книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Г л а в а XII

БЛ О К И Н Г -Г Е Н Е Р А Т О Р Ы

§12. 1. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОРА

Блокинг-генератором называется автоколебательная система, генерирующая кратковременные прямоугольные импульсы боль­ шой скважности. Схема блокпнг-генератора представляет собой однокаскадный усилитель с глубокой положительной обратной связью. Для обеспечения обратной связи применяют импульсные трансформаторы.

Благодаря такой связи и высоким ключевым качествам тран­

маторную связь с нагрузкой, что во многих случаях очень важно.

На рис. 12.1 представлена прин­ ципиальная схема блокинг-генера- тора.

В цепь коллектора включена об­ мотка трансформатора адк осущест­ вляющая обратную связь с цепью базы транзистора путем вклю­

чения в эту цепь обмотки адб. Кроме того, в цепь базы включены конденсатор С и резистор смещения Rc„ величины которых опре­ деляют длительность рабочего импульса tu и период автоколеба­ ний Т. Нагрузка Ra включена с помощью специальной обмотки трансформатора адя. На базу транзистора подано отпирающее смещение от батареи £ф-

Рассмотрим работу блокинг-генератора.

На рис. 12.2 представлены временные диаграммы напряже­ ний и токов блокинг-генератора. Удобно начать рассмотрение с момента, когда заряд конденсатора С достигает своей макси­ мальной величины и,п. Это положительное напряжение конденса­ тора приложено к базе и поэтому транзистор запирается и пере­ ключает емкость С на перезаряд, который происходит через сопротивление Rs и обмотку обратной связи трансформатора аде до напряжения —£ R. Скорость перезаряда определяется постоян­ ной времени RC. Индуктивностью обмотки молено пренебречь, так как скорость изменения тока в период разряда конденсатора незначительная. По мере разряда конденсатора напряжение на

162

базе медленно снижается до тех пор, пока не достигнет напря­ жения отпирания транзистора (в момент t3 на рис. 12. 2).

. Время разряда конденсатора представляет собой паузу между импульсами. Продолжительность паузы пропорциональна постоянной времени цепи разряда RC.

В момент отпирания транзистора появляется коллекторный ток /к вследствие того, что транзистор уже работает в усилитель­ ном режиме и через трансформатор осуществляется положитель­

Увеличение коллекторного тока вызывает еще большее воз­ растание отрицательного напряжения базы и т. д. Процесс воз­ растания токов протекает лавинообразно. В ходе этого процесса формируется передний фронт импульса. Этот так называемый блокинг-процесс происходит столь быстро, что за это время прак­ тически не успевает измениться напряжение на конденсаторе С и энергия магнитного поля в сердечнике. Заканчивается лавино­ образный процесс полным отпиранием транзистора и переходом его в режим насыщения. Как уже известно, в этом режиме тран­ зистор утрачивает свои усилительные свойства и его сопротив­ ление имеет очень малую величину, что нарушает положитель­ ную обратную связь и лавинообразный процесс прекращается.

После окончания блокинг-процесса формируется вершина импульса. На этом этапе рассасываются неосновные носители, накопленные в базе, что обусловливает процесс заряда конден­

достигает такой величины, что транзистор выйдет из режима на­ сыщения, коэффициент усиления станет достаточно большим, токи коллектора и базы начнут быстро спадать. Уменьшение тока базы вызывает уменьшение тока коллектора. Снижение тока коллектора вызывает появление в базовой обмотке трансфор­ матора э. д. с. продолжительной полярности, что приводит к еще большему снижению тока базы н тока коллектора и т. д. Процес продолжается до тех пор, пока ток коллектора не достигнет нуля,

этом формирование заднего фронта импульса заканчивается. Этот процесс развивается так же, как и при формировании перед­ него фронта импульса, только в обратном направлении, и назы­ вается обратным блокинг-процессом.

За это время напряжение на конденсаторе С и магнитная энергия сердечника не успевают измениться. После запирания транзистора отрицательное напряжение на коллекторе продол­ жает расти. Создается характерный для блокинг-генератора вы­ брос напряжения, вызванный рассеянием энергии, накопленной в сердечнике трансформатора за время формирования вершины импульса. Прекращение коллекторного тока сопровождается появлением ЭДС самоиндукции в коллекторной обмотке.

Если отключить демпфирующую цепь, состоящую из рези­

тельные выбросы), так как, трансформируясь в базовую цепь, они могут вызвать отпирание транзистора, т. е. ложное срабаты­ вание схемы.

Полярность э. д. с. самоиндукции такова, что выброс напря­ жения в коллекторе складывается с напряжением источника пита­ ния. Максимальная величина и длительность всплеска зависит от параметров схемы. После окончания этих процессов транзи­ стор оказывается заперт напряжением Um, до которого заря­ дился конденсатор в процессе формирования вершины импульса.

Далее происходит разряд конденсатора С, что соответствует паузе между импульсами (с этого момента и было начато рас­ смотрение работы схемы). После этого все процессы снова перио­ дически повторяются.

Так как сопротивление база—эмиттер открытого транзи­ стора, через которое конденсатор заряжается, значительно меньше, чем сопротивление R5, через которое конденсатор разря­ жается, то время, в течение которого транзистор закрыт, значи-

164

тельно больше времени, в течение которого он открыт. Период повторения импульсов определяется временем разряда конден­ сатора С через резистор R при запертом транзисторе.

Значение обратных токов транзистора сильно зависит от тем­ пературы. Существенно изменяются эти токи и с течением вре­ мени. Отклонение обратного тока транзистора от своего перво­ начального значения вызывает изменения времени разряда кон­ денсатора, т. е. частоты повторения импульсов. Во многих случаях стабильность частоты генератора является важным пара­ метром.

На рис. 12.4 представлена схема, обеспечивающая темпера­ турную стабилизацию частоты. При повышении температуры обратный ток транзистора возрастает, но вместе с тем возрастает ■иобратный ток диода. При этом падение напряжения на R\ воз­ растает, а следовательно, уменьшается емкостный ток через ре­ зистор R2 - Таким образом, с увеличением температуры ток раз­ ряда конденсатора С, протекающий через транзистор, возра­ стает, но вместе с тем уменьшается ток через резистор R2 и, следовательно, общий ток разряда конденсатора останется при­ мерно тем же. В этой схеме можно получить стабильность ча­ стоты примерно 10% в широком диапазоне температуры.

§ 12.2. ЖДУЩИЙ БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОР

Довольно часто блокинг-генератор применяют для формиро­ вания импульсов. В этом случае блокинг-генератор работает не в автоколебательном, а в ждущем режиме. Генерировать импульсы схема будет при поступлении на ее вход запускающих импульсов произвольной формы.

Схема ждущего блокинг-генератора приведена на рис. 12/5. Ждущий режим обеспечивается включением запирающего напря­ жения в цепь базы последовательно с резистором RQ. Резистор R5 ’определяет максимальную частоту следования импульсов. Период следования импульсов блокинг-генератора определяется

165

нз выражения Ts^3RC. Величина напряжения батареи +£§ определяется из условия, надежного запирания транзистора

где /,«/— неуправляемый ток транзистора при максимальной рабочей температуре. Смещение базы должно обеспечить также помехозащищенность ждущего блокинг-генератора.

На рис. 12.6 приведены временные диаграммы ждущего бло- кннг-генератора. Положительное смещение на базе транзистора

ток — нулю. В таком состоянии схема будет находиться до воз­ действия на нее импульса запуска.

Запускается блокннг-генератор отрицательными импульсами на базу транзистора. Амплитуда импульса должна быть доста­ точной для открывания транзистора. Отрицательный импульс» поступивший на базу, откроет транзистор и вследствие действия положительной обратной связи и-усилительных свойств транзи­ стора произойдет лавинообразное открывание транзистора, под­ робно описанное при рассмотрении работы блокинг-генератора в автоколебательном режиме. Точно так же, как и в автоколеба­ тельном режиме, происходит формирование вершины заднего фронта импульса.

Разряд емкости происходит по цепи С, Re, +Е§, w2 в отличие от автоколебательного режима до напряжения +Е§. После раз­ ряда конденсатора транзистор продолжает оставаться закрытым до поступления следующего запускающего импульса на базу, затем весь процесс повторяется. Таким образом, ждущий бло- кинг-генератор формирует импульсы. Частота запуска ограничи­ вается постоянной времени GRQ.

136

§ 12. 3. РАСЧЕТ БЛОКИНГ-ГЕНЕРАТОРА

Обычно при расчете блокинг-генератора требуется обеспе­ чить заданную частоту следования импульсов f, длительность импульсов tn и фронты г'ф и tc величину напряжения и мощность импульса.

Сначала, исходя из этих данных, следует выбрать тип тран­ зистора. Напряжение на выходе зависит o r величины напряже­ ния источника питания, напряжения коллектор — эмиттер в ре­ жиме насыщения 1/к.н и коэффициента трансформации. Для обеспечения большой мощности выходного импульса необходимо выбрать более высокое напряжение питания, что обусловливает выбор транзистора по максимальному напряжению, току и мощ­ ности.

\^восст /

отрицательный выброс на коллекторе и его трансформацию

вцепь базы.

3.Максимально допустимое напряжение на эмиттерном пере­

ходе .

®б 4. Максимально допустимая мощность транзистора для мак­

симальной рабочей температуры

+ЕкГк0( Т - і п)}.

5.Для получения коротких фронтов импульса следует выби­

импульсов блокинг-генератора.

П о р я д о к р а с ч е т а

1. Выбираем напряжение батареи смещения. Величина на­ пряжения смещения должна обеспечить защиту от помех и ста­ бильный запуск при изменении напряжения база—эмиттер в ре­ жиме насыщения Uб.п и при увеличении обратного тока коллек­

167

тора Iко до удвоенной максимальной величины. Постоянное запирающее смещение должно быть низким и в то же время доста­ точным для компенсации напряжения, создаваемого неуправляе­ мым током коллектор — база. Максимальная величина смещения ограничивается предельно допустимым напряжением перехода эмиттер — база. На практике для выбора величины напряжения смещения пользуются выражением Е5—(0,1-^-0,3)£„.

2. Выбираем напряжение батареи коллекторного питания из условия, чтобы напряжение на коллекторе не превышало пре­ дельно допустимой величины и обеспечивало требуемую ампли­ туду напряжения выходного импульса. Необходимо при этом учитывать выбросы напряжения на коллекторе и базе. Обычно' величина напряжения источника коллекторного питания опреде­

Еб

3До

4. Выбираем коэффициент трансформации в цепи обратной связи Яб и в цепи нагрузки пв. Коэффициент трансформации п& существенно влияет на быстродействие блокинг-генератора. Оптимальное значение коэффициента трансформации опреде­ ляется по формуле

Обычно величина этого коэффициента составляет 1:3, 1:5. Следует учитывать разброс значений параметров ß и Гб и их из­ менение от условий эксплуатации. Отношение числа витков вы­ ходной обмотки к числу витков коллекторной пя выбирается из условия обеспечения требуемой амплитуды выходного импульса напряжения.

5. Определяем величину емкости конденсатора С по заданной частоте и длительности импульса по формуле

С=

Яб 1ч

лб^к0^б

Пб+

ЕК

Следует учитывать также, что длительность импульса нахо­ дится в прямой зависимости от индуктивности и сопротивления нагрузки. Для ждущего режима эта величина должна соответст­ вовать максимальной частоте следования запускающих им­ пульсов.

163

(см. рис. 13.2). В результате этого диоды открываются, и источ­ ник напряжения через малое сопротивление диода окажется подключенным к резистору R. Следовательно, выходное напря­ жение (если пренебречь прямым падением напряжения на диоде) будет равно —Е.

Если теперь на один из входов (вход 1 в момент времени t2) подать положительный импульс, то диод Д1 закроется напря­ жением —Е. Таким образом, входная цепь схемы, на которую

поступил положительный импульс, отключается большим обрат­ ным сопротивлением диода от выхода схемы.

лится между диодами почти поровну и через каждый диод будет

протекать ток Е' 2 Если открыт один диод, то.через него проте-

кает весь ток. Это соответствует случаю, когда положительный импульс не подан на один вход. При наличии сигналов одновре­ менно на двух входах оба диода запираются, и так как их сопро­ тивление становится весьма большим (намного больше сопро­ тивления R), то потенциал на выходе возрастает до значения, почти равного 0, т. е. на выходе появляется положительный импульс с амплитудой, почти равной амплитуде входных импульсов Е.

Диодная схема «И» с входными сигналами отрицательной полярности представлена на рис. 13.3. Если на оба входа по­ дается отрицательное напряжение —Е, то напряжение на выходе будет 11ъых= —Д + 2/обрД (момент ifi на рис. 13.4).

Если отрицательное напряжение подается лишь на один вход, то диод второго входа окажется включенным в прямом направ-

171