Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji

ghost666 11 Cze 2013 16:35 21000 20
  • Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji
    Zawodowo zajmuje się fizyką, ostatnio rozpocząłem batalię z pomiarami elektroluminescencji pewnych materiałów. O ile statyczna część pomiarów nie jest problematyczna o tyle pomiary czasoworozdzielcze są trudniejsze. W przypadku statycznym, gdy chcemy zmierzyć widmo czy po prostu intensywność np. w funkcji przyłożonego napięcia sprawa jest dosyć prosta - przykładamy napięcie z zasilacza laboratoryjnego i zajmujemy się pomiarami po stronie optycznej. W przypadku gdy chcemy wykonać pomiar czasoworozdzielczy, to znaczy sprawdzać jak nasz materiał (dalej zwany po prostu próbką) zachowuje się dynamicznie, musimy modulować nasze zasilanie.

    W większości metod najlepiej mieć źródło możliwie krótkich impulsów - jak krótkich? tak żeby były znacznie szybsze od tego cokolwiek robi nasza próbka. W przypadku fotoluminescencji sprawa jest prosta - kupuje się laser pikosekundowy, który potrafi generować impulsy o długości trwania ~100 ps, co pozwala dosyć dobrze mierzyć zaniki fluorescencji rzędu kilku..kilkunastu nanosekund. Niestety nie jesteśmy wyposażeni w podobne urządzenia generujące krótkie impulsy napięcia, co spowodowało że spotkałem się z koniecznością zaprojektowania i wykonania takiego układu.

    Przed rozpoczęciem projektowania trzeba nakreślić sobie wymagania. W tym przypadku w dwóch 'przestrzeniach' - czasu i napięcia/prądu. Jeśli chodzi o napięcie i prąd do oszacowania tych parametrów posłużyłem się krzywą I/V DC:

    Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji


    Jak widać parametry maksymalne: napięcie 35 V i prąd 250 mA jest dostateczny. Niestety nie wykonywałem pomiarów AC... tzn wykonywałem, ale 3 kHz to nie jest dostatecznie wysoka częstość żeby cokolwiek estymować dla częstotliwości dużo większych. Właśnie, teraz czas... ciężko jest to ocenić, nie znając zupełnie zachowania dynamicznego próbki. W związku z tym założyłem że im szybciej tym lepiej, przypatrzmy się zatem jak szybki impuls jestem w stanie elektrycznie wygenerować nie używając do tego wielkiej magii (co jest właśnie trzecim założeniem projektu - żadnej magii tylko, relatywnie, podstawowa elektronika analogowa). Spójrzmy na podstawowy schemat generatora impulsów:

    Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji




    Rysunek zapożyczony z Karty katalogowej AN-98, strona 8.


    Po przeczytaniu karty katalogowej doszedłem do wniosku że wygenerowanie impulsu 1 ns nie jest wielkim problemem. Z wykorzystaniem powyższych układów osiągamy czasy narastania 520 ps (czyli 1 ns razem jak nic). Szerokość impulsu da się bez problemu tutaj regulować potencjometrem montażowym w układzie, więc po zastosowaniu odpowiednio dużego potencjometru można osiągnąć regulację od 'zera' do kilkudziesięciu nanosekund. W układzie użyłem 4700 Ω. Minimalna długość impulsu wejściowego do tego generatora to 30 ns czyli około 30 MHz przebiegu prostokątnego o wypełnieniu 50%.

    Jednakże co jest na końcu układu - bramka AND. Co wychodzi z bramki? impuls 5 V o prądzie pomijalnie małym (kilka mA?). Zatem trzeba dobrać do układu driver wyjściowy. Początkowo rozważałem zastosowanie rozwiązania dyskretnego, ale nie znalazłem prostego układu, a równolegle łączenie kilku..kilkudziesięciu tranzystorów o odpowiednio szerokim pasmie (kilka GHz) wydawało mi się dalekie od optimum. Wybór padł na tani driver mocy IXDD604 firmy Ixys. Tani czyli kosztujący 30kilka złotych. Spełnia parametry elektryczne? spełnia... napięcie wyjściowe od 4,5 V do 35 V pozwala mi regulować je w szerokim zakresie, prąd wyjściowy 4 A satysfakcjonuje zapotrzebowanie próbki na prąd w pełni, a dodatkowo jako że jest tak duży pozwoli mi przeładować wszystkie pojemności 'po drodze' - kabel, uchwyty próbki, kontakty etc. Zakładam, dla uproszczenia, że ich nie ma, ale z tyłu głowy mam informacje że są i same się nie naładują ;). Czasowo wygląda to gorzej - nie wiem jakie dokładnie są czasy narastania i opadania impulsu w funkcji obciążenia (tak prądu jak i pojemności), ale karta katalgowa obiecuje 30 ns dla niespecjalnie korzystnych warunków. W projekcie wykorzystałem podstawową aplikację układu IXDD604 z karty katalogowej. I to konkluduje projekt, schemat układu wygląda tak:

    Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji


    Następnym krokiem było zaprojektowanie PCB. Znowu - bez żadnych czarów. W dodatku dla uproszczenia na jednej warstwie, żeby wykonać to na kolanie od ręki, a nie w zakładzie na za dwa tygodnie. Tutaj od razu podziękuje koledze Bartoszowi K. za pomoc w termotransferze i trawieniu - mam immanentną niezdolność do przenoszenia druku na laminat i nie przetrawianiu płytki. Projekt płytki był prosty i nie ma co się na nim rozwodzić. Udało mi się wszystko upchnąć w SMD (oprócz drivera, ale to nic) z tylko jedną zworką, w dodatku - na szczęście - w zasilaniu. Projekt wygląda tak:

    Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji


    A gotowa, polutowana płytka w obudowie tak (wystający kawałek skrętki wlutowany został na wejście drivera mocy żeby monitorować kształt impulsu przed nim) :

    Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji


    Teraz tylko konieczne jest sprawdzenie czy działa ;). W tym celu zestawiłem sobie na szybko stanowisko pomiarowe złożone z oscyloskopu, stabilizowanego zasilacza regulowanego oraz generatora przestrajanego. Całość wygląda tak:

    Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji


    Na wyjście wpinam opornik 100 Ω, jedna para sond na opornik, druga para na wejście drivera mocy. Układ stroiłem tak aby osiągnął możliwie dobre parametry przy tym obciążeniu. W ten sposób udało mi się wygenerować impuls o FWHM około 30 ns, oscylogram poniżej:

    Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji


    Więcej wykresów pokazywać nie będę, ale działa - wierzcie mi. Generator impulsów działa stabilnie dla częstotliwości wejściowej od 10 kHz do 1 MHz i w pełnym zakresie napięć zasilających. Niestety dla powyższych ustawień napięcie wyjściowe nie do końca zgadza się z napięciem zasilającym - dla niewielkich napięć się zgadza, a dla większych na wyjściu jest wyższe niż wychodzące z zasilacza... czemu? nie wiem, ale gdzieś musi być jakaś indukcyjność po drodze...

    Mimo wszystko wydaje mi się że projekt zakończył się sukcesem i układ robi to co miał. Teraz walczymy z częścią optyczną układu, niestety szybka detekcja impulsów przy tej długości światła z którą pracujemy (podczerwień) nie należy do najprostszych.

    Z góry dziękuję za komentarze! Więcej detali bolesnego procesu projektowego znajduje się na moim blogu.


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz pendrive 32GB.
  • #2 11 Cze 2013 19:47
    Mariano5
    Poziom 11  

    Tak patrzę na ten schemat i się zastanawiam czy to jest dobre rozwiązanie.
    Skoro mowa o szybkości przebiegu to wypadało by dociążyć prądowo wyjścia wzmacniaczy + kompensacja odchyłek dodatkowym wzmacniaczem zasilanym z odrębnego źródła o wyższej wartości napięcia komplementarnego. (takie założenia, trzeba troszkę poeksperymentować, ale nie wiem.. próbuj.)

  • #3 11 Cze 2013 20:18
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Dociążyć wyjścia komparatorów próbowałem - bez wpływu na pracę drivera - nie te czasy. Raz że wszystkie układy na wyjściu mają push-pulla, więc raczej dociążanie nic nie pomoże (a nawet pogorszy sytuację) a dwa że te układy pracują z szpilką do 1 ns, a driver poniżej 30 ns wariuje, jak widać tutaj:

    Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji

    A o kompensację jakich odchyłek Ci chodzi? Amplitudy wyjściowej?

  • #4 11 Cze 2013 20:32
    Mariano5
    Poziom 11  

    Ale czy musi być driver wyjściowy? Przecież taki układ posiada swoją logikę wprowadzającą dodatkowe opóźnienia...
    Co do kompensacji to po prostu jedziemy na sztywno... Kończy się impuls, wzmacniamy jego wartość względem wyjścia, i negujemy na maksa w miarę maksymalnych dopuszczalnych obciążeń tranzystorów wykonawczych.
    Jako ciekawostkę możesz zastosować system kompensacji sond przyłączeniowych..

  • #5 11 Cze 2013 20:50
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Mariano5 napisał:
    Ale czy musi być driver wyjściowy? przecież taki układ posiada swoją logikę wprowadzającą dodatkowe opóźnienia...
    Co do kompensacji to po prostu jedziemy na sztywno... Kończy się impuls, wzmacniamy jego wartość względem wyjścia, i negujemy na maksa w miarę maksymalnych dopuszczalnych obciążeń tranzystorów wykonawczych.
    Jako ciekawostkę możesz zastosować system kompensacji sąd przyłączeniowych..


    Driver wyjściowy to kompromis między parametrami a prostotą układu. Opóźnienia mnie wcale nie bolą, nie interesuje mnie specjalnie ile po zboczu triggera dostanę szpilkę, tym bardziej że i komparatory i bramka wprowadzają swoje (na szczęście deterministyczne przy stałych warunkach otoczenia) opóźnienie. Oczyiście, zamiast drivera można wsadzić dyskretne rozwiązanie - czekam na propozycję :). No chyba że sugerujesz podać wyjście z ANDa na próbkę... to wtedy będę wdzięczny za sugestię układów które są w stanie pracować z założonymi parametrami.

    Co do kompensacji to nadal nie rozumiem :(

  • #6 11 Cze 2013 21:24
    Mariano5
    Poziom 11  

    Zamiast drivera spróbuj wstawić dwa komplementarne tranzystory bipolarne wysokiej częstotliwości przystosowane do pracy impulsowej. Zrób to tak, aby popłynął odpowiedni prąd wyrównawczy w tej parze, co z kolei zapewni Ci odpowiednią dynamikę...
    Co do harmonicznych występujących po właściwym impulsie, to można kombinować z filtrami RLC, ale tu już Ci nie pomogę, ponieważ jestem tylko zwykłym elektrykiem.

  • #7 11 Cze 2013 23:23
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Mariano5 napisał:
    Zamiast drivera spróbuj wstawić dwa komplementarne tranzystory bipolarne wysokiej częstotliwości przystosowane do pracy impulsowej. Zrób to tak, aby popłynął odpowiedni prąd wyrównawczy w tej parze, co z kolei zapewni Ci odpowiednią dynamikę...
    Co do harmonicznych występujących po właściwym impulsie, to można kombinować z filtrami RLC, ale tu już Ci nie pomogę, ponieważ jestem tylko zwykłym elektrykiem.


    I tutaj pojawia się problem - potrzebne są tranzystory pracujące z częstotliwościami co najmniej kilku GHz i jednocześnie prądem Ice rzędu 300 mA i jednocześnie Uce rzędu 35 V. Spełnienie tych wszystkich parametrów jest dosyć trudne naraz, dlatego też przychyliłem się do rozwiązania scalonego które załatwia wszystko od razu. Jeśli zaproponujesz taką parę chętnie wykonam test i porównam ich pracę...

  • #8 12 Cze 2013 00:38
    Fimek
    Poziom 12  

    Cześć,

    Komparatory nie są potrzebne, można użyć bramek serii AC, będzie taniej.
    Banalnie proste rozwiązanie to generator z tranzystorem lawinowym i linią długą. Uzyskasz niemalże idealnie prostokątny przebieg napięcia o sporej amplitudzie. Zajawka np. tutaj:

    http://www.eevblog.com/forum/projects/transmi...pulse-generator/?action=dlattach;attach=37968

    Da się uzyskać efekty znacznie lepsze od tych z artykułu, tylko trzeba dobrać odpowiedni tranzystor i elementy kompensujące. Jeżeli trochę zmodyfikujesz układ, to będziesz mieć możliwość regulacji czasu trwania impulsu od kilku do kilkudziesięciu nanosekund.
    Ten lepszy wariant jest świetnie wyjaśniony w książce pana Misiaszka: "Elementy i układy techniki pikosekundowej".
    Jeżeli będziesz zainteresowany (bądź ktokolwiek inny), podeślę więcej info.

    Pozdro,
    Fimek

  • #9 12 Cze 2013 06:08
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Fimek napisał:
    Cześć,

    Komparatory nie są potrzebne, można użyć bramek serii AC, będzie taniej.
    Banalnie proste rozwiązanie to generator z tranzystorem lawinowym i linią długą. Uzyskasz niemalże idealnie prostokątny przebieg napięcia o sporej amplitudzie. Zajawka np. tutaj:

    http://www.eevblog.com/forum/projects/transmi...pulse-generator/?action=dlattach;attach=37968

    Da się uzyskać efekty znacznie lepsze od tych z artykułu, tylko trzeba dobrać odpowiedni tranzystor i elementy kompensujące. Jeżeli trochę zmodyfikujesz układ, to będziesz mieć możliwość regulacji czasu trwania impulsu od kilku do kilkudziesięciu nanosekund.
    Ten lepszy wariant jest świetnie wyjaśniony w książce pana Misiaszka: "Elementy i układy techniki pikosekundowej".
    Jeżeli będziesz zainteresowany (bądź ktokolwiek inny), podeślę więcej info.

    Pozdro,
    Fimek


    Tylko jak obciążalnością prądową takiego układu z przebiciem lawinowym? To był mocno limitujący mnie czynnik. Wygenerowanie piku o szerokości 2 ns na układzie z komparatorami, pokazanym wyżej, jest w 100% możliwe (robiłem takie próby), ale to na nic bo driver wyjściowy nie wyrabia (stanowczo). A obciążalność prądowa jest tutaj niezmiernie istotna.

    Tak czy inaczej, będę zobowiązany za podesłanie informacji :)

  • #10 12 Cze 2013 18:12
    Mariano5
    Poziom 11  

    Jeżeli nie zależy Ci na dużej częstotliwości powtarzalności pomiędzy impulsami, to ciekaw jestem jak by się sytuacja przedstawiała przy użyciu kondensatora, którego ładunek był by wprost proporcjonalny do ilości energii niezbędnej w celu osiągnięcia impulsu elektrycznego o wymaganych parametrach.

  • #11 12 Cze 2013 18:46
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Mariano5 napisał:
    Jeżeli nie zależy Ci na dużej częstotliwości powtarzalności pomiędzy impulsami, to ciekaw jestem jak by się sytuacja przedstawiała przy użyciu kondensatora, którego ładunek był by wprost proporcjonalny do ilości energii niezbędnej w celu osiągnięcia impulsu elektrycznego o wymaganych parametrach.


    Super, tylko że kondensator trzeba by czymś kluczować, prawda? I tutaj znowu zaczynają się schody ;).

  • #12 12 Cze 2013 19:04
    Mariano5
    Poziom 11  

    ghost666 napisał:
    Super, tylko że kondensator trzeba by czymś kluczować, prawda? I tutaj znowu zaczynają się schody

    No w takim przypadku powinny wystarczyć tranzystory o niższej częstotliwości, ale za to mocniejsze, no chyba że ten generator musi pracować ciągle z częstotliwością kilku GHz.
    Jeśli mowa o pojedynczych impulsach z odpowiednim czasem przerwy po między lawinami, to uważam że można poeksperymentować. (rozsądna tranzystorowa para + super szybkie diody + driver napięciowy)
    Możesz kombinować, bo ja nie mam takich możliwości.

  • #13 12 Cze 2013 19:05
    Fimek
    Poziom 12  

    Cześć,

    Służę zatem informacją :) Najprostszy generator przedstawiony jest tutaj:

    Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji Generator krótkich impulsów mocy do pomiarów elektroluminescencji

    Układ daje skok o amplitudzie około 9 V na 50 Ohmach. Będzie dawał impuls o wyższym napięciu, jeżeli usunie się z emitera tranzystora rezystory. Mimo, że układ emituje spory prąd (tutaj może być około 25 V na 50 Ohmach), to nie ma problemu z degradacją tranzystora, czy przeciążeniem. Ten "układ" jest kopią projektu z poniższego artykułu:
    http://www.holmea.demon.co.uk/Avalanche/Avalanche.htm

    A teraz coś fajniejszego:
    http://www.researchgate.net/publication/33939...riable_pulsewidth_using_avalanche_transistors

    Teraz nie mam czasu na dłuższe wyjaśnienia. Napiszę tylko, że zrobiłem coś opartego na tym układzie i działa świetnie.

    Jeżeli potrzebny będzie jeszcze większy skok napięcia, możesz użyć innych tranzystorów o wyższym napięciu przebicia i (jak napisałem wyżej) pobawić się obciążeniem w emiterze.

    Pozdro,
    Fimek

  • #14 12 Cze 2013 19:15
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Fimek, bardzo fajne! spróbuję pokombinować jeszcze w ten sposób, jednakże układ jest troszkę bardziej 'magiczny' niż mój i gorzej z płynną regulacją amplitudy impulsów. Powiedz mi jeszcze - jak z obciażalnością wyjścia? terminujesz je 50 omów czy piszesz tutaj tylko o impedencji?

  • #15 12 Cze 2013 21:13
    hajy
    Poziom 19  

    Witam

    Tak czytałem sobie ten watek i wpadłem na pomysł nie wiem czy sensowny, ale go przedstawiam.
    Można próbkę podłączyć miedzy dwa drivery i sterować te drivery przesuniętymi impulsami, teoretycznie można w ten sposób uzyskać bardzo krótkie czasy, problemem może być czas propagacji drivera który pewnie nie jest stały w zależności od temperatury itp.

    Pozdrawiam Romek

  • #16 12 Cze 2013 21:54
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    hajy napisał:
    Witam

    Tak czytałem sobie ten watek i wpadłem na pomysł nie wiem czy sensowny, ale go przedstawiam.
    Można próbkę podłączyć miedzy dwa drivery i sterować te drivery przesuniętymi impulsami, teoretycznie można w ten sposób uzyskać bardzo krótkie czasy, problemem może być czas propagacji drivera który pewnie nie jest stały w zależności od temperatury itp.

    Pozdrawiam Romek


    To że nie jest stały w funkcji temperatury, napięcia prądu etc to pikuś. Rozrzut produkcyjny powoduje że jest różny w zależności od układu, co już bardziej komplikuje sprawę ;).

  • #17 13 Cze 2013 10:10
    Fimek
    Poziom 12  

    Cześć,

    Stan wysoki na wyjściu można sobie wyobrazić jako zwarcie ze sobą linii długiej w kolektorze z obciążeniem w emiterze przez tranzystor (10...20 Ohm). Czyli, jeżeli użyje się tranzystora o napięciu przebicia rzędu 100 V, to na obciążeniu uzyska się prąd: 100 V / (rezystancja_linii + rezystancja_tranzystora + rezystancja_obciążenia) czyli impuls może mieć 40 V / 8 A. Pierwszy generator, ten, na którym eksperymentowałem, jest astabilny i sam generuje. Z kolei, ten z linku na dole posta, jest zewnętrznie wyzwalany.
    Podstawowa wada generatora z tranzystorem lawinowym to w zasadzie brak możliwości regulacji amplitudy. Ale... :) jest na przykład taki układ, z tyrystorowo połączonymi tranzystorami w.cz. którego można poszukiwać pod nazwą "Kapustinsky's light source":
    http://nrl.northumbria.ac.uk/3826/1/veledar.omar_phd.pdf
    Tutaj nie ma problemu z regulacją amplitudy. Trochę trzebaby poeksperymentować z tym układem, i go przeprojektować (żeby była regulacja długości impulsu) ale da się.

    Pozdro,
    Fimek

  • #18 17 Cze 2013 15:32
    L0bo
    Poziom 26  

    A może LH 0026 ?
    Chodzi do 10 MHz i dobrze regeneruje sygnał zegarowy.

    Czas narastania i opadania zbocza około 10 ns.

  • #19 17 Cze 2013 15:54
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    L0bo napisał:
    A może LH 0026 ?
    Chodzi do 10 MHz i dobrze regeneruje sygnał zegarowy.

    Czas narastania i opadania zbocza około 10 ns.


    Nie mogę znaleźć karty katalogowej tego układu. Możesz coś więcej napisać?

  • #20 17 Cze 2013 18:46
    L0bo
    Poziom 26  

    Podeślę jak go znajdę.
    Pozostałość z dawnych lat.

    Reszta na PW.

  • #21 17 Cze 2013 18:51
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Aha, to tylko napisz jakie maks napięcie i prąd na wyjściu :).