Блокинг–генераторы в ждущем режиме

Блокинг–генераторы – это генераторы импульсов в ждущем и автоколебательном режимах, обычно на одном транзисторе с трансформатором в выходной цепи. По признаку трансформатора их называют блокинг–генераторами.

На рисунке 4.31 приведена схема блокинг–генератора на биполярном транзисторе с общим эмиттером, в ждущем режиме.

 

 

Рисунок 4.31 — Схема блокинг–генератора

 

Вначале режим ожидания, транзистор закрыт, тока нет. На выходе 2 напряжение близкое к Е₀. Запускающий импульс положительной полярности, длительность которого не меньшая нескольких средних времен, эквивалентных постоянной времени транзистора, проходит через C_зап, VD_зап, на * коллекторного электрода VT, трансформируется трансформатором на * W2 тоже положительной полярностью, следовательно, на противоположном выводе W2 “–” полярность, которая соответствует прямому открывающему направлению транзистора VT, образуется цепь . Этот ток открывает VT, образуя еще одну цепь: . На W1 создается падение напряжения “+” приложенное к *W1, оно трансформируется в W2 тоже “+” на *, следовательно, в цепи W2 образуется еще один ток за счет трансформации от тока, протекающего через транзистор VT, это ПОС.

Процессы протекают скачком, взрывообразно, транзистор VT открыт. Ток в цепи W1 нарастает по экспоненте потому что это цепь с индуктивностью. Экспоненту описывают выражением: , то есть решением простейшего ДУ первого порядка, где:

1 ;

2 Более точно .

R_пров – сопротивление проволоки, которая составляет обмотку W1.

Эквивалентную схему первичной цепи трансформатора без учета трансформации представляем на рисунке 4.32:

 

Рисунок 4.32 — Эквивалентная схема первичной цепи трансформатора

 

Ее сопротивление ; ,

где r=R_пров или r=R_пров+r_{кэ открVT.}

Примем, что компоненты L, R_пров, r_{кэоткрVT}, E₀, I_max известны. Или известна форма экспоненты, т.е. по этой форме задается длительность импульса, который должен прогенерировать блокинг–генератор. Всегда перед началом разработки процессов, специалист в области электроники должен знать, для каких целей проектируется блокинг–генератор, какими параметрами и переменными он должен обладать. Имея – длительность импульса, можно рассчитывать , задаваясь r, определить L и т.д.

С другой стороны, трансформатор можно представить эквивалентной схемой, рисунка 4.33.

 

Рисунок 4.33 — Эквивалентная схема входной цепи блокинг–генератора

 

На этой схеме показано сопротивление r, индуктивность первичной обмотки L, вторичная обмотка не изображается в соответствии с методами ТОЭ, но к ней подключается r₁ – приведенное сопротивление активной составляющей в цепи вторичной обмотки (r_{прив W2} и R_б) и дополнительно отдельно вводится переход ЭБ VT.

Из эквивалентной схемы видно, что здесь два тока. Первый ток I – это ток нарастающий по экспоненте и второй ток I₁, протекающий по цепи . Видно, что в этой цепи реактивностей нет, следовательно ток нарастает скачком и он равен , все компоненты здесь известны.

Теперь произведем анализ процессов на семействе выходных характеристик (рисунок 4.34). Если преобразовать ток I₁ к виду I^{`</sup><sub>1</sub> через коэффициент трансформации, получить I<sup>`}₁, это будет базовый ток транзистора VT. Отложим его на рисунке 4.34.

 

 

Рисунок 4.34 — Процессы в схеме БГ на семействе выходных характеристик

 

В момент 1 ток экспоненты минимальный, что эквивалентно почти горизонтальному расположению нагрузочной прямой. С течением времени происходит ее вращение по мере нарастания тока с центром вращения в точке E₀. В конце концов, достигается колено базовой характеристики I^{`</sup><sub>1</sub>, этого второго тока I<sub>1</sub>→ I<sup>`}₁=I_б.

Этот ток известен из схемы рисунка 4.33, следовательно, рабочая точка принимает положение 2, транзистор выходит в активную область, он становится управляемым, поэтому, справедливо соотношение I_к=βI_б, так как I_б – величина постоянная (это видно из схемы рисунка 4.33), I_к прекращает нарастание, то I_к–const. В связи с тем, что I_к–const, ток не трансформируется, трансформация прекращается, действует ПОС, процесс протекает скачком, транзистор закрывается, генерируемый импульс заканчивается. На рисунке 4.35 изображена экспонента тока в коллекторной цепи , где

 

Рисунок 4.35 — Экспонента тока в коллекторной цепи БГ

 

Точки 2 на рисунках 4.34 и 4.35 совпадают во времени, хотя на рисунке 4.34 осей времени нет.

В реальных схемах БГ процессы протекают несколько сложнее в сравнении с приведенным описанием. Потому, что цепи описываются уравнениями более высокого порядка, кроме того надо учитывать токи нагрузки.

Чем больше сопротивление в базовой цепи R_б, тем меньше базовый ток, тем ниже соответствующее колено и базовая характеристика, тем короче время вращения начальной прямой, сужается импульс или выше частота, если это автоколебательный режим. То, что изложено, называется первым способом организации процесса окончания генерируемого импульса.

Длительность генерируемого импульса может быть оценена по формуле:

 

где соответствует точке 2 на рисунке 4.35; .

Эта формула не учитывает трансформирующийся вторичный базовый ток. В действительности во вторичных цепях к базовому току добавляются токи нагрузок, которые легко рассчитать по трансформаторной эквивалентной схеме, следовательно, вращение нагрузочной прямой начинается не с нуля, а с вторичного тока, I_нач нужно брать не нулевым, а равным этому току, импульс получается еще более коротким.

Общий вид графиков процесса генерации импульса в схеме БГ ждущего режима изображен на рисунке 4.36.

 

 

Рисунок 4.36 — Генерирование одиночного импульса в схеме БГ

 

В момент 2 вследствие запирания транзистора его ток становится нулевым. Если бы не было цепи , транзистор был бы сожжен ЭДС самоиндукции. Эта цепь защищает ключ, закорачивая ток момента 2 графика экспоненты. Например, ток в 1 А после закрывания VT протекает по цепи Этот ток момента 2 образует на резисторе R падение напряжения. Следовательно, чем больше сопротивление R, тем выше выброс. Общее напряжение на коллекторном электроде:

,

причем напряжение U должно быть меньше в сравнении с U_доп по справочнику для выбранного транзистора.

Зная величину U, E₀, U_VD, ток I_W1, рассчитываем R.

Чем больше сопротивление R, тем короче время установления, время затухания импульса, но больше выброс. Поэтому надо находить оптимальное соотношение между выбросом и временем установления. Физический смысл сокращения времени установления состоит в том, что энергия, запасенная в индуктивности на интервале времени генерирования импульса, быстрее рассеивается на тепло на большем сопротивлении R. Очередной запускающий импульс не раньше времени полного затухания импульса.

В тех случаях, когда в базовых цепях резисторов нет, а трансформатор маломощный, в этой же схеме (рисунок 4.31) используется второй способ организации процесса окончания генерируемого импульса (рисунок 4.37). Причем если установить в базовой цепи потенциометр и увеличивать сопротивление от нуля к максимуму, то можно переходить от второго способа к первому и наоборот в одной и той же схеме.

 

Рисунок 4.37 — Второй способ организации процесса окончания
генерируемого импульса.

 

В коллекторной цепи ток нарастает по экспоненте, но в базовой цепи, ограничений нет, нагрузочная прямая вращается монотонно, рабочая точка находится на линии насыщения, коллекторный ток не ограничивается, но по насыщению магнитопровода магнитная индукция В переходит в колено кривой намагничивая, достигает уровня +Br или –Br (см. рисунок 4.37). Следовательно, индуктивность резко убывает, трансформация почти прекращается, базовый ток скачком убывает, действует ПОС, транзистор закрывается.

Длительность импульса рассчитывается аналогично, но используется кривая намагничивания, из которой известен уровень +Br, от него по графику переходим к напряженности H=I∙W, находим величину тока I_кон. I_нач, I_∞ те же, что и в предыдущем случае.