РЕЛАКСАЦИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ НА ЛАВИННОМ ТРАНЗИСТОРЕ С НИЗКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ
RELAXATION PULSE GENERATOR ON AVALANCHE TRANSISTOR WITH LOW SUPPLY VOLTAGE

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных схемах различного назначения, питаемых от низковольтных источников, например гальванических или солнечных батарей, низковольтных аккумуляторов и пр.
Известен генератор наносекундных импульсов, основанный на базовой схеме, с использованием S-образной вольтамперной характеристики лавинного транзистора со стороны коллектора (В.П. Дьяконов. Лавинные транзисторы и тиристоры. Теория и применение. Серия «Компоненты и технологии». - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2012, с 58). Схема этого генератора является основой для большинства устройств, выполненных на лавинных транзисторах. Она содержит цепь питания базы, служащую для создания условий лавинного пробоя, в которую входят резистор, ограничивающий ток базы от источника запирающего напряжения, разделительный конденсатор для передачи импульса запуска на базу и защитный диод, включенный встречно-параллельно с переходом эмиттер-база лавинного транзистора, зарядный резистор, через который осуществляется заряд накопительного конденсатора, и резистор нагрузки, включенный последовательно в цепь разряда накопительного конденсатора через лавинный транзистор.
Недостатком генератора на основе этой схемы является низкий КПД заряда накопительного конденсатора через зарядный резистор, асимптотически приближающийся к 50% при приближении напряжения заряда к напряжению источника питания (см., например, Я.Б. Зельдович, И.М. Яглом. Высшая математика для начинающих физиков и техников. М.: Наука, с. 380). Если для сокращения интервалов между импульсами напряжение питания поднимают выше требуемого напряжения заряда, то, независимо от величины зарядного резистора, КПД заряда приближается к нулю, так как падение напряжения на балластном резисторе и, следовательно, выделяемая на нем мощность соответственно возрастают. Этим фактором, в частности, объясняются низкие возможности повышения частоты следования импульсов для этой схемы заряда. Применение источников тока для повышения частоты импульсов значительно усложняет конструкцию, не решая проблемы потерь на тепловыделение и уменьшения нагрузки на лавинный транзистор при переключениях.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является генератор импульсов тока на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольт-амперной характеристики со стороны коллектора (Патент РФ №2557475 H03K 3/335, опубл. 20.07.2015), который содержит зарядный дроссель, один вывод которого подключен к источнику питания, а второй - к коллектору лавинного транзистора и к первому выводу накопительного конденсатора, другой вывод которого через нагрузку соединен с эмиттером лавинного транзистора и общим проводом.
Недостатками данного устройства являются свойственное большинству генераторов на лавинных транзисторах высокое напряжение питания (даже уменьшенное в два раза), необходимость подбора напряжения источника питания при замене типа транзистора, а иногда и другого транзистора того же типа, а также необходимость запускающего импульса и источника запирающего напряжения для нормальной работы генератора.
Предлагаемое изобретение направлено на создание легкоуправляемой энергосберегающей схемы генератора импульсов наносекундного диапазона, техническим результатом применения которой является обеспечение самозапуска генератора и возможность использования низковольтных источников питания, что особенно важно в длительно изолированных системах, использующих источники энергии низкого качества, например солнечные батареи или радиоактивность.
Поставленная задача решается генератором импульсов на лавинном транзисторе с использованием S-образной вольтамперной характеристики со стороны коллектора, содержащим накопительный конденсатор, подключенный первым выводом к коллектору лавинного транзистора, а вторым выводом через первый резистор соединенный с эмиттером лавинного транзистора и общим проводом, первый диод, включенный встречно-параллельно переходу эмиттер-база лавинного транзистора, в отличие от прототипа содержащим второй диод, компенсирующий конденсатор, второй резистор и трансформаторный дроссель, первичная и вторичная обмотки которого разнополярно подключены к источнику питания. Другой вывод первичной обмотки соединен с коллектором лавинного транзистора и первым выводом накопительного конденсатора. Другой вывод вторичной обмотки соединен с первым выводом компенсирующего конденсатора и анодом второго диода, катод которого через второй резистор соединен с базой лавинного транзистора, вторым выводом компенсирующего конденсатора и катодом первого диода.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг. 1 представлена электрическая схема релаксационного генератора импульсов на лавинном транзисторе с низким напряжением питания, на Фиг. 2 - график напряжения на коллекторе при заряде и разряде накопительного конденсатора в ждущем режиме.
Генератор импульсов (Фиг. 1) содержит лавинный транзистор (ЛТ) 1, трансформаторный дроссель 2, первичная I и вторичная II обмотки которого разнополярно подключены к источнику питания Ек, накопительный конденсатор 3, первый резистор 4, первый диод 5, второй резистор 6, второй диод 7 и компенсирующий конденсатор 8. Другой вывод первичной обмотки I трансформаторного дросселя 2 соединен с первым выводом накопительного конденсатора 3 и коллектором ЛТ 1; другой вывод вторичной обмотки II подключен через последовательно соединенные второй диод 7 и второй резистор 6, а также через включенный параллельно им компенсирующий конденсатор 8 к базе ЛТ 1. Первый диод 5 включен встречно-параллельно переходу эмиттер-база ЛТ 1. Второй вывод накопительного конденсатора 3 соединен через первый резистор 4 с эмиттером ЛТ, анодом первого диода и общим проводом. Выходной импульс снимается с первого резистора 4. Запускающий импульс отрицательной полярности подается через второй резистор 6 на базу ЛТ 1.
Схема в режиме релаксации работает следующим образом.
β′
До наступления условий лавинного пробоя ЛТ 1 работает как простой транзистор в составе блокинг-генератора. При включении источника питания Ек транзистор 1 открывается током через вторичную обмотку II трансформаторного дросселя 2, второй диод 7 и второй резистор 6, ограничивающий этот ток. Участием компенсирующего конденсатора 8 малой емкости и обратным током запертого первого диода 5 на этом этапе можно пренебречь. Транзистор 1 входит в насыщение, ток первичной обмотки I трансформаторного дросселя 2 возрастает и в некоторый момент превышает величину, соответствующую насыщенному состоянию транзистора 1. В результате развивается обычный для блокинг-генератора (Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: «Энергия», 1977, с. 572) лавинообразный процесс запирания транзистора 1, в котором основную роль играет положительная обратная связь, выражающаяся в резком понижении потенциала второго вывода вторичной обмотки II относительно общего провода и смене направления тока вторичной обмотки. Ток обратного направления вторичной обмотки состоит из трех составляющих: обратного тока второго диода 7 и зарядных токов емкостей второго диода 7 и конденсатора 8, компенсирующих эффект Миллера (Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: в 2 т.: пер. с нем. - Т. 1. - М.: Додека-XXI, 2008, с. 149) при росте напряжения на коллекторе транзистора 1, а также обеспечивающих прямой ток первого диода 5 для создания запирающего напряжения на базе. Основная часть накопленной магнитной энергии трансформаторного дросселя 2 переходит в заряд накопительного конденсатора 3. Компенсация эффекта Миллера и запирающее напряжение на базе предотвращают преждевременное открывание транзистора 1 и повышают напряжение U лавинного пробоя. Если энергии, накопленной дросселем, достаточно, накопительный конденсатор 3 заряжается до лавинного пробоя транзистора. С этого момента транзистор 1 работает как лавинный. Поскольку накопленная магнитная энергия при заданной величине напряжения Ек зависит от тока базы ЛТ 1, то требуемое напряжение лавинного пробоя определяет нужную величину второго (ограничительного) резистора 6.
0
1
0
1
1
β′
β
3
β
1
2
3
0
С момента включения источника питания или выхода ЛТ 1 из насыщения после очередного процесса лавинного пробоя до накопления тока намагничивания дросселя, достаточного для заряда конденсатора до напряжения лавинного пробоя, может быть относительно большой интервал времени по сравнению с описанным выше процессом лавинообразных переключений транзистора. Это обстоятельство зависит от величины ограничительного резистора 6 и может быть использовано как для управления частотой подачи выходных импульсов предлагаемого устройства, так и синхронизации их с другим процессом. При этом устройство может быть не только ведущим, но и ведомым, что важно при согласовании с неуправляемыми процессами. Это иллюстрирует график на Фиг. 2. В момент t на базу ЛТ подается запирающий импульс отрицательной полярности длительностью t-t. Транзистор принудительно выходит из насыщения и, как указывалось выше, лавинообразно запирается. Ток самоиндукции заряжает конденсатор 3, что иллюстрирует участок 1 кривой заряда. В момент t задний фронт запускающего импульса открывает ЛТ и, поскольку в момент t напряжение на коллекторе ЛТ, равное U, превышает минимальное напряжение лавинного пробоя U, то происходит лавинный пробой и напряжение на коллекторе падает по кривой 3 графика. Штрихованный участок 2 кривой напряжения на коллекторе показывает, что если нет запускающего импульса, то при выбранной достаточно большой величине резистора 6 лавинного пробоя не происходит, и конденсатор 3 разряжается по более пологой кривой. Перелом этой кривой на падающем участке в точке t шкалы времени показывает, что включается положительная обратная связь через конденсатор 8, ускоряющая процесс разряда. Ордината U графика показывает, что момент t заднего фронта запускающего импульса может быть выбран между моментами t и t, которые, в свою очередь, привязаны к моменту t.
Поставленная задача достигается в изобретении благодаря следующему.
β′
β′
Высокое напряжение питания, требуемое в приведенных выше схемах аналога (Ек>U) или прототипа (Ек≈U/2), предполагает использование специального повышающего источника питания. Предлагаемое устройство накапливает с помощью низковольтного источника такой запас энергии, который требуется для осуществления одного импульса.
Так как положительный задний фронт запускающего импульса полагает начало резкому падению потенциала коллектора ЛТ 1, положительная обратная связь, в которой задействованы вторичная обмотка трансформаторного дросселя 2 и конденсатор 8, усиливает этот эффект и включает процесс лавинного пробоя, тем самым позволяя использовать генератор запускающих импульсов малой мощности без большой крутизны фронтов.
Низкое напряжение питания предлагаемого устройства определяется напряжением питания базы в период накопления дросселем магнитной энергии, складывающимся из напряжений на p-n переходах диода 7 и база-эмиттер ЛТ 1, а также на активном сопротивлении вторичной обмотки дросселя 2 и втором (низкоомном) резисторе 6.
0
При снижении температуры среды сумма пороговых напряжений p-n переходов второго диода 7 и база-эмиттер ЛТ 1 может превысить напряжение питания Ек. В этом случае трансформаторный дроссель 2 может набрать энергию для лавинного пробоя только при положительном напряжении сигнала от запускающего генератора, что демонстрирует график этого сигнала на Фиг. 2 от начала до момента t. Это делает режим работы существенно ждущим. Точно так же исключает возможность релаксации и снижение питания предлагаемого устройства в диапазоне положительных температур.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет повысить экономичность и управляемость генератора.