT 1 , в результате напряжение на коллекторе транзистора VT 2 увеличивается (рис. 6.17). Поскольку резистор, включаемый в базовую цепь транзистора, имеет большее сопротивление, чем коллекторный резистор (
), время заряда конденсатора меньше времени перезаряда конденсатора.

открыт, поскольку его база оказывается подключенной к положительному полюсу источника питания через резистор .

Базовое
и коллекторное
напряжения транзистораVT 1 при этом не изменяются. Это состояние схемы называется квазиустойчивым.

В момент времени по мере перезаряда конденсатора напряжение на базе транзистора VT 2 достигает напряжения открывания и транзистор VT 2 переходит в активный режим работы, для которого
. При открывании VT 2 увеличивается коллекторный ток и соответственно уменьшается
. Уменьшение
вызывает снижение базового тока транзистораVT 1 , что, в свою очередь, приводит к уменьшению коллекторного тока . Снижение токасопровождается увеличением базового тока транзистораVT 2 , поскольку ток, протекающий через резистор
, ответвляется в базу транзистораVT 2 и
.

После того как транзистор VT 1 выйдет из режима насыщения, в схеме выполняется условие самовозбуждения:
. При этом процесс переключения схемы протекает лавинообразно и заканчивается, когда транзистор VT 2 переходит в режим насыщения, а транзистор VT 1 – в режим отсечки.

В дальнейшем практически разряженный конденсатор (
) заряжается от источника питания по цепи резистор
– базовая цепь открытого транзистора VT 2 по экспоненциальному закону с постоянной времени
. В результате в течение времени
происходит увеличение напряжения на конденсаторе до
и формируется фронт коллекторного напряжения
транзистораVT 1 .

Закрытое состояние транзистора VT 1 обеспечивается тем, что первоначально заряженный до напряжения конденсатор через открытый транзисторVT 2 подключен к промежутку база – эмиттер транзистора VT 1 , чем поддерживается отрицательное напряжение на его базе. С течением времени запирающее напряжение на базе изменяется, поскольку конденсатор перезаряжается по цепи резистор – открытый транзистор VT 2 . В момент времени напряжение на базе транзистора VT 1 достигает значения
и он открывается.

В схеме снова выполняется условие самовозбуждения и развивается регенеративный процесс, в результате которого транзистор VT 1 переходит в режим насыщения, а VT 2 закрывается. Конденсатор оказывается заряженным до напряжения
, а конденсатор практически разряжен(
). Это соответствует моменту времени , с которого началось рассмотрение процессов в схеме. На этом полный цикл работы мультивибратора заканчивается, так как в дальнейшем процессы в схеме повторяются.

Как следует из временной диаграммы (рис. 6.17), в мультивибраторе периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы можно снимать с коллекторов обоих транзисторов. В случае, когда нагрузка подключается к коллектору транзистора VT 2 , длительность импульсов определяется процессом перезаряда конденсатора , а длительность паузы – процессом перезаряда конденсатора .

Цепь перезаряда конденсатора содержит один реактивный элемент, поэтому , где
;
;.

Таким образом, .

Процесс перезаряда заканчивается в момент времени, когда
. Следовательно, длительность положительного импульса коллекторного напряжения транзистораVT 2 определяется формулой:

.

В том случае, когда мультивибратор выполнен на германиевых транзисторах, формула упрощается , поскольку
.

Процесс перезаряда конденсатора , который определяет длительность паузымежду импульсами коллекторного напряжения транзистораVT 2 , протекает в такой же эквивалентной схеме и при тех же условиях, что и процесс перезаряда конденсатора , только с другой постоянной времени:
. Поэтому формула для расчета аналогична формуле для расчета:

.

Обычно в мультивибраторе длительность импульса и длительность паузы регулируют, изменяя сопротивление резисторов и.

Длительности фронтов зависят от времени открывания транзисторов и определяются временем заряда конденсатора через коллекторный резистор того же плеча
. При расчете мультивибратора необходимо выполнить условие насыщения открытого транзистора
. Для транзистораVT 2 без учета тока
перезаряда конденсатораток
. Следовательно, для транзистораVT 1 условие насыщения
, а для транзистораVT 2 -
.

Частота генерируемых импульсов
. Основным препятствием увеличения частоты генерирования импульсов является большая длительность фронта импульсов. Снижение длительности фронта импульса за счет уменьшения сопротивлений коллекторных резисторов может привести к невыполнению условия насыщения.

При большой степени насыщения в рассмотренной схеме мультивибратора возможны случаи, когда после включении оба транзистора насыщены и колебания отсутствуют. Это соответствует жесткому режиму самовозбуждения. Для предотвращения этого следует выбирать режим работы открытого транзистора вблизи границы насыщения, чтобы сохранить достаточный коэффициент усиления в цепи обратной связи, а также использовать специальные схемы мультивибраторов.

Если длительность импульса равна длительности, что обычно достигается при , то такой мультивибратор называетсясимметричным.

Длительность фронта генерируемых мультивибратором импульсов можно существенно уменьшить, если дополнительно ввести в схему диоды (рис. 6.18).

Когда, например, закрывается транзистор VT 2 и начинает увеличиваться коллекторное напряжение, то к диоду VD 2 прикладывается обратное напряжение, он закрывается и тем самым отключает заряжающийся конденсатор от коллектора транзистораVT 2 . В результате ток заряда конденсатора протекает уже не через резистор, а через резистор . Следовательно, длительность фронта импульса коллекторного напряжения
теперь определяется только процессом закрывания транзистора VT 2 . Аналогично работает и диод VD 1 при заряде конденсатора .

Хотя в такой схеме длительность фронта существенно уменьшена, время заряда конденсаторов, которое ограничивает скважность импульсов, практически не изменяется. Постоянные времени
и
не могут быть уменьшены за счет снижения. Резисторв открытом состоянии транзистора через открытый диод подключается параллельно резистору .В результате при
возрастает потребляемая схемой мощность.

Мультивибратор на интегральных схемах (рис. 6.19).Простейшая схема содержит два инвертирующих логических элемента ЛЭ1 и ЛЭ2 , две времязадающие цепочки
и
и диодыVD 1 , VD 2 .

В момент времени
и на выходеЛЭ2
. В результате на вход ЛЭ1 через конденсатор , который заряжен до напряжения
, подается напряжение иЛЭ1 переходит в состояние нуля
. Так как напряжение на выходе ЛЭ1 уменьшилось, то конденсатор начинает разряжаться. В результате на резисторе возникнет напряжение отрицательной полярности, откроется диод VD 2 и конденсатор быстро разрядится до напряжения
. После окончания этого процесса напряжение на входе ЛЭ2
.

Одновременно в схеме протекает процесс заряда конденсатора и с течением времени напряжение на входе ЛЭ1 уменьшается. Когда в момент времени напряжение
,
,
. Процессы начинают повторяться. Опять происходит заряд конденсатора , а конденсатор разряжается через открытый диод VD 1 . Поскольку сопротивление открытого диода намного меньше сопротивления резисторов , и, разряд конденсаторов и происходит быстрее, чем их заряд.

Напряжение на входе ЛЭ1 в интервале времени
определяется процессом заряда конденсатора :, где
;
– выходное сопротивление логического элемента в состоянии единицы;
;
, откуда
. Когда
, заканчивается формирование импульса на выходе элемента ЛЭ2 , следовательно, длительность импульса

.

Длительность паузы между импульсами (интервал времени от до ) определяется процессом заряда конденсатора , поэтому

.

Длительность фронта генерируемых импульсов определяется временем переключения логических элементов.

На временной диаграмме (рис. 6.20) амплитуда выходных импульсов не меняется:
, поскольку при ее построении не учитывалось выходное сопротивление логического элемента. С учетом конечности этого выходного сопротивления амплитуда импульсов будет изменяться.

Недостатком рассмотренной простейшей схемы мультивибратора на логических элементах является жесткий режим самовозбуждения и связанное с этим возможное отсутствие колебательного режима работы. Этот недостаток схемы можно исключить, если дополнительно ввести логический элемент И (рис. 6.21).

Когда мультивибратор генерирует импульсы, то на выходе ЛЭ3
, поскольку
. Однако вследствие жесткого режима самовозбуждения возможен такой случай, когда при включении напряжения источника питания из-за малой скорости нарастания напряжения ток заряда конденсаторов и оказывается небольшим. При этом падение напряжения на резисторах и может быть меньше порогового
и оба элемента(ЛЭ1 и ЛЭ2 ) окажутся в состоянии, когда напряжения на их выходах
. При таком сочетании входных сигналов на выходе элемента ЛЭ3 возникнет напряжение
, которое через резистор подается на вход элемента ЛЭ2 . Так как
, то ЛЭ2 переводится в состояние нуля и схема начинает генерировать импульсы.

Для построения генераторов прямоугольных импульсов наряду с дискретными элементами и ЛЭ в интегральном исполнении используются операционные усилители.

поэтому напряжение на инвертирующем входе
зависит не только от напряжения на выходе усилителя, но и является функцией времени, поскольку
.

На неинвертирующем входе действует положительное напряжение
. Напряжение
остается постоянным, а напряжение на инвертирующем входе
с течением времени увеличивается, стремясь к уровню
, поскольку в схеме протекает процесс перезаряда конденсатора .

Однако пока
, состояние усилителя определяет напряжение на неинвертирующем входе и на выходе сохраняется уровень
.

В момент времени напряжения на входах операционного усилителя становятся равными:
. Дальнейшее незначительное увеличение
приводит к тому, что дифференциальное (разностное) напряжение на инвертирующем входе усилителя
оказывается положительным, поэтому напряжение на выходе резко уменьшается и становится отрицательным
. Так как напряжение на выходе операционного усилителя изменило полярность, то конденсатор в дальнейшем перезаряжается и напряжение на нем, а также напряжение на инвертирующем входе стремятся к
.

В момент времени опять
и затем дифференциальное (разностное) напряжение на входе усилителя
становится отрицательным. Так как оно действует на инвертирующем входе, то напряжение на выходе усилителя скачком опять принимает значение
. Напряжение на неинвертирующем входе также скачком изменяется
. Конденсатор , который к моменту времени зарядился до отрицательного напряжения, опять перезаряжается и напряжение на инвертирующем входе возрастает, стремясь к
. Так как при этом
, то напряжение на выходе усилителя сохраняется постоянным. Как следует из временной диаграммы (рис. 6.23), в момент времени полный цикл работы схемы заканчивается и в дальнейшем процессы в ней повторяются. Таким образом, на выходе схемы генерируются периодически повторяющиеся импульсы прямоугольной формы, амплитуда которых при
равна
. Длительность импульсов (интервал времени
) определяется временем перезаряда конденсатора по экспоненциальному закону от
до
с постоянной времени
, где
– выходное сопротивление операционного усилителя. Поскольку во время паузы (интервал
) перезаряд конденсатора происходит в точно таких же условиях, что и при формировании импульсов, то
. Следовательно, схема работает как симметричный мультивибратор.

происходит с постоянной времени
. При отрицательном напряжении на выходе (
) открыт диодVD 2 и постоянная времени перезаряда конденсатора , определяющая длительность паузы,
.

Ждущий мультивибратор или одновибратор имеет одно устойчивое состояние и обеспечивает генерирование прямоугольных импульсов при подаче на вход схемы коротких запускающих импульсов.

Одновибратор на дискретных элементах состоит из двух усилительных каскадов, охваченных положительной обратной связью (рис. 6.25).

транзистора VT 1 зависит от коллекторного тока транзистора VT 2 . Такую схему называют одновибратором с эмиттерной связью. Параметры схемы рассчитываются таким образом, чтобы в исходном состоянии в отсутствие входных импульсов транзистор VT 2 был открыт и насыщен, а VT 1 находился в режиме отсечки. Такое состояние схемы, являющееся устойчивым, обеспечивается при выполнении условий:
.

Положим, что одновибратор находится в устойчивом состоянии. Тогда токи и напряжения в схеме будут постоянными. База транзистора VT 2 через резистор подключена к положительному полюсу источника питания, что в принципе обеспечивает открытое состояние транзистора. Для расчета коллекторного
и базового токов имеем систему уравнений

.

Определив отсюда токи
и , условие насыщения запишем в виде:

.

Если учесть, что
и
, тополученное выражение существенно упрощается:
.

На резисторе за счет протекания токов ,
создается падение напряжения
. В результате разность потенциалов между базой и эмиттером транзистораVT 1 определяется выражением:

Если в схеме выполняется условие
, то транзисторVT 1 закрыт. Конденсатор при этом заряжен до напряжения . Полярность напряжения на конденсаторе указана на рис. 6.25.

Когда транзистор VT 1 открывается, конденсатор оказывается подключенным к области база – эмиттер транзистора VT 2 таким образом, что потенциал базы становится отрицательным и транзистор VT 2 переходит в режим отсечки. Процесс переключения схемы носит лавинообразный характер, поскольку в это время в схеме выполняется условие самовозбуждения. Время переключения схемы определяется длительностью процессов включения транзистора VT 1 и выключения транзистора VT 2 и составляет доли микросекунды.

При закрывании транзистора VT 2 через резистор перестают протекать коллекторный и базовый токи VT 2 . В результате транзистор VT 1 остается в открытом состоянии даже после окончания входного импульса. В это время на резисторе падает напряжение
.

Состояние схемы, когда транзистор VT 1 открыт, а VT 2 закрыт, является квазиустойчивым. Конденсатор через резистор , открытый транзистор VT 1 и резистор оказывается подключенным к источнику питания таким образом, что напряжение на нем имеет встречную полярность. В схеме протекает ток перезаряда конденсатора , и напряжение на нем, а следовательно, и на базе транзистора VT 2 стремится к положительному уровню.

Изменение напряжения
носит экспоненциальный характер:, где
. Начальное напряжение на базе транзистораVT 2 определяется напряжением, до которого первоначально заряжен конденсатор и остаточным напряжением на открытом транзисторе:

Предельное значение напряжения, к которому стремится напряжение на базе транзистора VT 2 , .

Здесь учтено, что через резистор протекает не только ток перезаряда конденсатора , но и ток открытого транзистораVT 1 . Следовательно, .

В момент времени напряжение
достигает напряжения отпирания
и транзисторVT 2 открывается. Появившийся коллекторный ток создает дополнительное падение напряжения на резисторе , что приводит к уменьшению напряжения
. Это вызывает уменьшение базового и коллекторноготоков и соответствующее увеличение напряжения
. Положительное приращение коллекторного напряжения транзистораVT 1 через конденсатор передается в цепь базы транзистора VT 2 и способствует еще большему нарастанию его коллекторного тока . В схеме опять развивается регенеративный процесс, оканчивающийся тем, что транзисторVT 1 закрывается, а транзистор VT 2 переходит в режим насыщения. На этом процесс генерирования импульса заканчивается. Длительность импульса определяется, если положить
: .

После окончания импульса в схеме протекает процесс заряда конденсатора по цепи, состоящей из резисторов
, и эмиттерной цепи открытого транзистора VT 2 . В начальный момент базовый ток транзистораVT 2 равен сумме токов заряда конденсатора : тока , ограниченного сопротивлением резистора
, и тока, протекающего через резистор . По мере заряда конденсатора ток уменьшается и соответственно снижается ток базы транзистораVT 2 , стремясь к стационарному значению, определяемому резистором . В результате в момент открывания транзистора VT 2 падение напряжения на резисторе оказывается больше стационарного значения, что приводит к увеличению отрицательного напряжения на базе транзистора VT 1 . Когда напряжение на конденсаторе достигает значения
схема переходит в исходное состояние. Длительность процесса дозаряда конденсатора , который называется этапом восстановления, определяется соотношением .

Минимальный период повторения импульсов одновибратора
, а максимальная частота
. Если интервал между входными импульсами окажется меньше, то конденсатор не успеет дозарядиться и это приведет к изменению длительности генерируемых импульсов.

Амплитуда генерируемых импульсов определяется разностью напряжений на коллекторе транзистора VT 2 в закрытом и открытом состояниях .

Одновибратор можно реализовать на базе мультивибратора, если одну ветвь обратной связи сделать не емкостной, а резисторной и ввести источник напряжения
(рис. 6.27). Такая схема называется одновибратором с коллекторно-базовыми связями.

К базе транзистора VT 2 приложено отрицательное напряжение и он закрыт. Конденсатор заряжен до напряжения
. В случае германиевых транзисторов
.

Конденсатор , исполняющий роль форсирующего конденсатора, заряжен до напряжения
. Это состояние схемы является устойчивым.

При подаче на базу транзистора VT 2 отпирающего импульса (рис. 6.28) в схеме начинают протекать процессы открывания транзистора VT 2 и закрывания транзистора VT 1 .

При переключении схемы формируется фронт выходного импульса, который обычно снимается с коллектора транзистора VT 1 . В дальнейшем в схеме протекает процесс перезаряда конденсатора .Напряжение на нем
, а следовательно, и напряжение на базе транзистора VT 1 изменяется по экспоненциальному закону
,где
.

Когда в момент времени напряжение на базе достигает значения
, транзистор VT 1 открывается, напряжение на его коллекторе
уменьшается и закрывается транзистор VT 2 . При этом формируется срез выходного импульса. Длительность импульса получим, если положить
:

.

Так как
, то . Длительность среза
.

В дальнейшем в схеме протекает ток заряда конденсатора через резистор
и базовую цепь открытого транзистораVT 1 . Длительность этого процесса, который определяет время восстановления схемы,
.

Амплитуда выходных импульсов в такой схеме одновибратора практически равна напряжению источника питания.

Одновибратор на логических элементах . Для реализации одновибратора на логических элементах обычно используют элементы И-НЕ. Структурная схема такого одновибратора включает два элемента (ЛЭ1 и ЛЭ2 ) и времязадающую цепочку
(рис. 6.29). Входы ЛЭ2 объединены, и он работает как инвертор. Выход ЛЭ2 соединен с одним из входов ЛЭ1 , а на другой его вход подается управляющий сигнал.

его входной цепи. Схема генерирует прямоугольный импульс при кратковременном уменьшении (момент времени ) входного напряжения
. Через интервал времени, равный
(не показан на рис. 6.29), на выходеЛЭ1 напряжение увеличится. Этот скачок напряжения через конденсатор передается на вход ЛЭ2 . Элемент ЛЭ2 переключается в состояние «0». Таким образом, на входе 1 ЛЭ1 через интервал времени
начинает действовать напряжение
и этот элемент останется в состоянии единицы, если даже по истечении времени
напряжение
опять станет равно логической «1». Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы длительность входного импульса
.

По мере заряда конденсатора выходной ток ЛЭ1 уменьшается. Соответственно уменьшается падение напряжения на :
. Одновременно несколько увеличивается напряжение
, стремясь к напряжению
, которое при переключенииЛЭ1 в состояние «1» было меньше
за счет падения напряжения на выходном сопротивлении ЛЭ1 . Это состояние схемы является временно устойчивым.

В момент времени напряжение
достигает порогового
и элементЛЭ2 переключается в состояние «1». На вход 1 ЛЭ1 подается сигнал
и он переключается в состояние лог. «0». При этом конденсатор , который в интервале времени от до зарядился, начинает разряжаться через выходное сопротивление ЛЭ1 и диод VD 1 . По истечении времени , определяемого процессом разряда конденсатора , схема переходит в исходное состояние.

Таким образом, на выходе ЛЭ2 генерируется импульс прямоугольной формы. Длительность его, зависящая от времени уменьшения
до
, определяется соотношением
, где
– выходное сопротивлениеЛЭ1 в состоянии «1». Время восстановления схемы , где
– выходное сопротивление ЛЭ1 в состоянии «0»; – внутреннее сопротивление диода в открытом состоянии.

и напряжение на инвертирующем входе невелико:
, где
падение напряжения на диоде в открытом состоянии. На неинвертирующем входе напряжение также постоянное:
, и так как
, то на выходе поддерживается неизменное напряжение
.

При подаче в момент времени входного импульса положительной полярности амплитудой
напряжение на неинвертирующем входе становится больше напряжения на инвертирующем входе и выходное напряжение скачком становится равным
. При этом также скачком увеличивается напряжение на неинвертирующем входе до
. Одновременно диод VD закрывается, конденсатор начинает заряжаться и на инвертирующем входе растет положительное напряжение (рис. 6.32). Пока
на выходе сохраняется напряжение
. В момент времени при
происходит изменение полярности выходного напряжения и напряжение на неинвертирующем входе принимает исходное значение, а напряжение начинает уменьшаться по мере разряда конденсатора .

Так как
, то
.

Время восстановления схемы определяется длительностью процесса разряда конденсатора от
до
и с учетом принятых допущений
.

Генераторы на операционных усилителях обеспечивают формирование импульсов амплитудой до десятков вольт; длительность фронтов зависит от полосы частот операционного усилителя и может составлять доли микросекунды.

Блокинг-генератором называется генератор импульсов релаксационного типа в виде однокаскадного усилителя с положительной обратной связью, создаваемой с помощью трансформатора. Блокинг-генератор может работать в ждущем и автоколебательном режимах.

Ждущий режим работы блокинг -генератора. При работе в ждущем режиме схема имеет одно устойчивое состояние и генерирует импульсы прямоугольной формы, когда на вход поступают запускающие импульсы. Устойчивое состояние блокинг-генератора на германиевом транзисторе осуществляется путем включения источника смещения в базовую цепь. При использовании кремниевого транзистора источник смещения не требуется, поскольку транзистор при нулевом напряжении на базе закрыт (рис. 6.33).

базовое напряжение уменьшается. Такая связь реализуется путем соответствующего подключения начала обмоток трансформатора (на рис. 6.33, показаны точками).

В большинстве случаев трансформатор имеет третью (нагрузочную) обмотку, к которой подключается нагрузка .

Напряжения на обмотках трансформатора и токи, протекающие в них, связаны между собой следующим образом:
,
,
,
где
,
– коэффициенты трансформации;
– число витков первичной, вторичной и нагрузочной обмоток соответственно.

Длительность процесса включения транзистора настолько мала, что за это время ток намагничивания практически не нарастает (
). Поэтому уравнение токов при анализе переходного процесса включения транзистора упрощается:
.

тока базы
и действительного тока, протекающего в цепи базы транзистора,
.

Таким образом, первоначальное изменение тока базы
в результате процессов, протекающих в схеме, приводит к дальнейшему изменению этого тока
, и если
, то процесс изменения токов и напряжений носит лавинообразный характер. Следовательно,условие самовозбуждения блокинг-генератора:
.

В отсутствие нагрузки (
) это условие упрощается:
. Так как
, то условие самовозбуждения в блокинг-генераторе выполняется довольно легко.

Процесс открывания транзистора, сопровождающийся формированием фронта импульса, заканчивается, когда он переходит в режим насыщения. При этом перестает выполняться условие самовозбуждения и в дальнейшем формируется вершина импульса. Так как транзистор насыщен:
, то к первичной обмотке трансформатора оказывается приложенным напряжение
и приведенные базовый ток
, а также ток нагрузки
, оказываются постоянными. Ток намагничивания при формировании вершины импульса может быть определен из уравнения
, откуда при нулевых начальных условиях получим
.

Таким образом, ток намагничивания в блокинг-генераторе, когда транзистор насыщен, нарастает во времени по линейному закону. В соответствии с уравнением токов также по линейному закону увеличивается коллекторный ток транзистора
.

С течением времени степень насыщения транзистора уменьшается, так как базовый ток остается постоянным
, а коллекторный ток нарастает. В некоторый момент времени коллекторный ток увеличивается настолько, что транзистор переходит из режима насыщения в активный режим и опять начинает выполняться условие самовозбуждения блокинг-генератора. Очевидно, что длительность вершины импульса определяется временем, в течение которого транзистор находится в режиме насыщения. Границе режима насыщения соответствует условие
. Следовательно,
.

Отсюда получаем формулу для расчета длительности вершины импульса:

.

Ток намагничивания
во время формирования вершины импульса увеличивается и в момент окончания этого процесса, т. е. при
, достигает значения
.

Так как к первичной обмотке импульсного трансформатора при формировании вершины импульса приложено напряжение источника питания , то амплитуда импульса на нагрузке
.

При переходе транзистора в активный режим происходит уменьшение коллекторного тока
. Во вторичной обмотке индуцируется напряжение, приводящее к уменьшению напряжения и тока базы, что, в свою очередь, вызывает дальнейшее снижение коллекторного тока. В схеме развивается регенеративный процесс, в результате которого транзистор переходит в режим отсечки и формируется срез импульса.

Протекающий лавинообразно процесс закрывания транзистора имеет столь малую длительность, что ток намагничивания за это время практически не изменяется и остается равным
. Следовательно, к моменту закрывания транзистора в индуктивности запасена энергия
. Эта энергия рассеивается только в нагрузке, так как коллекторная и базовая цепи закрытого транзистора оказываются разомкнутыми. Ток намагничивания при этом уменьшается по экспоненте:
, где
– постоянная времени. Протекающий через резистор ток создает обратный выброс напряжения на нем, амплитуда которого
, что также сопровождается всплеском напряжения на базе и коллекторе закрытого транзистора
. Воспользовавшись найденным ранее соотношением для
, получим:

,

.

Процесс рассеяния запасенной в импульсном трансформаторе энергии, определяющий время восстановления схемы , заканчивается через интервал времени
, после чего схема переходит в исходное состояние. Дополнительный всплеск коллекторного напряжения
может быть значительным. Поэтому в схеме блокинг-генератора принимаются меры к снижению величины
, для чего параллельно нагрузке или в первичную обмотку включают демпфирующую цепь, состоящую из диода VD 1 и резистора , сопротивление которого
(рис. 6.33). При формировании импульса диод закрыт, так как к нему приложено напряжение обратной полярности, и демпфирующая цепь не оказывает влияния на процессы в схеме. Когда при закрывании транзистора в первичной обмотке возникает всплеск напряжения, то к диоду прикладывается прямое напряжение, он открывается и ток протекает через резистор . Так как
, то всплеск коллекторного напряжения
и обратный выброс напряжения на существенно уменьшаются. Однако при этом возрастает время восстановления:
.

Не всегда последовательно с диодом включают резистор , и тогда амплитуда всплеска оказывается минимальной, но увеличивается его длительность.

импульсов. Процессы, протекающие в схеме, рассмотрим, начиная с момента времени , когда напряжение на конденсаторедостигает значения
и транзистор откроется (рис. 6.36).

Поскольку напряжение на вторичной (базовой) обмотке во время формирования вершины импульса остается постоянным
, то по мере заряда конденсатора базовый ток уменьшается по экспоненциальному закону
, где
– сопротивление области база – эмиттер насыщенного транзистора;
– постоянная времени.

В соответствии с уравнением токов коллекторный ток транзистора определяется выражением
.

Из приведенных соотношений следует, что в автоколебательном блокинг-генераторе во время формирования вершины импульса изменяются и базовый и коллекторный токи. Как видно, базовый ток с течением времени уменьшается. Коллекторный ток в принципе может и нарастать, и уменьшаться. Все зависит от соотношения между первыми двумя слагаемыми последнего выражения. Но если даже коллекторный ток и уменьшается, то медленнее, чем базовый ток. Поэтому при уменьшении базового тока транзистора наступает момент времени , когда транзистор выходит из режима насыщения и процесс формирования вершины импульса заканчивается. Таким образом, длительность вершины импульса определяется соотношением
. Тогда можно записать уравнение токов для момента окончания формирования вершины импульса:

.

После некоторых преобразований имеем
. Полученное трансцендентное уравнение можно упростить при условии
. Воспользовавшись разложением в ряд экспоненты и ограничившись первыми двумя членами
, получим формулу для расчета длительности вершины импульса
, где
.

Во время формирования вершины импульса за счет протекания базового тока транзистора напряжение на конденсаторе изменяется и к моменту закрывания транзистора оно становится равным
. Подставив в это выражение значение
и проинтегрировав, получим:

.

При переходе транзистора в активный режим работы снова начинает выполняться условие самовозбуждения и в схеме протекает лавинообразный процесс его закрывания. Как и в ждущем блокинг-генераторе, после закрывания транзистора протекает процесс рассеяния запасенной в трансформаторе энергии, сопровождающийся появлением всплесков коллекторного и базового напряжений. После окончания этого процесса транзистор продолжает находиться в закрытом состоянии благодаря тому, что к базе прикладывается отрицательное напряжение заряженного конденсатора . Это напряжение не остается постоянным, поскольку в закрытом состоянии транзистора через конденсатор и резистор протекает ток перезаряда от источника питания . Поэтому по мере перезаряда конденсатора напряжение на базе транзистора увеличивается по экспоненциальному закону
, где
.

Когда напряжение на базе достигает значения
, транзистор открывается и опять начинается процесс формирования импульса. Таким образом, длительность паузы, определяемая временем нахождения транзистора в закрытом состоянии, может быть рассчитана, если положить
. Тогда получим
.Для блокинг-генератора на германиевом транзисторе полученная формула упрощается, поскольку
.

Блокинг-генераторы имеют высокий коэффициент полезного действия, так как в паузе между импульсами ток от источника питания практически не потребляется. По сравнению с мультивибраторами и одновибраторами они позволяют получить большую скважность и меньшую длительность импульсов. Важным достоинством блокинг-генераторов является возможность получения импульсов, амплитуда которых больше напряжения источника питания. Для этого достаточно, чтобы коэффициент трансформации третьей (нагрузочной) обмотки
. В блокинг-генераторе при наличии нескольких нагрузочных обмоток можно осуществить гальваническую развязку между нагрузками и получать импульсы разной полярности.

Схема блокинг-генератора не реализуется в интегральном исполнении из-за наличия импульсного трансформатора.

Схема и теории действии

Как показано на рис. 3.2, трансформатор с ограничением по току Т1 соединен с мостовым выпрямителем D1-D4 и заряжает внешний накопитель – конденсатор С через резистор защиты от перенапряжения R18. Внешний накопительный конденсатор соединен между землей разряда и электродом искрового разрядника G1. Нагрузка в этом проекте включена не стандартно, а между землей разряда и электродом искрового разрядника G2. Обратите внимание, что нагрузка комплексная, обычно обладающая высокой индуктивностью (не во всех случаях) с небольшим активным сопротивлением от провода индуктивности Load. Электроды искрового разрядника G1 и G2 расположены на расстоянии, большем в 1,2-1,5 раза, чем расстояние пробоя при данном напряжении.

Третий запускающий электрод ТЕ1 разряжается коротким высоковольтным импульсом малой энергии в G2, создавая пик напряжения, ионизирующий

Рис. 3.2. Принципиальная схема импульсного генератора

Примечание:

Специальное замечание относительно диодов D14, D15. Полярность может бьггь изменена для получения боль- шеготриггерного эффекта при нагрузке с низким импедансом, как это имеет место вслучае устройства деформации консервных банок, взрывания провода, плазменного оружия и др.

Внимание! При слишком высоком импедансе нагрузки энергия может направиться назад через диоды и трансформатор Т2 и привести к выходу из строя этих компонентов.

Обратите внимание, что земля схемы и общий провод изолированы друг от друга.

Земля разряда соединена с шасси и заземлением через зеленый провод шнура питания.

Для обеспечения большей безопасности в качестве выключателя S3 рекомендуется использовать кнопки без фиксации, которая включена только в нажатом состоянии.

Если устройство находится в месте, куда имеет доступ неавторизованный персонал, рекомендуется в качестве S4 использовать включатель с замком.

зазор между G1 и G2, что приводит к разряду накопленной во внешнем емкостном накопителе энергии в нагрузку с комплексным сопротивлением.

Напряжение заряда внешнего емкостного накопителя задается цепью рези- стивного делителя R17, который также выдает сигнал для вольтметра Ml. Напряжение заряда задается последовательно соединенным с R17 управляющим переменным сопротивлением R8. Этот управляющий сигнал устанавливает уровень выключения компаратора II, который задает смещение по постоянному току транзистора Q1. В свою очередь, Q1 управляет реле, при этом реле выключается. Контактами обесточенного реле RE1 снимается подача энергии на первичную обмотку Т1. Когда R8 установлено на заданную величину, оно автоматически поддерживает определенный уровень напряжения во внешних емкостных накопителях. Безопасная кнопка S3 предоставляет возможность задержать заряд внешнего конденсатора вручную.

Красный светодиод LA1 загорается при включении питания. Желтый свето- диод LA2 загорается, когда заряд достигает заданной величины.

Цепь запускающего электрода представляет собой специальную систему емкостного разряда (CD), где энергия конденсатора С6 направляется в первичную обмотку импульсного трансформатора Т2. На вторичной обмотке Т2 генерируется последовательность положительных импульсов высокого напряжения, которая подается на конденсаторы С8 и С9 через развязывающие диоды D14 и D15. Эти импульсы постоянного тока высокого напряжения вызывают ионизацию в зазорах за счет разряда через запускающий электрод ТЕ1. На входе этой цепи находится удвоитель напряжения, состоящий из конденсаторов С4, С5 и диодов D8 и D9. Переключатель «Пуск» S1 подает энергию в цепь, вызывая немедленное срабатывание искрового разрядника. Кремниевый триодный тиристор SCR снимает заряд с С6, отпирающий ток на SCR подает динистор DIAC, смещение на который задается переменным сопротивлением R14 и конденсатором С7.

Понижающий трансформатор напряжения 12 В ТЗ питает управляющую цепь, включающую и реле RE1. Если в системе нет напряжения 12 В, запустить ее можно только активировав RE1 вручную. Выпрямитель на диодах D10-D13 выпрямляет переменное напряжение 12 В, который затем фильтруется на емкостном фильтре С1. Резистор R5 развязывает питание для управления через стабилитрон Z3, Z4, который необходим для стабильной работы цепи компаратора. Питание для накопления энергии идет от сети 115 В переменного тока, при этом задействован плавкий предохранитель F1, а включение сети питания 115 В переменного тока осуществляется выключателем S4.

Замечание

В нашей лаборатории в Information Unlimited аппаратура накопления энергии включает 10 стоек масляных конденсаторов. В каждой стойке размещается 50 конденсаторов по 32 мкФ на напряжение 4500 В, соединенных параллельно для достижения общей емкости 1600 мкФ или около 13000 Дж при 4000 В на стойку. Все 10 стоек, соединенных параллельно, дают 130000 Дж. Очень важно при таких уровнях энергии правильно выполнить соединения и собрать систему с соблюдением необходимого расположения и толщины проводов для получения импульсов мощностью в сотни мегаватт. Для защиты персонала от опасного напряжения вокруг накопительных стоек установлены противовзрывные щиты.

Время заряда одной стойки составляет около 10 мин. При таком заряде использование 10 стоек было бы непрактично, поскольку для их заряда потребовалось бы почти 2 ч. Мы используем систему заряда тока 10000 В, 1 А, которая позволяет обеспечить заряд всех 10 стоек масляных конденсаторов для накопления энергии в 130000 Дж в течение 1 мин. Такое высоковольтное зарядное устройство можно приобрести по специальному заказу.

Порядок предварительной сборки устройства

В данном разделе предполагается, что вы знакомы с основными инструментами и имеете достаточный опыт сборки. Импульсный генератор собирается на металлическом шасси 25,4×43,2×3,8 см, изготовленном из оцинкованного железа толщиной 1,54 мм (калибр 22). Он использует трансформатор RMS с ограничением по току 6500 В, 20 мА. Нужно как можно точнее следовать приведенному чертежу. Можно использовать более мощный трансформатор, тогда придется изменить и размер устройства. Предлагаем соединить параллельно до 4 использовавшихся ранее трансформаторов; чтобы получить зарядный ток 80 мА. На передней панели устанавливается вольтметр и средства управления. Рекомендуется заменить S4 на выключатель с замком, если устройство находится в месте, куда имеет доступ неавторизованный персонал.

При сборке устройства соблюдайте следующую последовательность действий:

1. Если вы приобрели набор, разложите и идентифицируйте все компоненты и конструктивные детали.

2. Вырежьте из заготовки плату с сеточной перфорацией 0,25 см и размерами 15,9×10,8 см (6,25×4,25 дюйма).

Рис. 3.3. Монтажная плата импульсного генератора

Примечание:

Пунктирная линия показывает соединения на тыльной стороне платы. Крупные черные точки показывают отверстия в плате, которые используются для установки компонентов и соединений между ними.

3. Вставьте элементы, как показано на рис. 3.3, и припаяйте их к выводам элементов, к тем контактным площадкам, где это необходимо, по мере движения от левого нижнего края вправо. Пунктирная линия показывает соединения проводов на тыльной стороне платы в соответствии с принципиальной схемой. Избегайте проволочных мостов, потенциальных замыканий и холодной пайки, поскольку это неизбежно вызовет проблемы. Паяные соединения должны быть блестящими и гладкими, но не шарообразными.

4. Соедините монтажную плату проводами со следующими точками (см. рис. 3.3):

– с землей шасси проводом в виниловой изоляции #18 длиной 20 см;

– с ТЕ1 проводом высокого напряжения 20 кВ длиной 10 см;

– с резистором R18, проводом в виниловой изоляции #18 длиной 20 см;

– с анодами D3 и D4 проводом в виниловой изоляции #18 длиной 30 см (земля схемы);

– с ТЗ (2) 12 В постоянного тока проводом в виниловой изоляции #22 длиной 20 см;

– с вольтметром М1 (2) проводом в виниловой изоляции #22 длиной 20 см. Проверьте все соединения, компоненты, расположение всех диодов, полупроводниковых элементов, электролитических конденсаторов CI, С2, С4, С5, С7. Проверьте качество паек, потенциальные короткие замыкания, наличие мест холодной пайки. Паяные соединения должны быть гладкими и блестящими, но не шарообразными. Тщательно проверьте это, прежде чем включать устройство.

5. Сборка искрового разрядника осуществляется следующим образом (рис. 3.4):

– изготовьте базу BASE1 из листа оцинкованного железа толщиной 1,4 мм (калибр 20) и размерами 11,4×5 см (4,75×2 дюйма);

– изготовьте две скобы BRKT1 из листа оцинкованного железа толщиной 1,4 мм (калибр 20) размерами 6,4×3,2 см (2,5×1,25 дюйма) каждая. Загните край в виде козырька размером 1,9 см;

– изготовьте два блока BLK1 из поливинилхлорида (PVC) или другого аналогичного материала толщиной 1,9 см и размерами 2,5×3,2 см (1×1,25 дюйма). Они должны обладать хорошими изолирующими свойствами;

– изготовьте блок BLK2 из тефлона. Он должен выдерживать запускающий импульс высокого напряжения;

– аккуратно припаяйте фланцы COL1 к скобам BRK1. Отрегулируйте арматуру так, чтобы обеспечить точное выравнивание вольфрамовых электродов после сборки устройства. На этом этапе вам придется использовать газовую паяльную лампу на пропане и т.п.;

– сточите острые концы с восьми винтов. Это необходимо для предотвращения поломки материала PVC из-за коронного разряда, образующегося на острых концах при высоком напряжении;

– предварительно соберите детали, просверлите в них необходимые отверстия для сборки. Для правильного размещения следуйте рисунку;

Рис. 3.4. Искровой разрядник и устройство зажигания

Примечание:

Искровой разрядник является сердцем системы, и именно там энергия, накопленная конденсаторами за весь период заряд а, быстро высюобомиается в нагрузку в виде обладающего высокой мощностью импульса. Очень важно, чтобы все соединения были способны выдерживать большие токи и высокое напряжение разряда.

Показанный здесь прибор предназначен для НЕР90 и способен обеспечивать переключение при энергии до 3000 Дж (при правильно отрегулированном импульсе), чего обычно достаточно для эффективного проведения экспериментов с устройствами перемещения масс, сгибания банок, взрывания проводов, магнетизма и других аналогичных проектов.

По специальному заказу может быть поставлен переключатель высокой энергии, способный работать с энергией 20000Дж. Оба переключателя используют высоковольтный запускающий импульс, который зависит от высокого импеданса нагрузки линии. Обычно это не является проблемой для нагрузок сумеренной индуктивностью, но может стать проблемой при малой индуктивности. Эту проблему можно решить, если поместить несколько ферритовых или кольцевых сердечников в эти линии. Сердечники реагируют на запускающий импульс очень сильно, но при основном разряде достигают насыщения.

Конструкция искрового разрядника должна учитывать механические силы, которые возникают в результате действия сильных магнитных полей. Это очень важно при работе с ф дхжой энергией и потребует дополнительных средств для уменьшения индуктивности и сопротивления.

Внимание! При проведении экспериментов вокруг устройства должен быть установлен экран для защиты оператора от возможных осколков при поломке устройства.

Для надежного запуска запускающий зазор должен быть установлен в зависимости от напряжения заряд а. Зазор должен быть расположен не менее чем в 0,6 см от скобы. Если включение нестабильно, нужно поэкспериментировать с этой величиной.

– присоедините большие блочные наконечники LUG1 к каждой стороне скоб BRKT1. Соединение должно быть выполнено тщательно, поскольку импульсный ток достигает величины килоампер;

– временно установите основной зазор на величину 0,16 см, а запускающий зазор – на величину 0,32 см.

Порядок окончательной сборки устройство

Ниже указаны этапы окончательной сборки:

1. Изготовьте шасси и панель, как показано на рис. 3.5. Разумно будет проделать в панели квадратное отверстие для установки вольтметра до изготовления панели. Вольтметр, который используется, требует квадратного отверстия со стороной 10 см. Другие, более мелкие отверстия могут быть определены по чертежу и просверлены после соединения шасси и панели.

Примечание:

Изготовьте переднюю панель из листа оцинкованного железа толщиной 1,54 см (калибр 22) размерами 53,34×21,59 см (21×8,5 дюйма). Загните с каждой стороны по5 см для соединения с шасси, как показано на рисунке. Проделайтеотверстиедля вольтметра.

Изготовьте шасси из оцинкованного железа толщиной 1,54 см (калибр 22) размерами55,88×27,9см (22×15 дюйма). Загните с каждой стороны по 5 см и сделайте козырек 1,25 см. Общий размер будет (25x43x5см) с козырьком 1,25 см по дну шасси.

Более мелкие отверстия и отверстия для соединений выполняйте по ходу дальнейшей работы.

Идущий поданной части шасси козырек на рисунке не показан.

Рис. 3.5. Чертеж для изготовления шасси

2. Примерьте контрольную панель и просверлите необходимые отверстия для средств управления, индикаторов и т.д. Обратите внимание на изоляционный материал между шасси и частями устройства, см. на рис. 3.6 часть PLATE1. Этого можно добиться с помощью небольшого количества силиконового клея-герметика RTV с комнатной температурой вулканизации. Просверливайте соответствующие отверстия по мере выполнения работы, проверяя правильность расположения и габаритов.

Рис. 3.6. Общий вид устройства в сборе

Примечание:

Провода показаны несколько удлиненными, чтобы обеспечить ясность изображений и соединений.

Пунктирные линии показывают элементы и соединения, расположенные под шасси.

3. Примерьте остальные части (см. рис. 3.6) и просверлите все необходимые для монтажа и размещения отверстия. Обратите внимание на держатели плавких предохранителей FH1 /FS1 и изоляцию шнура входного питания BU2. Они расположены на нижней стороне шасси и показаны пунктирными линиями.

4. Обеспечьте достаточное пространство для высоковольтных компонентов: для выходных контактов трансформатора, диодов высокого напряжения и резистора R18. Обратите внимание, что высоковольтные диоды устанавливаются на пластиковую плату с помощью двухсторонней липкой ленты RTV.

5. Установите на место контрольную панель. Закрепите монтажную плату с помощью нескольких кусочков ленты с нанесенным на нее клеем-герме- тиком RTV, когда убедитесь, что все нормально.

6. Выполните все соединения. Обратите внимание на использование гаек для провода при подключении выводов Т1 и Т2.

Предварительные электрические испытания

Для проведения предварительных электрических испытаний выполните следующие действия:

1. Закоротите выходные контакты трансформатора с помощью высоковольтного провода с зажимом.

2. Удалите плавкий предохранитель и установите в его держатель барретер 60 Вт (электровакуумный прибор для стабилизации тока) в качестве балластного сопротивления на период тестирования.

3. Установите переключатель S4 (см. рис. 3.7) в выключенное состояние, переведите ось совмещенного с переменным сопротивлением R8/S2 выключателя в положение «выключено», установите переменные сопротивления R14 и R19 в среднее положение и включите устройство в сеть 115 В переменного тока, вставив вилку шнура питания COl в розетку.

4. Поворачивайте ось совмещенного выключателя с переменным сопротивлением R8 до включения и наблюдайте, как загораются лампы LA1 и LA2.

5. Нажмите кнопку заряда S3 и удостоверьтесь, что реле RE1 включилось (слышен звук щелчка) и лампа LA2 погашена на время, пока нажата кнопка S3.

6. Включите S4 и нажмите S3, заметьте, что барретер, включенный в соответствии с пунктом 2, горит в полнакала.

7. Нажмите кнопку «Пуск» S1 и наблюдайте вспышку между запускающим электродом ТЕ1 и основным зазором разряда между G1 и G2. Обратите

Рис. 3.7. Передняя панель и органы управления

внимание, что ось переменного сопротивления установлена в среднее значение, но, поворачивая ось по часовой стрелке, можно увеличить разряд.

Основные испытания

Для проведения испытаний выполните следующие действия:

1. Выньте шнур питания из сети и выключите S2 и S4.

2. Подсоедините конденсатор 30 мкФ, 4 кВ и резистор 5 кОм, 50 Вт в качестве С и R, как показано на рис. 3.6.

3. Удалите балластную лампу и вставьте плавкий предохранитель 2 А.

4. Установите запускающий зазор на величину 0,32 см, а основной зазор – на 0,16 см.

5. Подключите вольтметр высокого класса точности через внешний конденсатор.

6. Включите устройство и включите S2 и S4. Нажмите кнопку S3 и убедитесь, что внешний конденсатор заряжается до величины 1 кВ до отключения RE1. Заметьте, что в нормальном состоянии LA2 горит и выключается только на время цикла заряда. Когда будет достигнут заданный заряд, светодиод LA2 снова включается, показывая, что система готова.

7. Поверните R8/S2 на 30° по часовой стрелке и заметьте, что напряжение достигает большей величины перед прекращением заряда.

8. Нажмите кнопку S1 и наблюдайте мгновенную мощную дугу в основном зазоре, которая возникает, когда энергия направляется во внешнюю нагрузку.

9. Зарядите устройство до 2500 В, измеряя напряжение по внешнему вольтметру, подсоединенному через конденсатор. Отрегулируйте R19, чтобы вольтметр на передней панели показывал значение 2,5 при полной шкале 5. Сделайте пометку на передней панели, чтобы знать, где напряжение составляет 2500 В. Теперь прибор на передней панели с достаточной степенью точности показывает значение напряжения заряда при достаточной точности внешнего вольтметра. Повторите шаг 8, наблюдая интенсивную дугу при разряде. Повторите циклы заряда и разряда при разных напряжениях, чтобы ознакомиться с управлением прибором.

На этом завершается проверка и калибровка устройства. Дальнейшие операции потребуют дополнительного оборудования, в зависимости от проекта, в рамках которого вы экспериментируете.

Полезные дли донного оборудования математические соотношения

Энергия системного накопителя:

Идеальный подъем тока достигается в системах LC. Используйте коэффициент 0,75 при использовании масляных конденсаторов и более низкие значения для фото- и электролитических конденсаторов. Время достижения пикового тока на 1 А цикла:

Магнитный поток

А = площадь грани катушки в м 2 ; Le = расстояние между полюсами в м; М = масса в кг. Сила:

Ускорение: Скорость:

где t – время достижения пикового тока.

Генератор импульсов тока (ГИТ) предназначен для формиро­вания многократно повторяющихся импульсов тока, воспроизво­дящих электрогидравлический эффект. Принципиальные схемы ГИТ были предложены еще в 1950-х годах и за истекшие годы не претерпели существенных изменений, однако значитель­но усовершенствовались их комплектующее оборудование и уро­вень автоматизации. Современные ГИТ предназначены для работы в широком диапазоне напряжения (5-100 кВ), емкости конден­сатора (0,1 -10000 мкФ), запасенной энергии накопителя (10-106 Дж), частоты следования импульсов (0,1 -100 Гц).

Приведенные параметры охватывают большую часть режимов, в которых работают электрогидравлические установки различного назначения.

Выбор схемы ГИТ определяется в соответствии с назначением конкретных электрогидравлических устройств. Каждая схема ге­нератора включает в себя следующие основные блоки: блок питания - трансформатор с выпрямителем; накопитель энер­гии - конденсатор; коммутирующее устройство - формирующий (воздушный) промежуток; нагрузка - рабочий искровой про­межуток. Кроме того, схемы ГИТ включают в себя токоограни­чивающий элемент (это может быть сопротивление, емкость, индуктивность или их комбинированные сочетания). В схемах ГИТ может быть несколько формирующих и рабочих искровых про­межутков и накопителей энергии. Питание ГИТ осуществляется, как правило, от сети переменного тока промышленной частоты и напряжения.

ГИТ работает следующим образом. Электрическая энергия через токоограничивающий элемент и блок питания поступает в накопитель энергии - конденсатор. Запасенная в конденсаторе энергия с помощью коммутирующего устройства - воздушного формирующего промежутка - импульсно передается на рабочий промежуток в жидкости (или другой среде), на котором происхо­дит выделение электрической энергии накопителя, в результате чего возникает электрогидравлический удар. При этом форма и длительность импульса тока, проходящего по разрядной цепи ГИТ, зависят как от параметров зарядного контура, так и от па­раметров разрядного контура, включая и рабочий искровой про­межуток. Если для одиночных импульсов специальных ГИТ пара­метры цепи зарядного контура (блока питания) не оказывают существенного влияния на общие энергет-ические показатели электрогидравлических установок различного назначения, то в промышленных ГИТ КПД зарядного контура существенно влияет на КПД электрогидравлической установки.

Использование в схемах ГИТ реактивных токоограничивающих элементов обусловлено их свойством накапливать и затем отдавать энергию в электрическую цепь, что в конечном счете повы­шает КПД.

Электрический КПД зарядного контура простой и надежной в эксплуатации схе{ды ГИТ с ограничивающим активным зарядным сопротивлением (рис. 3.1, а) весьма низок (30-35 %), так как заряд конденсаторов осуществляется в ней пульсирующими напря­жением и током. Введением в схему специальных регуляторов напряжения (магнитного усилителя, дросселя насыщения) можно добиться линейного изменения вольт-амперной характеристики заряда емкостного накопителя и тем самым создать условия, при которых потери энергии в зарядной цепи будут минимальны, а общий КПД ГИТ может быть доведен до 90 % .

Для увеличения общей мощности при использовании простей­шей схемы ГИТ кроме возможного применения более мощного трансформатора целесообразно иногда использовать ГИТ, имеющий три однофазных трансформатора, первичные цепи ко­торых соединены «звездой» или «треугольником» и питаются от трехфазной сети. Напряжение с их вторичных обмоток подается на отдельные конденсаторы, которые работают через вращающий­ся формирующий -промежуток на один общий рабочий искровой промежуток в жидкости (рис. 3.1, б) [-|] . .4

При проектировании и разработке ГИТ электрогидравлических установок значительный интерес представляет использование резонансного режима заряда емкостного накопителя от источника переменного тока без выпрямителя. ОбгЦий электрический КПД резонансных схем очень высок (до 95 %), а при их использова­нии происходит автоматическое значительное повышение рабо­чего напряжения. Резонансные схемы целесообразно использо­вать при работе на больших частотах (до 100 Гц), но для этого требуются специальные конденсаторы, предназначенные для работы на переменном токе. При использовании этих схем необходимо соблюдать известное условие резонанса

Ш = 1 /л[ГС,

Где со-частота вынуждающей ЭДС; Ь-индуктивность контура; С- емкость контура.

Однофазный резонансный ГИТ (рис. 3.1, в) может иметь общий электрический КПД, превышающий 90%. ГИТ позволяет получать стабильную частоту чередования разрядов, оптимально равную либо однократной, либо двукратной частоте питающего тока (т. е. 50 и 100 Гц соответственно) при питании током про­мышленной частоты. Применение схемы наиболее рационально (. при мощности питающего трансформатора 15-30 кВт. В разряд­ный контур схемы вводится синхронизатор - воздушный форми­рующий промежуток, между шарами которого расположен вра-

Щающийся диск с контактом, вызывающим срабатывание форми­рующего промежутка при проходе контакта между шарами. При этом вращение диска синхронизируется с моментами пиков напряжения .

Схема трехфазного резонансного ГИТ (рис. 3.1,г) включает" в себя трехфазный повышающий трансформатор, каждая обмотка на высокой стороне которого работает как однофазная резонан­сная схема н^ один общий для всех или на три самостоятель­ных рабочих искровых промежутка при общем синхронизаторе на три формирующих промежутка. Эта схема позволяет получать частоту чередования разрядов, равную трехкратной или шести­кратной частоте питающего тока (т. е. 150 или 300 Гц соответ­ственно) при работе на промышленной частоте. Схема рекомен­дуется для работы на мощностях ГИТ 50 кВт и более. Трехфазная схема ГИТ экономичнее, так как время зарядки емкостного на­копителя (той же мощности) меньше, чем при использовании одно­фазной схемы ГИТ. Однако дальнейшее увеличение мощности выпрямителя будет целесообразно" только до определенного предела .

Повысить экономичность процесса заряда емкостного накопи­теля ГИТ можно путем использования различных схем с фильтро­вой емкостью. Схема ГИТ с фильтровой емкостью и индуктив­ной зарядной цепью рабочей емкости (рис. 3.1, (3) позволяет по­лучать, практически любую частоту чередования импульсов при работе на небольших (до 0,1 ^мкФ) емкостях и имеет общий электрический КПД - около 85 %. Это достигается тем, что филь­тровая емкость работает в режиме неполной разрядки (до 20 %), а рабочая емкость заряжается через индуктивную цепь - дрос­сель с малым активным сопротивлением - в течение одного полу- периода в колебательном режиме, задаваемым вращением диска на первом формирующем. промежутке. При этом фильтровая емкость превышает рабочую в 15-20 раз .

Вращающиеся диски формирующих искровых промежутков сидят на одном валу и поэтому частоту чередования разрядов можно варьировать в очень широких пределах, максимально огра­ниченных лишь мощностью питающего трансформатора. В этой схеме могут быть использованы трансформаторы на 35-50 кВ, так как она удваивает напряжение. Схема может подсоединяться и непосредственно к высоковольтной сети.

В схеме ГИТ с фильтровой емкостью (рис. 3.1, е) поочередное подсоединение рабочей и фильтровой емкостей к рабочему искро­вому промежутку в жидкости осуществляется при помощи одного вращающегося разрядника - формирующего промежутка . Однако при работе такого ГИТ срабатывание вращающегося разрядника начинается при меньшем напряжении (при сближении шаров) и заканчивается при большем (при удалении. шаров), чем это задано минимальным расстоянием между шарами раз­рядников. Это приводит к нестабильности основного параметра

Разрядов-.напряжения, а следовательно, к снижению надеж­ности работы генератора.

Для повышения надежности работы ГИТ путем обеспечения заданной стабильности параметров разрядов в схему ГИТ с фильт­ровой емкостью включают вращающееся коммутирующее устрой­ство - диск со скользящими контактами для поочередного пред­варительного бестокового включения и выключения зарядного и разрядного контуров.

При подаче напряжения на з"арядный контур генератора пер­воначально заряжается фильтровая емкость. Затем вращающимся контактом без тока (а значит, и без искрения) замыкается цепь, на шарах формирующего разрядника возникает разность потен­циалов, происходит пробой и рабочий конденсатор заряжается до напряжения фильтровой емкости. После этого ток в цепи ис­чезает и контакты вращением диска размыкаются вновь без искрения. Далее вращающимся диском (также без тока и искре­ния) замыкаются контакты разрядного контура и напряжение рабочего конденсатора подается на формирующий разряднйк, происходит его пробой, а также пробой рабочего искрового про­межутка в жидкости. При этом рабочий конденсатор разряжается, ток в разрядном контуре прекращается и, следовательно, контак­ты вращением диска могут быть разомкнуты вновь без разрушаю­щего их искрения. Далее цикл повторяется с частотой следования разрядов, задаваемой частотой вращения диска коммутирующего устройства.

Использование ГИТ этого типа позволяет получать стабильные параметры неподвижных шаровых разрядников и осуществлять замыкание и размыкание цепей зарядного и разрядного контуров в бестоковом режиме, тем самым улучшая все показатели и надеж­ность работы генератора силовой установки.

Была разработана также схема питания электрогидравли - ческих установок, позволяющая наиболее рационально исполь­зовать электрическую энергию (с минимумом возможных потерь). В известных электрогидравлических устройствах рабочая камера заземлена и поэтому часть энергии после пробоя рабочего искрового промежутка в жидкости практически теряется, рас­сеиваясь на заземлении. Кроме того, при каждом разряде рабочего конденсатора на его обкладках сохраняется небольшой (до 10 % от первоначального) заряд.

Опыт показал, что любое электрогидравлическое устройство может эффективно работать по схеме, в которой энергия, запасен­ная на одном конденсаторе С1, пройдя через формирующий про­межуток ФП, поступает на рабочий искровой промежуток РП, где в большей своей части расходуется на совершение полезной работы электрогидравлического удара. Оставшаяся неизрас­ходованной энергия поступает на второй незаряженный конденса­тор С2, где и сохраняется для последующего использования (рис. 3.2). После этого энергия дозаряженного до требуемого
значения потенциала второго конденса­тора С2, пройдя через формирующий про­межуток ФП, разряжается на_ рабочий искровой промежуток РП и вновь неис­пользованная часть ее попадает теперь уже на первый конденсатор СУ и т. д.

Поочередное подсоединение каждого из конденсаторов то в зарядную, то в раз­рядную цепь производится переключате­лем /7, в котором токопроводящие пласти­ны А и В, разделенные диэлектриком, по­очередно подсоединяются к контактам 1-4 зарядного и разрядного контуров.

Mitchell Lee

LT Journal of Analog Innovation

Источники импульсов с крутыми фронтами, имитирующие ступенчатую функцию, часто оказываются полезными при выполнении тех или иных лабораторных измерений. Например, если крутизна фронтов имеет порядок 1…2 нс, можно оценить время нарастания сигнала в кабеле RG-58/U или любом другом, взяв отрезок длиной всего 3…6 м. Рабочая лошадка многих лабораторий - вездесущий генератор импульсов HP8012B - не дотягивает до 5 нс, что недостаточно быстро для решения подобной задачи. Между тем, времена нарастания и спада выходных сигналов драйверов затворов некоторых контроллеров импульсных регуляторов могут быть менее 2 нс, что делает эти устройства потенциально идеальными источниками импульсов.

На Рисунке 1 показана простая схема реализации этой идеи, основанная на использовании контроллера обратноходового преобразователя , работающего на фиксированной частоте переключения. Собственная рабочая частота контроллера равна 200 кГц. Подача части выходного сигнала на вывод SENSE заставляет устройство работать с минимальным коэффициентом заполнения, формируя выходные импульсы длительностью 300 нс. Немаловажное значение для этой схемы имеет развязка питания, поскольку выходной ток, отдаваемый в нагрузку 50 Ом, превышает 180 мА. Элементы развязки 10 мкФ и 200 Ом минимизируют искажения вершины импульса без ущерба для крутизны фронтов.

Выход схемы подключается непосредственно к согласованной нагрузке 50 Ом, обеспечивая на ней размах сигнала около 9 В. В случае, когда первостепенное значение имеет качество импульсов, рекомендуется подавлять сигнал тройного прохождения, поглощая отражения от кабеля и удаленной нагрузки с помощью показанного на схеме последовательного согласования. Последовательное согласование, то есть, согласование на передающей стороне, оказывается полезным также тогда, когда схема работает на пассивные фильтры и иные аттенюаторы, рассчитанные на определенный импеданс источника сигнала. Выходной импеданс микросхемы LTC3803 равен примерно 1.5 Ом, что следует принимать во внимание при выборе сопротивления последовательного согласующего резистора. Последовательное согласование работает хорошо до импедансов, по меньшей мере, 2 кОм, выше которых становится трудно обеспечивать необходимую полосу пропускания в точке соединения резистора и схемы, что приводит к ухудшению качества импульсов.

В системе с последовательным согласованием выходной сигнал имеет следующие характеристики:

• амплитуда импульсов - 4.5 В;
• времена нарастания и спада одинаковы, и равны 1.5 нс;
• искажение плоской вершины импульса - менее 10%;
• спад вершины импульса - менее 5%.

При непосредственном подключении нагрузки 50 Ом времена нарастания и спада не ухудшаются. Для того, чтобы получить импульсы наилучшей формы, конденсатор 10 мкФ подключите как можно ближе к выводам V CC и GND микросхемы LTC3803, а выход соедините прямо с согласующим резистором, используя полосковую технологию. Волновое сопротивление, примерно равное 50 Ом, имеет печатный проводник шириной 2.5 мм на двухсторонней печатной плате толщиной 1.6 мм.

Материалы по теме

PMIC; преобразователь DC/DC; Uвх:5,7÷75В; Uвых:5,7÷75В; TSOT23-6

• Linear Technology вообще топовая фирма! Очень-очень жаль что их сожрала ширпотребовская Analog Devices. Ничего хорошего от этого не жди. Встречал я раньше статью англоязычного радиолюбителя. Он собрал генератор очень коротких импульсов шириной в единицы наносекунд и временами нарастания/спада в пикосекундах. На очень скоростном компараторе. Жаль не сохранил статью. И найти теперь никак не могу. Называлась что-то вроде "...real ultrafast comparator...", но как-то не так, не гуглится. Название компаратора забыл, и фирму его не помню. Компаратор на ebay тогда находил, около 500 руб стоил, в принципе бюджетно для действительно достойного прибора. У Linear Tecnology есть очень интересные микросхемки. Например LTC6957: время нарастания/спада 180/160 пс. Обалденно! Но сам построить измерительный прибор на подобной микрухе я вряд ли смогу.
• Случаем не это на LT1721? Перестраиваемый 0-10нс.

Схема 1

Генератор был спроектирован для использования в нем минимального количества общедоступных электронных компонентов, с хорошей повторяемостью и достаточной надежностью. Вариант генератора (схема 1) собран на базе широко распространенного шим-контроллера UC3525 (U1), который управляет мостовой схемой на полевых транзисторах Q4-Q7. Если нижние ключи каждого из полумостов, работающих в противофазе, управляются непосредственно выходами микросхемы 11/14 U2, то в качестве драйверов верхнего плеча применены бустрепные каскады на транзисторах Q2, Q3. Такие каскады широко используются в большинстве современных микросхемных драйверов и достаточно хорошо описаны в литературе, посвященной силовой электронике. Входное напряжение переменное или постоянное (~24~220В/30-320В), подающееся на вход диодного моста (или минуя его в случае подачи постоянного напряжения), питает силовую часть схемы. Для предотвращения большого стартового тока в разрыв цепи питания включен термистор Vr1 (5A/5Ohm). Управляющая часть схемы запитана может быть запитана от любого источника с выходным напряжением +15/+25В и током от 0,5А. Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе Q1 может иметь выходное напряжение от +9 до +18В (в зависимости от типа применяемых силовых ключей, например), но в ряде случаев можно обойтись и без этого стабилизатора, если внешний источник питания с необходимыми параметрами уже стабилизирован. Микросхема UC3525 была выбрана не случайно, - способность генерации импульсной последовательности от нескольких десятков герц до 500кГц и достаточно мощные выходы (0,5А). По крайней микросхемы TL494 не смогли функционировать при частоте менее 250Гц в двухтактном режиме (в однотактном - без проблем) - происходил сбой в работе внутренней логики и последовательность импульсов, а так же их длительность становились хаотичными.

Регулировка частоты импульсной последовательности производится переменным резистором R1, регулировка длительности импульсов осуществляется с помощью R4. Начальная длительность "мертвого времени" устанавливается резистором R3.

Схема 2

Генератор, показанный на схеме 2, является полным аналогом предыдущей схемы и практически не имеет схемных отличий. Однако, отечественная микросхема К1156ЕУ2 (полный аналог UC3825), примененная в этом генераторе, способна работать на более высоких частотах (практически до 1МГц), выходные каскады имеют большую нагрузочную способность (до 1,5А). Кроме того, она имеет несущественное различие в цоколевке по сравнению с UC3525. Так, "тактовый" конденсатор соединен с выводом 6 (5 - у микросхемы 3525), времязадающий резистор соединен с выводом 5 (6 - у микросхемы 3525). Если вывод 9 микросхемы UC3525 - это выход усилителя ошибки, то в микросхеме UC3825 этот вывод выполняет функции входа "токового" ограничителя. Впрочем, все подробности - в даташите на эти микросхемы. Стоит отметить, однако, что К1156ЕУ2 менее устойчива в работе частотах мене 200Гц и требует более тщательной компоновки и обязательной блокировки ее цепей питания конденсаторами относительно большой емкости. При игнорировании этих условий, может быть нарушена плавность регулировки длительности импульсов вблизи их временного максимума. Описанная особенность проявлялась, однако, лишь при сборке на макетной плате. После сборки генератора на печатной плате эта проблема не проявлялась.

Обе схемы легко масштабируются по мощности путем применения либо более мощных транзисторов либо путем их параллельного включения (для каждого из ключей), а так же изменением напряжения питания силовых ключей. Все силовые компоненты желательно "посадить" на радиаторы. До мощности 100Вт использовались радиаторы с клейкой основой, предназначенные для установки на микросхемы памяти в видеокартах (выходные ключи и транзистор стабилизатора). В течении получаса работы с частотой 10кГц с максимальной длительностью выходных импульсов, при напряжении питания ключей (использовались транзисторы 31N20) +28В на нагрузку около 100Вт (две последовательно соединенные лампы 12В/50Вт), температура силовых ключей не превышала 35 градусов Цельсия.

Для построения приведенных выше схем использовались готовые схемные решения, мною лишь перепроверенные и дополненные при макетировании. Для схем генераторов были разработаны и изготовлены печатные платы. На рис 1 и рис 2 изображены платы первого варианта схемы генератора, на рис 3, рис 4 - изображения платы для второй схемы.

Обе схемы на момент написания статьи проверялись в работе на частотах от 40Гц до 200кГц с различными активными и индуктивными нагрузками (до 100Вт), при постоянных входных напряжениях питания от 23 до 100В, с выходными транзисторами IRFZ46, IRF1407, IRF3710, IRF540, IRF4427, 31N20, IRF3205. Вместо биполярных транзисторов Q2, Q3 рекомендуется установка (особенно для работы на частотах свыше 1кГц) полевых транзисторов, таких как IRF630, IRF720 и подобных с током от 2А и рабочим напряжением от 350В. В этом случае номинал резистора R7 может варьироваться от 47Ом (свыше 500Гц) до 1к.

Номиналы компонентов указанные через слэш - для частот свыше 1кГц/для частот до 1кГц кроме резисторов R10, R11, не указанных в принципиальной схеме, но для которых есть установочные места на платах, - вместо этих резисторов можно установить перемычки.

Генераторы не требуют настройки и при безошибочном монтаже и исправных компонентах начинают работать сразу после подачи питания на схему управления и выходные транзисторы. Требуемый диапазон частот определяется емкостью конденсатора С1. Номиналы компонентов и позиции для обеих схем - одинаковые.

На рис 5 - собранные платы генераторов.

Список радиоэлементов