ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2002 года по МПК H03K3/30 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для генерирования импульсов.

Известен блокинг-генератор [1], содержащий первую катушку индуктивности и индуктивно связанную с ней вторую катушку индуктивности, а также транзистор, эмиттер которого соединен с общей шиной, коллектор транзистора соединен с первым выводом первой катушки индуктивности, второй вывод которой соединен с общей шиной, а база транзистора - с вторым выводом второй катушки индуктивности, что совпадает с существенными признаками предлагаемого устройства.

Кроме того, первый вывод второй катушки индуктивности соединен с первыми выводами конденсатора и резистора, вторые выводы которых соединены, соответственно, с общей шиной и шиной питания, причем катушки индуктивности намотаны на общем сердечнике.

Работа аналога [1] основана на том, что транзистор, в исходном состоянии закрыт отрицательным потенциалом конденсатора времязадающей цепочки в базовой цепи. По мере перезаряда конденсатора через резистор, подключенный к шине питания, напряжение на базе транзистора достигает уровня его отпирания. Коллекторный ток увеличивается, что приводит к лавинообразному увеличению базового тока, с учетом индуктивной положительной обратной связи коллектор-база. При этом в коллекторе формируется выходной импульс, а конденсатор базовой цепи перезаряжается до исходного отрицательного значения, переводя транзистор в закрытое состояние. Затем процесс повторяется.

Недостаток известного аналога состоит в малом значении амплитуды формируемых импульсов и невысоком КПД генератора.

Наиболее близким к предлагаемому является представленный на схеме фиг.1 блокинг-генератор [2] , принятый в качестве прототипа и содержащий первую катушку 5 индуктивности и индуктивно связанную с ней вторую катушку 7 индуктивности, а также транзистор 1, эмиттер которого соединенс общей шиной 2, коллектор транзистора 1 соединен с первым выводом первой катушки 5 индуктивности (первичная обмотка), а база транзистора 1 - с вторым выводом второй катушки 7 индуктивности (вторичная обмотка), причем между первым выводом второй катушки 7 индуктивности и общей шиной 2 включен первый диод 3, что совпадает с существенными признаками предлагаемого устройства.

Кроме того, шина питания подключена к второму выводу первой катушки 5 индуктивности через первый резистор и к первому выводу второй катушки 7 через второй резистор, причем вывод диода 3, имеющий тип проводимости, совпадающий с типом проводимости эмиттера транзистора 1, соединен с общей шиной 2.

Работа генератора-прототипа основана на том, что при подаче питания диод 3 открывается током, протекающим через соответствующий резистор, и, шунтируя база-эмиттерный переход транзистора 1, обеспечивает его закрытое состояние. Увеличение напряжения, прикладываемое к обмотке 5, вызывает увеличение напряжения на обмотке, которое является запирающим для диода 3. С момента запирания диода 3 начинается лавинообразный процесс отпирания транзистора 1. По мере роста коллекторного тока транзистор 1 выходит из насыщения. Напряжение на первичной обмотке 5 начинает уменьшаться. В результате на вторичной обмотке 7 наводится напряжение, отпирающее диод 3, и происходит лавинообразный процесс запирания транзистора 1. Диод 3 и транзистор 1 оказываются в исходном состоянии, после чего начинается процесс формирования следующего импульса.

Недостаток прототипа [2] , как и аналога [1], состоит в малом значении амплитуды формируемых импульсов, невысоком КПД генератора и, как следствие, в недостаточной функциональной гибкости и ограничении сферы его применения. Кроме того, при получении высоких выходных напряжений требуются повышенные значения питающего напряжения, что неприемлемо для схем массового применения. Это дополнительно сужает сферу использования устройства, повышает его стоимость. Анализ недостатков прототипа показывает, что они являются следствием традиционного при конструировании блокинг-генераторов требования: основным режимом работы транзистора является закрытое, обесточенное состояние, а импульс формируется на коротком интервале отпирания транзистора. Действительно, кратковременность процесса протекания тока через индуктивную систему релаксационной схемы не позволяет накопить достаточную энергию для формирования мощного выходного импульса. Кроме того, формирование импульса при открытом транзисторе предполагает протекание через него максимального импульса тока, что снижает экономичность устройства и его надежность.

Таким образом, требуемый технический результат состоит в повышении амплитуды формируемых импульсов, экономичности (КПД), надежности работы генератора и, как следствие, в увеличении функциональной гибкости и расширении сферы его применения при одновременном снижении питающих напряжений и соответствующем снижении его стоимости.

На чертежах фиг.1-6 использованы следующие условные обозначения составных элементов: 1 - транзистор, 2 - общая шина, 3 - первый диод, 4 - клемма питания, 5 - первая катушка индуктивности, 6 - сердечник, 7 - вторая катушка индуктивности, 8 - второй диод, 9 - резистор, 10 - первый конденсатор, 11 - второй конденсатор, 12 - третий диод, 13 - третий варикап.

На схеме фиг.1 представлена схема известного устройства-прототипа.

На схеме фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства, основной вариант по п.1 формулы.

На схеме фиг.3 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п.2 формулы,
На схеме фиг.4 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п.3 формулы, с шунтированием первого диода первым конденсатором.

На схеме фиг.5 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 6 формулы, где показано введение диодно-емкостной цепочки для форсированного режима работы генератора.

На схеме фиг.6 представлена схема предлагаемого устройства, вариант по п. 7 формулы, где показано выполнение функции второго конденсатора в виде третьего варикапа, включенного в режиме обратного смещения. (Первый и второй варикапы упоминались в формуле при замене ими соответствующих диодов 3 или 8).

Недостатки прототипа устраняются в предлагаемом устройстве, которое представлено на схеме фиг.2 и содержит:
первую катушку 5 индуктивности и индуктивно связанную с ней вторую катушку 7 индуктивности, а также транзистор 1, эмиттер которого соединен с общей шиной 2, коллектор транзистора соединен с первым выводом первой катушки 5 индуктивности, а база транзистора 1 - с вторым выводом второй катушки 7 индуктивности, причем между первым выводом второй катушки 7 индуктивности и общей шиной 2 включен первый диод 3, что совпадает с существенными признаками прототипа.

При этом введен второй диод 8, причем выводы первого 3 и второго 8 диодов, имеющие тип проводимости, совпадающий с типом проводимости эмиттера транзистора 1, соединены с первым выводом второй катушки 7 индуктивности, при этом второй вывод второго 8 диода соединен с вторым выводом первой катушки индуктивности и клеммой питания 4.

Кроме того, введен резистор 9, включенный между вторым выводом первой катушки и клеммой питания 4.

Кроме того, введен первый конденсатор 10, включенный параллельно первому диоду 3.

Кроме того, первый диод 3 выполнен в виде первого варикапа.

Кроме того, второй диод 8 выполнен в виде второго варикапа.

Кроме того, между вторым выводом первой катушки 5 индуктивности и клеммой питания 4 включен третий диод 12 в режиме прямого смещения, а между вторым выводом первой катушки 5 индуктивности и общей шиной 2 включен второй конденсатор 11.

Кроме того, второй конденсатор 11 заменен третьим варикапом 13 в режиме обратного смещения.

Кроме того, первая 5 и вторая 7 катушки индуктивности размещены на общем ферромагнитном сердечнике.

Пояснение работы предлагаемого генератора предварим следующим замечанием. Устройство формирования импульсов магнитного поля напряженностью до нескольких килоэрстед, либо импульсов напряжения до нескольких киловольт, либо импульсов тока величиной десятки ампер с питанием от маломощных и низковольтных источников постоянного напряжения (типа карманной батарейки) имеет достаточно широкий диапазон действия и возможных применений. Оно является, по существу, эффективным концентратором магнитной энергии, с возможностью ее удобного преобразования в энергию электрического разряда, работоспособно в любых применениях, где имеется потребность в устройствах, способных концентрировать значительное количество энергии на сравнительно коротких временных интервалах. Вот лишь некоторые области его применения:
- исследование магнитных и электрических свойств вещества,
- промышленная электроника (электроэрозионные технологии),
- охранное оборудование.

В дальнейшем рассмотрим работу устройства применительно к задачам формирования мощных импульсов напряжения.

При анализе работы предлагаемого устройства (фиг.2), исходим из того, что во время паузы между формируемыми импульсами транзистор 1 открыт и через него в первую катушку 5 индуктивности поступает постепенно нарастающий ток коллектора насыщенного транзистора 1. Рост тока, текущего в первой катушке 5, вызывает формирование во второй катушке 7 тока, поступающего в базовую цепь и приводящего к дальнейшему насыщению транзистора 1 по базе. Это обеспечено встречным включением обмоток катушек 5 и 7 для замыкания цепи положительной обратной связи. По мере роста тока в индуктивности 5 скорость его увеличения снижается, процесс, естественно, стремится к насыщению. Соответственно, снижается и даже изменяет свое направление базовый ток транзистора 1. Этим начинается процесс рассасывания заряда, накопленного в транзисторе 1. Затем транзистор 1 в результате лавинообразного процесса, обеспеченного положительной обратной связью, запирается. Ток через транзистор 1 прекращает поступать в катушку 5, которая оказалась изолированной от внешних цепей. Значительная энергия магнитного поля, накопленная за все время протекания по ней нарастающего тока на интервале паузы, выплескивается в виде мощного импульса, формируемого на выходе генератора.

Выброс тока в катушке 5 передается по цепи положительной обратной связи в базовую цепь транзистора 1, который при этом отпирается и возобновляет процесс нарастания тока в катушке 5. Таким образом процесс циклически повторяется. При этом роль первого диода 3, с учетом включения его в режиме обратной полярности, состоит в ускорении процесса отпирания транзистора 1, поскольку он обеспечивает быстрый рост тока второй катушки 7, направленного в базу транзистора. Кроме того, роль первого 3 и второго 8 диодов состоит в обеспечении резкого перехода транзистора 1 в закрытое состояние, предотвращая рассеивание накопленной энергии магнитного поля через цепи, связанные со второй катушкой 7. Все это уменьшает длительность формируемого импульса, снижает нежелательное рассеивание энергии и, соответственно, повышает мощность формируемого импульса.

При этом резистор 9, включенный между вторым выводом первой катушки и клеммой питания, ограничивает в необходимых пределах ток, потребляемый транзистором 1. Это позволяет расширить применяемую элементную базу, снизить стоимость и обеспечить требуемую надежность устройства.

Шунтирование первого диода 3 конденсатором 10 обеспечивает эффективную и быструю передачу энергии из первой катушки 5 во вторую катушку 7 за счет согласования частотных характеристик цепей, связанных с указанными катушками. Это необходимо для ускорения процессов отпирания - запирания транзистора 1, что позволяет уменьшить длительность выходного импульса и, соответственно, повысить его мощность.

Выполнение первого 3 и второго 8 диодов в виде варикапов позволяет при формировании выходного импульса полнее использовать энергию магнитного поля, накопленную индуктивной системой. Дело в том, что импульс тока, вытекающего из базы при запирании транзистора 1 приводит к накоплению положительного заряда на диодах 3 и 8, подключенных к первому выводу второй катушки 7. После прохождения импульса тока этот положительный потенциал может привести в преждевременному отпиранию транзистора, что ограничило бы мощность формируемого выходного импульса. Как известно, варикапы под действием высокого потенциала обратной полярности уменьшают свою емкость, этим снижается накопленный ими заряд. Затем после окончания действующего на них высоковольтного импульса емкость варикапов возрастает, и соответственно, снижается "запомненная" на них разность потенциалов. Кроме того, само уменьшение емкости варикапа под действием приложенного к нему импульса обратной полярности уменьшает подгрузку этого импульса смежными цепями. Это дополнительно повышает мощность выходного импульса, снижает потери энергии, повышает экономичность генератора.

Введение диодно-емкостной цепочки (фиг.5) создает возможность повышения "эффективного" напряжения питания за счет заряда, накопленного вторым конденсатором 11 при прохождении части энергии выходного импульса на клемму питания 4.

Выполнение второго конденсатора 11 в виде варикапа позволяет снизить шунтирующее влияние этой цепочки на выходной импульс. Это обеспечивается за счет уменьшения емкости варикапа под действием поступающего на него импульса большого напряжения, поскольку импеданс данного элемента возрастает и утечка энергии выходного импульса через данный элемент уменьшается. При этом, конечно, амплитуда выходного импульса и экономичность генератора возрастают.

Кроме того, то что первая и вторая катушки индуктивности размещены на общем ферромагнитном сердечнике, позволяет повысить концентрацию магнитной энергии и дополнительно повысить достигаемый технический результат.

Итак, предложен генератор импульсов, содержащий первую катушку индуктивности и индуктивно связанную с ней вторую катушку индуктивности, а также транзистор, эмиттер которого соединен с общей шиной, коллектор транзистора соединен с первым выводом первой катушки индуктивности, а база транзистора - с вторым выводом второй катушки индуктивности, причем между первым выводом второй катушки индуктивности и общей шиной включен первый диод, отличающийся тем, что введен второй диод, причем выводы первого и второго диодов, имеющие тип проводимости, совпадающий с типом проводимости эмиттера транзистора, соединены с первым выводом второй катушки индуктивности, при этом второй вывод второго диода соединен с вторым выводом первой катушки индуктивности и с клеммой питания.

Кроме того, введен резистор, включенный между вторым выводом первой катушки индуктивности и клеммой питания.

Кроме того, введен первый конденсатор, включенный параллельно первому диоду.

Кроме того, первый диод выполнен в виде первого варикапа.

Кроме того, второй диод выполнен в виде второго варикапа.

Кроме того, между вторым выводом первой катушки индуктивности и клеммой питания включен третий диод в режиме прямого смещения, а между вторым выводом первой катушки индуктивности и общей шиной включен второй конденсатор.

Кроме того, второй конденсатор заменен третьим варикапом в режиме обратного смещения.

Кроме того, первая и вторая катушки индуктивности размещены на общем ферромагнитном сердечнике.

Далее покажем, что именно благодаря существенным отличиям предлагаемого генератора обеспечивается требуемый технический результат.

То, что первый диод 3 включен встречной полярностью по отношению к полярности перехода эмиттер-база транзистора 1, облегчает процесс отпирания транзистора базовым током, смещает динамику происходящих процессов в область преимущественно открытого состояния транзистора. При этом повышенная длительность процесса накопления энергии магнитного поля индуктивной системой позволяет на 1-2 порядка повысить амплитуду выходного импульса. Вместе с тем, на этапе последующей перезарядки энергии, накопленной индуктивной системой в базовой цепи, предложенная ориентация диодов 3 и 8 позволяет эффективно отсечь индуктивную систему от смежных с ней цепей, что также позволяет повысить экономичность генератора и увеличить мощность формируемого выходного импульса. По этой же причине из коллекторной цепи транзистора убран резистор, ограничивающий ток в генераторе-прототипе.

Шунтирование первой емкостью 10 первого диода 3 также обеспечивает вышеуказанный технический результат, согласуя частотные (временные и динамические) характеристики звеньев, участвующих в передаче энергии в схеме с положительной обратной связью.

Использование варикапов вместо диодов 3 и 8 позволяет также повысить амплитуду выходного импульса по выше изложенным причинам.

Аналогичный технический результат обеспечивается за счет выполнения конденсатора 11 в виде варикапа 13, поскольку это позволяет повысить амплитуду выходного импульса при одновременном снижении питающего напряжения.

Введение диодно-емкостной цепочки 12-11 в цепь питания генератора позволяет также повысить амплитуду выходного сигнала при одновременном снижении питающего напряжения. Этим повышается также компактность схемы, ее надежность, снижается стоимость.

Кроме того, то, что первая и вторая катушки индуктивности размещены на общем ферромагнитном сердечнике, как уже отмечалось ранее, позволяет существенно повысить концентрацию магнитной энергии в индуктивной системе и, соответственно, существенно повысить достигаемый технический результат в предлагаемом изобретении.

Указанные признаки позволяют повысить функциональную гибкость устройства и расширить диапазон его применения, а также открывают возможность создания мобильных, дешевых, высокоэффективных исследовательских лабораторий и установок промышленной электроники.

Таким образом, показано, что требуемый технический результат действительно достигается за счет существенных отличий предлагаемого устройства.

Проведенные эксперименты показали реализуемость предлагаемого устройства.

Источники информации
1. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. - М.: Мир, 1983, с. 295.

2. А. с. СССР 1285568 от 01.10.84/ Блокинг- генератор, Int.Cl.4 H 03 K 3/30 (прототип).

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для генерирования импульсов. Генератор импульсов содержит первую катушку индуктивности (КИ) (5) и индуктивно связанную с ней вторую КИ (7), а также транзистор (Т) (1). Эмиттер Т (1) соединен с общей шиной, коллектор Т (1) соединен с первым выводом КИ(5), а база - с вторым выводом КИ (7). Между первым выводом КИ (7) и общей шиной включен первый диод (Д) (3), а также второй Д (8). Выводы Д (3) и Д (8), имеющие тип проводимости, совпадающий с типом проводимости эмиттера Т (1), соединены с первым выводом КИ (7). Второй вывод Д (8) соединен с клеммой питания. Кроме того, во втором варианте устройства введен резистор, включенный между вторым выводом КИ (5) и клеммой питания. Развитие первого варианта устройства осуществляется введением первого конденсатора, включенного параллельно Д (3), а также Д (3) либо Д (7) выполнен в виде варикапа. Технический результат состоит в повышении амплитуды формируемых импульсов, экономичности (КПД), надежности работы генератора и, как следствие, в увеличении функциональной гибкости и расширении сферы его применения при одновременном снижении питающих напряжений. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Генератор импульсов, содержащий первую катушку индуктивности и индуктивно связанную с ней вторую катушку индуктивности, включенные встречно, а также транзистор, эмиттер которого соединен с общей шиной, коллектор транзистора соединен с первым выводом первой катушки индуктивности, а база транзистора - со вторым выводом второй катушки индуктивности, причем между первым выводом второй катушки индуктивности и общей шиной включен первый диод, отличающийся тем, что введен второй диод, причем выводы первого и второго диодов, имеющие тип проводимости, совпадающий с типом проводимости эмиттера транзистора, соединены с первым выводом второй катушки индуктивности, при этом второй вывод второго диода соединен со вторым выводом первой катушки индуктивности и клеммой питания. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что введен первый конденсатор, включенный параллельно первому диоду. 3. Генератор по любому из п. 1 или 2, отличающийся тем, что первый диод выполнен в виде первого варикапа. 4. Генератор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что второй диод выполнен в виде второго варикапа. 5. Генератор по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что между вторым выводом первой катушки индуктивности и клеммой питания включен третий диод в режиме прямого смещения, а между вторым выводом первой катушки индуктивности и общей шиной включен второй конденсатор. 6. Генератор по п. 5, отличающийся тем, что второй конденсатор выполнен в виде третьего варикапа в режиме обратного смещения. 7. Генератор по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что первая и вторая катушки индуктивности размещены на общем ферромагнитном сердечнике. 8. Генератор импульсов, содержащий первую катушку индуктивности и индуктивно связанную с ней вторую катушку индуктивности, включенные встречно, а также транзистор, эмиттер которого соединен с общей шиной, коллектор транзистора соединен с первым выводом первой катушки индуктивности, а база транзистора - со вторым выводом второй катушки индуктивности, причем между первым выводом второй катушки индуктивности и общей шиной включен первый диод, а между вторым выводом первой катушки индуктивности и клеммой питания включен резистор, отличающийся тем, что введен второй диод, причем выводы первого и второго диодов, имеющие тип проводимости, совпадающий с типом проводимости эмиттера транзистора, соединены с первым выводом второй катушки индуктивности, при этом второй вывод второго диода соединен с клеммой питания.