Ограничитель амплитуды высоковольтных однополярных импульсов
Владельцы патента RU 2467472:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) (RU)
Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к радиолокации, и может быть использовано в системах возбуждения СВЧ-генераторов на лавинно-пролетных диодах и диодах Ганна. Техническим результатом является возможность получения импульсов с амплитудой, во много раз превышающей предельно допустимые напряжения база-эмиттер современных биполярных транзисторов. Ограничитель амплитуды однополярных импульсов содержит: вход и выход, биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с выходом ограничителя, а коллектор - с общим для всего устройства проводником, первый резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - со входом ограничителя, второй резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, третий резистор, первый вывод которого соединен с источником питания, стабилитрон, катод которого соединен со вторым выводом третьего резистора, а анод - с общим для всего устройства проводником, и конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, введен полупроводниковый диод, анод которого соединен с базой биполярного транзистора, а катод - со вторым выводом третьего резистора. 2 ил.
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано в системах возбуждения СВЧ-генераторов на лавинно-пролетных диодах и диодах Ганна.
Известен ограничитель, содержащий два диода, включенных встречно-параллельно и установленных параллельно с нагрузкой [1]. Недостатком такого ограничителя является малая амплитуда сигналов на его выходе, составляющая величину, равную 0,7…1,0 В.
Известен также ограничитель амплитуды однополярных импульсов, являющийся одновременно устройством защиты усилителя однополярных импульсов от рассогласования по выходу и от перегрузки по входу, содержащий трансформатор тока, выполненный на основе ферритового кольца. Первичная обмотка трансформатора выполнена в виде продетого сквозь ферритовое кольцо полоскового проводника, начало которого подключено к выходу защищаемого усилителя, а конец - к нагрузке усилителя. Вторичная обмотка выполнена из навитого на ферритовое кольцо провода, первый конец которого подключен к общему для усилителя и цепи обратной связи проводнику, а второй конец образует второй выход трансформатора тока. В состав устройства входят также детектор, вход которого подключен ко второму выходу трансформатора тока, блок управления, вход которого соединен с выходом детектора, резистор, выводы которого охватывают ферритовое кольцо с обеих сторон и гальванически соединены между собой, биполярный транзистор, база которого подключена к выходу блока управления, коллектор транзистора соединен с общим для усилителя и цепи обратной связи проводником, а эмиттер транзистора образует выход цепи обратной связи, подключенный ко входу усилителя [2]. Недостатком такого ограничителя амплитуды однополярных импульсов является малая амплитуда сигналов на его выходе, составляющая величину, равную 10…15 В, что обусловлено малыми предельно допустимыми напряжениями база-эмиттер современных биполярных транзисторов [3].
Наиболее близким к заявляемому объекту по максимальному числу существенных признаков является ограничитель амплитуды однополярных импульсов, содержащий вход и выход, биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с выходом ограничителя, а коллектор - с общим для всего устройства проводником, первый резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - со входом ограничителя, второй резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, третий резистор, первый вывод которого соединен с источником питания, а второй вывод - с базой биполярного транзистора, стабилитрон, катод которого соединен со вторым выводом третьего резистора, а анод - с общим для всего устройства проводником, и конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником [4, рис.1]. Рассматриваемый ограничитель является частью более сложного устройства, предназначенного для мощного импульсного возбуждения диодов Ганна в импульсных СВЧ-генераторах [4, рис.1].
Недостатком такого ограничителя амплитуды однополярных импульсов является малая амплитуда сигналов на его выходе, составляющая величину, равную 10…15 В, что обусловлено малыми предельно допустимыми напряжениями база-эмиттер современных биполярных транзисторов [3].
Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение - создание ограничителя амплитуды высоковольтных однополярных импульсов, обеспечивающего получение на его выходе импульсов с амплитудой, во много раз превышающей предельно допустимые напряжения база-эмиттер современных биполярных транзисторов.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в ограничитель амплитуды однополярных импульсов, содержащий вход и выход, биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с выходом ограничителя, а коллектор - с общим для всего устройства проводником, первый резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - со входом ограничителя, второй резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, третий резистор, первый вывод которого соединен с источником питания, стабилитрон, катод которого соединен со вторым выводом третьего резистора, а анод - с общим для всего устройства проводником, и конденсатор, первый вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, введен полупроводниковый диод, анод которого соединен с базой биполярного транзистора, а катод - со вторым выводом третьего резистора.
На фиг.1 и 2 представлены принципиальная электрическая схема предложенного ограничителя амплитуды высоковольтных однополярных импульсов и принципиальная электрическая схема макета такого ограничителя.
Ограничитель амплитуды высоковольтных однополярных импульсов содержит вход и выход, биполярный транзистор 1, эмиттер которого соединен с выходом ограничителя, а коллектор - с общим для всего устройства проводником, первый резистор 2, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора 1, а второй вывод - со входом ограничителя, второй резистор 3, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора 1, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, третий резистор 4, первый вывод которого соединен с источником питания, стабилитрон 5, катод которого соединен со вторым выводом третьего резистора 4, а анод - с общим для всего устройства проводником, конденсатор 6, первый вывод которого соединен со вторым выводом третьего резистора 4, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, и полупроводниковый диод 7, анод которого соединен с базой биполярного транзистора 1, а катод - со вторым выводом третьего резистора 4.
Ограничитель амплитуды высоковольтных однополярных импульсов работает следующим образом. Напряжение стабилизации стабилитрона 5 выбирается равным требуемой амплитуде импульсов на выходе ограничителя. В исходном состоянии полупроводниковый диод 7 закрыт. Поэтому постоянное напряжение, подаваемое со стабилитрона 5 на катод полупроводникового диода 7, не поступает на базу биполярного транзистора 1 и поэтому может во много раз превышать предельно допустимое напряжение база-эмиттер биполярного транзистора 1. При подаче на вход ограничителя импульсов, имеющих амплитуду меньше, чем значение постоянного напряжения на катоде полупроводникового диода 7, диод 7 остается закрытым. Биполярный транзистор 1 также оказывается закрытым. В этом случае импульс, подаваемый на вход ограничителя, беспрепятственно проходит на его выход и поступает в нагрузку, подключаемую к выходу ограничителя, на которой выделяется импульсное напряжение, равное амплитуде входного импульса за вычетом напряжения, выделяемого на первом резисторе 2. Первый резистор 2 введен для ограничения предельного тока биполярного транзистора 1 при его открывании. При подаче на вход ограничителя импульсов, имеющих амплитуду, превышающую значение постоянного напряжения, установленного на катоде полупроводникового диода 7, последний открывается, и на базе биполярного транзистора 1 устанавливается напряжение, равное напряжению на катоде полупроводникового диода 7. Поэтому, как только амплитуда импульса на выходе ограничителя станет равной напряжению на катоде полупроводникового диода 7, биполярный транзистор 1 открывается, препятствуя дальнейшему росту импульсного тока в нагрузке, поскольку напряжение на эмиттере биполярного транзистора 1 не может значительно превышать напряжения на его базе.
Биполярный транзистор 1 на фиг.1 соответствует транзистору VT1 на фиг.2. Первый резистор 2 на фиг.1 соответствует резистору R1 на фиг.2. Второй резистор 3 на фиг.1 соответствует резистору R3 на фиг.2. Третий резистор 4 на фиг.1 соответствует резистору R2 на фиг.2. Стабилитрон 5 на фиг.1 соответствует стабилитрону VD1 на фиг.2. Конденсатор 6 на фиг.1 соответствует конденсатору С1 на фиг.2. Полупроводниковый диод 7 на фиг.1 соответствует диоду VD2 на фиг.2.
Экспериментальное исследование макета ограничителя, принципиальная электрическая схема которого приведена на фиг.2, проводилось с использованием мощного импульсного усилителя, описанного в [5] и позволяющего получать на его выходе амплитуду импульсов до 100 В при токе в импульсе до 60 А. В результате исследований установлено, что при работе на нагрузку, изменяющуюся в пределах от 100 Ом до бесконечности, импульсное напряжение на выходе ограничителя оставалось неизменным и равным 83 В. При использовании в макете ограничителя, принципиальная электрическая схема которого приведена на фиг.2, в качестве VD1 стабилитрона типа КС527А, импульсное напряжение на выходе ограничителя оставалось практически неизменным и равным 28 В при работе на нагрузку, изменяющуюся в пределах от 6 Ом до бесконечности. Макет ограничителя, реализованный по схеме прототипа, не позволил получить на нагрузке импульсное напряжение более 17 В, что было обусловлено пробоем перехода база-эмиттер транзистора КТ9180Г.
Предложенный ограничитель амплитуды высоковольтных однополярных импульсов по сравнению с устройством-прототипом обеспечивает получение на его выходе импульсов с амплитудой, во много раз превышающей предельно допустимые напряжения база-эмиттер современных биполярных транзисторов.
Источники информации, использованные при составлении описания изобретения
1. Лебедев И.В., Шнитников А.С., Прохоров Р.А., Скоробогатов Д.В. Новые структурные схемы твердотельных ограничителей мощности. // Радиоэлектроника. - 1991. - №10. - С.9-17.
2. Титов А.А., Семенов А.В., Пушкарев В.П. Устройство защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току / Патент РФ №2328818 - Опубл. 10.07.2008. Бюл. №19.
3. Петухов В.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник. В 4-х томах. - М.: КУбК-а, 1997.
4. Пушкарев В.П., Титов А.А., Юрченко В.И. Режимные характеристики импульсного генератора на диодах Ганна типа 3А762 // Доклады ТУСУР. 2010. - №2. - С.138-141. - прототип.
5. Титов А.А. Мощный импульсный усилитель для возбуждения диодной матрицы инфракрасного излучения // Радиохобби. - 2010. - №5. - С.40-42.
Ограничитель амплитуды высоковольтных однополярных импульсов, содержащий вход и выход, биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с выходом ограничителя, а коллектор - с общим для всего устройства проводником, первый резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - со входом ограничителя, второй резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, третий резистор, первый вывод которого соединен с источником питания, стабилитрон, катод которого соединен с вторым выводом третьего резистора, а анод - с общим для всего устройства проводником, и конденсатор, первый вывод которого соединен с вторым выводом третьего резистора, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, отличающийся тем, что в него дополнительно введен полупроводниковый диод, анод которого соединен с базой биполярного транзистора, а катод - со вторым выводом третьего резистора.
