Релаксационный генератор импульсов на лавинном транзисторе с низким напряжением питания



Релаксационный генератор импульсов на лавинном транзисторе с низким напряжением питания
Релаксационный генератор импульсов на лавинном транзисторе с низким напряжением питания

 

H03K3/335 - Импульсная техника (измерение импульсных характеристик G01R; механические счетчики с электрическим входом G06M; устройства для накопления /хранения/ информации вообще G11; устройства хранения и выборки информации в электрических аналоговых запоминающих устройствах G11C 27/02; конструкция переключателей для генерации импульсов путем замыкания и размыкания контактов, например с использованием подвижных магнитов, H01H; статическое преобразование электрической энергии H02M;генерирование колебаний с помощью схем, содержащих активные элементы, работающие в некоммутационном режиме, H03B; импульсная модуляция колебаний синусоидальной формы H03C;H04L ; схемы дискриминаторов с подсчетом импульсов H03D;

Владельцы патента RU 2595937:

Пущин Евгений Леонидович (RU)

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных схемах различного назначения, питаемых от низковольтных источников. Достигаемый технический результат - обеспечение самозапуска генератора и возможность использования низковольтных источников питания. Генератор импульсов на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольтамперной характеристики со стороны коллектора содержит накопительный конденсатор, первый резистор, первый диод, включенный встречно-параллельно переходу эмиттер-база лавинного транзистора, второй диод, компенсирующий конденсатор, второй резистор и трансформаторный дроссель. 2 ил.

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных схемах различного назначения, питаемых от низковольтных источников, например гальванических или солнечных батарей, низковольтных аккумуляторов и пр.

Известен генератор наносекундных импульсов, основанный на базовой схеме, с использованием S-образной вольтамперной характеристики лавинного транзистора со стороны коллектора (В.П. Дьяконов. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии». - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012, с 58). Схема этого генератора является основой для большинства устройств, выполненных на лавинных транзисторах. Она содержит цепь питания базы, служащую для создания условий лавинного пробоя, в которую входят резистор, ограничивающий ток базы от источника запирающего напряжения, разделительный конденсатор для передачи импульса запуска на базу и защитный диод, включенный встречно-параллельно с переходом эмиттер-база лавинного транзистора, зарядный резистор, через который осуществляется заряд накопительного конденсатора, и резистор нагрузки, включенный последовательно в цепь разряда накопительного конденсатора через лавинный транзистор.

Недостатком генератора на основе этой схемы является низкий КПД заряда накопительного конденсатора через зарядный резистор, асимптотически приближающийся к 50% при приближении напряжения заряда к напряжению источника питания (см., например, Я.Б. Зельдович, И.М. Яглом. Высшая математика для начинающих физиков и техников. М.: Наука, с. 380). Если для сокращения интервалов между импульсами напряжение питания поднимают выше требуемого напряжения заряда, то, независимо от величины зарядного резистора, КПД заряда приближается к нулю, так как падение напряжения на балластном резисторе и, следовательно, выделяемая на нем мощность соответственно возрастают. Этим фактором, в частности, объясняются низкие возможности повышения частоты следования импульсов для этой схемы заряда. Применение источников тока для повышения частоты импульсов значительно усложняет конструкцию, не решая проблемы потерь на тепловыделение и уменьшения нагрузки на лавинный транзистор при переключениях.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является генератор импульсов тока на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольт-амперной характеристики со стороны коллектора (Патент РФ №2557475 H03K 3/335, опубл. 20.07.2015), который содержит зарядный дроссель, один вывод которого подключен к источнику питания, а второй - к коллектору лавинного транзистора и к первому выводу накопительного конденсатора, другой вывод которого через нагрузку соединен с эмиттером лавинного транзистора и общим проводом.

Недостатками данного устройства являются свойственное большинству генераторов на лавинных транзисторах высокое напряжение питания (даже уменьшенное в два раза), необходимость подбора напряжения источника питания при замене типа транзистора, а иногда и другого транзистора того же типа, а также необходимость запускающего импульса и источника запирающего напряжения для нормальной работы генератора.

Предлагаемое изобретение направлено на создание легкоуправляемой энергосберегающей схемы генератора импульсов наносекундного диапазона, техническим результатом применения которой является обеспечение самозапуска генератора и возможность использования низковольтных источников питания, что особенно важно в длительно изолированных системах, использующих источники энергии низкого качества, например солнечные батареи или радиоактивность.

Поставленная задача решается генератором импульсов на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольтамперной характеристики со стороны коллектора, содержащим накопительный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору лавинного транзистора, а вторым выводом через первый резистор соединенный с эмиттером лавинного транзистора и общим проводом, первый диод, включенный встречно-параллельно переходу эмиттер-база лавинного транзистора, в отличие от прототипа содержащим второй диод, компенсирующий конденсатор, второй резистор и трансформаторный дроссель, первичная и вторичная обмотки которого разнополярно подключены к источнику питания. Другой вывод первичной обмотки соединен с коллектором лавинного транзистора и первым выводом накопительного конденсатора. Другой вывод вторичной обмотки соединен с первым выводом компенсирующего конденсатора и анодом второго диода, катод которого через второй резистор соединен с базой лавинного транзистора, вторым выводом компенсирующего конденсатора и катодом первого диода.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлена электрическая схема релаксационного генератора импульсов на лавинном транзисторе с низким напряжением питания, на Фиг. 2 - график напряжения на коллекторе при заряде и разряде накопительного конденсатора в ждущем режиме.

Генератор импульсов (Фиг. 1) содержит лавинный транзистор (ЛТ) 1, трансформаторный дроссель 2, первичная I и вторичная II обмотки которого разнополярно подключены к источнику питания Ек, накопительный конденсатор 3, первый резистор 4, первый диод 5, второй резистор 6, второй диод 7 и компенсирующий конденсатор 8. Другой вывод первичной обмотки I трансформаторного дросселя 2 соединен с первым выводом накопительного конденсатора 3 и коллектором ЛТ 1; другой вывод вторичной обмотки II подключен через последовательно соединенные второй диод 7 и второй резистор 6, а также через включенный параллельно им компенсирующий конденсатор 8 к базе ЛТ 1. Первый диод 5 включен встречно-параллельно переходу эмиттер-база ЛТ 1. Второй вывод накопительного конденсатора 3 соединен через первый резистор 4 с эмиттером ЛТ, анодом первого диода и общим проводом. Выходной импульс снимается с первого резистора 4. Запускающий импульс отрицательной полярности подается через второй резистор 6 на базу ЛТ 1.

Схема в режиме релаксации работает следующим образом.

До наступления условий лавинного пробоя ЛТ 1 работает как простой транзистор в составе блокинг-генератора. При включении источника питания Ек транзистор 1 открывается током через вторичную обмотку II трансформаторного дросселя 2, второй диод 7 и второй резистор 6, ограничивающий этот ток. Участием компенсирующего конденсатора 8 малой емкости и обратным током запертого первого диода 5 на этом этапе можно пренебречь. Транзистор 1 входит в насыщение, ток первичной обмотки I трансформаторного дросселя 2 возрастает и в некоторый момент превышает величину, соответствующую насыщенному состоянию транзистора 1. В результате развивается обычный для блокинг-генератора (Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: «Энергия», 1977, с. 572) лавинообразный процесс запирания транзистора 1, в котором основную роль играет положительная обратная связь, выражающаяся в резком понижении потенциала второго вывода вторичной обмотки II относительно общего провода и смене направления тока вторичной обмотки. Ток обратного направления вторичной обмотки состоит из трех составляющих: обратного тока второго диода 7 и зарядных токов емкостей второго диода 7 и конденсатора 8, компенсирующих эффект Миллера (Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: в 2 т.: пер. с нем. - Т. 1. - М.: Додека-XXI, 2008, с. 149) при росте напряжения на коллекторе транзистора 1, а также обеспечивающих прямой ток первого диода 5 для создания запирающего напряжения на базе. Основная часть накопленной магнитной энергии трансформаторного дросселя 2 переходит в заряд накопительного конденсатора 3. Компенсация эффекта Миллера и запирающее напряжение на базе предотвращают преждевременное открывание транзистора 1 и повышают напряжение Uβ′ лавинного пробоя. Если энергии, накопленной дросселем, достаточно, накопительный конденсатор 3 заряжается до лавинного пробоя транзистора. С этого момента транзистор 1 работает как лавинный. Поскольку накопленная магнитная энергия при заданной величине напряжения Ек зависит от тока базы ЛТ 1, то требуемое напряжение лавинного пробоя определяет нужную величину второго (ограничительного) резистора 6.

С момента включения источника питания или выхода ЛТ 1 из насыщения после очередного процесса лавинного пробоя до накопления тока намагничивания дросселя, достаточного для заряда конденсатора до напряжения лавинного пробоя, может быть относительно большой интервал времени по сравнению с описанным выше процессом лавинообразных переключений транзистора. Это обстоятельство зависит от величины ограничительного резистора 6 и может быть использовано как для управления частотой подачи выходных импульсов предлагаемого устройства, так и синхронизации их с другим процессом. При этом устройство может быть не только ведущим, но и ведомым, что важно при согласовании с неуправляемыми процессами. Это иллюстрирует график на Фиг. 2. В момент t0 на базу ЛТ подается запирающий импульс отрицательной полярности длительностью t1-t0. Транзистор принудительно выходит из насыщения и, как указывалось выше, лавинообразно запирается. Ток самоиндукции заряжает конденсатор 3, что иллюстрирует участок 1 кривой заряда. В момент t1 задний фронт запускающего импульса открывает ЛТ и, поскольку в момент t1 напряжение на коллекторе ЛТ, равное Uβ′, превышает минимальное напряжение лавинного пробоя Uβ, то происходит лавинный пробой и напряжение на коллекторе падает по кривой 3 графика. Штрихованный участок 2 кривой напряжения на коллекторе показывает, что если нет запускающего импульса, то при выбранной достаточно большой величине резистора 6 лавинного пробоя не происходит, и конденсатор 3 разряжается по более пологой кривой. Перелом этой кривой на падающем участке в точке t3 шкалы времени показывает, что включается положительная обратная связь через конденсатор 8, ускоряющая процесс разряда. Ордината Uβ графика показывает, что момент t1 заднего фронта запускающего импульса может быть выбран между моментами t2 и t3, которые, в свою очередь, привязаны к моменту t0.

Поставленная задача достигается в изобретении благодаря следующему.

Высокое напряжение питания, требуемое в приведенных выше схемах аналога (Ек>Uβ′) или прототипа (Ек≈Uβ′/2), предполагает использование специального повышающего источника питания. Предлагаемое устройство накапливает с помощью низковольтного источника такой запас энергии, который требуется для осуществления одного импульса.

Так как положительный задний фронт запускающего импульса полагает начало резкому падению потенциала коллектора ЛТ 1, положительная обратная связь, в которой задействованы вторичная обмотка трансформаторного дросселя 2 и конденсатор 8, усиливает этот эффект и включает процесс лавинного пробоя, тем самым позволяя использовать генератор запускающих импульсов малой мощности без большой крутизны фронтов.

Низкое напряжение питания предлагаемого устройства определяется напряжением питания базы в период накопления дросселем магнитной энергии, складывающимся из напряжений на p-n переходах диода 7 и база-эмиттер ЛТ 1, а также на активном сопротивлении вторичной обмотки дросселя 2 и втором (низкоомном) резисторе 6.

При снижении температуры среды сумма пороговых напряжений p-n переходов второго диода 7 и база-эмиттер ЛТ 1 может превысить напряжение питания Ек. В этом случае трансформаторный дроссель 2 может набрать энергию для лавинного пробоя только при положительном напряжении сигнала от запускающего генератора, что демонстрирует график этого сигнала на Фиг. 2 от начала до момента t0. Это делает режим работы существенно ждущим. Точно так же исключает возможность релаксации и снижение питания предлагаемого устройства в диапазоне положительных температур.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить экономичность и управляемость генератора.

Генератор импульсов на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольтамперной характеристики со стороны коллектора, содержащий накопительный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору лавинного транзистора, вторым выводом через первый резистор соединенный с эмиттером лавинного транзистора и общим проводом, первый диод, включенный встречно-параллельно переходу эмиттер-база лавинного транзистора, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй диод, компенсирующий конденсатор, второй резистор и трансформаторный дроссель, первичная и вторичная обмотки которого разнополярно подключены к источнику питания, другой вывод первичной обмотки соединен с коллектором лавинного транзистора и первым выводом накопительного конденсатора, другой вывод вторичной обмотки соединен с первым выводом компенсирующего конденсатора и анодом второго диода, катод которого через второй резистор соединен с базой лавинного транзистора, вторым выводом компенсирующего конденсатора и катодом первого диода.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электронных устройствах для формирования импульсов напряжения. Достигаемый технический результат - возможность получения импульсов напряжения с заданными параметрами в широком диапазоне по амплитуде от нуля до максимума амплитуды питающего напряжения и заданной длительности импульса.

Использование: для формирования высоковольтных импульсов. Сущность изобретения заключается в том, что в генератор импульсов введено, по крайней мере, одно LC-звено, состоящее из индуктивного накопителя и конденсатора, при этом индуктивный накопитель LC-звена одним выводом соединен с нагрузкой и к точке их соединения подключен диод, а другим выводом индуктивный накопитель LC-звена соединен со второй индуктивностью и к точке их соединения одним выводом подключен конденсатор LC-звена, соединенный другим выводом с землей.

Изобретение относится к импульсной технике и может использоваться для подачи высоковольтных импульсов на различные приборы и устройства. Техническим результатом является увеличение надежности блока электронных ключей за счет равномерного распределения напряжения, прикладываемого между отдельными ключевыми элементами.

Изобретение относится к управлению энергопотреблением в электронной схеме, в частности к управлению рабочими точками тактовой частоты и источника напряжения в электронной схеме.

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для создания наносекундных компактных генераторов. Достигаемый технический результат - уменьшение искажений выходного импульса генератора путем подавления высокочастотных колебаний переходного процесса.

Группа изобретений относится к импульсной технике и может быть использована для систем питания мощных лазеров. Техническим результатом является формирование импульсов напряжения с высокой частотой повторения импульсов.

Изобретение относится к импульсной высоковольтной технике и может быть использовано в составе высоковольтного оборудования. Сущность изобретения: корпус генератора импульсных напряжений, содержащий аппаратуру генератора импульсных напряжений, заполненный диэлектрической жидкостью, выполнен в виде герметичной емкости, на наружной поверхности которой герметично установлены два снабженных обратными клапанами компенсационных бачка, сопряженных с внутренним объемом корпуса и содержащих герметичные газовые полости и гибкие выпуклые мембраны, отделяющие эти полости от полостей, заполненных диэлектрической жидкостью.

Генератор Аркадьева-Маркса относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использован в ускорителях заряженных частиц или других импульсных сильноточных устройствах. Сущность изобретения заключается в том, что по сравнению с известным генератором Аркадьева-Маркса, содержащим несколько каскадов с конденсаторами и разрядником в каждом каскаде, а также импульсный зарядный трансформатор, все элементы генератора расположены в металлическом герметичном корпусе, новым является то, что разрядник первого каскада выполнен управляемым и снабжен системой запуска, корпус генератора разделен на две секции с фланцами, в одной секции расположен импульсный зарядный трансформатор и система запуска, каскады генератора установлены в другой секции и закреплены на металлической пластине, причем пластина зажата между смежными фланцами секций корпуса до смыкания торцевых прилегающих поверхностей пластины и фланцев и имеет отверстия, в которых с радиальным зазором относительно краев отверстий установлены диэлектрические держатели высоковольтных выводов импульсного трансформатора и системы запуска. Техническим результатом является повышение качества сборки и надежности работы генератора Аркадьева-Маркса при сохранении масс-габаритных характеристик.

Изобретение относится к импульсной и вычислительной технике и может использоваться при построении самосинхронных комбинационных и вычислительных устройств, систем цифровой обработки информации.

Изобретение относится к технике электроракетных плазменных двигательных установок (ЭРПДУ) и может быть использовано для квалификационных испытаний составных частей ЭРПДУ - плазменных двигателей (ПД) и систем электропитания и управления (СПУ) на устойчивость к воздействию электростатических разрядов, обусловленных объемной электризацией космических аппаратов.
Наверх