Блокинг-генераторы

Блокинг-генераторы предназначены для формиро­вания импульсов тока или напряжения прямоугольной формы преи­мущественно малой длительности (от единиц до нескольких сотен микросекунд). Они находят применение в схемах формирования пи­лообразного тока для осуществления развертки электронного луча по экрану электронно-лучевых приборов с электромагнитным управ­лением. На основе блокинг-генераторов часто выполняют формиро­ватели управляющих импульсов в системах цифрового действия.

По принципу построения блокинг-генератор представляет собой однокаскадный транзисторный усилитель с глубокой положительной обратной связью, осуществляемой импульсным трансформатором. Процесс формирования выходного импульса связан с отпиранием транзистора и удержанием его в состоянии насыщения (i_б>i_k/β) цепью положительной обратной связи. Окончание формирования им­пульса сопровождается выходом транзистора из режима насыщения или по входной цепи (т. е. базовой цепи при включении транзистора по схеме ОЭ) вследствие уменьшения тока базы, или по выходной (кол­лекторной) цепи из-за увеличения пика коллектора. Эти два случая определяют соответственно две разновидности блокинг-генераторов: с конденсатором в цепи обратной связи (с времязадающим конденса­тором) и с насыщающимся трансформатором.

В настоящем параграфе рассматривается блокинг-генера­тор с конденсатором в цепи обратной связи, получивший наибольшее применение на практике в однотактном варианте.

Схема блокинг-генератора приведена на рис. 3.15, а. Она выпол­нена на транзисторе ОЭ и трансформаторе Тр. Цепь положительной обратной связи осуществлена с помощью вторичной обмотки w_B транс­форматора с коэффициентом трансформации n_б = ω_k/ω_б , конденса­тора С и резистора R, ограничивающего ток базы. Резистор R_б создает контур разряда конденсатора на этапе закрытого состояния тран­зистора. Выходной сигнал может быть спят либо непосредственно с коллектора транзистора, либо с дополнительной нагрузочной обмот­ки ω_н трансформатора, связанной с коллекторной обмоткой коэффи­циентом трансформации n_н = ω_н/ω_k. В последнем случае амплитуду импульса напряжения можно получить как меньше, так и больше напряжения E_к и обеспечить потенциальное разделение, нагрузки и схемы генератора. Диод Д₁, включаемый при необходимости, исклю­чает прохождение в нагрузку импульса напряжения отрицательной полярности, возникающего при запирании транзистора. Ветвь из дио­да Д.₂ и резистора R₁ выполняет функцию защиты транзистора от пере­напряжений.

Рассмотрим работу схемы в режиме автогенератора (вход­ная цепь с конденсатором С, отсутствует). Временные диа­граммы, поясняющие принцип действия, приведены на рис. 3.15, б — ж.

На интервале t₀ — t₁ тран­зистор закрыт, напряжение на его коллекторе равно — E_к, на­пряжения на обмотках транс­форматора и нагрузке равны нулю (рис. 3.15, б — г). Закры­тое состояние транзистора соз­дается напряжением на конден­саторе С (рис. 3.15, а), под­ключенным через обмотку ω_б к выводам база — эмиттер тран­зистора. Полярность напряже­ния, указанную на рис. 3.15, а, конденсатор приобретает к кон­цу формирования схемой пре­дыдущего импульса.

Закрытое состояние транзис­тора продолжается до момента времени t₁, поскольку на интер­вале t₀ — t₁ происходит переза­ряд конденсатора С по цепи ω_б - С - R - R₆ - (-E_k) и в момент времени t₁, напряжение на конденсаторе становится рав­ным нулю (рис. 3.15, д).

На интервале t₁ — t₂ осу­ществляется отпирание тран­зистора. Этот процесс обуслов­ливается наличием в схеме по­ложительной обратной связи и называется процессом регенерации или прямым блокинг процессом.

Сущность регенеративного процесса отпирания транзистора за­ключается в том, что он сопровождается взаимным увеличением базо­вого и коллекторного токов и протекает следующим образом.

Переход в момент времени t₁ напряжения u_с — и_бэ через нуль приводит к возникновению токов базы и коллектора транзистора. При отпирании транзистора напряжение на его коллекторе умень­шается, что вызывает появление напряжения на коллекторной обмот­ке ω_k трансформатора (рис. 3.15, а). Напряжение на коллекторной обмотке трансформируется в базовую обмотку ω_б с полярностью, соот­ветствующей увеличению базового тока. Рост базового тока, в свою очередь, вызывает увеличение коллекторного тока, снижение напря­жения на коллекторе и дальнейшее повышение напряжения на кол­лекторной и базовой обмотках. Процесс завершается переходом тран­зистора в момент времени t₂ в режим насыщения.

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

Ток коллектора транзистора равен сумме приведенных к коллекторной обмотке трансформатора токов базы и нагрузки:

Интервал t₁ — t₂ определяет длительность переднего фронта фор­мируемого импульса. Время в блокинг-геиераторах составляет доли микросекунды.

На интервале формирования вершины импульса t_в транзистор открыт, напряжение ΔU_кэ на нем мало. К коллекторной обмотке при­кладывается напряжение, близкое к E_к, а к базовой и нагрузочной обмоткам — соответственно напряжения, близкие к E_к/n_б и E_k/n_H (рис. 3.15, в, г).

Для интервала t_в действительна схема замещения блокннг-генера- тора, приведенная на рис. 3.16, а. Транзистор на схеме изображен в

виде ключа Т, а трансформатор — в виде схемы замещения без учета паразитных параметров (индуктивностей рассеяния, паразитных ем­костей и активных сопротивлений обмоток).

Через коллекторную обмотку и транзистор протекает ток i_н (рис. 3.16, а), равный сумме трех составляющих: приведенных к кол­лекторной обмотке тока нагрузки i'_н =i_н/n_H = E_к/(n² _н R_H) и тока ба­зы i'_б= i_б/n_б, а также тока намагничивания i_μ.

Ток н а м а г н и ч и в а н и я i_μ (см. рис. 3.15, е) является балластной составляющей в коллекторном токе транзистора. Он со­здается под воздействием приложенного к коллектор­ной обмотке напряжения E_k и обусловлен перемещением рабочей точки по кривой на­магничивания сердечника трансформатора из точки 1 в направлении к точке 2 (рис. 3.16, б). Характер изменения во времени тока i_μ зависит от вида кривой намагничивания и числа витков коллекторной обмотки (ее индуктивности L_k). Выбором соответствую­щей величины индуктивности коллекторной обмотки макси­мальное значение тока I_μmах ограничивают на уровне (0,05/ 0,1) i'_н.Участок пере­мещения рабочей точки по петле намагничивания при этом получается достаточно малым и близким к прямой, в связи с чем характер измене­ния тока i_μ во времени бли­зок к линейному. Для тока i_μ будет действительно уравнение

откуда находим

Ток базы i₆ (см. рис. 3.15, с) обеспечивает на интервале t_в режим насыщения транзистора. Он обусловливается процессом заряда конденсатора С через входную цепь открытого транзистора и резистор R под действием напряжения на базовой обмотке трансфор­матора. При этом ток i₆ убывает по экспоненциальному закону. При­веденная составляющая i'_б в токе коллектора также относительно мала и уменьшается во времени.

Зависимые во времени токи i_μ и i_б создают вначале некоторое убывание тока i_k а затем его нарастание (см. рис. 3.15, ж). Вследствие относительно малых составляющих i'_б и i_μ ток i_k на этапе t_в определяется преимущественно током i'_н, т. е. i_k≈ i'_н=Е_к/(n_н²R_н)=Е_к/R'_н

Если принять t_ф ≤t_в то ток базы на интервале t_в будет изменять­ся по закону

где τ = C(R+r_вх) — постоянная времени цепи базы; r_вх — вход­ное сопротивление транзистора в открытом состоянии.

Длительность t_в характеризует состояние схемы, при котором создаваемый по цепи обратной связи ток базы (ток заряда конденсатора) обеспечивает режим насыщения транзистора, т. е. i_б>i_k/β Однако по мере заряда конденсатора (см. рис. 3.15, д, е) гок базы уменьшается, вследствие чего уменьшается степень насы­щения транзистора. В момент времени t₃ ток базы убывает до значе­ния i_б= i_k/β, что соответствует выходу транзистора из режима на­сыщения. Следующий вслед за этим процесс запирания транзистора определяет момент окончания формирования блокинг-генератором импульса напряжения длительностью t_в (см. рис. 3.15, г).

Время t_в можно найти, положив в формуле (3.49) i_б= E_k/ (β R'_н)

Переход транзистора в закрытое состояние происходит за счет по­ложительной обратной связи также лавинообразной называется об­ратным б л о к и н г - п р о ц е с с о м. Его начало обусловли­вает повышение напряжения на коллекторной и базовой обмотках трансформатора. Обратный Злокинг-процесс протекает при взаимном уменьшении токов коллектора и базы и заканчивается запиранием транзистора. Его длительность определяет время среза t_с формируе­мого импульса. Время t_с мало отличается от t_ф. Закрытое состояние транзистора после момента времени t₄ поддерживается напряжением на конденсаторе, полярность которого указана на рис. 3.15, а.

Процессы, протекающие в схеме после запирания транзистора в момент времени t₄, связаны с разрядом конденсатора и рассеянием энергии, накопленной в магнитном поле, трансформатора.

Разряд конденсатора С происходит по цепи ω_б — R — R_б — (—Е_к) (см. рис. 3.15, а). Вследствие разряда напряжение на конден­саторе изменяется, как показано на рис. 3.15, д.

На интервале t_в трансформатор накапливает энергию [виду под­ключения его коллекторной обмотки ω_k к источнику питания и про­текания через нее тока намагничивания i_μ. При запирании транзи­стора коллекторная обметка трансформатора отключается от источ­ника питания. На ней индуцируется напряжение, препятствующее уменьшению тока i_μ. Напряжение самоиндукции возникает также на базовой и нагрузочной обмотках. Полярности напряжений пока­заны на схеме замещения блокинг-геиератора, приведенной на рис. 3.16, в.

Нагрузочная обмотка трансформатора отключена от сопротивле­ния R_н диодом Д₁. Сопротивление цепи R_б — R — С — (—Е_к) ве­лико ввиду относительно большого значения R_б (десятки килоом). Относительно напряжения на коллекторной обмотке диод Д₂ вклю­чен в прямом направлении. В связи с этим можно считать, что ток i_μ при запирании транзистора переводится из цепи коллектора в цепь диода Д₂ и резистора R₁. Энергия, накопленная в магнитном поле трансформатора от протекания тока i_μ на этапе t_в, рассеивается в активном сопротивлении R₁. Магнитное состояние сердечника транс­форматора изменяется от точки 2 к точке 1 (см. рис. 3.16, б). В цепи с R₁ происходит уменьшение тока i_μ до нуля (см. рис. 3.15, е) с по­стоянной времени L_k/R₁. Ток i_μ в конце интервала t_в (см. рис. 3.15, е) и сопротивление R₁ определяют амплитуду выброса напряжения на коллекторной обмотке трансформатора при запирании транзистора: U_выбр ⁼ I_μmaxR₁. Величину сопротивления R₁ выбирают, исходя

из необходимости защиты транзистора от пробоя его коллекторного перехода в момент выброса: U_kmax = E_k +I_μmах R₁ < U_kдоп (см. рис. 3.15, б). В отсутствие сопротивления R₁, рассеяние энергии, накопленной в магнитном поле коллекторной обмотки, осуществля­лось бы в приведенных к коллекторной обмотке сопротивлениях ба­зовой цепи и сопротивлении изоляции коллекторной обмотки. При этом амплитуда выброса коллекторного напряжения U_выбр могла бы превысить допустимое значение.

Транзистор в схеме блокинг-генератора, работающего в авто­генераторном режиме, открывается, когда напряжение на его базе, определяемое напряжением на конденсаторе, достигает нулевого зна­чения. Это определяет длительность паузы t_п и частоту следования выходных импульсов блокинг-генератора. Интервал t_п характери­зуется процессом разряда конденсатора по цепи ω_б — R — R₆ — (—Е_к) (см. рис. 3.15, а). Конденсатор при этом стремится перезаря­диться от начального напряжения U_{c max} до —Е_к (см. рис. 3.15, д). Приняв U_{c max} = Е_к/n_б и пренебрегая тепловым током I_к0 транзи­стора, находим:

При работе блокинг-генератора в режиме синхрониза­ции в базовую цепь транзистора через конденсатор C₁ подают вход­ные импульсы напряжения отрицательной полярности (рис. 3.17, а). Собственную частоту следования импульсов блокинг-генератора вы­бирают несколько меньшей частоты следования входных импульсов, т. е. T> Т_вх. Синхронизирующие импульсы осуществляют отпира­ние. транзистора раньше момента естественного спадания до нуля напряжения на его базе (конденсаторе), в результате чего частота импульсов блокинг-генератора равна частоте следования импуль­сов синхронизации. Если период собственных колебаний много боль­ше периода повторения синхронизирующих импульсов: Т» Т_вх, то блокинг-генератор работает в режиме деления часто­ты {рис. 3.17, б), при котором Т_вых=nТ_вх.

Для блокинг-генератора возможен и ждущий режим работы. В этом случае на базу транзистора по­дается начальное дополнительное на­пряжение смещения, в результате чего транзистор остается закрытым до по­дачи входного импульса и_вх. Запуск блокинг-генератора осуществляют входными импульсами напряжения отрицательной полярности. При этом резистор R_б под­ключают на напряжение дополнительного источника положительной полярности.