Схема генератора высоковольтных импульсов. Генератор импульсных токов Схема генератора импульсов с трансформатором

В один прекрасный день мне понадобился срочно генератор прямоугольных импульсов со следующими характеристиками:

--- Питание: 5-12в


---
Частота: 5Гц-1кГц.

---
Амплитуда выходных импульсов не менее 10в

--- Ток: около 100мА.

За основу был взят мультивибратор, он реализован на трех логических элементах микросхемы 2И-НЕ. Принцип которого при желании можно прочитать в Википедии. Но генератор сам по себе дает инверсный сигнал, что подтолкнуло меня применить инвертор (это 4-й элемент). Теперь мультивибратор дает нам импульсы положительного тока. Однако у мультивибратора нет возможности регулирования скважности. Она у него автоматически выставляется 50%. И тут меня осенило поставить ждущий мультивибратор реализованный на двух таких же элементах (5,6), благодаря которому появилась возможность регулировать скважность. Принципиальная схема на рисунке:

Естественно, предел указанный в моих требованиях не критичен. Все зависит от параметров С4 и R3 – где резистором можно плавно изменять длительность импульса. Принцип работы так же можно прочитать в википедии. Далее: для высокой нагрузочной способности был установлен эммитерный повторитель на транзисторе VT-1. транзистор применен самый распостранненый типа КТ315. резисторов R6 служит для ограничения выходного тока и зашита от перегорания транзистора в случае КЗ.

Микросхемы можно применять как ТТЛ, так и КМОП. В случае применения ТТЛ сопротивление R3 не более 2к. потому что: входное сопротивление этой серии приблизительно равно 2к. лично я использовал КМОП К561ЛА7 (она же CD4011) – два корпуса питание до 15в.

Отличный вариант для использования как ЗГ для какого ни будь преобразователя. Для использования генератора среди ТТЛ – подходят К155ЛА3, К155ЛА8 у последней коллекторы открыты и на выхода нужно вешать резисторы номиналом 1к.

Генераторы прямоугольных импульсов применяются во многих радиолюбительских устройствах: электронных счетчиках, игровых автоматах, ну и наиболее широкок применяют они получили при настройке цифровой техники. Предлагаем вашему вниманию подборку схем и конструкций генераторов прямоугольных импульсов

Амплитуда генерируемого сигнала в таких генераторах очень стабильна и близка к напряжению питания. Но форма колебаний весьма далека от синусоидальной - сигнал получается импульсным, причем длительность импульсов и пауз между ними легко регулируется. Импульсам легко придать вид меандра, когда длительность импульса равна длительности паузы между ними.

Основной и широко распространенный вид релаксационного генератора - симметричный мультивибратор на двух транзисторах, схема которого показана на рисунке ниже. В нем два стандартных усилительных каскада на транзисторах VT1 и VT2 соединены в последовательную цепочку, то есть выход одного каскада соединен со входом другого через разделительные конденсаторы С1 и С2. Они же определяют и частоту генерируемых колебаний F, точнее, их период Т. Напомню, что период и частота связаны простым соотношением

Если схема симметрична и номиналы деталей в обоих каскадах одинаковы, то и выходное напряжение имеет форму меандра.

Работает генератор так: сразу после включения, пока конденсаторы С1 и С2 не заряжены, транзисторы оказываются в «линейном» усилительном режиме, когда резисторами R1 и R2 задается некоторый малый ток базы, он определяет в Вст раз больший ток коллектора, и напряжение на коллекторах несколько меньше напряжения источника питания за счет падения напряжения на резисторах нагрузки R3 и R4. При этом малейшие изменения коллекторного напряжения (хотя бы из-за тепловых флуктуаций) одного транзистора передаются через конденсаторы С1 и С2 в цепь базы другого.

Предположим, что коллекторное напряжение VT1 чуть-чуть понизилось. Это изменение передается через конденсатор С2 в цепь базы VT2 и немного его запирает. Коллекторное напряжение VT2 возрастает, и это изменение передается конденсатором С1 на базу VT1, он отпирается, его коллекторный ток возрастает, а коллекторное напряжение понижается еще больше. Процесс происходит лавинообразно и очень быстро.

В результате транзистор VT1 оказывается полностью открыт, его коллекторное напряжение будет не более 0,05...0,1 В, a VT2 - полностью заперт, и его коллекторное напряжение равно напряжению питания. Теперь надо ждать, пока перезарядятся конденсаторы С1 и С2 и транзистор VT2 приоткроется током, текущим через резистор смещения R2. Лавинообразный процесс пойдет в обратном направлении и приведет к полному открыванию транзистора VT2 и полному запиранию VT1. Теперь нужно ждать еще полпериода, нужные для перезарядки конденсаторов.

Время перезарядки определяется напряжением питания, током через резисторы Rl, R2 и емкостью конденсаторов Cl, С2. При этом говорят о «постоянной времени» цепочек Rl, С1 и R2, С2, примерно соответствующей периоду колебаний. Действительно, произведение сопротивления в омах на емкость в фарадах дает время в секундах. Для номиналов, указанных на схеме рисунка 1 (360 кОм и 4700 пФ), постоянная времени получается около 1,7 миллисекунды, что говорит о том, что частота мультивибратора будет лежать в звуковом диапазоне порядка сотен герц. Частота повышается при увеличении напряжения питания и уменьшении номиналов Rl, С1 и R2, С2.

Описанный генератор весьма неприхотлив: в нем можно использовать практически любые транзисторы и изменять номиналы элементов в широких пределах. К его выходам можно подключать высокоомные телефоны, чтобы услышать звуковые колебания, или даже громкоговоритель - динамическую головку с понижающим трансформатором, например абонентский трансляционный громкоговоритель. Так можно организовать, например, звуковой генератор для изучения азбуки Морзе. Телеграфный ключ ставят в цепи питания, последовательно с батареей.

Поскольку два противофазных выхода мультивибратора в радиолюбительской практике нужны редко, автор задался целью сконструировать более простой и экономичный генератор, содержащий меньше элементов. То, что получилось, показано на следующем рисунке. Здесь использованы два транзистора с разными типами проводимости - п-р-п и р-n-р. Открываются они одновременно, коллекторный ток первого транзистора служит током базы второго.

Вместе транзисторы образуют также двухкаскадный усилитель, охваченный ПОС через цепочку R2,C1. Когда транзисторы запираются, напряжение на коллекторе VT2 (выход 1 В) падает до нуля, это падение передается через цепочку ПОС на базу VT1 и полностью его запирает. Когда конденсатор С1 зарядится до примерно 0,5 В на левой обкладке, транзистор VT1 приоткроется, через него потечет ток, вызывая еще больший ток транзистора VT2; напряжение на выходе начнет расти. Это возрастание передается на базу VT1, вызывая еще большее его открывание. Происходит вышеописанный лавинообразный процесс, полностью отпирающий оба транзистора. Через некоторое время, нужное для перезарядки С1, транзистор VT1 призакроется, поскольку ток через резистор большого номинала R1 недостаточен для его полного открывания, и лавинообразный процесс разовьется в обратном направлении.

Скважность генерируемых импульсов, то есть соотношение длительностей импульса и паузы, регулируется подбором резисторов R1 и R2, а частота колебаний - подбором емкости С1. Устойчивой генерации при выбранном напряжении питания добиваются подбором резистора R5. Им же в некоторых пределах можно регулировать выходное напряжение. Так, например, при указанных на схеме номиналах и напряжении питания 2,5 В (два дисковых щелочных аккумулятора) частота генерации составила 1 кГц, а выходное напряжение - ровно 1 В. Потребляемый от батареи ток получился около 0,2 мА, что говорит об очень высокой экономичности генератора.

Нагрузка генератора R3, R4 выполнена в виде делителя на 10, чтобы можно было снимать и меньшее напряжение сигнала, в данном случае 0,1 В. Еще меньшее напряжение (регулируемое) снимается с движка переменного резистора R4. Эта регулировка может оказаться полезной, если нужно определить или сравнить чувствительность телефонов, проверить высокочувствительный УНЧ, подав малый сигнал на его вход, и так далее. Если же таких задач не ставится, резистор R4 можно заменить постоянным или сделать еще одно звено делителя (0,01 В), добавив снизу еще резистор номиналом 27 Ом.

Сигнал прямоугольной формы с крутыми фронтами содержит широкий спектр частот - кроме основной частоты F, еще и ее нечетные гармоники 3F, 5F, 7F и так далее, вплоть до радиочастотного диапазона. Поэтому генератором можно проверять не только звуковую аппаратуру, но и радиоприемники. Конечно, амплитуда гармоник убывает с ростом их частоты, но достаточно чувствительный приемник позволяет прослушивать их во всем диапазоне длинных и средних волн.

Представляет собой кольцо из двух инверторов. Функции первого из них выполняет транзистор VT2, на входе которого включен эмиттерный повторитель на транзисторе VT1. Это сделано для повышения входного сопротивления первого инвертора, благодаря чему появляется возможность генерации низких частот при относительно небольшой емкости конденсатора С7. На выходе генератора включен элемент DD1.2, выполняющий роль буферного элемента, улучшающего согласование выхода генератора с испытуемой цепью.

Последовательно с времязадающим конденсатором (нужная величина емкости подбирается переключателем SA1) включен резистор R1, изменением сопротивления которого регулируется выходная частота генератора. Для регулировки скважности выходного сигнала (отношения периода импульса к его длительности) в схему введен резистор R2.

Устройство генерирует импульсы положительной полярности частотой 0,1 Гц...1 МГц и скважностью 2... 500. Частотный диапазон генератора разбит на 7 поддиапазонов: 0,1...1, 1 .10, 10...100, 100...1000 Гц и 1...10, 10...100, 100...1000 кГц, которые устанавливаются переключателем SA1.

В схеме можно использовать кремниевые маломощные транзисторы с коэффициентом усиления не менее 50 (например, КТ312, КТ342 и т. п.), интегральные схемы К155ЛНЗ, К155ЛН5.

Генератор прямоугольных импульсов на микроконтроллере на этой схеме, будет отличным пополнением в вашу домашнюю измерительную лабораторию.

Особенностью этой схемы генератора является фиксированное число частот, а точнее 31. И его можно применять в различных цифровых схемотехнических решениях, где требуется изменять частоты генератора автоматически или с помощью пятью переключателей.

Выбора той или иной частоты осуществляется с помощью посылки пятиразрядного двоичного кода на входе микроконтроллера.

Схема собрана на одном из самом распространенном микроконтроллере Attiny2313. Делитель частоты с регулируемым коэффициентом деления построен программно, используя частоту кварцевого генератора в роли опорной.

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.

Импульсный генератор тока

Импульсный генератор тока – это аппарат, генерирующий импульсы тока большой силы.

Импульсные генераторы тока применяются при испытании высоковольтной техники и при изучении электрических разрядов. Также при соединении импульсного генератора тока с импульсным генератором напряжения получается прибор, способный создать искусственную молнию.

В состав импульсного генератора тока входят параллельно соединенные конденсаторы, выпрямитель и искровой зарядник. Сначала конденсаторы медленно заряжают до такого напряжения, величина которого не превосходит величины напряжения пробоя разрядника. После этого на поджигающий электрод разрядника происходит подача импульса напряжения, вследствие чего происходит пробой разрядника. Затем конденсаторы разряжаются на испытуемый объект. Для увеличения значения тока нужно снизить индуктивность и увеличить емкость, для этого необходимо максимально приблизить конденсаторы к испытуемому прибору.

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ИМ) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ПЕ) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ПО) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (СИ) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ТР) автора БСЭ

Из книги Релейная защита в распределительных электрических Б90 сетях автора Булычев Александр Витальевич

Из книги Большая энциклопедия техники автора Коллектив авторов

Из книги автора

Из книги автора

Из книги автора

Приложение 5 Кривые предельных кратностей тока трансформаторов тока 10 кВ и 35 кВ На рис. П5.1, а показаны кривые предельных кратностей тока ТТ типа ТПЛ-10 при допустимой погрешности 10 %: 1 - для ТТ с коэффициентами трансформации от 5/5 до 300/5 класса Р; 2 - для ТТ с коэффициентами

Из книги автора

Генератор постоянного тока Генератор постоянного тока – это машина, способная преобразовывать механическую энергию вращения в электрическую энергию постоянного тока.История создания генераторов постоянного токаВ 1831 г. Майкл Фарадей открыл закон магнитной индукции,

Из книги автора

Импульсный генератор напряжения Импульсный генератор напряжения – это аппарат, в задачи которого входит создание электрических импульсов высокого напряжения и их генерирование с амплитудой до 10 000 000 В.В состав импульсного генератора напряжения входит группа

Из книги автора

Импульсный модулятор Импульсный модулятор – это специальный прибор какой-либо импульсной станции, в задачи которого входит контролирование работы генератора высокочастотных колебаний.Импульсный модулятор состоит из высоковольтного выпрямителя, катушки

Из книги автора

Импульсный трансформатор Импульсный трансформатор – это высокочастотный трансформатор. Используется для передачи сигналов малой мощности в широком диапазоне частот без искажения формы импульса, для создания импульсов высокого напряжения, изменения полярности

Из книги автора

Источники тока Источники тока – это особые аппараты, способные создать электрическое поле в проводнике, а также электрическую сеть.В 1786 г. итальянский ученый Л. Гальвано выпустил книгу, в которой рассматривал воздействие электрического тока на живые организмы. Книга

Из книги автора

Импульсный ракетный двигатель Импульсный ракетный двигатель – ракетный двигатель, который сообщает аппарату импульс, обусловленный кратковременным созданием значительной тяги. Режим работы такого двигателя состоит из многочисленных коротких по времени импульсов,

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.