Генераторы на лавинных транзисторах – Генераторы нано- и пикосекундных импульсов с запуском мощных полевых транзисторов от лавинного транзистора

Генератор импульсов на лавинном транзисторе с повышенными кпд и частотой следования импульсов (варианты)

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных схемах различного назначения. Достигаемый технический результат — повышение надежности работы при возможности многократного повышения частоты импульсов. Генератор импульсов по первому варианту содержит накопительный конденсатор, диод, включенный встречно-параллельно переходу эмиттер-база лавинного транзистора, база которого соединена через ограничительный резистор с источником запирающего напряжения, зарядный дроссель, источник питания, при этом накопительный конденсатор подключен первым выводом к коллектору лавинного транзистора, а вторым выводом через нагрузку соединен с эмиттером лавинного транзистора и общим проводом. Генератор импульсов по второму варианту содержит накопительный конденсатор, ограничительный резистор, зарядный дроссель, один вывод которого подключен к источнику питания, а второй — к коллектору лавинного транзистора, управляющий транзистор, к коллектору которого подсоединен второй вывод ограничительного резистора, причем база управляющего транзистора через стабилитрон соединена с эмиттером лавинного транзистора, а через шунтирующий резистор — со своим эмиттером и общим проводом. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано там, где удаление излишнего тепла обходится особенно дорого, например в космосе, геофизических исследованиях, а также в импульсных схемах различного назначения.

Известен генератор импульсов тока на тиристоре, имеющем S-образную вольт-амперную характеристику (ВАХ), содержащий зарядный дроссель, развязывающий диод, накопительный конденсатор, разрядный дроссель с вентилем и селективную цепь, причем разрядный дроссель с вентилем и селективная цепь включены между катодом тиристора и отрицательной шиной источника питания (А.С. №354540, МПК H03K 3/335, опубл. 09.11.1972 г.).

Недостатком данного устройства является использование тиристора, который работает медленнее по сравнению с лавинным транзистором. Нестандартное использование тиристора в качестве емкости в высокочастотных процессах затрудняет расчет и реализацию схемы генератора. Наличие двух дополнительных дросселей и сверхвысокочастотных диодов в разрядной цепи, используемых для формирования короткого импульса, усложняет и удорожает схему.

Наиболее близким к предложенному является генератор наносекундных импульсов, основанный на базовой схеме, с использованием лавинного транзистора со стороны коллектора, имеющего S-образную вольт-амперную характеристику (В.П. Дьяконов. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии». — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012, с. 58). Схема этого генератора является основой для большинства устройств, выполненных на лавинных транзисторах. Она содержит цепь питания базы, служащую для создания условий лавинного пробоя, в которую входят резистор, ограничивающий ток базы от источника запирающего напряжения, разделительный конденсатор для передачи импульса запуска на базу и защитный диод, включенный встречно-параллельно с переходом эмиттер-база лавинного транзистора, зарядный резистор, через который осуществляется заряд накопительного конденсатора, и резистор нагрузки, включенный последовательно в цепь разряда накопительного конденсатора через лавинный транзистор.

Недостатком генератора на основе этой схемы является низкий кпд заряда накопительного конденсатора через зарядный резистор, асимптотически приближающийся к 50% при приближении напряжения заряда к напряжению источника питания (см., например, Я.Б. Зельдович, И.М. Яглом. Высшая математика для начинающих физиков и техников. М.: Наука, 1982, с. 380). Если для сокращения интервалов между импульсами напряжение питания поднимают выше требуемого напряжения заряда, то независимо от величины зарядного резистора кпд заряда приближается к нулю, так как падение напряжения на балластном резисторе и, следовательно, выделяемая на нем мощность соответственно возрастают. Этим фактором, в частности, объясняются низкие возможности повышения частоты следования импульсов для этой схемы заряда. Применение источников тока для повышения частоты импульсов значительно усложняет конструкцию, не решая проблемы потерь на тепловыделение и уменьшения нагрузки на лавинный транзистор при переключениях.

Предлагаемое изобретение направлено на создание энергосберегающей схемы генератора импульсов наносекундного диапазона с возможностью многократного повышения частоты импульсов, с пониженным напряжением питания, что особенно важно в длительно изолированных системах, использующих источники энергии низкого качества, например солнечные батареи или радиоактивность.

Поставленная задача решается генератором импульсов на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольт-амперной характеристики со стороны коллектора, содержащим накопительный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору лавинного транзистора, вторым выводом через нагрузку соединенный с эмиттером лавинного транзистора и общим проводом, диод, включенный встречно-параллельно переходу эмиттер-база лавинного транзистора, база которого соединена через ограничительный резистор с источником запирающего напряжения, который в отличие от прототипа содержит зарядный дроссель, один вывод которого подключен к источнику питания, а второй — к коллектору лавинного транзистора и к первому выводу накопительного конденсатора, другой вывод которого через нагрузку соединен с эмиттером лавинного транзистора и общим проводом.

Поставленная задача решается также генератором импульсов на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольт-амперной характеристики со стороны коллектора, содержащим накопительный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору лавинного транзистора, вторым выводом через нагрузку соединенный с эмиттером лавинного транзистора, база которого соединена с первым выводом ограничительного резистора, который в отличие от прототипа содержит зарядный дроссель, один вывод которого подключен к источнику питания, а второй — к коллектору лавинного транзистора и к первому выводу накопительного конденсатора, управляющий транзистор, к коллектору которого подсоединен второй вывод ограничительного резистора, причем база управляющего транзистора через стабилитрон соединена с эмиттером лавинного транзистора, а через шунтирующий резистор — со своим эмиттером и общим проводом.

Согласно изобретению в генераторе импульсов последовательно с зарядным дросселем может быть включен развязывающий диод.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена электрическая схема генератора импульсов на лавинном транзисторе с подключением к источнику запирающего напряжения, на фиг. 2 — схема генератора импульсов на лавинном транзисторе без подключения к источнику запирающего напряжения с использованием схемы управления лавинным транзистором, на фиг. 3 — график напряжения на коллекторе при заряде и разряде накопительного конденсатора, на фиг. 4 — график напряжения на коллекторе с развязывающим диодом в цепи заряда.

Генератор импульсов (фиг. 1) содержит лавинный транзистор 1, зарядный дроссель 2, соединяющий источник питания Ек с первым выводом накопительного конденсатора 3 и коллектором лавинного транзистора, ограничительный резистор 4, соединяющий базу транзистора 1 с источником запирающего напряжения Еб, диод 5, включенный встречно-параллельно переходу эмиттер-база лавинного транзистора, и резистор нагрузки 6, соединяющий второй вывод накопительного конденсатора 3 с общим проводом и эмиттером лавинного транзистора. Выходной импульс снимается с резистора нагрузки 6. Запускающий импульс подается на базу лавинного транзистора.

Для расширения интервала синхронизации генератора импульсов с внешними приборами или процессами в цепь заряда последовательно с дросселем может быть включен развязывающий диод 7.

Схема (фиг. 1) работает следующим образом.

При включении источника запирающего напряжения Еб и источника питания генератора Ек лавинный транзистор 1 заперт, и развивается колебательный процесс заряда конденсатора 3 через зарядный дроссель 2 и резистор нагрузки 6. Ток дросселя увеличивается от нуля до максимума, который наступает при достижении напряжения на накопительном конденсаторе величины источника питания Ек. После этого зарядный дроссель 2 расходует накопленную энергию на дальнейший заряд конденсатора.

Достигаемый уровень заряда накопительного конденсатора почти в два раза превышает напряжение питания Ек (см., например, Я.Б. Зельдович, И.М. Яглом. Высшая математика для начинающих физиков и техников. М.: Наука. 1982, с. 391) и, следовательно, Ек должно выбираться из расчета 2Eк≤Um, где Um — напряжение лавинного пробоя (подробное определение Um см. в издании В.П. Дьяконов. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии». — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012, с. 13).

На фиг. 3 показано, что по достижении максимального напряжения на накопительном конденсаторе 3 ток дросселя меняет направление, и начинается разряд, после чего в момент времени t1 происходит лавинный пробой, и накопительный конденсатор разряжается за короткий промежуток времени через лавинный транзистор 1 и резистор нагрузки 6. Запускающим импульсом, подаваемым на базу лавинного транзистора в момент времени t2, как показано на следующем цикле заряда-разряда, колебательный процесс может быть прерван в любой точке ниспадающего участка. Длина этого ниспадающего участка зависит от номиналов элементов схемы. Лавинный транзистор работает в ждущем режиме и открывается. После этого развивается лавинный процесс включения транзистора 1, и накопительный конденсатор 3 разряжается через лавинный транзистор 1 и резистор нагрузки 6. Таким образом, генератор импульсов может, как и прототип, работать как в режиме синхронизации, так и автогенерации.

Генератор импульсов (фиг. 2), содержит лавинный транзистор 1, зарядный дроссель 2, соединяющий источник питания Ек с первым выводом накопительного конденсатора 3 и коллектором лавинного транзистора, резистор нагрузки 6, соединяющий второй вывод накопительного конденсатора 3 с эмиттером лавинного транзистора, цепь автоматического смещения для создания запирающего напряжения, состоящую из перехода эмиттер-база управляющего транзистора 8, зашунтированного резистором 9, и стабилитрона 10. Эмиттер управляющего транзистора 8 соединен с общим проводом. Катодный вывод стабилитрона 10 соединен с эмиттером лавинного транзистора. Между коллектором управляющего транзистора 8 и базой лавинного транзистора 1 включен ограничительный резистор 4. Выходной импульс снимается с резистора нагрузки 6. Запускающий импульс подается на базу лавинного транзистора.

Генератор (фиг. 2) работает следующим образом.

Запирающее напряжение Еб в этом генераторе создает схема управления включением лавинного транзистора, содержащая резистор 9, транзистор 8 и стабилитрон 10.

При включении источника питания генератора Ек лавинный транзистор 1 заперт, и развивается колебательный процесс заряда конденсатора 3 через зарядный дроссель 2, резистор нагрузки 6, стабилитрон 10 и зашунтированный резистором 9 переход база-эмиттер управляющего транзистора 8. Ток зарядного дросселя 2 увеличивается от нуля до максимума, который наступает при достижении напряжения на накопительном конденсаторе 3 величины источника питания Ек. После этого дроссель расходует накопленную энергию на дальнейший заряд конденсатора 3. Как и в схеме фиг. 1, достигаемый уровень заряда накопительного конденсатора почти в два раза превышает напряжение питания Ек.

Ток заряда конденсатора 3 после включения генератора создает между эмиттерами транзисторов 1 и 8 разность потенциалов Еб, не превышающую предельного напряжения эмиттер-база транзистора 1, что обеспечивается соответствующим выбором стабилитрона 10. Величина шунтирующего резистора 9 выбирается так, чтобы ток заряда открывал управляющий транзистор 8 для запирания лавинного транзистора 1 на время заряда, а по окончании заряда, когда ток заряда стремится к нулю, транзистор 8 закрывался. Таким образом, транзистор 8 дополняет резистор 4, добавляя нелинейное сопротивление перехода коллектор-эмиттер, управляемого током заряда конденсатора 3. Во время заряда конденсатора управляющий транзистор 8 открыт и находится в режиме насыщения, обеспечивая такой же запирающий ток базы, что и в схеме фиг. 1 с подключением к источнику запирающего напряжения (имеем в виду, что напряжение насыщения Uкэ близко к нулю). Такой режим определяет минимальный ток коллектора лавинного транзистора во время заряда. Наоборот, в конце процесса заряда конденсатора 3 управляющий транзистор 8 выходит из насыщения и закрывается, что фактически означает обрыв базы лавинного транзистора и ускорение лавинного пробоя. Как и предыдущая, эта схема генератора может быть синхронизирована внешним импульсом положительной полярности, что иллюстрирует фиг. 3 (момент t2).

Для расширения временного интервала синхронизации лавинного пробоя с внешними приборами или процессами последовательно с зарядным дросселем 2 может быть включен развязывающий диод 7 (фиг. 1, фиг. 2).

На фиг. 4 показано, как введение развязывающего диода 7 прерывает колебательный процесс заряда конденсатора 3 после отдачи дросселем всей энергии. Ниспадающий участок приобретает вид прямой с очень малым наклоном, поскольку разряд конденсатора определяется очень малыми обратными токами развязывающего диода и коллектора запертого лавинного транзистора. Это позволяет при необходимости задержать момент лавинного пробоя, однако задержка не может превышать времени разряда конденсатора 3 обратными токами коллектора транзистора 1 и развязывающего диода 7 до напряжения Uβ (В.П. Дьяконов. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии». — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012, с. 21), ниже которого лавинный пробой не возникает. На фиг. 4 показан первый цикл заряда-разряда накопительного конденсатора, где в момент времени t1 происходит самовключение, а в случае подачи в момент времени t2 запускающего импульса до самовключения — управляемое включение лавинного транзистора 1 и разряд накопительного конденсатора 3, после чего начинается новый цикл заряда-разряда. Так же как в отсутствие развязывающего диода 7, длина ниспадающего участка зависит от номиналов элементов, но существенно расширяет интервал синхронизации без больших потерь энергии накопительного конденсатора.

Поставленная задача достигается в изобретении благодаря следующему.

При отсутствии специального зарядного резистора, используемого в прототипе, потери энергии при заряде определяются суммарным сопротивлением обмотки зарядного дросселя 2 и ограничительного резистора 4, что, как известно, во много раз меньше обычных величин зарядных резисторов (десятки тысяч Ом). Понижение напряжения питания генератора при этом может быть доведено до двукратного при тех же параметрах выходного импульса. Схема позволяет также увеличивать частоту повторения импульсов за счет уменьшения индуктивности зарядного дросселя. Это возможно благодаря тому, что к моменту начала лавинного пробоя зарядный дроссель 2 теряет кинетическую энергию своего магнитного поля, и ток через него близок к нулю. Разряд накопительного конденсатора 3 происходит настолько быстро, что ток дросселя не успевает измениться, и новый цикл заряда-разряда повторяет предыдущий. Таким образом, выключение и включение лавинного транзистора 1 происходит при близком к нулю токе заряда, то есть в условиях, обеспечивающих безопасное переключение лавинного транзистора. Этот фактор повышает время работы лавинного транзистора до выхода из строя.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить экономичность и надежность работы генератора.

1. Генератор импульсов на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольт-амперной характеристики со стороны коллектора, содержащий накопительный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору лавинного транзистора, вторым выводом через нагрузку соединенный с эмиттером лавинного транзистора и общим проводом, диод, включенный встречно-параллельно переходу эмиттер-база лавинного транзистора, база которого соединена через ограничительный резистор с источником запирающего напряжения, отличающийся тем, что содержит зарядный дроссель, один вывод которого подключен к источнику питания, а второй — к коллектору лавинного транзистора и к первому выводу накопительного конденсатора.

2. Генератор импульсов по п. 1, отличающийся тем, что последовательно с зарядным дросселем включен развязывающий диод.

3. Генератор импульсов на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольт-амперной характеристики со стороны коллектора, содержащий накопительный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору лавинного транзистора, вторым выводом через нагрузку соединенный с эмиттером лавинного транзистора, база которого соединена с первым выводом ограничительного резистора, отличающийся тем, что содержит зарядный дроссель, один вывод которого подключен к источнику питания, а второй — к коллектору лавинного транзистора и к первому выводу накопительного конденсатора, управляющий транзистор, к коллектору которого подсоединен второй вывод ограничительного резистора, причем база управляющего транзистора через стабилитрон соединена с эмиттером лавинного транзистора, а через шунтирующий резистор — со своим эмиттером и общим проводом.

4. Генератор импульсов по п. 3, отличающийся тем, что последовательно с зарядным дросселем включен развязывающий диод.

www.findpatent.ru

Емкостной релаксатор на лавинном транзисторе

Для изучения поведения транзисторов в лавинном режиме можно использовать установку, функциональная схема которой показана на рис. 2.13 [90].

Рис. 2.13. Функциональная схема установки для измерения параметров импульсов, формируемых емкостным релаксатором на лавинном транзисторе

смонтирован в измерительной головке (рис. 2.14), которая крепится прямо на входном разъеме цифрового осциллографа. Это уменьшает искажения импульса разрядного тока, который формируется при запуске релаксатора. Второй вход осциллографа используется для получения совмещенной осциллограммы напряжения на коллекторе лавинного транзистора. Для легкой замены лавинного транзистора он крепится на панельке. Рекомендуется обрезать выводы транзистора до длины не более 1 см (это достаточно для установки транзистора в панельку).

Рис. 2.14. Измерительная головка с емкостным релаксатором на лавинном транзисторе

Измерительная головка является типичным емкостным релаксатором. В нем конденсатор С заряжается через резистор R до напряжения, близкого к Uu. При запуске лавинный транзистор JIT включается и конденсатор С разряжается через него, и сопротивление нагрузки Rs. Так релаксатор работает в ждущем режиме. Увеличением напряжения питания Е можно добиться перевода релаксатора в автоколебательный режим работы. Переменный резистор R6 позволяет задать сопротивление между базой и эмиттером, необходимое для получения S-образной ВАХ со стороны коллектора.

На рис. 2.15 показаны осциллограмма импульса напряжения на нагрузочном (разрядном) резисторе и осциллограмма спада напряжения на коллекторе транзистора. Осциллограммы приведены для кремниевого планарно-эпитаксиального транзистора 2Т312В, который хорошо показал себя в роли лавинного транзистора с напряжением лавинного пробоя коллекторного перехода около 120 В. Среди серийных отечественных и зарубежных транзисторов есть приборы с напряжением лавинного пробоя коллекторного перехода Uu от 25 до 500 В.

Здесь можно отметить 4 характерные стадии работы релаксатора:

1.       Стадия регенеративного включения лавинного транзистора, при больших токах коллектора ведущая к смыканию областей объемного заряда переходов транзистора и резкому уменьшению времени пролета носителей через базовую область. Иногда этой стадии предшествует стадия медленного роста коллекторного тока до критического значения, при котором ООЗ коллекторного перехода достигает эмиттерного перехода.

2.       Разряд конденсатора С при напряжении на коллекторе, близком к U, который сопровождается накоплением в структуре лавинного транзистора избыточных зарядов.

Рис. 2.17. Схема генератора мощных наносекундных импульсов на лавинном

транзисторе (а) и осциллограммы импульсов напряжения на нагрузке и коллекторе лавинного транзистора при масштабе по горизонтали 2 нс/дел (б)

ЛТОООЗ (и обычные кремниевые п-р-п транзисторы, работающие в лавинном режиме с ограниченной О ОЗ) позволяют получить уникальные параметры импульсов, недостижимые при использовании других полупроводниковых приборов. Примером может служить схема генератора импульсов с амплитудой около 25 А при длительности импульса около 1,5 не [72]. Она показана на рис. 2.17, а. Генератор предназначен для запуска мощных скоростных лазерных диодов, используемых, например, в лазерных локаторах и дальномерах.

Это типичная релаксационная схема. Для увеличения начального напряжения на конденсаторе релаксатора до напряжения лавинного пробоя коллекторного перехода [^желательно надежно запереть транзистор вплоть до наступления пробоя. Для этого в схему релаксатора введем резистор ЛБ=10 кОм, подключенный к источнику напряжения Е отрицательной полярности. При этом потенциал базы фиксируется диодом Д6, что предотвращает пробой эмиттерного перехода.

Моделирование на ЭВМ и эксперимент показывают, что даже малая паразитная индуктивность разрядного контура (в единицы нГн) вызывает сильный колебательный процесс после разрядного импульса. Было установлено, что эффективным способом борьбы с ней является применение нелинейного накопительного конденсатора, емкость которого увеличивается по мере его разряда. Подходящим в этой роли является силовой диод КД212А, который имеет рабочее напряжение 200 В (больше Uu), и емкость около 45 пФ при напряжении 100 В. Она возрастает в несколько раз при уменьшении напряжения до 0. Кроме того, этот диод имеет очень малое паразитное последовательное сопротивление.

Чтобы исключить отражение в кабеле осциллографа введем согласующие резисторы R по 51 Ом в начале и в конце кабеля, подключающего осциллограф к нагрузке Rs. Это означает возникновение делителя напряжения в 2 раза. В качестве эквивалента нагрузки возьмем практически безындуктивный резистор MJIT-0,25 с номиналом 1 Ом.

На рис. 2.17,6показаны осциллограммы импульсов на нагрузке Лн=1 Ом и на коллекторе транзистора, снятые 250 МГц цифровым осциллографом DS-1250 фирмы EZ Digital. Амплитуда импульса достигает (с учетом деления напряжения в 2 раза) 25 В, т. е. пиковый ток в нагрузке имеет значение 25 А, вполне соответствующее нашим прикидкам. При смене транзистора амплитуда тока может меняться примерно от 20 до 30 А при практически аналогичных временных параметрах.

Импульс разрядного тока имеет почти равные по длительности участки нарастания 1 и спада 2 тока и характерный выброс после них — 3. Минимизировать этот выброс можно, предельно сократив длину разрядной цепи. Полное устранение выброса, как правило, нецелесообразно, поскольку он способствует рассасыванию избыточных зарядов в реальной нагрузке — лазерном диоде и уменьшении длительности спада светового импульса.

Частота автоколебаний генератора около 200 кГц. Уменьшив Е или увеличив Еб можно перевести генератор в ждущий режим и запускать импульсами положительной полярности, подаваемыми на базу транзистора через разделительный резистор в сотни Ом. Если Ек немного превышает UM, то форма импульсов получается аналогичной описанной. При меньших Ек амплитуда импульсов быстро падает.

Применение этих транзисторов позволяет в простых релаксационных схемах получать наносекундные импульсы с амплитудой до 50—60 А от одного лавинного транзистора или многие сотни В и сотни А при их последовательном и параллельном включении, либо при использовании в схеме Маркса. Необходимость в получении таких импульсов появилась в связи с созданием новых типов измерительных приборов — лазерных локаторов и дальномеров, видеолокаторов и георадаров.

В наши дни параметры подобных генераторов можно существенно улучшить, применяя специально разработанные зарубежные высоковольтные кремниевые ЛТОООЗ. Серию таких приборов разработала в середине 90-х годов крупная полупроводниковая фирма Zetex Semiconductors. Приборы FMMT413, FMMT415, ZTX415 и FMMT417 имеют напряжение Uu= =150, 260, 260 и 320 В и пиковые токи разряда конденсатора 50 и 60 А [73]. Транзисторы выполнены в сверхминиатюрном корпусе

SOT23 для плотного поверхностного монтажа на печатные платы. Длина выводов у них минимизирована, что уменьшает их паразитную индуктивность и уменьшает возникновение колебаний при разряде С. Несмотря на уникально большие импульсные токи, средняя рассеиваемая мощность приборов составляет всего 0,33 или 0,68 Вт, т. е. приборы относятся к классу маломощных транзисторов.

Источник: Дьяконов В. П.  Генерация и генераторы сигналов / В. П. Дьяконов. — М. : ДМК Пресс, 2009. — 384 е., ил.

nauchebe.net

Генераторы нано- и пикосекундных импульсов с запуском мощных полевых транзисторов от лавинного транзистора



Генераторы

Генераторы нано- и пикосекундных импульсов с запуском мощных полевых транзисторов от лавинного транзистора

В настоящее время в приборостроении, ядерной электронике, в волоконно-оптических линиях связи широко внедряются субнаносекундные и пикосекундные импульсные устройства. При этом необходимы генераторы и формирователи с электронной регулировкой амплитуды, длительности, частоты повторения импульсов, смещения их базовой линии. Довольно простые схемные решения таких устройств получаются при совместном применении лавинных и мощных полевых транзисторов.

 

На рис.1 представлена схема ждущего генератора, построенная с применением лавинного транзистора VT1, диода с накоплением заряда VD1 и мощного GaAs ПТ VT2 . Релаксационный генератор на лавинном тран-

Рис.1. Принципиальная схема ждущего генератора импульсов

зисторе запускается импульсами, поступающими с выхода любого стандартного генератора, с помощью которого можно регулировать частоту в необходимых пределах.

Особенностью схемы оконечного каскада является возможность получения выходных импульсов как положительной, так и отрицательной полярности. При положительном питающем напряжении U4 этот каскад представляет собой схему с общим истоком, причем на нагрузке формируется импульс положительной полярности. При отрицательном напряжении U4 оконечный каскад будет работать как схема с общим стоком. В этом случае на нагрузке формируется импульс отрицательной полярности. Такое включение транзистора VT2 допустимо, так как структура GaAs ПТ является симметричной. Однако необходимо следить за тем, чтобы запирающее смещение, подаваемое на затвор транзистора, всегда было более отрицательным, чем напряжение питания.

Изменяя ток через диод с накоплением заряда путем регулировки напряжения U2 в указанных пределах, можно регулировать длительность импульсов в пределах 0,3…20 нс. Изменяя напряжение U4, можно регулировать амплитуду выходного импульса на нагрузке RH = 50 Ом в пределах 0…6 В, а с помощью регулируемого источника U5, осуществлять плавное смещение импульса относительно нулевой линии в пределах ±5 В. Минимальная длительность формируемых импульсов порядка 1 не, а их время нарастания и спада около 150 пс.

На рис. 2 показана схема низкочастотного генератора субнаносекундных прямоугольных импульсов отрицательной полярности. На лавинном транзисторе VT1 выполнен задающий генератор по схеме релаксатора, формирующий импульс с длительностью фронта 300 пс. Этот генератор может работать как в ждущем, так и в автоколебательном режиме, в который он переходит при увеличении напряжения питания U1 до 35 В.

Рис. 2. Принципиальная схема низкочастотного генератора субнаносекундных импульсов

Сформированный лавинным транзистором, импульс усиливается двухкаскадным усилителем на полевых транзисторах VT2, VT3, работающих в нелинейном режиме. Это позволяет уменьшить длительность фронта импульса до tф ≈100 пс. Выходной импульс усилителя подается на вход формирователя с накопительной линией (отрезок коаксиального кабеля с волновым сопротив-лением р = 50. Ом), выполненного на транзисторе VT4. Плавная регулировка амплитуды выходных импульсов в пределах 1,5…2,5 В осуществляется с помощью источника тока, собранного на транзисторе VT5, который изменяет положение рабочей точки VT2. Изменение длительности формируемых импульсов в широких пределах осуществляется путем изменения длины накопительной линии: tM = 2 l t3, где l— длина кабеля, t3 — погонная задержка кабеля.

Индуктивности LI — L6 и конденсаторы Cl — С7 включены для развязки по цепи питания При этом индуктивности выполнены на ферритовых сердечниках размером 7 х 4 х 2 и содержат 10 витков провода ПЭВ-0,2. Время нарастания формируемых импульсов составляет порядка 100 пс, а время спада около 150 нс. Частота импульсов генератора может изменяться в пределах 0,2…300 кГц.

На рис. 3 представлена схема импульсного генератора, работающего в автоколебательном режиме . Она обеспечивает формирование импульсов в диапазоне частот до 400 МГц. Задающая часть автогенератора выполнена на биполярных СВЧ-транзисторах VT1, VT2 разного типа проводимости, образующих схему мультивибратора с эмиттерной времязадающей цепью. Каскад на транзисторе VT3 осуществляет обострение фронта и среза задающих импульсов.

Оконечный каскад генератора выполнен на основе каскадной схемы. Такое включение реализует потенциальные возможности и биполярного тран-

Рис. 3. Принципиальная схема автоколебательного генератора

зистора, включенного по схеме с общей базой, и полевого. Кроме того, в этой схеме частично преодолевается такой недостаток GaAs ПТ, как их невысокое (< 8 В) допустимое напряжение сток-исток. Длительность и частота повторения импульсов этого генератора изменяются путем изменения напряжения питания U1, U2 автоколебательного мультивибратора, а амплитуда импульсов регулируется с помощью напряжения питания U4 оконечного каскада.

radiopolyus.ru

Мощный транзистор в лавинном режиме

Журнал «Электронные компоненты» №2 2002 г.
Александр Зайцев

Многие бытовые приборы, системы ограничения доступа, промышленное оборудование и другие устройства имеют в своем составе пульт дистанционного управления, что существенно дополняет сервисные функции выпускаемого изделия. Фирма Holtek разработала семейства микросхем дистанционного управления (ДУ), отличающиеся друг от друга по формату передаваемых данных, количеству бит адреса и данных в посылке, по условию начала генерации посылки; набору сервисных функций. Все выпускаемые микросхемы ДУ выполнены по КМОП технологии с минимальным потребляемым током. Они ориентированы для передачи кодовой посылки по инфракрасному или радиоканалу связи, с минимальным числом внешних компонентов схемы. Широкий диапазон напряжений питания и рабочей температуры позволяют применять микросхемы ДУ Holtek в большинстве приложений.
Микросхемы ДУ фирмы Holtek можно разделить на три основные группы:

  1. Семейства микросхем кодеров/декодеров.
  2. Микросхемы для пультов ДУ телеаппаратуры.
  3. Микросхемы бесконтактной идентификации.

В первую группу входят семейства микросхем кодеров/декодеров, основным свойством которых является устанавливаемое с помощью переключателей, внешней схемой или программно значение адреса и данных. Кодер формирует кодовую последовательность после появления активного уровня сигнала на выводе TE или сигнала низкого логического уровня на входах данных (DATA). Генерация кодовой посылки продолжается до тех пор, пока присутствует активный уровень сигнала. Посылка всегда генерируется полностью, даже если активный уровень сигнала был снят. В некоторых микросхемах кодеров предусмотрено управление количеством повторений кодовой последовательности после снятия активного уровня сигнала, что может быть необходимо для достоверного детектирования посылки. Кодовая последовательность может состоять из комбинации следующих полей: преамбула; синхронизирующие биты; адрес; данные; биты антикода.
Декодер обрабатывает кодовую последовательность, полученную из канала связи, последовательно обрабатывая несколько посылок. Если все посылки имели одинаковое значения полей, и адрес кодера совпал с адресом декодера, будет сформирован сигнал о принятой команде (вывод VT). В декодерах, имеющих выводы данных, информация из поля данных декодированной посылки, передается в соответствующие выходные защелки.
К наиболее простым семействам микросхем ДУ этой группы можно отнести кодеры/декодеры 212 (см. таблицу 1). В состав кодовой последовательности, генерируемой кодерами этого семейства, входит преамбула, синхронизирующий бит и 12-разрядное после адреса/данных (рис. 1). Каждый вывод адреса/данных кодера может быть подсоединен к Vss (логический нуль) или оставлен не подсоединенным (логическая единица). Для микросхемы HT12E кодовая последовательность формируется в виде логических уровней, а для HT12A в виде пачки импульсов с частотой 32 кГц (рис. 2).
>

Рис. 1. Кодовая последовательность семейства кодеров/декодеров 212

>

Рис. 2. Представление битов в кодовой последовательности микросхем HT12E и HT12A

www.eham.ru

ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ НА ЛАВИННОМ ТРАНЗИСТОРЕ С ПОВЫШЕННЫМИ КПД И ЧАСТОТОЙ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано там, где удаление излишнего тепла обходится особенно дорого, например в космосе, геофизических исследованиях, а также в импульсных схемах различного назначения.

Известен генератор импульсов тока на тиристоре, имеющем S-образную вольт-амперную характеристику (ВАХ), содержащий зарядный дроссель, развязывающий диод, накопительный конденсатор, разрядный дроссель с вентилем и селективную цепь, причем разрядный дроссель с вентилем и селективная цепь включены между катодом тиристора и отрицательной шиной источника питания (А.С. №354540, МПК H03K 3/335, опубл. 09.11.1972 г.).

Недостатком данного устройства является использование тиристора, который работает медленнее по сравнению с лавинным транзистором. Нестандартное использование тиристора в качестве емкости в высокочастотных процессах затрудняет расчет и реализацию схемы генератора. Наличие двух дополнительных дросселей и сверхвысокочастотных диодов в разрядной цепи, используемых для формирования короткого импульса, усложняет и удорожает схему.

Наиболее близким к предложенному является генератор наносекундных импульсов, основанный на базовой схеме, с использованием лавинного транзистора со стороны коллектора, имеющего S-образную вольт-амперную характеристику (В.П. Дьяконов. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии». — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012, с. 58). Схема этого генератора является основой для большинства устройств, выполненных на лавинных транзисторах. Она содержит цепь питания базы, служащую для создания условий лавинного пробоя, в которую входят резистор, ограничивающий ток базы от источника запирающего напряжения, разделительный конденсатор для передачи импульса запуска на базу и защитный диод, включенный встречно-параллельно с переходом эмиттер-база лавинного транзистора, зарядный резистор, через который осуществляется заряд накопительного конденсатора, и резистор нагрузки, включенный последовательно в цепь разряда накопительного конденсатора через лавинный транзистор.

Недостатком генератора на основе этой схемы является низкий кпд заряда накопительного конденсатора через зарядный резистор, асимптотически приближающийся к 50% при приближении напряжения заряда к напряжению источника питания (см., например, Я.Б. Зельдович, И.М. Яглом. Высшая математика для начинающих физиков и техников. М.: Наука, 1982, с. 380). Если для сокращения интервалов между импульсами напряжение питания поднимают выше требуемого напряжения заряда, то независимо от величины зарядного резистора кпд заряда приближается к нулю, так как падение напряжения на балластном резисторе и, следовательно, выделяемая на нем мощность соответственно возрастают. Этим фактором, в частности, объясняются низкие возможности повышения частоты следования импульсов для этой схемы заряда. Применение источников тока для повышения частоты импульсов значительно усложняет конструкцию, не решая проблемы потерь на тепловыделение и уменьшения нагрузки на лавинный транзистор при переключениях.

Предлагаемое изобретение направлено на создание энергосберегающей схемы генератора импульсов наносекундного диапазона с возможностью многократного повышения частоты импульсов, с пониженным напряжением питания, что особенно важно в длительно изолированных системах, использующих источники энергии низкого качества, например солнечные батареи или радиоактивность.

Поставленная задача решается генератором импульсов на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольт-амперной характеристики со стороны коллектора, содержащим накопительный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору лавинного транзистора, вторым выводом через нагрузку соединенный с эмиттером лавинного транзистора и общим проводом, диод, включенный встречно-параллельно переходу эмиттер-база лавинного транзистора, база которого соединена через ограничительный резистор с источником запирающего напряжения, который в отличие от прототипа содержит зарядный дроссель, один вывод которого подключен к источнику питания, а второй — к коллектору лавинного транзистора и к первому выводу накопительного конденсатора, другой вывод которого через нагрузку соединен с эмиттером лавинного транзистора и общим проводом.

Поставленная задача решается также генератором импульсов на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольт-амперной характеристики со стороны коллектора, содержащим накопительный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору лавинного транзистора, вторым выводом через нагрузку соединенный с эмиттером лавинного транзистора, база которого соединена с первым выводом ограничительного резистора, который в отличие от прототипа содержит зарядный дроссель, один вывод которого подключен к источнику питания, а второй — к коллектору лавинного транзистора и к первому выводу накопительного конденсатора, управляющий транзистор, к коллектору которого подсоединен второй вывод ограничительного резистора, причем база управляющего транзистора через стабилитрон соединена с эмиттером лавинного транзистора, а через шунтирующий резистор — со своим эмиттером и общим проводом.

Согласно изобретению в генераторе импульсов последовательно с зарядным дросселем может быть включен развязывающий диод.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена электрическая схема генератора импульсов на лавинном транзисторе с подключением к источнику запирающего напряжения, на фиг. 2 — схема генератора импульсов на лавинном транзисторе без подключения к источнику запирающего напряжения с использованием схемы управления лавинным транзистором, на фиг. 3 — график напряжения на коллекторе при заряде и разряде накопительного конденсатора, на фиг. 4 — график напряжения на коллекторе с развязывающим диодом в цепи заряда.

Генератор импульсов (фиг. 1) содержит лавинный транзистор 1, зарядный дроссель 2, соединяющий источник питания Ек с первым выводом накопительного конденсатора 3 и коллектором лавинного транзистора, ограничительный резистор 4, соединяющий базу транзистора 1 с источником запирающего напряжения Еб, диод 5, включенный встречно-параллельно переходу эмиттер-база лавинного транзистора, и резистор нагрузки 6, соединяющий второй вывод накопительного конденсатора 3 с общим проводом и эмиттером лавинного транзистора. Выходной импульс снимается с резистора нагрузки 6. Запускающий импульс подается на базу лавинного транзистора.

Для расширения интервала синхронизации генератора импульсов с внешними приборами или процессами в цепь заряда последовательно с дросселем может быть включен развязывающий диод 7.

Схема (фиг. 1) работает следующим образом.

При включении источника запирающего напряжения Еб и источника питания генератора Ек лавинный транзистор 1 заперт, и развивается колебательный процесс заряда конденсатора 3 через зарядный дроссель 2 и резистор нагрузки 6. Ток дросселя увеличивается от нуля до максимума, который наступает при достижении напряжения на накопительном конденсаторе величины источника питания Ек. После этого зарядный дроссель 2 расходует накопленную энергию на дальнейший заряд конденсатора.

Достигаемый уровень заряда накопительного конденсатора почти в два раза превышает напряжение питания Ек (см., например, Я.Б. Зельдович, И.М. Яглом. Высшая математика для начинающих физиков и техников. М.: Наука. 1982, с. 391) и, следовательно, Ек должно выбираться из расчета 2Eк≤Um, где Um — напряжение лавинного пробоя (подробное определение Um см. в издании В.П. Дьяконов. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии». — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012, с. 13).

На фиг. 3 показано, что по достижении максимального напряжения на накопительном конденсаторе 3 ток дросселя меняет направление, и начинается разряд, после чего в момент времени t1 происходит лавинный пробой, и накопительный конденсатор разряжается за короткий промежуток времени через лавинный транзистор 1 и резистор нагрузки 6. Запускающим импульсом, подаваемым на базу лавинного транзистора в момент времени t2, как показано на следующем цикле заряда-разряда, колебательный процесс может быть прерван в любой точке ниспадающего участка. Длина этого ниспадающего участка зависит от номиналов элементов схемы. Лавинный транзистор работает в ждущем режиме и открывается. После этого развивается лавинный процесс включения транзистора 1, и накопительный конденсатор 3 разряжается через лавинный транзистор 1 и резистор нагрузки 6. Таким образом, генератор импульсов может, как и прототип, работать как в режиме синхронизации, так и автогенерации.

Генератор импульсов (фиг. 2), содержит лавинный транзистор 1, зарядный дроссель 2, соединяющий источник питания Ек с первым выводом накопительного конденсатора 3 и коллектором лавинного транзистора, резистор нагрузки 6, соединяющий второй вывод накопительного конденсатора 3 с эмиттером лавинного транзистора, цепь автоматического смещения для создания запирающего напряжения, состоящую из перехода эмиттер-база управляющего транзистора 8, зашунтированного резистором 9, и стабилитрона 10. Эмиттер управляющего транзистора 8 соединен с общим проводом. Катодный вывод стабилитрона 10 соединен с эмиттером лавинного транзистора. Между коллектором управляющего транзистора 8 и базой лавинного транзистора 1 включен ограничительный резистор 4. Выходной импульс снимается с резистора нагрузки 6. Запускающий импульс подается на базу лавинного транзистора.

Генератор (фиг. 2) работает следующим образом.

Запирающее напряжение Еб в этом генераторе создает схема управления включением лавинного транзистора, содержащая резистор 9, транзистор 8 и стабилитрон 10.

При включении источника питания генератора Ек лавинный транзистор 1 заперт, и развивается колебательный процесс заряда конденсатора 3 через зарядный дроссель 2, резистор нагрузки 6, стабилитрон 10 и зашунтированный резистором 9 переход база-эмиттер управляющего транзистора 8. Ток зарядного дросселя 2 увеличивается от нуля до максимума, который наступает при достижении напряжения на накопительном конденсаторе 3 величины источника питания Ек. После этого дроссель расходует накопленную энергию на дальнейший заряд конденсатора 3. Как и в схеме фиг. 1, достигаемый уровень заряда накопительного конденсатора почти в два раза превышает напряжение питания Ек.

Ток заряда конденсатора 3 после включения генератора создает между эмиттерами транзисторов 1 и 8 разность потенциалов Еб, не превышающую предельного напряжения эмиттер-база транзистора 1, что обеспечивается соответствующим выбором стабилитрона 10. Величина шунтирующего резистора 9 выбирается так, чтобы ток заряда открывал управляющий транзистор 8 для запирания лавинного транзистора 1 на время заряда, а по окончании заряда, когда ток заряда стремится к нулю, транзистор 8 закрывался. Таким образом, транзистор 8 дополняет резистор 4, добавляя нелинейное сопротивление перехода коллектор-эмиттер, управляемого током заряда конденсатора 3. Во время заряда конденсатора управляющий транзистор 8 открыт и находится в режиме насыщения, обеспечивая такой же запирающий ток базы, что и в схеме фиг. 1 с подключением к источнику запирающего напряжения (имеем в виду, что напряжение насыщения Uкэ близко к нулю). Такой режим определяет минимальный ток коллектора лавинного транзистора во время заряда. Наоборот, в конце процесса заряда конденсатора 3 управляющий транзистор 8 выходит из насыщения и закрывается, что фактически означает обрыв базы лавинного транзистора и ускорение лавинного пробоя. Как и предыдущая, эта схема генератора может быть синхронизирована внешним импульсом положительной полярности, что иллюстрирует фиг. 3 (момент t2).

Для расширения временного интервала синхронизации лавинного пробоя с внешними приборами или процессами последовательно с зарядным дросселем 2 может быть включен развязывающий диод 7 (фиг. 1, фиг. 2).

На фиг. 4 показано, как введение развязывающего диода 7 прерывает колебательный процесс заряда конденсатора 3 после отдачи дросселем всей энергии. Ниспадающий участок приобретает вид прямой с очень малым наклоном, поскольку разряд конденсатора определяется очень малыми обратными токами развязывающего диода и коллектора запертого лавинного транзистора. Это позволяет при необходимости задержать момент лавинного пробоя, однако задержка не может превышать времени разряда конденсатора 3 обратными токами коллектора транзистора 1 и развязывающего диода 7 до напряжения Uβ (В.П. Дьяконов. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии». — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012, с. 21), ниже которого лавинный пробой не возникает. На фиг. 4 показан первый цикл заряда-разряда накопительного конденсатора, где в момент времени t1 происходит самовключение, а в случае подачи в момент времени t2 запускающего импульса до самовключения — управляемое включение лавинного транзистора 1 и разряд накопительного конденсатора 3, после чего начинается новый цикл заряда-разряда. Так же как в отсутствие развязывающего диода 7, длина ниспадающего участка зависит от номиналов элементов, но существенно расширяет интервал синхронизации без больших потерь энергии накопительного конденсатора.

Поставленная задача достигается в изобретении благодаря следующему.

При отсутствии специального зарядного резистора, используемого в прототипе, потери энергии при заряде определяются суммарным сопротивлением обмотки зарядного дросселя 2 и ограничительного резистора 4, что, как известно, во много раз меньше обычных величин зарядных резисторов (десятки тысяч Ом). Понижение напряжения питания генератора при этом может быть доведено до двукратного при тех же параметрах выходного импульса. Схема позволяет также увеличивать частоту повторения импульсов за счет уменьшения индуктивности зарядного дросселя. Это возможно благодаря тому, что к моменту начала лавинного пробоя зарядный дроссель 2 теряет кинетическую энергию своего магнитного поля, и ток через него близок к нулю. Разряд накопительного конденсатора 3 происходит настолько быстро, что ток дросселя не успевает измениться, и новый цикл заряда-разряда повторяет предыдущий. Таким образом, выключение и включение лавинного транзистора 1 происходит при близком к нулю токе заряда, то есть в условиях, обеспечивающих безопасное переключение лавинного транзистора. Этот фактор повышает время работы лавинного транзистора до выхода из строя.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить экономичность и надежность работы генератора.




edrid.ru

мир электроники — Лавинный режим транзисторов

раздел Электронные компоненты
материалы в категории

Применение лавинных транзисторов или простых транзисторов работающих в лавинном режиме позволяет упростить некоторые схемы, получить большие выходные напряжения, высокое быстродействие, не достигаемые при работе транзисторов в обычных режимах. Есть. однако, целый ряд причин, затрудняющих широкое использование лавинного режима работы транзисторов.

В первую очередь следует упомянуть значительный разброс лавинных параметров транзисторов и, как следствие, недостаточно высокую воспроизводимость характеристик устройств на транзисторах, работающих в подобном режиме. Кроме того, всегда есть большая опасность пробоя транзистора в процессе налаживания устройств.

Однако несмотря на формальные причины (отсутствие в технических условиях указания о возможности работы в режиме лавинного пробоя), применение обычных транзисторов в режиме лавинного пробоя вполне оправдано в радиоэлектронных устройствах, изготовляемых в единичных экземплярах, при проведении экспериментов, в радиолюбительских конструкциях и т. п.

Хорошие результаты можно получить при использовании в лавинном режиме мощного кремниевого транзистора П701А. На рис. 1 приведена схема генератора пилообразного напряжения, работающего в автоколебательном режиме.

Генератор вырабатывает пилообразные импульсы с частотой 20…250 Гц, 200…2500 Гц и 2000…25 000 Гц (положение 1, 2, 3 переключателя S1) и амплитудой — 120 В. На частотах выше 20 кГц амплитуда напряжения снижается до 100 В. Линейность пилообразного напряжения достаточно высока, ее ухудшение происходит лишь на самых низких частотах первого поддиапазона. Генератор легко синхронизируется внешним сигналом с частотой до сотен килогерц и напряжением от единиц вольт. Входное сопротивление для сигнала синхронизации — около 90 кОм. При напряжении питания 600 В генератор потребляет от 0,5 до 3 мА (большее значение соответствует большей частоте каждого поддиапазона).

При подключении генератора к источнику питания напряжение на коллекторе транзистора и конденсаторе С2. равное в начальный момент нулю (транзистор заперт), начинает экспоненциально возрастать со скоростью, определяемой постоянной времени цепи R5R6C2. При достижении на коллекторе транзистора некоторого напряжения он отпирается, конденсатор С2 разряжается через него. напряжение на конденсаторе резко падает до нуля, после чего процесс повторяется. Подавая в цепь базы переменное напряжение, можно управлять моментом открывания транзистора, чем и обеспечивать его синхронизацию.

Налаживание генератора сводится к подбору такого положения движка подстроечного потенциометра R4, при котором устойчивые колебания будут поддерживаться при любых положениях резистора R6 и переключателя SI. Если это не получается, то следует увеличить напряжение питания и. может быть, заменить транзистор.

При длительной работе генератора на высокочастотных участках поддиапазонов (резистор R6 в положении минимального сопротивления) возможен незначительный нагрев транзистора, чтобы избежать этого, транзистор целесообразно укрепить на радиаторе.

Генератор может работать без каких-либо изменений в схеме при напряжении питания от 300 до 800…1000 В. Амплитуда пилообразного напряжения генератора при этом изменяется незначительно, в то время как диапазон частот. перекрываемых генератором, с понижением питающего напряжения смешается в сторону низких (до 5…10 Гц), а при повышении — в область более высоких частот (до 30 кГц). Приведенные выше параметры генератора получены при питающем напряжении 600 В.

Имея такой генератор пилообразного напряжения, нетрудно собрать простейший осциллограф, например с трубкой 6Л01И. Схема такого «осциллографа-приставки» приведена на рис. 2. С его помощью можно наблюдать форму сигналов с амплитудой от 5 В в различных цепях телевизора. Напряжение питания на осциллограф подают от цепи вольтодобавки телевизора (500- 800 В).

Диапазон развертки используется только один — 2000…20 000 Гц. В этом случае напряжение смещения, достаточное для нормальной работы генератора, создается из-за протекания тока через резистор R2.

Пилообразное напряжение с коллектора транзистора через разделительный конденсатор СЗ поступает на горизонтальные отклоняющие пластины трубки. На вертикальные пластины исследуемое напряжение поступает через разделительный конденсатор С5 и потенциометр R6, регулирующий размер вертикального изображения. Это же напряжение поступает через разделительный конденсатор С1 и резистор R1 на потенциометр R2, служащий регулятором синхронизации. Потенциометры R9 и R8 служат для регулировки соответственно яркости и фокусировки. Резистор RIO и конденсатор С4 образуют фильтр, препятствующий проникновению в цепь питания помех строчной частоты. Конденсаторы, применяемые в осциллографе, должны быть рассчитаны на рабочее напряжение не менее 750 В. Потенциометр R4 — на мощность 2 Вт.

Для центровки луча трубки используется намагниченный отрезок железной проволоки, или винт диаметром 3…5 мм, или кусок ферритового корректирующего сердечника от отклоняющих систем телевизоров.

Магнит размещается непосредственно на колбе трубки и закрепляется в подобранном положении липкой лентой. Подключать осциллограф-приставку к телевизору удобно с помощью проводников с зажимами типа «крокодил». Исследуемый сигнал необходимо подавать на вход, используя экранированный кабель. Несмотря на то что в конструкции нет усилителя сигнала, возможно нежелательное воздействие на трубку помех от блока развертки телевизора. По этой причине при работе осциллограф необходимо располагать на достаточном расстоянии от блока развертки телевизора. При желании для осциллографа можно изготовить металлический экранирующий кожух.

Налаживание осциллографа производят в следующем порядке. Движок потенциометра R6 переводят в верхнее по схеме положение, а вывод 7 отклоняющей пластины трубки соединяют с выводом 9 (не отпаивая от С5 и R6}. Резистор R3 отсоединяют 6т плюсового провода. Подав на осциллограф напряжение питания, проверяют действие регуляторов R9 (яркость) и R8 (фокус) и. получив на экране светящееся пятно. перемешают его с помощью магнитного сердечника в центральную часть экрана. Далее отсоединяют вывод 7 от вывода 9 и восстанавливают соединение резистора R3 с плюсовым проводом. После этого на осциллограф вновь подают напряжение питания. На экране трубки при соответствующем положении регулятора яркости появится горизонтальная линия, длина которой при любом положении регулятора частоты R4 должна быть примерно одинаковой. Если развертки нет (вместо линии на экране точка), следует подать смещающее напряжение на базу транзистора от делителя, как на рис. 1, или заменить транзистор.

В осциллографе вместо трубки 6Л01И можно использовать практически любую осциллографическую трубку с напряжением на втором аноде до 1000 В.

При необходимости от генератора на лавинном транзисторе можно получить парафазное напряжение. На рис. 3 приведена схема такого генератора. В принципе, она не отличается от приведенных на рис. 1 и 2. Парафазное пилообразное напряжение получается за счет разделения сопротивления зарядной цепи (резисторы /?4и R5). Параметры генераторов, собранных по схемам рис. 1 и 3, одинаковы.

Хорошие результаты получаются, если транзистор П701А, работающий в режиме лавинного пробоя, использовать для усиления. На рис. 4 приведена схема усилителя, в котором для увеличения входного сопротивления применен транзистор П417. Полоса усиливаемых частот на уровне 0,7 составляет 50…20 000 Гц. Коэффициент усиления по напряжению, измеренный на частоте 4 кГц, составляет около 120. Входное сопротивление — более 100 кОм. Наибольшее выходное напряжение достигает 70 В (эфф.). Амплитудная характеристика усилителя линейна при изменении напряжения сигнала на входе от 0 до 0,6 В. При напряжении питания 600 В усилитель потребляет ток около 2 мА. Его очень удобно использовать совместно с описанными выше генераторами развертки в осциллографе.

Транзисторы в режиме лавинного пробоя работают лучше всего в схемах релаксационных генераторов. Однако при определенных условиях генератор на лавинном транзисторе может вырабатывать синусоидальные колебания. Генератор по схеме рис. 5 генерирует напряжение синусоидальной формы с частотой около 4 кГц и амплитудой более 110 В. При напряжении питания 600 В потребление тока составляет около 2 мА.

В качестве катушки индуктивности используется регулятор размера строк РЛС-70. Как форма, так и величина выходного напряжения генератора в сильной степени зависят от емкости конденсатора С1. Для изменения частоты колебаний необходимо подбирать сначала емкость конденсатора С2, а затем С1.

radio-uchebnik.ru

Владимир Андрианов, Андрей Соколов — Шпионские штучки 2 или как сберечь свои секреты

Рис. 3.24.Индикатор на неоновой лампе

Индикаторы на лавинных транзисторах

Долгое время считалось, что заменить неоновую лампу на другой элемент индикации невозможно. Действительно, емкостной ток, протекающий от источника переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 100…400 В через цепь индикации и тело человека на «землю» при эквивалентной емкости тела человека около 300 пФ, составляет 10…740 мкА, что на два порядка ниже величины тока, необходимого для свечения светодиодов. Тем не менее, используя специальные схемные решения, для индикации фазы можно использовать светодиоды, пьезокерамические излучатели и другие индикаторы. Оцепим величину мощности, потребляемую неоновой лампой при ее непрерывном свечении. При напряжении на лампе 100 В и разрядном токе 10…40 мкА подводимая мощность составляет 1…4 мВт. Значение подводимой мощности оказывается достаточным, чтобы обеспечить свечение светодиодных индикаторов, однако, поскольку напрямую обеспечить необходимую величину тока невозможно, требуется использование своеобразных трансформаторов, позволяющих получить не непрерывное свечение индикатора, а импульсное, с сохранением значения подводимой мощности. Таким требованиям отвечают релаксационные генераторы импульсов, работающие по принципу накопления и кратковременного сброса энергии — периодический заряд конденсатора от слаботочного источника тока до напряжения пробоя порогового элемента и последующий разряд на низкоомную нагрузку (светодиод). Разрядный ток при этом достаточен для того, чтобы вызвать яркую вспышку светодиода. Таким образом, подобное устройство должно содержать накопительный конденсатор, имеющий малый ток утечки и рабочее напряжение, превышающее напряжение пробоя порогового элемента; пороговый элемент, отвечающий следующим требованиям: малые токи утечки при напряжении ниже пробивного и малое сопротивление при пробое. Таким требованиям отвечают лавинные транзисторы и их аналоги. На рис. 3.25 приведены схемы индикаторов фазы, выполненные на основе релаксационных генераторов на лавинных транзисторах типа К101КТ1 структуры n-р-n (либо К162КТ1 структуры р-n-р). Транзисторы должны быть включены инверсно.

Индикатор (рис. 3.25) содержит ограничитель тока, выпрямитель, выполненный по мостовой схеме, и собственно релаксационный генератор импульсов.

Рис. 3.25.Индикаторы на лавинных транзисторах

Частота вспышек светодиода при напряжении сети 220 В близка к 3 Гц. При увеличении емкости бумажного или электролитического конденсатора (с малой утечкой) яркость вспышек повышается со снижением частоты вспышек. Минимальное напряжение, которое позволяет обнаружить подобный индикатор, составляет 45 В. Частота вспышек снижается при этом до 0,3 Гц. Для сравнения: индикаторы на неоновых лампах позволяют индицировать напряжений не ниже 65…90 В. Индикаторы используют альтернативные схемы выпрямителей с сохранением прочих свойств. В схемах продемонстрирована возможность подключения сенсорных площадок к другим элементам схемы.

Устройство может быть выполнено и на основе составного лавинного тиристора (рис. 3.26).

Рис. 3.26.Индикатор на составном лавинном тиристоре

В схеме (рис. 3.27) генератор импульсов собран на аналоге лавинного транзистора с напряжением переключения (пробоя) 12 В. Для транзисторов микросборки К101КТ1 при инверсном включении это напряжение близко к 8 В.

Рис. 3.27.Индикатор на аналоге лавинного транзистора

Индикатор (рис. 3.28) собран по мостовой RC-схеме с включением в диагональ моста порогового элемента — лавинного транзистора.

Рис. 3.28.Индикатор на основе мостовой RC-схемы

Схема индикатора (рис. 3.29) также выполнена с RC-мостом, однако в ней использованы два транзистора n-р-n и р-n-р структуры: при зарядке конденсаторов С2 и СЗ до определенного значения происходит мгновенное переключение транзисторов из состояния «выключено» в состояние «включено». При этом конденсатор С1 разряжается через светодиод VD5 и процесс повторяется.

Рис. 3.29.Индикатор на двух транзисторах.

Индикаторы фазы на КМОП-микросхемах

Для построения индикаторов фазы без использования внешних источников питания могут быть использованы и другие виды генераторов. Например, на рис. 3.30 показана схема индикатора фазы с использованием генераторов импульсов на КМОП-микросхемах. Генератор вырабатывает пилообразные импульсы, в связи с чем яркость свечения светодиода плавно нарастает и понижается.

Рис. 3.30.Индикатор на микросхеме К176КТ1

Работает генератор следующим образом. Конденсатор С2 заряжается через резистор R2 до напряжения включения коммутаторов тока (элементы DA1.1 и DA1.2). При срабатывании коммутаторов ключевой элемент DA1.1 разряжает через cвtтодиод накопительный конденсатор C1, a DA1.2 разряжает конденсатор С2, после чего процесс повторяется.

Устройство, приведенное на рис. 3.31, выполнено на основе двух генераторов импульсов, первый из которых определяет длительность и частоту следования световых вспышек и звуковых посылок, второй — частоту звука. Поскольку в процессе зарядки конденсатора С2 устройство потребляет ток на несколько порядков меньший, чем в режиме индикации, оно фактически работаем по описанному ранее принципу «включено/выключено». В схемах для защиты микросхем от возможных перегрузок по напряжению использованы стабилитроны.

Рис. 3.31.Индикатор на микросхеме К561ЛЕ5

В устройствах могут быть использованы светодиоды АЛ307, АЛЗЗ6 и другие индикаторы, которые желательно отобрать gо максимальному свечению при минимальном токе. Поскольку падение напряжения на элементах схем (исключая резистор R1) определяется напряжением пробоя порогового элемента (более 8 В), в схемах могут быть использованы низковольтные радиоэлементы (кремниевые диоды и транзисторы с малыми обратными токами n-р переходов), конденсаторы с малыми токами утечки.

Индикаторы позволяют проверять наличие напряжения на токонесущих элементах, превышающее 45…50 В (при частоте 50 Гц), в том числе индицировать различные наводки; позволяют оценивать качество заземления и возможность его использования; проверять наличие напряжения на трубах отопления и т. д. Устройства можно использовать и в цепях с повышенной частотой, например для индикации напряжения частотой 400 Гц, хотя следует учитывать, что емкостной ток через тело человека возрастает при этом пропорционально частоте тока. При необходимости чувствительность индикаторов легко «загрубить» включением высокоомных делителей напряжения, неинверсным включением лавинных транзисторов, подключением стабилитронов и их цепочек и другими методами.

3.3.3. Индикаторы сетевого напряжения

Один из самых привлекательных индикаторов сетевого напряжения — светоизлучающий диод. Во-первых, он малогабаритен. Во-вторых, потребляет небольшую мощность при достаточно ярком свечении.

Однако при использовании светодиода в качестве индикатора сетевого напряжения следует помнить, что работать он будет не с постоянным, а с переменным током при амплитудном значении напряжения около 310 В. Поэтому, в первую очередь, нужно ограничить ток через светодиод до максимально допустимого и, кроме того, защитить его от обратного напряжения. Есть различные варианты подключения светодиода к сетевой проводке конструкции. Один из них показан на рис. 3.32.

profilib.org