Цифровой генератор пилообразного напряжения

Цифровой генератор пилообразного напряжения

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Генератор пилообразного напряжения. Часть 1

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал о блокинг-генераторах, которые предназначены для формирования прямоугольных импульсов с большой скважностью и возможностью формировать амплитуду импульса в широком интервале напряжений. Сегодняшняя моя статья о способах формирования напряжения пилообразной формы, которые называются также генераторами пилообразного или линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН).

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Параметры пилообразного напряжения

Линейно изменяющееся или пилообразное напряжение имеет форму неравностороннего треугольника, то есть в течение определённого периода времени нарастает или спадает практически по линейному закону до некоторого амплитудного значения, а затем возвращается к исходному уровню. Временные диаграммы различных видов пилообразного напряжения изображены ниже

Временные диаграммы пилообразного напряжения: положительно нарастающее (а), положительно падающее (б), отрицательно падающее (в), отрицательно нарастающее (г).

Как и любой из генераторов импульсов, генератор пилообразного напряжения может работать как в автоколебательном, так и в ждущем режиме, но в любом случае можно выделить два основных периода работы: рабочий период (ТР), когда напряжение нарастает или спадает и период обратного хода (ТО), в течении которого напряжение возвращается к исходному уровню. Поэтому период повторения пилообразных импульсов будет равен сумме рабочего периода и обратного хода

[math]T = T_

+ T_[/math]

Данное равенство справедливо для автоколебательного генератора пилообразного напряжения, в случае ждущего генератора к выражению добавляется также период ожидания запускающего импульса (ТOZ), в течении которого выходное напряжение имеет некоторый постоянный уровень UBbIX = const.

[math]T = T_

+ T_ + T_[/math]

Ввиду того что практически невозможно обеспечить постоянные параметры генератора пилообразного напряжения для оценки линейности рабочего участка напряжения вводится коэффициент нелинейности ξ. Под коэффициентом нелинейности понимается относительное изменение скорости нарастания напряжения во время рабочего хода

где kН, kК – соответственно скорость нарастания напряжения в начале и в конце рабочего хода.

Эффективность ГЛИН зависит от коэффициента использования напряжения питания ε, которое определяется, как отношение амплитуды выходного напряжения Um к значению напряжения источника питания Е

[math] varepsilon = frac[/math]

• где Um – максимальная амплитуда импульсов,
• Е – напряжение источника питания.

Большинство параметров генераторов пилообразного напряжения являются расчётными и зависят от номиналов элементов схемы и назначения генератора:

• максимальная амплитуда напряжения Um – от единиц до сотен вольт;
• длительность рабочего периода ТР – от нескольких микросекунд до нескольких сотен и тысяч миллисекунд;
• коэффициент нелинейности ξ: в осциллографии – до 10%, в телевидении – до 5%, в электроннолучевых индикаторах – до 2%, в точных каскадах сравнения – 0,1…0,2%;
• коэффициента использования напряжения питания ε – от 0,1 (в простейших генераторах) до 0,9 (у наиболее совершенных).

Принцип построения генераторов пилообразного напряжения

Принцип построения генераторов пилообразного напряжения основан на прохождении импульса напряжения через интегрирующую цепь. То есть на заряде (или разряде) конденсатора некоторым постоянным током, а потом его быстром разряде (или заряде). Таким образом, простейший генератор пилообразного напряжения состоит из зарядной (или разрядной) цепи, конденсатора и коммутирующего элемента, через который происходит быстрый разряд (или заряд) конденсатора, то есть приведение конденсатора в исходное состояние. На рисунке ниже показаны схемы простейших генераторов пилообразного напряжения

Схематическое изображение генераторов пилообразного напряжения: линейно-растущего (слева) и линейно-падающего (справа).

В схеме слева в рабочей стадии конденсатор заряжается, через зарядную цепь до некоторого напряжения, а в стадии обратного хода резко разряжается при помощи коммутирующего элемента. В случае линейно падающего напряжения в рабочий период происходит разряд конденсатора постоянным током, а затем резкий заряд. В большинстве случаев в качестве коммутирующего элемента применяются транзисторы, работающие в ключевом режиме и входящие в состав либо генератора прямоугольных импульсов, либо работающие от внешнего генератора.

В качестве зарядных (или разрядных) цепей в простейших генераторах пилообразного напряжения могут применяться резисторы, но они не дают низкого коэффициента нелинейности, к тому, же такие схемы не обеспечивают высокого коэффициента использования напряжения (ε ≤ 0,1). Лучшие параметры генератора обеспечивают зарядные (или разрядные) схемы с токостабилизирующими элементами или источниками (генераторами) тока. Ещё лучшие параметры обеспечивают генератора пилообразного напряжения, в которых применяются обратные связи в зарядных (или разрядных) цепях.

Простейший генератор пилообразного напряжения

Для получения пилообразного напряжения применяют различные генераторы, но во всех схемах основным элементом является конденсатор, который заряжают и разряжают постоянным током. Простейшей является схема на основе конденсатора и зарядного резистора, которая изображена ниже

Простейшие схемы генераторов пилообразного напряжения: вверху – линейно растущего напряжения, внизу – линейно падающего.

Рассмотрим принцип работы схемы линейно растущего напряжения. В начальный период времени на транзистор VT1 действует базовый ток, создаваемый сопротивлением R1 и VT1 находится в состоянии насыщения, напряжение на его коллекторе UK, а следовательно и на конденсаторе С1 равно нулю (UK = UС ≈ 0). После того как на базу VT1 пришёл отрицательный входной импульс (момент времени t), транзистор запирается и конденсатор С1 начинает заряжаться током IC, который ограничен сопротивлением R2

По мере того как конденсатор С1 заряжается на его обкладках напряжение растёт по экспоненциальному закону (см. RC- и RL-цепи) с постоянной времени τЗ = С1R2 и достигает значения UМ.

В момент времени t1 (окончание действия импульса) напряжение на базе транзистора VT1 возрастает и за счёт резистора R1 становится выше напряжения насыщения. Это приводит к полному открытию транзистора и под действием базового тока IВ ≈ EK/R1 через переход коллектор-эммитер начинается разряд конденсатора С1 с некоторой постоянной времени разряда τР

где RВЫХ — выходное сопротивление транзистора.

Длительность обратного хода пилообразного напряжения определяется по следующей формуле

в тоже время [math]frac = S[/math], где S – коэффициент насыщения транзистора должен находиться в пределах 1,5…3 для надёжного открытия транзистора. Таким образом [math]T_=frac[/math].При увеличении коэффициента насыщения увеличивается задержка выходного напряжения.

Данный тип генератора пилообразного напряжения имеет два существенных недостатка обусловленных простотой конструкции:

1. Высокий коэффициент нелинейности γ = 5…10 %.
2. Необходимость использования источника питания с напряжением в десятки раз выше, чем амплитуда выходного импульса.

Расчёт простейшей схемы генератора пилообразного напряжения

Рассчитать параметры элементов простейшей схемы генератора пилообразного напряжения, который обеспечивает следующие характеристики выходного сигнала: длительность рабочего хода ТР = 500 мкс, амплитуда выходного напряжения Um = 2 В, коэффициент нелинейности γ = 10.

1. Определим напряжение питания UК, которое обеспечит заданные параметры Um и γ
   [math]U_=frac < U_>< gamma >=frac= 20 B[/math]
2. Выбираем тип транзистора VT1

[math]f_ ge frac=frac = 1 kHz[/math]

Данным параметрам соответствует транзисторы типа КТ315 со следующими параметрами [math]U_=30 B, I_=100 mA, I_=1 mkA, f_=250 MHz, h_=20…90[/math]

Вычисляем номинал резистора R2
[math]R2=frac[/math]
Примем IC = 20 мА, тогда
[math]R2=frac=1100 Om[/math]
Выберем R2 = 1 кОм

Определим сопротивление резистора R1, принимая коэффициент насыщения S = 1,5.
[math]R1=frac= fracapprox 43,33 kOm[/math]
Примем R1 = 47 кОм.

Определим емкость конденсатора C1, который обеспечит заданный коэффициент нелинейности γ

Главным недостатком рассмотренного простейшего генератора пилообразного напряжения, как указывалось выше, является необходимость использования источника питания с достаточно высоким потенциалом (в несколько десятков раз больше, чем амплитуда импульса), поэтому схема данного типа применяется достаточно редко в аппаратуре, где амплитуда импульса небольшая, а требования к линейности невелики.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Цифровой генератор пилообразного напряжения

Генератор пилообразного напряжения для варикапов.

Автор: Сергей Безруков
Опубликовано 11.03.2011

При работе с высокочастотным генератором, перестраеваемым варикапом, потребовалось изготовить для него управляющий генератор пилообразного напряжения. Схем генераторов «пилы» существует великое множество, но ни одна из найденных не подошла, т.к. для управления варикапом требовался размах выходного напряжения в пределах 0 — 40В при питании от 5В. В результате раздумий получилась вот такая схема.

Формирование пилообразного напряжения происходит на конденсаторе C1, зарядный ток которого определяестся резисторами R1-R2 и (в гораздо меньшей степени) параметрами транзисторов токового зеркала VT1-VT2. Довольно большое внутреннее сопротивление источника зарядного тока позволяет получить высокую линейность выходного напряжения (фото ниже; масштаб по вертикали 10В/дел). Основной технической проблемой в таких схемах является цепь разряда конденсатора C1. Обычно для этой цели используются однопереходные транзисторы, туннельные диоды и пр. В приведенной схеме разряд производится . микроконтроллером. Этим достигается простота налаживания устройства и изменения логики его работы, т.к. подбор элементов схемы заменяется адаптацией программы микроконтроллера.

Напряжение на C1 наблюдается компаратором, встроенным в микроконтроллер DD1. Инвертирующий вход компаратора подключен к C1, а неинвертирующий к источнику опорного напряжения на R6-VD1. По достижении напряжения на C1 значения опорного (примерно 3.8В) напряжение на выходе компаратора скачком изменяется от 5В до 0. Этот момент отслеживается программно и приводит к переконфигурированию порта GP1 микроконтроллера с входа на выход и подачи на него уровня логического 0. В результате конденсатор C1 оказывается замкнутым на землю через открытый транзистор порта и достаточно быстро разряжается. По окончании разряда C1 в начале следующего цикла вывод GP1 вновь конфигурируется на вход и производится формирование короткого прямоугольного синхро-импульса на выводе GP2 амплитудой 5В. Длительность разрядного и синхронизирующего импульсов устанавливается программно и может изменяться в широких пределах, т.к. микроконтроллер тактируется внутренним генератором на частоте 4 мГц . При варьировании сопротивления R1+R2 в пределах 1К — 1М частота выходных импульсов при указанной емкости C1 меняется примерно от 1 кГц до 1 Гц.
Пилообразное напряжение на C1 усиливается ОУ DA1 вплоть до уровня напряжения его питания. Желаемая амплитуда выходного напряжения устанавливается резистором R5. Выбор типа ОУ обусловлен возможностью его работы от источника 44В. Напряжение 40В для питания ОУ получается из 5В с помощью импульсного преобразователя на микросхеме DA2 включенной по стандартной схеме из ее даташита. Рабочая частота преобразователя 1.3 мГц.
Генератор собран на плате размером 32х36 мм. Все резисторы и большинство конденсаторов типоразмера 0603. Исключение составляют C4 (0805), C3 (1206), и C5 (танталовый, типоразмер А). Резисторы R2, R5 и разъем J1 установлены на обратной стороне платы. При сборке следует в первую очередь установить микроконтроллер DD1. Затем к проводникам платы временно подпаивают провода от разъема программатора и загружают прилагаемую программу. Отладка программы производилась в среде MPLAB, для загрузки использовался программатор ICD2.

Хотя описанное устройство и решило поставленную задачу и поныне успешно работает в составе свип-генератора, для расширения его возможностей приведенная схема может рассматриваться скорее как идея. Верхний предел частоты в данной схеме ограничен временем разряда C1, что в свою очередь определяется внутренним сопротивлением выходных транзисторов порта. Для ускорения процесса разряда желательно разряжать C1 через отдельный МОП транзистор с малым сопротивлением открытого канала. При этом можно значительно уменьшить время программной задержки для разряда, которая необходима для обеспечения полной разрядки конденсатора и, соответственно, падения выходного напряжения пилы практически до 0В (что было одним из требований к устройству). Для термостабилизации работы генератора желательно в качестве VT1-VT2 применить сборку из двух PNP транзисторов в одном корпусе. При низкой частоте генерируемых импульсов (менее 1 Гц) начинает сказываться конечное сопротивление генератора тока, что приводит к ухудшению линейности пилообразного напяжения. Ситуация может быть улучшена путем установки резисторов в эмиттеры VT1 и VT2.

Простой генератор пилообразного сигнала

Не стану утверждать, что «пила» просто необходима для отладки аудио-усилителей. Удобно, конечно, посмотреть, не скривилось ли что напрочь — с пилою видны на глаз, и часто нагляднее, чем с синусоидой, всяческие ограничения сигнала или какие-нибудь переходные искажения.

Данный проект я собрал «до кучи» к генератору синусоиды на мосте Вина. Использую его регулярно для отслеживания характера ограничений по амплитуде в своих конструкциях. Так же пила оказалась незаменимой в выявлении всевозможных подсвистов усилителей, которые не видны ни на синусе любой частоты, ни на прямоугольнике.

В этой статье:

555 таймер

Важно : в данной конструкции необходимо использовать только качественный КМОП вариант 555 таймера. Например вот этот: TLC555 datasheet от TI .
Более старые, биполярные варианты 555, выдают совершенно неприличную грязь и к тому же так «бухают» в питание, что это уже ни чем не отфильтровывается.

На мой взгляд, одна из наиболее наглядных отрисовок блок-схемы микросхемы 555:

Блок-схема КМОП таймера 555

1. GND — = «Земля», отрицательный вывод питания
2. TRIG — = Триггер
3. OUT — = Выход
4. RESET = Сброс
5. CONT — = Управляющее напряжение
6. THRES — = Порог
7. DISCH — = Разряд
8. V DD — = Положительное напряжение питания

Задающий генератор пилообразного сигнала

Принцип работы данного генератора исключительно прост, по сути — используем 555 в стандартном включении.

Формирователь пилообразного сигнала

• R1, R3 = 36 кОм
• R2, R4 = 100 кОм
• VT1 = MPS2907A

= КТ361

C4 = 10 нФ

C1, C3 = 0.1 мкФ

C2 = 10 мкФ

Источник тока на транзисторе VT1 обеспечивает линейный заряд времязадающего конденсатора С4. Так же как и пороговые напряжения в 555 таймере, ток, генерируемый данным источником прямо пропорционален напряжению питания. Всё вместе это обеспечивает практически постоянную частоту генерации независимо от величины питающего напряжения.

Пороговое напряжение 555-го (вход 5 «CONT») слегка «притянуто» к земле, чтобы добавить доступного падения напряжения для работы источника тока.

Разряд времязадающего конденсатора производится быстро, через вывод 7 «DISCH». Надо заметить, что полевой транзистор задаёт постоянный ток разряда — спад пилы получается так же практически идеально линейный.

Повторитель с высоким входным импедансом

Полученный практически идеальный пилообразный сигнал на конденсаторе, к сожалению, не может быть подан прямиком в нагрузку — любая нагрузка будет искажать форму сигнала и влиять на частоту генерации. Необходим повторитель с возможно бОльшим входным импедансом. В моём варианте LM324 (datasheets: National/TI , Fairchild , OnSemi ) отлично справляется с задачей, при условии использования внешних источников тока (об этом — чуть ниже).

Буфер с огромным входным импедансом

• R5, R6 = 330 кОм
• C5, C6 = 0.1 мкФ

Можно обойтись без усложнений и использовать простой буферный каскад, если вместо бюджетного LM324 применить высококлассные (дорогие) ОУ со входами на полевых транзисторах.

Регулятор усиления от -1 до +1

Удобно иметь возможность регулировать не только амплитуду сигнала, но так же и полярность.

Регулятор усиления от -1 до +1

• R7, R8, PR1 = 10 кОм

Настоящий класс «А»

Для получения образцовой линейности усилителей применён тот же трюк, что и в моём генераторе синусоидального сигнала на мосте Вина: загрузка выходов ОУ источниками тока. Таким образом весьма посредственные выходные каскады ОУ LM324, в оригинале работающие практически в классе «B», т.е. без начального тока покоя, переводятся в честный отднотактный класс «А».

Источники тока для загрузки выходов ОУ

• R9 = 6.2 кОм
• VT2-VT4 = KT503

По факту в своём макете я использовал 5 транзисторов в параллель для загрузки всех 4 выходов LM324.

Работа от одного источника питания

Формирование виртуальной земли при питании от одного источника (батарей) подробно описано в статье про генератор на мосте Вина. В макете я использовал общие цепи питания для обоих генераторов.

Формирование виртуальной земли со сдвигом

• VD2 = красный светодиод 1.7 Вольта
• R10, R11 = 2 кОм
• C10, C11 = 0.1 мкФ (керамика или плёнка)
• C12, C13 >= 10 мкФ

Тестируем!

«Пила», как она есть на выходе генератора:

Почти идеальная пила уже от 6 вольт питания

Данная картинка получена при питании от батареек в сумме дающих 6 вольт. Если немного поднять питающее напряжение — форма сигнала станет неотличима на глаз от идеальной. Замечу, что в отличие от генератора на мосте Вина, у которого есть АРУ, здесь амплитуда сигнала на выходе генератора будет линейно зависеть от напряжения питания.

Собираем

TLС555CP + LM324 = два генератора

Примечание : настоятельно рекомендую поставить отдельный выключатель питания для микросхемы таймера, буде данная схема собрана как у меня в паре с генератором синусоиды с низким THD — помехи даже от КМОП 555 весьма ощутимы. Простенький «джампер» вполне подойдёт на роль такого выключателя (синенький, слева от 555 на картинке).

Аннотация

Курсовая работа содержит теоретические основы работы цифровых элементов и построения включающих их в себя цифровых схем. Пошагово описывается разработка генератора пилообразного напряжения в Micro — Cap 12. Также приведены расчеты пассивных элементов и представлены характеристики Таймера 555, счётчика CD4040B и ЦАПа DAC0808.

The course work contains the theoretical basis for the operation of digital elements and the construction of digital circuits that include them. The development of a sawtooth voltage generator in Micro — Cap 12 is described step by step. Calculations of passive elements and characteristics of the Timer 555, counter CD4040B and DtoA8 DAC0808 are also presented.

Содержание

1.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 6

1.1 Общие сведения о генераторах пилообразного напряжения 6

1.2 Топология схемы генератора пилообразного напряжения 10

1.3 Теоретические сведения об элементах схемы 11

2.РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЦЕПИ 19

3.РАЗРАБОТКА СХЕМЫ В СРЕДЕ MICRO-CAP 12 20

3.1 Схема на основе таймера 555 серии, счетчика CD4040B и ЦАП 20

3.2 Схема на основе таймера 555 серии, счетчика и ЦАПа (R-2R) 21

3.3 Схема на основе таймера 555 серии, ОУ и транзистора PNP 24

5.ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ В СРЕДЕ MICRO-CAP 12 26

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 30

Введение

Генератор пилообразного напряжения – генератор линейно изменяющегося напряжения, электронное устройство, формирующее периодические колебания напряжения пилообразной формы. Линейно изменяющееся или пилообразное напряжение имеет форму неравностороннего треугольника, то есть в течение определённого периода времени нарастает или спадает практически по линейному закону до некоторого амплитудного значения, а затем возвращается к исходному уровню.

Генераторы пилообразного напряжения находят широкое применение в автоматике, телевидении, технике связи, измерительной технике и в других областях прикладной радиоэлектроники. Основными характеристиками этих генераторов являются линейность рабочего участка выходного напряжения, длительность рабочего и обратного хода, период повторения.

Цель данной курсовой работы – разработать схему генератора пилообразного напряжения в среде Micro-Cap 12.

Теоретические сведения

Общие сведения о генераторах пилообразного напряжения

Генераторы пилообразного напряжения, называемые ещё генераторами линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН), широко используются в устройствах с электронно-лучевыми трубками для развертки изображения на экране, для сравнения напряжений, для получения регулируемой задержки сигнала, при преобразовании непрерывных величин в дискретные.

Пилообразное напряжение характеризуется следующими основными параметрами (рисунок 1): амплитудой Um, длительностью прямого (рабочего) хода tпр, длительностью обратного хода tобр, периодом повторения T.

Рисунок 1 – Пилообразный сигнал

Схема простейшего ГЛИН с зарядом конденсатора через резистор приведена на рисунке 2. Схема состоит из интегрирующей RC цепи, резистор R которой является коллекторной нагрузкой транзисторного ключа. Ключ управляется прямоугольными импульсами. В исходном состоянии ключ базовым смещением и конденсатор разряжен через транзистор. В момент поступления отрицательного запирающего напряжения на базу, ключ закрывается, и конденсатор заряжается через R от напряжения питания схемы. По окончании входного импульса транзистор открывается и конденсатор быстро разряжается. Длительность входного импульса берется такой, чтобы конденсатор зарядился до небольшого, по сравнению, с Ek напряжения. При этом обеспечивается удовлетворительная линейность нарастания Uc.

Длительность обратного хода tобр определяется (при заданной емкости) выходным сопротивлением транзистора. В случае необходимости увеличения амплитуды выходных импульсов на выходе ГЛИН подключается усилитель напряжения.

Рисунок 2 – Простейшая схема ГЛИН

Приведенная выше схема проста в использовании, однако импульсы имеют неидеальную форму «пилы». Более высококачественные ГЛИН создают на основе операционных усилителей. В таких генераторах коэффициент нелинейности можно сделать очень малым (меньше 0,01) и практически устранить влияние нагрузки генератора на форму импульсов (рисунок 3).

Рисунок 3 – ГЛИН на ОУ

В схеме генератора пилообразного напряжения на ОУ есть тиристорный ключ Т в цепи обратной связи. Без тиристора схема представляет собой интегратор. В исходном состоянии тиристор заперт и конденсатор заряжается, напряжение на выходе ОУ растет практически по линейному закону до тех пор, пока выходное напряжение Uвых не сравняется с опорными напряжением Uоп, подаваемым на управляемый вход тиристора. В этот момент тиристор открывается, и конденсатор быстро разрежется через открывшийся тиристор почти до нуля (до напряжения, равного падению напряжения на тиристоре в прямом направлении). После разряда конденсатора тиристор снова закрывается, и цикл повторяется. Устройство работает в автогенераторном режиме и не требует внешнего возбуждения. Сигнал, получаемый на выходе, изображен на рисунке 4.

Рисунок 4 – Выходной сигнал с ГЛИН на ОУ

Заметно, что форма данного сигнала больше напоминает пилу (рисунок 5), чем сигнал с первой схемы, однако он все еще не идеален.

Рисунок 5 – Идеальный пилообразный сигнал

Чтобы получить пилообразный сигнал, максимально похожий на изображенный на рисунке 5, необходимо воспользоваться цифровыми микросхемами. [1]

Опасное развлечение: простой для повторения генератор высокого напряжения

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.

Простой высокочастотный генератор пилообразного напряжения

В широтно-импульсных модуляторах часто используются аналоговые генераторы пилообразного напряжения. Показанная на Рисунке 1 недорогая схема такого генератора может использоваться в маломощных приложениях на частотах до 10 МГц. Схема отличается хорошей линейностью рабочего хода и стабильностью частоты.

Схема сделана на одном инверторе с входным триггером Шмитта, работающем как модифицированный мультивибратор. Выходное напряжение снимается с времязадающего конденсатора CT, напряжение на котором изменяется от нижнего до верхнего порогов инвертора. RTCT заряжается постоянным напряжением, поэтому напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному закону и аппроксимировать его прямой линией можно лишь на начальном участке экспоненты.

Простейший способ улучшить линейность пилообразного напряжения – увеличить напряжение питания цепочки RTCT. Для этого в схему добавлен выполняющий функцию генератора подкачки заряда конденсатор C1 с емкостью, по крайней мере, на порядок большей, чем CT. Во время спадающего фронта «пилы», при низком уровне на выходе инвертора, этот конденсатор быстро заряжается через диод D1 до напряжения VCC минус прямое падение напряжения на диоде. В это же время конденсатор CT разряжается через диод D2.

Когда спадающий фронт напряжения на CT достигнет нижнего порога VT − триггера Шмитта, на выходе инвертора установится высокий логический уровень. Начнется заряд конденсатора C1, и на катоде диода D1 установится сумма напряжений на C1 и на выходе инвертора. D1 закроется, и цепь RTCT начнет заряжаться, стремясь сравняться с напряжением на конденсаторе C1. В момент, когда напряжение на CT поднимется до верхнего порога VT + триггера Шмитта, выход инвертора вернется в «лог. 0» и цикл начнет повторяться.

Линейность «пилы» пропорциональна сумме напряжений питания VCC и VDD. Поскольку VDD равно +5 В, и фиксировано, улучшать линейность остается только за счет VCC. Оценить степень нелинейности рабочей области пилообразного напряжения можно с помощью следующего выражения:

ENL% – ошибка нелинейности в процентах,
MI – угол наклона рабочей области «пилы» на начальном участке,
MF – угол наклона рабочей области на конечном участке,

VF – прямое падение напряжения на диоде D1.

Постоянная времени RTCT определяет частоту пилообразного напряжения FO. Оценить эту частоту, пренебрегая временем разряда CT и любым разрядом C1, можно с помощью выражения:

K – константа, определяемая из следующего выражения:

Моделирование схемы со значениями CT=100 пФ и RT=2.2 кОм показывает, что нелинейность пилообразного напряжения равна

• 28% при VCC = VDD = 5 В,
• 18% при VCC = 10 В и VDD = 5 В,
• 14% при VCC = 15 В и VDD = 5 В.

Был собран макет схемы, в которой VDD=VCC=5 В, CT=100 пФ и RT=2.2 кОм. В качестве инвертора использовалась микросхема 74HC14 в стандартном корпусе DIP, имеющая задержку распространения 15 нс (против 4.4. нс у SN74LVC1G14 при напряжении питания 5 В). Измеренная частота равнялась приблизительно 12.7 МГц.

Частотозадающий конденсатор CT должен быть пленочным, с низким током утечки, а его емкость не должна быть большой, чтобы сократить затраты энергии при перезаряде. В то же время, для уменьшения вносимых ошибок, емкость CT должна значительно превосходить емкость входов микросхемы и паразитные емкости.

Сопротивление RT выбирайте достаточно небольшим, чтобы снизить влияние паразитных емкостей.

В качестве IC1 можно использовать любой КМОП инвертор с триггером Шмитта на входе. Однако для повышения стабильности частоты следует выбирать микросхемы из наиболее быстродействующих семейств, с малым временем задержки распространения и большим выходным током. Вполне подойдет выпускаемый Texas Instruments одновентильный инвертор SN74LVC1G14.

Чтобы воспользоваться приведенными выше выражениями, нужно прямо в схеме измерить пороговые напряжения триггера Шмитта, в особенности VT − . Необходимо принимать во внимание, что из-за конечной задержки распространения инвертора разряд CT прерывается не в момент достижения порога VT − , а несколько позже. Этот факт следует учитывать, чтобы компенсировать ошибку расчетов, выполняемых на основе измеренных значений VT − .

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник: nevinka-info.ru