Блокинг - генераторы

Блокинг-генератор по принципу построения представляет собой однокаскадный транзисторный усилитель с глубокой положительной обратной связью, осуществляемой импульсным трансформатором. Блокинг-генераторы применяют в качестве мощных источников коротких импульсов (длительностью от сотых долей до десятков микросекунд), имеющих большую скважность (больше 10) и высокую крутизну фронтов. На основе блокинг-генераторов часто выполняют формирователи управляющих импульсов в системах цифрового действия, они находят применение в схемах формирования пилообразного тока в устройствах электромагнитной развертки электронного луча по экрану электронно-лучевых приборов. Блокинг-генераторы могут работать в различных режимах: ждущем, автоколебательном, режимах синхронизации и деления частоты.

В качестве сердечника импульсного трансформатора используют ненасыщающиеся сердечники из магнитомягкого материала, т.е. сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса. Наличие трансформатора в схеме блокинг-генератора позволяет осуществить электрическую развязку цепи нагрузки и источника питания, легко обеспечить согласование с нагрузкой обеспечить одновременное получение нескольких импульсов одинаковой или разной полярности и разной амплитуды.

Рис.1.31. Принципиальная (а) и эквивалентная (б) схемы блокинг-генератора

Рассмотрим работу ждущего блокинг-генератора на примере схемы, приведенной на рис.1.31,а. Она выполнена на транзисторе VT, включенном по схеме с общим эммитером, и трансформаторе T. Цепь положительной обратной связи осуществлена с помощью вторичной обмотки W_б трансформатора, конденсатора C и резистора R. Резистор R_б создает контур разряда конденсатора, когда транзистор закрыт. Выходной сигнал может быть снят либо непосредственно с коллектора транзистора, либо с дополнительной нагрузочной обмотки W_н трансформатора; цепь из диода VD₁ и резистора R₁ защищает транзистор от перенапряжений.

Будем считать, что сердечник трансформатора в процессе работы не насыщается. При этом между напряженностью магнитного поля H и индукцией B имеется однозначная связь

B =m·H, (1.62)

гдеm- магнитная проницаемость материала сердечника, являющаяся, в свою очередь, функцией напряженностиm= f(H).

Для упрощения рассмотрения в дальнейшем будем считать m=const. Намагничивающий ток i_mсоздает магнитный поток, потокосцепление которого с обмоткой коллекторной цепи W_к определяется из уравнения

Y = L_к·i_m,(1.63)

где L_к - индуктивность обмотки W_к; i_m=(i_к-i_б'-i_н') - намагничивающий ток; i_б'=n_б·i_б - ток базовой обмотки W_б, приведенный к первичной обмотке W_к;n_б=W_б/W_к; i_н'=i_н·n_н - ток нагрузки обмотки W_н, приведенный к первичной обмотке W_к; n_н=W_н/W_к.

Работа схемы.В исходном состоянии транзистор заперт отрицательным напряжением смещения Е_б, приложенным к цепи база-эмиттер транзистора. Блокинг-генератор находится в состоянии устойчивого равновесия, из которого он может быть выведен подачей в цепь базы транзистора запускающего импульса положительной полярности. При отпирании транзистора начинает действовать положительная обратная связь, т.е. возникает регенеративный процесс лавинообразного роста коллекторного тока i_к и базового тока i_б. В результате этого процесса транзистор входит в режим насыщения. Начинается процесс формирования переднего фронта импульса, по окончании которого формируется вершина импульса.

В этой стадии практически все напряжение питания Е_к приложено к обмотке W_к трансформатора и ток этой обмотки будет непрерывно увеличиваться (dY/dt=const при L_к=const). Следовательно, ток коллектора будет непрерывно нарастать. В то же время ток базы непрерывно уменьшается за счет зарядки конденсатора C через эмиттерный переход транзистора, причем напряжение обмотки W_б в этот промежуток времени можно считать постоянным.

В конечном итоге в результате увеличения тока коллектора и уменьшения тока базы транзистор из режима насыщения выходит в активный режим и действие положительной обратной связи восстанавливается. Возникает регенеративный процесс обратного опрокидывания, в течении которого ток коллектора падает до нуля, а напряжение на коллекторе становится равным Е_к. На этом цикл кончается и блокинг-генератор возвращается в исходное состояние, из которого он может быть выведен только следующим запускающим импульсом.

Таким образом за рабочий цикл блокинг-генератора формируется короткий импульс довольно большой мощности.

Рассмотрим отдельные этапы переходного процесса в блокинг-генераторе. Для этого воспользуемся эквивалентной схемой коллекторной цепи транзистора генератора (рис.1.31,б), где R_н'=R_н/n_н², R_вх'=R_вх/n_б² - сопротивление в базовой цепи транзистора, в схеме не учтены индуктивности рассеяния трансформатора и паразитные емкости. Временные диаграммы, поясняющие работу блокинг-генератора, приведены на рис.1.32.

Исходное состояние.В ждущем режиме в исходном состоянии транзистор заперт отрицательным напряжением -Е_б, в цепи базы протекает ток I_б(0) = -I_ко. Конденсатор С заряжен до напряжения

U_c(0) = -E_б + I_ко·R_б, (1.64)

Напряжение на всех трех обмотках трансформатора равно нулю, а в сердечнике трансформатора имеется небольшой постоянный магнитный поток, обусловленный намагничивающей силой

F₁ = I_ко·W_к, (1.65)

Запуск и опрокидывание.В момент времени t₁ (рис.1.32) поступает запускающий импульс e_зап положительной полярности, который подается в цепь базы транзистора. Транзистор отпирается, что приводит в действие цепь положительной ОС. Ток коллектора растет, вызывая рост базового тока i_б. Так как емкость конденсатора C достаточно велика, напряжение на ней практически не меняется в течении всего процесса регенерации. Можно считать, что ток заряда конденсатора C равен i_б, т.к. сопротивление резистора R много больше входного сопротивления открытого транзистора.

Рис.1.32. Временные диаграммы токов и напряжений блокинг-генератора

Развитие регенеративного процесса отпирания транзистора возможно, если в схеме создаются условия для увеличения тока базы за счет положительной обратной связи. Это означает, что цепь обратной связи должна обеспечить соотношение для токов транзистора, при котором

,(1.66)

где ток коллектора

i_к = i_б·n_б + i_н·n_н, (1.67)

Если принять на этапе регенеративного процесса напряжение на коллекторной обмотке равным DU_к, то

, (1.68)

В результате подстановки выражения (1.67) в (1.66) с учетом (1.68) находим условие, необходимое для развития прямого регенеративного (блокинг) процесса в схеме

, (1.69)

Регенеративный процесс опрокидывания длится до тех пор, пока действует положительная ОС и транзистор находится в активной области. В момент времени t₂ из-за уменьшения коллекторного напряжения U_к и роста базового тока i_б транзистор попадает в режим насыщения, при котором U_к @ 0, U₁ @ Е_к.

Формирование вершины импульса.При работе транзистора в режиме насыщения формируется вершина импульса (интервал времени t₂-t₃). При этом к первичной обмотке трансформатора приложено практически все напряжение Е_к, а в обмотках W_б и W_н индуцируются ЭДС, равные U_б@n_б·Е_к и U_н@n_н·Е_к. Токи i_m и i_к нарастают во времени, что видно из диаграммы (рис.1.32). Ток базы также изменяется во времени из-за зарядки конденсатора C :

 

i_б(t) = i_б(t₂)e ^-t/t, (1.70)

где

,(1.71)

r_вхн - входное сопротивление насыщенного транзистора;

t=C·(R+r_вхн) - постоянная времени зарядной цепи.

В выражении (1.71) не учтено активное сопротивление базовой обмотки трансформатора.

Через коллекторную обмотку и транзистор протекает ток (рис.1.31,б), равный сумме трех составляющих:

i_к = i_m + i_б '+ i_н', (1.72)

где i_m -- ток намагничивания, i_б'=i_б·n_б; i_н'=Е_к·n_н²/R_н - приведенные к коллекторной обмотке токи базы и нагрузки.

Ток намагничивания i_m создается под воздействием приложенного к коллекторной обмотке W_к напряжения Е_к и обусловлен перемещением рабочей точки по кривой намагничивания сердечника трансформатора из точки O' в направлении к точке M (рис.1.22). Характер изменения во времени тока i_m зависит от вида кривой намагничивания и числа витков коллекторной обмотки (ее индуктивности L) и обычно близок к линейному закону. Для тока будет действительно уравнение L·di_m/dt=Е_к, откуда находим

, , (1.73)

где t_в - длительность вершины импульса.

Временные диаграммы изменения составляющих тока коллектора согласно выражения (1.72) показаны на рис.1.33.

Рис.1.33. Временные диаграммы изменения составляющих тока коллектора

С увеличением тока коллектора происходит рассасывание избыточных неосновных носителей заряда, накопленных в базе. С уменьшением тока базы этот заряд также уменьшается. В момент времени t₃, когда выполняется условие

i_к(t₃) = b·i_б(t₃), (1.74)

транзистор выходит из режима насыщения в активную область и формирование вершины импульса заканчивается.

Длительность вершины выходного импульса блокинг-генератора можно найти из условия (1.74), которое с учетом выражений (1.70...1.73) принимает вид

 

 

, (1.75)

Для решения этого уравнения разложим экспоненту e^-t/t в степенной ряд для t/t << 1:

,(1.76)

Ограничиваясь первыми двумя членами ряда (1.76) из (1.75), получаем выражение для длительности вершины импульса

, (1.77)

Обычно n_б=1/3...1/6, тогда b-n_б@b и формула (1.77) принимает вид

, (1.78)

Обратное опрокидывание и восстановление исходного состояния.В момент t₃ выхода транзистора в активную область вступает в действие положительная ОС и возникает регенеративный процесс обратного опрокидывания. При этом в течении процесса регенерации можно считать, что заряд конденсатора С остается постоянным и U_c(t₃)=U_c(t₄). Уменьшение тока i_к приводит к уменьшению U_б, а значит и тока базы i_б. В итоге происходит дальнейшее уменьшение тока i_к. Заряд, накопленный в базе, быстро рассасывается. Транзистор запирается, и токи i_к и i_б становятся равными I_ко.

Из временной диаграммы тока базы (рис.1.32) видно, что во время обратного опрокидывания i_б имеет обратное направление и значение его во много раз больше I_ко. Это обусловлено наличием избыточного заряда в базе насыщенного транзистора, носители которой в момент изменения приложенного напряжения на обратное изменяют ток базы транзистора.

С момента времени t₄ начинается процесс восстановления исходного состояния, который связан с рассеиванием электромагнитной энергии, запасенной в сердечнике трансформатора, и с разрядом конденсатора C. Разряд конденсатора С происходит по цепи W_б - R - R_б - E_б. Процесс восстановления заканчивается в момент времени, когда напряжение на конденсаторе достигнет установившегося значения U_c(0).

Время восстановления можно находить из упрощенного выражения

t_вос @ (3...5)·С·(R + R_б), (1.79)

Для перевода блокинг-генератора в автоколебательный режим на схему подают положительное напряжение смещения (рис.1.34,а).

Рис.1.34. Схема блокинг-генератора в автоколебательном режиме (а), диаграмма изменения напряжения на базе транзистора (б).

Процессы, протекающие в автоколебательном режиме работы блокинг-генератора, аналогичны процессам в ждущем режиме. Начнем рассмотрение этого режима с момента запирания транзистора Т. В этот момент конденсатор С заряжен до некоторого максимального напряжения U_см, минус которого приложен к базе транзистора (рис.1.34,б). Конденсатор разряжается через обмотку W_б, резистор R_б и источник смещения Е_б. При этом напряжение на базе уменьшается стремясь к уровню:

U_бэ(¥) = Е_б + I_ко·R_б @ Е_б, (1.80)

В определенный момент времени это напряжение достигает значения U_пор>0, при котором транзистор отпирается. Процесс формирования импульса повторяется. По окончании его конденсатор С снова оказывается заряженным до напряжения U_см.

Длительность импульса определяется как и в ждущем режиме по выражению (1.78).

Длительность паузы

, (1.81)

где U_см @ n_б·Е_к, R=0.

Тогда период автоколебаний T = t_в + t_п.