ГЕНЕРАТОР ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ
RECTANGULAR PULSE GENERATOR

Изобретение относится к устройствам генерирования прямоугольных импульсов и может быть использовано в области лазерной техники для запитки импульсных лазеров; в системах регистрации быстропротекающих процессов для осуществления импульсного управления электронно-оптическими затворами; в области импульсной электротехники для запуска управляемых разрядников.
Известен импульсный генератор (заявка Великобритании №2122444, МПК Н03К 3/57, опубл. 11.01.84), который содержит цепь формирования импульса, выполненную на линии задержки, и источник питания, имеющий резонансную цепь, которая заряжает цепь формирования импульса. Один выключатель подключен параллельно нагрузке и цепи формирования импульса, которые соединены последовательно. Другой выключатель, соединенный параллельно с нагрузкой, прекращает, когда это необходимо, формирование импульса. Один из выключателей должен обеспечивать протекание только однонаправленного тока. Схема сохраняет неиспользованную энергию и благодаря этому позволяет уменьшить напряжение источника питания.
Такому устройству присущи следующие недостатки:
- параметры генерируемых импульсов, в частности максимальная длительность, определяются параметрами формирующей линии и временной диапазон генерируемых импульсов ограничен длительностями 1÷5 мкс;
- форма генерируемого импульса и его амплитуда зависят от соотношения величин нагрузки и волнового сопротивления формирующей линии;
- дополнительные специфические требования на технические характеристики (однонаправленность тока) используемого коммутатора ограничивают область применения генератора.
Наиболее близким к предлагаемому генератору является выбранный в качестве прототипа генератор прямоугольных сигналов (заявка Японии №59-52571, МПК3 Н03К 3/53, опубл. 20.12.84). Данный генератор прямоугольных импульсов содержит источник напряжения постоянного тока; цепочку, состоящую из последовательно соединенных зарядного резистора и первого выключателя (коммутатора), включенную между положительным выводом источника напряжения и первой выходной клеммой; перезаряжаемый конденсатор, подключенный между точкой соединения зарядного резистора и первого выключателя и отрицательным выводом источника напряжения; цепочку, которая включена параллельно конденсатору, состоящую из последовательно соединенных второго выключателя и элемента, ограничивающего ток, и снимающего отрицательный заряд конденсатора. После замыкания первого выключателя замыкается второй выключатель, в результате чего на нагрузку (резистор), подключенную к выходным клеммам, подается прямоугольный импульс большой мощности.
Однако прототип имеет следующие недостатки:
- задний фронт генерируемого импульса формируется при замыкании второго выключателя и разряде конденсатора, поэтому длительность заднего фронта увеличивается при увеличении емкости конденсатора;
- данное устройство не позволяет формировать крутой задний фронт, если к спаду вершины предъявляются повышенные требования, т.к. необходимо в данном случае увеличивать емкость конденсатора;
- генератор не позволяет формировать прямоугольные импульсы в широком диапазоне длительностей, особенно, если нагрузка имеет активный характер и является низкоомной.
Техническая задача: создание генератора прямоугольных импульсов, позволяющего формировать импульсы прямоугольной формы с крутыми фронтами положительной и отрицательной полярностей на нагрузке любого типа в широком диапазоне длительностей и амплитуд.
Технический результат: предлагаемый генератор обладает повышенной помехоустойчивостью, позволяет формировать прямоугольные импульсы с крутыми передним и задним фронтами любой полярности на нагрузке любого типа в широком диапазоне длительностей и амплитуд.
Поставленный технический результат достигается следующим образом. Заявляется генератор прямоугольных импульсов, содержащий источник напряжения постоянного тока, цепочку, состоящую из последовательно соединенных первого зарядного резистора, первого коммутатора, включенную между положительным выводом источника напряжения и первой выходной клеммой; первый накопительный конденсатор, подключенный между точкой соединения первого зарядного резистора и первого коммутатора и отрицательным выводом источника напряжения, соединенным со второй выходной клеммой, второй коммутатор, первый резистор, подключенный между первой и второй выходными клеммами.
В отличие от прототипа заявляемое устройство дополнительно содержит цепочку из последовательно соединенных второго зарядного резистора, второго накопительного конденсатора и второго резистора, подключенную между положительным и отрицательным выводами источника напряжения, третий коммутатор, третью выходную клемму, причем один электрод второго коммутатора подключен между точкой соединения второго зарядного резистора и второго накопительного конденсатора, а другой электрод - к отрицательному выводу источника напряжения; один электрод третьего коммутатора подключен к первой выходной клемме, а его другой электрод подключен к общей точке соединения второго накопительного конденсатора и второго резистора и соединен с третьей выходной клеммой.
Введение в схему дополнительного коммутатора позволяет обеспечить гальваническую развязку контуров первого и второго конденсаторов и исключить взаимное влияние контуров при запуске первого или второго коммутаторов.
Благодаря использованию всей совокупности признаков формулы при синхронизированном во времени запуске первого и второго коммутаторов и срабатывании третьего коммутатора как в режиме самопробоя, так и в управляемом режиме, на первой и второй клеммах и на третьей и второй клеммах формируется прямоугольный импульс с крутыми передним и задним фронтами. В заявленной конструкции генератора параметры разрядных контуров можно сделать одинаковыми. Поскольку крутизна переднего фронта определяется паразитными параметрами разрядных контуров, то при формировании заднего фронта выходного прямоугольного импульса на нагрузке суммируются разнополярные перепады напряжений, происходит компенсация влияния паразитных параметров и крутизна заднего фронта импульса выше крутизны переднего фронта и не зависит от величины емкостей первого и второго конденсаторов.
Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг.1 представлена принципиальная схема заявляемого генератора прямоугольных импульсов, а на Фиг.2 изображена временная диаграмма работы генератора.
0
зap.1
1
0
1
зap.1
1
0
2
1
Генератор прямоугольных импульсов содержит источник напряжения постоянного тока 1 (U), цепочку, состоящую из последовательно соединенных первого зарядного резистора 2 (R), первого коммутатора 3 (K), включенную между положительным выводом источника напряжения 1 (U) и первой выходной клеммой 4; первый накопительный конденсатор 5 (C), подключенный между точкой соединения первого зарядного резистора 2 (R) и первого коммутатора 3 (K) (в качестве коммутатора м.б. использован тиратрон ТПИ1-1К/20) и отрицательным выводом источника напряжения 1 (U), соединенным со второй выходной клеммой 6, второй коммутатор 7 (К), первый резистор 8 (R), подключенный между первой 4 и второй 6 выходными клеммами.
зap.2
2
2
0
3
2
зap.2
2
0
3
2
2
Генератор также содержит цепочку из последовательно соединенных второго зарядного резистора 9 (R), второго накопительного конденсатора 10 (С) и второго резистора 11 (R), подключенную между положительным и отрицательным выводами источника напряжения 1 (U), третий коммутатор 12 (К), третью выходную клемму 13, причем один электрод второго коммутатора 7 (К) подключен между точкой соединения второго зарядного резистора 9 (R) и второго накопительного конденсатора 10 (С), а другой электрод - к отрицательному выводу источника напряжения 1 (U); один электрод третьего коммутатора 12 (К) подключен к первой выходной клемме 4, а его другой электрод подключен к общей точке соединения второго накопительного конденсатора 10 (С) и второго резистора 11 (R) и соединен с третьей выходной клеммой 13.
Генератор прямоугольных импульсов при формировании импульса положительной полярности работает следующим образом.
1
1
1
С1
0
3
0
3
2
2
0
При запуске и замыкании первого коммутатора 3 (K) в момент времени t на первом резисторе 8 (R) появляется перепад напряжения U≅U. Напряжение самопробоя третьего коммутатора 12 (К) выбирают больше величины зарядного напряжения U, поэтому третий коммутатор 12 (К) не срабатывает и напряжение на втором резисторе 11 (R) остается равным 0, а на аноде второго коммутатора 7 (К) - по-прежнему равным U.
2
2
2
C2
o
3
2
0
3
1
2
1
2
3
3
1
1
и
3
1
В момент времени t включается второй коммутатор 7 (К) и на втором резисторе 11 (R) появляется перепад напряжения U≅-U. Вследствие этого разность потенциалов на третьем коммутаторе 12 (К) в момент tскачком увеличивается до величины ~2U. Поэтому третий коммутатор 12 (К) срабатывает в режиме самопробоя. Первый и второй накопительные конденсаторы 5 (C) и 10 (С) разряжаются друг на друга через внутренние сопротивления первого, второго и третьего коммутаторов 3 (К), 7 (К) и 12 (К), а ток в момент t на первом резисторе 8 (R) становится равным 0. Таким образом на первом резисторе 8 (R) формируется прямоугольный импульс положительной полярности и длительностью t=t-t.
2
1
1
2
2
1
2
Для получения прямоугольного импульса отрицательной полярности достаточно изменить порядок включения во времени второго и первого коммутаторов 7 (К) и 3 (K), т.е первым в момент времени t включается второй коммутатор 7 (К), а в момент времени t включается первый коммутатор К и отрицательный прямоугольный импульс формируется на втором резисторе 11 (R).
3
1
2
Для того чтобы обеспечить возможность генерирования прямоугольных импульсов различной амплитуды и обеспечить высокую стабильность длительности выходного импульса, третий коммутатор 12 (К) может запускаться внешним сигналом, формируемым одновременно со срабатыванием первого К или второго К коммутаторов и формированием перепадов напряжения в зависимости от полярности выходных импульсов.
При соответствующем выборе параметров элементов заявляемый генератор позволяет формировать прямоугольные импульсы в очень широком временном диапазоне длительностей: от десятка наносекунд до миллисекунд при сохранении возможности получения предельно коротких фронтов.
2
5
Заявляемый генератор позволяет формировать прямоугольные импульсы с крутыми передним и задним фронтами любой полярности на нагрузке любого типа в широком диапазоне длительностей от десятка наносекунд до миллисекунд и амплитуд от 10 до 10 В.