ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для генерации однократных и повторяющихся высоковольтных импульсных сигналов с крутыми фронтами.
Известен генератор высоковольтных импульсов ГВИ-1 (1, Каталог ООО Комсигнал, г.Екатеринбург), предназначенный для испытаний электрической прочности изделий электротехники и воспроизводящий высоковольтные микросекундные импульсы напряжения с фронтом 1,2 мкс, длительностью 50 мкс и амплитудой от 1500 до 8000 В и создающий ток до 16 А в нагрузке 50 Ом. Недостатком этого генератора является слишком пологий фронт импульса и относительно небольшой выходной ток, ограниченный большим внутренним сопротивлением - 500 Ом.
Известен генератор импульсов VSS 500M12 (2, Каталог фирмы ЕМ TEST AG, Швейцария), воспроизводящий высоковольтные микросекундные импульсы напряжения с фронтом 1,2 мкс, длительностью 50 мкс и амплитудой от 500 до 12000 В и создающий ток до 24 А в нагрузке 50 Ом. Недостатком этого генератора также является недостаточно крутой фронт импульса и относительно небольшой выходной ток.
Во многих исследованиях требуются специальные генераторы, позволяющие получать импульсы напряжений с фронтом не более 5 не в широком диапазоне амплитуд от 10 В до 4 кВ при длительности импульсов до 15 мкс в режиме однократных или повторяющихся с частотой 0,5-1 Гц импульсов напряжений на нагрузке 25-50 Ом, например, при исследовании электронных компонентов и узлов на электрическую прочность и электромагнитную совместимость. Особенностью таких генераторов является то, что коммутируемые токи, протекающие в нагрузке, существенно больше по амплитуде и длительности, чем создаваемые генераторами - аналогами, а фронты импульсов напряжения на нагрузке остаются достаточно крутыми и составляют величину не более 5 нс.
Наиболее близким техническим решением к данному предложению является генератор импульсов с субнаносекундным фронтом на ртутном герконе (3, разработка института электрофизики УрО РАН), содержащий в качестве коммутатора ртутный геркон с электромагнитом и позволяющий получить импульсы напряжения с амплитудой до 3,50 кВ на нагрузке 50 Ом при длительности импульсов до 10 нс.
В состав генератора-прототипа также входят источник питания, формирующая линия (накопительный элемент), выходная коаксиальная линия с элементом нагрузки и блок управления.
Основной недостаток генератора - прототипа заключается в невозможности генерации однократных или повторяющихся импульсов напряжения при больших длительностях импульсов.
При увеличении напряжения на накопительном элементе и увеличении ее емкости происходит увеличение амплитуды и длительности импульса тока, протекающего через ртутный геркон и нагрузку тока. Это приводит к резкому увеличению энергии искры, возникающей при замыкании контактов геркона и, как следствие, к их свариванию. Особенно интенсивно этот процесс происходит при напряжениях на накопительном элементе свыше 2 кВ и длительности импульсов свыше 100 нс, что приводит к уменьшению надежности генератора и даже к его полной неработоспособности.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение надежности работы генератора при расширении динамического диапазона импульсных напряжений на нагрузке (до 4 кВ) и большем диапазоне длительностей импульсов (до 15 мкс) при величине фронта импульсов не более 5 нс.
Технический результат в генераторе импульсных сигналов, содержащий блок питания, блок управления, накопительный элемент, коммутатор в виде ртутного геркона с электромагнитом, а также коаксиальную линию с элементом нагрузки, причем электрически выход блока питания подключен через токоограничительный резистор к первому контакту ртутного геркона, к накопительному элементу и входу блока управления, причем второй контакт ртутного геркона соединен через коаксиальную линию с элементом нагрузки, а выход блока управления подключен к электромагниту ртутного геркона, достигается тем, что ртутный геркон наклонен таким образом, что его корпус образует угол с горизонтальной поверхностью величиной от 10 до 80°.
Существо предлагаемой полезной модели заключается в увеличении величины коммутируемого герконом тока, что:
- увеличивает амплитуду генерируемых на нагрузке 25-50 Ом напряжений до 4 кВ, при этом амплитуда коммутируемого ртутным герконом тока достигает 160 А;
- расширяет диапазон длительностей импульсов напряжения до 15 мкс;
- предотвращает сваривание контактов ртутного геркона при работе генератора в режиме экстремальных нагрузок величиной до 25 Ом.
Структурная схема предлагаемого генератора импульсных сигналов представлена на фиг.1.
Принятые обозначения. Генератор содержит блок питания 1, коммутатор 2, содержащий токоограничительный резистор 3, накопительный элемент 4, ртутный геркон 5 и электромагнит 6, а также коаксиальную линию 7 с элементом нагрузки 8 и блок управления 9.
В генераторе использованы выпускаемые промышленностью элементы: токоограничительный резистор 3 типа С2-33-1, накопительный элемент 4 - конденсатор типа К73-14, ртутный геркон 5 типа КРМ-6, коаксиальная линия 7 типа РК50-4-21.
В генераторе использованы также блок питания 1 и блок управления 9 (разработки заявителя по теме 03070).
Алгоритм работы генератора задается блоком управления 9, реализованном на микропроцессоре типа PIC16F877-I/P. При включении генератора микропроцессор осуществляет индикацию ранее установленных режимов работы - амплитуды импульсов напряжения, их полярности и длительности - на жидкокристаллическом дисплее в цифровом виде (в формуле не фигурируют и на чертеже не представлены). Амплитуда импульсов напряжения и их полярность могут быть изменены с помощью кнопок управления микропроцессором.
Генератор импульсных сигналов работает следующим образом.
Высокое напряжение на выходе блока питания 1 запускается кнопкой «Пуск» после включения генератора и установки необходимого режима работы, при этом через токоограничительный резистор 3 заряжается накопительный элемент 4. В момент достижения на накопительном элементе 4 заданной с помощью микропроцессора величины напряжения на электромагнит 6 подается импульс тока, контакты ртутного геркона 5 замыкаются, и начинается разряд накопительного элемента 4 через коаксиальную линию 7 на элемент нагрузки 8. Импульс напряжения может быть однократным или повторяющимся с длительностью до 15 мкс и с частотой до 1 Гц, положительной или отрицательной полярности.
В генераторе-прототипе при длительной работе коммутатора с большой емкостью накопительного элемента (формирующей линии) возможен локальный нагрев поверхности магнитных контактов геркона из-за недостаточно толстой пленки ртути на их поверхности. Это приводит к тому, что при достаточно большой энергии искры коммутируемого тока пленка ртути на контактах геркона в месте механического соприкосновения испаряется, при этом резко возрастает вероятность сваривания контактов геркона, что приводит к прекращению работы генератора.
В предлагаемом генераторе этот недостаток устранен путем отклонения корпуса ртутного геркона от вертикальной оси на угол от 10 до 80° (в зависимости от типа геркона и особенностей его конструкции), при этом за счет смачивания ртутью поверхности контактов геркона увеличивается толщина ртутной пленки на его контактах в месте механического соприкосновения, что приводит к резкому увеличению его ресурса (по числу срабатываний на 3-4 порядка) при выходных напряжениях до 4 кВ на нагрузке 25-50 Ом. При этом амплитуда тока в элементе нагрузки в 2,3 раза больше, чем в генераторе - прототипе, а коммутируемая энергия больше на 3 порядка.
Применение предложенного режима работы геркона 5 позволяет увеличить его ресурс и надежность работы генератора в целом.
Из-за увеличения надежности работы генератора импульсных сигналов расширяется диапазон типов установок, создающих импульсы высокого напряжения, на которых возможно применение генератора.
Литература. 1. Каталог ООО «Комсигнал», Екатеринбург (http://www.comsignal.ru).
2. Каталог ЕМ Test AG, Швейцария (http://www.emtest.com).
3. Дядьков А.Н., Иванов С.Н., Ульмаскулов М.Р. Генераторы импульсов с субнаносекундным фронтом на ртутном герконе. ПТЭ. 1998. №3. С.69-72.