Короткие высоковольтные импульсы наносекундной длительности широко применяются в научной и измерительной аппаратуре, где требуется формирование электрических сигналов большой амплитуды с очень малой длительностью фронтов. Такие импульсы используются для управления оптическими модуляторами и ячейками Поккельса, для стробирования микроканальных пластин в быстродействующих детекторах и камерах, в радиолокационных системах сверхширокополосного диапазона, а также в экспериментах по физике плазмы, скалярного поля, свободной энергии, лазерной диагностике и биофизических исследованиях. Во всех этих задачах требуется источник импульсов с крутыми фронтами и амплитудой порядка киловольт при длительности единицы наносекунд.

Задачей данного прибора является преобразование низковольтных прямоугольных импульсов относительно невысокой частоты в высоковольтные импульсы наносекундной длительности. В основу устройства положена схема, описанная в работе [1], однако предложенная реализация имеет ряд отличительных схемных и конструктивных особенностей.

На вход устройства подаются прямоугольные импульсы амплитудой около 12 В с частотой следования 1 Гц - 10 кГц. На выходе прибора, при нагрузке 75 Ом, формируются импульсы амплитудой порядка 1 кВ и выше, длительностью около 4 нс, с временем нарастания и спада примерно 2 нс. Для работы преобразователя требуется источник питания +3 кВ, которое формируется путём умножения промышленного сетевого напряжения. Параметры представленного устройства примерно на порядок превосходят характеристики лавинного генератора импульсов с сетевым питанием и обеспечивают скорость нарастания и спада импульса до 500 В/нс и более.

Один из возможных вариантов применения данного преобразователя представлен здесь.

Схема на рисунке 1 представляет собой генератор сверхкоротких высоковольтных импульсов, в котором используется последовательный каскад из девяти биполярных транзисторов (U1-U9), работающих в режиме лавинного пробоя. Транзисторы соединены последовательно и питаются от источника высокого напряжения порядка трёх киловольт. Для равномерного распределения напряжения между ними используется резистивная цепь R1-R9, благодаря чему каждый транзистор удерживает только часть общего напряжения. Пока устройство находится в режиме ожидания, все транзисторы закрыты, а цепочка находится под высоким напряжением и фактически представляет собой готовый к срабатыванию высоковольтный ключ.

Запуск устройства осуществляется коротким триггерным импульсом, который подаётся на транзистор U9 через импульсный трансформатор TI1. Под действием этого импульса первый транзистор входит в лавинный пробой, что приводит к резкому падению напряжения на нём и перераспределению напряжения по остальным элементам каскада. В результате напряжение на следующих транзисторах превышает их порог лавинного пробоя, и они также последовательно переходят в лавинный режим. Этот процесс развивается очень быстро и приводит к почти одновременному открытию всей цепочки транзисторов.

Когда весь каскад оказывается в проводящем состоянии, накопленная энергия высоковольтного источника быстро разряжается через конденсатор C1-C2 на нагрузку (на схеме 1 не показана), формируя короткий импульс высокого напряжения. Благодаря лавинному режиму транзисторов и малым паразитным параметрам конструкции импульс имеет очень малую длительность и крутой фронт, что позволяет получать напряжения около киловольта при длительности импульса порядка нескольких наносекунд.

При последовательном лавинном срабатывании транзисторов суммарное время коммутации оказывается существенно меньше времени переключения одного отдельного транзистора.

Импульсный трансформатор TI1 может быть изготовлен различными способами, а также допускается применение готового трансформатора подходящих параметров. При его изготовлении необходимо обеспечить следующее условие: отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной должно быть равно отношению амплитуды импульса задающего генератора к напряжению 6 В — величине V_EBO транзистора U1.

В конструкции автора для трансформатора TI1 использовано ферритовое кольцо размером 16×10×4,5 мм с магнитной проницаемостью около 2000 (материал 2000НМ). Первичная обмотка содержит 8 витков, вторичная — 4 витка. Такое соотношение выбрано исходя из того, что задающий генератор формирует импульсы амплитудой около 12 В. Допускается применение ферритовых колец других типоразмеров и материалов с иной магнитной проницаемостью, при условии сохранения требуемого коэффициента трансформации.

Следует сказать пару слов о сопротивлении R11. Это должен быть высоковольтный резистор мощностью не менее 5 Вт, например HVR40AH. Если частота задающего генератора менее 3 кГц, то установки на печатную плату одного такого сопротивления будет достаточно. Но если частота повторений импульсов предполагается выше, то необходимо установить параллельно ещё один резистор, такого же номинала. На печатной плате он указан как R12.

Конденсаторы CP1-CP8 ступенчато меняют свою ёмкость от 0.9 пикофарад (CP1), до 9.2 пикофарад (CP8). Они выполнены прямо на плате, путём образования ёмкости между дорожками двухстороннего стеклотекстолита, толщиной 1.6 мм (FR-4).

Конденсаторы C1-C2 керамические. Здесь возможны два варианта: установить на плату два последовательно соединённых конденсатора по 30 пФ, каждый из которых должен быть рассчитан на 2 кВ, либо один конденсатор на 15 пФ, с напряжением 4 кВ. Конденсатор C3 может быть любым неэлектролитическим.

Транзисторы U1-U9 используются 2N5551. Можно пробовать применять и другие подобные. Желательно, чтобы все они были из одной партии. Автор дополнительно установил панельки под каждый транзистор для возможности быстрой замены, но это оказалось лишним.

Для формирования высоковольтных импульсов наносекундной длительности к схеме преобразователя (рис. 1) необходимо подключить ещё два функциональных блока. Вся блок-схема представлена на рисунке 4.

1) Генератор прямоугольных импульсов — задающий генератор. На блок-схеме 4 он обозначен как G1. Его задача заключается в формировании на выходе прямоугольных импульсов, которые запускают каскад транзисторов преобразователя GIHV. В качестве такого генератора автор использовал классическую схему на NE555, которую можно быстро собрать из простых деталей на монтажной плате. Однако вместо неё может быть применён любой другой источник прямоугольных импульсов с подходящими параметрами. Частота следования импульсов должна соответствовать требуемой частоте повторения высоковольтных импульсов на выходе устройства и обычно лежит в диапазоне нескольких килогерц. Генератор гальванически развязан с основной схемой преобразователя, благодаря чему исключается возможное воздействие высоковольтных импульсов на его электронные компоненты.

2) Источник высокого напряжения. На блок-схеме он обозначен как PHV. Этот блок обеспечивает питание схемы преобразователя необходимым постоянным высоким напряжением, за счёт которого и происходит формирование выходных импульсов большой амплитуды. Автор применил для этого блока готовую схему умножителя сетевого напряжения на 3 кВ. К ней требуется подключить ЛАТР — трансформатор с регулируемым выходным напряжением 0..220 В. На блок-схеме он обозначен как TRL.

К выходу преобразователя GIHV также необходимо подключить нагрузку R1 в виде активного сопротивления 75 Ом. А уже к нему — подсоединить щуп осциллографа OS1.

Фото собранной автором конструкции можно посмотреть на рисунке 3.

Сначала запускается задающий генератор G1 (рис. 4). Затем включается сетевой трансформатор ЛАТР TRL и вращением его ручки постепенно поднимается его выходное напряжение, поступающее на умножитель напряжения PHV. При этом выход преобразователя наносекундных высоковольтных импульсов GIHV, подключённый к активному сопротивлению R1, контролируется осциллографом OS1. Когда на нём появляются первые импульсы, нужно ещё немного повернуть ручку TRL до получения их стабильной последовательности.

Автором измерения проводились осциллографом OS1 «RIGOL DS1202» с использованием высоковольтного щупа с коэффициентом деления 1:100, рассчитанного на напряжение до 2 кВ. Паспортная полоса пропускания данного осциллографа составляет 200 МГц; на практике прибор способен регистрировать сигналы вплоть до частот порядка 300 МГц. Однако даже такой частотный диапазон недостаточен для точного определения параметров фронта и спада импульса на выходе устройства. По измерениям осциллографа длительность фронта и спада составляет около 2 нс. Следует отметить, что реальная длительность может быть меньше — вплоть до ~1 нс, однако ограниченная полоса пропускания измерительного тракта не позволяет достоверно это зафиксировать.

Осциллограммы, полученные таким образом, можно посмотреть на рисунках 5-7. На фото 5 показан высоковольтный наносекундный импульс, измеренный на выходе схемы, на нагрузке 75 Ом. На фото 7 — серия таких импульсов, повторяемые с частотой задающего генератора.

Такой вариант разработки хорошо отработан автором. На печатной плате соблюдены все необходимые размеры для получения правильных значений ёмкостей CP1-CP8, получаемых за счёт определённых площадей между дорожками двухстороннего стеклотекстолита.

При заказе обязательно выбирайте материал платы — стеклотекстолит, толщиной 1.6 мм, марки FR-4.