УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ АМПЛИТУДЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ОДНОПОЛЯРНЫХ ИМПУЛЬСОВ
DEVICE FOR CONTROLLING AMPLITUDE OF HIGH-VOLTAGE UNIPOLAR 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 импульсов, содержащее p-i-n диод, включенный параллельно с нагрузкой [1, рис 6.2, а]. Недостатком такого устройства регулирования амплитуды импульсов является малый диапазон регулируемых сигналов, ограниченный амплитудой импульсов, равной 1…2 В.
Известно также устройство регулирования амплитуды однополярных импульсов, являющееся одновременно устройством защиты усилителя однополярных импульсов от рассогласования по выходу и от перегрузки по входу, 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 [2]. Недостатком такого устройства регулирования амплитуды импульсов является малый динамический диапазон сигналов на выходе устройства регулирования, ограниченный амплитудой выходных импульсов, равной 10…15 В, что обусловлено малыми предельно допустимыми напряжениями база-эмиттер современных транзисторов [3].
Наиболее близким к заявляемому объекту по максимальному числу существенных признаков является устройство регулирования амплитуды однополярных импульсов, 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 - со 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, и конденсатор, первый вывод которого соединен с подвижным контактом потенциометра, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, при этом база биполярного транзистора соединена с подвижным контактом потенциометра [4, рис.2]. Рассматриваемое устройство регулирования является частью более сложного объекта, предназначенного для работы на произвольную нагрузку и содержащего в своем составе кроме устройства регулирования включенный последовательно с ним эмиттерный повторитель [4, рис.2].
Недостатком устройства-прототипа является малый динамический диапазон сигналов на его выходе, ограниченный амплитудой выходных импульсов, равной 10…15 В, что обусловлено малыми предельно допустимыми напряжениями база-эмиттер современных биполярных транзисторов [3].
Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - создание устройства регулирования амплитуды высоковольтных однополярных импульсов, обеспечивающего высокий динамический диапазон сигналов на его выходе (до значений во много раз превышающих предельно допустимые напряжения база-эмиттер современных биполярных транзисторов).
Это достигается тем, что в устройство регулирования амплитуды однополярных импульсов, 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, и конденсатор, первый вывод которого соединен с подвижным контактом потенциометра, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, введен полупроводниковый диод, анод которого соединен с базой биполярного транзистора, а катод - с подвижным контактом потенциометра.
На фиг.1 и 2 представлены принципиальная электрическая схема предложенного устройства регулирования амплитуды высоковольтных однополярных импульсов и принципиальная электрическая схема макета такого устройства.
Устройство регулирования амплитуды высоковольтных однополярных импульсов содержит вход и выход устройства, биполярный транзистор 1, эмиттер которого соединен с выходом устройства, а коллектор - с общим для всего устройства проводником, первый резистор 2, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора 1, а второй вывод - с входом устройства, второй резистор 3, первый вывод которого соединен с эмиттером биполярного транзистора 1, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, потенциометр 4, первый крайний контакт которого соединяется с источником питания устройства, а второй крайний контакт - с общим для всего устройства проводником, конденсатор 5, первый вывод которого соединен с подвижным контактом потенциометра 4, а второй вывод - с общим для всего устройства проводником, полупроводниковый диод 6, анод которого соединен с базой биполярного транзистора 1, а катод - с подвижным контактом потенциометра 4.
Устройство регулирования амплитуды высоковольтных однополярных импульсов работает следующим образом. На подвижном контакте потенциометра 4 устанавливается постоянное напряжение, равное требуемой амплитуде импульсов на выходе устройства. В исходном состоянии полупроводниковый диод 6 закрыт. Поэтому постоянное напряжение с подвижного контакта потенциометра 4 не подается на базу биполярного транзистора 1 и поэтому может во много раз превышать предельно допустимое напряжение база-эмиттер биполярного транзистора 1. При подаче на вход устройства регулирования импульсов, имеющих амплитуду меньше, чем значение постоянного напряжения на подвижном контакте потенциометра 4, полупроводниковый диод 6 остается закрытым. Биполярный транзистор 1 также оказывается закрытым. В этом случае импульс, подаваемый на вход устройства, беспрепятственно проходит на его выход и поступает в нагрузку, подключаемую к выходу устройства, на которой выделяется импульсное напряжение, равное амплитуде входного импульса за вычетом напряжения, выделяемого на первом резисторе 2. Первый резистор 2 введен для ограничения предельного тока биполярного транзистора 1 при его открывании. При подаче на вход устройства регулирования импульсов, имеющих амплитуду, превышающую значение постоянного напряжения, установленного на подвижном контакте потенциометра 4, полупроводниковый диод 6 открывается, и на базе биполярного транзистора 1 устанавливается напряжение, равное напряжению на подвижном контакте потенциометра 4. Поэтому, как только амплитуда импульса на выходе устройства регулирования станет равной напряжению на подвижном контакте потенциометра 4, биполярный транзистор 1 открывается, препятствуя дальнейшему росту импульсного тока в нагрузке, поскольку напряжение на эмиттере биполярного транзистора 1 не может намного превышать напряжения на его базе.
Транзистор 1 на фиг.1 соответствует транзистору VT1 на фиг.2. Резистор 2 на фиг.1 соответствует резистору R2 на фиг.2. Резистор 3 на фиг.1 соответствует резистору R3 на фиг.2. Потенциометр 4 на фиг.1 соответствует потенциометру R1 на фиг.2. Конденсатор 5 на фиг.1 соответствует конденсатору С1 на фиг.2. Полупроводниковый диод 6 на фиг.1 соответствует полупроводниковому диоду VD1 на фиг.2.
Экспериментальное исследование макета устройства регулирования, принципиальная электрическая схема которого приведена на фиг.2, проводилось с использованием мощного импульсного усилителя, описанного в [5] и позволяющего получить на выходе амплитуду импульса до 100 В. В результате исследований установлено, что при работе на высокоомную нагрузку устройство регулирования позволяет изменять напряжение на нагрузке в пределах от 3 до 100 В. При работе на стандартную нагрузку 50 Ом импульсное напряжение на нагрузке регулируется в пределах 3…76 В. Макет устройства регулирования, реализованный по схеме прототипа, не позволяет получить на нагрузке импульсное напряжение более 17 В, что обусловлено пробоем перехода база-эмиттер транзистора.
Предложенное устройство регулирования амплитуды высоковольтных однополярных импульсов по сравнению с устройством-прототипом обеспечивает расширение динамического диапазона сигналов на его выходе до значений, во много раз превышающих предельно допустимые напряжения база-эмиттер современных биполярных транзисторов.
Источники информации
1. Пикосекундная импульсная техника / В.Н.Ильюшенко, Б.И.Авдоченко, В.Ю.Баранов и др. / Под ред. В.Н.Ильюшенко. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 368 с.
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. 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.
4. Титов А.А., Пушкарев В.П. Устройства управления амплитудой мощных импульсных сигналов // Электросвязь. - 2010. - №7. - С.44-46. - 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.