Настоящая заметка основана на результатах наших предыдущих исследований, посвящённых работе биполярных транзисторов в лавинном режиме. Этот режим позволяет существенно улучшить параметры высоковольтных импульсов — в частности, сократить время фронта при сохранении значительной амплитуды. В данной статье мы рассмотрим один из практических вариантов схемотехнической реализации, способный формировать импульсы амплитудой до нескольких киловольт при скорости нарастания порядка 30 В/нс и выше — что сопоставимо с характеристиками напряжения в искровом промежутке.

Для сравнения: подобные параметры характерны, как правило, для дорогих высокоскоростных полупроводниковых ключей. Однако в предлагаемой схеме они достигаются с использованием доступных биполярных транзисторов, работающих в лавинном режиме. Причём амплитуда формируемых импульсов может значительно превышать предельное напряжение пробоя большинства MOSFET и IGBT, что делает этот подход особенно привлекательным для создания коротких высоковольтных импульсов в самых разных технических задачах.

Импульсы с подобными характеристиками находят применение в широком спектре областей — от импульсной электроники и научных экспериментов до нестандартных направлений исследований. Особый интерес они представляют для энтузиастов, исследующих альтернативные источники энергии, где требуются именно такие скоростные и высоковольтные импульсные воздействия.

Для реализации устройства была задействована ставшая уже стандарной схема лавинного режима транзисторов, но с небольшими изменениями. Обязательным здесь является накопительный конденсатор C2, а в качестве нагрузки применяется высоковольтный импульсный трансформатор THV (рис. 1a). Для некоторых транзисторов, в основном составных, базовый резистор Rb не нужен, так как он уже установлен в сам транзистор (рис. 1b). Принцип работы этой довольно простой схемы подробно описан здесь.

Источником питания устройства может служить практически любой источник, способный обеспечить на выходе регулируемое постоянное напряжение в диапазоне от 70 до 350 В (см. рис. 1 c, d). Защита по току в данной схеме не требуется, поскольку ограничение тока осуществляется резисторами R1 и R2. Фильтрующий конденсатор C1 следует разместить как можно ближе к схеме, чтобы минимизировать помехи и просадки напряжения.

В качестве трансформатора высокого напряжения (THV) мы используем несколько вариантов импульсных трансформаторов. Именно от него, а также от транзистора VT1, зависит один из ключевых параметров схемы — скорость нарастания выходного импульса. Первый вариант — импульсный трансформатор, намотанный на ферритовом кольце, подробно описан в данной работе.

На этом подготовка завершается, и сразу после включения устройства начинают проявляться первые, не поддающиеся простому объяснению, эффекты.

Данный режим возникает автоматически в момент разряда лавины на первичную обмотку трансформатора THV и его ферромагнитный сердечник. Возникающие при этом колебания отчётливо видны на следующих осциллограммах: их частота лежит в диапазоне от 6 до 17 МГц — что весьма примечательно, учитывая, что предельная рабочая частота используемых ферритов обычно составляет лишь сотни килогерц. О качерном режиме работы транзисторов подробнее читайте здесь.

В первом варианте устройства используется транзистор BD235 в сочетании с ферритовым сердечником. Осциллограммы, полученные в этом режиме, представлены на рисунках 2 и 3. Высоковольтный щуп осциллографа при этом подключён ко вторичной обмотке трансформатора THV. На рисунке 2 отчётливо видны характерные качерные колебания с частотой порядка 10 МГц — что весьма удивительно, если учитывать, что предельная частота работы транзистора BD235 составляет всего 3 МГц, а ограничения по частоте ферритового сердечника уже были упомянуты выше.

С ферритовым сердечником скорость нарастания импульса достигает 30 В/нс. Для более высоких показателей нужно внести некоторые изменения, о которых мы расскажем далее.

Одно из самых примечательных свойств этой схемотехники — способность менять амплитуду импульса, при этом почти не меняя её скоростных характеристик. Увеличивая ёмкость C2 мы увеличиваем амплитуду импульса, при этом наблюдаемая пропорциональность примерно следующая: \[ U_{pulse} \sim (C_2)^{1/2} \tag{1}\] Так, увеличив эту ёмкость с 470 пФ до 7200 пФ, мы получаем импульс, представленный на рисунке 4. Заметим, что его амлпитуда выросла примерно с 460 В до 1600 В, правда при этом увеличилась и общая ширина импульса.

При изменении ёмкости C2 меняется и частота качерных колебаний, но в меньшей степени. Пропорциональность здесь примерно такая: \[ f_{k} \sim 1 / (C_2)^{1/4} \tag{2}\] что соответствует формуле для резонанса второго рода.

Интересно, что от индуктивности обмоток трансформатора THV эта частота также почти не зависит. То есть, говорить о LC-резонансе здесь не приходится. Резонанс на длине волны провода также не подходит для объяснения этого эффекта, поскольку длина намотки совсем не совпадает с длительность распостранения импульса по ней, к тому же, его частота хоть и слабо, но всё же зависит от ёмкости C2.

Применения транзистора TIP110 увеличивает амплитуду импульса примерно в два раза, однако питающее напряжение Up при этом также нужно увеличить примерно на эту же величину. Осциллограммы, отражающие работу схемы с этим транзистором, приведены на рисунках 5 и 6. Увеличение ёмкости C2 здесь так же приводит к увеличению амплитуды импульса (рис. 7). Заметим только, что базовый резистор Rb для этого транзистора применять не нужно, что отражено в схеме 1b.

На рисунке 6 дополнительно подключён синий луч осциллографа на первичную обмотку THV. Очень хорошо виден лавинный удар по сердечнику, и противофазные последующие качерные колебания в первичной и вторичной обмотке этого трансформатора.

Увеличить скорость нарастания и амплитуду импульса можно применив вместо феррита более дорогой и менее распостранённый сердечник из аморфного материала. Далее мы будем применять такой сердечник: кольцо из нанокристаллина, размерами 32*20*10 мм, и составной транзистор TIP120 (TIP122), для которого также не нужен резистор Rb.

Благодаря этому сердечнику скорость нарастания импульса увеличивается в 1.5 раза по сравнению с ферритовым сердечником и составляет 45 В/нс и более. Кроме того, при прочих равных условиях, использование такого материала для сердечника позволяет получить большую амплитуду импульса при меньшем потреблении всей схемы. Это означает, что КПД схемы становится выше.

Ещё лучшие результаты получаются из нанокристаллина с меньшими размерами 21*16*10 мм. При тех же условиях амплитуда импульса увеличивается примерно на 30%, а скорость нарастания становится 50 В/нс и выше. Исходя из тенденции можно сказать, что чем меньше размер сердечника, тем лучшие будут результаты. Однако нельзя забывать, что уменьшение его размеров повлечёт за собой и меньший диаметр проводов обмотки, что может сказаться на общем КПД схемы. Кроме того, при относительно маленькой ширине окна сердечника будет всё сложнее соблюсти высоковольные нормы. По всей видимости, нужно искать минимальный, но всё же оптимальный размер сердечника под конкретную задачу.

Осциллограммы с маленьким сердечником приводятся на рисунках 11, 12. Как и ранее, при увеличении ёмкости C2 можно ещё больше увеличить амплитуду импульса (рис. 13). Дальнейшее, вполне логичное увеличение амплитуды автор не проверял, так как высоковольтный щуп осциллографа был расчитан на максимальное напряжение в 2 кВ.

Как уже было отмечено, ферритовый сердечник подробно описан в этой заметке. Далее мы перейдём к обсуждению сердечников из нанокристаллина и трансформаторов THV, выполненных на их основе.

Схема намотки везде примерно одинаковая: 2 витка составляет первичная обмотка и порядка 16-20 витков — вторичная обмотка трансформатора THV. Провод для первичной обмотки нужно выбирать потолще и обязательно — в двойной изоляции, для гальванической развязки первичной и вторичной цепи. Провод для вторичной обмотки можно брать практически любой, в лаковой или полиэтиленовой изоляции. Намотки мотаются методом «внавал» (рис. 14, 15).

Необходимо отметить интересное свойство тока, протекающего по этим обмоткам. Даже несмотря на высокое напряжение, даже слабая изоляция не пробивается. По всей видимости это связано с током смещения, обильно присутствующим при таких импульсах, и немного других законах его взаимодействия с проводником и изоляцией.

Транзистор VT1 лучше всего подобрать по максимальным выходным характеристикам, установив его в схему. В ней хорошо работают следующие марки: BD235, BD237, TIP110, TIP120, TIP41C, BD911.

Резисторы R1 и R2 нужно брать на мощность не менее 0.5 Вт, больше — лучше. Конденсаторы C1 и C2 должны быть рассчитаны на напряжение не менее 500 В. Очень нежелательно применять в этой схеме керамические конденсаторы, все остальные — подойдут.

Питание схемы можно брать от ЛАТР, соблюдая все необходимые предосторожности при работе с ним (рис. 1c). Но лучшим решением будет применение регулируемого источника постоянного напряжения, рассчитанного на диапазон не менее 70-350 В (рис. 1d).

Методика очень простая. После установки транзистора в схему необходимо постепенно повышать напряжение источника питания до появления устойчивых импульсов на вторичной обмотке трансформатора. Это и будет оптимальный режим работы данной схемы. Если необходимо еще больше повысить амплитуду напряжения импульса, увеличьте ёмкость конденсатора C2 до нужной величины. Примерно определить эту добавочную ёмкость можно по формуле 1.

Если требуется ещё более высокая скорость нарастания и спада импульса, можно использовать более сложную схему преобразователя, рассмотренную здесь.