Принцип построения и работы схемы автоколебательного (самовозбуждающегося) блокинг-генератора

Схема блокинг-генератора (рис. 11.61) представляет собой транзисторный ключ на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером (ОЭ), с глубокой положительной обратной связью, осуществляемой импульсным трехобмоточным трансформатором, т.е. с трансформаторной связью. Обмотка Wj включена в цепь коллекторной нагрузки транзистора VT, w₂ — обмотка обратной

Рис. 11.61. Схема автоколебательного (самовозбуждающегося) быстродействующего блокинг-генератора

связи и м>з — выходная обмотка. Коллекторная нагрузка в виде первичной обмотки (Wj) трансформатора обладает минимальным сопротивлением по постоянному току, что обеспечивает максимальный коллекторный ток. Коллекторная Wj и базовая w₂ обмотки включаются так, чтобы обеспечить положительную обратную связь (ПОС). Положительная обратная связь (ПОС) проявляется в том, что при нарастании тока в первичной (коллекторной) обмотке трансформатора за счет коллекторного тока (/_к) транзистора во вторичной (базовой) обмотке наводится ЭДС такой полярности, которая действует как прямое смещение на эмиттерном переходе транзистора, и наоборот, при снижении тока /_к — как обратное смещение. Такая связь реализуется путем соответствующего подключения начала обмоток трансформатора (на рис. 11.61 начала обмоток показаны точками).

Напряжение обратной связи с обмотки w₂ передается во входную цепь транзисторного ключа через емкостную связь (конденсатор С). В схеме транзисторного ключа базовый резистор (R) создает смещение фиксированным током базы через обмотку обратной связи (и>₂). В результате такого соединения в базовой цепи создается RC-цепь, которая является времязамедляющей (интегрирующей) и определяет частоту следования и длительность импульсов.

При включении источника питания (t/_K) напряжение прикладывается к RC-цепи. Согласно закону коммутации (t/_R = U_Ke~^^T)

в первоначальный момент времени (t = 0) все напряжение падает на резисторе (U_R = U_K). Напряжение с базового резистора (R) подается на коллекторный переход транзистора, создавая обратное смещение на коллекторном переходе. Однако отсутствие смещения на эмиттерном переходе приводит к тому, что экстракция в коллекторном переходе отсутствует и транзистор остается в закрытом состоянии. Таким образом, в момент времени t₀ (рис. 11.62) потенциал коллектора равен — U_K, напряжение на конденсаторе равно нулю (Uq = 0), напряжение в нагрузке равно нулю (U_H = 0) и ток /_к = 0.

В интервале времени /₀—(рис. 11.62), приблизительно равном t = 5т (т = 0,7RC), конденсатор зарядится, т.е. все напряжение источника питания выделяется на конденсаторе (U_c= U_K( — полярность на конденсаторе показана без скобок на рис. 11.61).

Рис. 11.62. Временные диаграммы напряжений в схеме автоколебательного (самовозбуждающегося) блокинг-генератора

Напряжение на базовом резисторе R в этот момент равно нулю. Поэтому через базовый резистор на базу транзистора от клеммы источника питания — U_K прикладывается отрицательный потенциал и на эмиттерном переходе создается прямое смещение. В эмиттерном переходе разрушается потенциальный барьер, происходит инжекция и начинает протекать базовый ток по цепи: + t/_K —» УТ_Э__Б —» —» w₂ -> R —> —U_K. На базовом резисторе создается падение напряжение U_R = J_bR, которое через обмотки Wj и м>2 прикладывается к коллекторному переходу транзистора, создавая обратное смещение для экстракции. В результате в эмиттерном переходе происходит инжекция, а в коллекторном переходе — экстракция, в транзисторе протекает коллекторный ток через обмотку w_1? который повышает потенциал коллектора транзистора до +?/_к (на рис. 11.62, а, интервал t_{—t₂). Так как коллекторный ток нарастает, в сердечнике трансформатора наводится нарастающий магнитный поток, который в обмотках трансформатора создает нарастающую ЭДС — в обмотках и>₂ и и>₃ — ЭДС взаимоиндукции, а в обмотке Wj — ЭДС самоиндукции (противоЭДС). ПротивоЭДС в обмотке Wj (полярность указана на рис. 11.61 без скобок) препятствует нарастанию коллекторного тока (на рис. 11.62, г, интервал t_{—t₂). Наведенная ЭДС в обмотке w₂ HOC (мгновенное значение полярности показано без скобок на рис. 11.61) полярности, противоположной его заряду (на рис. 11.61 полярность ЭДС, действующей на конденсатор, показана без скобок), приложена к конденсатору и вызывает его разряд (на рис. 11.62, б, интервал t_{—1₂) через эмиттерный переход транзистора по цепи: +С1 -» УТ_Э__Б -» w₂ -> —С. В результате на эмиттерном переходе транзистора увеличивается прямое смещение и нарастает коллекторный ток, компесируя действие противоЭДС. Этот процесс способствует преодолению противоЭДС в коллекторной (Wj) обмотке и увеличению ЭДС взаимоиндукции в обмотках и>₂ и w₃. Увеличение ЭДС в обмотке ПОС (и>₂) способствует ускорению разряда конденсатора.

В результате в схеме происходит ускоренный процесс открытия транзистора, который сопровождается взаимным увеличением базового и коллекторного токов за счет глубокой положительной обратной связи (ПОС). Нарастание коллекторного тока (на рис. 11.62, г, интервал ty—t₂) происходит по экспоненциальному закону (диаграмма тока вогнутая). Этот процесс называется процессом регенерации, или прямым блокинг-процессом. Одновременно в выходной обмотке трансформатора (и>₃) нарастает выходное напряжение (на рис. 11.62, в, интервал t_{—1₂) приблизительно до напряжения источника питания U_K при коэффициенте трансформации, равном единице. Прямой блокинг-процесс в работе схемы завершается при переходе транзистора в режим насыщения.

В режиме насыщения транзистор не обладает усилительными свойствами, т.е. нарушаются условия самовозбуждение схемы. Ток базы перестает управлять током коллектора, так как коллекторный ток не изменяется (стабильный), и в результате не наводится ЭДС в обмотке w₂, т.е. прекращается действие ПОС. При этом необходимо учесть, что конденсатор полностью разряжен (t₂) и отсутствует прямое смещение на эмиттерном переходе транзистора. Из- за прекращения действия ПОС ток коллектора и наводимая ЭДС в обмотке ПОС уменьшаются. Уменьшение ЭДС в обмотке обратной связи ведет вновь к возрастанию базового тока в цепи + U_K УТ_Э-б -» R -> — U_K. Напряжение с базового резистора (R) и напряжение с обмотки обратной связи (U_QC) перезаряжают конденсатор (полярность конденсатора показана на рис. 11.61 без скобок). Нарастающий базовый ток наводит в обмотке Wj ЭДС взаимоиндукции (полярность ЭДС на рис. 11.61 показана в скобках), благодаря которой транзистор поддерживается в режиме насыщения, так как ЭДС действует согласованно с коллекторным током (/_к).

Протекание базового тока по обмотке ПОС (и>₂) в ней создает противоЭДС, препятствующую нарастанию базового тока. В результате базовый ток нарастает с задержкой, которая определяет время нахождения транзистора в режиме насыщения. Это время очень незначительно, поэтому выходной (U_H) импульс имеет малую длительность (/_и). Это время определяет длительность выходного сигнала (интервал t₂—t₃ на рис. 11.62, в).

В интервале времени /₂—?₃ (см. рис. 11.62) потенциал коллектора и выходное напряжение U_H практически стабильны за счет ЭДС взаимоиндукции в обмотке Wj от протекания нарастающего базового тока. При достижении базовым током режима насыщения в момент времени /₃ прекращается нарастание базового тока, т.е. ток становится стабильным, как и коллекторный ток, что исключает наведение ЭДС в обмотках трансформатора. В результате в цепи обратной связи (обмотка и>₂) на конденсатор не действует напряжение обратной связи U_QC и конденсатор, находясь в замкнутой электрической цепи, начинает разряжаться по двум цепям: 1-я цепь действует как напряжение обратного смещения на эмиттерный переход транзистора: +С -> w₂ -> УТ_Б__Э -» -С, 2-я цепь: +С -» R -> t/_K(r₀) -» -С. При разряде конденсатора на эмиттерном переходе создается обратное смещение, из-за которого прекращается инжекция и закрывается транзистор, а разряд на базовый резистор (R) создает падение напряжение U_R, действующее как обратное смещение на коллекторный переход транзистора. Увеличение обратного смещения на коллекторном переходе при прекращении инжекции в эмиттерном переходе ускоряет рассасывание носителей зарядов из базовой области транзистора и переход транзистра в режим отсечки.

Во время перехода транзистора из режима насыщения в режим отсечки уменьшается коллекторный ток и наводится ЭДС взаимоиндукции (полярность ЭДС на рис. 11.61 показана в скобках) в обмотке ПОС (и>₂) противоположной полярности, что способствует ускоренному разряду конденсатора.

Такой лавинообразный процесс, приводящий к закрытию транзистора, называют обратным блокинг-процессом. Этот блокинг- процесс протекает при взаимном уменьшении токов коллектора и базы и заканчивается запиранием транзистора (интервал /₃—Г₄ на рис. 11.62). Длительность обратного блокинг-процесса определяет время среза заднего фронта импульса на выходе блокинг-генера- тора (рис. 11.62, в).

Процессы, протекающие в схеме после запирания транзистора в момент времени t₄—t₅ (рис. 11.62), связаны с полным разрядом и перезарядом конденсатора и рассеиванием энергии, накопленной в магнитном поле трансформатора, и в дальнейшем повторяются.

При запирании транзистора и уменьшении коллекторного тока (/_к) в коллекторной обмотке (w_t) возникает противоЭДС (U^), препятствующая уменьшению коллекторного тока. Эта противоЭДС (бу может превысить допустимое значение обратного смещения на коллекторном переходе и вывести из строя транзистор (выброс этого напряжения (?/_ц) показан на рис. 11.62, а, штриховой линией).

Для исключения (гашения) противоЭДС параллельно обмотке Wj включают шунтирующее сопротивление R_m, а для исключения протекания коллекторного тока через шунтирующий резистор последовательно включают диод (VD_m). Аналогичную цепочку применяют и в нагрузочной обмотке (VD_H, R_H) для исключения обратного выброса импульса (на рис. 11.62, в, показан штриховой линией).

Кроме рассмотренной схемы автоколебательного блокинг-гене- ратора (рис. 11.61), существуют другие модификации. На рис. 11.63 показана схема, в которой напряжение смещения в схеме транзисторного ключа создается косвенным методом, поле источника питания (U_K) действует на электрические поля эмиттерного и коллекторного переходов, создавая условия для открытия транзистора. При таком методе подачи смещения процессы в переходах при включении источника питания протекают медленно. Однако импульсный трансформатор в цепи ПОС с большой намагничивающей силой позволяет ускорять эти процессы.

Рис. 11.63. Схема автоколебательного (самовозбуждающегося) медленнодействующего блокинг-генератора с косвенным методом подачи смещения

Таким образом, при создавшихся условиях открытия транзистора начинает медленно открываться транзистор и протекать коллекторный ток. Протекающий коллекторный ток за счет трансформаторной ПОС наводит в обмотке w₂ ЭДС взаимоиндукции, которая прикладывается к RC-цепи. В первоначальной момент времени, т.е. при t = 0, напряжение (U_QC) с обмотки ПОС (w₂) полностью падает на резисторе R, что создает непосредственное прямое смещение на эмиттерном переходе и ускоряет инжекцию, т.е. обмотка w₂ в этом случае является источником питания для эмиттерно- базовой цепи. Под действием этого напряжения происходит лавинообразное нарастание коллекторного тока до режима насыщения. Когда транзистор находится в режиме насыщения, ток коллектора перестает нарастать и становится стабильным. В этот момент прекращается наведение ЭДС в обмотках трансформатора, а конденсатор успевает зарядиться (полярность на конденсаторе показана на рис. 11.63).

Поскольку в цепи обратной связи конденсатор оказывается единственным источником напряжения, а цепь замкнута и нет напряжения подзаряда конденсатора (U_QC), конденсатор начинает разряжаться. Конденсатор, разряжаясь через резистор связи (R), создает на нем падение напряжения противоположной полярности (на рис. 11.63 потенциалы показаны в скобках). Напряжение с 368

резистора действует как обратное смещение на эмиттерный переход, формируя задний фронт сигнала и закрывая транзистор. Время закрытого состояния транзистора определяется постоянной цепи ПОС т » 0,7RC.

Остальные процессы работы схемы, аналогичны процессам, рассмотренным в схеме на рис. 11.61 и на диаграммах на рис. 11.62. Из анализа процессов работы автоколебательного самовозбужда- ющегося блокинг-генератора видно, что периодически повторяющиеся процессы в схеме позволяют получать на выходе серию импульсов с одинаковыми параметрами, т.е. периодическую последовательность импульсов. Отсюда можно сделать вывод, что такие схемы являются генераторами импульсов.