ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ НА ЛАВИННОМ ТРАНЗИСТОРЕ С ПОВЫШЕННЫМИ КПД И ЧАСТОТОЙ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано там, где удаление излишнего тепла обходится особенно дорого, например в космосе, геофизических исследованиях, а также в импульсных схемах различного назначения.

Известен генератор импульсов тока на тиристоре, имеющем S-образную вольт-амперную характеристику (ВАХ), содержащий зарядный дроссель, развязывающий диод, накопительный конденсатор, разрядный дроссель с вентилем и селективную цепь, причем разрядный дроссель с вентилем и селективная цепь включены между катодом тиристора и отрицательной шиной источника питания (А.С. №354540, МПК H03K 3/335, опубл. 09.11.1972 г.).

Недостатком данного устройства является использование тиристора, который работает медленнее по сравнению с лавинным транзистором. Нестандартное использование тиристора в качестве емкости в высокочастотных процессах затрудняет расчет и реализацию схемы генератора. Наличие двух дополнительных дросселей и сверхвысокочастотных диодов в разрядной цепи, используемых для формирования короткого импульса, усложняет и удорожает схему.

Наиболее близким к предложенному является генератор наносекундных импульсов, основанный на базовой схеме, с использованием лавинного транзистора со стороны коллектора, имеющего S-образную вольт-амперную характеристику (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, 1982, 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.

Предлагаемое изобретение направлено на создание энергосберегающей схемы генератора импульсов наносекундного диапазона с возможностью многократного повышения частоты импульсов, с пониженным напряжением 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 вольт-амперной характеристики со стороны коллектора, содержащим накопительный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору лавинного транзистора, вторым выводом через нагрузку соединенный с эмиттером лавинного транзистора и общим проводом, диод, включенный встречно-параллельно переходу эмиттер-база лавинного транзистора, база которого соединена через ограничительный резистор с источником запирающего напряжения, который в отличие от прототипа 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.

Поставленная задача решается также генератором импульсов на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольт-амперной характеристики со стороны коллектора, содержащим накопительный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору лавинного транзистора, вторым выводом через нагрузку соединенный с эмиттером лавинного транзистора, база которого соединена с первым выводом ограничительного резистора, который в отличие от прототипа содержит зарядный дроссель, один вывод которого подключен к источнику питания, а второй - к коллектору лавинного транзистора и к первому выводу накопительного конденсатора, управляющий транзистор, к коллектору которого подсоединен второй вывод ограничительного резистора, причем база управляющего транзистора через стабилитрон соединена с эмиттером лавинного транзистора, а через шунтирующий резистор - со своим эмиттером и общим проводом.

Согласно изобретению в генераторе импульсов последовательно с зарядным дросселем может быть включен развязывающий диод.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена электрическая схема генератора импульсов на лавинном транзисторе с подключением к источнику запирающего напряжения, на фиг. 2 - схема генератора импульсов на лавинном транзисторе без подключения к источнику запирающего напряжения с использованием схемы управления лавинным транзистором, на фиг. 3 - график напряжения на коллекторе при заряде и разряде накопительного конденсатора, на фиг. 4 - график напряжения на коллекторе с развязывающим диодом в цепи заряда.

Генератор импульсов (фиг. 1) содержит лавинный транзистор 1, зарядный дроссель 2, соединяющий источник питания Ек с первым выводом накопительного конденсатора 3 и коллектором лавинного транзистора, ограничительный резистор 4, соединяющий базу транзистора 1 с источником запирающего напряжения Еб, диод 5, включенный встречно-параллельно переходу эмиттер-база лавинного транзистора, и резистор нагрузки 6, соединяющий второй вывод накопительного конденсатора 3 с общим проводом и эмиттером лавинного транзистора. Выходной импульс снимается с резистора нагрузки 6. Запускающий импульс подается на базу лавинного транзистора.

Для расширения интервала синхронизации генератора импульсов с внешними приборами или процессами в цепь заряда последовательно с дросселем может быть включен развязывающий диод 7.

Схема (фиг. 1) работает следующим образом.

При включении источника запирающего напряжения Еб и источника питания генератора Ек лавинный транзистор 1 заперт, и развивается колебательный процесс заряда конденсатора 3 через зарядный дроссель 2 и резистор нагрузки 6. Ток дросселя увеличивается от нуля до максимума, который наступает при достижении напряжения на накопительном конденсаторе величины источника питания Ек. После этого зарядный дроссель 2 расходует накопленную энергию на дальнейший заряд конденсатора.

Достигаемый уровень заряда накопительного конденсатора почти в два раза превышает напряжение питания Ек (см., например, Я.Б. Зельдович, И.М. Яглом. Высшая математика для начинающих физиков и техников. М.: Наука. 1982, с. 391) и, следовательно, Ек должно выбираться из расчета 2Eк≤Um, где Um - напряжение лавинного пробоя (подробное определение Um см. в издании В.П. Дьяконов. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии». - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012, с. 13).

На фиг. 3 показано, что по достижении максимального напряжения на накопительном конденсаторе 3 ток дросселя меняет направление, и начинается разряд, после чего в момент времени t1 происходит лавинный пробой, и накопительный конденсатор разряжается за короткий промежуток времени через лавинный транзистор 1 и резистор нагрузки 6. Запускающим импульсом, подаваемым на базу лавинного транзистора в момент времени t2, как показано на следующем цикле заряда-разряда, колебательный процесс может быть прерван в любой точке ниспадающего участка. Длина этого ниспадающего участка зависит от номиналов элементов схемы. Лавинный транзистор работает в ждущем режиме и открывается. После этого развивается лавинный процесс включения транзистора 1, и накопительный конденсатор 3 разряжается через лавинный транзистор 1 и резистор нагрузки 6. Таким образом, генератор импульсов может, как и прототип, работать как в режиме синхронизации, так и автогенерации.

Генератор импульсов (фиг. 2), содержит лавинный транзистор 1, зарядный дроссель 2, соединяющий источник питания Ек с первым выводом накопительного конденсатора 3 и коллектором лавинного транзистора, резистор нагрузки 6, соединяющий второй вывод накопительного конденсатора 3 с эмиттером лавинного транзистора, цепь автоматического смещения для создания запирающего напряжения, состоящую из перехода эмиттер-база управляющего транзистора 8, зашунтированного резистором 9, и стабилитрона 10. Эмиттер управляющего транзистора 8 соединен с общим проводом. Катодный вывод стабилитрона 10 соединен с эмиттером лавинного транзистора. Между коллектором управляющего транзистора 8 и базой лавинного транзистора 1 включен ограничительный резистор 4. Выходной импульс снимается с резистора нагрузки 6. Запускающий импульс подается на базу лавинного транзистора.

Генератор (фиг. 2) работает следующим образом.

Запирающее напряжение Еб в этом генераторе создает схема управления включением лавинного транзистора, содержащая резистор 9, транзистор 8 и стабилитрон 10.

При включении источника питания генератора Ек лавинный транзистор 1 заперт, и развивается колебательный процесс заряда конденсатора 3 через зарядный дроссель 2, резистор нагрузки 6, стабилитрон 10 и зашунтированный резистором 9 переход база-эмиттер управляющего транзистора 8. Ток зарядного дросселя 2 увеличивается от нуля до максимума, который наступает при достижении напряжения на накопительном конденсаторе 3 величины источника питания Ек. После этого дроссель расходует накопленную энергию на дальнейший заряд конденсатора 3. Как и в схеме фиг. 1, достигаемый уровень заряда накопительного конденсатора почти в два раза превышает напряжение питания Ек.

Ток заряда конденсатора 3 после включения генератора создает между эмиттерами транзисторов 1 и 8 разность потенциалов Еб, не превышающую предельного напряжения эмиттер-база транзистора 1, что обеспечивается соответствующим выбором стабилитрона 10. Величина шунтирующего резистора 9 выбирается так, чтобы ток заряда открывал управляющий транзистор 8 для запирания лавинного транзистора 1 на время заряда, а по окончании заряда, когда ток заряда стремится к нулю, транзистор 8 закрывался. Таким образом, транзистор 8 дополняет резистор 4, добавляя нелинейное сопротивление перехода коллектор-эмиттер, управляемого током заряда конденсатора 3. Во время заряда конденсатора управляющий транзистор 8 открыт и находится в режиме насыщения, обеспечивая такой же запирающий ток базы, что и в схеме фиг. 1 с подключением к источнику запирающего напряжения (имеем в виду, что напряжение насыщения Uкэ близко к нулю). Такой режим определяет минимальный ток коллектора лавинного транзистора во время заряда. Наоборот, в конце процесса заряда конденсатора 3 управляющий транзистор 8 выходит из насыщения и закрывается, что фактически означает обрыв базы лавинного транзистора и ускорение лавинного пробоя. Как и предыдущая, эта схема генератора может быть синхронизирована внешним импульсом положительной полярности, что иллюстрирует фиг. 3 (момент t2).

Для расширения временного интервала синхронизации лавинного пробоя с внешними приборами или процессами последовательно с зарядным дросселем 2 может быть включен развязывающий диод 7 (фиг. 1, фиг. 2).

На фиг. 4 показано, как введение развязывающего диода 7 прерывает колебательный процесс заряда конденсатора 3 после отдачи дросселем всей энергии. Ниспадающий участок приобретает вид прямой с очень малым наклоном, поскольку разряд конденсатора определяется очень малыми обратными токами развязывающего диода и коллектора запертого лавинного транзистора. Это позволяет при необходимости задержать момент лавинного пробоя, однако задержка не может превышать времени разряда конденсатора 3 обратными токами коллектора транзистора 1 и развязывающего диода 7 до напряжения Uβ (В.П. Дьяконов. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии». - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012, с. 21), ниже которого лавинный пробой не возникает. На фиг. 4 показан первый цикл заряда-разряда накопительного конденсатора, где в момент времени t1 происходит самовключение, а в случае подачи в момент времени t2 запускающего импульса до самовключения - управляемое включение лавинного транзистора 1 и разряд накопительного конденсатора 3, после чего начинается новый цикл заряда-разряда. Так же как в отсутствие развязывающего диода 7, длина ниспадающего участка зависит от номиналов элементов, но существенно расширяет интервал синхронизации без больших потерь энергии накопительного конденсатора.

Поставленная задача достигается в изобретении благодаря следующему.

При отсутствии специального зарядного резистора, используемого в прототипе, потери энергии при заряде определяются суммарным сопротивлением обмотки зарядного дросселя 2 и ограничительного резистора 4, что, как известно, во много раз меньше обычных величин зарядных резисторов (десятки тысяч Ом). Понижение напряжения питания генератора при этом может быть доведено до двукратного при тех же параметрах выходного импульса. Схема позволяет также увеличивать частоту повторения импульсов за счет уменьшения индуктивности зарядного дросселя. Это возможно благодаря тому, что к моменту начала лавинного пробоя зарядный дроссель 2 теряет кинетическую энергию своего магнитного поля, и ток через него близок к нулю. Разряд накопительного конденсатора 3 происходит настолько быстро, что ток дросселя не успевает измениться, и новый цикл заряда-разряда повторяет предыдущий. Таким образом, выключение и включение лавинного транзистора 1 происходит при близком к нулю токе заряда, то есть в условиях, обеспечивающих безопасное переключение лавинного транзистора. Этот фактор повышает время работы лавинного транзистора до выхода из строя.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить экономичность и надежность работы генератора.