Формирователь высоковольтных импульсов наносекундной длительности

 

Изобретение относится к устройствам импульсной техники и используется для решения широкого спектра задач, например для запуска лазерных диодов, перемагничивания ферритовых сердечников, для модуляции излучения в приборах с электрооптическими затворами, при исследовании электрооптических характеристик и физических процессов в газовом разряде и т.д. Схема формирователя высоковольтных наносекундных импульсов содержит тиристор, анод которого подключен к первому конденсатору и через сопротивление к источнику питания, причем первый конденсатор через дроссель подключен к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого одним концом подключена к катоду составного дрейфового диода с резким восстановлением запирающих свойств, а анод последнего через второй конденсатор подключен ко второму концу вторичной обмотки трансформатора, катод тиристора подключен к коллектору транзистора средней частоты большой мощности, а эмиттер транзистора - ко второму концу первичной обмотки трансформатора, при этом база и эмиттер транзистора, а также управляющий электрод и катод тиристора подключены к источнику управляющих сигналов. Разработанный формирователь имеет максимальную амплитуду выходного импульса как минимум в 2-4 раза больше, чем у подобного формирователя с транзисторным ключом, а максимальную рабочую частоту в два раза больше, по сравнению с формирователем на тиристорном ключе, при одинаковой максимальной амплитуде выходных импульсов их максимальная частота увеличилась со 100 Гц до 100 кГц, а по сравнению с формирователем, использующим источник питания с ограничением по току, с 2 до 100 кГц - это является техническим результатом. 1 ил.

Формирователи высоковольтных наносекундных импульсов относятся к устройствам импульсной техники. Необходимость применения таких устройств в различных областях науки и техники очень высока, и подобные формирователи используются для решения широкого спектра задач, например: для запуска лазерных диодов, перемагничивания ферритовых сердечников, для модуляции излучения в приборах с электрооптическими затворами, при исследовании электрооптических характеристик и физических процессов в газовом разряде и т.д.

Принцип формирования высоковольтных наносекундных импульсов основан на накачке прямым током дрейфового диода с резким восстановлением запирающих свойств (ДДРВЗС) и рассасывании скопившегося заряда под действием сильного электрического поля. В качестве ДДРВЗС могут применяться некоторые типы серийных выпрямительных диодов [1]. При накачке ДДРВЗС прямым током заряд неравновесных носителей накапливается в нем за небольшой промежуток времени, и к этому моменту на ДДРВЗС подается импульс напряжения запирающей полярности. ДДРВЗС в течение некоторого промежутка времени, пока в нем есть скопившийся заряд, сохраняет состояние высокой проводимости, и по нему проходит обратный ток до момента восстановления запирающих свойств.

В настоящее время разработаны различные схемы формирователей наносекундных импульсов, но проблемой является получение киловольтных наносекундных импульсов с частотой более 2 кГц.

Прототипом изобретения является описанный в [2] рис.1б формирователь наносекундных импульсов, схема которого построена на тиристоре - электронном ключе и составном ДДРВЗС. При подаче импульса на тиристор происходит разряд первой емкости по цепи: тиристор, первичная обмотка трансформатора и дроссель. При этом происходит заряд второй емкости через вторичную обмотку трансформатора и составной ДДРВЗС. Трансформатор выбран таким, что к моменту заряда второй емкости его сердечник насыщается, и индуктивное сопротивление его вторичной обмотки резко уменьшается. Заряженная вторая емкость подключается к ДДРВЗС запирающей полярностью. С этого момента времени и до запирания ДДРВЗС формируется передний фронт импульса. Задний фронт импульса формируется разрядом второй емкости через сопротивление нагрузки. Все повторяется с приходом следующего отпирающего импульса.

Достоинствами данной схемы являются: - возможность получения выходных наносекундных импульсов с максимальной амплитудой 2-4 кВ; - отсутствие резисторов в цепи диода, что позволяет повысить КПД схемы; - надежность в работе электронного ключа - тиристора.

Недостатком данного формирователя является низкая частота следования выходных импульсов - не более 100 Гц. Эта частота определяется скоростью заряда первой емкости через зарядное сопротивление. Сопротивление должно обеспечить величину тока заряда менее величины тока удержания тиристора - в данном случае 20 мА.

Усовершенствованный вариант этого формирователя, в котором применяется источник питания с ограничением по току, позволяет получить частоту импульсов 2 кГц. Но такая модернизация сильно усложняет схему формирователя и делает ее значительно дороже.

В [2] Рис. 1a описан формирователь, где в качестве электронного ключа применен мощный высокочастотный транзистор. Достоинством этого формирователя является возможность получения выходных наносекундных импульсов с частотой до 50 кГц. Основной недостаток состоит в невозможности получения амплитуды выходного импульса более 1 кВ.

Таким образом, формирователи, работающие с транзисторным ключом, не обеспечивают необходимой амплитуды выходных импульсов, а формирователи с тиристорным ключом не обеспечивают достаточного быстродействия, причем вариант увеличения частоты за счет применения источника питания с ограничением по току сильно увеличивает стоимость схемы, не достигая при этом необходимого быстродействия.

Задачей изобретения является увеличение максимальной частоты выходных импульсов.

Для решения задачи была разработана схема формирователя высоковольтных наносекундных импульсов, представленная на чертеже. Она содержит тиристор 1, анод которого подключен к конденсатору 2 и через сопротивление 3 к источнику питания, причем конденсатор 2 через дроссель 4 подключен к первичной обмотке трансформатора 5, вторичная обмотка которого одним концом подключена к катоду составного ДДРВЗС 6, а анод последнего через конденсатор 7 подключен ко второму концу вторичной обмотки; катод тиристора 1 подключен к коллектору транзистора средней частоты большой мощности 8, а эмиттер транзистора - ко второму концу первичной обмотки трансформатора 5; при этом база и эмиттер транзистора 8, а также управляющий электрод и катод тиристора 1 подключены к источнику управляющих сигналов 9.

В предлагаемом формирователе наносекундных импульсов поставленная задача решается за счет совместной работы тиристора 1 и транзистора 8 при их последовательном включении. Отпирающий импульс подается на тиристор 1 и транзистор 8 одновременно. Происходит разряд емкости 2 по цепи: тиристор 1, транзистор 8, первичная обмотка трансформатора 5 и дроссель 4. При этом происходит заряд емкости 7 через вторичную обмотку трансформатора 5 и ДДРВЗС 6. После насыщения сердечника трансформатора 5 на ДДРВЗС 6 формируется выходной импульс за счет энергии накопленной в емкости 7, как это было описано ранее. По окончании действия отпирающего импульса транзистор 8 принудительно закрывает тиристор 1, снижая ток в цепи. Последовательное включение тиристора 1 и транзистора 8 позволяет распределить напряжение между ними, а следовательно, увеличить напряжение питания формирователя, что, в свою очередь, дает возможность получить выходные импульсы с максимальной амплитудой до 2-4 кВ. Частота выходных импульсов определяется скоростью заряда емкости 2 через зарядное сопротивление 3. Механизм запирания тиристора 1 с помощью транзистора 8 дает возможность снизить значение резистора 3 и, таким образом, увеличить частоту импульсов до 100 кГц. Для простоты управления транзистором 8 и тиристором 1 в качестве источника управляющих сигналов 9 был применен импульсный трансформатор, в данном случае МИТ-4В, который позволил гальванически развязать задающий генератор и формирователь, а также исключил необходимость формирования двух отдельных управляющих импульсов.

Таким образом, разработанный формирователь имеет максимальную амплитуду выходного импульса как минимум в 2-4 раза больше, чем у формирователя с транзисторным ключом, а максимальную рабочую частоту в два раза больше; по сравнению с формирователем на тиристорном ключе, при одинаковой максимальной амплитуде выходных импульсов их максимальная частота увеличилась со 100 Гц до 100 кГц; а по сравнению с формирователем, использующим источник питания с ограничением по току, с 2 до 100 кГц.

Следует отметить, что комплектующие, примененные в данном устройстве, выпускаются отечественной промышленностью, и проблем с их приобретением не возникает.

Источники информации 1. Зиенко С.И. / ПТЭ, М.: Наука, 1984, 4. С. 101.

2. Белкин B.C., Марин О.Ю., Шульженко Г.И. / ПТЭ, М.: Наука, 1992, 6. С. 121.

Формула изобретения

Формирователь высоковольтных импульсов наносекундной длительности, содержащий тиристор, анод которого подключен к первому конденсатору и через сопротивление к источнику питания, причем первый конденсатор через дроссель подключен к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого одним концом подключена к катоду составного дрейфового диода с резким восстановлением запирающих свойств, а анод последнего через второй конденсатор подключен ко второму концу вторичной обмотки трансформатора, отличающийся тем, что в него введен транзистор средней частоты большой мощности, коллектор которого подключен к катоду тиристора, а эмиттер - ко второму концу первичной обмотки трансформатора, при этом база и эмиттер транзистора, а также управляющий электрод и катод тиристора подключены к источнику управляющих сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1