Projets:Perso:2014:Générateur d'impulsions à avalanche

Introduction

Un générateur à avalanche produit des impulsions très brèves et à temps de montée extrêmement court. De telles impulsions sont utilisées pour estimer la bande passante des oscilloscopes ou (et c'était là mon but) réaliser des mesures par réflectométrie : l'impulsions générée est envoyée dans un conducteur et elle sera réfléchie par les différents défauts qu'elle y rencontrera. La mesure du temps mis par l'impulsion pour revenir au point de départ permet de mesurer sa vitesse de propagation dans le conducteur et de localiser les défauts (essentiellement des coupures)

Principe

Le principe de fonctionnement est très simple: lorsque la jonction CE d'un transistor bipolaire est soumise à une tension élevée et en l'absence de tout courant dans la base, le transistor commence à conduire. Il se produit alors un effet d'avalanche et le transistor conduit de plus en plus de courant extrêmement rapidement. Plus d'infos par là

La tension nécessaire pour déclencher l'avalanche dépend du transistor. Plusieurs notes d'application de Linear Technology (sous la plume de Jim Williams) (celle-ci par exemple) présentent un même schéma de générateur construit autour d'un 2N2369. Ce transistor a une tension d'avalanche de l'ordre de 70V. On trouve sur internet d'autres schémas autour d'un 2N3904 qui nécessite environ 100V. Ayant trouvé des 2N2369 dans mes tiroirs c'est ce que j'ai utilisé.

Quelques exemples de générateurs à avalanche dont je me suis inspiré: [1] [2] [3]

Haute tension

Un générateur à avalanche c'est petit et simple, le souci c'est de lui fournir la tension nécessaire. Je voulais faire un générateur qui soit facile à transporter donc alimenté par pile. J'ai donc opté pour un convertisseur à découpage de type flyback autour d'un régulateur LT1613 de chez Linear Technology dont j'ai pu obtenir 2 échantillons.

Oui c'est tout petit (le quadrillage fait 5mm)

J'ai récupéré un coeur en ferrite pour bobiner le transformateur, dont j'ai déterminé rapidement les caractéristiques (inductance par spire²) puis j'ai simulé le convertisseur avec LTSpice afin de déterminer le nombre de tours à réaliser aux primaire et secondaire du transformateur. Un rapport de 3/40 donnant de bons résultats en simulation c'est ce que j'ai fait. D'après la simulation encore, la diode au secondaire n'était pas critique.

Le problème c'est que le simulation n'est pas la réalité et que je n'ai jamais pu obtenir mieux que 60V même avec une diode soigneusement sélectionnée et achetée pour l'occasion. Je pense que la différence vient du coeur magnétique du transformateur qui n'était absolument pas modélisé (peut-être un problème de saturation bien que cela soit surprenant)

60V c'est la moitié de ce dont j'ai besoin, qu'à cela ne tienne je vais ajouter un doubleur derrière le flyback:

Si la simulation fonctionne très bien, en réalité je n'ai pas pu obtenir plus de 90V avec ce montage. Mais 90V, ça suffit largement au 2N2369 !

Le générateur d'impulsions

Afin de vérifier que les transistors que j'avais faisaient bien ce que j'en attendais (la littérature glanée sur Internet dit que 20% des 2N2369 ne déclenchent pas d'avalanche sous 90V) j'ai monté les composants bien au large sur la plaque à trous utilisée pour le convertisseur flyback. Ce n'est pas le montage recommandé pour un générateur ultrarapide car c'est plein d'inductances parasites mais c'était bien suffisant pour valider le concept.

Et ça marche !

L'impulsion a une largeur d'environ 40ns et une amplitude d'une dizaine de volts, on est aux limite de mon pauvre oscilloscope vintage des années 60 et de ses 15MHz de bande passante.

Montage final

Afin d'améliorer la qualité des impulsions produites, j'ai réalisé un montage compact sur une prise BNC 50 ohms

Testé sur un oscilloscope (bande passante 1GHz) au boulot, les impulsions montent à 50V en 7ns. Ca fait tout de même un courant crête de 1A !

Reste à faire

J'ai été un peu gourmand en choisissant un concensateur de 47pF, à l'échelle de temps considérée cela constitue une très grosse réserve d'énergie et les impulsions produites sont relativement longues. D'autres schémas utilisent des capacité dix fois moindres. J'ai donc mis une condensateur de 4,7pF mais là je n'ai plus que de microscopiques impulsions. Le comportement du générateur est assez étrange. J'ai mis 10pF et ça n'allait pas mieux, j'ai remis 47pF et ça marche comme avant. Peut-être faut-il augmenter la résistance si on diminue la capacité afin de garder la même constante de temps.

Il reste à mettre un coupleur pour pile (pile bouton je pense) et mettre tout ça dans une jolie boîte pour éviter que le 1,2MHz du convertisseur ne pollue trop.