Генератор высоковольтных импульсов

Техническое решение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для генерации высоковольтных импульсов напряжения с длительностью переднего фронта в несколько наносекунд. Решаемая техническая задача - повышение нагрузочной способности и безопасности использования устройства. Решаемая техническая задача в генераторе высоковольтных импульсов, содержащем источник высоковольтного напряжения, потенциальный и общий выводы которого соединены соответственно с выводом питания и общим выводом основной цепочки последовательно соединенных транзисторов, имеющих режим «лавинного» пробоя, выход основной цепочки последовательно соединенных транзисторов является выходом генератора, управляющий вывод основной цепочки последовательно соединенных транзисторов соединен с выходом управляющего генератора, достигается тем, что введены дополнительные n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов, где n - натуральный ряд чисел от 1 до , все одноименные выводы дополнительных n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов соединены параллельно между собой и параллельно основной цепочке последовательно соединенных транзисторов, источник высоковольтного напряжения выполнен импульсным, вход управляющего генератора соединен с управляющим выводом источника высоковольтного напряжения. 1 с.п. ф-лы, 4 илл.

Техническое решение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для генерации высоковольтных импульсов напряжения с длительностью переднего фронта в несколько наносекунд.

Аналогом является генератор высоковольтных импульсов (Дьяконов В.П., Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах. М., Советское радио, 1973., С.158), содержащий несколько последовательно соединенных транзисторов, имеющих режим «лавинного» пробоя. Однако данное устройство представляет собой генератор тока, который имеет низкую нагрузочную способность и содержит источник высоковольтного постоянного напряжения, который представляет повышенную опасность для здоровья пользователей данного устройства при его эксплуатации.

В качестве прототипа выбран генератор высоковольтных импульсов (Горошков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1988. - 176 с., С.136). Данное устройство содержит источник высоковольтного напряжения, потенциальный и общий выводы которого соединены соответственно с выводом питания и общим выводом цепочки последовательно соединенных транзисторов, имеющих режим «лавинного» пробоя, выход цепочки последовательно соединенных транзисторов является выходом генератора, управляющий вывод цепочки последовательно соединенных транзисторов соединен с выходом управляющего генератора.

Представленная схема генератора представляет собой генератор тока, который имеет низкую нагрузочную способность. Нагрузочная способность генератора повышается, если использовать схему генератора напряжения.

Также, прототип содержит источник высоковольтного постоянного напряжения, который представляет повышенную опасность для здоровья пользователей данного устройства при его эксплуатации. Опасность для здоровья пользователей при эксплуатации можно снизить, применив источник высоковольтного импульсного напряжения.

Решаемая техническая задача - повышение нагрузочной способности и безопасности использования устройства.

Решаемая техническая задача в генераторе высоковольтных импульсов, содержащем источник высоковольтного напряжения, потенциальный и общий выводы которого соединены соответственно с выводом питания и общим выводом основной цепочки последовательно соединенных транзисторов, имеющих режим «лавинного» пробоя, выход основной цепочки последовательно соединенных транзисторов является выходом генератора, управляющий вывод основной цепочки последовательно соединенных транзисторов соединен с выходом управляющего генератора, достигается тем, что введены дополнительные n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов, где n -натуральный ряд чисел от 1 до , все одноименные выводы дополнительных n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов соединены параллельно между собой и параллельно основной цепочке последовательно соединенных транзисторов, источник высоковольтного напряжения выполнен импульсным, вход управляющего генератора соединен с управляющим выводом источника высоковольтного напряжения.

На фиг.1 приведена структурная схема генератора высоковольтных импульсов; на фиг.2 приведен график напряжения на потенциальном выводе источника высоковольтного напряжения; на фиг.3 приведен график напряжения на выходе генератора высоковольтных импульсов; на фиг.4 - приведена схема источника высоковольтного напряжения.

Генератор высоковольтных импульсов (Фиг.1) содержит источник высоковольтного напряжения 1, который выполнен импульсным, потенциальный и общий выводы источника высоковольтного напряжения 1 соединены соответственно с выводом питания и общим выводом основной 2 и дополнительных n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3 _n, имеющих режим «лавинного» пробоя, где n - натуральный ряд чисел от 1 до , все одноименные выводы дополнительных n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3 _n соединены параллельно между собой и параллельно основной цепочке последовательно соединенных транзисторов 2, выход основной цепочки последовательно соединенных транзисторов 2 и дополнительных n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3 _n является выходом генератора, вход управляющего генератора 4 соединен с управляющим выводом источника высоковольтного напряжения 1, выход управляющего генератора 4 соединен с управляющим выводом основной 2 и дополнительных n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3 _n. Внутренняя структура дополнительных n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3 _n аналогична основной цепочки последовательно соединенных транзисторов 2. Значение n может равняться двум.

На фиг.2 приведен график напряжения U_п на потенциальным выводе источника высоковольтного напряжения 1, где, если напряжение U_п>U_лп (U_лп - суммарное напряжение «лавинного» пробоя одной цепочки последовательно соединенных транзисторов) в момент времени t_п происходит «лавинный» пробой основной 2 и дополнительных n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3 _n.

На фиг.3 приведен график напряжения на выходе генератора высоковольтных импульсов. Длительность фронта высоковольтных импульсов _фр=3 нс.

Управляющий генератор 4 представляет собой двухкаскадный ждущий мультивибратор.

Источник высоковольтного напряжения 1 (Фиг.4) содержит источник постоянного низковольтного напряжения 5, ключ 6 с двумя положениями переключения, конденсатор 7, трансформатор 8 с магнитомягким сердечником, первичная обмотка которого содержит количество витков W₁, a вторичная обмотка количество витков W₂ (W₂>>W₁), цепочку последовательно соединенных диодов 9 (не менее десяти диодов). В исходном состоянии ключ 6 в нижнем положении и соединяет первый вывод конденсатора 7 с общим выводом источника постоянного низковольтного напряжения 5 и вывод 11 первичной обмотки трансформатора 8, общий вывод источника постоянного низковольтного напряжения 5 заземлен, в таком положении конденсатор 7 разряжен, второй вывод конденсатора 7 соединен с выводом 10 первичной обмотки трансформатора 8. Вывод 12 вторичной обмотки трансформатора 8 соединен с первым выводом цепочки последовательно соединенных диодов 9, вывод 13 вторичной обмотки трансформатора 8 заземлен и является общим выводом источника высоковольтного напряжения 1. Первый вывод конденсатора 7 является управляющим выводом источника высоковольтного напряжения 1, второй вывод цепочки последовательно соединенных диодов 9 является потенциальным выводом источника высоковольтного напряжения 1.

Генератор высоковольтных импульсов работает следующим образом. При замыкании ключа 6 в верхнее положение соединяются потенциальный вывод источника постоянного низковольтного напряжения 5 и первый вывод конденсатора 7 и конденсатор 7 начинает заряжаться через первичную обмотку трансформатора 8, из-за чего на вторичной обмотке трансформатора 8 возбуждается импульсное положительное высоковольтное напряжение, например длительностью 100 мкс и величиной 3,5 кВ. Для устранения отрицательного импульсного высоковольтного напряжения, которое возникает при обратном замыкании ключа 6 в нижнее положение и разряде конденсатора 7, используется цепочка последовательно соединенных диодов 9. В рабочем состоянии в данной схеме постоянное высоковольтное напряжение отсутствует. Импульсное высоковольтное напряжение из-за своей малой длительности t=100 мкс и своим присутствием только в момент запуска генератора намного менее опасно для здоровья пользователей, чем прототип. Также в момент замыкания ключа 6 в верхнее положение на управляющем выводе источника высоковольтного напряжения 1 возникает управляющее напряжение. Управляющий генератор 4, при поступлении на его вход управляющего напряжения от источника высоковольтного напряжения 1, на выходе формирует прямоугольный положительный импульс напряжения, смещение которого относительно управляющего напряжения и длительность регулируются для обеспечения надежного «лавинного» пробоя основной 2 и дополнительных n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3 _n. При поступлении на потенциальные и управляющие выводы основной 2 и дополнительных n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3 _n, соответственно, импульсного высоковольтного и управляющего прямоугольного положительного напряжения происходит «лавинный» пробой основной 2 и дополнительных n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3 _n. На выходе генератора формируется импульсное высоковольтное напряжение с длительностью фронта _фр=3 нс.

Нагрузочная способность генератора увеличивается с уменьшением величины внутреннего сопротивления генератора R_вн.ген, которая в данном случае определяется внутренним сопротивлением цепочек последовательно соединенных транзисторов в режиме «лавинного» пробоя. В прототипе присутствует одна основная цепочка последовательно соединенных транзисторов 2 и соответственно, R_вн.ген=R_вн.0 , где R_вн.0 - внутреннее сопротивление основной цепочки последовательно соединенных транзисторов 2 в режиме «лавинного» пробоя. В представленном генераторе введены дополнительные n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов 3 _n, где n - натуральный ряд чисел от 1 до , одноименные выводы которых соединены параллельно между собой и параллельно основной цепочки последовательно соединенных транзисторов 2. Соответственно, при n=1 внутреннее сопротивление генератора R_вн.ген=1/(1/R_вн.0+1/R_вн.1 ), где R_вн.1 - внутреннее сопротивление первой дополнительной цепочки последовательно соединенных транзисторов 3₁ в режиме «лавинного» пробоя; при n=2 внутреннее сопротивление генератора R_вн.ген=1/(1/R_вн.0+1/R_вн.1 +1/R_вн.2), где R_вн.2 - внутреннее сопротивление второй дополнительной цепочки последовательно соединенных транзисторов 3₂ в режиме «лавинного» пробоя; при n= внутреннее сопротивление генератора R_вн.ген =1/(1/R_вн.0+1/R_вн.1+1/R_вн.2++1/R_вн.), где R_вн. - внутреннее сопротивление дополнительной цепочки последовательно соединенных транзисторов 3 в режиме «лавинного» пробоя. Например, если R_вн.0=R_вн.1=R_вн.2==R_вн.=1 Ом, то внутреннее сопротивление прототипа R _вн.ген=1 Ом; при n=1 R_вн.ген=1/2 Ом; при n=2 R_вн.ген=1/3 Ом; при n= R_вн.ген.=0 Ом. Таким образом, при введении дополнительных n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов, где n - натуральный ряд чисел от 1 до , нагрузочная способность генератора высоковольтных импульсов увеличивается.

Генератор высоковольтных импульсов, содержащий источник высоковольтного напряжения, потенциальный и общий выводы которого соединены соответственно с выводом питания и общим выводом основной цепочки последовательно соединенных транзисторов, имеющих режим «лавинного» пробоя, выход основной цепочки последовательно соединенных транзисторов является выходом генератора, управляющий вывод основной цепочки последовательно соединенных транзисторов соединен с выходом управляющего генератора, отличающийся тем, что введены дополнительные n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов, где n - натуральный ряд чисел от 1 до , все одноименные выводы дополнительных n1 цепочек последовательно соединенных транзисторов соединены параллельно между собой и параллельно основной цепочке последовательно соединенных транзисторов, источник высоковольтного напряжения выполнен импульсным, вход управляющего генератора соединен с управляющим выводом источника высоковольтного напряжения.