Наносекундные высоковольтные импульсы представляют значительный интерес как с практической, так и с исследовательской точки зрения. Благодаря малой длительности и высокой амплитуде, такие сигналы обладают выраженными нелинейными свойствами взаимодействия с проводящими структурами и окружающей средой. Они находят применение в импульсной электронике, генерации электромагнитного излучения, а также в экспериментах, связанных с быстрыми переходными процессами в электрических цепях.

В данной работе рассматривается экспериментальное исследование генератора наносекундных высоковольтных импульсов и особенностей его взаимодействия с нагрузкой и заземляющей цепью. Особое внимание уделяется наблюдаемым эффектам, связанным с перераспределением зарядов и энергией в системе, которые не всегда могут быть объяснены в рамках упрощённых эквивалентных моделей. Целью работы является анализ этих явлений, их количественная оценка и обсуждение возможных причин их возникновения.

Для корректного проведения эксперимента требуется обеспечить гальваническую развязку установки от электрической сети (рис. 1). Это необходимо для того, чтобы заряды, формируемые генератором, не утекали в землю преждевременно. Такой режим достигается при питании умножителя напряжения PHV через DC-AC инвертор INV, который преобразует входное постоянное напряжение 12 В в переменное напряжение 220 В. Сам инвертор может запитываться либо от аккумулятора, либо от сетевого адаптера с выходным напряжением 12 В.

Переменное напряжение с выхода инвертора INV подаётся на умножитель напряжения PHV, подробное описание которого приведено здесь. Высокое напряжение с выхода умножителя поступает на преобразователь GIHV, на выходе которого формируются наносекундные высоковольтные импульсы. Аналогичная схема устройства, но с питанием от ЛАТРа, была представлена здесь. Там же приведены электрические схемы этих блоков, печатные платы и методика их настройки.

Совокупность перечисленных блоков мы обозначили как генератор GNVIMP. В дальнейшем этот узел будет рассматриваться как единый источник наносекундных высоковольтных импульсов и использоваться в описываемых ниже экспериментах.

Необходимо сказать пару слов об инверторе INV. Автор применил распостранённый DC-AC преобразователь, продаваемый в магазине Алиэкспресс под названием «DC-AC Converter Booster Module 12V to 110V 200V 220V 280V 150W». В нём предусмотрена возможность установки одного из четырёх напряжений на выходе: 110, 200, 220 и 280 вольт. Оптимальным оказалось напряжение 200 В. Для этого на плате инвертора нужно установить вторую по счёту перемычку.

На его выход нужно дополнительно подключить конденсатор 2 нФ, расчитанного на напряжение 600 В (Cl по схеме). Он сглаживает выходные прямоугольные импульсы инвертора, отдаваемые с частотой 27 кГц, чем сильно уменьшает помехи. Фото подключенного к умножителю инвертора представлено на рис. 2.

В таком режиме умножитель отдаёт в схему примерно 2.5 кВ (что достаточно для лавинного режима в преобразователе GIHV) и ток 0.5 мА.

Выход генератора GNVIMP необходимо оставить без нагрузки. Дальнейшие опыты можно проводить и с ней (75 Ом), однако свободный выход генератора обеспечит нам в дальнейшем более независимую оценку выходных параметров.

К выходу генератора GNVIMP мы подключаем антенну At, которая будет применяться во всех последующих опытах. Она представляет собой кусок медной проволоки длиной 15 см, на которую надевается кембрик (для предотвращения последствий от случайных касаний). Если расположить щуп осциллографа рядов с такой антенной, то можно получить осциллограмму как на фото 4.

Схема проведения эксперимента приведенан на рисунке 6. Для этого потребуется ещё одна антенна (Ar), точно такая же, как и на генераторе. Один её конец, через smd-конденсатор Cr, уходит на GND-вывод генератора, а к конденсатору подключается вольтметр Vr, в режиме измерения постоянного напряжения. Антенны располагаются на расстоянии l порядка 2-5 см. Фото расположения элементов для такого опыта представлено на рис. 3.

После включения генератора мы можем обнаружить аномалию в виде показания стабильных отрицательных значений на вольтметре. Порядок — 100-200 мВ, который зависит от расстояния между антеннами и длины соединительных проводов. Вольтметр будет показывать отрицательные значения даже, если антенны разнести на несколько метров. Примечание: вход вольтметра обязательно должен быть высокоомным.

Схема проведения эксперимента приведенан на рисунке 7. В этом случае к земляному выходу генератора GNVIMP мы подключаем резистор Rr номиналом 100 Ом, второй конец которого уходит на заземление. Параллельно резистору подсоединяем щуп осциллографа OSC1. Осциллограмма тока, полученная в этом эксперименте, отражается на рисунке 5. Из него видно, что импульсные значения напряжения на этом сопротивлении доходят до 200 В, а импульсный ток — до 2 ампер.

В следующем опыте мы выясним, что сопротивление 100 Ом в заземляющей цепи не является самым оптимальным для получения эффективной мощности.

Для проведения этого опыта дополнительно понадобится собрать небольшую схему (рис. 8), состоящую из диодного моста VDr, сопротивления Rr, сглаживающеё ёмкости Cr и вольтметра Vr. Диодный мост включается в разрыв цепи генератор-заземление и выпрямляет текущий по ней ток. Но фактически, ток протекает через резистор Rr, напряжение на котором мы смотрим на вольметре, подключённом параллельно ему. Если это сопротивление убрать, ток в заземление перестаёт идти.

Таким образом, мы можем подсчитать и сам средний ток, и среднюю мощность, уходящую в заземление. Здесь обнаруживается ещё одна аномалия, поскольку эта мощность оказывается примерно в 4 раза больше той, которая может проходить через излучающую антенну At, а соответственно, и уходить через заземление. Средний же ток многократно превосходит расчётный.

О деталях необходимо сказать, что для диодного моста автор применил быстродействующие диоды UF4007. Конденсатор, керамический, или любой другой smd-конденсатор на напряжение 100 В. Резистор — любой.

Оптимальное значение резистора Rr находится в диапазоне 40-60 кОм. При сопротивлении в 51 кОм, вольтметр показывал напряжение 20 В, что в пересчёте даёт среднюю мощность 7.8 мВт. Далее мы покажем, что через антенну указанных размеров может уходить не более 1.3 мВт.

Если же убрать этот резистор, а вольтметр переключить в режим амперметра, то получаются значения около 3 мА, что примерно в 570 раз больше среднего антенного тока.

Для оценки полученных результатов необходимо составить эквивалентную схему (рис. 9). Образованная таким образом последовательная цепь должна в себя включать:

• генератор Gi, выдающий импульсы амплитудой 1000 В, с частотой их следования 1300 Гц;
• ёмкость Ci, образованную между выходом генератора HVIMP и землёй. Она получается, если подсчитать уединённую ёмкость антенны, что при её размерах составляет примерно 3 пФ;
• сопротивление Ri 51 кОм. Можно показать, что в эквивалентной схеме, при такой ёмкости и частоте, его номинал не играет особой роли.

Нам нужно найти средний ток, текущий по такой цепи.

Найдём средний ток через заряд, запасаемый в конденсаторе Ci в одном импульсе. Если заряд \(Q\) полный (а постоянная времени цепи очень маленькая по сравнению с периодом импульсов), то: \[\tag{1} Q = C_i\, U \] Учитывая ёмкость 3 пФ и амплитуду 1000 В получаем \[Q = 3 \cdot 10^{-9}\, (C) \] Примечание. В этом расчёте мы берём наилучшие условия для цепи. В реальности эти значения должны быть меньше.

Средний ток \(I_a\) мы найдем, как произведение заряда на частоту следования импульсов \(f\): \[\tag{2} I_a = Q\, f \] При частоте 1300 Гц мы получим средний ток: \[I_a = 2.6 \cdot 10^{-6}\, (A) \] Но если учитывать заряд и разряд конденсатора, то проходящий через конденсатор ток нужно удвоить: \[I_a = 5.2 \cdot 10^{-6}\, (A) \] Но если реально измерянный ток составляет 3 мА, то аномалию можно подсчитать путём их отношения, то есть примерно 570 раз.

Немного по другой схеме можно рассчитать среднюю мощность, проходящую через конденсатор Ci. В этом случае сначала найдём энергию, отдаваемую этим конденсатором в нагрузку в каждый период: \[\tag{3} E_C = {C_i\, U^2 \over 2} \] Для нахождения средней мощности мы должны умножить эту энергию на частоту следования импульсов: \[\tag{4} P_a = E_C\, f = f {C_i\, U^2 \over 2} \] При означенных ранее параметрах мы получим среднюю мощность проходящую через Ci, а значит — и через антенну: \[P_a = 1.95\, (mW) \] Но если подсчитать мощность, выделяемую на резисторе Rr (по схеме 8), то мы получим 7.8 мВт. Что примерно в 4 раза больше расчётной.

Примечание. Мы учитывали самые лучшие параметры для эквивалентной цепи. В реальности полученные отношения могут быть ещё больше.

Результаты первого эксперимента указывают на наличие выраженной асимметрии процессов, связанных с положительными и отрицательными зарядами. Это проявляется в появлении устойчивого смещения потенциала, регистрируемого измерительной цепью. Подобные эффекты ранее наблюдались, в частности, в трансформаторе Тесла при определённых режимах работы (см. описание). Автор предполагает, что здесь речь идёт о появлении зарядов, не принадлежащих проводнику.

Можно отметить, что с увеличением крутизны фронтов импульсов и их амплитуды данный эффект усиливается.

Во втором и третьем экспериментах установлено, что в цепи заземления протекает импульсный ток, величина которого существенно превышает ток, связанный с излучающей антенной. При этом оценка мощности показывает, что энергия, рассеиваемая в цепи заземления, может в несколько раз превосходить мощность, передаваемую через антенну.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что простая модель, основанная на учёте только ёмкостной связи антенны с окружающим пространством, не полностью описывает происходящие процессы. Вероятно, в системе имеют место дополнительные механизмы переноса заряда и энергии, требующие более детального исследования.