простой для повторения генератор высокого напряжения / Хабр
Добрый день, уважаемые хабровчане.
Этот пост будет немного необычным.
В нём я расскажу, как сделать простой и достаточно мощный генератор высокого напряжения (280 000 вольт). За основу я взял схему Генератора Маркса. Особенность моей схемы в том, что я пересчитал её под доступные и недорогие детали. К тому же сама схема проста для повторения (у меня на её сборку ушло 15 минут), не требует настройки и запускается с первого раза. На мой взгляд намного проще чем трансформатор Теслы или умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона.
Принцип работы
Сразу после включения начинают заряжаться конденсаторы. В моём случае до 35 киловольт. Как только напряжение достигнет порога пробоя одного из разрядников, конденсаторы через разрядник соединятся последовательно, что приведёт к удвоению напряжения на конденсаторах, подсоединённых к этому разряднику. Из-за этого практически мгновенно срабатывают остальные разрядники, и напряжение на конденсаторах складывается. Я использовал 12 ступеней, то есть напряжение должно умножиться на 12 (12 х 35 = 420). 420 киловольт — это почти полуметровые разряды. Но на практике, с учетом всех потерь, получились разряды длиной 28 см. Потери были вследствие коронных разрядов.
О деталях:
Сама схема простая, состоит из конденсаторов, резисторов и разрядников. Ещё потребуется источник питания. Так как все детали высоковольтные, возникает вопрос, где же их достать? Теперь обо всём по порядку:
1 — резисторы
Нужны резисторы на 100 кОм, 5 ватт, 50 000 вольт.
Я пробовал много заводских резисторов, но ни один не выдерживал такого напряжения — дуга пробивала поверх корпуса и ничего не работало. Тщательное загугливание дало неожиданный ответ: мастера, которые собирали генератор Маркса на напряжение более 100 000 вольт, использовали сложные жидкостные резисторы
генератор Маркса на жидкостных резисторах,или же использовали очень много ступеней. Я захотел чего-то проще и сделал резисторы из дерева.
Отломал на улице две ровных веточки сырого древа (сухое ток не проводит) и включил первую ветку вместо группы резисторов справа от конденсаторов, вторую ветку вместо группы резисторов слева от конденсаторов. Получилось две веточки с множеством выводов через равные расстояния. Выводы я делал путём наматывания оголённого провода поверх веток. Как показывает опыт, такие резисторы выдерживают напряжение в десятки мегавольт (10 000 000 вольт)
2 — конденсаторы
Тут всё проще. Я взял конденсаторы, которые были самыми дешевыми на радио рынке — К15-4, 470 пкф, 30 кВ, (они же гриншиты). Их использовали в ламповых телевизорах, поэтому сейчас их можно купить на разборке или попросить бесплатно. Напряжение в 35 киловольт они выдерживают хорошо, ни один не пробило.
3 — источник питания
Собирать отдельную схему для питания моего генератора Маркса у меня просто не поднялась рука. Потому, что на днях мне соседка отдала старенький телевизор «Электрон ТЦ-451». На аноде кинескопа в цветных телевизорах используется постоянное напряжение около 27 000 вольт. Я отсоединил высоковольтный провод (присоску) с анода кинескопа и решил проверить, какая дуга получится от этого напряжения.
Вдоволь наигравшись с дугой, пришел к выводу, что схема в телевизоре достаточно стабильная, легко выдерживает перегрузки и в случае короткого замыкания срабатывает защита и ничего не сгорает. Схема в телевизоре имеет запас по мощности и мне удалось разогнать её с 27 до 35 киловольт. Для этого я покрутил подстроичник R2 в модуле питания телевизора так, что питание в строчной развертке поднялось с 125 до 150 вольт, что в свою очередь привело к повышению анодного напряжения до 35 киловольт. При попытке ещё больше увеличить напряжение, пробивает транзистор КТ838А в строчной развёртке телевизора, поэтому нужно не переборщить.
Процесс сборки
С помощью медной проволоки я прикрутил конденсаторы к веткам дерева. Между конденсаторами должно быть расстояние 37 мм, иначе может произойти нежелательный пробой. Свободные концы проволоки я загнул так, чтобы между ними получилось 30 мм — это будут разрядники.
Лучше один раз увидеть, чем 100 раз услышать. Смотрите видео, где я подробно показал процесс сборки и работу генератора:
Техника безопасности
Нужно соблюдать особую осторожность, так как схема работает на постоянном напряжении и разряд даже от одного конденсатора будет скорее всего смертельным. При включении схемы нужно находиться на достаточном удалении потому, что электричество пробивает через воздух 20 см и даже более. После каждого выключения нужно обязательно разряжать все конденсаторы (даже те, что стоят в телевизоре) хорошо заземлённым проводом.
Лучше из комнаты, где будут проводиться опыты, убрать всю электронику. Разряды создают мощные электромагнитные импульсы. Телефон, клавиатура и монитор, которые показаны у меня в видео, вышли из строя и ремонту больше не подлежат! Даже в соседней комнате у меня выключился газовый котёл.
Нужно беречь слух. Шум от разрядов похож на выстрелы, потом от него звенит в ушах.
Интересные наблюдения
Первое, что ощущаешь при включении — то, как электризуется воздух в комнате. Напряженность электрического поля настолько высока, что чувствуется каждым волоском тела.
Хорошо заметен коронный разряд. Красивое голубоватое свечение вокруг деталей и проводов.
Постоянно слегка бьет током, иногда даже не поймёшь от чего: прикоснулся к двери — проскочила искра, захотел взять ножницы — стрельнуло от ножниц. В темноте заметил, что искры проскакивают между разными металлическими предметами, не связанными с генератором: в дипломате с инструментом проскакивали искорки между отвёртками, плоскогубцами, паяльником.
Лампочки загораются сами по себе, без проводов.
Озоном пахнет по всему дому, как после грозы.
Заключение
Все детали обойдутся где-то в 50 грн (5$), это старый телевизор и конденсаторы. Сейчас я разрабатываю принципиально новую схему, с целью без особых затрат получать метровые разряды. Вы спросите: какое применение данной схемы? Отвечу, что применения есть, но обсуждать их нужно уже в другой теме.
На этом у меня всё, соблюдайте осторожность при работе с высоким напряжением.
Применение высоковольтного импульсного генератора
Автор: ПЕНТКО Аркадий Альбертович
Город: Нижний Новгород
Самостоятельное изготовление высоковольтного импульсного генератора и его применение в быту и медицине
Хочу поделиться опытом конструирования и использования импульсных генераторов высокого напряжения.
На рис.1 приведена схема генератора импульсов ВН частотой 25 Гц для получения приличной искры чтобы, например, поджигать газ. Собственно для этого он и был собран – для длительной работы бобины зажигания на запальнике горелки в газовой котельной. Бобины по паспорту не должны работать более 1минуты иначе они перегревались и выходили из строя, а операторы зачастую забывали их выключать. Данная схема работала сутками, практически не нагреваясь. Вместо бобины зажигания можно использовать строчный трансформатор от старого цветного телевизора, которые ещё встречаются в сараях и на помойках. Если-же повезёт, то можно найти и старый ламповый ч\б телевизор с целой высоковольтной обмоткой. В этом случае необходимо удалить первичную обмотку и прямо на феррит намотать виток к витку провод в виниловой изоляции ( например марки ПВ ) сечением 1,5 кв.мм. Убирается где-то витков 15.
Теперь о деталях. Конденсаторы лучше использовать керамические (бумажные шумят, а вернее щёлкают во время разряда) VD4-5 c обратным напряжением более 600 в. VD2 импульсный, КД226 например, из того же цв.TV из блока питания или строчной развёртки. Тиристор тоже любой: КУ-202 или импортный какой нибудь. А вот о VD1 следует поговорить отдельно. Диод тут включается как стабилитрон с высоким напряжением стабилизации. Собрав схему по рис.4 можно подобрать нужный диод. Я использовал 2Д202А с разбросом Uстаб от 360 до 450 в. С1 и С2 от 10 мкф для ограничительного резистора 620 кОм, до 100 мкф – для резистора 62 кОм. От этого резистора зависит ток через испытуемую деталь, а от ёмкости конденсаторов величина пульсаций выпрямленного напряжения. Применяя рекомендованные величины имеем пульсацию около 2 вольт при выходном напряжении 620 вольт и токах 1 мА (при 620 кОм) и 10 мА (при 62 кОм). При желании можно воспользоваться, автотрансформатором или, на худой конец, потенциометром (рис.5).
И наконец, рассмотрим схему на рис.3 и прилагаемое фото, на которых представлен прибор для лечения всяческих кожных болячек т.н. “Ультратон” – как его называют в продаже или Д”Арсонваль – как его именуют в кабинетах физиотерапии.
Естественно схема мной доработана и прошла апробацию у двух врачей, моих знакомых. Естественно в своей практике они не имеют права использовать этот прибор, т.к. он не сертифицирован, но в домашних условиях с удовольствием применяют и благодарят. Способы применения и показания к применению я описывать не собираюсь, т.к. не рекламный агент. Заинтересованные сами найдут, а я расскажу немного о деталях. Высоковольтный конденсатор – самая дефицитная деталь и кроме как в старых ч\б телевизорах его разве что на барахолке можно отыскать. Трансформатор тоже желательно использовать “с оттэдова” переделав его как было описано выше (правда при этом крайне желательно посмотреть на осциллографе вид выходных импульсов. Первый, самый начальный из затухающей синусоиды должен быть отрицательной полярности), а если использовать ТВС от цв. TV от 3УСЦТ и выше, то номера выводов на рис.3 обозначены. Высоковольтный провод я использовал от неоновой рекламы, хотя можно использовать и коаксиальный кабель старого типа РК… со снятым экраном-оплёткой. Правда в этом случае провод будет несколько жестковатым. В качестве лечебного электрода хорошо использовать неоновые цифро-знаковые индикаторы (ИН-1 и др.) желательно с фронтальным а не боковым (типа ИН-14) обзором . Все выводы у неонки соединяем вместе , припаиваем к высоковольтному проводу и обильно изолируем термоклеем из клеящего пистолета т.к. совершенно недопустимо “протекание” тока непосредственно от высоковольтного провода к телу ,только через стекло неоновой лампы! Напоследок о стабилитронах, обеспечивающих разный режим работы и , стало-быть интенсивность воздействия аппарата. Я ставил первый прибор с Uст.-120…140в, а затем десять КС515А , которые переключал SA-1 так, что с каждым щелчком прибавлялось по 15в.
В заключении скажу, что если бы не такой прибор то валяться бы мне в больнице в чужом городе когда в командировке у меня в руках коротнули 3 фазы и были обожжены руки (аж с металлизацией) и половина лица. А так удалось избежать нагноения и через 10 дней я уже был в строю, хотя и не с полной нагрузкой.
Удачи в экспериментах , но не забывайте , что кроме устройства с рис.3 остальные не имеют гальванической развязки от сети!! Соблюдайте осторожность!
Высоковольтный генератор для коптильни своими руками
Высоковольтный генератор для копчения электростатикой своими руками
==================================================================
Высоковольтный генератор (ВВГ) с питанием 5 вольт:
Высоковольтный генератор (генератор высокого напряжения) предназначен для создания электростатического поля внутри коптильни, и позволяет в десятки раз сократить время копчения и расход щепы.
Такой генератор выдает на выходе порядка 20 кВ ПОСТОЯННОГО (не импульсного) напряжения при токе нагрузки около 25 мкА, при этом имеет двойную гальваническую развязку от сети переменного тока 220В (при питании от сетевого блока питания). При питании от литий-ионного аккумулятора, такой вопрос вообще не стоит..
Про питание от аккумулятора и про циклический таймер будет в следующих статьях.
Токоограничение высоковольтной цепи (резистор 10 мОм на выходе генератора) не позволяет образовываться сильным электрическим дугам и разрядам в коптильне, что предотвращает появление большого количества озона и снижает негативные последствия от поражения высоковольтным электрическим разрядом до минимума (в случае касания ВВ частей).
Хотя при правильной конструкции и грамотной эксплуатации коптильни такой удар вообще маловероятен, тем не менее, забывать о мерах безопасности не стоит, особенно людям с заболевания сердца, кардиостимуляторами и т.д..
Высоковольтный заряд на выходе генератора самостоятельно исчезает через 20-30 сек. после выключения ВВГ.
Схема высоковольтного генератора для электростатического копчения
Весь процесс сборки показан в видео — высоковольтный генератор для электростатического копчения своими руками
Для самостоятельной сборки ВВ генератора :
Внимание: иногда, при ПЕРВОМ нажатии, ссылка может открыться некорректно (браузер (особенно Mozilla firefox), направит вас на неправильную страницу Aliexpress, не соответствующую нужной ссылке). Пож-ста, нажмите на ссылку повторно. Если это не поможет, попробуйте скопировать ссылку и вставить ее в др. браузер.
Наборы для сборки ВВ генераторов http://ali.pub/2a4ps2
— с печатной платой http://ali.pub/2heb1j
Импульсные блоки питания AC-DC http://ali.pub/1zx9u5
— блок питания 100-240 V (AC) — 5V, 2А (DC) http://ali.pub/2gdpaq
Высоковольтные конденсаторы
— 30 кВ 680 пф http://ali.pub/2caleq
— 20 кВ (разная емкость) http://ali.pub/219hnc
Высоковольтные диоды 2CL77 http://ali.pub/1z9g3e
Резистор высоковольтный 10 мОм 2 Вт http://got.by/4qsooz
Резистор высоковольтный 10 мОм 5 Вт (рекомендуется) http://ali.pub/5g3odo
Транзистор D880 http://ali.pub/2gdqy8
Конденсатор 0,01мкФ 100В http://ali.pub/2emik9
Резистор 10 мОм 1Вт http://ali.pub/37p6b5 (они там разные, надо выбрать — 10М). Таких резисторов нужно 4 шт, соединяем их по 2 шт параллельно и 2 таких цепочки — последовательно.
В итоге получим 2Вт 10мОм Или, еще лучше — сделать 3 цепочки по 3 резистора (всего 9 шт). Эти сборки надо будет залить термоклеем или эпоксидной смолой.
Шланг (трубка) для аквариума 6 мм http://ali.pub/254pse
Пистолет для термоклея http://ali.pub/1m9g6v
Супер паяльник http://ali.pub/2i8y1t
Вентилятор DC 5V для охлаждения генератора http://ali.pub/2gdrpn
При заливке (пропитке) ВВ катушек парафином, я использовал самодельный вакуумный насос (на базе вот такого насоса http://ali.pub/fw9hv). Он подключен через MT3608 http://ali.pub/2ve5uv к литий-ионному аккуму на 3,7В.
Важно: т.к. далеко не все имеют опыт работы с радиоэлектронными компонентами, и т.к. мы имеем дело с продукцией из «поднебесной», где очень часто попадается брак, рекомендую покупать комплектующих в 2-3 раза больше, чем требуется для сборки одного устройства!
Так же см. — что может пригодиться для коптильни: http://vitaliypavlov.ru/?p=1528
ВНИМАНИЕ ! Соблюдайте меры электробезопасности при работе с высоким напряжением!
Так же рекомендую обратить внимание на дымогенераторы и сборно-разборную автономную электростатическую коптильню холодного копчения ЭВК-100, которые изготавливает «АТФ-Сервис» (г. Королев).
Посмотреть стоимость на мои устройства для электростатики, а так же сделать заказ вы можете здесь.
——————
Зарегистрируйтесь здесь и покупайте с большой экономией ( кэшбек — возврат части денег за покупки)!
Станьте партнером AliExpress и покупайте со скидками!
Успехов!
Простой импульсный металлоискатель своими руками. | МЕГАВОЛЬТ
Импульсный металлоискатель «ПИРАТ»своими руками
Pirat — расшифровывается так: PI — означает металлодетектор импульсный, а RAT — сайт автора: «radioscot». Данный металлоискатель завоевал славу простого и не дорогого прибора, малое количество доступных не дефицитных деталей, при правильной сборке и исправных деталей прибор работает сразу, практически без настроек.
Если сравнивать с также простой схемой металлоискателя на биениях частоты, то здесь глубина обнаружения металла на порядок лучше. Дискриминации в данном типе металлоискателя нет, цветной и чёрный металлы реагируют практически одинаково. Но при определённых навыках можно понять, какая цель находится под датчиком. Сборка и настройка данного металлоискателя намного проще, чем рассматриваемого ранее импульсного металлоискателя «VINTIK-PI».
Характеристики металлоискателя «ПИРАТ»
- Напряжение питания: 9 – 12 вольт.
- Потребляемый ток: 30-40 мА.
- Глубина обнаружения монеты (25 мм): 20 см.
- Глубина обнаружения крупных металлов: 150 см.
Конечно, характеристики во многом зависят от использованных деталей, диаметра катушки, качества сборки и т.д.
Схема металлоискателя «ПИРАТ»
Есть много различных вариантов схем металлоискателя ПИРАТ и доработок к ним.
Вариант: генератор на транзисторах, приёмник на К157УД2
Вариант: генератор на NE555, приёмник на К157УД2
Вариант: генератор на NE555, а приемник на TL072
с регулировкой частоты генератора:
Вариант: генератор на К561ЛА7/ЛЕ5, приёмник на К157УД2
Печатная плата металлоискателя ПИРАТ
Существуют также много различных вариантов ПП, ниже несколько вариантов.
Вариант: генератор на NE555, приёмник на К157УД2
Вариант: генератор на транзисторах, приёмник на К157УД2
Описание схемы
Схема металлоискателя состоит из двух основных узлов: передающего и приемного.
Передающий узел состоит из генератора импульсов на микросхеме КР1006ВИ1 (зарубежный аналог NE555) и мощного ключа на полевом транзисторе КП505А (зарубежный аналог IRF740, IRF840). Можно поставить биполярный транзистор обратной проводимости с напряжением К-Э не менее 200В. Его можно взять из энергосберегающей лампы или зарядного устройства от мобильного телефона. Для раскачки мощного ключа используется транзистор ВС557.
Приемный узел собран на микросхеме К157УД2 (можно собрать зарубежной мс TL072), по входу приёмника стоят встречно-параллельно ограничивающие диоды, на входе второго каскада приемника стоит фильтр, вырезающий нужную часть импульсов, на выходе второго каскада стоит транзисторе ВС547, в его коллекторной цепи подключен динамик 8-50 Ом. В место Т3 можно применять практически любой транзистор структуры NPN.
Список деталей для металлоискателя «ПИРАТ»
Все эти радиодетали применялись в старой советской технике. Можно их также заказать в интернет-магазинах.
Динамик можно взять от китайского портативного радио с сопротивлением 8 — 50 Ом. Так же для настройки нужны два потенциометра на 10кОм и на 100кОм. Питание металлоискателя осуществляется от 9 — 12 В. Чувствительность и работа лучше от 12В. Для этой цели лучше использовать аккумуляторы, используемые в ноутбуках.
Монтаж
Схему металлоискателя рекомендуем спаять с помощью чистой канифоли или спирто-канифольным раствором. Перед тем как начать сборку всей конструкции рекомендуем проверять целостность деталей мультиметром, так как возможен брак радиоэлементов. После пайки обязательно тщательно промыть плату спиртом (водкой) с помощью зубной щётки.
Катушка металлоискателя
Первый вариант
Катушка намотана на оправке около 200 мм, она содержит 25-30 витков провода ПЭВ, ПЭЛ, ПЭТВ… Ф-0,4 — 0,7. В качестве оправки подойдет кастрюля такого размера. Количество витков лучше намотать 30 и затем в процессе настройки уменьшать, добиваясь максимальной чувствительности. Для этого подносим монетку к катушке и проверяем, с каким количеством витков монетка будет «улавливаться» с наибольшего расстояния.
Для того, что бы катушка имела хорошую прочность и крепилась к штанге, её можно намотать, например, на пяльцах для вышивания. Смотрите фото ниже.
Второй вариант (катушка корзиночного типа)
С её помощью удается получать большей глубины обнаружения, особенно для мелких металлов. Конструктивные особенность датчиков этого типа позволяет получить чувствительность до 20% больше, чем обычный датчик.С её помощью удается получать большей глубины обнаружения, особенно для мелких металлов. Конструктивные особенность датчиков этого типа позволяет получить чувствительность до 20% больше, чем обычный датчик.
Катушка наматывается на оправке 180 — 200 мм и содержит 4 витка провода «витая пара» для компьютера (без фольги!). В кабеле 8 проводов .
4 витка * на 8 проводов = получаем 32 витка.
Индуктивность данной катушки составляет 330 µГн и сопротивление 2 Ома.
Для большей чувствительности можно смотать один виток и получим 3 витка витой пары 3 (3 витка * на 8 проводов = получаем 24 витка.), но затем нужно подстроить схему приемника металлоискателя. Следует учесть, что увеличится потребляемый ток.
Когда мотаем катушку: продевать свободный длинный конец кабеля в образовавшуюся петлю, обвивая вторым витком кабеля первый. За один оборот витка катушки нужно продеть 4-5 раз свободный конец кабеля через катушку.
При намотке катушки следите, чтобы кабель укладывался, строго повторяя период обвивки предыдущих витков.
Концы проводов зачищаем от изоляции, скручиваем, спаиваем и надеваем на соединения изоляционные трубочки. Провода двух концов соединяются так, чтобы получилась полноценная катушка. Можно соединить по любому, один из вариантов в приведённой таблице:
Каркас катушки НЕ должен содержать металла! Сама катушка в этом типе металлоискателя тоже НЕ обматывается фольгой!
Провод, соединяющий катушку и плату должен быть толстым — обычный электрический медный многожильный типа ПВС, ПУНГП… 2 х 2,5 мм² или 2 х 1,5 мм², а также не желательно применять соединений и разъёмов. В импульсе ток достигает больших значений и всё выше сказанное влияет на чувствительность прибора.
Катушку плотно обматываем изолентой и припаиваем соединительный провод.
Штангу можно сделать из 4-5 м. водопроводной трубы из ПВХ и пару перемычек для того, что бы сделать штангу более удобной. На конец штанги, который вы будете держать, можно установить удобную подставку для руки из пластиковой канализационной трубы. После чего устанавливаем плату в любую подходящую по размерам коробку и крепим на штанге. В конструкции не должно быть посторонних металлических элементов, так как это будет сильно искажать электромагнитное поле прибора.
Настройка металлоискателя
Правильно собранный прибор в наладке практически не нуждается. При настройке только возможно придётся подобрать резистор (R12), стоящий последовательно с переменным (R13), чтоб щелчки в динамике появлялись при среднем положении его движка.
Если есть осциллограф, то можно проконтролировать на затворе Т2 длительность управляющего импульса и частоту генератора. Оптимальный вариант импульса 130-150мкс, частота 120-150 гц.
R1 в генераторе отвечает за частоту генерации. R2 — за длительность управляющего импульса. Напряжения на выводах ОУ (без присутствия метала в зоне датчика):
- выв. 2-6.5в
- выв. 3-6.5в
- выв. 5-5.5в
- выв. 6-3.5в
- выв. 9-0.7в
- выв. 13-6.2в
Для более детальной настройки, а также при ремонте металлоискателя желательно иметь осциллограф. При включении ожидаем 15-20 сек, после чего регулятором ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ находим такое положение при котором в динамике прослушиваются щелчки — это и будет максимальная чувствительность.
Доработка металлоискателя «ПИРАТ»
Две схемы генераторов сигнала
Для того, чтобы в динамике были не щелчки, а «пиканье»для этой цели собирается схема генератора перед УНЧ.
Стрелочный индикатор, подключенный параллельно динамику металлоискателя для визуального контроля сигнала. Стрелочный индикатор от старого магнитофона (подключается параллельно динамику).
Вернемся еще раз к этой схеме. Данная схема питается от низкого напряжения 3,7В. Генератор на транзисторах, добавлен транзистор для запирания приемника во время импульса передачи, добавлен регулятор громкости и составной транзистор на выходе:
Следующая схема имеет защитный диод от переполюсовки, регулятор громкости, гнездо для наушников переключает с динамика на наушники. В генераторе стоит NE555, в приемнике TL072.
Сделать вч генератор своими руками. Ламповый вч генератор
Высокочастотные генераторы служат для образования колебаний электрического тока в интервале частот от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц. Такие устройства создают с применением контуров колебаний LС или резонаторов на кварцах, которые являются элементами задания частоты. Схемы работы остаются такими же. В некоторых цепях контуры гармонических колебаний заменяются кварцевыми резонаторами.
Генератор ВЧ
Устройство для остановки электросчетчика энергии служит для питания электроприборов бытового назначения. Его выходное напряжение 220 вольт, потребляемая мощность 1 киловатт. Если в приборе применить составляющие элементы с характеристиками мощнее, то от него можно запитывать более мощные устройства.
Такой прибор включается в розетку бытовой сети, от него идет питание на нагрузку потребителей. Схема электрических проводов не подвергается каким-либо изменениям. Систему заземления подключать нет необходимости. Счетчик при этом работает, но учитывает примерно 25% энергии сети.
Действие устройства остановки в подключении нагрузки не к питанию сети, а к конденсатору. Заряд этого конденсатора совпадает с синусоидой напряжения сети. Заряд происходит высокочастотными импульсами. Ток, который расходуется потребителями из сети, состоит из высокочастотных импульсов.
Счетчики (электронные) имеют преобразователь, который не чувствителен к высоким частотам. Поэтому, расход энергии импульсного вида счетчик учитывает с отрицательной погрешностью.
Схема прибора
Главные составляющие элементы прибора:
- выпрямитель;
- емкость;
- транзистор.
Конденсатор подключен по последовательной цепи с выпрямителем, когда выпрямитель производит работу на транзистор, заряжается в данный момент времени до размера напряжения линии питания.
Зарядка осуществляется частотными импульсами 2 кГц. На нагрузке и емкости напряжение близко к синусу на 220 вольт. Для ограничения тока транзистор в период заряда емкости, предназначен резистор, подключенный с каскадом ключа по последовательной схеме.
Генератор выполнен на логических элементах. Он образует импульсы 2 кГц с амплитудой на 5 вольт. Сигнальная частота генератора определена свойствами элементов С2-R7. Такие свойства могут использоваться для настройки максимальной погрешности учета расхода энергии. Создатель импульсов выполнен на транзисторах Т2 и Т3. Он предназначен для управления ключом Т1. Создатель импульсов рассчитан так, что транзистор Т1 начинает насыщаться в открытом виде. Поэтому на нем расходуется небольшая мощность. Транзистор Т1 тоже закрывается.
Выпрямитель, трансформатор и остальные элементы создают блок питания низкой стороны схемы. Такой блок питания работает на 36 В для микросхемы генератора.
Сначала делают проверку блока питания отдельно от схемы с низким напряжением. Блок должен создавать ток выше 2-х ампер и напряжение 36 вольт, 5 вольт для генератора с малой мощностью. Далее делают наладку генератора. Для этого отключают силовую часть. От генератора должны идти импульсы размером 5 вольт, частотой 2 килогерца. Для настройки выбирают конденсаторы С2 и С3.
Создатель импульсов при проверке должен выдавать импульсный ток на транзисторе около 2 ампер, иначе транзистор выйдет из строя. Для проверки такого состояния включают шунт, при выключенной силовой схеме. Напряжение импульсов на шунте измеряют осциллографом на работающем генераторе. Основываясь на расчете, вычисляют значение тока.
Далее, проверяют силовую часть. Восстанавливают все цепи по схеме. Конденсатор отключают, вместо нагрузки применяют лампу. При подключении прибора напряжение при нормальной работоспособности прибора должно равняться 120 вольт. На осциллографе видно напряжение нагрузки импульсами с частотой, определенной генератором. Импульсы модулируются синусом напряжения сети. На сопротивлении R6 – импульсами выпрямленного напряжения.
При исправности устройства включают емкость С1, в результате напряжение повышается. При дальнейшем повышении размера емкости С1 доходит до 220 вольт. Во время этого процесса нужно контролировать температуру транзистора Т1. При сильном нагревании на небольшой нагрузке возникает опасность, что он не вошел в режим насыщения или не осуществилось полное закрытие. Тогда нужно сделать настройку создания импульсов. На практике такого нагрева не наблюдается.
В итоге, подключается нагрузка по номиналу, определяется емкость С1 такого значения, чтобы создать для нагрузки напряжение 220 вольт. Емкость С1 выбирают осторожно, с небольших значений, потому что повышение емкости резко повышает ток транзистора Т1. Амплитуду токовых импульсов определяют, если подключить осциллограф к резистору R6 по параллельной схеме. Импульсный ток не поднимется выше допускаемого для определенного транзистора. Если нужно, то ток ограничивают путем повышения значения сопротивления резистора R6. Оптимальным решением будет выбрать наименьший размер емкости конденсатора С1.
При данных радиодеталях прибор рассчитан на потребление 1 киловатта. Чтобы повысить мощность потребления, нужно применить более мощные силовые элементы ключа на транзисторе и выпрямителя.
При выключенных потребителях устройство расходует немалую мощность, учитываемую счетчиком. Поэтому лучше выключать этот прибор при отключенной нагрузки.
Принцип работы и конструкция полупроводникового генератора ВЧ
Генераторы высокой частоты выполнены на широко применяемой схеме. Различия генераторов заключаются в цепочке RС эмиттера, которая задает транзистору режим по току. Для образования обратной связи в цепи генератора от индуктивной катушки создают вывод клеммы. Генераторы ВЧ работают нестабильно на биполярных транзисторах из-за влияния транзистора на колебания. Свойства транзистора могут измениться при колебаниях температуры и разности потенциалов. Поэтому образующаяся частота не остается постоянной величиной, а «плавает».
Чтобы транзистор не влиял на частоту, нужно уменьшить связь контура колебаний с транзистором до минимальной. Для этого нужно снизить размеры емкостей. На частоту оказывает влияние изменение нагрузочного сопротивления. Поэтому нужно между нагрузкой и генератором включить повторитель. Для подключения напряжения к генератору применяют постоянные блоки питания с небольшими импульсами напряжения.
Генераторы, сделанные по схеме, изображенной выше, имеют максимальные характеристики, собраны на полевиках. Во многих схемах генераторов ВЧ сигнал выхода снимается с контура колебаний через небольшой конденсатор, а также с электродов транзистора. Здесь нужно учесть, что вспомогательная нагрузка контура колебаний изменяет его свойства и частоту работы. Часто это свойство применяют для замера разных физических величин, для проверки технологических параметров.
На этой схеме показан измененный генератор высокой частоты. Значение обратной связи и лучшие условия возбуждения выбирают при помощи элементов емкости.
Из всего количества схем генераторов выделяются варианты с ударным возбуждением. Они действуют за счет возбуждения контура колебаний сильным импульсом. В итоге электронного удара в контуре образуются затухающие колебания по синусоидальной амплитуде. Такое затухание происходит из-за потерь в контуре гармонических колебаний. Скорость таких колебаний вычисляется по добротности контура.
Сигнал ВЧ на выходе будет стабильным в том случае, если импульсы будут иметь высокую частоту. Такой вид генераторов самый старый из всех рассматриваемых.
Ламповый ВЧ генератор
Чтобы получить плазму с определенными параметрами, необходимо подвести необходимую величину к разряду мощности. Для эмиттеров на плазме, работа которых основана на разряде высокой частоты, применяется схема подведения мощности. Схема изображена на рисунке.
Усилитель мощности на лампах преобразовывает энергию электрического постоянного тока в переменный ток. Главным элементом работы генератора стала электронная лампа. В нашей схеме это тетроды ГУ-92А. Это устройство представляет собой электронную лампу на четырех электродах: анод, экранирующая сетка, управляющая сетка, катод.
Сетка управления, на которую поступает сигнал высокой частоты малой амплитуды, закрывает часть электронов, когда сигнал характеризуется отрицательной амплитудой, и повышает ток на аноде, при положительном сигнале. Экранирующая сетка создает фокус электронного потока, увеличивает усиление лампы, снижает емкость прохода между сеткой управления и анодом в сравнении с 3-электродной системой в сотни раз. Это уменьшает выходные искажения частот на лампе при действии на высоких частотах.
Генератор состоит из цепей:
- накала с питанием низкого напряжения.
- возбуждения и питания сетки управления.
- питания сетки экрана.
- Анодная цепь.
Между антенной и выходом генератора находится ВЧ трансформатор. Он предназначен для отдачи мощности на эмиттер от генератора. Нагрузка контура антенны не равна величине отбираемой наибольшей мощности от генератора. Эффективность передачи мощности от каскада выхода усилителя к антенне может быть достигнута при согласовании. Элементом согласования выступает емкостный делитель в цепи контура анода.
Элементом согласования может работать трансформатор. Его наличие необходимо в разных согласующих схемах, потому что без трансформатора не осуществится высоковольтная развязка.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.
ПохожееМой генератор Маркса | Мои увлекательные и опасные эксперименты
Информация предоставлена исключительно в образовательных целях!Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования предоставленной информации.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Генератор Маркса — импульсный генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на заряде соединённых параллельно через резисторы конденсаторов, соединяющихся после заряда последовательно при помощи коммутирующих устройств — выходное напряжение при этом увеличивается пропорционально количеству соединённых конденсаторов.
Такая схема была запатентована Эрвином Марксом (Erwin Marx) в 1923 году.
Эрвин Отто Маркс
В 1914 году В. К. Аркадьев совместно с Н. В. Баклиным построили «генератор молний» — первый импульсный генератор в России, работавший на принципе последовательного соединения конденсаторов для получения умноженного напряжения, но использовавший контактно-механический, а не бесконтактный, способ соединения конденсаторов ступеней.
После заряда конденсаторов запуск генератора обычно производится после срабатывания первого разрядника (обычно обозначаемого как trigger (триггер)). После срабатывания триггера перенапряжение на остальных разрядниках заставляет срабатывать все разрядники практически одновременно, что и обеспечивает сложение напряжений последовательно соединенных конденсаторов.
Генераторы Маркса позволяют получать импульсные напряжения от единиц киловольт до десятка мегавольт. Частота импульсов, вырабатываемых генератором Маркса, зависит от мощности генератора в импульсе — от единиц импульсов в час до нескольких десятков герц. Энергия в импульсе генераторов Маркса широко варьируется (от дециджоулей до десятков мегаджоулей).
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ
Для своих исследований я собрал экспериментальный генератор Маркса.
МОЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
(щелкните по рисунку для просмотра в увеличенном размере)
1 — резисторы в цепи ксеноновой лампы-вспышки
2 — конденсаторы в цепи ксеноновой лампы-вспышки
3 — ксеноновая лампа-вспышка из цифрового фотоаппарата
4 — импульсный трансформатор из советской внешней фотовспышки
5 — резисторы ступеней генератора Маркса
6 — конденсаторы ступеней генератора Маркса
7 — триггер
8 — разрядники ступеней генератора Маркса
9 — главный разрядник генератора Маркса
СХЕМА
(щелкните по рисунку для просмотра в увеличенном размере)
ИЗОЛЯЦИЯ
В моей экспериментальной установке изоляция воздушная.
РАЗРЯДНИКИ
В качестве разрядников второй и следующих ступеней генератора Маркса применяют обычно воздушные (в том числе с глушителями звука) разрядники на напряжение до 100 кВ и ток до 1000 кА.
Для срабатывания генератора Маркса необходимо инициировать пробой первого (триггерного) воздушного промежутка («trigger gap«).
Для этого могут быть использованы различные способы:
«jumping wire» — подвижный проводник — механическое сближение контактов триггерного разрядника с помощью изолированного стержня или внесение изолированной отвертки между контактами разрядника
«three electrode trigger gap» — трехэлектродный воздушный промежуток (тригатрон)
«hydrogen thyratron» — водородный тиратрон
Водородный тиратрон — газоразрядный (заполненный водородом) прибор для управления токами большой величины при высоких напряжениях.
Тиратрон имеет 3 электрода — анод, катод и сетку:
Тригатрон (от англ. trigger — пусковое устройство, пусковой сигнал и (элек)трон) — разновидность управляемого искрового разрядника с холодным катодом для управления большими токами (20-100 кА и вплоть до мегаамперов) при высоких напряжениях (обычно 10-100 кВ).
Тригатрон имеет 3 электрода — 2 массивных (главных) для пропуска тока и маленький управляющий электрод:
Когда тригатрон отключён, напряжение между главными электродами должно быть меньше напряжения пробоя, соответствующего расстоянию между электродами и применённому диэлектрику (воздуху, аргоно-кислородной смеси, азоту, водороду или элегазу). Чтобы включить тригатрон, на управляющий электрод подаётся высоковольтный импульс. Он ионизирует газ между управляющим и одним из главных электродов, возникает искровой разряд, который укорачивает не ионизированный промежуток между главными электродами. Искра создаёт ультрафиолетовое излучение и порождает множество свободных электронов в промежутке. Это быстро приводит к электрическому пробою и между главными электродами возникает электрическая дуга с малым сопротивлением. Дуга продолжается до тех пор, пока напряжение между главными электродами не станет меньше некоторого значения. Стеклянные тригатроны часто покрывают защитной волнистой металлической сеткой во избежание разлёта кусочков стекла при разрыве колбы.
Я в своей установке использовал подобие тригатрона — управляемый разрядник с тремя электродами, но не помещенный в корпус.
Разрядники остальных ступеней — такие же, только без триггерного электрода.
Таким образом, в первой ступени первоначально происходит пробой воздушного промежутка «стержень — сегмент сферы», а в остальных разрядниках — «сегмент сферы — сегмент сферы».
Напряженность электрического пробоя воздуха составляет ~ 3 кВ/мм.
Основной разрядник — два залуженных на конце медных провода.
Устойчивый пробой наблюдается при расстоянии ~ 7 мм между ними:
СХЕМА ЗАЖИГАНИЯ
Основными элементами схемы зажигания моего генератора Маркса являются времязадающая цепочка Rt — Ct, ксеноновая лампа EL1, трансформатор T1 с обмотками L1 и L2.
Времязадающая цепочка Rt-Ct
Резистивная часть цепочки Rt составлена из 15 последовательно включенных резисторов сопротивлением 10 МОм номинальной мощностью 0,125 Вт.
Общее сопротивление Rt = 150 МОм.
Емкостная часть цепочки Ct составлена из девяти конденсаторов CBB81 Ct1 — Ct9 3300 пФ x 1000 В:
Общая емкость Ct = 3,3 нФ.
Постоянная времени задающей цепочки Rt — Ct составляет $\tau = 0,5 $ с.
Импульсный трансформатор T1
Импульсный трансформатор («trigger transformer» или «trigger coil«) часто применяется в типовых схемах питания ксеноновых ламп-вспышек («external triggering«):
В такой схеме конденсаторы Cg и C (намного большей емкости — десятки и сотни мкФ) заряжаются до напряжения ~ 300 В. Конденсатор Cg разряжается на первичную обмотку трансформатора 1-2 (с малым числом витков) при замыкании ключа S (в качестве ключа может быть использован тиристор). Номинальная входная энергия при этом для разных типов трансформаторов составляет от 0,9 до 16 мДж. Импульс тока в первичной обмотке вызывает возникновение высоковольтного импульса (2-10 киловольт) во вторичной обмотке 3-2 (с гораздо большим числом витков, чем в первичной). Этот импульс прикладывается к управляющему электроду ксеноновой лампы (металлической (никелевой) пластине или сетке, частично охватыващей колбу лампы) и вызывает ионизацию газа в ней — в лампе возникает тонкий ионизированный стример («streamer«). Ионизация вызывает резкое снижение сопротивления газа в лампе («triggering«), что инициирует разряд основного конденсатора C (энергия разряда — до 130 Дж), подключенного к электродам лампы, через лампу и требуемую резкую вспышку белого света.
В качестве примера такого трансформатора можно привести TC-50:
Параметры трансформатора TC-50:
первичная обмотка — 14 витков, 3,5 мкГн, 130 мОм;
вторичная обмотка — 1000 витков, 2,1 мГн, 180 Ом;
входное напряжение — 300 В;
выходное напряжение — 10 кВ;
емкость конденсатора — 0,22 мкФ;
энергия — 10 мДж.
В своем генератор Маркса я использовал импульсный (авто)трансформатор, взятый мной из советской сетевой фотовспышки «Фотон»:
1 — верхний вывод первичной обмотки L1
2 — объединенные нижние выводы обмоток L1 и L2
3 — верхний вывод вторичной обмотки L2
сетевая фотовспышка «Фотон»
На схеме вспышки трансформатор обозначен как Тр:
Не следует путать импульсный трансформатор для зажигания лампы с трансформатором инвертора, предназначенного для преобразования низкого напряжения питания (например, 6 вольт) в высокое напряжение заряда конденсатора C (например, 340 вольт):
Ксеноновая лампа EL1
Ксеноновая лампа представляет собой трубку (из кварцевого или боросиликатного стекла), заполненную ксеноном, и имеет три электрода — анод, катод и триггер:
Анод и катод обычно изготавливаются из вольфрама.
Лампа в моем генераторе Маркса взята из вспышки цифрового фотоаппарата Genius G-Shot D211:
Зажигание
После подачи питания от выпрямителя, подключенного к высоковольтному генератору, конденсатор Ct начинает заряжаться через резистор Rt.
Параллельно происходит заряд основных конденсаторов C1 — C4 через резисторы R1 — R7 (см. полную схему установки выше).
Когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения срабатывания лампы EL1, происходит пробой, лампа вспыхивает
и замыкает цепь, соединяя заряженный конденсатор Ct с первичной обмоткой L1 трансформатора T1. Возникающий в обмотке L1 импульс тока наводит импульс высокого напряжения во вторичной обмотке L2. Этот высоковольтный импульс пробивает воздушный промежуток между электродами 3 и 2 воздушного разрядника (см. фотографию выше) (см. разряд 1 на фото ниже). Разряд с управляющего электрода 3 инициирует разряд между основными электродами 1 и 2 конденсаторов первой ступени C1 (см. разряд 2 на фото ниже).
1 — пробой вспомогательного промежутка
2 — пробой основного промежутка
Резистор R1 предотвращает возникновение дугового разряда на первом разряднике после его пробоя.
КОНДЕНСАТОРЫ
Я в своей установке использовал конденсаторы CBB81 (аналог К78-2) — высоковольтные конденсаторы не-индуктивного типа на основе полипропилен-металлизированной плёнки (с большими токами разряда) с огнезащитным эпоксидным покрытием корпуса:
1 — полипропилен-металлизированная плёнка
2 — слой напыленного металла
3 — выводы
4 — красная эпоксидная смола
5 — алюминиевая фольга
Я решил увеличить энергию разряда, добавив конденсаторы 22 нФ x 2000 В:
В итоге, конденсаторы одной ступени включены таким образом:
C1 … C3 — 3300 пФ x 1000 В (общая емкость цепочки 1,1 нФ)
C4, C5 — 8200 пФ x 2000 В (общая емкость цепочки 4,1 нФ)
C6, C7 — 22 нФ x 2000 В (общая емкость цепочки 11 нФ)
Общая емкость конденсаторов одной ступени составила C = 16,2 нФ.2}\over 2} = 0,07 $ Дж. Таким образом, энергия одного разряда составляет около 0,4 Дж. Для сравнения, в проекте Loneoceans Laboratories энергия разряда в первом варианте генератора составила 0,05 Дж, а во втором — 0,56 Дж.
РЕЗИСТОРЫ
Резисторы R2 — R7 (см. полную схему установки выше) составлены из трех соединенных последовательно резисторов МЛТ по 560 кОм, а резистор R1 — из трех резисторов ОМЛТ по 910 кОм (у всех резисторов номинальная мощность 2 Вт):
Резисторы ОМЛТ имеют такие же электрические параметры, как и МЛТ, но обладают повышенной механической прочностью и надежностью — срок сохраняемости у резисторов ОМЛТ — 25 лет, а у МЛТ — 15 лет.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ С МОИМ ГЕНЕРАТОРОМ МАРКСА
Разряд генератора Маркса:
1 — вспышка ксеноновой лампы
2 — разряд на управляющем электроде
3 — разряд разрядника ступени
4 — разряд основного разрядника разряд генератора Маркса
Разряды моего генератора Маркса при выключенном освещении:
(щелкните мышкой по рисунку для просмотра в увеличенном размере)
При напряжении питания 3,6 кВ интервал между разрядами составил 1,2 с.
При повышении напряжения на выходе высоковольтного источника частота разрядов возрастает — при напряжении 4,2 кВ интервал между разрядами 0,7 — 0,8 с.
Видео моих экспериментов с генератором Маркса
09.11.2015 — https://youtu.be/9waUcT-yDOo
25.03.2013 — https://youtu.be/LLqqs178_sk
24.01.2013 — https://youtu.be/a2DiT5gKEZE
ОПАСНОСТЬ ГЕНЕРАТОРА МАРКСА
Высокое напряжение
Генератор Маркса является источником высокого напряжения — содержит конденсаторы, которые в процессе работы заряжаются до опасного напряжения. Необходимо всегда разряжать конденсаторы перед какими-либо манипуляциями с устройством.
Следует учитывать, что высокое напряжение может вызвать электрический пробой воздуха (напряжение 1 кВ пробивает воздушный промежуток длиной 1,1 мм).
Ультрафиолет
Электрические разряды генератора Маркса являются источником ультрафиолетового излучения в диапазонах UVA (ближний ультрафиолет, УФ-A лучи, 315 — 400 нм) и UVB (средний ультрафиолет, УФ-B лучи, 315 — 280 нм).
При экспериментах следует использовать защитные очки.
Озон
При разряде генератора Маркса в воздухе происходит образование аллотропной формы кислорода — озона $ O_3 $:
$ O_2 + O = O_3 $
Опасность озона (Классификация ЕС согласно Директиве об опасных веществах (DSD)):
| окислитель | очень токсичен | коррозионен |
Озон токсичен (относится к 1 классу опасности — «чрезвычайно опасные вещества«) из-за его высокой окисляющей способности и образования во многих реакциях с его участием свободных радикалов кислорода. Основное технологическое применение озона связано именно с его исключительными окислительными свойствами (по своим окислительным возможностям озон опережает хлор и перекись водорода).
Он может причинить вред людям, домашним питомцам и растениям.
50% белых мышей гибнет после 4 часов воздействия озона концентрацией 0,53 — 1 мг/м³.
Порог человеческого обоняния соответствует концентрации озона в воздухе около 0,01 мг/м³.
ПДК озона в воздухе рабочей зоны (ГОСТ 12.1.007-76, ГН 2.2.5.1313-03) 0,1 мг/м³.
При вдыхании высоких концентраций озона (9 мг/м3 и выше) может появиться:
- кашель
- раздражение глаз
- головная боль
- головокружение
- загрудинные боли
1 мг/м3 озона = 0,46 ppm; 1 ppm = 2,15 мг/м3; 1 мг/л = 103 мг/м3
Озон в высоких концентрациях нестабилен и постепенно превращается в кислород:
$ 2 O_3 \rightarrow 3 O_2 $
При работе моего генератора Маркса запах озона начинает ощущаться уже после нескольких десятков разрядов!
Радиопомехи
Генератор Маркса является источником мощных радиочастотных помех (RFI). Он может повлиять на работу кардиостимуляторов!
Генератор импульсов высокого напряжения (генератор импульсного напряжения, ГИН) Маркса используется в разнообразных исследованиях в науке, а также для решения разнообразных задач в технике.
Первоначально генераторы Маркса применялись и применяются сейчас в ядерных и термоядерных исследованиях для ускорения различных элементарных частиц, создания ионных пучков, создания релятивистских электронных пучков для инициирования термоядерных реакций. Также генераторы Маркса применяются в качестве мощных источников накачки квантовых генераторов, для исследований состояний плазмы, для исследований импульсных электромагнитных излучений. В военной технике генераторы Маркса отдельно и в комплексе с виркаторами применяются в качестве генераторов излучения для создания портативных средств радиоэлектронной борьбы, в качестве электромагнитного оружия, действие которого основано на поражении целей радиочастотным электромагнитным излучением (РЧЭМИ).
В американском передвижном генераторе Маркса
FEBETRON-2020 генерируются импульсы тока в 6 кА при напряжении 2,3 МВ, в результате чего излучаются мощные электромагнитные импульсы:Виркаторы (
Virtual Cathode Oscillator) используются как генераторы излучения в СВЧ и рентгеновском диапазонах. Виркаторы способны произвести очень мощные одиночные импульсы энергии, они конструктивно просты, небольшие по размерам, прочные и способны работать в относительно широкой полосе частот микроволнового диапазона. Мощность таких генераторов может достигать уровня 1010—1012 Вт. Виркатор представляет собой электронную лампу, у которой есть два электрода – эмиттер и сетка. При приложении к ним импульса высокого напряжения формируется облако электронов, которое движется к сетке, пролетает сквозь ее ячейки и колеблется относительно сетки вплоть до полной нейтрализации заряда. При движении электронов с ускорением возникает электромагнитное излучение. Облако электронов выполняет роль «виртуального катода», от которого, собственно, и происходит название «виркатор».1 — изолятор; 2 — металлический катод; 3— сеточный анод; 4— виртуальный катод; 5— диэлектрическое окно
Генерация гигаваттной мощности требует такого числа электронов, которое можно получить лишь при взрывной эмиссии: на микроостриях поверхности эмиттера под действием поля высокой напряженности происходит сильный местный разогрев вещества и оно превращается в плотную плазму (то есть взрывается). Интересно, что нужная плотность микронеровностей (в сочетании с нужной проводимостью) получается на сломе графита, поэтому один из самых удобных материалов для эмиттера – сломанные грифели карандашей.
Виркатор с емкостным накопителем энергии, Национальный исследовательский Томский политехнический университет (создание мобильных источников СВЧ-излучения, работающих в частотно-периодическом режиме, воздействие излучения на материалы и объекты, радиолокация)
В промышленности генераторы Маркса наряду с другими источниками импульсных напряжений и токов применяются в электрогидравлической обработке материалов, дроблении, бурении, уплотнении грунтов и бетонных смесей.
Генератор импульсов сделать самому своими руками. Генератор высоковольтных импульсов
Генераторы импульсов — это устройства, которые способны создавать волны определенной формы. Тактовая частота в данном случае зависит от многих факторов. Основным предназначением генераторов принято считать синхронизацию процессов у электроприборов. Таким образом, у пользователя есть возможность настраивать различную цифровую технику.
Как пример можно привести часы, а также таймеры. Основным элементом устройств данного типа принято считать адаптер. Дополнительно в генераторы устанавливаются конденсаторы и резисторы вместе с диодами. К основным параметрам устройств можно отнести показатель возбуждения колебаний и отрицательного сопротивления.
Генераторы с инверторами
Сделать генератор импульсов своими руками с инверторами можно и в домашних условиях. Для этого адаптер потребуется бесконденсаторного типа. Резисторы лучше всего использовать именно полевые. Параметр передачи импульса у них находится на довольно высоком уровне. Конденсаторы к устройству необходимо подбирать исходя из мощности адаптера. Если его выходное напряжение составляет 2 В, то минимальная емкость конденсатора должна находиться на уровне 4 пФ. Дополнительно важно следить за параметром отрицательного сопротивления. В среднем он обязан колебаться в районе 8 Ом.
Модель прямоугольных импульсов с регулятором
На сегодняшний день генератор прямоугольных импульсов с регуляторами является довольно распространенным. Для того чтобы у пользователя была возможность настраивать предельную частоту устройства, необходимо использовать модулятор. На рынке производителями они представлены поворотного и кнопочного типа. В данном случае лучше всего остановиться на первом варианте. Все это позволит более тонко проводить настройку и не бояться за сбой в системе.
Устанавливается модулятор в генератор прямоугольных импульсов непосредственно на адаптер. При этом пайку необходимо производить очень аккуратно. В первую очередь следует хорошо прочистить все контакты. Если рассматривать бесконденсаторные адаптеры, то у них выходы находятся с верхней стороны. Дополнительно существуют аналоговые адаптеры, которые часто выпускаются с защитной крышкой. В этой ситуации ее необходимо удалить.
Для того чтобы у устройства была высокая пропускная способность, необходимо резисторы устанавливать попарно. Параметр возбуждения колебаний в данном случае обязан находиться на уровне 4 мс. Как основную проблему генератор прямоугольных импульсов (схема показана ниже) имеет резкое повышение рабочей температуры. В данном случае следует проверить отрицательное сопротивление бесконденсаторного адаптера.
Генератор перекрывающих импульсов
Чтобы сделать генератор импульсов своими руками, адаптер лучше всего использовать аналогового вида. Регуляторы в данном случае применять не обязательно. Связано это с тем, что уровень отрицательного сопротивления может превысить 5 Ом. В результате на резисторы оказывается довольно большая нагрузка. Конденсаторы к устройству подбираются с емкостью не менее 4 Ом. В свою очередь адаптер к ним подсоединяется только выходными контактами. Как основную проблему генератор импульсов имеет асимметричность колебаний, которая возникает вследствие перегрузки резисторов.
Устройство с симметричными импульсами
Сделать простой генератор импульсов такого типа можно только с использованием инверторов. Адаптер в такой ситуации лучше всего подбирать аналогового типа. Стоит он на рынке намного меньше, чем бесконденсаторная модификация. Дополнительно важно обращать внимание на тип резисторов. Многие специалисты для генератора советуют подбирать кварцевые модели. Однако пропускная способность у них довольно низкая. В результате параметр возбуждения колебаний никогда не превысит 4 мс. Плюс к этому добавляется риск перегрева адаптера.
Учитывая все вышесказанное, целесообразнее использовать полевые резисторы. Пропускная способность в данном случае будет зависеть от их расположения на плате. Если выбирать вариант, когда они устанавливаются перед адаптером, в этом случае показатель возбуждения колебаний может дойти до 5 мс. В противной ситуации на хорошие результаты можно не рассчитывать. Проверить генератор импульсов на работоспособность можно просто подсоединив блок питания на 20 В. В результате уровень отрицательного сопротивления обязан находиться в районе 3 Ом.
Чтобы риск перегрева был минимальным, дополнительно важно использовать только емкостные конденсаторы. Регулятор в такое устройство устанавливать можно. Если рассматривать поворотные модификации, то как вариант подойдет модулятор серии ППР2. По своим характеристикам он на сегодняшний день является довольно надежным.
Генератор с триггером
Триггером называют устройство, которое отвечает за передачу сигнала. На сегодняшний день они продаются однонаправленные или двухнаправленные. Для генератора подходит только первый вариант. Устанавливается вышеуказанный элемент возле адаптера. При этом пайку необходимо проделывать только после тщательной зачистки всех контактов.
Непосредственно адаптер можно выбрать даже аналогового типа. Нагрузка в данном случае будет небольшой, а уровень отрицательного сопротивления при удачной сборке не превысит 5 Ом. Параметр возбуждения колебаний с триггером в среднем составляет 5 мс. Основную проблему генератор импульсов имеет такую: повышенная чувствительность. В результате с блоком питания выше 20 В указанные устройства работать не способны.
Обратим внимание на микросхемы. Генераторы импульсов указанного типа подразумевают использование мощного индуктора. Дополнительно следует подбирать только аналоговый адаптер. В данном случае необходимо добиться высокой пропускной способности системы. Для этого конденсаторы применяются только емкостного типа. Как минимум отрицательное сопротивление они должны быть способны выдерживать на уровне 5 Ом.
Резисторы для устройства подходят самые разнообразные. Если выбирать их закрытого типа, то необходимо предусмотреть для них раздельный контакт. Если все же остановиться на полевых резисторах, то изменение фазы в данном случае будет происходить довольно долго. Тиристоры для таких устройств практически бесполезны.
Модели с кварцевой стабилизацией
Схема генератора импульсов данного типа предусматривает использование только бесконденсаторного адаптера. Все это необходимо для того, чтобы показатель возбуждения колебаний был как минимум на уровне 4 мс. Все это позволит также сократить термальные потери. Конденсаторы для устройства подбираются исходя из уровня отрицательного сопротивления. Дополнительно необходимо учитывать тип блока питания. Если рассматривать импульсные модели, то у них уровень выходного тока в среднем находится на отметке 30 В. Все это в конечном счете может привести к перегреву конденсаторов.
Чтобы избежать таких проблем, многие специалисты советуют устанавливать стабилитроны. Припаиваются они непосредственно на адаптер. Для этого необходимо прочистить все контакты и проверить напряжение катода. Вспомогательные адаптеры для таких генераторов также используются. В этой ситуации они играют роль коммутируемого трансивера. В результате параметр возбуждения колебаний повышается до 6 мс.
Генераторы с конденсаторами РР2
Складывается генератор высоковольтных импульсов с конденсаторами данного типа довольно просто. На рынке найти элементы для таких устройств не составляет никаких проблем. Однако важно подобрать качественную микросхему. Многие с этой целью приобретают многоканальные модификации. Однако стоят они в магазине довольно дорого по сравнению с обычными типами.
Транзисторы для генераторов подходят больше всего однопереходные. В данном случае параметр отрицательного сопротивления не должен превышать 7 Ом. В такой ситуации можно надеяться на стабильность работы системы. Чтобы повысить чувствительность устройства, многие советуют применять стабилитроны. При этом триггеры используются крайне редко. Связано это с тем, что пропускная способность модели значительно снижается. Основной проблемой конденсаторов принято считать усиление предельной частоты.
В результате смена фазы происходит с большим отрывом. Чтобы наладить процесс должным образом, необходимо вначале работы настроить адаптер. Если уровень отрицательного сопротивления находится на отметке 5 Ом, то предельная частота устройства должна составлять примерно 40 Гц. В результате нагрузка с резисторов снимается.
Модели с конденсаторами РР5
Генератор высоковольтных импульсов с указанными конденсаторами можно встретить довольно часто. При этом использоваться он способен даже с блоками питания на 15 В. Пропускная способность его зависит от типа адаптера. В данном случае важно определиться с резисторами. Если подбирать полевые модели, то адаптер целесообразнее устанавливать именно бесконденсаторного типа. В том случае параметр отрицательного сопротивления будет находиться в районе 3 Ом.
Стабилитроны в данном случае используются довольно часто. Связано это с резким понижением уровня предельной частоты. Для того чтобы ее выровнять, стабилитроны подходят идеально. Устанавливаются они, как правило, возле выходного порта. В свою очередь, резисторы лучше всего припаивать возле адаптера. Показатель колебательного возбуждения зависит от емкости конденсаторов. Рассматривая модели на 3 пФ, отметим, что вышеуказанный параметр никогда не превысит 6 мс.
Основные проблемы генератора
Основной проблемой устройств с конденсаторами РР5 принято считать повышенную чувствительность. При этом термальные показатели также находятся на невысоком уровне. За счет этого часто возникает потребность в использовании триггера. Однако в данном случае необходимо все же замерить показатель выходного напряжения. Если он при блоке в 20 В превышает 15 В, то триггер способен значительно улучшить работу системы.
Устройства на регуляторах МКМ25
Схема генератора импульсов с данным регулятором включает в себя резисторы только закрытого типа. При этом микросхемы можно использовать даже серии ППР1. В данном случае конденсаторов требуется только два. Уровень отрицательного сопротивления напрямую зависит от проводимости элементов. Если емкость конденсаторов составляет менее 4 пФ, то отрицательное сопротивление может повыситься даже до 5 Ом.
Чтобы решить данную проблему, необходимо использовать стабилитроны. Регулятор в данном случае устанавливается на генератор импульсов возле аналогового адаптера. Выходные контакты при этом необходимо тщательно зачистить. Также следует проверить пороговое напряжение самого катода. Если оно превышает 5 В, то подсоединять регулируемый генератор импульсов можно на два контакта.
Создание генератора импульсов | Журнал Nuts & Volts
Если вы работаете с цифровыми и логическими схемами (а мы все это делаем), вы найдете этот инструмент удобным для проектирования, поиска и устранения неисправностей и калибровки электронных схем. Хотя у меня есть довольно дорогой коммерческий функциональный генератор, я считаю, что именно этот генератор импульсов я использую большую часть времени. Генератор довольно прост в сборке и имеет простую конструкцию. Для этого требуется шесть интегральных схем и два транзистора.Кроме того, вам понадобится блок питания на 15 вольт на 200 мА.
Вы можете собрать этот блок, как показано, или добавить / удалить этапы, если вы предпочитаете что-то более индивидуальное для ваших нужд. За два года использования я не почувствовал необходимости менять дизайн, так как он хорошо себя зарекомендовал во всех ситуациях.
Я поместил это устройство в коробку размером 7 x 4 x 5 дюймов. Если вы построите его в точности так, как показано, не используйте коробку меньшего размера, чем это, так как вы будете перегружать элементы управления на передней панели. Прежде чем мы перейдем к конструкции, я считаю, что уместно дать описание теории работы.
Как это работает
На схеме (, рис. 1, ) сердцем устройства являются генератор скорости U4 и генератор ширины U3B. Скорость мультивибратора U4 устанавливается в шесть ступеней путем выбора конденсатора S6a, S6b.
РИСУНОК 1. Сердце устройства — генератор скорости U4 и генератор ширины U3B.
Это, в свою очередь, изменяется потенциометром P2, чтобы обеспечить полное покрытие между диапазонами. Изменение скорости составляет от двух микросекунд до одной секунды непрерывно со значениями R9 и P2, что дает примерно 10-процентное перекрытие между диапазонами.Выходной сигнал прямоугольной формы передается через U5a, b (логический элемент И), который обеспечивает буферизацию для U4. Один вентиль отправляет сигнал на J3 (внутренний триггерный выход). Другой вентиль отправляет сигнал на U2b-P5, который изолирует различные входы друг от друга с помощью функции логического элемента ИЛИ.
Положительный фронт на выходе U2b запускает генератор ширины U3b. Между прочим, все эти схемы срабатывают по положительному фронту. U3b — это моностабильный мультивибратор, и его выходная ширина определяется выбором конденсатора через S7a, S7b.Как и в U4, он изменяется с помощью потенциометра P3 (также обеспечивающего перекрытие 10 процентов) для обеспечения непрерывной сходимости от одной микросекунды до 100 миллисекунд по ширине. Выходной сигнал U3b отправляется через U2c на базу Q1. В сочетании с S4, U5c и d обеспечивают выбор положительных или отрицательных импульсов (Q или Q нет).
Уровень импульса в этой точке составляет пиковое значение 15 вольт, и задача эмиттерного повторителя Q1 состоит в том, чтобы управлять уровнем импульсов P4 и схемой транслятора R14, R15 для управления уровнем TTL U6 для быстрого нарастания и спада, требуемого для этого. семейство схем.
С выхода регулятора уровня импульсов импульс отправляется на Q2 через R16. Q2 — это усилитель тока для управления нагрузками с очень низким импедансом. Его выходное сопротивление составляет порядка 10 Ом и позволяет легко управлять нагрузкой 50 Ом при пятивольтовых логических уровнях.
Основной выход на J4 связан по переменному или постоянному току, в зависимости от выбора S5. Выходное напряжение в этой точке составляет от нуля до 14 вольт, пиковое. R17 — это понижающий резистор, помогающий сократить время спада. R16 был выбран произвольно, чтобы уменьшить выбросы и звон.
Переключатель S2 (остановка хода) предоставляет несколько вариантов. В рабочем положении генератор скорости U4 работает непрерывно и обеспечивает триггер для U3b. В положении остановки срабатывание U3b может быть любым из следующих:
- Внешний запуск через J1
- Одиночный выстрел, запускаемый через S3 (одиночный) — один импульс на нажатие
- С внешней стороны через J2
- Внутренний импульс, инициированный через S1 (импульс) — один пакет на нажатие
U1 и U2 — идентичные высокоскоростные компараторы, принимающие любую форму волны от постоянного тока до 1 МГц.Их диапазон входного напряжения составляет от 1,3 до 15 вольт, пиковое. Входное сопротивление составляет один МОм. U3a является генератором длины пакета и будет посылать одну группу импульсов каждый раз, когда S1 нажат. Фактическое количество импульсов определяется настройками управления на передней панели и длительностью импульса, выбранной потенциометром P1. В своем устройстве я выбрал для этой схемы диапазон от 0,1 до 20 миллисекунд. Вы можете изменить свое, изменив постоянную времени RC P1, C3.
C1 и C2 обеспечивают дешевое средство устранения дребезга контактов S1 и S3 соответственно.Главный выход (J4) имеет время нарастания импульса 10 наносекунд и совместим с дополнительными металлооксидными полупроводниками (CMOS) или биполярными схемами. Как упоминалось ранее, выход TTL (J5) совместим с этим типом схем. Функции, встроенные в этот генератор, удовлетворили все мои потребности. Теперь о строительстве.
Строительство
Как я упоминал ранее, коробка, которую я использовал, была бы настолько маленькой, насколько вы хотите. Мне даже пришлось установить большинство компонентов блока питания в заднем внутреннем углу и установить переключатель включения питания на задней панели.
РИСУНОК 2. Выключатель питания расположен на задней стороне корпуса.
Я не буду останавливаться на конструкции блока питания, так как вы можете использовать любую конфигурацию, которая вам нравится, даже до степени включения настенного трансформатора, если это необходимо. Просто убедитесь, что он соответствует требованиям схемы от 18 до 22 В и минимум 200 мА.
Я построил настоящую схему на перфорированной плате со следами, которые могли бы принимать сокеты с двойным встроенным корпусом (DIP).Я всегда использую сокеты в своих проектах для будущих модификаций или устранения неполадок. Эта плата имела размеры 3,25 x 5,5 дюйма и располагалась, как показано на рис. 3 , . На плате были установлены почти все компоненты, за исключением C5 — C15, о которых я вскоре расскажу.
РИСУНОК 3. Размер платы 3,25 x 5,5 дюйма.
Q2 был выбран за его высокую скорость работы и способность выдерживать большие нагрузки. Большинство высокоскоростных переключающих транзисторов будут работать нормально, и даже скромный 2N3904 удовлетворительно работал в этой схеме.C16 должен быть установлен рядом с этим коллектором. В этой конструкции не возникло никаких проблем с компоновкой схемы, даже если провода на передней панели сгруппированы и переплетены. J1, J2 и J3 доступны через вырез в задней стенке корпуса.
Что касается синхронизирующих конденсаторов с C5 по C15, я решил установить их между палубами поворотных переключателей S6 и S7. Когда соответствующие регулируемые элементы управления (P2 и P3) находятся в своем калиброванном положении (полностью против часовой стрелки), значения и ширина будут такими, как указано на положениях переключателей на передней панели.Это следующие:
СКОРОСТЬ:
2 мкс, 10 мкс, 100 мкс, 1 мс, 10 мс, 100 мс
WIDTH:
1 мкс, 10 мкс, 100 мкс, 1 мс, 10 мс
РИСУНОК 4. Нормы и ширина указаны на передней панели.
С помощью переменных элементов управления можно переходить от одного диапазона к другому с 10-процентным перекрытием для обеспечения полного охвата. В положении калибровки точность будет зависеть от того, насколько близки значения конденсатора к требуемым значениям.
На некоторых диапазонах я прибивал его к первому выбранному конденсатору. На других приходилось подкрадываться к нему с двумя конденсаторами (один большой, один маленький). Я стремился к точности в один процент на всех диапазонах, и это было несложно. Нет смысла пытаться добиться большей точности, чем эта, поскольку стабильность конденсатора не гарантирует, что синхронизация останется такой стабильной. Если вы хотите большей стабильности и точности, вам придется использовать дорогой полистирол или аналогичные конденсаторы.
В такой высокой точности на самом деле нет необходимости, поскольку вы обычно будете использовать это устройство вместе с другим испытательным оборудованием (прицелами и т. Д.).) для перекрестной проверки. Список частей показывает целевые значения конденсаторов от C5 до C15. Эти значения могут отличаться в вашей конкретной схеме, но предлагают близкую отправную точку.
Кроме того, потенциометры (P2 и P3) можно шунтировать с помощью резисторов высокого номинала, чтобы немного изменить их значения и привести синхронизацию нижних частот (P2 и P3, полностью по часовой стрелке) в большее соответствие с ожидаемыми скоростями и шириной в этих точках. . Важной функцией этих двух схем является не столько точность передней панели, сколько полное покрытие коммутируемых диапазонов.
Фактический выходной ток возбуждения, который будет производить генератор, зависит от транзистора Q2 и рабочего цикла (процент времени, в течение которого Q2 остается на высоком уровне напряжения). Для показанного транзистора он будет выдавать 500 мА при рабочем цикле 10 процентов без ухудшения характеристик импульса. Например, 2N3904 будет выдавать 100 мА при тех же условиях.
Для U6 (транслятор cmos в TTL) я использовал шестнадцатеричный инвертор только потому, что это было удобно. Подходит любая конфигурация затвора TTL; просто убедитесь, что выход остается неинвертированным по отношению к входу.
По завершении, если у вас возникнут проблемы, начните с проверки источников питания (+15 и +5 вольт). Затем посмотрите на генератор скорости U4, чтобы убедиться, что он работает. U4 будет работать, когда U2a-P9 положительный, и остановится, когда он отрицательный. Помимо генератора и из-за простоты схемы, вы можете идти поэтапно, используя стандартные методы поиска и устранения неисправностей.
Когда вы закончите этот проект, у вас будет источник генерации импульсов с широким диапазоном выходных сигналов:
Скорость — плавно изменяется от двух микросекунд до одной секунды
Ширина — плавно изменяемая от одной микросекунды до одной миллисекунды
Триггер — непрерывный, одиночный пакет, внутренний или внешний
Выход — соответствующий привод практически для любой схемы (от нуля до 14 вольт, пик)
Лично для меня это был интересный и забавный проект, который оказался важным элементом моего испытательного стенда.Не торопитесь, создавая это, делайте профессиональную работу, и вы будете так же довольны, как и я. NV
ПЕРЕЧЕНЬ ДЕТАЛЕЙ
| Резисторы [5% 1/4 Вт] | Конденсаторы [25 В и более] | Полупроводники | |||
| R1 | 10 К | C1 | 0,05 мкФ | D1, D2, D3 | IN914 |
| R2 | 1,2 К | C2 | 0.05 мкФ | RB1 [мост] | [адрес электронной почты защищен] |
| R3 | 15 К | C3 | 0,05 мкФ | 1 квартал | 2N3904 |
| R4 | 10 К | C4 | 0,05 мкФ | 2 квартал | 2SC730 |
| R5 | 2,2 К | C5 | 5,5 мкФ [неэлектролитический] | U1 | LM319 [двойной компаратор] |
| R6 | 2.2К | C6 | 0,56 мкФ | U2 | CD4075 [логический элемент ИЛИ тройной вход 3] |
| R7 | 22 К | C7 | 0,056 мкФ | U3 | CD4528 [двойной моностабильный] |
| R8 | 5,1 К | C8 | 0,0056 мкФ | U4 | CD4011 [четырехканальный логический элемент NAND] |
| R9 | 9,1 К | C9 | 560 пФ | U5 | CD4081 [квадроцикл И вентиль] |
| R10 | 22 К | C10 | 51 пФ | U6 | SN7404 [шестигранный инвертор] |
| R11 | 5.1К | C11 | 5,7 мкФ [неэлектролитический] | U7 | 7815C [регистр +15 В] |
| R12 | 22 К | C12 | 0,56 мкФ | U8 | 78L05C [регистр +5 В] |
| R13 | 22 К | C13 | 0,056 мкФ | Разное | |
| R14 | 1,8 К | C14 | 0,0039 мкФ | П1 | 1.0 Омегом [ДЛИНА РАЗРЫВА] |
| R15 | 680 Ом | C15 | 130 пФ | P2 | 100K [ПЕРЕМЕННАЯ СТАВКА] |
| R16 | 470 Ом | C16 | 0,22 мкФ | П3 | 50K [ШИРИНА ВИДИМОСТИ] |
| R17 | 1К | C17 | 1,0 мкФ-50 В | П4 | 1K [УРОВЕНЬ] |
| R18 | 22K | C18 | 0.05 мкФ | S1, S3 | Мгновенный NC |
| C19 | 1000 мкФ-35В | S2, S4, S5, S8 | Переключатель SPDT | ||
| C20 | 100 мкФ | S6, S7 | Вафля [2-я дека] 6 Позиция | ||
| J1-J5 | BNC, розетка | ||||
| Пилот | светодиод с внутр. Резистор | ||||
| Т1 | 120 В первичный; 15-20 В вторичный @ 0,25 А | ||||
DIY Kit независимый регулируемый автоматический переключатель синхронизации генератор импульсов DIY модуль
Описание:
Эта схема может использоваться как автоматический таймер, а время переключения можно регулировать независимо.JP1 может выводить сигналы переключения, управляемые реле, а JP2 может выводить прямоугольные импульсы.
Основные компоненты Введение:
Его основная схема — NE555. Ключевым компонентом является регулируемое сопротивление высококачественной стеклянной глазури 2 МОм, которое можно легко отрегулировать для длительной задержки. Его выход управляется реле 5 В, а в световом индикаторе используется двухцветный светодиод 5 мм, который выполняет двойные функции. индикации мощности и инструкции по работе.
Характеристики печатной платы:
1.5-миллиметровая высококачественная печатная плата принимает полную технологическую обработку, сварочный диск увеличен, проволока более толстая, расположение элементов красивое. Он специально разработан для практических занятий, его легко выдерживать многократное и многократное расплавление, что может повысить эффективность использования и снизить затраты.
Принцип работы:
Схема может выводить сигнал автоматического таймера и прямоугольный импульсный сигнал. Время включения и выключения регулируется независимо.Это основная схема базовой схемы U1 во время NE555. Это типичный бистабильный режим работы. Его временная емкость составляет c1-4 параллельно. Вы можете легко выбрать подходящую установку конденсатора. В комплекте четыре конденсатора, и вы можете установить один из них на практике. Керамический конденсатор 10-100 пФ подходит для генерации высокочастотного сигнала, а хорошая стабильность танталового электролитического конденсатора подходит для сигналов переключения, генерирующих стабильную точность, электролитический конденсатор большой емкости 470 мкФ подходит для сигнала с длительной задержкой времени.Емкость зарядного резистора заставляет R1, RP1 и емкость вместе определять продолжительность отключения. RP2 — это сопротивление разряда, которое определяет время запуска и может регулироваться независимо. Время можно оценить по формуле T = 0,7 RC, но фактическое использование не полностью согласуется с такими факторами, как утечка конденсатора, падение давления на диоде и погрешность компонентов.
Выходной сигнал NE555 является прямым выходом прямоугольного импульса через JP2, который управляется управляющим реле VT1.Сигнал переключения выводится из JP1, и выбор нормально открытой точки может быть определен в соответствии с потребностями. Вы можете напрямую управлять любым устройством в пределах 220 В / 3 А и реализовать автоматический таймер (например, термостат холодильника). Напряжение катушки реле по умолчанию составляет 5 В, и можно получить измеренное значение 4-12 В. Если вы много часов работаете при высоком давлении, предложите заменить реле 9–12 В. Светодиод представляет собой двухцветный светодиод, а зеленый свет используется в качестве светового индикатора.Светофор яркий, когда он включен, а весь оранжевый. Вся цепь DC4-12V может работать.
Принципиальная схема:
Список компонентов:
| НЕТ. | Название компонента | Маркер для печатных плат | Параметр | КОЛ-ВО |
| 1 | Керамический конденсатор | C1 | 0.01uf | 1 |
| 2 | Электролитический конденсатор | C2-C4 | Любое значение | 3 |
| 3 | Конденсатор | C5 | 0,01 мкФ | 1 |
| 4 | Потенциометр | РП1-РП2 | 2М | 2 |
| 5 | Металлопленочный резистор | R1, R3 | 200 Ом | 2 |
| 6 | Металлопленочный резистор | R2, R4 | 1К | 2 |
| 7 | 1N4148 | VD1-VD3 | 3 | |
| 8 | Светодиод | Светодиод | 1 | |
| 9 | NE555 | U1 | ДИП-8 | 1 |
| 10 | S8050 | VT1 | К-92 | 1 |
| 11 | Реле | 1 | ||
| 12 | Наружный штифт | 2П | 1 | |
| 13 | Наружный штифт | 3П | 1 | |
| 14 | Печатная плата | 36 * 49 мм | 1 |
И.Протестировано выдающимся партнером ICStation bzoli5706:
Подробнее читайте в видео:
(язык видео — английский )
II. Протестировано выдающимся партнером ICStation arduinoLab:
Подробнее читайте в видео:
(язык видео — Русский )
Во-первых, мы должны сказать, что ICStation не принимает никаких форм оплаты при доставке.Раньше товары отправлялись после получения информации о заказе и оплаты.
1) Paypal Оплата
PayPal — это безопасная и надежная служба обработки платежей, позволяющая делать покупки в Интернете. PayPal можно использовать на icstation.com для покупки товаров с помощью кредитной карты (Visa, MasterCard, Discover и American Express), дебетовой карты или электронного чека (т. Е. С использованием вашего обычного банковского счета).
Мы проверены PayPal
2) Вест Юнион
Мы знаем, что у некоторых из вас нет учетной записи Paypal.
Но, пожалуйста, расслабься. Вы можете использовать способ оплаты West Union.
Для получения информации о получателе свяжитесь с нами по адресу [email protected].
3) Банковский перевод / банковский перевод / T / T
Банковский перевод / банковский перевод / способы оплаты T / T принимаются для заказов, общая стоимость которых составляет до долларов США 500 . Банк взимает около 60 долларов США за комиссию за перевод, если мы производим оплату указанными способами.(с бесплатным номером отслеживания и платой за страховку доставки)
(2) Время доставки
Время доставки составляет 7-20 рабочих дней в большинство стран; Пожалуйста, просмотрите приведенную ниже таблицу, чтобы точно узнать время доставки к вам.
7-15 рабочих дней в: большинство стран Азии
10-16 рабочих дней в: США, Канаду, Австралию, Великобританию, большинство стран Европы
13-20 рабочих дней в: Германию, Россию
18-25 рабочих дней Кому: Франция, Италия, Испания, Южная Африка
20-45 рабочих дней Кому: Бразилия, большинство стран Южной Америки
2.EMS / DHL / UPS Express
(1) Стоимость доставки: Бесплатно для заказа, который соответствует следующим требованиям
Общая стоимость заказа> = 200 долларов США или Общий вес заказа> = 2,2 кг
Когда заказ соответствует одному из вышеуказанных требований, он будет отправлен БЕСПЛАТНО через EMS / DHL / UPS Express в указанную ниже страну.
Азия: Япония, Южная Корея, Монголия. Малайзия, Сингапур, Таиланд, Вьетнам, Камбоджа, Индонезия, Филиппины
Океания: Австралия, Новая Зеландия, Папуа-Новая Гвинея
Европа и Америка: Бельгия, Великобритания, Дания, Финляндия, Греция, Ирландия, Италия, Люксембург, Мальта, Норвегия, Португалия, Швейцария, Германия, Швеция, Франция, Испания, США, Австрия, Канада
Примечание. Стоимость доставки в другие страны, пожалуйста, свяжитесь с orders @ ICStation.com
(2) Время доставки
Время доставки составляет 3-5 рабочих дней (около 1 недели) в большинство стран.
Поскольку посылка будет возвращена отправителю, если она не была подписана получателем в течение 2-3 дней (DHL), 1 недели (EMS) или 2 недель (заказное письмо), обратите внимание на время прибытия. пакета.
Примечание:
1) Адреса АПО и абонентского ящика
Мы настоятельно рекомендуем вам указать физический адрес для доставки заказа.
Потому что DHL и FedEx не могут доставлять товары по адресам APO или PO BOX.
2) Контактный телефон
Контактный телефон получателя требуется агентству экспресс-доставки для доставки посылки. Сообщите нам свой последний номер телефона.
3. Примечание
1) Время доставки смешанных заказов с товарами с разным статусом доставки следует рассчитывать с использованием самого длинного из перечисленных ориентировочных сроков.
2) Напоминание о китайских праздниках: во время ежегодных китайских праздников могут быть затронуты услуги определенных поставщиков и перевозчиков, а доставка заказов, размещенных примерно в следующее время, может быть отложена на 3–7 дней: китайский Новый год; Национальный день Китая и т. Д.
3) Как только ваш заказ будет отправлен, вы получите уведомление по электронной почте от icstation.com.
4) Отследите заказ с номером отслеживания по ссылкам ниже:
Модуль генератора импульсов 555, как это работает
ИС таймера 555 — это интегральная схема, которая используется в различных схемах таймера, генераторах импульсов и генераторах.Сердцем модуля является микросхема таймера 555, которая подключена как нестабильный мультивибратор, генерирующий импульсы от 4 Гц до 1,3 кГц.
Эту схему можно использовать в любом проекте, требующем положительных импульсов.
Для демонстрации работы на выходе ИС используется светодиод для визуальной индикации выходных импульсов.
Выходную частоту импульсов можно регулировать с помощью потенциометра. Схема может работать от любого напряжения от 5 до 15 вольт постоянного тока.
Требуемых предметов
Для этого проекта нам необходимо:
- 1 x 555 Таймер IC
- 1 x 10 мкФ конденсатор
- 1 x 1 кОм сопротивление и
- 1 x 10 кОм потенциометр
Принципиальная схема
Схема очень простая.
Подключив контакты 2 и 6, мы переводим таймер 555 в нестабильный режим. Астабильный режим заставляет таймер 555 повторно запускать себя, генерируя поток импульсов [сигналы ШИМ], пока он подключен к источнику питания.
Контакт № 3 — это выходной контакт. Изменяя значения R1, R2 и C3, мы можем изменить частоту выходных импульсов, генерируемых на выводе 3.
Как это работает
Рабочее напряжение цепи составляет 5 ~ 15 В постоянного тока.
Как обсуждалось ранее, таймер 555 генерирует сигналы ШИМ при установке в нестабильный режим путем соединения контактов 2 и 6 вместе.
Во время каждого цикла конденсатор C3 заряжается через резисторы R1 и R2, но разряжается только через резистор R2, поскольку другая сторона R2 подключена к выводу 7 разрядной клеммы.
Изменение значений R1, R2 и C3 изменит частоту выходных импульсов или другой рабочий цикл прямоугольной волны, выходящей из контакта 3.
Изменяя значение R2, мы можем изменить продолжительность цикла ВЫКЛ.
В этой настройке время включения зависит от резистора R1, левой стороны потенциометра и конденсатора C3, а время выключения зависит от конденсатора C3 и правой стороны потенциометра.
Теперь давайте рассчитаем выходную частоту и рабочий цикл выходного сигнала.
В моей настройке у меня есть сопротивление R1 = 1 кОм, R2 = 10 кОм и конденсатор C = 10 мкФ
Есть много онлайн-калькуляторов, чтобы рассчитать это онлайн. В описании ниже приведу ссылку на один из нестабильных калькуляторов: https://ohmslawcalculator.com/555-astable-calculator
Давайте сначала вычислим значение t1 или время «включения» заряда конденсатора, которое составляет 0,693 (R1 + R2) * C3. Сложив значения вместе, мы получим 76,23 миллисекунды.
Теперь, для времени «ВЫКЛ» разряда конденсатора или t2 нам нужно умножить 0.693 на R2 и C3, что дает нам значение 69,3 миллисекунды.
Затем полное периодическое время T равно t1 + t2, что составляет 145,53 миллисекунды.
Таким образом, выходная частота составляет 6,871 Гц.
Что дает значение рабочего цикла 52,38%
Если вы хотите иметь больший контроль над зарядкой и разрядкой, используйте более высокое значение для R2 (100K) и меньшее значение для R1 (1K).Таким образом, у вас будет 99% контроля над сопротивлением зарядки и разрядки в цепи.
Максимальный выходной ток этой ИС составляет 200 мА, поэтому для управления более высокой токовой нагрузкой до 1 А мы должны использовать транзистор, такой как BD135.
Для управления током, намного превышающим 1 А, вы можете использовать другие сильноточные транзисторы, такие как TIP31, 2N3055 и т. Д., С хорошим радиатором. TIP122 может работать только до 1,5 ампер без радиатора, однако он может достигать 5 ампер с хорошим радиатором.IRLB8743 FET рассчитан примерно на 20 ампер без радиатора.
Доска
Вот так выглядит моя плата. В этой сборке 100 см x 100 см имеется 16 коммутационных панелей. Вы можете скачать файл gerber по ссылке ниже и заказать его на PCBWay.
Пайка
Начнем с припайки IC Base к плате. Затем припаяем потенциометр к плате. После этого можно припаять резистор R1 к плате, а затем конденсатор C3 к цепи…
Подробнее »(PDF) Точный программируемый генератор импульсов для систем управления в реальном времени с шаговым управлением
Точный программируемый генератор импульсов для
систем управления в реальном времени с шаговым управлением
Хоссейн Рамезани, Руне Торбенсен, Ларс Дугген и Джером Джоффрой
SD Мехатроника, Институт Мадса Клаузена
Университет Южной Дании
Сённерборг, Дания
Электронная почта: ramezani @ mci.sdu.dk, [email protected], [email protected] и [email protected]
Аннотация. В этой статье представлен точный программируемый генератор импульсов
, который можно реализовать на недорогих встроенных платах.
Предлагаемый метод основан на программном обеспечении и работает в реальном времени, так что
может использоваться для приложений управления в реальном времени. Диапазон частот
, который может быть покрыт, составляет от 1 Гц до 255 кГц с разрешением
1 Гц. Сходимость генерируемой частоты
к желаемому значению доказана теоретически и подтверждена с помощью моделирования и экспериментов
.Исследуемое приложение представляет собой шаговый двигатель
, который должен следовать желаемой траектории скорости.
Ключевые слова — Программируемый генератор импульсов, шаговый двигатель, траектория —
следование за последовательностью, встроенное оборудование
I. ВВЕДЕНИЕ
Программируемая генерация импульсов — это прикладная наука, которая
до сих пор привлекает внимание исследователей в различных областях. Диапазон применений программируемого генератора импульсов
— от
анализа физиологии и поведения [1] до калибровки машин
[2] и автоматического испытательного оборудования [3].Что касается дизайна,
исследователей рассмотрели различные подходы от архитектуры и проектирования схем
[4] — [6] до прямого цифрового синтеза
[6] для достижения широкого частотного диапазона и высокой точности выходного сигнала
. импульсы. Несмотря на то, что на рынке доступны коммерческие генераторы импульсов
высокого разрешения [7], для обычных проектов мехатроники
все еще представляет интерес использование недорогих встроенных плат
, таких как Arduino.
Одно из основных применений программируемых генераторов импульсов
, которое широко используется инженерами, — это шаговые двигатели.
Традиционно шаговые двигатели использовались в системах позиционирования
управления движением, в которых положение двигателя задается
для перемещения и удержания под определенным углом. Структура управления
этих систем представляет собой структуру разомкнутого контура, где контроллер
определяет количество импульсов, подаваемых на шаговый двигатель.Даже
, хотя скорость двигателя можно регулировать, изменяя частоту входного импульса
, в большинстве приложений используется только шаговый двигатель
на нескольких заранее определенных скоростях. Однако в расширенных приложениях
, где оптимальная траектория должна быть
[8], или в приложениях, где шаговый двигатель является частью контура управления
[9], скорость может потребовать любого значения в пределах
рабочего диапазон. Поэтому драйвер, который может генерировать широкий диапазон
частот с высоким разрешением, представляет значительный интерес для
.
Целью данной статьи является разработка, моделирование и экспериментальная реализация
программируемого генератора импульсов на недорогом встроенном оборудовании
. Алгоритм
в реальном времени, так что он принимает желаемую частоту в виде команды в постоянных временных интервалах
и делает необходимое количество импульсов
(NoP) до поступления новой команды. Поскольку алгоритм
состоит из двух частей, работающих с низкой частотой дискретизации и с высокой частотой дискретизации
, он разделен и реализован на двух встроенных платах
.Низкочастотная часть, которая имеет то же время отсчета
, что и другие элементы контура управления (например, желаемая траектория
и контроллер), реализована на Raspberry Pi
(RPi) и работает вместе с ними. Выбор RPi
обусловлен большим количеством вычислений, которые обычно требуются для контроллера
и проектирования траектории. Задача алгоритма на RPi —
вычислить количество импульсов за время выборки, соответствующее
желаемой частоте.Однако, поскольку вычисленное значение NoP составляет
, как правило, плавающее значение, предлагается решение для генерации
ряда целых чисел, так что ошибка по-прежнему стремится к нулю
. Это решение подтверждено теоретическими доказательствами и
результатов экспериментов / моделирования. Высокочастотная часть алгоритма
реализована на Arduino, где он получает
значение NoP и соответственно генерирует импульсный сигнал.
Чтобы использовать метод в образовательных целях,
алгоритм реализован в Matlab / Simulink, а затем
развернут на аппаратном обеспечении через рабочий пакет Simulink.
Остальная часть этого документа организована следующим образом. Раздел
II описывает обычные недорогие методы генерации программируемых импульсов
. Предложение, алгоритм и реализация предложенного метода приведены в разделе III. Раздел
IV демонстрирует результаты экспериментов и моделирования с использованием нового подхода
. Наконец, в разделе V представлены некоторые обсуждения
и заключительные замечания.
II. СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
В литературе представлены
различных недорогих методов генерации программируемых импульсов для инженерных
приложений.Эти методы варьируются от аналоговой электроники до микроконтроллеров
, где управляющий сигнал может быть электрическим напряжением
или цифровой командой. Чтобы иметь возможность исследовать применимость
доступных методов для приложений
управления в реальном времени, мы определяем и описываем три свойства, по которым методы
могут быть классифицированы по ним. Этими тремя свойствами являются
1) основанные на событиях, 2) свойства прерывания и 3) синхронные свойства.
1) Основанное на событии свойство — это когда генератор импульсов
не выполняет новую команду, пока не закончит текущий импульс
.
аккуратная небольшая схема генератора импульсов. Мне нравится
Обновление (11 октября 2015 г.): Я добавил свой файл схемы и список соединений на случай, если вы захотите поиграть с этой схемой в вашей локальной установке LTSpice. Это бесплатно, так что можете и вы!
Я медленно изучал книгу Горовица и Хилла « Art of Electronics», 3-е издание , чтобы освежить и отточить свои знания в области аналоговой электроники. Большую часть моей профессиональной жизни я занимаюсь сборкой сложных ИС, а не строительными блоками электронных схем.Я решил, что возьму более поучительные примеры из AoE и опубликую их здесь. Ожидайте сухую прозу, несколько нацарапанных заметок на инженерной бумаге и, возможно, симуляцию или две, как я считаю нужным. (В настоящее время я использую LTSpice для Mac, но я не в восторге от него. Есть предложения ?!)
Простой генератор импульсов
Рисунок 1: Генератор импульсов
Цель этой схемы — подавать быстрый импульс на выходе Vout при стимулировании нарастающим фронтом на Vin.
### Примечания к условиям постоянного тока
- Q1 выключен, что означает, что V Q1-C эффективно 5V.
- Q2, однако, продолжается. Это помещает V Q2-B примерно на 0,7 В и V Q2-C / V Out на землю.
- Обратите внимание, что состояния включения / выключения Q1 и Q2 в совокупности создают напряжение около 4,3 В на C1.
### Анализ переменного тока Предположим, мы стимулируем V в с нарастающим фронтом 5 В. Это включит Q1, скорость которого ограничена только временем включения этого транзистора.Важно выбрать R1 таким образом, чтобы можно было гарантировать, что Q1 входит в состояние насыщения; мы хотим, чтобы этот транзистор был включен, когда V в имеет высокий уровень!
При таком быстром включении Q1 напряжение коллектора V Q1-C будет заземлено. Обратите внимание на состояние постоянного тока C1 — он все еще сохраняет заряд ~ 4,3 В, который он получил, пока схема была в устойчивом состоянии. В результате V Q2-B теперь составляет -4,3 В, отключая Q2 и выводя V Out на +5 В. Вы заметите, что, когда V Q1-E находится на земле, комбинация R3 и C1 эффективно образуют RC-цепь с начальным состоянием V C1 = -4.{\ frac {t} {\ tau}} \] \ [ln \ big (\ frac {1} {0.462} \ big) = \ frac {t} {\ tau} \ Rightarrow ln \ big (\ frac {1 } {0,462} \ big) * \ tau = t = 0,722 \ tau \] \ [0,722 \ tau \ приблизительно R3C1 \]
По сути, это показывает нам, что мы можем установить время включения импульса с помощью R 3 и C 1 аналогично выбору значений для RC-цепи. Прохладный!
Примечания к характеристикам переменного тока
Первое, что предполагает эта схема, это то, что V в будет двигаться высоко и оставаться на высоком уровне. Что произойдет, если входной импульс будет короче, чем R3 * C1?
Рисунок 2: Выход генератора импульсов, где Vin выше, чем Tau
Моделирование выше показывает LTSpice-представление того, что происходит с этой схемой, когда входной импульс меньше постоянной времени.Выходной импульс поочередно укорачивается — как только Q1 вернется в нормальное выключенное состояние, заряд C1 будет поляризован в направлении, противоположном установившемуся состоянию постоянного тока. Это просто поможет шине 5 В поддерживать Q2 включенным и сократить выходной импульс. Что, если нам нужен импульс на V на выходе , который всегда имеет длину R3 * C1? Нам нужно отделить вывод от ввода. Это легко достигается с помощью другого транзистора, который контролирует выход схемы.
Рисунок 3: Генератор импульсов с гарантированной шириной импульса
Q3 служит для удержания V Q1-C на земле после обнаружения нарастающего фронта у основания Q1.Пока длительность входного импульса равна времени включения Q1, схема будет работать правильно. Это связано с тем, что после того, как Q1 успешно подключил V Q1-C к земле, Q3 также будет включен, обеспечивая другой путь для цепи R3 / C1, которая будет удерживаться на земле. На рисунке 4 показано это улучшение ширины выходного импульса.
Рис. 4. Выход генератора импульсов с гарантированной выходной шириной
Добавление Q3 сделало работу схемы немного легче прогнозируемой, поскольку мы можем изменять ширину импульса, изменяя значения C1 и R3.Однако это была не серебряная пуля. На рисунке 4 показано, что задний фронт импульса не такой резкий, как нарастающий. В начале спадающего фронта есть отчетливо закругленный угол, который является результатом неторопливого перехода напряжения с R3 / C1 через напряжение включения Q3. Мы мало что можем сделать с этой схемой, чтобы ускорить этот переход, не влияя на ширину импульса. Вместо этого нам нужно будет изменить силу выходного диска с помощью еще одного небольшого дополнения.
Рисунок 5: Выход генератора импульсов с выходом триггера Шмитта
Этот выходной каскад представляет собой триггер Шмитта, который представляет собой удобную небольшую схему для очистки медленных или шумных переходов фронта.Переход к моделированию показывает, что это помогло нам:
Рисунок 5: Выход генератора импульсов с выходом триггера Шмитта
Это все хорошо, но вы никогда не будете использовать эту схему в реальном приложении. Почему? Власть! Проверить ток только через R8. Пиковая мощность этой единственной цепи составляет около 9 мА, пока включен Q5. Большинство современных ИС потребляют гораздо меньше тока, чем 9 мА. Многие современные устройства DRAM — компоненты с миллиардами транзисторов — в состоянии самообновления потребляют менее 100 микроампер.При этом это забавная небольшая трасса, которую довольно легко построить для поучительных целей.
Благодарности
Я извлек эту схему и ее улучшения из превосходной книги Горовица и Хилла Art of Electronics, 3rd Edition . Вы можете проверить это на странице 77.
⤧ Следующее сообщение Прошивка микроконтроллеров Freescale без Kinetis Design Suite ⤧ Предыдущее сообщение Неудобные истины NAND FlashГотовый портативный генератор функций Wi-Fi своими руками (часть 17)
Наконец-то свершилось — генератор (вроде) готов.После предыдущего поста потребовалось немного времени, чтобы довести устройство до финального состояния. С прошлого раза было сделано очень много — в основном это были доработки прошивки. Мне нужно было убедиться, что все, особенно интерфейс ЖК-дисплея, работает и ведет себя так, как ожидалось. Хотя могут остаться некоторые ошибки, устройство полностью пригодно для использования и, самое главное, оно отвечает всем моим потребностям.
Видео
Ссылки на все посты
Этот пост будет больше похож на резюме предыдущих постов с некоторой дополнительной информацией.Более подробную информацию по конкретным темам вы можете найти по ссылкам ниже:
- Схема усилителя усиления VCA822
- Схема смещения LM7171
- Схема фильтра управления усилением и смещением
- Двойной источник питания 5 В
- Двойной источник питания 12 В TPS65131
- Схема зарядки аккумулятора с BQ24295
- Базовый WEB интерфейс
- на IPS ESP32
- IPS LCD, ESP32 с библиотекой eSPI и сенсорным экраном
- Окончательный дизайн печатной платы для генератора сигналов DIY
- Печатные платы нестандартного дизайна и способы их изготовления
- Пайка печатной платы
- Библиотека AD9833 и дополнительное шумоподавление на выходе
- Arduino BQ24295 Библиотека зарядного устройства
- ЖК-интерфейс с LVGL на ESP-32
- Корпус, напечатанный на 3D-принтере
- Готовый генератор DIY (эта страница)
Технические характеристики устройства
- 3.5-дюймовый ЖК-дисплей IPS с емкостной сенсорной панелью
- Li-Po аккумулятор 2200 мАч
- ESP-32 MCU
- AD9833 для генерации синусоидальных и треугольных сигналов (до 25 МГц)
- Прямоугольные волны и ШИМ, генерируемые MCU (до 5 МГц)
- Устройство может управляться через LCD или WEB интерфейс
- Для WEB управления устройство может подключаться к Wi-Fi или создавать свою собственную точку доступа Wi-Fi
- Диапазон смещения выходного сигнала: -8V … + 8V
- Диапазон амплитуд выходного сигнала: 0… 9V (синус, треугольник), 0… 5.5В (квадрат). Выход ШИМ: 3 В.
- Время зарядки аккумулятора: <2 часов
- Время работы (Wi-Fi включен, выходное реле включено, максимальная яркость ЖК-дисплея): около 6 часов
- Порт USB Type C для зарядки, 2 порта SMA для вывода сигнала, 1 ВКЛ / Выключатель, светодиодный индикатор зарядки
- Цена: около 60 евро (в зависимости от места покупки)
Дизайн (корпус, соединения и т. Д.)
Корпус генератора напечатан на 3D-принтере из черного АБС-пластика.Корпус сделан максимально маленьким. Он вмещает всю необходимую электронику и аккумулятор, не тратя лишнее пространство. Таким образом, устройство в целом меньше большинства современных смартфонов (хотя и намного толще).
Помимо одного переключателя для включения или выключения устройства, генератор не имеет никаких физических кнопок. Все управление осуществляется через емкостный сенсорный дисплей.
Если посмотреть по сторонам устройства, можно увидеть, что только верхняя и нижняя части имеют какие-то разъемы.На нижней грани находится порт для зарядки USB Type-C и выключатель питания. Порт USB можно использовать только для зарядки, данные не могут передаваться на устройство или с устройства с этим подключением. Переключатель ВКЛ / ВЫКЛ используется для полного отключения напряжения, поступающего в цепи питания, поэтому устройство не находится в состоянии покоя с низким энергопотреблением. Он либо работает нормально, либо полностью отключен (за исключением цепи зарядки аккумулятора, которая всегда включена). Также есть небольшое отверстие рядом с разъемом USB.Когда устройство заряжается, через него виден светодиод. Когда устройство полностью зарядится, светодиод погаснет.
Сверху можно найти два разъема SMA. Они используются для вывода сигнала. Левый SMA используется только для сигнала ШИМ, а правый — для всего остального. Из-за их небольшого размера были выбраны разъемы SMA вместо громоздких BNC.
Локальный интерфейс
ИнтерфейсLCD имеет два экрана: «основной» и «настройки». На главном экране есть вся информация и виджеты для полного контроля основных параметров генератора.Это следующие параметры: частота выходного сигнала, амплитуда, смещение, коэффициент заполнения (если применимо), форма волны. Он имеет клавиатуру, которая используется для ввода необходимых значений. На главном экране также отображается дополнительная информация, такая как уровень заряда батареи, значок Wi-Fi с IP-адресом устройства (если Wi-Fi включен). Наконец, «главный» экран позволяет пользователю включать и выключать выходное реле.
Как изменить форму волны?
Если вы хотите изменить форму выходного сигнала, вам просто нужно нажать одну из четырех кнопок: SINE, TRI, SQ или PWM.Все сигналы (кроме ШИМ) имеют три основных параметра: частоту, амплитуду и смещение. ШИМ вместо амплитуды и смещения имеет параметр скважности. Кроме того, при выводе PWM вы должны использовать порт SMA, который находится слева. Для любой другой формы волны используется правильный. Какой порт SMA необходимо использовать для конкретной формы волны, обозначается маленькой стрелкой.
Как ввести частоту, амплитуду, смещение, нагрузку?
Чтобы ввести один из основных параметров (частоту, амплитуду, смещение или длительность), вам необходимо нажать одну из соответствующих кнопок: Freq, Amp, Offs или Duty.Когда вы нажимаете одну из них (например, Freq), клавиатура меняет свои клавиши на числовые. Также вместо значения выбранного параметра на экране отображается «-». Затем вам нужно ввести значение и нажать одну из возможных клавиш единиц измерения (например, «кГц»), чтобы завершить ввод. Если вы хотите отменить вводимое значение, вы должны нажать клавишу параметра для второго время (например, «Freq»). Затем устройство возвращает старое значение параметра, которое использовалось до того, как было инициировано изменение значения.
Как включить / выключить выходное реле?
Кнопка «Выход» включает или выключает выходное реле.Кроме того, на экране есть виртуальный светодиод, который показывает, включен или выключен выход.
Экран настроек
Если вы хотите перейти к экрану настроек, вам просто нужно нажать кнопку «…».
Экран «Настройки» позволяет пользователю настроить известные учетные данные Wi-Fi, настроить учетные данные своей собственной точки доступа Wi-Fi, включить / выключить любое соединение (Wi-Fi или собственную точку доступа), изменить яркость ЖК-дисплея.
Как ввести учетные данные?
Чтобы ввести учетные данные, пользователь должен нажать либо на SSID, либо на текстовую область Pass.Затем появляется клавиатура, позволяющая ввести необходимую информацию. Следует отметить, что устройство сохраняет вновь набранную информацию только при включении Wi-Fi или AP. Так, если, например, вы изменили SSID Wi-Fi, когда он был включен, вам придется выключить и снова включить Wi-Fi, чтобы сохранить новые настройки.
Как изменить яркость?
Устройство позволяет изменять яркость экрана. Для этого вам нужно переместить ручку ползунка в желаемое положение.
Генератор также сохраняет Wi-Fi (какой Wi-Fi или AP или ни один не включен) и статусы яркости. Это делается, когда вы закрываете экран настроек, нажав кнопку «X» в правом верхнем углу.
Веб-интерфейс
Веб-интерфейс выполнен аналогично ЖК-интерфейсу. Основное отличие — WEB-интерфейс не имеет экрана «настройки». Кроме того, он не показывает IP-адрес устройства. В остальном все остальные функции выполняются так же, как и с ЖК-интерфейсом.
В фоновом режиме веб-интерфейс работает немного иначе, чем интерфейс ЖК-дисплея. Веб-интерфейс опрашивает данные с устройства каждые ~ 2 секунды, в то время как значения ЖК-интерфейса обновляются мгновенно при изменении. Таким образом, веб-интерфейс может иметь некоторую задержку обновления данных, но обычно вы ее не замечаете.
API
Поскольку веб-интерфейс отправляет данные в ESP (и таким образом получает от него), вы можете сказать, что по умолчанию генератор имеет собственный веб-API, который можно использовать для интеграции с другими системами / устройствами и / или программным обеспечением.Каждые две секунды веб-интерфейс получает данные с сервера, отправляя POST (или это также может быть GET) запрос на url: / data. Затем сервер возвращает строку JSON со всеми данными. Например, если устройство подключено к маршрутизатору и имеет IP-адрес 192.168.0.10, и вы открываете такой URL-адрес в своем браузере: 192.168.0.10/data, вы получите такую строку JSON:
{"wform": "синус", "freq": 1000.000, "freqU": "кГц", "amp": 1,00, "ampU": "Vpp", "offset": 0,00, "duty": 50,00 , "dutyU": "%", "out": 0, "batt": 78} Если вы измените какой-либо параметр в веб-интерфейсе, он отправит эти данные POST на один из URL-адресов:
- / output — отправляет 0 или 1 для включения / выключения выходного реле.
- / waveform — для установки формы выходного сигнала.0 для синуса, 1 — треугольник, 2 — квадрат, 4 — PWM
- / freq — отправляет значение частоты с используемыми единицами измерения (Гц, кГц, МГц)
- / amp — отправляет значение амплитуды с используемыми единицами измерения
- / offs — отправляет значение смещения
- / duty — отправляет значение долга с блоком
Аппаратное обеспечение
Я не буду много говорить об используемом оборудовании, так как в предыдущих сообщениях есть больше информации.
ESP-32 использовался в качестве основного MCU. Он был выбран потому, что он довольно дешевый со всеми необходимыми функциями (такими как Wi-Fi, много флэш-памяти и т. Д.)). Одним из недостатков этого MCU может быть отсутствие доступных контактов ввода-вывода. В этом проекте были использованы все доступные контакты (кроме контактов только для ввода).
Для синусоидальных и треугольных сигналов используется микросхема AD9833. Он сам может генерировать сигнал с частотами до 25 МГц. Но у меня нет возможности увидеть, насколько «хороши» эти высокие частоты. AD9833 не может изменять амплитуду или смещение сигналов, поэтому были использованы дополнительные схемы.
Для изменения амплитуды сигнала использовался усилитель с регулируемым усилением VCA822.Для изменения смещения сигнала использовался обычный операционный усилитель (LM7171). Оба усилителя управляются переменным напряжением постоянного тока. Для его цифрового изменения использовались два дополнительных активных фильтра. ШИМ-сигнал от микроконтроллера передается на входы фильтров, а с их выходов мы получаем постоянное напряжение. Изменяя коэффициент заполнения ШИМ, можно изменять значение напряжения постоянного тока, которое затем используется для управления либо усилением усилителя, либо добавлением смещения к сигналу.
На все аналоговые схемы подается четыре напряжения: + — 4 В и + — 12 В.Меньшие напряжения используются для VCA822, а более высокие — для LM7171. Остальные (цифровые) схемы питаются от источника питания 3 В (LDL1117).
Прямоугольная волна и ШИМ идут напрямую от MCU. Разница между ними заключается в том, что ШИМ напрямую выводится через специальный разъем SMA, а прямоугольная волна — это тот же ШИМ с коэффициентом заполнения 50% и подается через цепи амплитуды и смещения.
Устройство работает от аккумулятора. Итак, он имеет встроенную схему зарядки аккумулятора с BQ24295.Он не только заряжает аккумулятор, но и обеспечивает питание всей системы.
Наконец, в устройстве используется IPS LCD 3,5-дюймовый экран с емкостной сенсорной панелью. У него отличные углы обзора, которые сильно отличаются от других дешевых ЖК-экранов, используемых в большинстве проектов Arduino.
Корпус состоит из двух частей, которые склеиваются между собой после установки батареи и печатной платы.
Прошивка
ESP-32 работает с прошивкой на базе Arduino. Я не буду комментировать какие-либо части кода — там много строк кода, поэтому всем, кто хочет увидеть, как выглядит код, вы можете найти его на моем GitHub.Следует отметить одно — код не очень «чистый», поскольку он был написан только для того, чтобы работать «достаточно хорошо» и не быть прочитанным другими 😀
Самая большая библиотека, которая использовалась в проекте, — LVGL — графическая библиотека. Это позволило мне написать красивый графический интерфейс, как показано на картинках. Кроме того, для получения дополнительной информации об этой библиотеке я написал руководство по LVGL.
Ошибки, предупреждения, ограничения
В устройстве есть одна, на мой взгляд, аппаратная ошибка.Когда я заряжаю аккумулятор (особенно до полностью заряженного), когда само устройство выключено (очевидно), после отсоединения зарядного кабеля устройство не включается. Если я вставлю кабель обратно, а потом попробую включить — генератор включится. После этой процедуры я могу отсоединить кабель, и устройство можно будет включать / выключать на неопределенное время без каких-либо проблем. Я считаю, что проблема может быть в микросхеме зарядного устройства, но мне не удалось это подтвердить. Я сделаю здесь обновление, когда узнаю, в чем причина такого поведения.
Выходсодержит высокочастотный шум 5-10 мВ (в диапазоне 40-100 кГц), который мне не удалось устранить. Для меня это достаточно мало, чтобы на него можно было не обращать внимания. Некоторым из-за такой амплитуды шума устройство может оказаться не очень полезным.
Сводка
Подводя итог, это отличное маленькое портативное устройство, которого более чем достаточно для моего личного использования. Единственным недостатком этого генератора является то, что на его проектирование и изготовление ушло больше времени, чем я изначально ожидал.
Ссылки
Код, схемы, файлы печатной платы: GitHub
файлов STL для 3D-печати корпуса: Thingiverse
Галерея
Сообщите мне, понравилась ли вам страница.Это поможет улучшить содержание.
A Высоковольтный интегрированный биполярный импульсный генератор со сбалансированной скоростью нарастания напряжения для медицинских приложений ультразвуковой визуализации
1. Введение
По сравнению с компьютерной томографией (КТ), рентгеновской и магнитно-резонансной томографией (МРТ) медицинская ультразвуковая визуализация выполняется относительно быстро , недорогой, портативный и не требующий облучения, и стал одним из самых популярных методов клинического обследования. В настоящее время, помимо обычного B-режима и ультразвуковой доплеровской диагностики, важным инструментом медицинской оценки этих эхографических изображений постепенно становится усовершенствованный метод формирования изображений, такой как фотоакустическая (PA) визуализация, эластографическая визуализация, а также гармоническая визуализация. системы.PA-визуализация предлагает уникальные возможности в изучении биологических тканей на основе оптического контраста поглощения [1]. Этот метод преобразует индуцированный лазером ультразвуковой сигнал в измеряемый сигнал с помощью детектора, изготовленного из пьезоэлектрического материала. Однако из-за эффектов чувствительности и полосы пропускания возбуждаемых лазером ультразвуковых сигналов для получения высококачественных изображений PA с высоким разрешением они обычно требуют широкополосных возможностей с частотами выше нескольких сотен МГц, что затрудняет интеграцию изображений PA с обычными ультразвуковыми сигналами. методы визуализации.Эластография — это технология визуализации, чувствительная к жесткости тканей, которая была впервые описана в 1990-х годах [2]. Он был доработан и улучшен для количественной оценки жесткости тканей. Методы эластографии в основном используют эластические изменения мягких тканей, вызванные определенными патологиями или физиологическими процессами. Однако в настоящее время оператор должен вручную сдавливать ткань ультразвуковым преобразователем, чтобы повысить чувствительность изображения. Ручное сжатие достаточно хорошо работает для поверхностных органов, таких как грудь и щитовидная железа, но сложно оценить эластичность более глубоко расположенных органов, таких как печень, что практично для медицинских инструментов.Однако отображение гармоник основано на избирательном отображении частоты гармоник, особенно с использованием сигналов второй гармоники для формирования изображения [3]. По сравнению с PA-визуализацией и эластографической визуализацией, визуализацию второй гармоники можно легко реализовать с помощью обычного B-режима визуализации, она обладает более высоким латеральным разрешением и меньшими боковыми лепестками и, следовательно, менее чувствительна к беспорядку и внеосевым искажениям [4] .
Однако, поскольку эхо-сигналы, обнаруживаемые с помощью гармонического изображения ткани, генерируются нелинейными характеристиками передающей среды в соответствии с входным сигналом основной волны, они более восприимчивы к различным источникам гармоник.Например, нелинейность, вызванная передаваемой формой волны, полосой пропускания медицинского преобразователя и искаженным эхо-сигналом, может вызвать утечку гармоник и повлиять на общие характеристики изображения [5]. В литературе было предложено несколько методов для изучения эффектов утечки гармоник и решения проблем чувствительности, таких как кодированное возбуждение, методы разделения полосовых фильтров [6] и инверсия импульсов [7]. У этих методов есть одна общая черта: они, в конечном счете, запрашивают сигналы передачи гауссовского типа с низким содержанием гармоник.Для генерации таких сигналов обычно требуется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) и высоковольтный линейный усилитель мощности [8, 9, 10], что нерентабельно и требует много энергии, особенно для применения в компактных устройствах, таких как портативные ультразвуковые сканеры. . Чтобы снизить энергопотребление системы, обычно рекомендуется использовать генератор импульсов. Однако, как указано в [11], мощность сигнала второй гармоники не более чем на 20 дБ меньше мощности сигнала основной частоты.Фактически, из-за ограничений полосы пропускания ультразвукового преобразователя эта разница стала еще больше [12]. Следовательно, для достижения соотношения сигнал / шум, необходимого для формирования гармонического изображения, необходимо, чтобы гармонический сигнал, генерируемый самим генератором импульсов, был как можно более низким.
Генерация стробированных высоковольтных импульсных волн малой мощности с низким уровнем утечки гармоник — непростая задача, и с точки зрения искажения генератор импульсов должен быть тщательно спроектирован, поскольку возбуждающее устройство, предназначенное для управления медицинским ультразвуковым преобразователем, необходимо поддерживать в рабочем состоянии. выход высокого напряжения (> 50–100 Vpp) с возможностью переключения быстрее, чем несколько МГц.В большей части прошлого генераторы импульсов высокого напряжения, реализованные с использованием дискретных компонентов для систем ультразвуковой визуализации, демонстрировали превосходные характеристики [13, 14]. Традиционные стандартные генераторы импульсов обычно работают на частотах ниже 10 МГц и имеют ограниченный размер в приложениях с многоканальными передатчиками [15]. В последнее время разработаны интегральные генераторы импульсов для многоканальных портативных и компактных ультразвуковых сканеров [16, 17, 18, 19, 20]. Для этих устройств, если не учитывать гармонические искажения, их можно легко разработать с использованием процесса, совместимого с КМОП высокого напряжения.Например, генераторы биполярных импульсов менее чувствительны к гармоническим искажениям и могут генерировать более низкие гармонические импульсы. Однако, если передатчик спроектирован без учета скорости нарастания и спада, а также времени положительной и отрицательной проводимости выходного напряжения, будет генерироваться большая вторая гармоника [21]. В некоторых предшествующих работах использовалось несколько генераторов импульсов уровня напряжения для уменьшения гармонических искажений [22, 23, 24], и эти методы обычно требуют наличия пары источников напряжения, что увеличивает сложность конструкции.В этой главе мы представили наш проект архитектуры генератора импульсов со сбалансированной скоростью нарастания и спада фронта, чтобы улучшить искажение второй гармоники, и разработали этот генератор импульсов с использованием технологии CMOS-SOI для медицинских ультразвуковых сканеров, особенно для формирования гармонических изображений. Приложения.
Эта глава организована следующим образом. В разделе 2 рассматриваются импульсные возбуждающие сигналы, необходимые в системах формирования изображения гармоник. Раздел 3 описывает детальную конструкцию и реализацию на схемном уровне генератора импульсов высокого напряжения.В разделе 4 представлены экспериментальные результаты по управлению пьезоэлектрическим преобразователем (ПЗП) медицинского класса с разработанным генератором импульсов. Заключение дается в Разделе 5.
Объявление2. Импульсные сигналы возбуждения в системе формирования гармонических изображений
Поскольку высоковольтные возбуждающие сигналы, такие как прямоугольные волны или трапецеидальные волны, могут эффективно управлять ультразвуковыми преобразователями, необходимо учитывать гармонические составляющие таких форм волны. для достижения низкого уровня гармоник на выходе для наших приложений.Учитывая природу этих идеальных форм сигналов, анализ Фурье упрощает отображение их спектра и исследование возможности генерации такой формы сигнала. По сути, сигналы ограничения скорости нарастания могут уменьшить излучаемые излучения (электромагнитные помехи и радиопомехи) и гармоники его основной части. Следовательно, мы можем рассматривать цифровые сигналы, f ( t ), которые не являются идеальными прямоугольными волнами, но могут быть аппроксимированы трапецеидальными сигналами с конечным временем нарастания и спада, t r и t f , как показано на рисунке 1.Этот сигнал использует характеристики многих цифровых сигналов, включая тактовые импульсы и формы сигналов ШИМ. На рисунке 1 « A » обозначает амплитуду сигнала, T период — период сигнала, T на и T выключен установлен для включения и включения. время выключения соответственно. Форма волны может быть расширена в ряд Фурье, как показано в формуле. (1) и коэффициенты разложения даются формулой. (2).
Рисунок 1.
Типичный сигнал трапециевидной или прямоугольной формы с ограниченным временем нарастания / спада.
ft = C0 + ∑n = 1∞Cncosnω0t + ∅cnE1
Cn = 1T∫t0t0 + Tfte − jnω0tdtE2
, где C0 = ATonTperiod − A2E3
Для n 0 f коэффициенты, C n , равны
Cn = 2ATonTperiodsinnπtrTperiodnπtrTperiodsinnπTonTperiodnπTonTperiodE4
Из (уравнение (4)) видно, что энергия идеальной волны квадратной формы меньше, чем энергия идеальной квадратной волны. времена нарастания и спада конечны.Более того, если импульс имеет равные коэффициенты заполнения для периода включения и выключения, то есть
T0n = Toff = 12TperiodE5
sinnπTonTperiodnπTonTperiod = sin12nπnπ2E6
Уравнение (6) равно нулю для четных n , что означает НЕТ четных гармоник, когда рабочий цикл возбуждающих импульсов составляет 50% (это разумное предположение, и его можно легко достичь, генерируя такой сигнал).
Значение t r в уравнении. (4) влияет на члены более высокого порядка C n .В то время как в общем случае tr = tf, чем больше t r (t f ) , тем ниже гармонические составляющие на высокой частоте, что, по сути, имеет эффект фильтрации нижних частот. При получении спектра этой серии импульсов часто предполагается случай равного времени нарастания и спада. Однако разница между нарастающим фронтом и спадающим фронтом вызывает чрезмерное количество гармоник, и даже если коэффициент заполнения остается 50%, даже гармоники все равно возникают из-за такого нелинейного эффекта.
Для моделирования эффектов высших гармонических составляющих на высоких частотах из-за нелинейных нарастающих и спадающих фронтов, повторяющихся трапецеидальных сигналов с ограниченными по скорости нарастания и временами нарастания и спада и нормализованным -1.Размах напряжения от 0 до +1,0 В может быть смоделирован с помощью уравнения. (7). Обычно это происходит, когда переключающий полевой транзистор имеет нелинейное сопротивление в открытом состоянии, что приводит к несимметричному нарастанию и спаду выходного сигнала, что часто случается с генераторами импульсов. Чтобы смоделировать эффекты различных скоростей нарастания, время нарастания и спада может быть скорректировано путем изменения граничных условий каждого раздела в уравнении. (7). Смоделированные биполярные импульсные сигналы с несбалансированной скоростью нарастания показаны на рисунке 2 [21].Импульсы на Рисунке 2 имеют одинаковую огибающую амплитуды. Полоса пропускания таких сигналов обратно пропорциональна периоду времени, T , периоду , на рисунке 2, и для упрощенной иллюстрации эффектов скорости нарастания центральная частота импульсного сигнала зафиксирована на 2 МГц.
Рисунок 2.
Моделирование формы биполярного импульса с разными скоростями нарастания (время нарастания / спада) [21].
ftrapezoidx = −4−4xπif − π≤x <−3π / 4−1if − 3π / 4≤x <−π / 44xπif − π / 4≤x <+ π / 4 + 1if + π / 4≤x < + 3π / 44−4xπif + 3π / 4≤x <+ πE7
На рисунке 2 разница в скорости нарастания в процентах (SRDP) от Rising_time и Falling_time может быть определена в уравнении.(8) как важный фактор при оценке гармонического повреждения сигнала. В формуле. В (8) Rising_time и Falling_time определены как импульсный отклик на увеличение / уменьшение от 10/90 до 90% / 10% от его окончательных значений.
SRDP = Время нарастания — Время спада × 100% .E8
Фурье-анализ этой трапециевидной формы волны дает гармонические величины, аналогичные величине несимметричной прямоугольной волны, за исключением того, что есть дополнительный член, ограничивающий высокочастотную составляющую. На рис. 3 показан спектр сигналов возбуждения с одинаковым временем включения и выключения, но с разными скоростями нарастания, как показано на рис. 2, после смешивания с импульсной функцией ультразвукового преобразователя [21].Без потери общности здесь предполагается сверхширокополосный преобразователь с единичным усилением для исследования частотных составляющих передаваемых сигналов. Спектр, показанный на рисунке 3, показывает, что часть второй гармоники нарушается сигналами с неравными скоростями нарастания. Например, желаемый SRDP должен быть <33%, чтобы вторая гармоника оставалась на 40 дБ ниже основных тонов. Следовательно, чтобы поддерживать сигнал возбуждения с низким содержанием второй гармоники, важно контролировать скорость нарастания импульсов генератора импульсов во время нарастания и спада фронтов.
Рис. 3.
Частотные спектры сигналов биполярных импульсов с различными скоростями нарастания (время нарастания / спада) [21].
Объявление3. Генератор высоковольтных импульсов для медицинского ультразвука
Диагностическое медицинское ультразвуковое изображение получают путем передачи акустических волн и приема эхо-сигналов, которые отражаются от границ клеток [20]. На Рисунке 4 показана типичная аналоговая входная схема ультразвукового оборудования, состоящая из генератора импульсов высокого напряжения, мультиплексора высокого напряжения (HV MUX), переключателя T / R, малошумящего усилителя (LNA), усилителя с регулируемым коэффициентом усиления (VGA) и аналогового усилителя. -цифровой преобразователь (АЦП) [24].Цифровой сигнальный процессор генерирует последовательность низковольтных сигналов передачи с различными задержками для генератора импульсов. Генератор импульсов управляет датчиком с высоким уровнем напряжения, которое после возбуждения массива ультразвуковых датчиков передает сфокусированный луч на объект. Поскольку ткань каждой части человеческого тела имеет прерывистое сопротивление звуковым волнам, частота и скорость, с которой преобразователь принимает отраженную звуковую энергию от тела, приводят к различимым условиям.Переключатель T / R используется для уменьшения помех на приемном конце LNA от высоковольтного передатчика. Когда генератор импульсов посылает импульс передачи высокого напряжения, LNA изолируется от генератора импульсов и преобразователя путем выключения переключателя T / R, и когда этот эхо-сигнал отправляется на LNA через переключатель T / R, система находится в режиме приема, генератор импульсов отключен, переключатель T / R включен, а LNA и последующий VGA усиливают принятый сигнал и отправляют сигнал на АЦП.Цифровой сигнальный процессор генерирует такую информацию, как изображения или доплеровские звуковые волны, на основе выходных данных АЦП. Чтобы увеличить мощность эхо-сигнала, в современных ультразвуковых системах, как правило, незаменимы многоканальные приемопередатчики, которые неизбежно увеличивают сложность системы и бюджет мощности. Однако генерация нескольких импульсов высокого напряжения исторически была проблемой в системе ультразвуковой визуализации, особенно для современных портативных устройств. В следующем разделе мы сосредоточились на разработке и реализации интегрированного генератора высоковольтных импульсов для многоканальных ультразвуковых систем.
Рис. 4.
Типичная структурная схема ультразвуковой системы.
3.1 Архитектура однокристального высоковольтного генератора импульсов
Схема встроенного генератора высоковольтных импульсов показана на рисунке 5. Он в основном состоит из трех каскадов, включая входной каскад, встроенные источники питания с плавающей запятой и H -мостовой силовой драйвер. В этой конструкции генератора высоковольтных импульсов используется несколько методов для достижения низкой статической мощности и низких гармоник на выходе. Эти методы описаны в следующем разделе.
Рисунок 5.
Предлагаемая архитектура встроенного генератора биполярных импульсов.
3.1.1 Входной каскад
Входной каскад, как показано на рисунке 6, состоит из формирователей сигнала (буферов), генератора мертвого времени и контроллера возврата в ноль. Входной каскад отвечает за управление генератором импульсов и выдает четыре сигнала HSDP, LSDN, RTZP, RTZN для включения / выключения следующего драйвера питания H-моста. Два входных управляющих сигнала, IN1 и IN2, генерируются отдельно от внешнего генератора сигналов или ЦАП с синхронизированными фазами.Один из управляющих сигналов представляет собой задержку на половину цикла по сравнению с другим для управления двухтактным каскадом на выходе. Преимущество этой архитектуры состоит в том, что путем регулировки рабочего цикла входных сигналов IN1 и IN2, соответственно, ошибка между on_time и off_time может быть уменьшена, как показано в уравнении. (6).
Рисунок 6.
Входной каскад генератора биполярных импульсов.
3.1.2 Драйвер питания Н-моста
Драйвер питания Н-моста, как показано на рисунке 7, состоит из переключателей уровня, предварительных драйверов, двух высоковольтных диодов (D1 / D2) и четырех силовых транзисторов ( MP1 / 2 и MN1 / 2).Уровни низкого и высокого напряжения входного управляющего сигнала равны 0 и 5 В соответственно. Когда уровень напряжения IN1 высокий, MN1 выключается, а MP1 включается. MP1 устанавливает на выходе высокое напряжение VDDH. Когда уровень напряжения IN2 высокий, силовой транзистор MN1 понижает выход до низкого уровня напряжения VSSL. Уровни напряжения IN1 и IN2 низкие в установившемся режиме, и выход возвращается к нулевому уровню напряжения через MP2 или MN2. Чтобы исключить сквозной ток между MP1 и MN1, используется схема управления мертвым временем, как показано на рисунке 6, на котором выходы генератора мертвого времени не имеют одновременно высокого уровня.Затем переключатели уровней №1 и 2 повышают эти два выходных сигнала до уровней напряжения от VDDL до VSSL и от VSSH до VDDH, соответственно. Из-за большой емкостной нагрузки на затворах силовых инверторов конечного каскада MP1 и MN1 для повышения скорости нарастания напряжения используются два предварительных драйвера. Кроме того, чтобы избежать вызывного сигнала выхода в установившемся состоянии, требуется быстрый возврат к нулевому сигналу. Схема возврата к нулю включает контроллер возврата в ноль, переключатель уровня №3, схему задержки, два предварительных драйвера, два силовых транзистора (MP2 и MN2) и два высоковольтных диода (D1 и D2). для предотвращения ложного проведения.Чтобы избежать влияния на прием эхо-сигналов, когда ультразвуковая система находится в режиме приема, выходной сигнал генератора импульсов должен быстро вернуться с уровня напряжения VDDH или VSSL на нулевой уровень напряжения. Как показано на рисунке 6, контроллер возврата к нулю может состоять из простого элемента XOR и инвертора.
Рис. 7.
Драйвер питания H-моста.
Генерировать импульсный сигнал с низким содержанием второй гармоники непросто, требуя сбалансированного времени нарастания и спада на всех рабочих частотах и очень точных рабочих циклов.Чтобы управлять сбалансированной скоростью нарастания выходных импульсов, было тщательно исследовано время нарастания / спада регуляторов уровня и инверторов выходной мощности. В разделах 3.1.4 и 3.1.5 будут подробно описаны аспекты проектирования этих ключевых компонентов.
3.1.3 Конструкция маломощного плавающего источника питания
Поскольку выходной каскад использует двухтактную архитектуру, в качестве выходного каскада используется пара высоковольтных устройств PMOS и NMOS. Конструкция их каскадов драйверов может также использовать двухтактную архитектуру для эффективного управления выходным каскадом.Так как напряжение затвора высоковольтных устройств PMOS / NMOS ограничено максимальным рабочим напряжением Vgs, размах выходного напряжения драйвера должен быть в пределах 5 В. Следовательно, для каждого драйвера требуется набор 5 В между напряжением питания. рельсовые источники питания для подачи на выход тока источника / стока. Чтобы упростить источники питания, используется архитектура с плавающим источником напряжения. На рис. 8 показаны два источника плавающего напряжения, генерируемые VDDH и VSSL относительно земли соответственно. Пара высоковольтных устройств PMOS / NMOS, соединенных последовательно с двумя наборами стабилитронов и высоковольтных диодов, образуют контур делителя напряжения и выдают два напряжения, соответствующие падению напряжения на стабилитроне.Еще два высоковольтных PMOS / NMOS, включенных параллельно с контуром делителя, функционируют как повторитель источника для обеспечения стабильных выходных напряжений. Например, выходное напряжение VDDL и VSSH генерируются VSSL и VDDH, как показано в уравнениях. (9) и (10) соответственно.
Рисунок 8.
Схема плавающего источника питания и его контроллер.
VSSH = VDDH − VZenerE9
VDDL = VSSL + VZenerE10
Одним из преимуществ этой архитектуры является ее быстрое установление и стабильный выход, даже если выходное напряжение не регулируется точно.Однако он рассеивает мощность после применения VDDH или VSSL и снижает эффективность всей системы. Поэтому используется переключатель, генерируемый входными сигналами. Беспотенциальный источник питания может работать только после команд входного сигнала. Если входной сигнал отсутствует в течение определенного периода времени, плавающий источник питания может быть отключен, чтобы уменьшить рассеиваемую мощность.
3.1.4 Конструкция с плавающим переключателем уровня с емкостной связью
Сдвигатель уровня используется в приложениях, требующих интерфейсов между различными областями напряжения.Существует два типа переключателей уровня: полноповоротный и плавающий, которые можно различить по тому, имеет ли область напряжения общий потенциал земли. На рисунке 9 показана схема обычного полноповоротного переключателя уровня на основе защелки, который должен повышать входной сигнал с уровня «Vlow» до уровня «Vhigh». Цепочка инвертора (M1 – M12) используется для восстановления цифрового сигнала Rail-to-Rail из входящего управляющего сигнала вне кристалла. Пара перекрестных пар (M15 и M16) может фиксировать «высокий» уровень цифрового сигнала.Когда входной сигнал переключается на «низкий» уровень, M16 и M17 выключаются, а M15 и M18 включаются. Выходное напряжение равно 0 В. Однако, когда входной сигнал становится на «высокий» уровень, M16 и 17 включаются, а M15 и M18 выключаются. Выходное напряжение становится высоким.
Рис. 9.
Схема переключателя уровня на основе защелки.
Переключатель уровня полного поворота, показанный на рисунке 9, не подходит для конструкции драйвера затвора PMOS / NMOS, поскольку драйверу затвора требуется плавающая направляющая для включения / выключения последней ступени устройств PMOS / NMOS.Однако переключатели с плавающим уровнем могут смещать потенциал управляющих сигналов от схем низковольтной шины питания к потенциалу с плавающей шиной и шиной заземления, и поэтому переключатели с плавающим уровнем часто используются в драйверах затвора для управления выходными каскадами. На рисунке 10 показана спроектированная архитектура устройства сдвига уровня с емкостной связью, используемого в драйвере питания H-моста.
Рис. 10.
Схема плавающего переключателя уровня с емкостной связью на основе защелки.
На рисунке 10 показана схема устройства сдвига плавающего уровня для переключателя уровня №1 для смещения уровней напряжения сигнала 0 В и VDD на VSSH и VDDH, соответственно.Сдвигатель уровня состоит из пары инверторов (Mi1 – Mi4), двух разделительных конденсаторов (C1 и C2), защелки (M19 – M22), выходного инвертора (M23 – M24) и фиктивных инверторов Mdum1 и Mdum2, которые должен поддерживать тот же выходной импеданс, что и у инверторов M21 и M22. Пара инверторов работает от источников питания 0 и 5 В, а защелка, фиктивный инвертор и выходной инвертор питаются от источников питания VSSH и VDDH. Пара инверторов и защелка изолированы этими двумя конденсаторами связи, которые через управляющие сигналы передаются на выходные каскады.На рисунке 11 показана упрощенная модель каскада с защелкой и емкостной связью между входом и выровненными выходами, в которой G m представляет собой сумму транс-проводимости M19 и M20 (то же самое, что M21 и M22). . C L — входная емкость M23 и M24. R L представляет полное сопротивление выходного узла M19 и M20. Следуя рисунку 11, динамическое поведение выхода защелки, V x и V y , можно записать в формуле.(11) и уравнение. (12).
Рисунок 11.
Упрощенная схема переключателя плавающего уровня.
GmVy = −CLdVxdt − VxRL.E11
GmVx = −CLdVydt − VyRL.E12
Путем замены R L и C L на 901 L 9120 L с , A v = G m R L , и измените порядок формулы, уравнения. (13) и (14) представляют собой взаимную корреляцию между V x и V y .
τdVxdt + Vx = −AvVy.E13
τdVydt + Vy = −AvVx.E14
Из уравнений. Используя уравнения (13) и (14), мы можем решить
δV = δV0 ∗ eAv − 1tτE15
, где δV — разность напряжений между входом и выходом защелки, т. Е. В x — В y в нашей конструкции, а δV0 — начальная разность напряжений в начале фазы фиксации. Время перехода защелки может быть решено в уравнении. (15) как
Tlatch≅CLGm ∗ lnδVδV0E16
Скорость нарастания переключателя уровня может быть определена как в (Ур.(17))
SR + / — = δVTlatchE17
Поскольку время фиксации инвертируется логарифмически пропорционально δV0, T защелка будет слишком большой, чтобы повлиять на желаемую скорость нарастания, если δV0 является малым значением. Из рисунка 10 мы можем найти δV0 = C1C1 + CinVDD; соотношение емкостей между емкостью связи и входной емкостью защелок влияет на время фиксации. Следовательно, значение C 1 может быть разработано сопоставимым со значением C в , чтобы избежать небольшого δV0.Кроме того, чтобы иметь сбалансированную скорость нарастания переключателей уровня, отношение емкостей связи между C 1 и C 2 может быть еще одним важным фактором после того, как защелки были спроектированы. На рисунке 12 показана смоделированная скорость нарастания переключателя уровня при соответствующем изменении значения емкости связи, оптимальную конструкцию которой можно найти, выбрав соответствующую емкость связи с SR +, равной SR−. Поскольку конденсатор связи должен выдерживать большое падение напряжения между VDDH и VDD, встроенные конденсаторы MOM использовались последовательно для увеличения выдерживаемого напряжения до 100 В для таких приложений.На рисунке 13 показаны принципиальная схема и расположение встроенного конденсатора MOM.
Рис. 12.
Смоделированная скорость нарастания и спада фронта переключателя уровня.
Рис. 13.
Схема встроенного конденсатора MOM (M представляет слой перекрывающихся пальцев).
3.1.5 Конструкция силового инвертора последней ступени
На внешнюю скорость нарастания импульса генератора импульсов также влияет конструкция конечной ступени в дополнение к конструкции со сбалансированной скоростью нарастания переключателя уровня.Чтобы согласовать конечную скорость нарастания, размер одного силового транзистора MN1, показанного на рисунке 7, является фиксированным, а размер другого транзистора, MP1, изменяется соответственно. Эффект выходной упаковки учитывается при изменении размера транзистора.
Тип корпуса, используемый для генератора импульсов — QFN-88L. Соответствующие паразитные компоненты получаются с помощью экстрактора ANSYS Q3D. Схема корпуса QFN-88L показана на рис. 14. На рис. 15 показана скорость нарастания и спада фронта последней ступени при изменении размера устройства MP1 в смоделированных моделях.Оптимальная ширина конструкции для этого приложения составляет ~ 12700 мкм, так что силовые полевые МОП-транзисторы последнего каскада работают с той же скоростью нарастания напряжения.
Рис. 14.
Конструкция соединения корпус / микросхема с извлечением паразитных параметров.
Рисунок 15.
Смоделированная скорость нарастания и спада фронта полевых МОП-транзисторов последнего каскада.
Объявление4. Экспериментальные результаты
Предлагаемый генератор высоковольтных импульсов был изготовлен по технологии КНИ-КМОП 0,5 мкм, которая позволяет смешивать различные структуры, такие как КМОП для цифровых схем и высоковольтные МОП-структуры для питания и высокого напряжения. приложения на одной пластине со скрытым изоляционным слоем [25].На рисунке 16 показано поперечное сечение процесса SOI-CMOS, а высоковольтные МОП-транзисторы полностью совместимы с существующим процессом CMOS. Силовые транзисторы последнего каскада, использованные в конструкции, представляют собой полевые транзисторы (FET) с N- и P-каналом с N- и P-каналом для расширения стока. Микрофотография микросхемы сконструированного 8-канального генератора импульсов показана на рисунке 17 и имеет площадь 8000 × 3510 мкм. Проверка работоспособности генератора импульсов высокого напряжения проводилась путем измерения электрического и акустического поля, которые будут представлены в следующем разделе.
Рис. 16.
Поперечное сечение высоковольтных устройств в процессе SOI-CMOS.
Рисунок 17.
Фотография встроенного 8-канального генератора импульсов.
4.1 Проверка электрических характеристик
Рабочие характеристики генератора импульсов высокого напряжения измеряются с помощью пробника с фазированной решеткой с использованием стробированного входного сигнала 3,5 МГц. Тестируемым зондом был Broadsound BS7L3 с относительной полосой пропускания более 60%. На рисунке 18 показана измеренная форма сигнала биполярного напряжения, а его спектральная диаграмма показана на рисунке 19.Искажения по второй гармонике составляют -40 дБн. Выходное напряжение может достигать 100 В (размах) с временами нарастания и спада 18,6 и 18,5 нс соответственно. Статический постоянный ток, подаваемый на генератор импульсов, составляет около 60 мкА на канал, который рассеивает примерно 6 мВт постоянного тока. В таблице 1 приводится сравнение производительности с несколькими опубликованными работами.
Рис. 18.
Измеренные входные сигналы и форма выходного сигнала предлагаемого генератора импульсов при сопротивлении 1 кОм параллельно с емкостной нагрузкой 220 пФ.
Рисунок 19.
Спектральный анализ измеренной формы сигнала передачи на рисунке 18.
Таблица 1.
Сводка и сравнение измеренных характеристик.
4.2 Результаты измерения акустического поля
Была собрана интегрированная 8-канальная тестовая плата генератора импульсов для проверки формирования луча передачи. Эксперимент проводился с использованием системы калибровки акустического поля ONDA. На рисунке 20a показано изображение разработанной испытательной платы 8-канального передатчика, а на рисунке 20b показано изображение измерительной установки, в основном включающей резервуар с водой для моделирования подводной среды и анализатор звукового поля для синтеза результатов формирования диаграммы направленности.После генерации входных сигналов формирования луча с разным временем задержки с помощью кодирования FPGA преобразователи возбуждаются этими восемью наборами импульсов высокого напряжения. Предусилитель с широким динамическим диапазоном используется для измерения звукового поля, создаваемого зондом PZT после возбуждения генератором импульсов. На рисунке 20в представлен четырехканальный высоковольтный выход (± 70 В) с определенной заданной задержкой. На рисунке 20d представлен широкополосный приемник для измерений акустического поля. На рисунке 21 показаны измерения формирования луча передачи.Максимальное значение 4 МПа было получено в фокальной плоскости после формирования луча. В фокальной плоскости на расстоянии 3,5–4,0 см от зонда интенсивность пучка составляет около 180 мкДж / см 2 .
Рис. 20.
8-канальный генератор импульсов в одном корпусе и его сборка (а), система калибровки акустического поля ONDA (б), многоканальный выход высоковольтных импульсов с задержкой (в) и широкополосный приемник измерения звукового поля (d).
Рис. 21.
Измеренное подводное акустическое поле с использованием 8-канального генератора импульсов (a), максимальное значение 4 МПа было получено в фокальной плоскости после формирования луча (b).
Для проверки гармонического состава эхо-сигнала была проведена другая измерительная установка с использованием одноканального патч-преобразователя с разработанным генератором импульсов. На рисунке 22 показаны измеренные эхо-сигналы после возбуждения патч-преобразователя разработанным генератором импульсов. Наличие принятого зеленого сигнала под высоковольтными переданными импульсами связано с утечкой переключателя T / R. Утечка второй гармоники в приемнике по сравнению с основным сигналом составляет <40 дБ, что делает генератор импульсов подходящим для приложений формирования гармонических изображений.
Рисунок 22.
Установка для проверки утечки второй гармоники с помощью патч-преобразователя в качестве нагрузки генератора импульсов (а), высоковольтные биполярные импульсы в качестве передаваемых сигналов (оранжевый) и принимаемых сигналов (зеленый) (б) и спектральный анализ эхо-сигналов (в).
Объявление5. Выводы
В этой главе подробно рассмотрено проектирование и реализация интегрированного многоканального генератора биполярных импульсов высокого напряжения для применения в медицинских ультразвуковых передатчиках.Предлагаемый генератор импульсов может, при использовании емкостного ультразвукового датчика, генерировать выходные импульсы> 140 Vpp с временами нарастания и спада 18,6 и 18,5 нс соответственно. Результирующее искажение второй гармоники высоковольтного импульса превышает -40 дБн, что соответствует требованиям ультразвуковых передатчиков в приложениях для построения гармонических изображений.