Генератор импульсов по схеме Маркса на основе биполярных транзисторов в лавинном режиме

Объектом исследования является генератор по схеме Маркса на основе биполярных транзисторов в лавинном режиме.
Цель работы: Анализ существующих генераторов Аркадьева-Маркса на лавинных транзисторах; проектирование и макетирование силовой и управляющей схем ГИН на лавинных транзисторах; изучение параметров ГИН.
В процессе работы были проведены расчет и моделирование генератора Маркса. Изготовлен драйвер управления силовым ключом с гальванической развязкой. Изготовлены на печатных платах и исследованы пяти- и десятиступенчатые генераторы Маркса.

Введение ………………………………………………………………………………………………….. 10

1 Обзор и анализ литературных данных о генераторах на лавинных
транзисторах ……………………………………………………………………………………………. 12

1.1 Генератор высоковольтных импульсов по схеме Маркса …………………….. 12

1.2 Биполярный транзистор в лавинном режиме ……………………………………….. 14

1.3 Схемы и конструкции генераторов на биполярных транзисторах в
лавинном режиме …………………………………………………………………………………….. 16

2 Расчет и имитационное моделирование генератора………………………………… 30

2.1 Выбор силовых ключей и расчет электрических компонентов …………….. 30

2.2 Имитационное моделирование генератора ………………………………………….. 32

3 Макетирование и экспериментальное исследование генератора……………… 37

3.1 Драйвер управления генератором ……………………………………………………….. 37

3.2 Тестирование лавинного режима ………………………………………………………… 42

3.3 Макетирование пятиступенчатого генератора ……………………………………… 43

3.4 Макетирование десятиступенчатого генератора ………………………………….. 47

4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение … 54

4.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения……………………………………………. 55

4.2 SWOT – анализ …………………………………………………………………………………… 57

4.3 Планирование научно-исследовательской работы. ………………………………. 60

4.4 Бюджет научного исследования ………………………………………………………….. 63

4.5 Анализ и оценка научно-технического уровня исследования ………………. 70

4.6 Определение ресурсноэффективности исследования …………………………… 71

5 Социальная ответственность …………………………………………………………………. 76
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности. …….. 77

5.2 Производственная безопасность………………………………………………………….. 79

5.3 Экологическая безопасность ……………………………………………………………….. 91

5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях. ……………………………………………. 93

Заключение ……………………………………………………………………………………………… 95

Список использованных источников ………………………………………………………… 98

Приложение A ……………………………………………………………………………………….. 102

В выпускной квалификационной работе был произведен анализ схем и
параметров генераторов Маркса на лавинных транзисторах, а также
продемонстрированы типовые решения таких генераторов. Такие генераторы
обладают сравнительно небольшой амплитудой напряжения на нагрузке, чем
классические генераторы Маркса на разрядниках, но способны работать в
частотном режиме, с частотой следования импульса вплоть до 100 кГц, что
несомненно является главным достоинством.
Были выбраны биполярные транзисторы серии 2N5551 из-за
существующей зависимости напряжения лавинного пробоя от сопротивления
база-эмиттер. Произведенный расчет позволил выбрать номиналы
электрических компонентов. Полученные данные были применены в пакете
программ MatLab Simulink.
Имитационное моделирование показало, что все транзисторы
открываются и энергия, накопленная в конденсаторах, передается в нагрузку,
на которой, в свою очередь, оказывается импульс напряжения, кратно
превышающий зарядное напряжение. Ключевым недостатком этой модели
является отсутствие лавинного пробоя, так как это невозможно реализовать,
как в этой среде, так и в аналогичных программных обеспечениях.
Моделирование позволило выяснить, что значительного прироста к
величине импульса на нагрузке не наблюдается, как при увеличении
сопротивления нагрузки от 200 Ом, так и при увеличении количества ступеней
генератора до n = 15.
Спроектирован и изготовлен драйвер управления с гальванической
развязкой, способный работать в широком диапазоне частоты следования
импульса (f = 1 кГц ÷ 5 кГц). Длительность фронта управления 90 нс, и
амплитуда напряжения 8 В.
Был исследован макет ГИН на лавинных транзисторах, с количеством
ступеней n = 5. Получены зависимости амплитуды напряжения Uа(Rн) и
длительности фронта tф(Rн) от нагрузки, и произведен анализ влияния типа
конденсаторов на эти параметры. С керамическими конденсаторами
достигается более острый фронт и бо́льшая амплитуда. Найдена оптимальная
величина сопротивления нагрузки Rн = 200 Ом, при которой амплитуда
напряжения Uа = -1400 В и длительности фронта tф = 10 нс.
Также в ходе работы был изготовлен и исследован десятиступенчатый
генератор. Было отмечено влияние температуры элементов, в частности
транзисторов, на амплитуду напряжения. Зависимости амплитуды
напряжения Uа(Rн) и длительности фронта tф(Rн) от нагрузки показали, что и в
этом случае нагрузка 200 Ом оказалось оптимальной для данного генератора,
были достигнуты амплитуда напряжения на нагрузке Uа = -2 кВ и
длительность фронта tф = 5 нс.
При уменьшении сопротивления нагрузки транзисторы начинают
выходить из строя. Когда сопротивление нагрузки опускается до 100 Ом
происходит неполное закрытие транзисторов, через ступень начинает
протекать ток. При сопротивлении 50 Ом транзисторы полностью приходят в
негодность.
С увеличением сопротивления нагрузки вплоть до холостого хода
увеличивается длительность фронта и уменьшается амплитуда напряжения.
Меньшее сопротивление и режим короткого замыкания выведут транзисторы
из строя, вследствие чего можно предположить, что данный генератор не
предназначен для работы на разрядный промежуток.
Главным ограничением такого генератора является относительно малая
величина амплитуды напряжения на выходе генератора, которая
ограничивается номинальным напряжением транзистора. Амплитуды
напряжения у ближайшего конкурента – генератора на звеньях сжатия с
твердотельными коммутаторами (тиристоры, IGBT транзисторы) составляют
десятки киловольт.
Достоинством такого генератора является его крайне острый фронт
(5 нс) и частота следования импульсов, которая свыше одного килогерца, и
которая теоретически может быть повышена до десятков килогерц.
Немаловажную роль играет и цена электрических элементов, в частности
транзисторов серии 2N5551, стоимость которых не превышает пары рублей за
штуку, в отличие от транзисторов серии FMMT417, стоимость которых выше
на три порядка, и которые часто используют в зарубежных работах.
Бурное развитие полупроводниковой промышленности приводит к
созданию более совершенных транзисторов, способных работать при бо́льших
напряжениях, мощностях, температурах и граничных частотах. Таким
образом, генераторы импульсов напряжения на основе таких транзисторов
расширят область своего применения.

1. Shangbang Luo, Pengju Tang, Chao Li, “A circuit design of UWB GPR
transient source based on avalanche transistor,” Applications and Student
Innovation (iWEM), vol. A247, pp. 1-2, 2012.
2. Yunqiang Yang, Fathy, A. “Design and Implementation of a Low-Cost
Real-Time Ultra-Wide Band See-Through-Wall Imaging Radar System,”
Microwave Symposium, 2007. IEEE/MTT-S International, pp. 1467-1470,
2007.
3. Sanders, J.M. Kuthi, A. Vernier, P.T. Yu-Hsuan Wu, “Scalable, compact,
nanosecond pulse generator with a high repetition rate for biomedical
applications requiring intense electric fields,” Pulsed Power Conference,
2009. PPC ’09. IEEE pp. 1418-1421, 2009.
4. Chien-Sheng Liu, Cheng-Hsien Lin, Chia-Hsu Chen, Po-Heng Lin, “Novel
colored pulse laser photography for high speed imaging,” Nano/Molecular
Medicine and Engineering (NANOMED), 2009 IEEE International
Conference on, pp. 133-137, 2007.
5. Goyal, V. Dhaliwal, B.S. “Optimal Pulse Generation for the improvement
of ultra wideband system performance,” Engineering and Computational
Sciences (RAECS), 2014 Recent Advances in, pp. 1-6, 2014.
6. Sethian, J.D. Myers, M. Giuliani, J.L., Jr. Hegeler, F. Friedman, “Electra:
A Repetitively Pulsed, Electron Beam Pumped KrF Laser to Develop the
Technologies for Fusion Energy,” Pulsed Power Conference, 2005 IEEE,
pp. 8-15, 2005.
7. Redondo, L. M., & Pereira, M. T. (2015). 25 kV bipolar solid-state Marx
generator for industrial food applications. 2015 IEEE Pulsed Power
Conference (PPC). doi:10.1109/ppc.2015.7297020
8. Пичугина М.Т. Высоковольтная электротехника. – Томск: Изд-во
ТПУ, 2011. – 136с.
9. FPGA-Controlled All-Solid-State Nanosecond Pulse Generator for
Biological Applications Chenguo Yao, Member, IEEE, Ximing Zhang, Fei
Guo, Shoulong Dong, Yan Mi, and Caixin Sun. IEEE TRANSACTIONS
ON PLASMA SCIENCE, VOL. 40, NO. 10, OCTOBER 2012
10.Theoretical Analysis and Experimental Study on an Avalanche Transistor-
Based Marx Generator Jiangtao Li, Member, IEEE, Xu Zhong, Jianhao Li,
Zheng Liang, Wenzhong Chen, Zheng Li, and Tao Li. IEEE
TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 43, NO. 10,
OCTOBER 2015
11.Zhiyuan Huang, Qi Fu, Peizhe Chen, Hongchun Yang, & Xiaolin Yang.
(2014). High power pulse generator based on avalanche transistor Marx
circuit. 2014 IEEE International Conference on Communiction Problem-
Solving. doi:10.1109/iccps.2014.7062282
12.Xuelin, Y., Zhenjie, D., Qingsong, H., Jianguo, Y., Bo, Z., & Long, H.
(2010). High-repetition and -stability all-solid state pulsers based on
avalanche transistor Marx circuit. 2010 International Conference on
MicrowaveandMillimeterWaveTechnology.
doi:10.1109/icmmt.2010.5525248
13.Yi-Long Guo, Ning-Ning Yan, Shen-Hui Guo, & Gang Zeng. (2013). 500
ps/1 kV pulse generator based on avalanche transistor Marx circuit. 2013
International Workshop on Microwave and Millimeter Wave Circuits and
System Technology. doi:10.1109/mmwcst.2013.6814636
14.Inokuchi, M., Akiyama, M., Sakugawa, T., Akiyama, H., & Ueno, T.
(2009). Development of Miniature Marx Generator using BJT. 2009 IEEE
Pulsed Power Conference. doi:10.1109/ppc.2009.5386197
15.Huiskamp, T., Borrias, T., & Pemen, A. J. M. (2016). 15-Stage compact
Marx generator using 2N5551 avalanche transistors. 2016 IEEE
International Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC).
doi:10.1109/ipmhvc.2016.8012841
16.Б.Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному. – М.:
Солон-Пресс, 2005. – 416 с.: ил.
17.Б.Ю. Семенов. Силовая электроника: профессиональные решения. –
М.: Солон-ПРЕСС, 2011. – 416 с.: ил. (Серия «Компоненты и
технологии»)
18.A Subnanosecond Jitter Trigger Generator Utilizing Trigatron Switch and
Avalanche Transistor Circuit. Weidong Ding, Member, IEEE, Yanan
Wang, Chuan Fan, Yang Gou, Zhong Xu, and Lanjun Yang. IEEE
TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 43, NO. 4, APRIL
2015
19.J. Mankowski and M. Kristiansen “A Review of Short Pulse Generator
Technology,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 28, no. 1, pp. 102–108, Feb.
2000.
20. Texas Instruments Incorporated. [Электронный ресурс]. –URL:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/na555.pdf(Датаобращения:
19.12.2018)
21.Сайт для радиолюбителей. Расчет импульсного трансформатора
двухтактногопреобразователя.[Электронныйресурс].–URL:
http://rcl-radio.ru/?p=35540 (Дата обращения: 15.18.2018).
22.ГОСТ 16541-76 Сердечники кольцевые из магнитомягких ферритов.
Основные размеры
23.Герман-Галкин С.Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных
систем на ПК. – СПб:КОРОНА-Век, 2008. – 368 с.
24.Чучалин А.И. Математическое моделирование в электромеханике.
Учебное пособие для студентов заочной формы обучения. – Томск:
Изд. ТПУ, 2001. – 100 с.
25.М. Линник, «Простые Конструкции На Транзисторе В Лавинном
Режиме», Радио №2. – М.: ДОСААФ СССР, 1982. – 86 с.
26.Гаврикова Н.А., Тухватулина Л.Р., Видяев И.Г., Серикова Г.Н.,
Шаповалова Н.В.. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение. –Томск: Изд-во ТПУ, 2014. – 73 с.
27.ГОСТ12.1.005-88ССБТ.Общиесанитарно-гигиенические
требования к воздуху рабочей зоны.
28.СанПиН 2.2.4.548-96.Гигиенические требования к микроклимату
производственных помещений.
29.СНиП 23-05-95 (СП 52.13330.2011). Свод правил. Естественное и
искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-
95.
30.ГОСТ 12.1.003 – 2014. ССБТ. Шум. Общие требования безопасности.
31.СанПиН2.2.2/2.4.1340-03«Гигиеническиетребованияк
персональным электронно-вычислительным машинам и организации
работы»
32.ГОСТ 12.1.007 – 76. ССБТ. Вредные вещества. Классификация и
общие требования к безопасности.
33.ГОСТ 12.1.033 – 81. ССБТ. Пожарная безопасность. Термины и
определения.
34.НПБ 105-03. Определение категорий помещений, зданий и наружных
установок по взрывопожарной и пожарной опасности.
35.СНиП 2.01.02-85* Противопожарные нормы.
36.ГОСТР12.1.019-2009.ССБТ.Электробезопасность.Общие
требования и номенклатура видов защиты.
37.ГОСТ12.1.030-81.ССБТ.Электробезопасность.Защитное
заземление.