УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АМПЛИТУДОЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ОДНОПОЛЯРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
DEVICE FOR CONTROLLING AMPLITUDE OF HIGH-VOLTAGE UNIPOLAR PULSES

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах возбуждения СВЧ-генераторов на лавинно-пролетных диодах и диодах Ганна.
Известно устройство управления амплитудой однополярных импульсов, являющееся одновременно устройством защиты усилителя однополярных импульсов от рассогласования по выходу и от перегрузки по входу [1], содержащее трансформатор тока, выполненный на основе ферритового кольца. Первичная обмотка трансформатора выполнена в виде продетого сквозь ферритовое кольцо полоскового проводника, начало которого подключено к выходу защищаемого усилителя, а конец - к нагрузке усилителя. Вторичная обмотка выполнена из навитого на ферритовое кольцо провода, первый конец которого подключен к общему для усилителя и цепи обратной связи проводнику, а второй конец образует второй выход трансформатора тока. В состав устройства входят также детектор, вход которого подключен ко второму выходу трансформатора тока, блок управления, вход которого соединен с выходом детектора, резистор, выводы которого охватывают ферритовое кольцо с обеих сторон и гальванически соединены между собой, биполярный транзистор, база которого подключена к выходу блока управления, коллектор транзистора соединен с общим для усилителя и цепи обратной связи проводником, а эмиттер транзистора образует выход цепи обратной связи, подключенный к входу усилителя. Недостатком такого устройства управления амплитудой импульсов является малый динамический диапазон сигналов на выходе устройства управления, ограниченный амплитудой выходных импульсов, равной 10…15 В, что обусловлено малыми предельно допустимыми напряжениями база-эмиттер современных транзисторов [2].
Известно также устройство управления амплитудой однополярных импульсов, содержащее вход и выход устройства управления, биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с выходом устройства управления, а коллектор - с общим для всего устройства проводником, первый резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - с входом устройства управления, второй резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, и конденсатор, первый вывод которого соединен с базой биполярного транзистора, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником [3, рис.4.2]. Недостатком такого устройства управления амплитудой однополярных импульсов является малый динамический диапазон сигналов на выходе устройства управления, ограниченный амплитудой выходных импульсов, равной 10... 15 В, что также обусловлено малыми предельно допустимыми напряжениями база-эмиттер современных транзисторов.
Наиболее близким к заявляемому объекту по максимальному числу существенных признаков является устройство управления амплитудой однополярных импульсов, содержащее вход и выход устройства управления, биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с выходом устройства управления, первый резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - с входом устройства управления, второй резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, конденсатор, первый вывод которого соединен с общим для всего устройства проводником, и полупроводниковый диод, анод которого соединен с базой биполярного транзистора, а катод - со вторым выводом конденсатора [4, рис.1]. Устройство-прототип является частью возбудителя СВЧ-генератора, содержащего кроме устройства управления ограничитель, двухтранзисторной импульсный усилитель и выходной истоковый повторитель напряжения [4, рис.1].
Недостатком устройства-прототипа является малый динамический диапазон сигналов на его выходе, ограниченный допустимым напряжением коллектор-эмиттер используемого управляющего биполярного транзистора.
Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - создание устройства управления амплитудой высоковольтных однополярных импульсов, обеспечивающего более высокий динамический диапазон сигналов на его выходе (до значений, вдвое превышающих предельно допустимые напряжения коллектор-эмиттер современных биполярных транзисторов).
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство управления амплитудой однополярных импульсов, содержащее вход и выход устройства управления, биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с выходом устройства управления, первый резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - с входом устройства управления, второй резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, конденсатор, первый вывод которого соединен с общим для всего устройства проводником, и полупроводниковый диод, анод которого соединен с базой биполярного транзистора, а катод - со вторым выводом конденсатора, введены дополнительный биполярный транзистор, коллектор которого соединен с общим для всего устройства проводником, а эмиттер - с коллектором упомянутого выше биполярного транзистора, дополнительный конденсатор, первый вывод которого соединен с общим для всего устройства проводником, дополнительный полупроводниковый диод, анод которого соединен с базой дополнительного биполярного транзистора, а катод - со вторым выводом дополнительного конденсатора, сдвоенные переменные резисторы, первый неподвижный контакт первого переменного резистора соединен с общим для всего устройства проводником, второй неподвижный контакт первого переменного резистора - с источником питания устройства управления амплитудой высоковольтных однополярных импульсов, а его подвижный контакт - с катодом полупроводникового диода, первый неподвижный контакт второго переменного резистора соединен с общим для всего устройства проводником, а его подвижный контакт - с катодом дополнительного полупроводникового диода, и третий резистор, первый вывод которого соединен со вторым неподвижным контактом второго переменного резистора, а его второй вывод - с названным источником питания.
На фиг.1 и 2 представлены принципиальная электрическая схема предложенного устройства управления амплитудой высоковольтных однополярных импульсов и принципиальная электрическая схема макета такого устройства.
Устройство управления амплитудой высоковольтных однополярных импульсов содержит вход и выход устройства управления, биполярный транзистор 1, эмиттер которого соединен с выходом устройства управления, первый резистор 2, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора 1, а второй вывод - с входом устройства управления, второй резистор 3, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора 1, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, конденсатор 4, первый вывод которого соединен с общим для всего устройства проводником, полупроводниковый диод 5, анод которого соединен с базой биполярного транзистора 1, а катод - со вторым выводом конденсатора 4, дополнительный биполярный транзистор 6, коллектор которого соединен с общим для всего устройства проводником, а эмиттер - с коллектором упомянутого выше биполярного транзистора 1, дополнительный конденсатор 7, первый вывод которого соединен с общим для всего устройства проводником, дополнительный полупроводниковый диод 8, анод которого соединен с базой дополнительного биполярного транзистора 6, а катод - со вторым выводом дополнительного конденсатора 7, сдвоенные переменные резисторы 9 и 10, первый неподвижный контакт первого переменного резистора 9 соединен с общим для всего устройства проводником, второй неподвижный контакт первого переменного резистора 9 - с источником питания, а его подвижный контакт - с катодом полупроводникового диода 5, первый неподвижный контакт второго переменного резистора 10 соединен с общим для всего устройства проводником, а его подвижный контакт - с катодом дополнительного полупроводникового диода 8, и третий резистор 11, первый вывод которого соединен со вторым неподвижным контактом второго переменного резистора 10, а его второй вывод - с источником питания. При равенстве допустимых напряжений коллектор-эмиттер биполярного транзистора 1 и дополнительного биполярного транзистора 6 сопротивления второго переменного резистора 10 и третьего резистора 11 выбираются равными. В этом случае постоянное напряжение на подвижном контакте первого переменного резистора 9, сдвоенных переменных резисторов 9 и 10 в любом положении подвижных контактов будет в два раза превышать напряжение на подвижном контакте второго переменного резистора 10.
Устройство управления амплитудой высоковольтных однополярных импульсов работает следующим образом. При подаче на вход устройства управления импульсов, имеющих амплитуду, превышающую значение постоянного напряжения, установленного на подвижном контакте первого переменного резистора 9, полупроводниковый диод 5 открывается и на базе биполярного транзистора 1 устанавливается напряжение, равное напряжению на подвижном контакте первого переменного резистора 9. Поэтому, как только амплитуда импульса на выходе устройства управления становится равной напряжению на подвижном контакте первого переменного резистора 9, биполярный транзистор 1 открывается. При открывании биполярного транзистора 1 возрастающее напряжение на его коллекторе приводит к открыванию дополнительного полупроводникового диода 8. На базе дополнительного биполярного транзистора 6 устанавливается напряжение, равное напряжению на подвижном контакте второго переменного резистора 10. Дополнительный биполярный транзистор 6, также как и биполярный транзистор 1, открывается, что препятствует дальнейшему росту импульсного тока в нагрузке. Поскольку напряжение на базе дополнительного биполярного транзистора 6 всегда вдвое меньше напряжения на базе биполярного транзистора 1, напряжения на переходах коллектор-эмиттер биполярного транзистора 1 и дополнительного биполярного транзистора 6 будут всегда равными. Исходя из этого максимальная амплитуда сигналов на выходе устройства управления может достигать значения, равного удвоенной величине допустимого напряжения на переходах коллектор-эмиттер биполярного транзистора 1 и дополнительного биполярного транзистора 6.
Транзистор 1 на фиг.1 соответствует транзистору VT2 на фиг.2, резистор 2 на фиг.1 - резистору R4 на фиг.2, и резистор 3 на фиг.1 - резистору R5 на фиг.2. Конденсатор 4 на фиг.1 соответствует конденсатору C2 на фиг.2, полупроводниковый диод 5 на фиг.1 - полупроводниковому диоду VD2 на фиг.2, и транзистор 6 на фиг.1 - транзистору VT1 на фиг.2. Конденсатор 7 на фиг.1 соответствует конденсатору С1 на фиг.2, полупроводниковый диод 8 на фиг.1 - полупроводниковому диоду VD1 на фиг.2. Переменный резистор 9 на фиг.1 соответствует переменному резистору R3 на фиг.2, переменный резистор 10 на фиг.1 - переменному резистору R1 на фиг.2, и резистор 11 на фиг.1 - резистору R2 на фиг.2.
Экспериментальное исследование макета устройства управления, принципиальная электрическая схема которого приведена на фиг.2, проводилось с использованием модифицированного мощного импульсного усилителя описанного в [5] и позволявшего получать на выходе амплитуду импульса до 120 В. В результате исследований установлено, что при работе на нагрузку с сопротивлением, равным 1 кОм, устройство управления позволяет изменять импульсное напряжение на нагрузке в пределах от 2,7 В до 112 В. Макет устройства управления, реализованный по схеме прототипа, не позволял получать на нагрузке импульсное напряжение более 60 В, что было обусловлено пробоем перехода коллектор-эмиттер транзистора.
Предложенное устройство управления амплитудой высоковольтных однополярных импульсов по сравнению с устройством-прототипом обеспечивает расширение динамического диапазона сигналов на его выходе до значений, вдвое превышающих предельно допустимые напряжения коллектор-эмиттер современных биполярных транзисторов.
Источники информации
1. Титов А.А., Семенов А.В., Пушкарев В.П. Устройство защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току / Патент РФ №2328818 - Опубл. 10.07.2008. Бюл. №19.
2. Петухов В.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник в 4-х томах. - М.: КУбК-а, 1997.
3. Титов А.А. Устройства управления амплитудой на основе эффекта двухстороннего ограничения мощных сигналов биполярным транзистором с закрытыми переходами. - Томск. Изд-во ТУСУРа, 2012. -191 с.
4. Пушкарев В.П., Титов А.А., Бахарева Д.В., Кочумеев В.А., Шухлов И.В. Унифицированный СВЧ-генератор для систем ближней радиолокации // Материалы докладов 22-й Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Украина, Севастополь, 10-14 сентября 2012 г. - С.108-109. - прототип.
5. Титов А.А., Пушкарев В.П., Авдоченко Б.И., Пелявин Д.Ю., Юрченко В.И. Импульсный СВЧ-генератор на диоде Ганна // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. - 2010. - Вып.№3. - С.38- 46.