Научно-исследовательский сайт Вячеслава Горчилина
2019-01-05
Все заметки
Генератор высоковольтных импульсов на одном mosfet транзисторе
Этот генератор может работать как в импульсном, так и в резонансном режиме. В первом случае он создаёт высоковольтные импульсы и мощное импульсное магнитное поле, на порядки превышающее то, которое можно было бы получить в резонансном режиме и при равных затрачиваемых мощностях. Во втором — генератор работает с резонансом второго рода, который обладает рядом интересных свойств, аспекты которого только начали изучаться. Он может работать практически с любой индуктивностью: от классических и бифилярных катушек, до коаксиальных кабелей.
Такой генератор можно получить, если включить mosfet транзистор по схеме, представленной на следующем рисунке. Её работа довольно простая. С помощью цепочки R1ZD1 в этой схеме задаётся смещение на затворе транзистора VT1, а положительная обратная связь, которая отвечает за выходные параметры, формируется ферритовым кольцом L1 в виде блокинг-импульсов. Генератор работает не в совсем обычном режиме блокинга: если вместо mosfet-транзистора подключить IGBT, то при любом смещении и регулировки других параметров схемы, он работать не будет, хотя схемотехнически разницы между ними почти нет. Цепочка R2C2 служит для отрицательной обратной связи, которая ответственна за стабильность работы генератора и его температурный режим (рисунок a). К выводам генератора XS1 и XS2 подключается индуктивная нагрузка (рисунки b и c), от характеристик которой зависит длина импульса и его амплитуда.
Зависимость оказалась довольно простой: чем больше индуктивность и проходная ёмкость транзистора, тем больше длительность импульса, а чем длиннее линия (длина провода или коаксиального кабеля), тем выше амплитуда на выходе генератора. Её значение ограничивается только максимальным напряжением транзистора VT1, а в случае с коаксиальным кабелем — ещё и его длиной. Таким образом, в импульсном режиме такой генератор может раскрывать внутренний потенциал длинной линии.
Если же параллельно индуктивной нагрузке подключить конденсатор, то, подбирая его ёмкость, генератор можно вывести на режим резонанса второго рода. В этом случае амплитуда выходных импульсов будет меньше и зависеть от добротности колебательного контура, а их длительность — определяться из условий резонанса.
Детали
В качестве токового трансформатора L1 нужно взять два ферритовых кольца K10x6x4 проницаемостью 10000-2000 HM, сложить их вместе, и намотать на них медный изолированный провод диаметром жилы 0.1-0.3мм. Витки мотаются в один слой, до заполнения. В кольце остаётся просвет, в который продевается проводник, идущий от плюса питания к XS2. К слову, кольца могут быть и других размеров, но чем они меньше, тем меньше и время восстановления доменов, что положительно сказывается на выходных параметрах генератора.
Перечень остальных элементов схемы:
  • VT1 — mosfet-транзистор FS7KM;
  • ZD1 — стабилитрон 1N4733;
  • C1, C2 — конденсаторы на напряжение 63 или более вольт.
В качестве замены VT1 можно предложить IRFP460 или IRFPG50, но выходные параметры генератора станут немного хуже. Кроме того, эти транзисторы не имеют защиты по входу, поэтому между затвором и истоком нужно будет подключить супрессор 1.5KE18CA. При выборе VT1 следует руководствоваться такими условиями: максимальное напряжение должно быть как можно выше, проходная ёмкость и время восстановления перехода — как можно меньше. Также, между затвором и истоком желательна встроенная защита. Сам транзистор нужно установить на небольшой радиатор.
Настройка
Настройка генератора сводится к правильной фазировке токового трансформатора L1. Для этого, к выводам генератора XS1 и XS2 подключается резистор 100 Ом и осциллограф, а на схему подаётся 15В напряжения. На осциллографе должны появится импульсы. Если этого не произошло, то выводы L1 нужно поменять местами.
Различные виды нагрузки
От типа нагрузки зависят как выходные, так и входные параметры генератора. Так, если индуктивность нагрузки и длина линии будет мала, то при одном и том же напряжении питания, потребляемая мощость будет большой. При такой индуктивности следует избегать больших напряжений. Если индуктивность будет большой, то напряжение питания генератора можно пропорционально увеличивать. А если это ещё и длинный коаксиал, то оно может быть максимальным — порядка 40В.
На следующих рисунках представлены осциллограммы на стоке транзистора VT1 (слева) и на выводах оплётки коаксиального кабеля (справа), при включении генератора по схеме с. Длина кабеля при этом составляла 100м. Такой вариант можно использовать для возбуждения магнитных материалов или полей статическими разрядами. При напряжении в 35В, мощность потребления генератора в этом случае составляет всего несколько ватт, а длительность импульса — менее 1мкс.
Коаксиальный кабель небольшой длины (порядка 10-15м) позволяет получить короткие импульсы около 100нс, но для достижения больших выходных амплитуд нужно будет увеличивать напряжение питания, что повлечёт за собой увеличение общей мощности потребления. Более оптимальным, для этого генератора, всё же является более длинный провод.
На следующем рисунке представлен более высоковольный вариант генератора и осциллограмма на выходе вторичной обмотки. Здесь в качестве нагрузки применён миниатюрный высоковольтный трансформатор TV1. Он состоит из двух первичных обмоток, которые нужно соединить последовательно, и одной вторичной высоковольтной, к которой могут быть подключены различные устройства, например, разрядник. Изменением напряжения питания от 11 до 22В можно регулировать напряжение на выходе вторичной обмотки от 3 до 15кВ, при этом мощность потребления во всём диапазоне не будет превышать 2Вт. К слову, если к XS1 и XS4 подключить конденсатор 2200-6800 пФ, то на выводах вторичной обмотки будет чистая синусоида. Правда в этом случае максимальное напряжение питания лучше снизить до 15В.
К выходам генератора также можно подключать дроссели, трансформаторы и некоторые нестандартные индуктивности, например, бифилярные катушки. От их параметров будут зависеть выходные характеристики генератора: амплитуда, длительность импульса и частота.