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

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано в системах возбуждения СВЧ-генераторов на лавинно-пролетных диодах и диодах Ганна.
Известно устройство регулирования амплитуды высоковольтных однополярных импульсов [1], содержащее вход и выход устройства регулирования, биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с выходом устройства регулирования, а коллектор - с общим для всего устройства проводником, первый резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - с входом устройства регулирования, второй резистор, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, потенциометр, первый крайний контакт которого соединен с источником питания, а второй крайний контакт - с общим для всего устройства проводником, конденсатор, первый вывод которого соединен с подвижным контактом потенциометра, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, и полупроводниковый диод, анод которого соединен с базой биполярного транзистора, а катод - с подвижным контактом потенциометра. Недостатком такого устройства является то, что амплитуда управляемых сигналов, подаваемых на вход устройства управления, ограничена величиной предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер используемого биполярного транзистора.
Известно также устройство управления амплитудой мощных однополярных импульсов, являющееся одновременно устройством защиты усилителя однополярных импульсов от рассогласования по выходу и от перегрузки по входу, содержащее трансформатор тока, выполненный в виде ферритового кольца и двух обмоток. Первичная обмотка выполнена в виде продетого сквозь ферритовое кольцо полоскового проводника, концы которого образуют вход и первый выход трансформатора тока. Вход трансформатора подключен к выходу защищаемого усилителя, а первый выход - 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 [2]. Недостатком такого устройства управления амплитудой мощных однополярных импульсов является то, что амплитуда управляемых сигналов, подаваемых на вход устройства управления, ограничена величиной предельно допустимого напряжения коллектор-эмиттер используемого биполярного транзистора.
Наиболее близким к заявляемому объекту по максимальному числу существенных признаков является устройство управления амплитудой импульсов с последовательным включением биполярного транзистора в тракт передачи, содержащее вход и выход устройства управления, биполярный транзистор, коллектор которого соединен с входом устройства управления, а эмиттер - с выходом устройства управления, резистор, первый вывод которого соединен с коллектором биполярного транзистора, а второй вывод - с базой биполярного транзистора, и полупроводниковый диод, анод, которого соединен с базой биполярного транзистора [3, рис.7, 14].
Недостатком устройства-прототипа является малый динамический диапазон управляемых сигналов, подаваемых на вход устройства управления, ограниченный допустимым напряжением коллектор-эмиттер используемого управляющего биполярного транзистора.
Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - создание устройства управления амплитудой высоковольтных импульсов, обеспечивающего более высокий динамический диапазон управляемых сигналов, подаваемых на вход устройства управления (до значений, вдвое превышающих предельно допустимые напряжения коллектор-эмиттер современных биполярных транзисторов).
Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство управления амплитудой высоковольтных импульсов, содержащее вход и выход устройства управления, биполярный транзистор, коллектор которого соединен с входом устройства управления, резистор, первый вывод которого соединен с коллектором биполярного транзистора, а второй вывод - с базой, полупроводниковый диод, анод которого соединен с базой биполярного транзистора, введены дополнительный биполярный транзистор, коллектор которого соединен с эмиттером биполярного транзистора, а эмиттер - с выходом устройства управления, первый дополнительный резистор, первый вывод которого соединен с коллектором биполярного транзистора, а второй вывод - с базой дополнительного биполярного транзистора, дополнительный полупроводниковый диод, анод которого соединен с базой дополнительного биполярного транзистора, первый конденсатор, первый вывод которого соединен с общим для всего устройства проводником, а второй вывод - с катодом полупроводникового диода, второй конденсатор, первый вывод которого соединен с общим для всего устройства проводником, а второй вывод - с катодом дополнительного полупроводникового диода, сдвоенные переменные резисторы, первый неподвижный контакт первого переменного резистора соединен с источником питания устройства управления амплитудой высоковольтных импульсов, второй неподвижный контакт первого переменного резистора - с общим для всего устройства проводником, а его подвижный контакт - с катодом дополнительного полупроводникового диода, первый неподвижный контакт второго переменного резистора соединен с источником питания устройства управления амплитудой высоковольтных импульсов, а его подвижный контакт - с катодом полупроводникового диода, и второй дополнительный резистор, первый вывод которого соединен со вторым неподвижным контактом второго переменного резистора, а его второй вывод - с общим для всего устройства проводником.
На фиг.1 и 2 представлены принципиальная электрическая схема предложенного устройства управления амплитудой высоковольтных импульсов и принципиальная электрическая схема макета такого устройства.
Устройство управления амплитудой высоковольтных импульсов содержит вход и выход устройства управления, биполярный транзистор 1, коллектор которого соединен с входом устройства управления, резистор 2, первый вывод которого соединен с коллектором биполярного транзистора 1, а второй вывод - с базой, полупроводниковый диод 3, анод которого соединен с базой биполярного транзистора 1, дополнительный биполярный транзистор 4, коллектор которого соединен с эмиттером биполярного транзистора 1, а эмиттер - с выходом устройства управления, первый дополнительный резистор 5, первый вывод которого соединен с коллектором биполярного транзистора 1, а второй вывод - с базой дополнительного биполярного транзистора 4, дополнительный полупроводниковый диод 6, анод которого соединен с базой дополнительного биполярного транзистора 4, первый конденсатор 7, первый вывод которого соединен с общим для всего устройства проводником, а второй вывод - с катодом полупроводникового диода 3, второй конденсатор 8, первый вывод которого соединен с общим для всего устройства проводником, а второй вывод - с катодом дополнительного полупроводникового диода 6, сдвоенные переменные резисторы 9 и 10, первый неподвижный контакт первого переменного резистора 9 соединен с источником питания устройства управления амплитудой высоковольтных импульсов, второй неподвижный контакт первого переменного резистора 9 - с общим для всего устройства проводником, а его подвижный контакт - с катодом дополнительного полупроводникового диода 6, первый неподвижный контакт второго переменного резистора 10 соединен с источником питания устройства управления амплитудой высоковольтных импульсов, а его подвижный контакт - с катодом полупроводникового диода 3, и второй дополнительный резистор 11, первый вывод которого соединен со вторым неподвижным контактом второго переменного резистора 10, а его второй вывод - с общим для всего устройства проводником.
Устройство управления амплитудой высоковольтных импульсов работает следующим образом. Напряжение источника питания устройства управления амплитудой высоковольтных импульсов выбирается равным амплитуде управляемых импульсов, подаваемых на вход устройства управления, а сопротивления переменных резисторов 9 и 10 и сопротивление второго дополнительного резистора 11 выбираются одинаковой величины. В этом случае при любом положении подвижных контактов переменных резисторов 9 и 10 разность напряжений между катодом полупроводникового диода 3 и катодом дополнительного полупроводникового диода 6 будет равна разности амплитуды напряжения управляемых импульсов, подаваемых на вход устройства управления, и напряжения имеющегося на катоде полупроводникового диода 3. При изменении положения подвижных контактов переменных резисторов 9 и 10 будет изменяться амплитуда напряжения импульсов на выходе устройства управления, численно равная постоянному напряжению на катоде дополнительного полупроводникового диода 6. Амплитуда импульсного напряжения на эмиттере биполярного транзистора 1 будет равна постоянному напряжению на катоде полупроводникового диода 3. В этом случае при минимальной амплитуде выходных импульсов все напряжение управляемых импульсов, подаваемых на вход устройства управления, будет распределяться поровну между переходами коллектор-эмиттер биполярного транзистора 1 и коллектор-эмиттер дополнительного биполярного транзистора 4. Поэтому динамический диапазон управляемых сигналов увеличивается, по сравнению с прототипом, до значения, равного сумме предельно допустимых напряжений коллектор-эмиттер используемых биполярного транзистора 1 и дополнительного биполярного транзистора 4.
Транзистор 1 на фиг.1 соответствует транзистору VT1 на фиг.2. Резистор 2 на фиг.1 соответствует резистору R1 на фиг.2. Полупроводниковый диод 3 на фиг.1 соответствует полупроводниковому диоду VD1 на фиг.2. Транзистор 4 на фиг.1 соответствует транзистору VT2 на фиг.2. Резистор 5 на фиг.1 соответствует резистору R2 на фиг.2. Полупроводниковый диод 6 на фиг.1 соответствует полупроводниковому диоду VD2 на фиг.2. Конденсатор 7 на фиг.1 соответствует конденсатору С1 на фиг.2. Конденсатор 8 на фиг.1 соответствует конденсатору С2 на фиг.2. Переменный резистор 9 на фиг.1 соответствует переменному резистору R5 на фиг.2. Переменный резистор 10 на фиг.1 соответствует переменному резистору R4 на фиг.2. Резистор 11 на фиг.1 соответствует резистору R3 на фиг.2.
Экспериментальное исследование макета устройства управления, принципиальная электрическая схема которого приведена на фиг.2, проводилось с использованием мощного импульсного усилителя, описанного в [4], и позволяющего получить на выходе максимальное импульсное напряжение 120 В при максимальном выходном токе в импульсе 25 А. В результате исследований установлено, что при работе на нагрузку сопротивлением 10 Ом и более, амплитуда управляемых сигналов, подаваемых на вход устройства управления, ограничена суммой предельно допустимых напряжений коллектор-эмиттер биполярных транзисторов VT1 и VT2 и составляет величину 100 В. Макет устройства управления, реализованный по схеме прототипа, не позволял подавать на вход импульсы амплитудой более 50 В, что было обусловлено пробоем перехода коллектор-эмиттер управляющего транзистора.
Предложенное устройство управления амплитудой высоковольтных импульсов по сравнению с устройством-прототипом обеспечивает расширение динамического диапазона управляемых сигналов, подаваемых на вход устройства управления, до значений, вдвое превышающих предельно допустимые напряжения коллектор-эмиттер современных биполярных транзисторов.
Источники информации
1. Титов А.А., Семенов А.В. Устройство регулирования амплитуды высоковольтных однополярных импульсов // Патент РФ №2477563. - Опубл. 10.03.2013. Бюл. №7.
2. 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.
3. Устройства управления амплитудой на основе эффекта двухстороннего ограничения мощных сигналов биполярным транзистором с закрытыми переходами / А.А. Титов. - Томск: Изд-во Томск, гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2012. - 191 с. - Прототип.
4. Титов А.А., Пушкарев В.П., Авдоченко Б.И., Юрченко В.И. Мощный импульсный усилитель для радиолокационных и навигационных систем // Приборы и техника эксперимента. - 2009. - №4. - С.95-97.