Powered by Yandex.Translation
2014-11-26
Персональный сайт Вячеслава Горчилина
Все статьи
Генератор пачек наносекундных импульсов. Прерыватель искры

Существует класс экспериментальных задач, в которых требуется подавать импульсы накачки в катушку индуктивности, LC-контур или трансформатор только до окончания переходных процессов. В зависимости от подключения выходного ключа возможно решение и обратных задач. Для этого ниже предлагается генератор пачек импульсов или, как его ещё называют, прерыватель искры. От подобных данное устройство отличает стабильность выходных параметров и работа широком диапазоне. Достигается это за счёт постоения схемы на высокоскоростной логике 74HCXX.

Генератор позволяет:

  • регулировать частоту импульсов в пачке — 1кГц .. 1Мгц, при этом длительность одиночных импульсов может достигать значение в 20нс;
  • менять скважность импульсов в пачке 6,25 .. 50%;
  • регулировать частоту повторения пачек импульсов — 300Гц .. 50кГц;
  • менять число импульсов в пачке — 1 .. 8.

Обычно, этих параметров достаточно для решения подобных задач; о расширенных же возможностях генератора речь пойдёт ниже.

В схеме задействовано 2 микросхемы осуществляющих логику 2И-НЕ — DD1, DD2, два сдвиговых регистра DD3, DD4, и драйвер DA2 для усиления выходного сигнала. Если для выходного ключа (в схеме не нарисован) достаточно выходной мощности логической микросхемы, то драйвер DA2 и сопротивление R6 можно убрать. Питание логики осуществляет шим-стабилизатор DA1.

Схема генератора пачек наносекундных импульсов

Логика работы схемы такая. Задающий генератор на DD1.1, DD1.3, DD1.4 подает импульсы на тактовый вход сдвигового регистра DD3. С его выходов мы берём импульсы для выходного инвертора и тактовые имульсы для следующего сдвигового регистра. В зависимости от положения переключателя SA3 выходной инвертор на DD2.1, DD2.2, DD2.4 открывается на время равное 1 .. 8 импульсов задающего генератора. После появления логической единицы на 13-й ножке DD3, на D-вход первого регистра начинает поступать логический ноль, поэтому вторые 8 импульсов задающего генератора последовательно заполняют выходы регистра нулями; выходной инвертор при этом находится в закрытом состоянии. Как только такой ноль появится на его 13-й ножке, следующий сдвиговый регистр DD4 получит тактовый импульс, а работа первого — повторится.

Его работа будет повторяться до тех пор, пока на входе DD2.3 не появится единица. Её появление определяет переключатель SA4, который подключает вход элемента DD2.3 к одному из выходов второго регистра. Число повторений и будет равно числу импульсов в пачке, что соответствует и номеру выхода в DD4. Эта единица переключит выход DD2.3 в ноль, который остановит работу задающего генератора и запустит процесс разрядки конденсатора C4(C5) через резисторы R3, R4.

Пока идёт разрядка этого конденсатора вся система «засыпает» и не потребляет энергии на внутренние переключения. Это время — пауза между пачками импульсов. Как только напряжение на конденсаторе достигнет логического нуля, регистр DD4 сбросится и весь цикл повторится снова.

Замены

Серия микросхем К1564 (КР1564) является полным аналогом импортной 74HC. Поэтому 74HC164 можно заменить на К1564ИР8, 74HC00 — на К1564ЛА3. Пятивольтовый стабилизатор LM7805 заменяется на КР142ЕН5А, а вместо диода 1N4148 можно установить любой ультрафаст — чем он быстрее, тем лучше. TC4429 можно заменить на TC4420, но, поскольку эта версия микросхемы сигнал не инвертирует, 2-ю ножку этого драйвера нужно подсоединить к ножке 6 DD2.2.

Замечания по монтажу

На схеме не показаны выводы питания микросхем. Они стандартные: 7 — минус питания (общий), 14 — плюс. Все минусы нужно соединить и подключить к общему проводу и к Gnd стабилизатора DA1. Все плюсовые выводы — к его Out (или +5V).

Если вы решили таки использовать драйвер DA2, то подключите две ёмкости по 0.1 мкФ прямо на выводы этой микросхемы: 1-4 и 8-5. Также, шунтирующую ёмкость (0.1 мкФ) желательно установить и на выводы питания задающего генератора, другими словами — подключить его на выводы 7-14 микросхемы DD1.

Настройка

Если всё собрано правильно — устройство начинает работать сразу. Подстроечным резистором R1 нужно выставить верхнюю границу регулировки частоты импульсов в пачке так, чтобы на выходе задающего генератора, при минимальном переменном сопротивлении R2, были правильные прямоугольные импульсы.

Нагрузка

Здесь возможны несколько вариантов.
Подключение к X2. Этот выход позволяет подключить достаточно мощный n-p-n транзистор в схеме с общим эмиттером. Выход подсоединяется непосредственно к его базе, а в коллектор могут включаться различные типы индуктивных нагрузок или параллельный LC-контур. Это подключение отличается крутыми фронтами у импульсов.

Подключение к X3. В этом случае, из-за промежуточного драйвера, фронт импульса будет более пологим, но зато X3 позволяет подключить MOSFET-ключ на любые ток и напряжение. Этот вариант позволяет решать не только задачи раскачки индуктивности, но и — съёма энергии с колебательной системы или с ёмкости. В схеме с общим истоком X3 соединяется непосредственно с затвором MOSFET-ключа.

Получение одиночных наносекундных импульсов

Схема позволяет получить такие импульсы только на выходе X2. При этом переключатель SA1 должен находиться в крайнем левом (по схеме) положении, а SA3 должен находиться в положении с подключенной 3-ей ножкой в DD3; R1, R2 должны иметь минимальные значения. Паспортная частота микросхемы 74HC00 — 100 мГц, следовательно одиночный импульс теоретически может иметь длительность в 10 нс, практически и стабильно — 20 нс. Длительность между импульсами, как и в общем случае, регулируется переменным сопротивлением R4.

Расширение возможностей схемы

Если в схему добавить ещё два сдвиговых регистра, то возможности устройства расширяются. В приведенной ниже схеме увеличены диапазоны двух параметров: скважность импульса в пачке регулируется от 6,7 до 80%, а число импульсов в пачке может быть от одного до 16-ти.

Схема генератора пачек наносекундных импульсов с расширенными возможностями

Также, в разрыв цепи питания всей схемы можно вставить ещё один стабилизатор напряжения, например, LM7818 или LM7815. В этом случае верхняя граница питающего всё устройство напряжения увеличится с 20-ти до 36 Вольт.

Прерыватель искры с ФАПЧ для трансформатора Теслы смотрите здесь.


Горчилин Вячеслав, 2014 г.
* Перепечатка статьи возможна с условием установки ссылки на этот сайт и соблюдением авторских прав

« Назад
2009-2017 © Vyacheslav Gorchilin