Науково-дослідний сайт В'ячеслава Горчіліна
2019-01-05
Всі статті
Генератор високовольтних імпульсів на одному транзисторі mosfet
Цей генератор може працювати як в імпульсному, так і в резонансному режимі. У першому випадку він створює високовольтні імпульси і потужне імпульсне магнітне поле, на порядки перевищує те, яке можна було б отримати в резонансному режимі і при рівних витрачаються потужностях. У другому — генератор працює з резонансом другого роду, який володіє рядом цікавих властивостей, аспекти якого тільки почали вивчатися. Він може працювати практично з будь-якою індуктивністю: від класичних і бифилярных котушок, до коаксіальних кабелів.
Такий генератор можна отримати, якщо включити mosfet транзистор за схемою, представленою на рисунку. Її робота досить проста. З допомогою ланцюжка R1ZD1 у цій схемі задається зміщення на затворі транзистора VT1, а позитивний зворотний зв'язок, яка відповідає за вихідні параметри, формується феритовим кільцем L1 у вигляді блокінг-імпульсів. Генератор працює не в зовсім звичному режимі блокинга: якщо замість mosfet-транзистори підключити IGBT, то при кожному зсуві і регулювання інших параметрів схеми, він працювати не буде, хоча схемотехнически різниці між ними майже немає. Ланцюжок R2C2 служить для негативного зворотного зв'язку, яка відповідальна за стабільність роботи генератора і його температурний режим (малюнок a). До висновків генератора XS1 і XS2 підключається індуктивне навантаження (малюнки b і c), від якості якої залежить довжина імпульсу і його амплітуда.
Залежність виявилася досить простий: чим більша індуктивність і прохідна ємність транзистора, тим більше тривалість імпульсу, а чим довша лінія (довжина проводу або коаксіального кабелю), тим вище амплітуда на виході генератора. Її значення обмежується тільки максимальною напругою транзистора VT1, а у випадку з коаксіальним кабелем — ще і його довжиною. Таким чином, в імпульсному режимі такий генератор може розкривати внутрішній потенціал довгої лінії.
Якщо ж паралельно індуктивному навантаженні підключити конденсатор, то, підбираючи його ємність, генератор можна вивести на режим резонансу другого роду. В цьому випадку амплітуда вихідних імпульсів буде менше і залежати від добротності коливального контуру, а їх тривалість — визначатися з умов резонансу.
Деталі
Як токового трансформатора L1 потрібно взяти два феритових кільця K10x6x4 проникністю 10000-2000 HM, скласти їх разом, і намотати на них мідний ізольований провід діаметром жили 0.1-0.3 мм Витки мотаються в один шар, до заповнення. У кільці залишається просвіт, який протягується провідник, що йде від плюса живлення до XS2. До речі, кільця можуть бути інших розмірів, але чим вони менші, тим менше і час відновлення доменів, що позитивно позначається на вихідні параметри генератора.
Перелік інших елементів схеми:
  • VT1 — mosfet-транзистор FS7KM;
  • ZD1 — стабілітрон 1N4733;
  • C1, C2 — конденсатори на напругу 63 або більше вольт.
В якості заміни VT1 можна запропонувати IRFP460 або IRFPG50, але вихідні параметри генератора стануть трохи гірше. Крім того, ці транзистори не мають захисту по входу, тому між затвором і витоком потрібно буде підключити супресор 1.5KE18CA. При виборі VT1 слід керуватися такими умовами: максимальна напруга має бути якомога вище, прохідна ємність і час відновлення переходу — як можна менше. Також, між затвором і витоком бажана захист. Сам транзистор потрібно встановити на невеликий радіатор.
Налаштування
Настроювання генератора зводиться до правильної фазіровке токового трансформатора L1. Для цього, до висновків генератора XS1 і XS2 підключається резистор 100 Ом і осцилограф, а на схему подається напруги 15В. На осцилографі повинні з'явиться імпульси. Якщо цього не сталося, то висновки L1 потрібно поміняти місцями.
Різні види навантаження
Від типу навантаження залежать як вихідні, так і вхідні параметри генератора. Так, якщо індуктивність навантаження і довжина лінії буде мала, то при одному і тому ж напрузі живлення, споживана мощость буде великий. При такій індуктивності слід уникати великих напружень. Якщо індуктивність буде великий, то напруга живлення генератора можна пропорційно збільшувати. А якщо це ще й довгий коаксіал, то воно може бути максимальним — близько 40В.
На наступних малюнках представлені осцилограми на стоці транзистора VT1 (зліва) і на висновках оплетки коаксіального кабелю (праворуч), при включенні генератора за схемою с. Довжина кабелю при цьому становила 100м. Такий варіант можна використовувати для порушення магнітних матеріалів або полів статичними розрядами. При напрузі в 35В, потужність споживання генератора в цьому випадку становить всього декілька ватів, а тривалість імпульсу — менш 1мкс.
Коаксіальний кабель невеликої довжини (порядку 10-15м) дозволяє отримати короткі імпульси близько 100нс, але для досягнення великих амплітуд вихідних треба буде збільшувати напругу живлення, що спричинить за собою збільшення загальної потужності споживання. Більш оптимальним, для цього генератора, все ж є більш довгий дріт.
На наступному малюнку представлений більш высоковольный варіант генератора і осцилограма на виході вторинної обмотки. Тут в якості навантаження застосований мініатюрний високовольтний трансформатор TV1. Він складається з двох первинних обмоток, які потрібно з'єднати послідовно, і однією вторинною високовольтної, до якої можуть бути підключені різні пристрої, наприклад, розрядник. Зміною напруги живлення від 11 до 22В можна регулювати напругу на виході вторинної обмотки від 3 до 15кВ, при цьому потужність споживання у всьому діапазоні не буде перевищувати 2Вт. До речі, якщо до XS1 і XS4 підключити конденсатор 2200-6800 пФ, то на виводах вторинної обмотки буде чиста синусоїда. Правда в цьому випадку максимальна напруга живлення краще знизити до 15В.
До виходів генератора також можна підключати дроселі, трансформатори і деякі нестандартні індуктивності, наприклад, бифилярные котушки. Від їх параметрів будуть залежати вихідні характеристики генератора: амплітуда, тривалість імпульсу і частота.