Итак, из просмотра параметров и характеристик георадаров мы выяснили, что на антенну передатчика нужно подавать моноимпульс (его ещё называют видеоимпульс) напряжением в несколько сотен вольт и длительностью, в зависимости от выбранной частоты антенны, от долей наносекунды до нескольких наносекунд. Так же, как и в металлодетекторах, "пробивает" землю только мощный импульс. Речь идёт о токах в сотни ампер за эти несколько наносекунд. Так как частота повторения импульсов относительно невелика (по отношению к его длительности), то эта сумасшедшая мощность "размазывается" за счёт огромной скважности до вполне обычных величин.
Вот конкретный пример: передатчик "Геотрон" вырабатывает импульсы напряжением 600 В и длительностью 3-4 нс. Пиковый ток 10 А, пиковая мощность 6000 ВА. Частота повторения импульсов 42 КГц, что даёт среднюю мощность передатчика (за час работы) около 4 вт. Ток потребления передатчика от батареи около 300 мА (общий ток потребления георадара около 700 ма). В приборе использован литий-полимерный аккумулятор ёмкостью 10 а•час, что позволяет работать без подзарядки около 14 часов.
Еще совсем недавно изготовление таких передатчиков было уделом немногих "избранных" и представляло собой нетривиальную задачу. Однако всё течет, реку под названием "время" не бороздит только ленивый, причём, с помощью интернета, в любых направлениях и многократно... Теперь сделать такое устройство может и простой радиолюбитель, если начитается разной информации, любезно сваленной в интернет такими же любителями и достанет где-нибудь ВЧ (или СВЧ) осциллограф. Пока ещё можно прикупить старые советские С1-104 или даже стробоскоп С7-8, причём за небольшие деньги. Если у Вас нет такого осциллографа и нет тяги к паянию, то всё остальное можно не читать. Да, ещё голова желательна...
Итак, с чего надо начинать? Начинать надо с прочтения нескольких книг и работ, в которых просто и доходчиво излагаются принципы формирования мощных высоковольтных импульсов. Я так и сделал, причём прочёл их несколько раз. Сначала при разработке "Геотрона", потом при начале совместных работ с Краснодарским ООО "ЮГ-МД". Список прочитанного по теме можно посмотреть в конце этой статьи. Нетрудно убедиться, что практическое применение для радиолюбителя могут найти только схемы с диодными формирователями - обострителями импульса или разновидности генераторов Маркса. Всё остальное или сложно, или требует применения разных экзотических полупроводников или ферритов. Их или негде взять, или это слишком дорогое удовольствие. Попутно чтению надо искать осциллограф, а также потрошить и складывать впрок детали от не новых "материнок", блоков питания компьютеров и прочей современной техники. Так же не помешает утаить от жены несколько зелёных сотен, но не сразу, а в течение года☺ Мне повезло, средства на покупку осциллографа и деталей были предоставлены Краснодарским ООО "ЮГ-МД" и жена так ни о чём и не узнала☺
Но вернёмся к теме. Я прочитал (и пролистал тоже) множество книг, просмотрел несколько сотен патентов и выяснил, что целый класс генераторов импульсов обходится копеечными диодами, работающими в специальных режимах. Примерно в 90-х годах прошлого века такие корифеи, как Кардо-Сысоев, Белкин, Дьяконов, Прохоренко, McEwan и др. провели серию исследований и доказали, что применяя обычные выпрямительные диоды типа КД204, КД220, ДЛ112 или 1N5408 можно получить на выходе генератора импульсы напряжением свыше 1000 В при длительности 2-8 нс и токах до 100 А. Была использована аббревиатура ДДРВ - дрейфовый диод с резким восстановлением запирающих свойств (DSRD по-английски).Вообще, у меня сложилось впечатление, что в качестве ДДРВ может использоваться любой старый диод, изготовленный по "советской" технологии. Это КД203, КД204, КД220, КД230, КД226, ДЛ112-143 и т.п. Из зарубежных это 1N5408, MURS160, MURS360 и т.п. Новые полупроводники в таких режимах не работают... Но нам же лучше, старые диоды и стоят по-старому, то есть копейки. Теперь пришла пора разобраться, как же работает типовой формирователь импульсов с размыкателем тока, включённым параллельно нагрузке
Вот блок-схема (а практически - и принципиальная схема) такого генератора.
На вход ключа в момент t0 подаётся открывающий импульс, ключ Q открывается и трансформатор Т начинает намагничиваться. На вторичной обмотке возникает эдс индукции и начинается заряд С через диод D в прямом направлении. На диаграмме справа от схем можно видеть, как растут напряжение на конденсаторе Uc и ток заряда I+. Он накапливается и в структуре ДДРВ. Пока всё понятно.
До момента t1 трансформатор не насыщен. Параметры обмоток Т выбраны так, чтобы он насытился в момент t1, что соответствует максимальному заряду С. Однако ток I+ к этому моменту уже не будет максимальным, начинает проявляться эффект насыщения. Этому режиму соответствует верхняя схема - связь между первичной и вторичной обмотками ненасыщенного трансформатора показана толстой вертикальной чертой. Так обычно и обозначают сердечники трансформаторов.
Однако далее в книге Белкина, на странице 9, где и объясняется принцип работы схемы, есть интересная фраза "Обмотки ТР (ДР) выбраны таким образом, чтобы ТР (ДР) замагнился в момент t1...". Я прочитал эту фразу несколько раз и впал в ступор. На ум моментально пришло незабываемое "Наука имеет много гитик" (© Лев Кассиль, "Кондуит и Швамбрания") и "Палочки должны быть попендикулярны"©. С этой мыслью я, не выходя из ступора, полез в интернет. К счастью, ссылок на "замагнившийся" трансформатор там не нашлось, кроме одной - это слово в дипломной работе использовал студент Томского университета.
И всё же, что имелось в виду под "замагнившимся трансформатором"? Я думаю, это всего лишь то, что в момент t1 произошло насыщение его сердечника. Это значит, что ток в первичной обмотке продолжает увеличиваться, однако магнитный поток уже не увеличивается (кончились свободные домены) и в какой-то момент прекращается заряд конденсатора С. Магнитная связь между обмотками практически исчезает. Вот тут я стал рассуждать сам, ибо в первоисточнике объяснения какие-то смутные и неполные. Этому состоянию я соотнес нижнюю схему, убрав связь обмоток (нет сердечника). Кроме того, ток I+ будет расти только до начала насыщения - этому соответствует максимум на графике ID. Далее ток будет уменьшаться и к моменту насыщения сердечника t1 прекратится совсем. Но напряжение Uc будет расти до самого насыщения сердечника. Но тут возникли чисто технические вопросы. Во-первых, до какого напряжения зарядится конденсатор? Тут и гадать нечего, есть соотношения (уравнение) для трансформатора: Uc = k•UHV•(w2:w1). Предположим, схема питается от напряжения UHV=+150В. Если использовать трансформатор Т с коэффициентом w1:w2=1:4, как я видел в практических схемах, то заряд произойдет до напряжения Uc = 150•4 = 600В - за исключением падения напряжения на нагрузке. Во-вторых, какое сопротивление имеет нагрузка? Эти схемы обычно работают на нагрузку 50 Ом, это может быть как кабель, так и согласующее устройство антенны. Но в таком случае сопротивление ДДРВ диода в открытом состоянии должно быть минимум на порядок ниже, иначе и не стоило громоздить всё это. Думаю, что сопротивление ДДРВ в открытом состоянии не более нескольких ом, иначе не было бы такого всплеска напряжения.
В-третьих, стал понятен выбор колец столь малого размера для трансформатора Т. В схемах, подсмотренных в работах [1-8], применяются кольца от К7х4х3 из феррита М3000 до К12х6х6 из альсифера. Вспомним, как мы рассчитывали сетевые трансформаторы - по току холостого хода, исходя из не насыщения сердечника. И число витков было офигенно большим, если транс должен быть маленьким. Поэтому маленькие трансы вечно грелись и дымились. Тут всё наоборот - сердечник должен быть настолько малым, чтобы за пару микросекунд он гарантированно вошёл в насыщение... Поэтому и первичная обмотка имеет один, от силы два витка - легче всего транс загнать в насыщение перегрузкой по первичке. Собственно, только так они и входят в насыщение, нагрузка вторички, наоборот, может вывести его из насыщения. В-четвёртых, не будем мудрствовать и попытаемся "на пальцах" объяснить работу ДДРВ. В момент протекания прямого тока он открыт и шунтирует нагрузку Rн. То, что он открыт, ясно - на диоде присутствует прямое смещение. Вспомним работу диодного коммутатора - его все, наверное, делали хотя бы раз в жизни радиолюбителя. Заодно вспомним, что надо сделать, чтобы коммутатор закрылся: надо подать на него запирающее напряжение. Если подавать его на анод, то оно должно быть отрицательным относительно катода. При превышении некоторого напряжения (зависит от схемы включения и метода измерения) диод закроется, т.е. его сопротивление резко увеличится. В принципе, в этой схеме будут работать любые диоды, однако не все закроются так быстро, как нам хочется. Осталось только найти такие, и импульс сформирован.
Вот теперь можно идти дальше. Итак, в момент t1 из-за насыщения сердечника Т прекратился заряд С. Значит, начинается его разряд - ибо это не сферический транс в вакууме и есть нагрузка. Но разрядный ток, естественно, потечет в обратном направлении. Поэтому напряжение на аноде ДДРВ станет отрицательным относительно катода и в момент t2 он закроется. Этот момент показан на нижней схеме как обрыв в цепи катода - т.е. он прекратит шунтировать на землю сопротивление нагрузки. Вся прелесть ДДРВ в том, что сопротивление возрастёт за доли наносекунд. В этот момент на конденсаторе остаётся примерно 60-70% накопленной энергии. Ну, тут просто предположения - из работ выяснилось, что кпд такого формирователя около 50%. Предположим, что остаточное напряжение на конденсаторе, как показатель не совсем растерянной энергии, около 500 В. Вот этот всплеск напряжения (и тока, разумеется), мы и увидим при резком увеличении до 50 Ом сопротивлении нагрузки. Просто перераспределятся падения напряжений на внутреннем сопротивлении конденсатора и на нагрузке.
Когда всё это хоть как-то заработает, тогда можно, подбором числа витков трансформатора, его размеров и типа сердечника добиться того, чтобы выключение ДДРВ произошло именно при максимуме I-. Тогда почти вся запасённая энергия выделится на нагрузке, а не уйдёт обратно в первичку или на нагрев ДДРВ. Теперь можно подумать, когда можно выключить ключ Q. Вообще, его можно закрывать в любой момент, обычно сразу после t1. Тогда он выключается при нулевом токе, что ускоряет процесс закрывания. После формирования импульса и выключения Q сердечник Т размагничивается, так как ток в обмотках равен нулю. Время полного размагничивания определяется свойствами сердечника и обычно составляет несколько мкс. Отсюда имеем максимальную частоту повторения импульсов до 50-100 КГц. И всё же есть в этих рассуждениях об использовании серийных диодов в быстродействующих схемах что-то радиолюбительское... Наберите в Гугле, например, аббревиатуру ДДРВ и Вы увидите всего лишь несколько ссылок. Нет никаких сведений о ДДРВ диодах в Википедии. Немногим лучше обстоит дело с англоязычной аббревиатурой DSRD. Тут можно наткнуться на патент Кардо-Сысоева (в базе патентов США, конечно), работы Прохоренко и других отцов-основателей. Как-то мало для такой важной тематики. Поневоле вспоминаешь книгу Говарда Джонсона "Конструирование высокоскоростных цифровых устройств. Начальный курс черной магии". Так как в реальной схеме всегда присутствуют паразитные индуктивности и емкости (например, индуктивности выводов стока и обмоток трансформатора), то можно вести речь о колебательном процессе с некоей частотой. Появляются различные выбросы и затухающие колебания. Поэтому детали должны быть или безвыводными, или иметь выводы минимальной длины. Монтаж тоже должен отвечать специфическим требованиям - фольга с одной стороны используется как земля, проводники не должны иметь резких поворотов... В общем, прошу панов до черной магии СВЧ устройств.
Есть различные реализации этой схемы. Но одно остаётся неизменным - использование в качестве ДДРВ диодов общего применения. Во время работы над передатчиком нового радара, который я делаю совместно с Краснодарским ООО "ЮГ_МД", были проверены несколько схем формирователей (обострителей) импульса на ДДРВ. В одной схеме были использованы диоды 1N5408 и ДЛ-112-16, в другой использовался набор из 8 диодов MURS360. Если учесть погрешности измерений, то результат экспериментов вполне соответствовал описанным в работах [2-6]. Удалось получить импульсы напряжением до 1000 В и длительностью 3-6 нс. Фото импульсов с экрана осциллографа можно увидеть на этом сайте, в разделе отчета о работе передатчика "НьюГеотрон". Форма тока на эквиваленте нагрузки будет позже, когда соберу соответствующее приспособление.
Теперь можно подумать о том, как подать этот однополярный импульс на антенну. Разумеется, просто так это сделать нельзя - у того же четвертьволнового вибратора (дипольной антенны) имеется два вывода, а тут один выход. Ну, земля ещё © Хотя, просматривая патенты США, мне приходилось видеть принципиальные схемы, где один вывод диполя соединен с выходом передатчика, а второй, не мудрствуя лукаво, "посажен" на землю...
Вот типичный однополярный импульс с выхода формирователя.