Устройство формирования импульсов напряжения

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования высоковольтных импульсов с крутыми фронтами на емкостной нагрузке, например, для управления электрооптическими модуляторами лазерного излучения. Цель изобретения - повышение стабильности формы импульсов напряжения на нагрузке. Устройство формирования импульсов напряжения содержит два транзистора 1, 2, два диода 3, 7, генератор тока 9, ключ 10, регулируемый генератор тока 11, триггер Шмитта 14, вход которого подключен к эмиттеру второго транзистора 2, а выход - к управляющему входу регулируемого генератора тока 11. 2 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования высоковольтных импульсов с крутыми фронтами на емкостной нагрузке, например, для управления электрооптическими модуляторами лазерного излучения.

Известно устройство, которое содержит выходной транзистор, коллектор которого соединен через нагрузку с шиной первого источника напряжения, эмиттер через двухполюсник обратной связи и ключ с общей шиной, а база с входным выводом через усилитель мощности и с общей шиной через ограничитель напряжения, управляющий вывод ключа через пороговый блок соединен с входным выводом, вывод питания усилителя мощности соединен с шиной второго источника напряжения.

Недостатком известного устройства является то, что крутизна спада импульса выходного напряжения на нагрузке с большой емкостной составляющей ограничивается величиной ее активного сопротивления, уменьшение которого приводит к увеличению потребляемой устройством мощности и снижению надежности работы выходного транзистора. Увеличение крутизны фронта импульса выходного напряжения требует увеличения тока базы выходного транзистора, что приводит к его глубокому насыщению по окончании заряда емкости нагрузки и снижению быстродействия.

Известно устройство фоpмиpования импульсов напряжения, которое содержит первый транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, база которого подключена к входному выводу устройства через предварительный усилитель мощности, вывод питания которого подключен к шине источника низкого напряжения, второй транзистор, коллектор которого подключен к шине первого источника высокого напряжения, база подключена к коллектору первого транзистора, катоду диода и через резистор к шине второго источника высокого напряжения, а эмиттер подключен к аноду диода и к нагрузке.

Недостатком известного устройства является то, что для увеличения крутизны фронтов сигнала на емкостной нагрузке токи без транзисторов должны выбираться достаточно большими, что приводит к их глубокому насыщению по окончании переходного процесса и снижению быстродействия.

Наиболее близким техническим решением является устройство формирования импульсов напряжения, содержащее первый транзистор, второй транзистор, коллектор которого подключен к шине первого источника высокого напряжения, база к коллектору первого транзистора и катоду первого диода, а эмиттер к аноду первого диода и к нагрузке, регулируемый генератор тока и ключ, которые соединены последовательно и включены между общей шиной и эмиттером первого транзистора, линии задержки, выход которой подключен к управляющему входу регулируемого генератора тока, а вход к управляющему входу ключа и к входному выводу устройства, второй диод, катод которого подключен к коллектору второго транзистора, а анод к коллектору первого транзистора, генератор тока, через который база второго транзистора подключена к шине второго источника высокого напряжения, база первого транзистора подключена к шине источника низкого напряжения.

Недостатком известного устройства является то, что при изменении емкости нагрузки (напpимеp, при замене электрооптического затвора) может возникнуть необходимость изменения значения времени задержки входного сигнала линий задержки для того, чтобы обеспечить согласование окончания переходного процесса разряда емкости нагрузки и прихода задержанного входного сигнала на управляющий вход регулируемого генератора тока. Кроме того, если значение времени задержки входного сигнала линией задержки меньше времени разряда емкости нагрузки, то происходит затягивание переходного процесса либо (в том случае, когда интервал между входными импульсами напряжения становится меньше времени переходного процесса из-за его затягивания) происходит уменьшение амплитуды импульсов напряжения на нагрузке. Если же линия задержки задерживает входной сигнал на время, большее времени разряда емкости нагрузки, то происходит кратковременное уменьшение напряжения на нагрузке ниже установленного уровня низкого выходного напряжения. В обоих случаях происходит искажение формы импульсов напряжения на нагрузке.

Целью изобретения является повышение стабильности формы импульсов напряжения на нагрузке.

Это достигается тем, что в устройство формирования импульсов напряжения, содержащее первый транзистор, второй транзистор, эмиттер которого подключен к аноду первого диода и через нагрузку к общей шине, коллектор подключен к катоду второго диода и шине первого источника высокого напряжения, а база подключена к коллектору первого транзистора, катоду первого диода, аноду второго диода и через генератор тока к шине второго источника высокого напряжения, база первого транзистора подключена к шине источника низкого напряжения, а эмиттер через последовательно соединенные ключ и регулируемый генератор тока подключен к общей шине, управляющий вход ключа подключен к входному выводу устройства, введен триггер Шмидта, вход которого подключен к эмиттеру первого транзистора, а выход к управляющему входу регулируемого генератора тока.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 временные диаграммы напряжений и токов на отдельных элементах устройства.

Приняты следующие обозначения: 1 первый транзистор; 2 второй транзистор; 3 первый диод; 4 нагрузка; 5 общая шина; 6 шина первого источника высокого напряжения; 7 второй диод; 8 генератор тока; 9 шина второго источника высокого напряжения; 10 ключ; 11 регулируемый генератор тока; 12 шина источника низкого напряжения; 13 входной вывод; 14 триггер Шмидта; U_вх напряжение на входном выводе 13 устройства формирования импульсов напряжения; U_вых напряжение на нагрузке 4; U_о напряжение низкого уровня на нагрузке 4; U₆ напряжение на шине 6 первого источника высокого напряжения; U₁₄ напряжение на выходе триггера 14; U_вкл напряжение на входе триггера 14, вызывающее его переключение из состояния с низким уровнем напряжения на его выходе в состояние с высоким уровнем напряжения; U_выкл напряжение на входе триггера 14, вызывающее его переключение из состояния с высоким уровнем напряжения на его выходе в состояние с низким уровнем напряжения; I₁₁ выходной ток регулируемого генератора 11 тока; I₁ выходной ток регулируемого генератора 11 тока при низком уровне напряжения на его управляющем входе; I₂ выходной ток регулируемого генератора 11 тока при высоком уровне напряжения на его управляющем входе; t время; t₁ момент времени, соответствующий приходу на входной вывод 13 импульса напряжения t₂ момент времени, соответствующий окончанию формирования фронта импульса напряжения на нагрузке 4; t₃ момент времени, соответствующий окончанию импульса напряжения на входном выводе 13; t₄ момент времени, соответствующий окончанию формирования спада импульса напряжения на нагрузке 4.

Устройство формирования импульсов напряжения содержит первый транзистор 1, второй транзистор 2, эмиттер которого подключен к аноду первого диода 3 и через нагрузку 4 к общей шине 5, коллектор подключен к шине первого источника высокого напряжения и к катоду второго диода 7, а база подключена к коллектору первого транзистора 1, катоду первого диода 3, аноду второго диода 7 и через генератор 8 тока к шине 9 второго источника высокого напряжения, эмиттер первого транзистора 1 через последовательно соединенные ключ 10 и регулируемый генератор 11 тока подключен к общей шине 5, а база подключена к шине 12 источника низкого напряжения, управляющий выход ключа 10 подключен к входному выводу 13 устройства, триггер 14 Шмидта, вход которого подключен к эмиттеру второго транзистора 2, а выход к управляющему входу регулируемого генератора 11 тока.

Элементы 1-13 аналогичны элементам известного устройства. Первый транзистор 1 и второй транзистор 2 представляли собой транзисторы КТ940А. На шине 12 источника низкого напряжения поддерживалось напряжение 5 В. Первый диод 3 диод типа КД522Б. Второй диод 7 представляет собой цепочку последовательно соединенных диодов КД521А. Генератор 8 тока выполнен на транзисторе КТ940А. На шинах 6 и 9 первого и второго источников высокого напряжения поддерживалось напряжение соответственно 300 и 345 В. Нагрузка 4 представлена собой электрооптический затвор МЛ-103. Регулируемый генератор 11 тока собран на транзисторной сборке К125НТ1А и транзисторе КТ630А. Ключ 10 собран на транзисторе КТ904А. Триггер 14 Шмидта собран на транзисторах КТ1316А.

Принцип работы устройства заключается в следующем (см. фиг.2). В исходном состоянии на входном выводе 13 низкий уровень входного напряжения, ключ 10 замкнут, на нагрузке 4 присутствует низкий уровень выходного напряжения (U_вых U_о), который переключает триггер 14 Шмидта в состояние с низким уровнем напряжения на его выходе, в результате чего регулируемый генератора 11 тока задает ток I₁. Первый транзистор 1 открыт, а второй транзистор 2 закрыт. После поступления на входной вывод 12 в момент времени t₁ высокого уровня входного напряжения ключ 10 размыкается, и ток, задаваемый генератором 8 тока, течет в базу второго транзистора 2, открывая его. Емкость нагрузки 4 быстро заряжается через открытый второй транзистор 2, и в момент времени t₂ на ней устанавливается напряжение, практически равное напряжению на шине 6 первого источника высокого напряжения. После этого открывается второй диод 7, который шунтирует коллекторный переход второго транзистора 2, препятствуя его насыщению. При достижении во время формирования фронта выходного импульса напряжения на нагрузке 4, равного U_вкл, триггер 14 Шмидта устанавливается в состояние с высоким уровнем напряжения на его выходе, переключая регулируемый генератор 11 тока в режим задания тока I₂ > I₁. По окончании входного импульса в момент времени на входной вывод 13 поступает низкий уровень входного напряжения, ключ 10 замыкается и открывается первый транзистор 1. Напряжение на его коллекторе уменьшается, и к эмиттерному переходу второго транзистора 2 прикладывается способствующее его быстрому закрыванию отрицательное напряжение, которое ограничивается открывшимся первым диодом 3. Емкость нагрузки 4 разряжается через первый диод 3, первый транзистор 1, ключ 10 и регулируемый генератор 11 тока. При достижении напряжения на нагрузке 4 равного U_выкл на выходе триггера 14 Шмидта устанавливается низкое напряжение, переключающее регулируемый генератор 11 тока в режим задания тока, предотвращая насыщение первого транзистора 1, а на нагрузке 4 устанавливается низкий уровень U_о выходного напряжения U_вых. Устройство находится в исходном состоянии и готово к формированию очередного высоковольтного импульса. Изменением величины внутреннего сопротивления генератора 8 тока и (или) тока I₁ можно регулировать напряжение U_о, изменением значения тока I₂ можно регулировать крутизну спада выходного высоковольтного импульса, а изменением величины тока, задаваемого генератором 8 тока, можно регулировать крутизну фронта выходного высоковольтного импульса.

Экспериментальные исследования подтвердили работоспособность предложенного устройства.

Таким образом, предложенное устройство позволяет предотвратить несвоевременное переключение регулируемого генератора тока и искажение формы импульсов напряжения на нагрузке при изменении ее емкости и при изменении параметров элементов, определяющих режим работы устройства.

Предлагаемое устройство положено в основу разработанной системы управления электрооптическим затвором для стробоголографии и голографической интерферометрии. Разработанная система обеспечивает формирование серии одиночных и сдвоенных управляющих импульсов, каждый из которых может быть синхронизирован с требуемой фазой исследуемого периодического процесса. При этом с изменением частоты повторения исследуемого процесса могут изменяться в широких пределах как длительности отдельных управляющих импульсов, так и временной интервал между ними. Устройство может быть широко использовано в импульсной технике для формирования импульсов напряжения как на емкостных нагрузках, так и на нагрузках другого типа.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее первый транзистор, второй транзистор, эмиттер которого подключен к аноду первого диода и через нагрузку к общей шине, коллектор подключен к катоду второго диода и шине первого источника высокого напряжения, а база - к коллектору первого транзистора, катоду первого диода, аноду второго диода и через генератор тока к шине второго источника высокого напряжения, база первого транзистора подключена к шине источника низкого напряжения, а эмиттер через последовательно соединенные ключ и регулируемый генератор тока подключен к общей шине, управляющий вывод ключа подключен к входному выводу устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения стабильности формы выходных импульсов, в устройство введен триггер Шмитта, вход которого подключен к эмиттеру второго транзистора, а выход - к управляющему входу регулируемого генератора тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2