Научно-исследовательский сайт Вячеслава Горчилина
2020-01-13
Все заметки/Радиоэлектронные схемы
Генератор коротких импульсов с большой скважностью
В этой заметке будет представлен генератор коротких импульсов с большим интервалом времени между ними или другими словами — с большой скважностью, которая может достигать значений в 10 тысяч и более. Он может генерировать импульсы длительностью от 60 наносекунд, независимо от частоты их следования, которая, в свою очередь, может меняться в интервале 1Гц-150кГц. Длительность импульса можно регулировать переменным сопротивлением (60 ns - 30 μs), а частоту их следования — с помощью двух кнопок управления. Эта частота отображется на дисплее, что может быть очень удобным для многих опытов. Генератор подходит для экспериментов и рабочих установок, где требуются очень короткие, но мощные импульсы, например, для катушек и трансформаторов со сверхмалой индуктивностью. Все настройки генератора энергонезависимы.
Принципиальная схема генератора изображена ниже. Работает она следующим образом. Одноплатный генератор DG1 вырабатывает на своём выходе TTL прямоугольные колебания заданной оператором частоты. Через дифференцирующую цепочку C1(C2)R1R2 они поступают на вход драйвера выходного ключа DA1, где преобразовываются в необходимые для открытия транзистора VT1 импульсы. Регулировка длительности выходного импульса производится переменным сопротивлением R1, а её диапазон меняется переключателем SW1. Благодаря пороговому устройству, которое стоит на входе драйвера, импульс на выходе получается с максимально возможным фронтом и спадом. При этом отпала необходимость применять дополнительныю микросхему для его формирования, правда драйвер пришлось использовать инвертирующий. Выход последнего соединяется с защитной цепочкой R3VD2ZD1 и попадает на затвор выходного ключа VT1. Защита здесь просто необходима, т.к. сверхкороткие импульсы иногда могут давать огромные выбросы в нагрузочных цепях, которые зачастую, выводят из строя и выходной ключ и драйвер.
В схеме задействован относительно недорогой цифровой одноплатный генератор DG1, который отличается неплохими стабильными параметрами частоты и удобством её установки.
К сожалению, стандартный выход одноплатного генератора (PWM) не даёт необходимых значений по фронту и спаду импульса, т.к. на его выходе стоит инвертор на транзисторе, задача которого — преобразовать импульсы с амплитудой TTL напряжения в импульсы с амплитудой питания. При этом преобразовании довольно сильно падают характеристики фронта и спада, что для нас — критично. Поэтому автор использовал два внутренних подключениях, о которых далее пойдёт речь.
На фото выше отображены эти два подключения: TTL и +3.3V. Они же есть и на принципиальной схеме. +3.3V — это внутреннее питание одноплатного генератора DG1, а TTL — выход этого генератора на выходной инвертор. Необходимо аккуратно подпаять к этим точкам тонкие провода. Лучше всего это делать паяльником с тонким жалом.
Детали
В качестве выходного ключа хорошо подходят «лёгкие» mosfet-транзисторы: IRF840 или IRF740. Если на выходе необходима большая мощность, то тогда лучше применить быстродействующий IGBT. Для драйвера DA1 лучше всего применить более быстродействующую микросхему TC4451, тогда минимальный импульс получается шириной в 50-60 ns. Если взять ещё более быстродействующий драйвер, то выходные параметры схемы могут быть ещё лучше. Единственное, что нужно помнить при его выборе, — драйвер должен инветировать входной сигнал. Подойдёт и более «медленная» TC4429, но тогда минимальная длительность выходного импульса будет около 100 ns.
Перечень остальных элементов схемы:
  • DG1 — цифровой генератор сигналов 1Hz-150kHz;
  • VD1 — диод 1N4148;
  • VD2 — диод UF4007;
  • ZD1 — супрессор 1.5KE18CA;
  • R1 — любой переменный резистор с пластмассовой ручкой; R2 — любой подстроечный резистор;
  • С1, C2 — конденсаторы с маленьким ТКЕ, лучше — трубчатые;
  • XS1 — стандартный разъём к блоку питания на 12В, например, такой;
  • XS2 — любой клеммник на три вывода, например, такой.
Настройка
Настройка схемы сводится к установке минимальной длительности выходного импульса, при котором он всё ещё наблюдается на осциллографе, подключённом к выходу DA1 (6,7 вывод). Это делается при помощи подстроечного резистора R2 при минимальном значении R1 и разомкнутом ключе SW1. Также, на одноплатном генераторе DG1, необходимо выставить параметр «DUTY» равным 50%. Более этот параметр не меняется.
Конструкция
Конструкция устройства может быть абсолютно любой, по вашему желанию. Единственное требование: необходимо расположить драйвер DA1, и все соединения, как можно ближе к выходному ключу. Автор выбрал двухъярусный вариант, размещённый на печатной плате 4x6 см. На втором ярусе располагается одноплатный генератор DG1, а на первом — все остальные элементы. Внешний вид и некоторые этапы сборки изображены на следующих фото:
Один из вариантов применения данного девайса можно найти здесь или здесь, а в следующей части вы можете познакомиться с более продвинутой версией этого генератора, который может отдавать заданное число импульсов в пачке и пауз между ними.
 
1 2