5.4 Блокинг-генераторы

Блокинг-генератор (БГ) предназначен для формирования мощных импульсов с длительностью от долей микросекунды до долей миллисекунды и скважностью, изменяющейся в пределах от единиц до нескольких тысяч или даже десятков тысяч. Практически такая скважность не может быть получена ни от одного другого автогенератора импульсов. Генерируемые импульсы близки по форме к прямоугольным и имеют высокую крутизну фронтов. При использовании дополнительной выходной повышающей обмотки импульсного трансформатора (ИТ) амплитуда выходных импульсов может во много раз повышать напряжение источника питания. Блокинг-генератор может работать в режимах автоколебательном, ждущем и синхронизации.

Блокинг-генератор выполняется как однокаскадный ключ, замкнутый с помощью ИТ в кольцевую схему с сильной положительной обратной связью. Особенностью этой ПОС является то, что она замыкается через магнитное поле ИТ и действует только при изменениях этого поля.

Транзистор может включаться в схемуБГ по любой из трех схем. В качестве сердечника ИТ, являющегося важнейшим элементом БГ, используют ненасыщающиеся сердечники из магнитомягкого материала преимущественно с непрямоугольной петлей гистерезиса. Рассмотрим работу автоколебательного БГ на примере наиболее применяющейся схемы с ОЭ (рис. 5.4.1-а). В цепь коллектора транзистора включена обмотка W_К ИТ, в цепь базы - обмотка W_Б обратной связи между коллектором и базой транзистора, а в цепь нагрузки - повышающая обмотка W_Н Коллекторная и базовая обмотки ИТ включены встречно, что обеспечивает положительную обратную связь. К базе транзистора подключена времязадающая цепь RС, которая определяет частоту следования импульсов.

Условия самовозбуждения БГ, как и любого генератора, могут быть записаны в общем виде

К/n ≥ 1, (5.36)

где n = W_Б/W_К - коэффициент трансформации импульсного трансформатора; φ_К - угол сдвига фазы, создаваемый ключом; φ_n - угол сдвига фазы, создаваемый ИТ; К - коэффициент усиления ключа.

С учетом коэффициента усиления трансформатора, условием баланса амплитуд, выраженным через элементы схемы, является

β ≥ n[1+(R’_вх/R’_н)],

где R’_н = R_н /n² и R’_вх = R_вх/n² - сопротивления нагрузки и входное сопротивление ключа, приведенные к коллекторной обмотке W_к.

Рассмотрим работуБГ с момента начала перезаряда конденсатора С (рис. 5.4.1-б). На этом этапе транзистор VT закрыт, а конденсатор С, заряженный в предыдущем цикле до максимального напряжения и_С = U_Cmax, медленно перезаряжается по цепи: общая шина - обмотка W_Б - С - R -(-Е_К). Полярность напряжения на конденсаторе показана на рис. 5.4.1-а. Согласно эквивалентной схеме цепи перезарядки (рис. 5.4.2, а)

R_экв = Rr_K /(R+r_K),

где r_K - сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода закрытого транзистора.

Для уменьшения температурной нестабильности схемы выбирают R << r_K. Тогда R_эк ≈ R. В эквивалентной схеме отсутствует базовая обмотка W_Б, так как э.д.с. самоиндукции и₂, возникающая в базовой обмотке, при протекании медленно изменяющегося тока перезаряда практически равна нулю, и, следовательно, влиянием базовой обмотки на этом этапе можно пренебречь. Напряжение на базе и_Б = и_С положительно, и транзистор VT удерживается в закрытом состоянии. Конденсатор С стремится перезарядиться до напряжения –Е_К. К этому же значению стремится и_Б. Однако в момент времени, когда и_Б достигает нулевого уровня, транзистор отпирается, и перезаряд конденсатора прекращается. Во время перезаряда конденсатора напряжение на коллекторе транзистора равно - Е_К, и в этот период формируется пауза между генерируемыми импульсами. Длительность паузы

где U_Сmах = nE_K(1 – ) ≈ nЕ_K - максимальное значение напряжения на конденсаторе С.

Для обеспечения температурной стабилизации паузы необходимо, чтобы R << Е_К/10 I_{К0 mах}. В момент отпирания транзистора начинает изменяться коллекторный ток и в действие вступает ПОС, обусловленная изменением магнитного поля ИТ из-за изменения тока коллектора. Для простоты будем считать, что сердечник ИТ в процессе работы не насыщается. При этом между напряженностью магнитного поля Н и индукцией В имеется однозначная связь В = μН Далее примем μ = const.

Приращение коллекторного тока вызывает э.д.с. самоиндукции в коллекторной обмотке W_K, за счет чего в базовой обмотке W_Б наводится э.д.с. и₂ отрицательной полярности относительно базы. В результате токи базы и коллектора еще более возрастут и т. д. Этот процесс носит лавинообразный характер и заканчивается насыщением транзистора. В ходе этого процесса формируется передний фронт импульса, длительность которого

Оптимальная величина коэффициента трансформации n₀, при которой t_Ф имеет минимальную величину – n₀ = Вэтом случав сопротивление нагрузки равно входному сопротивлению (R'_н = R'_вх), условие (5.36) максимально, скорость регенеративного процесса наибольшая, а длительность фронта t_Ф ≈ 6n₀τ_α. На практике n₀ выбирают в пределах от 0,1 до 0,8.

После окончания формирования фронта начинается формирование вершины импульса. На этом этапе транзистор работает в режиме насыщения и к коллекторной обмотке W_K трансформатора полностью подключено постоянное напряжение источника питания. Как изложено в п. 1.3, ток намагничивания i_μ ИТ при этом возрастает по линейному закону, обеспечивая на базовой обмотке W_Б постоянное напряжение U₂ Под действием этого напряжения протекает базовый ток i_Б > I_Бн, который одновременно заряжает конденсатор С. Цепь заряда: корпус - эмиттерный переход VT - С - обмотка W_Б- корпус. Ввиду малого сопротивления эмиттерного перехода насыщенного транзистора VТ, напряжение на конденсаторе повышается достаточно быстро и достигает значения U_Cmax ≈ nЕ_K. Одновременно с этим по мере заряда конденсатора базовый ток уменьшается. С другой стороны, по мере роста i_μ ток коллектора насыщения увеличивается, что приводит к увеличению необходимого для поддержания транзистора в насыщенном состоянии тока фазы насыщения и началу насыщения сердечника ИТ. В конечном итоге эти процессы приводят к тому, что транзистор в некоторый момент времени переходит из режима насыщения в активный. В этот момент и завершается формирование вершины импульса.

В момент перехода транзистора в активный режим восстанавливается действие положительной обратной связи и возникает регенеративный процесс обратного опрокидывания, аналогичный процессу формирования фронта. Этот процесс обусловливает быстрое рассасывание объемного заряда в базе через переход коллектор - база (так как напряжение u_Б весьма быстро становится положительным) и транзистор закрывается. Так как процессы при формировании среза импульса аналогичны процессам при формировании фронта импульса, то длительность среза t_С имеет приблизительно то же значение, что и длительность фронта t_Ф.

Следует заметить, что за время обратного опрокидывания ток намагничивания i_μ ИТ практически не успевает существенно измениться и к моменту запирания транзистора сохраняет соответственно то максимальное значение i_μmax, которого он достиг во время формирования вершины импульса. Таким образом, в магнитном поле ИТ оказывается запасенной определенная энергия. Восстановление исходного состояния связано с рассеянием этой энергии - спадом тока намагничивания в контуре L_KR'_н (рис. 5.4.2-б, где в режиме восстановления транзистор VT заперт и полагаем i_K = 0, ). В результате на коллекторе появляется отрицательный выброс напряжения c амплитудой ∆

Напряжение между коллектором и эмиттером в этот момент достигает величины U_Kmax = E_K + ∆U_max, превышающей напряжение источника питания. Длительность отрицательного выброса напряжения t_в ≈ 3

Этот процесс в зависимости от соотношения параметров может быть как колебательным, так и апериодическим и обычно завершается сравнительно быстро. Как правило, стремятся обеспечить апериодический режим, для чего трансформатор шунтируют диодом VD (штриховая линия на рис. 5.4.1-а). Далее процессы в схеме повторяются.

Блокинг-генератор сОБ (рис. 5.4.3-а) используется при повышенных требованиях к стабильности частоты повторения импульсов при изменении температуры окружающей среды. Более высокая стабильность частоты в этой схеме объясняется тем, что обратный ток эмиттера I_Э0 намного меньше I_K0 и поэтому влияние I_Э0 на процесс перезаряда времязадающего конденсатора, включенного в эмиттерную цепь, будет меньше, чем в схеме ОЭ. Кроме того, так как в схеме ОБ коэффициент передачи по току α имеет более высокую стабильность, чем β в схеме ОЭ, то стабилизируется и длительность импульса. Условие баланса амплитуд (5.36) для блокинг-генератора с ОБ

(7,37)

где n = W_Э/W_К.

Отсюда следует, что для возникновения регенеративного процесса необходимо, чтобы n<<1. Поэтому скорость регенеративного процесса в БГ с ОБ обычно меньше, чем с ОЭ. Это приводит к возрастанию длительности фронта и среза импульса. Длительность же импульса в схеме ОБ можно получить меньше, чем в схеме ОЭ, так как заряд конденсатора С в первом случае происходит током эмиттера, который значительно больше тока базы во втором случае. Процессы, протекающие в БГ с ОБ, не отличаются от процессов в аналогичной схеме ОЭ. Временные диаграммы напряжений БГ с ОБ изображены на рис 5.4.3-б.

Недостатком БГ с ОБ является трудность обеспечения условий самовозбуждения, так как коэффициент передачи тока в схеме ОБ α< 1.

Другим вариантом автоколебательногоБГ, совмещающим преимущества схем ОЭ и ОБ, является БГ с эмиттерным конденсатором (рис. 5.4.3-в). Условия самовозбуждения такого генератора те же, что в ОЭ, а стабильность - та же, что в ОБ.

К недостаткам БГ с эмиттерным конденсатором следует отнести экспоненциальную форму вершины выходного импульса напряжения.

Из автоколебательного режима в ждущий БГ переводится запиранием транзистора по базе положительным напряжением Е_Б (рис. 5.4.4-а) или по эмиттеру - отрицательным напряжением на резисторе R2 делителя R1-R2 (рис. 5.4.4-б). Преимуществом последней схемы является отсутствие дополнительного источника смещения, недостатком - уменьшение амплитуды импульса на коллекторе транзистора. В состоянии устойчивого равновесия (исходном состоянии) транзисторы заперты (и_БЭ>0), а времязадающие конденсаторы С заряжены соответственно до напряжений

u_С = Е_Б - I_K0R_Б; u_C = - I_K0R_Б ≈ 0.

Напряжения на коллекторах транзисторов в обоих случаях равны u_К= -Е_К. Для запуска ждущих БГ в цепь базы необходимо подать отпирающий импульс напряжения и_вх, вызывающий лавинообразный процесс формирования фронта импульса. Амплитуда отпирающего импульса должна быть u_вхmax > u_БЭ. Далее процессы протекают аналогично автоколебательным БГ.

Обычно используют два способа запуска: последовательный и параллельный. При последовательном запуске генератор запускающих импульсов необходимо включить в разрыв базовой цепи. Так как внутреннее сопротивление этого генератора должно быть минимальным, то в качестве выходного каскада генератора используется эмиттерный повторитель (рис. 5.4.4-в). При параллельном запуске внутреннее сопротивление генератора запускающих импульсов должно быть возможно большим. Часто используют параллельный запуск БГ непосредственно на базу транзистора через разделительный конденсатор Ср (рис. 5.4.4-г).

На рис. 5.4.4-д показана схема запуска БГ через отсекающий диод. Преимуществом такой схемы является отключение генератора запускающих импульсов от блокинг-генератора в моменты формирования выходного импульса. Этим исключается влияние цепи запуска на процессы в схеме БГ. Наличие трансформатора в схеме БГ, с одной стороны, усложняет его конструкцию, затрудняет микроминиатюризацию и увеличивает разброс параметров цепи, что является весьма нежелательным. С другой стороны, появляется возможность осуществить электрическую развязку цепи нагрузки и источника питания, легко осуществить согласование с нагрузкой и обеспечить одновременное получение нескольких рабочих импульсов одинаковой или разной полярности и разной амплитуды. Эти качества являются важными для целого ряда импульсных устройств.