Ограничитель напряжения
VOLTAGE SUPPRESSOR

Настоящее изобретение относится к импульсной технике и может найти применение в электронике, электротехнике, измерительной технике.
Известны примеры ограничителей напряжения, как то: делитель напряжения с параллельным включением диода и нагрузки, ограничитель амплитуды для формирования прямоугольных импульсов [1]. Для ограничения напряжения применяют кремниевые стабилитроны, о чем имеются сведения в учебной и справочной литературе [2, 3, 4, 5, 6], где кремниевые стабилитроны носят и другие названия: опорный диод, диод Зенера, полупроводниковый стабилитрон.
В качестве прототипа настоящего изобретения принят стабилизатор напряжения, который может использоваться и для ограничения напряжения импульсов согласно [3,6]. Теоретическое обоснование такой возможности приведено в книге И.П. Степаненко [3]: «Поскольку пробойный режим не связан с инжекцией неосновных носителей, в опорном диоде отсутствуют инерционные явления (накопление и рассасывание носителей) при переходе из области пробоя в область запирания и обратно. Эта особенность делает возможным применение опорных диодов не только в стабилизаторах напряжения, но и в импульсных схемах. К числу таких схем относятся в первую очередь ограничители и фиксаторы уровня». Ограничение напряжения импульсов производится на уровне опорного напряжения кремниевого стабилитрона, определяемого обратной ветвью вольтамперной характеристики. Напряжение ограничивается, когда оно на входе примерно в 2 раза превышает опорное напряжение кремниевого стабилитрона.
Прототип изобретения имеет кремниевый стабилитрон, анод которого соединен с общим выводом, катод соединен с выходным выводом и выводом резистора, второй вывод которого является выводом, могущим принимать ограничиваемое напряжение, включая импульсы положительной полярности.
На фиг. 1 показана электрическая схема ограничителя напряжения, поясняющая его устройство.
На фиг. 2 показана осциллограмма входного импульса.
На фиг. 3 показана осциллограмма выходного импульса в качестве примера, поясняющего работу ограничителя напряжения.
На фиг. 4 показан график, обобщающий работу ограничителя напряжения для одного исполнения при разных значениях произведений амплитудно-временных параметров входных импульсов
На фиг. 1 видно, что кремниевый стабилитрон 1 имеет соединение анода 2 с общим выводом 3. Катод 4 соединен с выводом 5 вторичной обмотки импульсного трансформатора 6. Вывод 7 вторичной обмотки и вывод 8 первичной обмотки, могущий принимать на вход 9 импульсы напряжения, соединены с общим выводом 3. Величина индуктивности обмоток импульсного трансформатора составляет 6±3 мГн. Амплитуда импульсов, могущих поступать на вывод 9, имеет диапазон изменений от нижней границы в 2 раза больше опорного напряжения кремниевого стабилитрона 1 до верхней границы в 20 раз больше опорного напряжения при длительности прямоугольных импульсов положительной полярности от 0,1 мкс до 5 мкс.
По энергетическим соображениям тепловое разрушение кремниевого стабилитрона предотвращается при скважности импульсов, могущих поступать на вход 9 ограничителя напряжения, определяемой неравенством: ,
где  - скважность входных импульсов,
- амплитуда напряжения входных импульсов,
- номинальное опорное напряжение кремниевого стабилитрона 1.
Работа ограничителя напряжения состоит в том, что на вывод 9 в рабочем режиме поступают импульсы прямоугольного напряжения, амплитуда которых заключена в пределы от 2-х до 20-ти номинальных опорных напряжений кремниевого стабилитрона 1, например, Uвx=150В, Uo=10,5В. (). Длительность =0,3 мкс.(Осциллограмма на фиг. 2). Осциллограмма на фиг. 3, снятая с экрана 2-лучевого осциллографа, полученная с ответвления катода 4, дает возможность определить длительность импульса, напряжение которого ограничивается уровнем 10,5 В. Его длительность более 1,8 мкс. Таким образом, наряду с ограничением амплитуды напряжения происходит существенное (почти на порядок) увеличение длительности импульса, что составляет положительный результат изобретения.
Количественная мера положительного результата выводится из следующего выражения:,
где Uo - опорное напряжение кремниевого стабилитрона 1,
- длительность выходного импульса,
Uвx - амплитуда входного импульса,
- длительность входного импульса,
- коэффициент полезного действия ограничителя напряжения.
На фиг. 4 показан график зависимости выходной веберной (вольт-секундной) площади от входной для разных произведений длительностей и напряжений Uвx при опорном напряжении 10,5 В и индуктивности обмоток - 7 мГн.
Расширение на порядок диапазона напряжений входных импульсов также является положительным результатом изобретения.
Литература
1. Базь Г.А. и др. Расчет импульсных схем. Под ред. к.т.н. В.Г. Миленина, изд. Втор. доп. и перераб. М.: Военное изд-во МО СССР, 1962.
2. Клауснитцер Г. Введение в электротехнику, пер. с нем. под ред. Жуховицкого. - М.: Энергоатомиздат, 1995.
3. Степаненко И.П. Основы транзисторов и транзистрных схем. изд. втор, перераб. и дополнен. - М.: изд-во «Энергия», 1967.
4. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника, 8-е изд., испр. – М.: Издат. центр «Академия», 2003.
5. Немцов М.В., Немцова М.А. Электротехника и электроника. - М.: Издат. центр «Академия», 2007.
6. Мир физики и техники. Справочник по физике. Формулы, таблицы, схемы, под ред.  X., пер. с нем под ред. к.ф-м.н. Смирнова К.В.. -М.: Техносфера, 2009.