Блокинг-генератор, принцип работы. Блокинг-генератор представляет собой однокаскадный релаксационный генератор кратковременных импульсов с сильной индуктивной положительной обратной связью, создаваемой импульсным трансформатором. Вырабатываемые блокинг-генератором импульсы имеют большую крутизну фронта и среза и по форме близки к прямоугольным. Длительность импульсов может быть в пределах от нескольких десятков нс до нескольких сотен мкс. Обычно блокинг-генератор работает в режиме большой скважности, т. е. длительность импульсов много меньше периода их повторения. Скважность может быть от нескольких сотен до десятков тысяч. Так же, как и мультивибратор, блокинг-генератор может работать в автоколебательном, ждущем режиме и режиме синхронизации.
Схема блокинг-генератора выглядит вот так:
Как это работает: Блокинг-генератор — это однокаскадный генератор прямоугольных импульсов. После подачи питания транзистор находится в закрытом состоянии. Конденсатор С начинает заряжается через резистор R и первичную обмотку трансформатора.
По мере заряда конденсатора С увеличивается напряжение на базе транзистора T1, что приводит к постепенному открытию транзистора и возрастанию коллекторного тока, в результате транзистор T1 откроется и ток потечет через вторичную обмотку трансформатора Tr1 и открытый транзистор T1:
В момент прохождения тока через вторичную обмотку трансформатора Tr1, в первичной обмотке будет наведена ЭДС и этот ток начнет разряжать конденсатор С1:
По мере разряда конденсатора С1, на базе транзистора Т1 падает открывающее его напряжение и транзистор начинает закрываться. Схема переходит в первоначальное состояние и весь процесс повторяется до бесконечности, до тех пор пока есть питание и/или исправны элементы схемы. Для более устойчивой работы схемы необходимо добавить 2 элемента - диод и резистор. Диод D1 защищает транзистор T1 от обратного напряжения и вывода его из строя самоиндукцией трансформатора Tr1 в момент заряда конденсатора С1. Резистор R2 ограничивает ток базы транзистора Т1 когда конденсатор С1 заряжен.
Чаще всего эту схему используют как повышающий преобразователь или генератор. Генератором эта схема может быть не только тогда, когда нет серьезных требований к форме сигнала, но и к примеру очень часто можно встретить блокинг-генератор, как задающий в импульсном блоке питания. И в том и в другом случае, к трансформатору нужно добавить еще одну обмотку, с которой и будет сниматься напряжение на нагрузку.
Есть схемы, в которых не используется дополнительная обмотка трансформатора для нагрузки, но такие схемы менее устойчивы в работе — устойчивость сильно зависит от величины питающего напряжения, но они тоже отлично работают. Вот один из примеров: Та схема эта интересна тем, что тут не используется конденсатор вообще, а вместо него работает запасенная в трансформаторе энергия. Светодиод тут кроме нагрузки является еще и демпферным диодом.
Схема простого варианта блокинг-генератора:
Поясним работу отдельных компонентов. Начнем с работы самой обычной катушки и конденсатора. На рисунке ниже представлен график изменения тока и напряжения на катушке индуктивности. График изменения тока и напряжения на катушке в схеме блокинг-генератора
На обычную катушку (намотанную медным проводом) подадим напряжение, допустим, 12 вольт. В силу того, что катушка имеет способность препятствовать прохождению тока по ней в начальный момент, получим минимальный ток и максимальное напряжение на этой самой катушке. Постепенно с накоплением магнитного поля вокруг катушки ток, проходящий через катушку, будет увеличиваться, а напряжение на концах катушки будет уменьшаться. Это показано на графике выше. Когда резко убираем ранее подаваемое напряжение питания с катушки, то на концах этой катушки образуется кратковременный всплеск напряжения. Причем полярность измениться на противоположную. Там, где был плюс источника питания на выводе катушки, появится минус, со вторым выводом катушки будет также (где был минус - появится плюс). Длительность этого скачка напряжения самоиндукции катушки довольно мала (какие-то мили и микросекунды), но вот величина этого напряжения может в несколько раз превышать напряжение питания (того, что ранее было подано на катушку). Трансформатор может содержать две и более катушек.
Работа трансформатора в схеме блокинг-генератора Когда на первичную обмотку трансформатора подадим напряжение, замкнув переключа-тель (схема на рисунке выше), то все повторится также, как в описанном случае с обычной катушкой. Причем за счет процесса трансформации на вторичной катушке сначала появится напряжение максимальной величины, которое постепенно снизится до нуля. После размыкания переключателя, что стоит в цепи первичной обмотки трансформатора, накопленное в сердечнике электромагнитное поле создает ЭДС самоиндукции во всех имеющихся обмотках трансформатора. Также полярность будет уже противоположной. Это напряжение также будет уменьшаться. Точки, что нарисованы над обмотками трансформатора, указывают направление обмоток. В нашем случае обмотки на трансформаторе намотаны в одну сторону.
Конденсатор ведет себя в сравнении с катушкой с точностью да наоборот. График изменения тока и напряжения при заряде конденсатора в схеме блокинг-генератора
Т.е., когда на разряженный конденсатор подаем изначально напряжение от источника питания, то вначале будет максимальный ток (протекать через конденсатор) и минимальное напряжение (начиная с нуля). С процессом заряда конденсатора ток в цепи конденсатора будет постепенно уменьшать- ся, а напряжение на обкладках конденсатора будет увеличиваться до значения источника питания. Когда же изменим полярность источника питания, которым заряжаем конденсатор, то сначала будет протекать ток разряда конденсатора, после чего конденсатор уже начнет заряжаться полярностью, что соответствует источнику питания. Поясним теперь работу и самого блокинг-генератора. Чтобы биполярный транзистор открылся, между его базой и эмиттером должно присутствовать напряжение не менее 0,6 вольт. Для транзисторов типа N-P-N на базу должен подаваться плюс, а на эмиттер минус. Итак, мы на схему подали напряжение питания. Изначально транзистор в схема блокинг-генератора закрыт. Следовательно через его силовой переход коллектор-эмиттер ток не течет, также как и через первую обмотку трансформатора. В схеме имеется смещающий резистор R1. Его задача подать на базу транзистора небольшой положительный потенциал от плюса источника питания. Т.е. сделать так, чтобы транзистор был на пороге своего открытия. И именно первоначальный ток начинает протекать через R1.
Начальный ток, проходящий через резистор R,1 начинает постепенно заряжать конденсатор C1 (через вторичную обмотку трансформатора). Как только напряжение на конденсаторе достигнет величины 0,6 вольт, транзистор постепенно начинает открываться. Начинает возникать ток, идущий через первичную обмотку трансформатора и коллекторно-эмиттерный переход транзистора. Тут начинаются индуктивные процессы в самом трансформаторе. С увеличением тока в первичной обмотке на вторичной обмотке индуцируется постоянное напряжение, которое способствует заряду конденсатора C1 (на выводе конденсатора, что ближе к вторичной обмотке будет присутствовать плюс, а на выводе, что ближе к базе транзистора, будет присутствовать минус). От величины емкости конденсатора C1 будет зависеть, сколько по времени будет транзистор VT1 находится в открытом состоянии. Процессы открытия транзистора и накопления электромагнитной энергии на трансформаторе носят лавинообразный характер. Т.е., открытие транзистора VT1 происходят практически мгновенно. Далее время завершения первой стадии (накопления энергии трансформатором) зависит от характеристик самого трансформатора и от величины конденсатора C1. Чем больше размеры сердечника трансформатора и чем больше емкость конденсатора, тем первая стадия будет продолжительней. Следовательно, при этом уменьшается частота работы блокинг-генератора.
После того как конденсатор C1 зарядился, базовый ток начал уменьшаться, что приведет к началу закрытия транзистора VT1. Стоит заметить, что при индуктивных процессах в трансформаторе, что происходили вначале, конденсатор зарядился полярностью, что будет способствовать закрытию транзистора. Т.е., на базу транзистора начал подаваться минус от конденсатора C1, а на эмиттер поступил плюс. При такой полярности транзистор проводимости N-P-N будет еще больше закрыт. Именно это и является причиной быстрого закрытия транзистора. После чего накопленная электромагнитная энергия в сердечнике трансформатора начинает создавать ЭДС самоиндукции на всех выводах своих обмоток. Полярность уже будет противоположная относительно той, которая подавалась на обмотки от источника питания.
Причем напряжение на переходе коллектор-эмиттер закрытого транзистора будет уже складываться из двух напряжений. А именно: напряжение источника питания суммируется с напряжением первичной обмотки. На данной стадии работы схемы полярность первичной обмотки трансформатора будет такова, что на выводе обмотке, что ближе к плюсу источника питания, будет индуцироваться минус, а на выводе, что ближе к коллектору транзистора, будет индуцироваться плюс. Получается, что это как две батареи, соединенные последовательно и дающие суммарное напряжение. Далее, конденсатор C1 (закрывающий своим обратным напряжением транзистор) постепенно разряжается через R1 и цепь источника питания. Когда его заряд дойдет до нуля, то процесс работы данной схемы блокинг-генератора повторится с самого начала. А именно конденсатор C1 уже начнет заряжаться полярностью, которая способствует открытию транзистора, и когда величина напряжения между базой и эмиттером дойдет до значения 0,6 вольт, транзистор снова начнет открываться и все повторится сначала. В итоге при работе этой схемы мы можем получать импульсы с большой скважностью, т.е. импульсы имеющие достаточно малую ширину относительно всего периода.
Импульсы с большой скважностью генерируемые блокинг-генератором Такие и подобные схемы блокинг-генераторов используются повсеместно в простых однотактных импульсных блоках питания. Блокинг-генератор является преобразователем электрической энергии, где одна величина входного напряжения преобразуется в другую, более низкую (если это понижающий источник питания). В таком простейшем виде блокинг-генератор не лучшее решение для импульсного блока питания, поскольку имеет существенную нестабильность в своей работе (по частоте, по температуре, величине выдаваемого напряжения и т.д.). Чтобы сделать эту схему блокинг-генератора более стабильной, в нее еще добавляют дополнительные узлы и электронные компоненты, делающие схему пригодной для практического использования.
Транзистор, на котором собран блокинг-генератор, открывается только на время генерирования импульса, а остальное время закрыт. Поэтому при большой скважности время, в течении которого транзистор открыт, много меньше времени, в течении которого он закрыт. Тепловой режим транзистора зависит от средней мощности, рассеиваемой на коллекторе. Благодаря большой скважности в блокинг-генераторе можно получить очень большую мощность во время импульсов малой и средней мощности. При большой скважности блокинг-генератор работает весьма экономично, так как транзистор потребляет энергию от источника питания только в течении небольшого времени формирования импульса. Так же, как и мультивибратор, блокинг-генератор может работать: в автоколебательном, ждущем режиме режиме синхронизации. Блокинг-генераторы могут быть собраны на транзисторах, включенных по схеме с ОЭ или по схеме с ОБ. Схему с ОЭ применяют чаще, так как она позволяет получить лучшую форму генерируемых импульсов (меньшую длительность фронта), хотя схема с ОБ более стабильна по отношению к изменению параметров транзистора.
Рассмотрим принцип действия блокинг-генератора, построенного по типовой схеме (рис. 1). Рис. 1. Типовая схема блокинг-генератора
1.В начальный момент времени, сразу после включения питания, конденсатор C1 разряжен; 2.Напряжения на обмотках трансформатора нулевые; 3.Нулевым тогда будет и напряжение на базе транзистора Q1, а значит, он будет закрыт (режим отсечки), его базовый и коллекторный токи практически равны 0. Рис. 2. Графики процессов в блокинг-генераторе
Постепенно конденсатор C1 заряжается от источника V через резистор R1, а значит, напряжение на базе транзистора Q1 увеличивается. Но пока что транзистор остаётся в закрытом состоянии и это продолжается до тех пор, пока напряжение на C1 не достигнет определённого порогового значения, при котором транзистор Q1 начнёт открываться, т.е. до величины около 0.5...0.6 В (момент t 1 на графике). После того, как транзистор Q1 начал открываться, появляется небольшое падение напряжения на его коллекторной нагрузке - первичной обмотке L1 трансформатора T1. На вторичной обмотке L2 индуцируется напряжение, пропорциональное напряжению на первичной; оно суммируется с напряжением на C1 и ещё больше увеличивает напряжение на базе Q1. Транзистор продолжает открываться, ток через L1 растёт с большей скоростью, индуцируя большее напряжение на L2, а это увеличивает напряжение на базе и ещё больше открывает транзистор. Описанный процесс развивается лавинообразно, очень быстро завершаясь переходом транзистора в состояние насыщения (транзистор оказывается полностью открыт). На графике (рис. 2) процесс выглядит как мгновенное переключение, хотя на самом деле имеет конечную длительность. Для того чтобы различить детали процесса переключения, потребуется очень сильно растянуть график по оси времени. На рис. 3 изображено примерное поведение напряжения на коллекторе Q1 в процессе переключения транзистора в открытое состояние (график сильно растянут по оси времени по сравнению с основным графиком на рис. 2).
Рис. 3. График напряжения на коллекторе транзистора в блокинг-генераторе в процессе переключения транзистора в открытое состояние Напряжение коллектор-эмиттер открытого транзистора составляет десятые доли вольта, а в первом приближении его можно считать нулевым. Это означает, что напряжение источника V оказывается практически полностью приложено к первичной обмотке трансформатора - индуктивности L1. Так формируется вершина импульса (интервал t 1...t 2 на рис. 2). Если пренебречь последовательно соединёнными с L1 сопротивлениями (такими, как собственное активное сопротивление обмотки, сопротивление ключа-транзистора, внутреннее сопротивление источника питания, вносимое эквивалентное сопротивление как результат наличия нагрузки на вторичных обмотках трансформатора), то ток через индуктивность при открытом транзисторе будет изменяться по линейному закону.
Если за точку отсчёта времени принять момент t 1 переключения транзистора в открытое состояние (т.е. принять, что t 1 = 0 ), то ток через индуктивность i L1 (t)= ( 1 / L1 ) Vt (справедливо, пока транзистор открыт и ток не слишком велик, чтобы можно было пренебречь последовательными с L1 сопротивлениями). Длительностью переключения, происходящего в момент t 1, здесь пренебрегаем ввиду её малости. Итак, при открытом транзисторе Q1, к индуктивности L1 приложено напряжение, практически равное V и ток через индуктивность линейно возрастает со временем. Линейно будет нарастать и магнитный поток, пронизывающий обмотки трансформатора. На вторичной обмотке L2 при этом наводится напряжение, пропорциональное напряжению на первичной, u L2 =V/n, где n - коэффициент трансформации.
За счёт наводимого на L2 напряжения, транзистор Q1 поддерживается в открытом состоянии. С помощью резистора R2 мы ограничиваем базовый ток транзистора так, чтобы он не превышал некоторого разумно выбранного и безопасного для транзистора значения. Резистор может отсутствовать в том случае, если наводимое на L2 напряжение крайне невелико, однако при этом очень возрастает зависимость характеристик генератора от параметров транзистора, которые, в свою очередь, имеют сильную зависимость от температуры и прочих условий работы. Поэтому далее считаем, что для блокинг-генератора выбран такой режим работы, при котором управляющее напряжение, получаемое с обмотки L2, достаточно велико (порядка единиц вольт) и резистор R2 в схеме присутствует. Ток через L1 возрастает не безгранично, ограничивающим фактором является либо выход транзистора Q1 из режима насыщения, либо насыщение магнитопровода трансформатора, смотря, что произойдёт раньше. Результат будет одинаковым, но в обычном режиме работы блокинг-генератора, насыщения сердечника трансформатора избегают, так что стадия роста тока ограничивается первым фактором - выходом транзистора из состояния насыщения. Причём важную роль в этом играет разделительный ( хронирующий ) конденсатор C1.
Ток базы транзистора протекает по цепи R2, L2, C1 (током через R1 на стадии формирования импульса в блокинг-генераторе в первом приближении можно пренебречь). Проходя через конденсатор C1, ток базы заряжает (или перезаряжает) конденсатор: напряжение на нём снижается (и даже может перейти в область отрицательных значений), так как верхняя по схеме обкладка конденсатора подключена к выводу обмотки с отрицательным на данной стадии процесса потенциалом. Напряжение, прикладываемое к участку цепи резистор R2 - база транзистора Q1, равно сумме напряжений на C1 и на L2. Считаем напряжение на L2 неизменным на стадии формирования импульса и равным V / n. Тогда суммарное напряжение, за счёт уменьшения напряжения на конденсаторе, снижается, что приводит к уменьшению базового тока. Коллекторный ток транзистора в это же время продолжает линейно расти, поскольку при насыщенном транзисторе, он определяется практически только свойствами подключённой к коллектору цепи - то есть током через L1. Транзистор остаётся в насыщенном состоянии до тех пор, пока между базовым и коллекторным токами транзистора выполняется соотношение h iQb > i Qc где h - коэффициент усиления транзистора по постоянному току.
Так как базовый ток снижается, а коллекторный - растёт, то наступит момент ( t 2 на графике), когда h iQb = i Qc, в этот момент транзистор переходит в активный режим. В результате начинает увеличиваться напряжение коллектор-эмиттер, а напряжение, приложенное к L1 - уменьшается. Уменьшается и индуцируемое на L2 напряжение, что ещё в большей степени снижает базовый ток транзистора. Развивается лавинообразный процесс, результатом которого становится быстрый переход транзистора в полностью закрытое состояние (режим отсечки). Процесс прерывания тока в коллекторной цепи транзистора Q1 развивается столь быстро, что на L1 индуцируется довольно высокое напряжение, которое в сумме с напряжением источника питания прикладывается к коллектору транзистора и способно привести к пробою и выходу транзистора из строя. Чтобы избежать этого, прибегают к ограничению скорости переходного процесса в индуктивности (на графике переходный процесс может считаться завешённым к моменту t 3 ) или, что то же самое - к ограничению напряжения на индуктивности во время переходного процесса с помощью демпферной цепи. В данном случае демпферной цепью является цепь D1, R3. В реальных устройствах функции демпфера может выполнять полезная нагрузка.
Во время переходного процесса в L1, который сопровождается формированием импульса напряжения на L1, на вторичной обмотке формируется пропорциональный импульс напряжения, который является обратным (запирающим) для транзистора Q1 и гарантированно поддерживает транзистор в закрытом состоянии. Так как транзистор заперт, базовым током можно пренебречь и считать, что этот импульс не влияет на напряжение на хронирующем конденсаторе C1. Переходный процесс в L1 сравнительно быстро завершается и на обмотках трансформатора устанавливаются нулевые напряжения. Напряжение на базе транзистора оказывается равным напряжению на конденсаторе C1, которое пока что ниже порога, при котором транзистор начинает открываться. Транзистор закрыт (его базовый ток практически равен 0 и не влияет на заряд конденсатора C1 ), конденсатор C1 в это время заряжается через резистор R1 от источника V. Это продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигнет порога, при котором транзистор начинает открываться (момент времени t 4 ). После чего процессы в блокинг-генераторе полностью повторяются: лавинообразно открывается транзистор; начинается линейный рост тока в L1 (стадия формирования импульса в блокинг-генераторе) и т.д.
Блокинг-генератор, схемы с общим эмиттером Несмотря на простоту устройства блокинг-генератора, можно предложить немало вариантов схем, функционирующих сходным образом, но имеющих некоторые различия. За базовый вариант примем блокинг-генератор, схема * которого изображена на рис. 1. Рис. 1 * Транзистор в блокинг-генераторе работает в ключевом режиме; переход между открытым и закрытым состоянием происходит очень быстро. Это означает, что в момент, когда транзистор закрывается, за счёт наличия индуктивности L1 в цепи коллектора (через которую протекает некоторый ток), на коллекторе индуцируется высокое напряжение, в некоторых случаях способное вывести транзистор из строя. Поэтому данная схема и последующие рассматриваемые здесь схемы, на самом деле, должны быть дополнены цепью, ограничивающей импульс напряжения, т.е. цепью, поглощающей энергию, накопленную индуктивностью первичной обмотки трансформатора. Такой цепью может быть нагрузка или специальная демпферная цепь. Форма импульсов напряжения на коллекторе транзистора при использовании демпферной цепи в блокинг-генераторе изображена на следующем графике (красным пунктиром на уровне 10 В обозначено напряжение питания данного блокинг-генератора).
Рис. 2 Под интервалом, в течение которого происходит формирование импульса, будем считать интервал времени, когда транзистор полностью открыт, следовательно, напряжение на коллекторе близко к нулю. На интервале между импульсами транзистор закрыт. В момент, сразу после переключения транзистора в закрытое состояние, на графике видим всплеск коллекторного напряжения за счёт переходного процесса в индуктивности - импульс напряжения по амплитуде может в несколько раз превышать напряжение питания. Затем напряжение на коллекторе постепенно спадает до напряжения питания генератора и остаётся на этом уровне до начала следующего импульса. В рассматриваемой схеме транзистор Q1 является активным элементом. Транзистор включён по схеме с общим эмиттером. Трансформатор T1 обеспечивает положительную обратную связь. Первичная обмотка трансформатора включается в цепь коллектора транзистора; вторичная - в базовую цепь. Резистор R2 ограничивает максимальный ток базы транзистора в те моменты, когда на вторичной обмотке присутствует открывающий транзистор импульс напряжения, а также, совместно с конденсатором C1, определяет длительность генерируемых импульсов. Резистор R1 и разделительный конденсатор C1, заряжающийся через этот резистор от источника питания V, определяют интервал повторения импульсов. Так как от ёмкости разделительного конденсатора зависят длительность импульса и период повторения импульсов, то этот конденсатор также иногда называют хронирующим.
L-генератор как вариант блокинг-генератора Хронирующий конденсатор в схеме блокинг-генератора может отсутствовать; для его исключения точки подключения конденсатора соединяют напрямую (формально, это эквивалентно включению конденсатора с бесконечной ёмкостью) или вместо конденсатора устанавливается ограничивающий ток резистор. При этом получается следующая схема: Рис. 6 Блокинг-генератор без хронирующего конденсатора называют также L-генератором. Два ограничивающих ток резистора R2, R3 избыточны в данном случае ( R2 может быть заменён перемычкой). Здесь схема изображена в таком виде, потому что от неё очень просто перейти к более общему случаю - гибридному варианту между обычным блокинг-генератором и L-генератором (рис. 7). Рис. 7
В зависимости от выбора параметров элементов C1, R3 получим либо генератор, по свойствам более близкий к L-генератору (конденсатор малой ёмкости и резистор с небольшим сопротивлением), либо более близкий к обычному блокинг-генератору (при увеличении ёмкости конденсатора и увеличении сопротивления резистора). Конденсатор C1 малой ёмкости в L-генераторе полезен тем, что обеспечивает более стабильную генерацию, увеличивает крутизну фронтов импульсов, снижает влияние нагрузки блокинг-генератора на форму импульсов. Для L-генератора более характерна генерация импульсов с небольшой скважностью (длительность импульсов соизмерима с длительностью интервалов между импульсами). Поэтому L-генератор более подходит, например, для использования в импульсных источниках питания, чем обычный блокинг-генератор. Хорошо известен вариант L-генератора, адаптированный для случая, когда генератор питается очень низким напряжением (например, от одного гальванического элемента, в том числе подвергшегося глубокому разряду). В частности, это наиболее простой способ заставить работать светодиод от одного элемента питания, напряжение которого ниже напряжения зажигания светодиода (рис. 8). Рис. 8 Отличие последней схемы от предыдущей состоит в том, что в связи с крайне низким напряжением питания, второй вывод (по схеме) вторичной обмотки трансформатора подключается не к общему проводу, а к положительному выводу источника питания. Так проще получить нужное начальное смещение на базе транзистора при столь низких напряжениях питания. Светодиод в этой схеме является нагрузкой блокинг-генератора и одновременно выполняет функции демпфера, ограничивая величину импульса напряжения на коллекторе транзистора.
Принцип действия L- генератора Рис. 4. Схема L- генератора После включения питания, за счёт делителя R1, R2, на базе транзистора Q1 создаётся начальное смещение. Оно должно быть достаточным для того, чтобы транзистор перешёл в активный режим работы, т.е. должно составлять не менее 0.5 В. За счёт смещения на базе, транзистор начинает открываться, создавая падение напряжения на своей нагрузке - первичной обмотке L1 трансформатора T1. В результате: на вторичной обмотке L2 индуцируется напряжение, пропорциональное напряжению на первичной обмотке; напряжение на вторичной обмотке увеличивает напряжение на базе транзистора, который за счёт этого открывается ещё больше и т.д. Развивается лавинообразный процесс, результатом которого становится переход транзистора в режим насыщения; напряжение источника питания V практически полностью оказывается приложенным к первичной обмотке трансформатора; на вторичной обмотке индуцируется напряжение V / n, которое удерживает транзистор Q1 в состоянии насыщения.
Рис. 5. Вариант реализации L-генератора
Следующие графики поясняют процессы, происходящие в L-генераторе, схема которого с указанием номиналов элементов приведена на рис. 5. Рис. 6. Верхний график, vc (Q1), зелёная линия - напряжение на коллекторе транзистора; средний график, vb (Q1), синяя линия - напряжение на базе транзистора; нижний график, i(L1), красная линия - ток в индуктивности L1
В отличие от обычного блокинг-генератора, в L-генераторе, в процессе формирования импульса (пока транзистор открыт), базовый ток практически не изменяется (рис. 7). Этот ток определяется сопротивлением резистора R2, индуцированным напряжением на вторичной обмотке V / n и падением напряжения база-эмиттер транзистора Q1. Впрочем, это отличие не является принципиальным, оно лишь упрощает расчёт генератора. Рис. 7. Напряжение на коллекторе транзистора (верхний график) и базовый ток (нижний график) в L-генераторе.
Когда растущий коллекторный ток насыщенного транзистора, который определяется нагрузкой, т.е. током через L1, достигает величины, при которой транзистор переходит из режима насыщения в активный режим, напряжение на коллекторе транзистора начинает расти, соответственно, на L1 оно снижается, следовательно, снижается индуцируемое на L2 напряжение. Это приводит к уменьшению базового тока транзистора. В свою очередь, это вызывает дальнейшее снижение напряжения на коллекторной нагрузке L1 и ещё большее снижение напряжения на вторичной обмотке и базе транзистора. Начинается быстрый процесс перехода транзистора в закрытое состояние. Так завершается стадия формирования импульса. Когда транзистор переключается в закрытое состояние, начинается переходный процесс в индуктивности L1, в ходе которого накопленная в магнитном поле трансформатора энергия рассеивается на нагрузке или демпферной цепи, а ток в L1 при этом постепенно убывает. В это время на L2 индуцируется напряжение противоположной полярности по отношению к напряжению во время стадии формирования импульса; обратное напряжение надёжно удерживает транзистор в закрытом состоянии. Когда переходный процесс в L1 подходит к завершению и обратное напряжение на L2 по абсолютной величине очень сильно снижается, за счёт смещения, создаваемого делителем напряжения R1, R2, транзистор вновь начинает открываться и начинается формирование очередного импульса.
Основное отличие L-генератора от обычного блокинг-генератора состоит в том, что в L-генераторе запуск процесса формирования нового импульса происходит сразу после завершения предыдущего импульса и затухания переходного процесса в индуктивности L1. В случае L-генератора мы теряем возможность свободно управлять длительностью паузы между импульсами, пауза здесь определяется свойствами демпферной цепи или нагрузки. Следует иметь в виду, что в L-генераторе резистор R2 не только ограничивает максимальный ток базы транзистора, не только влияет на длительность импульса, но и наряду с R1 является элементом, задающим начальное смещение на базе транзистора Q1. Резистор должен быть выбран с таким расчётом, чтобы начальное смещение оказалось достаточным для запуска генератора (для вывода транзистора в активную область работы).
Блокинг-генератор, схемы с общей базой Кроме уже рассмотренных схем блокинг-генератора, в которых транзистор включён по схеме с общим эмиттером, возможно построение блокинг-генератора с транзистором, включённым по схеме с общей базой. Рис. 9 В данном случае требуется включение в цепь эмиттера дополнительного источника V2 с небольшим напряжением с противоположной полярностью по отношению к основному источнику V1.
Можно обойтись и без дополнительного источника, если обеспечить соответствующее смещение в цепи базы, как это изображено на следующей схеме. Рис. 10
Блокинг-генератор с конденсатором в цепи эмиттера Существует вариант блокинг-генератора с конденсатором в цепи эмиттера. Это нечто среднее между генератором по схеме с общим эмиттером и общей базой. Такой генератор также может быть с дополнительным источником питания или без него. Вариант без дополнительного источника изображён на следующем рисунке (рис. 11). Рис. 11
Демпферная цепь для блокинг-генератора Для обеспечения безопасной работы транзистора в блокинг-генераторе необходимо защитить его от воздействия импульсов высокого напряжения на коллекторе, индуцируемых первичной обмоткой трансформатора в моменты запирания транзистора. Простейшая и хорошо известная всем защита от "индуктивных выбросов" - с помощью параллельного индуктивности обратно включённого диода. Рис. 12 Когда транзистор открыт, диод смещён в обратном направлении и практически не влияет на работу схемы. Когда транзистор закрывается, ток в индуктивности, который не может измениться скачком, продолжает течь в прежнем направлении и замыкается через диод. Диод ограничивает напряжение на индуктивности крайне небольшой величиной (падение напряжения на открытом диоде). Недостаток схемы - сильное затягивание переходного процесса в индуктивности: сопротивление открытого диода мало, соответственно постоянная времени LR -цепи, образуемой индуктивностью и диодом, велика, Можно объяснить это и иначе: скорость изменения тока через индуктивность пропорциональна напряжению на индуктивности,
Диод, поддерживая низкое по абсолютной величине напряжение на индуктивности, делает скорость изменения тока через индуктивность очень низкой. Рис. 13 Для ускорения переходного процесса используют последовательное включение диода и резистора: увеличивая сопротивление в LR -цепи, уменьшаем её постоянную времени. Правда, напряжение на индуктивности во время переходного процесса уже не близко к нулю, оно равно падению напряжения на резисторе, создаваемому током индуктивности (плюс небольшое падение напряжения на диоде); напряжение максимально в начальный момент переходного процесса, когда максимален ток через индуктивность, Напряжение на коллекторе транзистора, складывающееся из напряжения источника питания и напряжения на индуктивности, не должно превышать предельно допустимого значения для транзистора, учитываем это при выборе R.
Нагрузка тоже может служить демпфером. Например, в случае блокинг-генератора, используемого в качестве основы для импульсного источника питания, нагрузка может подключаться следующим образом. Рис. 17 Нагрузка R равномерно расходует периодически получаемую конденсатором от трансформатора энергию. Здесь используется то, что энергия, накопленная в магнитном поле трансформатора, может быть возвращена в цепь не только через ту обмотку L1, за счёт прохождения тока через которую энергия была накоплена, но и через любую другую обмотку. Например, может быть возвращена через вторичную обмотку, L2. Вторичная обмотка подключена таким образом, что в процессе убывания магнитного поля в трансформаторе, в обмотке индуцируется напряжение, открывающее диод D2, энергия магнитного поля трансформатора расходуется на заряд сглаживающего конденсатора C2.
При этом нужно учитывать, что трансформатор неидеален и обладает некоторой индуктивностью рассеяния (т.е., даже если замкнуть выводы вторичной обмотки накоротко, первичная обмотка всё ещё будет являться некоторой индуктивной нагрузкой для транзистора). Хотя в хорошем трансформаторе индуктивность рассеяния во много раз меньше индуктивности намагничивания обмотки, всё же она может существенно влиять на процессы в цепи, особенно в импульсных схемах. Поэтому следует убедиться, что имеющаяся индуктивность рассеяния (совместно с прочими паразитными индуктивностями) не представляет опасности в процессе работы генератора во всех возможных режимах. В определённых случаях, по-прежнему потребуется какая-либо демпферная цепь в коллекторной цепи транзистора, несмотря на наличие нагрузки.
Защита от перенапряжения может потребоваться не только для коллекторной цепи транзистора, но и для базовой. Максимально допустимое обратное напряжение на базе транзистора (на переходе эмиттер-база) у большинства транзисторов крайне невелико (обычно составляет единицы вольт) и запирающее напряжение, получаемое от вторичной обмотки трансформатора, может превысить это значение. Тогда потребуются меры для ограничения импульса обратного напряжения на базе транзистора (рис. 18), например, можно ограничить напряжение с помощью диода ( D2 ), который будет закрываться во время импульса обратного напряжения; чтобы диод обеспечивал эффективную защиту, он должен обладать высоким быстродействием и малой ёмкостью перехода. Резистор R4 в этой схеме уменьшает напряжение на базе, создаваемое обратным током коллектора; для нормальной работы генератора сопротивление R4 должно многократно превышать сопротивление R1. Рис. 18
