Бестрансформаторный формирователь высоковольтных наносекундных импульсов

2026-06-16

Бестрансформаторный формирователь высоковольтных наносекундных импульсов. В были рассмотрены различные варианты формирователя наносекундных импульсов по схеме Белкина. Наиболее высокие и стабильные параметры удалось получить в трансформаторном исполнении, однако изготовление импульсного трансформатора требует определённого опыта и аккуратности. В данной статье рассматривается бестрансформаторный вариант устройства. Несмотря на более простую конструкцию, он позволяет получать импульсы с амплитудой до нескольких киловольт и длительностью порядка единиц наносекунд. Особенностью схемы является применение распределённой индуктивности — элемента, который легко изготовить из подручных материалов всего за несколько минут. Как будет показано далее, её использование заметно улучшает параметры выходного импульса и позволяет получить результаты, которые трудно достичь в аналогичных схемах без дополнительных схемотехнических решений. Для повторения конструкции приведены точные номиналы всех элементов и проверенный вариант печатной платы. Это позволяет собрать устройство практически без подбора компонентов и свести настройку к минимуму. Полученные параметры выходного импульса составляют:

при нагрузке 0 кОм — амплитуда 0,8 кВ и 0,1 кВ , время нарастания 0,7 нс, время спада 0 нс, длительность 0 нс;
при нагрузке 0 Ом — амплитуда 0,2 кВ и 0,1 кВ , время нарастания 0,1 нс, время спада 0 нс, длительность 0 нс.

. Частота следования импульсов может достигать 0 кГц и более. Схемотехника устройства. Схемотехнически устройство является развитием формирователя, рассмотренного в . Основной принцип работы сохранён, однако в схему введён дополнительный элемент — распределённая индуктивность L0, существенно влияющая на форму и параметры выходного импульса. Катушка L0 является одним из ключевых элементов схемы. От её конструкции зависят амплитуда выходного импульса, длительность фронта и спада, а также уровень паразитных колебаний. Формально L0 вместе с накопительным конденсатором C0 можно рассматривать как последовательный колебательный контур, однако такое представление не полностью отражает происходящие в схеме процессы. В данном случае C0 выполняет роль накопительной ёмкости, а L0 работает как распределённая индуктивность, близкая по свойствам к короткому отрезку длинной линии. На одном её конце, подключённом к стоку транзистора Q0, амплитуда импульса минимальна, а на противоположном конце формируется максимум напряжения, поступающий на выход устройства. Таким образом, L0 выполняет сразу несколько функций: препятствует прохождению высоковольтного импульса обратно в схему, участвует в формировании фронта и дополнительно повышает амплитуду выходного сигнала. Без этой индуктивности устройство также работоспособно, однако параметры импульса заметно ухудшаются.

По сравнению с предыдущим вариантом схемы были также уточнены номиналы ряда элементов и заменены некоторые компоненты. Это позволило повысить стабильность работы устройства и получить более качественные параметры выходного импульса. На рисунках 3–5 приведены осциллограммы выходного импульса при нагрузках 0 кОм и 0 Ом . Изменение сопротивления нагрузки заметно влияет как на амплитуду импульса, так и на его временные параметры, что связано с изменением режима разряда накопительной ёмкости и условий согласования выходной цепи. Все осциллограммы получены при напряжении питания выходного каскада 0 В.

Следует учитывать, что измеренные значения длительности импульса, а также времени нарастания и спада ограничены полосой пропускания используемого измерительного тракта. Измерения проводились осциллографом «» совместно с высоковольтным щупом 0:100, рассчитанным на напряжение до 0 кВ. Паспортное время нарастания осциллографа составляет около 0,7 нс. Сопоставимыми характеристиками обладает и используемый высоковольтный щуп. В результате суммарное время нарастания измерительного тракта составляет несколько наносекунд, что не позволяет достоверно регистрировать более быстрые переходные процессы. По этой причине реальные значения времени нарастания и спада выходного импульса могут быть намного лучше: меньше измеренных, а форма фронтов — более крутой, чем показано на приведённых осциллограммах. Элементная база. Одним из наиболее важных элементов схемы является силовой ключ Q0. Наилучшие результаты были получены при использовании транзистора . При частоте следования импульсов до 0 кГц дополнительный радиатор, как правило, не требуется. При более высоких частотах рекомендуется установка небольшого теплоотвода. Существенное влияние на параметры выходного импульса оказывает диод DHV. В ходе экспериментов наилучшие результаты показал диод 0, обеспечивающий максимальную амплитуду импульса и минимальные времена нарастания и спада. Ещё одним важным элементом схемы является TI0 — насыщающийся дроссель. В качестве магнитопровода использован нанокристаллический типоразмера 0 , обладающий высокой магнитной проницаемостью и малым временем перемагничивания. Обмотка содержит 0 витков и должна выполняться проводом с минимальными высокочастотными потерями. Предпочтительно использовать литцендрат. Сечение провода подбирается таким образом, чтобы максимально заполнить внутреннее окно магнитопровода, уменьшая активное сопротивление обмотки и паразитные высокочастотные потери. В конструкции использовался литцендрат из 0 жил диаметром 0,1 мм с суммарным сечением около 0,43 мм². При этом заметного нагрева дросселя не наблюдается вплоть до частоты следования импульсов не менее 0 кГц. Распределённая индуктивность L0 изготавливается из отрезка медного провода длиной около 0 см и диаметром 0,7–0,8 мм. Намотка выполняется на оправке диаметром 0,5 мм, в результате чего получается катушка примерно из 0 витков. После намотки катушку необходимо равномерно растянуть примерно в два раза, чтобы расстояние между соседними витками стало близким к диаметру провода. Такое исполнение позволяет уменьшить межвитковую ёмкость и обеспечить требуемые характеристики распределённой индуктивности. Индуктивность готовой катушки должна находиться в пределах 0,1–0,15 мкГн. Перечень остальных элементов схемы:

U0 — два усилителя в одном корпусе ;
D0 — супрессор ;
D0, D0 — диоды ;
D0 — супрессор ;
C0-C0 — плёночные на напряжение 50V;
C0 — конденсатор ёмкостью 0,5-2.2 мкФ, MKP, на напряжение 275V , ;
C0 — керамический конденсатор на напряжение 3kV , , ещё ;
R0-R0 — любые мощностью 0,125 или более Ватт.

. Нужно уделить внимание конденсатору C0. Это должен быть SMD-элемент ёмкостью от 0 до 0 uF, с минимальным напряжением работы 0 вольт. Для разработанной печатной платы применяется типоразмер 0. . Печатная плата. При проектировании печатной платы учитывались особенности работы устройства с высоковольтными наносекундными импульсами. Особое внимание было уделено минимизации паразитных индуктивностей токовых контуров, сокращению длины критических соединений и обеспечению необходимых изоляционных расстояний между высоковольтными участками схемы. Ниже приведён окончательный вариант печатной платы, полученный в результате нескольких итераций доработки и испытаний. При этом принципиальная схема устройства остаётся без изменений.

Производственный вариант: печатная плата (открыть)

Производственный вариант предусматривает комплект документации для изготовления печатной платы на производстве: GERBER-файл для печатной платы, BOM-файл спецификации комплектующих и принципиальную схему с указанием номиналов элементов. Всё это позволяет сразу заказать печатную плату, например, здесь, а затем быстро её собрать.

Для скачивания файлов необходимо авторизоваться и оплатить абонемент на месяц или на год, а затем обновить эту страницу. Если вы ещё не зарегистрированы, то сделайте это прямо сейчас!

Для проведения экспериментов и подбора силового ключа вместо транзистора Q0 на плату может быть установлен трёхконтактный разъём KF0-5.08-3P. Настройка. Перед первым включением движок подстроечного резистора R0 следует установить в положение минимального сопротивления . Осциллограф подключается параллельно нагрузочному резистору R0. После этого к входу формирователя подключается внешний генератор запускающих импульсов и подаётся питание. Настройка сводится к подбору сопротивления резистора R0, определяющего режим работы насыщающегося дросселя TI0. Плавно изменяя сопротивление R0, необходимо контролировать форму и амплитуду выходного импульса на осциллографе. Оптимальным является положение, при котором достигается максимальная амплитуда выходного импульса при сохранении устойчивой формы сигнала без заметного увеличения паразитных выбросов и колебаний. После нахождения этого режима настройку устройства можно считать завершённой.

1 2