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 Wбтрансформатора, конденсатора C и резистора R. Резистор Rбсоздает контур разряда конденсатора, когда транзистор закрыт. Выходной сигнал может быть снят либо непосредственно с коллектора транзистора, либо с дополнительной нагрузочной обмотки Wнтрансформатора; цепь из диода VD1и резистора R1защищает 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)
где m - магнитная проницаемость материала сердечника, являющаяся, в свою очередь, функцией напряженности m = f(H).
Для упрощения рассмотрения в дальнейшем будем считать m=const. Намагничивающий ток im создает магнитный поток, потокосцепление которого с обмоткой коллекторной цепи Wкопределяется из уравнения
Y = Lк·im, (1.63)
где Lк- индуктивность обмотки Wк; im=(iк-iб'-iн') - намагничивающий ток; iб'=nб·iб- ток базовой обмотки Wб, приведенный к первичной обмотке Wк;nб=Wб/Wк; iн'=iн·nн- ток нагрузки обмотки Wн, приведенный к первичной обмотке Wк; nн=Wн/Wк.
Работа схемы. В исходном состоянии транзистор заперт отрицательным напряжением смещения Еб, 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 iки базового тока iб. 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 Екприложено к обмотке Wктрансформатора и ток этой обмотки будет непрерывно увеличиваться (dY/dt=const при Lк=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 Wбв 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 Ек. 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 Rн'=Rн/nн2, Rвх'=Rвх/nб2- 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 -Еб, в цепи базы протекает ток Iб(0) = -Iко. Конденсатор С заряжен до напряжения
Uc(0) = -Eб+ Iко·Rб,(1.64)
Напряжение на всех трех обмотках трансформатора равно нулю, а в сердечнике трансформатора имеется небольшой постоянный магнитный поток, обусловленный намагничивающей силой
F1= Iко·Wк,(1.65)
Запуск и опрокидывание. В момент времени t1(рис.1.32) поступает запускающий импульс eзапположительной полярности, который подается в цепь базы транзистора. Транзистор отпирается, что приводит в действие цепь положительной ОС. Ток коллектора растет, вызывая рост базового тока iб. 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 iб, 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
iк= iб·nб+ iн·nн,(1.67)
Если принять на этапе регенеративного процесса напряжение на коллекторной обмотке равным DUк, 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 t2из-за уменьшения коллекторного напряжения Uки роста базового тока iбтранзистор попадает в режим насыщения, при котором Uк @ 0, U1 @ Ек.
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 Ек, а в обмотках Wби Wниндуцируются ЭДС, равные Uб@nб·Еки Uн@nн·Ек. Токи imи iкнарастают во времени, что видно из диаграммы (рис.1.32). Ток базы также изменяется во времени из-за зарядки конденсатора C :
iб(t) = iб(t2)e -t/t,(1.70)
где
, (1.71)
rвхн¾ входное сопротивление насыщенного транзистора;
t=C·(R+rвхн) ¾ 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:
iк= im+ iб'+ iн', (1.72)
где im-- ток намагничивания, iб'=iб·nб; iн'=Ек·nн2/Rн¾ приведенные к коллекторной обмотке токи базы и нагрузки.
Ток намагничивания imсоздается под воздействием приложенного к коллекторной обмотке Wкнапряжения Еки 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 imзависит от вида кривой намагничивания и числа витков коллекторной обмотки (ее индуктивности L) и обычно близок к линейному закону. Для тока будет действительно уравнение L·dim/dt=Ек, откуда находим
, 
, (1.73)
где tв- 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
iк(t3) = b·iб(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/tв 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 nб=1/3...1/6, тогда b-nб@bи формула (1.77) принимает вид
, (1.78)
Обратное опрокидывание и восстановление исходного состояния. В момент t3выхода 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 Uc(t3)=Uc(t4). Уменьшение тока iкприводит к уменьшению Uб, а значит и тока базы iб. В итоге происходит дальнейшее уменьшение тока iк. Заряд, накопленный в базе, быстро рассасывается. Транзистор запирается, и токи iки iбстановятся равными Iко.
Из временной диаграммы тока базы (рис.1.32) видно, что во время обратного опрокидывания iбимеет обратное направление и значение его во много раз больше Iко. 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 t4начинается 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 Wб- R - Rб- Eб. Процесс восстановления заканчивается в момент времени, когда напряжение на конденсаторе достигнет установившегося значения Uc(0).
Время восстановления можно находить из упрощенного выражения
tвос@ (3...5)·С·(R + Rб),(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 Uсм, минус которого приложен к базе транзистора (рис.1.34,б). Конденсатор разряжается через обмотку Wб, резистор Rби источник смещения Еб. При этом напряжение на базе уменьшается стремясь к уровню:
Uбэ(¥) = Еб+ Iко·Rб @ Еб, (1.80)
В определенный момент времени это напряжение достигает значения Uпор>0, при котором транзистор отпирается. Процесс формирования импульса повторяется. По окончании его конденсатор С снова оказывается заряженным до напряжения Uсм.
Длительность импульса определяется как и в ждущем режиме по выражению (1.78).
Длительность паузы
, (1.81)
где Uсм@ nб·Ек, R=0.
Тогда период автоколебаний T = tв+ tп.
Дата добавления: 2015-12-16; просмотров: 4341;