Как изготовить мощный высоковольтный генератор импульсов. Генератор импульсов своими руками

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.

Генераторы импульсов используют во многих радиотехнических устройствах (электронных счетчиках, реле времени), применяют при настройке цифровой техники. Диапазон частот таких генераторов может быть от единиц герц до многих мегагерц. Здесь приводятся простые схемы генераторов, в том числе на элементах цифровой «логики», которые широко используются в более сложных схемах как частотозадающие узлы, переключатели, источники образцовых сигналов и звуков.

На рис. 1 приведена схема генератора, который формирует одиночные импульсы прямоугольной формы при нажатии кнопки S1 (то есть он не является автогенератором, схемы которых приводятся далее). На логических элементах DD1.1 и DD1.2 собран RS-триггер, предотвращающий проникновение импульсов дребезга контактов кнопки на пересчетное устройство. В положении контактов кнопки S1, показанном на схеме, на выходе 1 будет напряжение высокого уровня, на выходе 2 - напряжение низкого уровня; при нажатой кнопке - наоборот. Этот генератор удобно использовать при проверке работоспособности различных счетчиков.

На рис. 2 показана схема простейшего генератора импульсов на электромагнитном реле. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1 и реле срабатывает, отключая источник питания контактами К 1.1. Но реле отпускает не сразу, поскольку некоторое время через его обмотку будет протекать ток за счет энергии, накопленной конденсатором С1. Когда контакты К 1.1 опять замкнутся, снова начнет заряжаться конденсатор - цикл повторяется.

Частота переключении электромагнитного реле зависит от его параметров, а также номиналов конденсатора С1 и резистора R1. При использовании реле РЭС-15 (паспорт РС4.591.004) переключение происходит примерно один раз в секунду. Такой генератор можно использовать, например, для коммутации гирлянд на новогодней елке, для получения других световых эффектов. Его недостаток - необходимость использования конденсатора значительной емкости.

На рис. 3 приведена схема еще одного генератора на электромагнитном реле, принцип работы которого аналогичен предыдущему генератору, но обеспечивает частоту импульсов 1 Гц при емкости конденсатора в 10 раз меньшей. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Спустя некоторое время откроется стабилитрон VD1 и сработает реле К1. Конденсатор начнет разряжаться через резистор R2 и входное сопротивление составного транзистора VT1VT2. Вскоре реле отпустит и начнется новый цикл работы генератора. Включение транзисторов VT1 и VT2 по схеме составного транзистора повышает входное сопротивление каскада. Реле К 1 может быть таким же, как и в предыдущем устройстве. Но можно использовать РЭС-9 (паспорт РС4.524.201) или любое другое реле, срабатывающее при напряжении 15...17 В и токе 20...50 мА.

В генераторе импульсов, схема которого приведена на рис. 4, использованы логические элементы микросхемы DD1 и полевой транзистор VT1. При изменении номиналов конденсатора С1 и резисторов R2 и R3 генерируются импульсы частотой от 0,1 Гц до 1 МГц. Такой широкий диапазон получен благодаря использованию полевого транзистора, что позволило применить резисторы R2 и R3 сопротивлением в несколько мегаом. С помощью этих резисторов можно изменять скважность импульсов: резистор R2 задает длительность напряжения высокого уровня на выходе генератора, а резистор R3 - длительность напряжения низкого уровня. Максимальная емкость конденсатора С1 зависит от его собственного тока утечки. В данном случае она составляет 1...2 мкФ. Сопротивления резисторов R2, R3 - 10...15 МОм. Транзистор VT1 может быть любым из серий КП302, КП303. Микросхема - К155ЛА3, ее питание составляет 5В стабилизированного напряжения. Можно использовать КМОП микросхемы серий К561, К564, К176, питание которых лежит в пределах 3 … 12 В, цоколевка таких микросхем другая и показана в конце статьи.

При наличии микросхемы КМОП (серия К176, К561) можно собрать широкодиапазонный генератор импульсов без применения полевого транзистора. Схема приведена на рис. 5. Для удобства установки частоты емкость конденсатора времязадающей цепи изменяют переключателем S1. Диапазон частот, формируемых генератором, составляет 1...10 000 Гц. Микросхема - К561ЛН2.

Если нужна высокая стабильность генерируемой частоты, то такой генератор можно сделать «кварцованным» - включить кварцевый резонатор на нужную частоту. Ниже показан пример кварцованного генератора на частоту 4,3 МГц:

На рис. 6 представлена схема генератора импульсов с регулируемой скважностью.

Скважность – отношение периода следования импульсов (Т) к их длительности (t):

Скважность импульсов высокого уровня на выходе логического элемента DD1.3, резистором R1 может изменяться от 1 до нескольких тысяч. При этом частота импульсов также незначительно изменяется. Транзистор VT1, работающий в ключевом режиме, усиливает импульсы по мощности.

Генератор, схема которого приведена на рисунке ниже, вырабатывает импульсы как прямоугольной, так и пилообразной формы. Задающий генератор выполнен на логических элементах DD 1.1-DD1.3. На конденсаторе С2 и резисторе R2 собрана дифференцирующая цепь, благодаря которой на выходе логического элемента DD1.5 формируются короткие положительные импульсы (длительностью около 1 мкс). На полевом транзисторе VT2 и переменном резисторе R4 выполнен регулируемый стабилизатор тока. Этот ток заряжает конденсатор С3, и напряжение на нем линейно возрастает. В момент поступления на базу транзистора VT1 короткого положительного импульса транзистор VT1 открывается, разряжая конденсатор СЗ. На его обкладках таким образом формируется пилообразное напряжение. Резистором R4 регулируют ток зарядки конденсатора и, следовательно, крутизну нарастания пилообразного напряжения и его амплитуду. Конденсаторы С1 и СЗ подбирают исходя из требуемой частоты импульсов. Микросхема - К561ЛН2.

Цифровые микросхемы в генераторах взаимозаменяемы в большинстве случаев и можно использовать в одной и той же схеме как микросхемы с элементами «И-НЕ», так и «ИЛИ-НЕ», или же просто инверторы. Вариант таких замен показан на примере рисунка 5, где была использована микросхема с инверторами К561ЛН2. Точно такую схему с сохранением всех параметров можно собрать и на К561ЛА7, и на К561ЛЕ5 (или серий К176, К564, К164), как показано ниже. Нужно только соблюдать цоколевку микросхем, которая во многих случаях даже совпадает.

Необычный режим работы транзистора.

Кажется, в наше просвещённое время транзистор изучен настолько, что ничего нового о нём узнать уже невозможно.
Тем не менее, недавно я обнаружил схему генератора, которая работает очень устойчиво и имеет хорошую нагрузочную способность, хотя, кажется, вовсе не должна этого делать.
Схема очень простая, изображена на рисунке 1:

Рис.1. Схема генератора.

Для запуска генератора необходимо кратковременно замкнуть коллектор и эмиттер транзистора через низкоомное сопротивление или подать на вход транзистора короткий запускающий импульс.
Модель генератора с запускающим импульсом представлена на рисунке 2.

Рис.2. Схема модели генератора.

Временные диаграммы работы генератора приведены на рисунке 3.

Синий - ток в базе транзистора.
Красный - напряжение на базе.

Запуск генератора осуществляется одиночным импульсом напряжения с генератора V2. Из диаграмм следует, что генерация начинается после окончания запускающего импульса тока в базе транзистора.
Во время прохождения запускающего импульса тока транзистор открылся, в индуктивности L1 стал протекать ток, и накопилась энергия в виде магнитного поля. После закрывания транзистора, как это описано во множестве учебников, энергия магнитного поля преобразуется в энергию электрического поля, которая накапливается в конденсаторе C1. Напряжение на конденсаторе возрастает до определённой величины, после чего начинается обратный процесс. Напряжение на конденсаторе начинает падать, а ток в катушке возрастать, изменив своё направление на противоположное.
Когда напряжение на конденсаторе падает до нуля, ток в катушке имеет максимальную величину, с этого момента напряжение на конденсаторе должно изменить свой знак и возрастать в другой полярности. Но этого не происходит, поскольку напряжение на коллекторе транзистора становится отрицательным и открывается его коллекторный переход, смещённый в прямом направлении. Через этот переход в базу транзистора начинает уходить ток, накопленный в катушке индуктивности. Из диаграмм видно, что напряжение на базе становится тоже отрицательным, эмиттерный переход закрывается и начинает играть роль коллектора - транзистор работает полностью в инверсном режиме, с низким коэффициентом усиления по току, но всё же в режиме транзистора. Часть тока ответвляется в эмиттер и возвращается в источник питания. Остальная часть тока в конечном итоге тоже возвращается в источник питания, проделав работу на преодоление ЭДС источника V3 и на потери в других элементах схемы.
После того, как напряжение на выводе катушки, соединённом с коллектором транзистора, станет равным нулю, транзистор переходит из инверсного режима в нормальный режим работы. Всё это время он остаётся открытым, в результате чего к катушке приложено напряжение источника питания в течение времени, достаточном для того, чтобы в ней накопилась энергия, необходимая для следующего периода колебаний.
Для лучшего понимания процессов, (если вдруг кому захочется) на рисунке 4 приведены диаграммы токов в транзисторе.

Рис. 4. Временные диаграммы токов в транзисторе.
Направления токов приведены к току в базе.
Синий - ток в базе транзистора.
Красный - ток в коллекторе.
Чёрный - ток в эмиттере

Из диаграмм токов видно, что ток эмиттера практически всё время равен току коллектора за исключением начальной стадии процесса.

Если кому-то кажется, что такой генератор не имеет практического применения, это не так. В схемотехнике по альтернативной энергетике такое решение встречается нередко. Попытки понять, что происходит в таких схемах, и привели к появлению этой статьи.
Внесу свою лепту тем, что предложу схему раскачки трансформатора Теслы с помощью этого генератора. От известной схемы качера она отличается тем, что оба вывода катушки Теслы остаются свободными. От других схем качеров, в которых оба конца катушки Теслы свободны, - тем, что отсутствует катушка обратной связи.
Модель такой схемы приведена на рисунке 5.

Рис.5. Схема модели качера.

На схеме L2 - индуктор, L3 - катушка Теслы.
На рисунке 6 приведены диаграммы напряжений на коллекторе транзистора и напряжения на катушке Теслы.

Рис. 6. Временные диаграммы напряжений.
Зелёный - напряжение на коллекторе.

Ну и, наконец, схема, которая встречается в Интернете. От схемы на рисунке 5 отличается наличием катушки обратной связи. Такая схема не нуждается в запускающем импульсе, а запускается сама. От схемы качера с катушкой обратной связи отличается тем, что частота импульсов накачки задаётся не резонансной частотой катушки Теслы, а частотой колебательного контура, образованного индуктивностью L1 и ёмкостью C1.
Модель самозапускающейся схемы приведена на рисунке 7.

Рис.7. Схема модели качера с автозапуском.

Временная диаграмма, иллюстрирующая процесс запуска, показана на рисунке 8.

Рис. 8. Временные диаграммы напряжений в схеме с автозапуском.
Зелёный - напряжение на коллекторе.
Коричневый - напряжение на катушке Теслы.

Выше рассмотрены только общие принципы работы генератора. В реальной схеме многое зависит от величины опорного напряжения и резистора в цепи базы. Изменением этих параметров можно изменять величину обратного тока в коллекторе транзистора и получать форму сигналов на коллекторе от импульсов до синусоиды. В схеме с автозапуском на форму сигналов кроме того, влияют индуктивности катушек L2 и L4. Например, транзистор в схеме с принудительным пуском может работать вовсе без смещения в цепи базы.
Модель такой схемы приведена на рисунке 9.

Рис.9. Схема модели с отсутствием смещения в цепи базы.

На рисунке 10 приведена временная диаграмма нарастания напряжения на катушке Теслы.

Рис.10. Временная диаграммы напряжения на катушке Теслы.

Если запуск схемы производить закорачиванием коллектора и эмиттера резистором, то транзистор можно представить в виде двухполюсника.
Модель такой схемы представлена на рисунке 11.

Рис.11. Схема модели с представлением транзистора в виде двухполюсника.

На рисунке 12 приведены временные диаграммы запускающего импульса тока и напряжения на катушке Теслы.

Рис. 12. Временные диаграммы.
Синий - ток в резисторе R1/.
Коричневый - напряжение на катушке Теслы.

Интересно, что в модели работает и с закороченными выводами эмиттера и базы, И даже работает с простым выпрямительным диодом. Однако только в том случае, если в модели заложено время восстановления диода больше, чем время его открывания. Это может служить ключём к пониманию механизма накачки колебательного контура. То есть, за время восстановления перехода в контур поступает энергии больше, чем расходуется при его открывании. Если реальные диоды обладают таким свойством, то построение генератора вполне возможно при соблюдении соотношений параметров схемы, допускающих режим генерации. Более того, такие схемы могут быть интересны с той точки зрения, что восстановление закрытого состояния у диодов может происходить практически мгновенно, что на практике используется для генерации импульсов наносекундных длительностей. Но в железе я этого не проверял, и пока здесь публиковать не буду. Это тема для другой статьи.

Все описанные здесь схемы имеют одну полезную особенность - несмотря на большие токи, протекающие в их цепях, потребление тока от источника питания может быть мизерным, потому, что бОльшая часть их возвращается обратно в источник питания.

* * *

Генератор коротких импульсов напряжения на диоде.

Схему, соответствующую модели, представленной на рисунке 11 в предыдущей статье, на практике удаётся запустить, и она продолжает работать даже при закороченных выводах эмиттера и базы транзистора, и токи в транзисторе при этом возрастают. Но с выпрямительным диодом вместо транзистора запустить не удаётся. Это, между прочим, свидетельствует о том, что транзистор с закороченными выводами эмиттера и базы - не то же самое, что простой диод.
Вероятно, внутреннее сопротивление базы играет какую-то роль в процессе. При инвертировании напряжения на коллекторном переходе, он открывается, ток течёт в базу, поскольку эмиттерный переход оказывается включённым в обратном направлении и принимает на себя функции коллекторного перехода. Из-за наличия сопротивления в цепи базы, на нём падает некоторое напряжение, транзистор оказывается включённым в инверсном режиме и через эмиттерный переход начинает протекать большая часть тока, определяемая коэффициентом усиления по току транзистора в инверсном режиме. Эмиттерный переход, вероятно, входит в насыщение. И, при восстановлении полярности напряжения на транзисторе, требуется некоторое дополнительное время на рассасывание зарядов в насыщенном переходе. То есть, условие, необходимое для работоспособности такой схемы - время восстановления больше времени открывания, выполняется.
Но это только непроверенная попытка объяснения неравнозначности транзистора с закороченными выводами эмиттера и базы обычному диоду.

Темой настоящей статьи является выделение из рассмотренных в предыдущей статье схем момента восстановления диода с включённой в его цепь индуктивностью, с целью резкого прерывания тока в индуктивности.
- А зачем нам это надо?
- Во-первых, это позволяет получить короткие высоковольтные импульсы напряжения. Иногда генераторы таких импульсов востребованы.
- Во-вторых, и это главное, - при включении в качестве индуктивности индуктора катушки Теслы, мы можем приблизиться к главному требованию, сформулированному самим Теслой - прерывать ток в индукторе во время его нарастания.
Сегодня интерес к работам Теслы возрастает, о чём свидетельствуют множество форумов в Интернете, посвящённых этой теме. Но практически только единицы экспериментаторов научились выполнять это требование. Ключи на транзисторах и разрядники в лучшем случае могут позволить получить резкий фронт импульса напряжения на индукторе. И совершенно не могут обеспечить резкое прерывание тока в индукторе.
В упрощённом виде схема представлена на рисунке 1:

Рис.1. Упрощённая схема генератора коротких импульсов напряжения.

К выходу генератора импульсов низкого уровня подключена индуктивность L1,второй конец которой соединён с катодом диффузионного диода D1. Анод диода включён между выводамиисточников напряжения V1 и V2.
Во время действия импульса низкого уровня, когда транзистор U2 открыт, а транзистор U1 закрыт, диод D1 открывается, через него начинает протекать ток, скорость нарастания которого определяется напряжением источника V2, индуктивностью L1 и сопротивлением R3 (сопротивление катушки L1, транзистора U2, диода D1 и падение напряжения на нём для упрощения не учитываем). Если длительность импульса достаточно велика, то прямой ток диода установится на уровне, определяемом напряжением V1 и сопротивлением R3.
По окончании импульса, транзистор U2 закрывается и открывается транзистор U1. Ток в индуктивности начинает убывать до нуля, а затем изменяет своё направление и начинает увеличиваться. Диод начинает восстанавливаться током индуктивности L1. Скорость изменения тока в этом случае определяется напряжением источника V1 и индуктивностью L1, а время нарастания тока и, соответственно, величина, до которой он нарастёт, - временем восстановления диода D1. При восстановлении, диод D1, если он диффузионный, очень быстро закрывается, и резко прерывает ток в индуктивности L1. В точке соединения диода и индуктивности возникает выброс напряжения высокой амплитуды.
Таким образом, выбором соотношения и величин напряжений источников V1 и V2 мы можем задавать ток открытого состояния диода, и, соответственно, ток его запирания, и скорости нарастания тока в катушке в режиме «накачки» диода и в режиме его восстановления.
Это важно уметь делать при включении в качестве индуктивности индуктора катушки Теслы. Дело в том, что индуктор оказывает сильное влияние на колебания напряжения в катушке Теслы, если скорость нарастания тока в нём равна или выше скорости нарастания напряжения в колебаниях катушки Теслы, и оказывает слабое влияние, если эта скорость ниже. Во избежание неопределённости, имеется ввиду скорость перехода тока или напряжения через ноль, то есть, максимальная. Кроме того, при расчётах её необходимо нормировать - делить на амплитуду измеряемого сигнала.
Для правильного управления необходимо на стадии «накачки» диода обеспечить скорость нарастания тока в индукторе, меньшую, чем скорость нарастания напряжения в катушке Теслы, а при восстановлении диода - скорость нарастания, равную или большую, чем скорость изменения напряжения в катушке Теслы.

Модель реальной схемы, использовавшейся в экспериментах, показана на рисунке 2.

Рис.2. Модель реальной схемы, использовавшейся в экспериментах.

Графики сигналов в модели приведены на рисунке 3.

Рис. 3. Временные диаграммы сигналов генератора.
Синий - напряжение на выходе генератора.
Красный - напряжение на катушке индуктивности.
Зелёный - ток в диоде.

На диаграмме видно, что при низком уровне выходного сигнала ток в диоде и в катушке нарастает медленнее, чем при высоком уровне, и устанавливается на отметке 1,8 А. После изменения уровня выходного сигнала, ток в катушке уменьшается до нуля и с той же скоростью продолжает нарастать до величины 5,1 А. В этот момент происходит закрывание диода, и ток в катушке резко обрывается. На катушке наблюдается выброс напряжения до 1000В.
К сожалению, хорошей модели диода найти не удалось, поэтому некоторые несоответствия модели и реального объекта присутствуют, но в общем картина близка к реальности. В частности, реально измеренные выбросы на катушке, в зависимости от типа диода, имеют величину до 100 В. Максимальный выброс удалось получить на коллекторном переходе транзистора 2Т908А - порядка 250 В, при этом он не пробивается. Следует учесть также, что измерения производились осциллографом С1-65, который имеет полосу пропускания 50 МГц и время нарастания ПХ = 10 нс. Можно предположить, что на самом деле выбросы немного больше.

На рисунках 4- 9 приведены осциллограммы напряжений и токов, измеренные на диоде 2Д230И и на коллекторном переходе транзистора 2Т908А.

Из осциллограмм видно, что длительность импульсов по среднему уровню в обоих случаях около 50 нс. В диоде повторные импульсы сгруппированы более кучно и первый выброс превышает последующие более, чем в два раза. Другие диоды ведут себя аналогично. В транзисторе разница между амплитудами импульсов меньше и повторные импульсы идут реже. Это означает, что при использовании в качестве индуктивности индуктора, предпочтительнее использовать диоды, потому, что повторные импульсы транзистора будут сбивать амплитуду напряжения в раскачиваемой катушке. Сравнение осциллограмм тока показывает, что при одинаковых условиях открывания испытуемого диода и коллекторного перехода транзистора, процесс восстановления в транзисторе идёт дольше, что приводит к большему току в момент восстановления в транзисторе, чем в диоде, результатом чего и является большая амплитуда выброса напряжения.

Рис. 4. Осциллограмма выброса напряжения на катоде диода 2Д230И.
Установки: X =0,1 мкс/дел, Y = 20 В/дел.

Рис. 5. Осциллограмма выброса напряжения на катоде диода 2Д230И.
Установки: X = 1 мкс/дел, Y = 20 В/дел.

Рис. 6. Осциллограмма тока в катушке L 1 для диода 2Д230И.

Рис. 7. Осциллограмма выброса напряжения на катушке для транзистора 2Т908А.
Установки: X =0,1 мкс/дел, Y = 50 В/дел.

Рис. 8 . Осциллограмма выброса напряжения на коллекторе транзистора 2Т908А.
Установки: X = 1 мкс/дел, Y = 50 В/дел.

Рис. 9 . Осциллограмма тока в катушке для транзистора 2Т908А.
Установки: X = 1 мкс/дел, Y = 1 А/дел.

Приведённые осциллограммы показывают, что модель неплохо отражает процессы, происходящие в реальных элементах, по крайней мере, на качественном уровне. Количественные отличия возникают из-за отсутствия точных моделей испытуемых элементов.

Рассмотрим теперь модель, приведённую на рисунке 10, в которой в качестве индуктивности использован индуктор катушки Теслы.

Рис.10. Модель схемы с индуктором и катушкой Теслы.

Временные диаграммы тока в индукторе L1 и напряжения на катушке Теслы L2 показаны на рисунке 11.

Рис. 11. Временные диаграммы модели

На рисунке 12 приведён фрагмент той же диаграммы, в котором хорошо видно, что изменение тока в индукторе со скоростью, в два раза меньшей, чем скорость изменения напряжения на катушке Теслы, практически не оказывает воздействия на колебания в катушке Теслы. Изменение тока со скоростью, равной скорости изменения напряжения на катушке Теслы, оказывает сильное воздействие на амплитуду колебаний.

Рис. 12. Фрагмент предыдущей временной диаграммы.
Зелёный - ток в индукторе L1.
Коричневый - напряжение на катушке Теслы L2.

Для поддержания и увеличения амплитуды колебаний в катушке Теслы, необходимо увеличивать частоту импульсов тока в индукторе, при этом каждый импульс должен попадать в нужную фазу. На практике добиться этого можно, используя синхронизацию генератора от счётчика, на вход которого подаются колебания с катушки Теслы. Поскольку наша задача - не проектирование конкретного узла, я просто в модели подобрал частоту генератора. Модель такого процесса приведена на рисунке 13.

Рис.13. Модель схемы с индуктором и катушкой Теслы, поддерживающая в ней непрерывные колебания.

Эта модель отличается от предыдущей только параметром, задающим частоту колебаний генератора.

Временные диаграммы тока в индукторе L1 и напряжения на катушке Теслы L2 показаны на рисунке 14.

Рис. 14. Временные диаграммы модели.
Зелёный - ток в индукторе L1.
Коричневый - напряжение на катушке Теслы L2.

Для увеличения тока в индукторе необходимо увеличить ток в открытом состоянии диода. В советские времена выпустили диффузионные диоды на десятки и даже сотни ампер, так что, с этой стороны ограничений нет. Рабочие напряжения диффузионных диодов тоже достигают нескольких киловольт. Включать последовательно несколько диодов не имеет смысла. Весь процесс будет определять диод, который восстановится раньше других. По крайней мере, при последовательном соединении приведённых здесь диода и транзистора все диаграммы такие же, как у диода. Он имеет меньшее время восстановления.

Заметим, что на процесс в катушке Теслы оказывает воздействие не только величина тока в момент разрыва, но и величина его изменения, то есть, схема оказывается ещё и экономичной с точки зрения энергетических затрат. Изменение тока равно сумме тока диода в момент окончания импульса и тока в момент восстановления. Потери в цепях на сопротивлениях пропорциональны квадрату тока, а сумма квадратов всегда меньше квадрата суммы.

Наиболее распространены генераторы прямоугольных и линейно изменяющихся (пилообразных) импульсов напряжения.

Генераторы импульсных сигналов (импульсные генераторы) могут работать в одном из трех режимов: автоколебательном, ждущем и синхронизации.

В автоколебательном режиме генераторы непрерывно формируют импульсные сигналы без внешнего воздействия. В ждущем режиме генераторы формируют импульсный сигнал лишь по приходе внешнего (запускающего) сигнала. В режиме синхронизации генераторы вырабатывают импульсы напряжения, частота которых равна или кратна частоте синхронизирующего сигнала.

Генераторы прямоугольных импульсов делятся на мультивибраторы и блокинг-генераторы. И те и другие могут работать как в автоколебательном, так и в ждущем режимах.

Автоколебательные мультивибраторы могут быть построены на дискретных, логических элементах или операционных усилителях. Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ представлен на рис. 11.12.

Рис. 11.12 . Автоколебательный мультивибратор на основе ОУ

В данной схеме с помощью резисторов R 1 иR 2 введена положительная обратная связь, что является необходимым условием для возникновения электрических колебаний. В зависимости от напряжения на выходе (которое может быть равно либо +Е пит, либо –Е пит, где Е пит – напряжение питания ОУ) на неинвертирующем входе ОУ устанавливается или напряжениеU +1 , или напряжениеU +2 . Емкость С, входящая в цепь отрицательной обратной связи, перезаряжается с постоянной времениτ= RC . Период следования импульсов Т определяется выражением

.

Таким образом, данный мультивибратор формирует прямоугольные импульсы напряжения.

Блокинг-генераторы используют для получения мощных прямоугольных импульсов малой длительности (от долей микросекунды до долей миллисекунды) и скважностью до нескольких десятков тысяч. Основным элементом таких генераторов является импульсный трансформатор (рис. 11.13).

Рис. 11.13. Автоколебательный блокинг-генератор

Блокинг-генератор может работать в автоколебательном, ждущем режимах или в режиме синхронизации. Во время паузы (выходное напряжение отсутствует) происходит перезаряд конденсатора по цепи E–R–W 2 с постоянной времениτ 1 =RC . В момент времени, когда напряжение на конденсаторе С (и, следовательно, на базе транзистора) становится равным нулю, транзистор начинает открываться (выходить из режима отсечки), начинает протекать ток коллектора, что вызывает появление сигнала положительной обратной связи (через обмотку трансформатораW 2), под действием которой транзистор скачкообразно переходит в режим насыщения. При этом конденсатор С перезаряжается по цепиW 2 –C– входное сопротивление транзистораr вх с постоянной времениτ 2 = r вх ·С . При увеличении напряжения на конденсаторе С ток базы начинает уменьшаться и в конце заряда транзистор выходит из насыщения и закрывается. После этого энергия, запасенная в индуктивности, разряжается на нагрузку. Так какr вх << R , то время нахождения транзистора в открытом состоянииt u , а следовательно, и длительность импульса на нагрузке значительно меньше периода следования импульсов.

Генератор линейно изменяющегося напряжения . Линейно изменяющимся напряжением (ЛИН) называют напряжение, которое в течение промежутка времени, называемого рабочим ходом, изменяется по линейному закону, а затем в течение промежутка времени, называемого обратным ходом, возвращается к исходному уровню (рис. 11.14).

Рис. 11.14. Линейно изменяющееся напряжение

На рис. 11.14 приняты следующие обозначения: U 0 –начальный уровень,U m –амплитуда ЛИН, Т р –время рабочего хода, Т 0 –время обратного хода.

Устройства, предназначенные для формирования ЛИН, называют генераторами ЛИН (ГЛИН). Генераторы ЛИН часто называют генераторами пилообразного напряжения.

Принцип построения генераторов ЛИН основан на заряде емкости постоянным током. Основой ГЛИН (рис. 11.15) является емкость, через которую от источника постоянного тока ИТ протекает постоянный ток, благодаря чему при разомкнутом ключевом устройстве КУ напряжение на емкости определяется выражением

, (приi с = I = const), т.е. изменяется по линейному закону.

ГЛИН могут работать либо в ждущем (рис. 11.15,а ), либо в автоколебательном режиме (рис. 11.15,б ). ГЛИН в автоколебательном режиме формирует ЛИН регулярно, а для получения ЛИН в ГЛИН в ждущем режиме необходим внешний импульс напряженияU вх.

Рис. 11.15. Генераторы линейно изменяющихся напряжений,

работающих в ждущем (а) и автоколебательном (б) режимах

Все ГЛИН можно разделить на три типа:

а) с интегрирующей RC-цепочкой (рис. 11.16);

б) с токостабилизирующим двухполюсником (рис. 11.17);

в) с компенсирующей обратной связью (ОС) (рис. 11.18).

Рис. 11.16. ГЛИН на основе транзисторного ключа

(с интегрирующей RC-цепочкой)

До момента времени t 1 транзисторный ключ находится в режиме насыщения, т.е. напряжениеU кэ , а значит, и напряжениеU вых ,равны нулю. При подаче в момент времениt 1 запирающего импульса напряжения транзистор входит в режим отсечки, и емкость С заряжается от источника Е к через резисторR к, причем напряжение на емкости стремится к уровню Е к. В момент времениt 2 транзистор вновь входит в режим насыщения, и емкость через малое сопротивление промежутка коллектор–эмиттер транзистора разряжается.

Рассмотрим принцип построения ГЛИН с токостабилизирующим двухполюсником, обеспечивающим протекание через него постоянного тока независимо от приложенного напряжения (рис. 11.17). Простейшим токостабилизирующим элементом является транзистор. При постоянном токе базы (например, i бэ ), даже при значительном уменьшении напряженияu эк между эмиттером и коллектором (например, отU 2 доU 1) коллекторный ток транзистора уменьшается незначительно.

Рис. 11.17. ГЛИН с токостабилизирующим двухполюсником

Недостатком данной схемы является то, что при подключении к выходу (т.е. к емкости С) сопротивления нагрузки искажается линейность выходного напряжения.

Рассмотрим ГЛИН с компенсирующей ОС (на основе ОУ) (рис. 11.18). В момент времени t 1 ключК размыкается и осуществляется и осуществляется прямой ход, а в момент времениt 2 ключ замыкается, емкостьС разряжается и на выходе устанавливается нулевое напряжения. ЕмкостьС заряжается постоянным током, а значит, напряжение на ней (как и напряжениеU вых ) изменяется по линейному закону (рис. 11.18,б ). Компенсирующее напряжениеU к повторяет напряжение на емкостиU c при размыкается ключа и заряде емкости от источникаU . Поскольку компенсирующее напряжение включено встречно по отношению к напряжению на емкости, то напряжение, приложенное к резисторуR , все время постоянно и равноU .

Рис. 11.18. ГЛИН с компенсирующей обратной связью

Протекающий через резистор R ток определяется выражением

i R =(E - U вх )/ R .

Если ОУ близок к идеальному, (К→ ∞ ,U вх → 0 ,i – → 0 ), тоi R = E / R = const. Тогда выходное напряжение определяется выражением

.

Все рассмотренные выше генераторы высокого напряжения имели в качестве накопителя энергии конденсатор. Не меньший интерес представляют устройства, использующие в качестве та­кого элемента индуктивности.

В подавляющем большинстве конструкции подобного рода преобразователей ранних лет содержали механический коммута­тор индуктивности. Недостатки такого схемного решения очевид­ны: это повышенный износ контактных пар, необходимость их периодической чистки и регулировки, высокий уровень помех.

С появлением современных бьютродействующих электрон­ных коммутаторов конструкции преобразователей напряжения с коммутируемым индуктивным накопителем энергии заметно уп­ростились и стали конкурентоспособными.

Основой одного из наиболее простых вьюоковольтных ге­нераторов (рис. 12.1) является индуктивный накопитель энер­гии .

Рис. 12.1. Электрическая схема высоковольтного генератора на основе индуктивного накопителя энергии

Генератор прямоугольных импульсов собран на микросхеме 555 {КР1006ВИ1). Параметры импульсов регулируются потенцио­метрами R2 и R3. Частота импульсов управления также зависит от емкости времязадающего конденсатора 01. Импульсы с выхода генератора подаются через резистор R5 на базу ключевого (ком­мутирующего) элемента - мощного транзистора VT1.

Этот транзистор в соответствии с длительностью и частотой следования управляющих импульсов коммутирует первичную об­мотку трансформатора Т1.

В итоге на выходе преобразователя формируются импульсы вьюокого напряжения. Для защиты транзистора VT1 {2N3055 - КТ819ГМ) от пробоя желательно параллельно переходу эмит­тер - коллектор подключить диод, например, типа КД226 (като­дом к коллектору).

Высоковольтный генератор (рис. 12.2), разработанный в Болгарии, также содержит задающий генератор прямоугольных импульсов на микросхеме 555 {К1006ВИ1). Частота импульсов плавно регулируется резистором R2 от 85 до 100 Гц. Эти им­пульсы через RC-цепочки поступают на ключевью элементы на транзисторах VT1 и VT2. Стабилитроны VD3 и VD4 защища­ют транзисторы от повреждения при работе на индуктивную нагрузку.

Рис. 12.2. Схема генератора высокого напряжения на основе ин­дуктивного накопителя энергии

Генератор вьюокого напряжения (рис. 12.2) может быть ис­пользован как самостоятельно - для получения вьюокого напря­жения (обычно до 1…2 кВ), либо как промежуточная ступень «накачки» других преобразователей.

Транзисторы BD139 можно заменить на КТ943В.

В качестве ключевых элементов преобразователей с ин­дуктивным накопителем энергии долгие годы использовали мощные биполярные транзисторы. Их недостатки очевидны: до­вольно высоки остаточные напряжения на открытом ключе, как следствие, потери энергии, перегрев транзисторов.

По мере совершенствования полевых транзисторов послед­ние начали оттеснять биполярнью транзисторы в схемах источни­ков питания, преобразователях напряжения.

Для современных мощных полевых транзисторов сопротив­ление открытого ключа может достигать десятью…сотью доли Ома, а рабочее напряжение достигать 1 …2 кВ.

На рис. 12.3 приведена электрическая схема преобразова­теля напряжения, выходной каскад которого выполнен на полевом транзисторе MOSFET. Для согласования генератора с полевым транзистором включен биполярный транзистор с большим коэф­фициентом передачи.

Электрическая схема генератора высоковольтных им­пульсов с ключевым полевым транзистором

Задающий генератор собран на /СМО/7-микросхеме CD4049 по типовой схеме. Как сами выходные каскады, так и каскады формирования управляющих сигналов, показанные на рис. 12.1 - 12.3 и далее, взаимозаменяемы и могут быть использованы в лю­бом сочетании.

Выходной каскад генератора вьюокого напряжения системы электронного зажигания конструкции П. Брянцева (рис. 12.4) вы­полнен на современной отечественной элементной базе .

При подаче на вход схемы управляющих импульсов транзи­сторы VT1 и VT2 кратковременно открываются. В результате ка­тушка индуктивности кратковременно подключается к источнику

Рис. 12.4. Схема выходного каскада генератора высокого напря­жения П. Брянцева на составном транзисторе

Рис. 12.5. Электрическая схема генератора высокого напряжения с задающим генератором на основе триггеров Шмитта

питания. Конденсатор С2 сглаживает пик импульса напряжения. Резистивный делитель (R3 и R5) ограничивает и стабилизирует максимальное напряжение на коллекторе транзистора VT2.

В качестве трансформатора Т1 использована катушка зажи­гания Б115. Ее основные параметры: Ri=1,6 Ом, \

Следующие две схемы вьюоковольтных генераторов нап­ряжения с использованием индуктивных накопителей энергии (рис. 12.5, 12.6) разработал Andres Estaban de la Plaza .

Первое из устройств содержит задающий генератор прямоугольных импульсов, промежуточный и выходной каскад, вьюоковольтный трансформатор.

Электрическая схема генератора высокого напряжения с задающим генератором на основе операционного усилителя

Задающий генератор выполнен на основе триггера Шмитта (КМО/7-микросхема типа 4093). Использование триггера Шмитта вместо логических элементов НЕ (см. например, рис. 12.3) позво­ляет получить импульсы с более крутыми фронтами, и, следова­тельно, снизить потери энергии на ключевых элементах.

Согласование КМО/7-элементов с силовым транзистором VT2 осуществляется предусилителем на транзисторе VT1. Вы­ходной трансформатор Т1 коммутируется силовым биполярным транзистором VT2. Этот транзистор установлен на теплоотводя-щей пластине.

Частота импульсов генератора ступенчато изменяется пе­реключателем SA1. Соотношение между длительностью импуль­са и паузой и частоту следования импульсов плавно регулируют потенциометрами R1 и R2.

Переключателем SA2 включают/отключают резистор R6, включенный последовательно с первичной обмоткой повышаю­щего трансформатора. Тем самым ступенчато регулируют выход­ную мощность преобразователя.

Рабочая частота генератора в его пяти поддиапазонах ре­гулируется в пределах 0,6…8,5 кГц; 1,5…20 кГц; 5,3…66 кГц; A3…МО кГц; 43…>200 кГц.

Первичная обмотка трансформатора Т1, намотанная на сердечнике от трансформатора строчной развертки, имеет 40 витков диаметром 1,0 мм. Выходное напряжение преобразовате­ля на частотах ниже 5 кГц составляет 20 кВ, в области частот 50…70 кГц выходное напряжение снижается до 5… 10 /св.

Выходная мощность высокочастотного сигнала устройства может доходить до 30 Вт. В этой связи при использовании данной конструкции, например, для газоразрядной фотосъемки необхо­димо принять особые меры по ограничению выходного тока.

Вьюоковольтный генератор, рис. 12.6 , имеет более сложную конструкцию.

Его задающий генератор выполнен на операционном уси­лителе DA1 {СА3140), Для питания задающего генератора и бу­ферного каскада (микросхема DDI типа 4049) используется стабилизатор напряжения на 12 S на интегральной микросхеме DA2 типа 7812.

Предоконечный каскад на комплиментарных транзисторах VT1 и VT2 обеспечивает работу оконечного - на мощном транзи­сторе VT3.

Соотношение длительность/пауза регулируют потенциомет­ром R7, а частоту импульсов - потенциометром R4.

Частоту генерации можно изменять ступенчато - переклю­чением емкости конденсатора С1. Начальная частота генерации близка к 20 кГц.

Первичная обмотка доработанного трансформатора строч­ной развертки имеет 5… 10 витков, ее индуктивность примерно 0,5 мГн. Защита выходного транзистора от перенапряжения осуществляется включением варистора R9 параллельно этой обмотке.

Транзистор 2N2222 можно заменить на КТ3117А, КТ645; 2N3055 - на КТ819ГМ; BD135 - на КТ943А, BD136 - на КТ626А, диоды 1N4148 - на КД521, КД503 и др. Микросхему DA2 можно заменить отечественным аналогом - КР142ЕН8Б{Д); DDI - К561ТЛ1.

Следующим видом генераторов вьюоковольтного напряже­ния являются автогенераторнью преобразователи напряжения с индуктивной обратной связью.

Импульсный преобразователь с самовозбуждением выра­батывает пакеты высокочастотных высоковольтных колебаний (рис. 12.7) .

Рис. 12.7. Электрическая схема импульсного преобразователя напряжения с самовозбуждением

Автогенератор импульсов высокого напряжения на транзи­сторе VT1 получает*сигнал обратной связи с трансформатора Т1 и в качестве нагрузки имеет катушку зажигания Т2. Частота гене­рации - около 150 Гц. Конденсаторы С*, С2 и резистор R4 опре­деляют режим работы генератора.

Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Ш 14×18. Обмотка I состоит из 18 витков провода ПЭВ-2 0,85 мм, намотан­ных в два провода, а II - из 72 витков провода ПЭЛШО 0,3 мм.

Стабилитрон VD2 укреплен в центре дюралюминиевого ра­диатора размерами 40x40x4 мм. Этот стабилитрон можно заме­нить цепочкой мощных стабилитронов с суммарным напряжением стабилизации 150 В. Транзистор VT1 также установлен на радиа­торе размерами 50x50x4 мм.

Резонансный преобразователь напряжения с самовозбуж­дением описан в работе Е. В. Крылова (рис. 12.8). Он выполнен на высокочастотном мощном транзисторе VT1 типа КТ909А .

Трансформатор преобразователя выполнен на фторопла­стовом каркасе диаметром 12 мм с использованием ферритового стержня 150ВЧ размером 10×120 мм. Катушка L1 содержит 50 витков, L2 - 35 витков провода ЛЭШО 7×0,07 мм. Катушки низко­вольтной половины устройства имеют по одному витку провода во

Рис. 12.8. Схема резонансного высоковольтного генератора с трансформаторной обратной связью

фторопластовой (политетрафторэтиленовой) изоляции. Они на­мотаны поверх катушки L2.

Выходное напряжение преобразователя составляет 1,5 кВ (максимальное - 2,5 кВ). Частота преобразования - 2,5 МГц. Потребляемая мощность - 5 Вт. Выходное напряжение устройст­ва изменяется от 50 до 100% при увеличении напряжения питания с 8 до 24 В.

Конденсатором переменной емкости 04 трансформатор настраивают на резонансную частоту. Резистором R2 устанавли­вают рабочую точку транзистора, регулируют уровень положи­тельной обратной связи и форму генерируемых сигналов.

Преобразователь безопасен в работе - при низкоомной на­грузке вьюокочастотная генерация срывается.

Следующая схема вьюоковольтного источника импульсно­го напряжения с двухкаскадным преобразованием показана на рис. 12.9 . Электрическая схема его первого каскада доста­точно традиционна и практически не отличается от рассмотрен­ных ранее конструкций.

Отличие устройства (рис. 12.9) заключается в использова­нии второго каскада повышения напряжения на трансформаторе. Это заметно повышает надежность устройства, упрощает конст­рукцию трансформаторов и обеспечивает эффективную изоля­цию между входом и выходом устройства.

Трансформатор Т1 выполнен на Ш-образном сердечнике из трансформаторной стали. Сечение сердечника составляет

Рис. 12.9. Схема высоковольтного преобразователя с трансфор­маторной обратной связью и двойным трансформатор­ным преобразованием напряжения

16×16 мм. Коллекторные обмотки I имеют 2×60 витков провода диаметром 1,0 мм.

Катушки обратной связи II содержат 2×14 витков провода диаметром 0,7 мм. Повышающая обмотка III трансформатора Т1, намотанная через несколько слоев межслойной изоляции, имеет 20… 130 витков провода диаметром 1,0 мм. В качестве выходного (вьюоковольтного) трансформатора использована катушка зажи­гания автомобиля на 12 или 6 В.

К генераторам вьюокого напряжения с индуктивными нако­пителями энергии следует отнести и устройства, рассмотреннью ниже.

Для получения вьюоковольтных наносекундных импульсов В. С. Белкиным и Г. И. Шульженко была разработана схема формирователя на дрейфовых диодах и насыщающейся индуктивностью с однотактным преобразователем, синхронизи­рованным с формирователем, а также показана возможность со­вмещения функций ключа формирователя и преобразователя.

Схема преобразователя, синхронизированного с формиро­вателем, приведена на рис. 12.10; вариант схемы формирователя с раздельными ключевыми элементами приведен на рис. 12.11, а временные диаграммы, характеризующие работу отдельных уз­лов схемы формирователя, - на рис. 12.12.

Задающий генератор прямоугольных импульсов (рис. 12.10) вырабатывает импульсы, отпирающие транзисторный ключ VT1

Рис. 12.10. Схема формирователя высоковольтных импульсов с общим ключом для преобразователя и формирователя

Рис. 12.11. Фрагмент схемы формирователя высоковольтных им­пульсов с раздельными ключами

Рис. 12.12. Временная диаграмма работы преобразователя

на время 1н и запирающие на время \^ (рис. 12.12). Их сумма опре­деляет период повторения импульсов. За время через дроссель L1 протекает ток I„. После запирания транзистора ток через диод VD1 заряжает накопительную емкость формирователя С1 до напряжения и^, диод VD1 закрывается и отсекает конденсатор С1 от источника питания.

В таблице 12.1 приведены данные по возможному исполь­зованию полупроводниковых приборов в формирователе вы­соковольтных импульсов. Амплитуда формируемых импульсов приведена для низкоомной нагрузки величиной 50 Ом.

Таблица 12.1. Выбор элементов для формирователей высоковольтных импульсов

Длительность им­пульса, НС	Амплитуда генерируемого импульса, В
	КД204, КД226 {КТ858, КТ862)
		ДЛ112-25{КТ847)	ДЛ122-40 {КП953)
		КД213 {КТ847)	ДЛ132-80 {КП953)

Формирователи двухполярных импульсов на основе серий­ных диодов имеют амплитуду каждой полуволны 0,2… 1 кВ для согласованной нагрузки 50…75 Ом при полной длительности им­пульса 4…30 НС и частоте повторения до 20 кГц.