Расчет генераторов импульсов. Генератор импульсов своими руками

Необычный режим работы транзистора.

Кажется, в наше просвещённое время транзистор изучен настолько, что ничего нового о нём узнать уже невозможно.
Тем не менее, недавно я обнаружил схему генератора, которая работает очень устойчиво и имеет хорошую нагрузочную способность, хотя, кажется, вовсе не должна этого делать.
Схема очень простая, изображена на рисунке 1:

Рис.1. Схема генератора.

Для запуска генератора необходимо кратковременно замкнуть коллектор и эмиттер транзистора через низкоомное сопротивление или подать на вход транзистора короткий запускающий импульс.
Модель генератора с запускающим импульсом представлена на рисунке 2.

Рис.2. Схема модели генератора.

Временные диаграммы работы генератора приведены на рисунке 3.

Синий - ток в базе транзистора.
Красный - напряжение на базе.

Запуск генератора осуществляется одиночным импульсом напряжения с генератора V2. Из диаграмм следует, что генерация начинается после окончания запускающего импульса тока в базе транзистора.
Во время прохождения запускающего импульса тока транзистор открылся, в индуктивности L1 стал протекать ток, и накопилась энергия в виде магнитного поля. После закрывания транзистора, как это описано во множестве учебников, энергия магнитного поля преобразуется в энергию электрического поля, которая накапливается в конденсаторе C1. Напряжение на конденсаторе возрастает до определённой величины, после чего начинается обратный процесс. Напряжение на конденсаторе начинает падать, а ток в катушке возрастать, изменив своё направление на противоположное.
Когда напряжение на конденсаторе падает до нуля, ток в катушке имеет максимальную величину, с этого момента напряжение на конденсаторе должно изменить свой знак и возрастать в другой полярности. Но этого не происходит, поскольку напряжение на коллекторе транзистора становится отрицательным и открывается его коллекторный переход, смещённый в прямом направлении. Через этот переход в базу транзистора начинает уходить ток, накопленный в катушке индуктивности. Из диаграмм видно, что напряжение на базе становится тоже отрицательным, эмиттерный переход закрывается и начинает играть роль коллектора - транзистор работает полностью в инверсном режиме, с низким коэффициентом усиления по току, но всё же в режиме транзистора. Часть тока ответвляется в эмиттер и возвращается в источник питания. Остальная часть тока в конечном итоге тоже возвращается в источник питания, проделав работу на преодоление ЭДС источника V3 и на потери в других элементах схемы.
После того, как напряжение на выводе катушки, соединённом с коллектором транзистора, станет равным нулю, транзистор переходит из инверсного режима в нормальный режим работы. Всё это время он остаётся открытым, в результате чего к катушке приложено напряжение источника питания в течение времени, достаточном для того, чтобы в ней накопилась энергия, необходимая для следующего периода колебаний.
Для лучшего понимания процессов, (если вдруг кому захочется) на рисунке 4 приведены диаграммы токов в транзисторе.

Рис. 4. Временные диаграммы токов в транзисторе.
Направления токов приведены к току в базе.
Синий - ток в базе транзистора.
Красный - ток в коллекторе.
Чёрный - ток в эмиттере

Из диаграмм токов видно, что ток эмиттера практически всё время равен току коллектора за исключением начальной стадии процесса.

Если кому-то кажется, что такой генератор не имеет практического применения, это не так. В схемотехнике по альтернативной энергетике такое решение встречается нередко. Попытки понять, что происходит в таких схемах, и привели к появлению этой статьи.
Внесу свою лепту тем, что предложу схему раскачки трансформатора Теслы с помощью этого генератора. От известной схемы качера она отличается тем, что оба вывода катушки Теслы остаются свободными. От других схем качеров, в которых оба конца катушки Теслы свободны, - тем, что отсутствует катушка обратной связи.
Модель такой схемы приведена на рисунке 5.

Рис.5. Схема модели качера.

На схеме L2 - индуктор, L3 - катушка Теслы.
На рисунке 6 приведены диаграммы напряжений на коллекторе транзистора и напряжения на катушке Теслы.

Рис. 6. Временные диаграммы напряжений.
Зелёный - напряжение на коллекторе.

Ну и, наконец, схема, которая встречается в Интернете. От схемы на рисунке 5 отличается наличием катушки обратной связи. Такая схема не нуждается в запускающем импульсе, а запускается сама. От схемы качера с катушкой обратной связи отличается тем, что частота импульсов накачки задаётся не резонансной частотой катушки Теслы, а частотой колебательного контура, образованного индуктивностью L1 и ёмкостью C1.
Модель самозапускающейся схемы приведена на рисунке 7.

Рис.7. Схема модели качера с автозапуском.

Временная диаграмма, иллюстрирующая процесс запуска, показана на рисунке 8.

Рис. 8. Временные диаграммы напряжений в схеме с автозапуском.
Зелёный - напряжение на коллекторе.
Коричневый - напряжение на катушке Теслы.

Выше рассмотрены только общие принципы работы генератора. В реальной схеме многое зависит от величины опорного напряжения и резистора в цепи базы. Изменением этих параметров можно изменять величину обратного тока в коллекторе транзистора и получать форму сигналов на коллекторе от импульсов до синусоиды. В схеме с автозапуском на форму сигналов кроме того, влияют индуктивности катушек L2 и L4. Например, транзистор в схеме с принудительным пуском может работать вовсе без смещения в цепи базы.
Модель такой схемы приведена на рисунке 9.

Рис.9. Схема модели с отсутствием смещения в цепи базы.

На рисунке 10 приведена временная диаграмма нарастания напряжения на катушке Теслы.

Рис.10. Временная диаграммы напряжения на катушке Теслы.

Если запуск схемы производить закорачиванием коллектора и эмиттера резистором, то транзистор можно представить в виде двухполюсника.
Модель такой схемы представлена на рисунке 11.

Рис.11. Схема модели с представлением транзистора в виде двухполюсника.

На рисунке 12 приведены временные диаграммы запускающего импульса тока и напряжения на катушке Теслы.

Рис. 12. Временные диаграммы.
Синий - ток в резисторе R1/.
Коричневый - напряжение на катушке Теслы.

Интересно, что в модели работает и с закороченными выводами эмиттера и базы, И даже работает с простым выпрямительным диодом. Однако только в том случае, если в модели заложено время восстановления диода больше, чем время его открывания. Это может служить ключём к пониманию механизма накачки колебательного контура. То есть, за время восстановления перехода в контур поступает энергии больше, чем расходуется при его открывании. Если реальные диоды обладают таким свойством, то построение генератора вполне возможно при соблюдении соотношений параметров схемы, допускающих режим генерации. Более того, такие схемы могут быть интересны с той точки зрения, что восстановление закрытого состояния у диодов может происходить практически мгновенно, что на практике используется для генерации импульсов наносекундных длительностей. Но в железе я этого не проверял, и пока здесь публиковать не буду. Это тема для другой статьи.

Все описанные здесь схемы имеют одну полезную особенность - несмотря на большие токи, протекающие в их цепях, потребление тока от источника питания может быть мизерным, потому, что бОльшая часть их возвращается обратно в источник питания.

* * *

Генератор коротких импульсов напряжения на диоде.

Схему, соответствующую модели, представленной на рисунке 11 в предыдущей статье, на практике удаётся запустить, и она продолжает работать даже при закороченных выводах эмиттера и базы транзистора, и токи в транзисторе при этом возрастают. Но с выпрямительным диодом вместо транзистора запустить не удаётся. Это, между прочим, свидетельствует о том, что транзистор с закороченными выводами эмиттера и базы - не то же самое, что простой диод.
Вероятно, внутреннее сопротивление базы играет какую-то роль в процессе. При инвертировании напряжения на коллекторном переходе, он открывается, ток течёт в базу, поскольку эмиттерный переход оказывается включённым в обратном направлении и принимает на себя функции коллекторного перехода. Из-за наличия сопротивления в цепи базы, на нём падает некоторое напряжение, транзистор оказывается включённым в инверсном режиме и через эмиттерный переход начинает протекать большая часть тока, определяемая коэффициентом усиления по току транзистора в инверсном режиме. Эмиттерный переход, вероятно, входит в насыщение. И, при восстановлении полярности напряжения на транзисторе, требуется некоторое дополнительное время на рассасывание зарядов в насыщенном переходе. То есть, условие, необходимое для работоспособности такой схемы - время восстановления больше времени открывания, выполняется.
Но это только непроверенная попытка объяснения неравнозначности транзистора с закороченными выводами эмиттера и базы обычному диоду.

Темой настоящей статьи является выделение из рассмотренных в предыдущей статье схем момента восстановления диода с включённой в его цепь индуктивностью, с целью резкого прерывания тока в индуктивности.
- А зачем нам это надо?
- Во-первых, это позволяет получить короткие высоковольтные импульсы напряжения. Иногда генераторы таких импульсов востребованы.
- Во-вторых, и это главное, - при включении в качестве индуктивности индуктора катушки Теслы, мы можем приблизиться к главному требованию, сформулированному самим Теслой - прерывать ток в индукторе во время его нарастания.
Сегодня интерес к работам Теслы возрастает, о чём свидетельствуют множество форумов в Интернете, посвящённых этой теме. Но практически только единицы экспериментаторов научились выполнять это требование. Ключи на транзисторах и разрядники в лучшем случае могут позволить получить резкий фронт импульса напряжения на индукторе. И совершенно не могут обеспечить резкое прерывание тока в индукторе.
В упрощённом виде схема представлена на рисунке 1:

Рис.1. Упрощённая схема генератора коротких импульсов напряжения.

К выходу генератора импульсов низкого уровня подключена индуктивность L1,второй конец которой соединён с катодом диффузионного диода D1. Анод диода включён между выводамиисточников напряжения V1 и V2.
Во время действия импульса низкого уровня, когда транзистор U2 открыт, а транзистор U1 закрыт, диод D1 открывается, через него начинает протекать ток, скорость нарастания которого определяется напряжением источника V2, индуктивностью L1 и сопротивлением R3 (сопротивление катушки L1, транзистора U2, диода D1 и падение напряжения на нём для упрощения не учитываем). Если длительность импульса достаточно велика, то прямой ток диода установится на уровне, определяемом напряжением V1 и сопротивлением R3.
По окончании импульса, транзистор U2 закрывается и открывается транзистор U1. Ток в индуктивности начинает убывать до нуля, а затем изменяет своё направление и начинает увеличиваться. Диод начинает восстанавливаться током индуктивности L1. Скорость изменения тока в этом случае определяется напряжением источника V1 и индуктивностью L1, а время нарастания тока и, соответственно, величина, до которой он нарастёт, - временем восстановления диода D1. При восстановлении, диод D1, если он диффузионный, очень быстро закрывается, и резко прерывает ток в индуктивности L1. В точке соединения диода и индуктивности возникает выброс напряжения высокой амплитуды.
Таким образом, выбором соотношения и величин напряжений источников V1 и V2 мы можем задавать ток открытого состояния диода, и, соответственно, ток его запирания, и скорости нарастания тока в катушке в режиме «накачки» диода и в режиме его восстановления.
Это важно уметь делать при включении в качестве индуктивности индуктора катушки Теслы. Дело в том, что индуктор оказывает сильное влияние на колебания напряжения в катушке Теслы, если скорость нарастания тока в нём равна или выше скорости нарастания напряжения в колебаниях катушки Теслы, и оказывает слабое влияние, если эта скорость ниже. Во избежание неопределённости, имеется ввиду скорость перехода тока или напряжения через ноль, то есть, максимальная. Кроме того, при расчётах её необходимо нормировать - делить на амплитуду измеряемого сигнала.
Для правильного управления необходимо на стадии «накачки» диода обеспечить скорость нарастания тока в индукторе, меньшую, чем скорость нарастания напряжения в катушке Теслы, а при восстановлении диода - скорость нарастания, равную или большую, чем скорость изменения напряжения в катушке Теслы.

Модель реальной схемы, использовавшейся в экспериментах, показана на рисунке 2.

Рис.2. Модель реальной схемы, использовавшейся в экспериментах.

Графики сигналов в модели приведены на рисунке 3.

Рис. 3. Временные диаграммы сигналов генератора.
Синий - напряжение на выходе генератора.
Красный - напряжение на катушке индуктивности.
Зелёный - ток в диоде.

На диаграмме видно, что при низком уровне выходного сигнала ток в диоде и в катушке нарастает медленнее, чем при высоком уровне, и устанавливается на отметке 1,8 А. После изменения уровня выходного сигнала, ток в катушке уменьшается до нуля и с той же скоростью продолжает нарастать до величины 5,1 А. В этот момент происходит закрывание диода, и ток в катушке резко обрывается. На катушке наблюдается выброс напряжения до 1000В.
К сожалению, хорошей модели диода найти не удалось, поэтому некоторые несоответствия модели и реального объекта присутствуют, но в общем картина близка к реальности. В частности, реально измеренные выбросы на катушке, в зависимости от типа диода, имеют величину до 100 В. Максимальный выброс удалось получить на коллекторном переходе транзистора 2Т908А - порядка 250 В, при этом он не пробивается. Следует учесть также, что измерения производились осциллографом С1-65, который имеет полосу пропускания 50 МГц и время нарастания ПХ = 10 нс. Можно предположить, что на самом деле выбросы немного больше.

На рисунках 4- 9 приведены осциллограммы напряжений и токов, измеренные на диоде 2Д230И и на коллекторном переходе транзистора 2Т908А.

Из осциллограмм видно, что длительность импульсов по среднему уровню в обоих случаях около 50 нс. В диоде повторные импульсы сгруппированы более кучно и первый выброс превышает последующие более, чем в два раза. Другие диоды ведут себя аналогично. В транзисторе разница между амплитудами импульсов меньше и повторные импульсы идут реже. Это означает, что при использовании в качестве индуктивности индуктора, предпочтительнее использовать диоды, потому, что повторные импульсы транзистора будут сбивать амплитуду напряжения в раскачиваемой катушке. Сравнение осциллограмм тока показывает, что при одинаковых условиях открывания испытуемого диода и коллекторного перехода транзистора, процесс восстановления в транзисторе идёт дольше, что приводит к большему току в момент восстановления в транзисторе, чем в диоде, результатом чего и является большая амплитуда выброса напряжения.

Рис. 4. Осциллограмма выброса напряжения на катоде диода 2Д230И.
Установки: X =0,1 мкс/дел, Y = 20 В/дел.

Рис. 5. Осциллограмма выброса напряжения на катоде диода 2Д230И.
Установки: X = 1 мкс/дел, Y = 20 В/дел.

Рис. 6. Осциллограмма тока в катушке L 1 для диода 2Д230И.

Рис. 7. Осциллограмма выброса напряжения на катушке для транзистора 2Т908А.
Установки: X =0,1 мкс/дел, Y = 50 В/дел.

Рис. 8 . Осциллограмма выброса напряжения на коллекторе транзистора 2Т908А.
Установки: X = 1 мкс/дел, Y = 50 В/дел.

Рис. 9 . Осциллограмма тока в катушке для транзистора 2Т908А.
Установки: X = 1 мкс/дел, Y = 1 А/дел.

Приведённые осциллограммы показывают, что модель неплохо отражает процессы, происходящие в реальных элементах, по крайней мере, на качественном уровне. Количественные отличия возникают из-за отсутствия точных моделей испытуемых элементов.

Рассмотрим теперь модель, приведённую на рисунке 10, в которой в качестве индуктивности использован индуктор катушки Теслы.

Рис.10. Модель схемы с индуктором и катушкой Теслы.

Временные диаграммы тока в индукторе L1 и напряжения на катушке Теслы L2 показаны на рисунке 11.

Рис. 11. Временные диаграммы модели

На рисунке 12 приведён фрагмент той же диаграммы, в котором хорошо видно, что изменение тока в индукторе со скоростью, в два раза меньшей, чем скорость изменения напряжения на катушке Теслы, практически не оказывает воздействия на колебания в катушке Теслы. Изменение тока со скоростью, равной скорости изменения напряжения на катушке Теслы, оказывает сильное воздействие на амплитуду колебаний.

Рис. 12. Фрагмент предыдущей временной диаграммы.
Зелёный - ток в индукторе L1.
Коричневый - напряжение на катушке Теслы L2.

Для поддержания и увеличения амплитуды колебаний в катушке Теслы, необходимо увеличивать частоту импульсов тока в индукторе, при этом каждый импульс должен попадать в нужную фазу. На практике добиться этого можно, используя синхронизацию генератора от счётчика, на вход которого подаются колебания с катушки Теслы. Поскольку наша задача - не проектирование конкретного узла, я просто в модели подобрал частоту генератора. Модель такого процесса приведена на рисунке 13.

Рис.13. Модель схемы с индуктором и катушкой Теслы, поддерживающая в ней непрерывные колебания.

Эта модель отличается от предыдущей только параметром, задающим частоту колебаний генератора.

Временные диаграммы тока в индукторе L1 и напряжения на катушке Теслы L2 показаны на рисунке 14.

Рис. 14. Временные диаграммы модели.
Зелёный - ток в индукторе L1.
Коричневый - напряжение на катушке Теслы L2.

Для увеличения тока в индукторе необходимо увеличить ток в открытом состоянии диода. В советские времена выпустили диффузионные диоды на десятки и даже сотни ампер, так что, с этой стороны ограничений нет. Рабочие напряжения диффузионных диодов тоже достигают нескольких киловольт. Включать последовательно несколько диодов не имеет смысла. Весь процесс будет определять диод, который восстановится раньше других. По крайней мере, при последовательном соединении приведённых здесь диода и транзистора все диаграммы такие же, как у диода. Он имеет меньшее время восстановления.

Заметим, что на процесс в катушке Теслы оказывает воздействие не только величина тока в момент разрыва, но и величина его изменения, то есть, схема оказывается ещё и экономичной с точки зрения энергетических затрат. Изменение тока равно сумме тока диода в момент окончания импульса и тока в момент восстановления. Потери в цепях на сопротивлениях пропорциональны квадрату тока, а сумма квадратов всегда меньше квадрата суммы.

Требования к генераторам импульсов (ГИ) включают в себя необходимость достижения высокого КПД. Кроме того, они определяются свойствами межэлектродного промежутка (МЭП) – резко нелинейного элемента электрической цепи.

Стабильность импульсов тока – постоянство их длительности зависит от постоянства свойств промежутка и крутизны переднего фронта импульса напряжения. Чем больше эта крутизна, тем стабильнее импульсы тока. Отсюда следует еще одно требование к генераторам импульсов – высокая степень крутизны переднего фронта импульса напряжения.

Подвод импульсов энергии к межэлектродному промежутку при ЭЭО можно осуществить по структурной схеме показанной на рис. 1, а.

Рис.1 Структурные схемы источника питания для установки электроэрозионной обработки и временные диаграммы напряжения и тока

В течение времени τ и коммутатор К замкнут и источник питания отдает нагрузке (МЭМ) мощность Р и, которая в n раз превосходит среднюю мощность за период следования импульсов Т.

Мощность источника питания должна быть равной Р и = I m *U m , где I m и U m – амплитудные значения напряжения и тока в течение импульса. Она расходуется только в промежутке времени τ и.

Если пренебречь потерями в накопителе энергии то отдаваемая накопителем в МЭМ энергия составит A=P и *τ и, а мощность источника P=A/T= P и *τ и /T=P и /n, т.е. при введении в структурную схему накопителя энергии мощность источника может быть уменьшена в n раз.

Схема электроэрозионной установки, обеспечивающая работу с накопителями энергии, приведена на рис. 1, б.

В течение паузы P и *τ и коммутатор К находится в положении 1 и через ограничитель тока накопителем от источника питания потребляется мощность P/n. Накопитель при этом запасает энергию A=P и *τ и, которая при переключении коммутатора К на время импульса τ и в положение 2 отдает мощность P и =A/ τ и.

Работа по этой схеме дает возможность трансформировать мощность источника P=P и /n в мощность, которая расходуется при нагрузке.

Импульсные генераторы различают по принципу действия, конструкции и параметрам импульсов. ГИ условно подразделяют на зависимые, ограниченно-зависимые и независимые. В первых из них параметры генерируемых импульсов определяются физическим состоянием межэлектродного промежутка. В независимых генераторах импульсы не связаны с состоянием МЭП.

Электрическая энергия в накопителе может запасаться в виде электрического поля конденсатора или электромагнитного поля индуктивной катушки. Применяются также комбинированные накопители содержащие активные сопротивления, емкость и индуктивность – релаксационные генераторы (рис. 2).

Рис.2 Принципиальные схемы релаксационных генераторов для установок ЭЭО

В процессе их разрядки расходуется энергия, накопленная в реактивных элементах цепи (конденсаторе или индуктивной катушке).

RC-генератор импульсов (рис. 2, а) состоит из последовательно соединенных источника питания G , ключа К , токоограничивающего сопротивления R 1 и накопительного конденсатора С 1 , подключенного параллельно МЭП.

Емкостной накопитель заряжается от источника питания через ограничивающее сопротивление R 1 благодаря чему заводной ток много меньше тока импульса I и. Ток зарядки конденсатора определится из соотношения i 1 =(dUc/dτ)*С. Напряжение на конденсаторе где U co – начальное напряжение на конденсаторе в момент τ=0. К концу зарядки напряжение U c будет равно напряжению источника питания. Разрядка происходит в течение времени τ=T /n . В случае большой скважности импульсов среднее значение разрядного тока во время прохождения импульса τ и в n раз больше тока зарядки, поэтому емкостной накопитель является по существу трансформатором тока.

В индуктивном накопителе скорость нарастания тока в индуктивности определяется ее значением и приложенным напряжением. Требуемая сила тока I и может быть получена и при малых значениях падения напряжения на индуктивности U к <

В процессах электроэрозионной обработки более широко применяются генераторы с емкостными накопителем, поскольку индуктивный накопитель уступает емкостному по энергетическим показателям.

Схема импульсного LC -генератора показан на рис. 2, б. Зарядный тока проходит к конденсатору С от источника питания G через обмотку вибратора L . Вначале он притягивает якорь Я электромагнитного вибратора и увеличивает межэлектродный промежуток, поднимая электрод-инструмент.

К концу зарядки конденсатора ток через обмотку вибратора постепенно спадает, удерживающая якорь вибратора электромагнитная сила ослабевает и электроды начинают сближаться, уменьшая МЭП. После пробоя МЭП и прохождения импульса тока цикл работы генератора повторяется. Частота импульсов определяется соотношением L и C в цепи генератора.

Генераторы, выполненные по такой схеме, имеют высокие КПД и производительность.

Введение в зарядную цепь RC-генератора индуктивности (переход к генератору RLC ) повышает КПД генератора, так как в этом случае снижается токограничиваюцее сопротивление. RLC -генераторы (рис. 2, в) работают при более низком напряжении чем RC-генераторы, так как при наличии резонанса между L и С напряжение на конденсаторе-накопителе оказывается больше напряжения источника питания.

Уравнение переходного процесса зарядной цепи RLC -генератора имеет вид

Из данного уравнения следует, что заряд конденсатора может происходить по экспоненциальному либо по колебательному закону.

Колебательный процесс возникает при . В таком режиме работы зарядной цеп напряжение на конденсаторе в конце зарядного периода τ зар равно почти удвоенной ЭДС.

В действительности максимальное напряжение до которого может зарядится конденсатор, зависит от отношения R 1 /(2L 1).

В ЭЭО применяется также СС -генератор импульсов, в котором в качестве токоограничивающего элемента используется конденсатор С 1 . Такой генератор обладает более высоким КПД по сравнению с LC -генератором с электромагнитным вибратором. Частотные свойства СС -генераторов определяются в основном частотными характеристиками диодов выпрямителя В .

Основной недостаток релаксационных генераторов – связь частоты импульсов тока с физическим состоянием МЭП. Он может быть устранен, если в разрядную цепь ввести управляемый переключатель, который в заданный момент времени подключал бы к МЭП накопительный конденсатор.

Для питания устройств ЭЭО существуют статические генераторы импульсов, регулирующие временные и энергетические параметры в широком диапазоне при отсутствии накопительных элементов. В них легко формируются прямоугольные и униполярные импульсы. По способу генерирования их подразделяют на генераторы с независимым возбуждением, автогенераторы и инверторы.

Конструктивно они выполнены в основном на транзисторных или тиристорных приборах.

Структурная схема широкодиапазонного генератора импульсов показана на рис. 2.3.

Рис.3 Структурная схема широкодиапазонного транзисторного генератора импульсов

Она включает в себя источник питания, силовые блоки, число которых может быть равно шести, с разделительным диодом VD, блок поджига, задающий генератор, предварительный усилитель мощности, рабочий промежуток (МЭП), блок защиты от коротких замыканий. В состав силовых блоков и блока поджига включены силовые транзисторы, работающие в ключевом режиме и переключающиеся синхронно от задающего генератора. При включении транзисторов от блока поджига подается маломощный импульс. Он способствует пробою промежутка и формированию низковольтного разряда. До пробоя разделительный диод Д заперт. После пробоя напряжение на промежутке снижается до 40-25 В, диод Д открывается и через промежуток проходит импульс тока, значение которого определяется количеством включенных параллельно силовых блоков. Их синхронное выключение прерывает разряд. При коротком замыкании электродного промежутка МЭП все транзисторы силовых блоков отключаются. Подача импульсов к МЭП возобновляется после ликвидации короткого замыкания.

Для ЭЭО металлов импульсами больших энергий с частотой 50-100 Гц используют статические генераторы импульсов – трансформаторы промышленной частоты с вентилем.

Импульсы энергии длительностью до миллисекунд получают с помощью генераторов импульсов, которые по принципу работы подразделяют на коммутаторные и индукторные генераторы.

Магнитный коммутаторный генератор (МКГ) включает в себя переменно-полюсную магнитную систему на статоре и обмотку на якоре. Обмотка якоря на его окружности распределена неравномерно на узких частях под полюсами, которых у МКГ значительно больше, чем у обычных машин, благодаря чему повышается частота тока генератора. При вращении якоря генератора в его обмотке, расположенной на узком участке напротив полюсов индуктора, в момент прохождения его переменнополюсного индуктора индуцируется симметричная импульсная ЭДС.

Униполяризацию импульсов производят с помощью расположенного на одном валу с якорем коллектора (коммутатора), состоящего из двух систем сегментов с наложенными на них щетками. Наличие пауз между импульсами облегчает коммутацию поскольку переход щеток с одной системы сегментов на другую происходит в момент отсутствия напряжения в обмотке якоря.

Машинный индукторный генератор импульсов (МТИ) – электрическая машина бесколлекторного типа, вырабатывающая переменное напряжение повышенной частоты. Его основная особенность – отсутствие вращающейся полюсной системы, которая заменена зубчатым индуктором. Обмотка якоря и возбуждение расположены на статоре генератора. Переменный магнитный поток возникает за счет изменения сопротивления магнитной цепи генератора, обусловленного зубчатостью вращающегося индуктора.

Вследствие применения зубчатого индуктора получают несимметричную кривую переменного напряжения с различными амплитудами полуволн положительной и отрицательной полярности. При достаточно малой амплитуде обратной полуволны напряжения пробой МЭП происходит только при импульсах напряжений прямой полярности, в результате чего импульсы тока всегда будут униполярными.

Промышленные источники питания установок ЭЭО .

Тиристорный генератор импульсов типа TГ-250-0,15М предназначен для преобразования трехфазного переменного тока промышленной частоты в импульсный ток частотой 150 Гц с регилируемой скважностью. Он применяется в качестве источника питания технологическим током электроэрозионных станков моделей 4723, 4А724, 4Д723, 4Д26.

Максимальная производительность станка при питании его от тиристорного генератора импульсов составляет 4000 мм 3 /мин в случае обработке стали 45 медными инструментом и 3500 мм 3 /мин при обработке графитовым инструментом.

В состав генератора импульсов входят блоки вентилей, поджига, управления, регулятора подоги и сопротивлений, а также трансформаторы и индуктивные балластные сопротивления. Блок вентилей собран по схеме трехфазного полу-управляемого моста на диодах и тиристорах. Блок поджига синхронно с силовыми генерирует высоковольтные импульсы амплитудой 400-500 В, которые пробивают эрозионный промежуток и формируют низковольтный разряд. Для автоматического поддержания рабочего расстояния эрозионного промежутка предусмотрен блок регулирования подачи с обратной связью по напряжению. Конструктивно генератор импульсов выполнен в виде металлического шкафа двухстороннего обслуживания. Охлаждение воздушное принудительное.

Изготовитель – ПО «Преобразователь», г. Запорожье.

Генератор, в зависимости от напряжения источника питания, вырабатывает высоковольтные импульсы амплитудой до 25 кВ. Он может работать от гальванической батареи на 6В (четыре элемента типа "А"), аккумуляторной батареи на 6... 12В, бортовой сети автомобиля, лабораторного источника питания до 15В. Диапазон применения достаточно широк: электроизгороди на ферме для животных, зажигалка для газа, электрошоковое средство защиты, и др. При изготовлении подобных устройств наибольшие трудности вызывает высоковольтный трансформатор.

Даже при удачном изготовлении он не отличается надежностью и часто выходит из строя от сырости или из-за пробоя изоляции между катушками. Попытка сделать высоковольтный генератор на основе диодного умножителя напряжения тоже не всегда дает положительный результат.

Проще всего использовать готовый высоковольтный трансформатор - автомобильную катушку зажигания от автомобиля с классической системой зажигания. Этот трансформатор отличается высокой надежностью и может работать даже в самых не благоприятных полевых условиях. Конструкция катушки зажигания рассчитана на жесткую эксплуатацию в любых погодных условиях.

Принципиальная схема генератора показана на рисунке. На транзисторах VT1 и VT2 сделан несимметричный мультивибратор, он вырабатывает импульсы частотой около 500 Гц. Эти импульсы протекают через коллекторную нагрузку транзистора VT2 - первичную обмотку катушки зажигания. В результате в её вторичной обмотке, имеющей значительно большее число витков, наводится переменное импульсное высоковольтное напряжение.

Это напряжение поступает на разрядник, если это средство самозащиты или зажигалка для газа, или на электроизгородь. В этом случае на изгородь подается напряжение с центрального вывода катушки зажигания (с того вывода, с которого напряжение поступает на распределитель и свечи), а общий плюс схемы нужно заземлить.

Если генератор будет использоваться как средство самозащиты, его удобнее всего сделать в виде палки. Взять пластмассовую или металлическую трубку такого диаметра, чтобы в неё туго вставлялась катушка зажигания своим металлическим корпусом. В остальном пространстве трубы расположить батареи питания и транзисторы. S1 в этом случае - приборная кнопка. Верхнюю часть корпуса катушки придется переделать.

Удобнее всего взять штепсельную вилку старого образца для сети 220В, с вывинчивающимися контактами. Отверстие под провод в ней нужно рассверлить так, чтобы в него плотно входила часть катушки зажигания с высоковольтным контактом. Затем нужно вывести монтажные провода от этого контакта и от общего плюса схемы и по самым краям вилки их подвести к штыревым контактами вилки.

Затем эту вилку нужно промазать эпоксидным клеем в рассверленном отверстии под провод и туго насадить на пластмассовый корпус высоковольтного контакта катушки. Под штыревые контакты вилки нужно привинтить разрядные лепестки, расстояние между которыми должно быть около 15 мм.

Катушка зажигания может быть любая от контактной системы зажигания (от электронной не подходит), желательно импортная, - она меньше по размерам и лете.

Настройка заключается в подборе номинала R1 таким образом, чтобы между разрядными лепестками был надежный электрический разряд.

И вот, наконец, дошли руки. После сборок мелких катушек решил замахнуться на новую схему, более серьезную и сложную в настройке и работе. Перейдем от слов к делу. Полная схема выглядит так:

Работает по принципу автогенератора. Прерыватель пинает драйвер UCC27425 и начинается процесс. Драйвер подает импульс на GDT (Gate Drive Transformator - дословно: трансформатор, управляющий затворами) с GDT идут 2 вторичные обмотки включенные в противофазе. Такое включение обеспечивает попеременное открытие транзисторов. Во время открытия транзистор прокачивает ток через себя и конденсатор 4,7 мкФ. В этот момент на катушке образуется разряд, и сигнал идет по ОС в драйвер. Драйвер меняет направление тока в GDT и транзисторы меняются (который был открытым - закрывается, а второй открывается). И этот процесс повторяется до тех пор, пока идет сигнал с прерывателя.

GDT лучше всего мотать на импортном кольце - Epcos N80. Обмотки мотаются в соотношении 1:1:1 или 1:2:2. В среднем порядка 7-8 витков, при желании можно рассчитать. Рассмотрим RD цепочку в затворах силовых транзисторов. Эта цепочка обеспечивает Dead Time (мертвое время). Это время когда оба транзистора закрыты. То есть один транзистор уже закрылся, а второй еще не успел открыться. Принцип такой: через резистор транзистор плавно открывается и через диод быстро разряжается. На осциллограмме выглядит примерно так:

Если не обеспечить dead time то может получиться так, что оба транзистора будут открыты и тогда обеспечен взрыв силовой.

Идем дальше. ОС (обратная связь) выполнена в данном случае в виде ТТ (трансформатора тока). ТТ наматывается на ферритовом кольце марки Epcos N80 не менее 50 витков. Через кольцо продергивается нижний конец вторичной обмотки, который заземляется. Таким образом высокий ток со вторичной обмотки превращается в достаточный потенциал на ТТ. Далее ток с ТТ идет на конденсатор (сглаживает помехи), диоды шоттки (пропускают только один полупериод) и светодиод (выполняет роль стабилитрона и визуализирует генерацию). Чтобы была генерация необходимо также соблюдать фразировку трансформатора. Если нет генерации или очень слабая - нужно просто перевернуть ТТ.

Рассмотрим отдельно прерыватель. С прерывателем конечно я попотел. Собрал штук 5 разных... Одни пучит от ВЧ тока, другие не работают как надо. Далее расскажу про все прерыватели, которые делал. Начну пожалуй с самого первого - на TL494 . Схема стандартная. Возможна независимая регулировка частоты и скважности. Схема ниже может генерировать от 0 до 800-900 Гц, если поставить вместо 1 мкФ конденсатор 4,7 мкФ. Скважность от 0 и до 50. То что нужно! Однако есть одно НО. Этот ШИМ контроллер очень чувствителен к ВЧ току и различным полям от катушки. В общем при подключении к катушке, прерыватель просто не работал, либо все по 0 либо CW режим. Экранирование частично помогло, но не решило проблему полностью.

Следущий прерыватель был собран на UC3843 очень часто встречается в ИИП, особенно АТХ, оттуда, собственно, его и взял. Схема тоже неплохая и не уступает TL494 по параметрам. Здесь возможна регулировка частоты от 0 до 1кГц и скважность от 0 до 100%. Меня это тоже устраивало. Но опять эти наводки с катушки все испортили. Здесь даже экранирование нисколько не помогло. Пришлось отказаться, хотя собрал добротно на плате...

Надумал вернуться к дубовым и надежным, но малофункциональным 555 . Решил начать с burst interrupter. Суть прерывателя заключается в том, что он прерывает сам себя. Одна микросхема (U1) задает частоту, другая (2) длительность, а третья (U3) время работы первых двух. Все бы ничего, если бы не маленькая длительность импульса с U2. Этот прерыватель заточен под DRSSTC и может работать с SSTC но мне это не понравилось- разряды тоненькие, но пушистые. Далее было несколько попыток увеличить длительность, но они не увенчались успехом.

Схемы генераторов на 555

Тогда решил изменить принципиально схему и сделать независимую длительность на конденсаторе, диоде и резисторе. Возможно многие посчитают эту схему абсурдной и глупой, но это работает. Принцип такой: сигнал на драйвер идет до тех пор пока конденсатор не зарядится (с этим думаю никто не поспорит). NE555 генерирует сигнал, он идет через резистор и конденсатор, при этом если сопротивление резистора 0 Ом, то идет только через конденсатор и длительность максимальна (на сколько хватает емкости) не зависимо от скважности генератора. Резистор ограничивает время заряда, т.е. чем больше сопротивление, тем меньшей времени будет идти импульс. На драйвер идет сигнал меньшей длительностью, но тоже частоты. Разряжается конденсатор быстро через резистор (который на массу идет 1к) и диод.

Плюсы и минусы

Плюсы : независимая от частоты регулировка скважности, SSTC никогда не уйдет в CW режим, если подгорит прерыватель.

Минусы : скважность нельзя увеличивать "бесконечно много", как например на UC3843 , она ограничена емкостью конденсатора и скважностью самого генератора (не может быть больше скважности генератора). Ток через конденсатор идет плавно.

На последнее не знаю как драйвер реагирует (плавную зарядку). С одной стороны драйвер также плавно может открывать транзисторы и они будут сильнее греться. С другой стороны UCC27425 - цифровая микросхема. Для нее существует только лог. 0 и лог. 1. Значит пока напряжение выше порогового - UCC работает, как только опустилось ниже минимального - не работает. В этом случае все работает в штатном режиме, и транзисторы открываются полностью.

Перейдем от теории к практике

Собирал генератор Тесла в корпус от АТХ. Конденсатор по питанию 1000 мкф 400в. Диодный мост из того же АТХ на 8А 600В. Перед мостом поставил резистор 10 Вт 4,7 Ом. Это обеспечивает плавный заряд конденсатора. Для питания драйвера поставил трансформатор 220-12В и еще стабилизатор с конденсатором 1800 мкФ.

Диодные мосты прикрутил на радиатор для удобства и для отвода тепла, хотя они почти не греются.

Прерыватель собрал почти навесом, взял кусок текстолита и канцелярским ножом вырезал дорожки.

Силовая была собрана на небольшом радиаторе с вентилятором, позже выяснилось, что этого радиатора вполне достаточно для охлаждения. Драйвер смонтировал над силовой через толстый кусок картона. Ниже фото почти собранной конструкции генератора Тесла, но находящейся на проверке, измерял температуру силовой при различных режимах (видно обычный комнатный термометр, прилепленный к силовой на термопласту).

Тороид катушки собран из гофрированной пластиковой трубы диаметром 50 мм и обклеенным алюминиевым скотчем. Сама вторичная обмотка намотана на 110 мм трубе высотой 20 см проводом 0,22 мм около 1000 витков. Первичная обмотка содержит аж 12 витков, сделал с запасом, дабы уменьшить ток через силовую часть. Делал с 6 витками в начале, результат почти одинаков, но думаю не стОит рисковать транзисторами ради пары лишних сантиметров разряда. Каркасом первички служит обычный цветочный горшок. С начала думал что не будет пробивать если вторичку обмотать скотчем, а первичку поверх скотча. Но увы, пробивало... В горшке конечно тоже пробивало, но здесь скотч помог решить проблему. В общем готовая конструкция выглядит так:

Ну и несколько фоток с разрядом

Теперь вроде бы все.

Ещё несколько советов: не пытайтесь сразу воткнуть в сеть катушку, не факт что она сразу заработает. Постоянно следите за температурой силовой, при перегреве может бабахнуть. Не мотайте слишком высокочастотные вторички, транзисторы 50b60 могут работать максимум на 150 кГц по даташиту, на самом деле немного больше. Проверяйте прерыватели, от них зависит жизнь катушки. Найдите максимальную частоту и скважность, при которой температура силовой стабильная длительное время. Слишком большой тороид может тоже вывести из строя силовую.

Видео работы SSTC

P.S. Транзисторы силовые использовал IRGP50B60PD1PBF. Файлы проекта . Удачи, с вами был [)еНиС !

Обсудить статью ТЕСЛА ГЕНЕРАТОР

Импульсный генератор тока

Импульсный генератор тока – это аппарат, генерирующий импульсы тока большой силы.

Импульсные генераторы тока применяются при испытании высоковольтной техники и при изучении электрических разрядов. Также при соединении импульсного генератора тока с импульсным генератором напряжения получается прибор, способный создать искусственную молнию.

В состав импульсного генератора тока входят параллельно соединенные конденсаторы, выпрямитель и искровой зарядник. Сначала конденсаторы медленно заряжают до такого напряжения, величина которого не превосходит величины напряжения пробоя разрядника. После этого на поджигающий электрод разрядника происходит подача импульса напряжения, вследствие чего происходит пробой разрядника. Затем конденсаторы разряжаются на испытуемый объект. Для увеличения значения тока нужно снизить индуктивность и увеличить емкость, для этого необходимо максимально приблизить конденсаторы к испытуемому прибору.