3. Описание схемы лабораторной установки
Схема лабораторной установки представляет собой блокинг-генератор на транзисторе V1 с ненасыщающимся трансформатором (рис. 2.1). Блокинг-генератор может работать в двух режимах: автоколебательном и ждущем.
Рис. 2.1. Блокинг-генератор.
Переход из автоколебательного режима в ждущий обеспечивается потенциометром R1, меняющим полярность напряжения смещения, подаваемого на базу транзистора, с минуса на плюс. Форма кривой коллекторной тока наблюдается с помощью осциллографа на резисторе R4, а форма кривой базового тока – на резисторе R3.
Запуск схемы в ждущем режиме производится отрицательными импульсами, подаваемыми на базу транзистора через конденсатор C1 от внешнего генератора импульсов.
4. Краткие теоретические сведения
Блокинг-генератором называют генератор прямоугольных импульсов, в котором положительная обратная связь осуществляется с помощью трансформатора. Характерной особенностью блокинг-генератора по сравнению с другими видами импульсных регенеративных схем является наличие только одного активного элемента.
По сравнению с мультивибраторами и одно вибраторами блокинг-генераторы позволяют получить большую скважность и меньшую длительность импульсов, а также осуществить трансформаторную связь с нагрузкой.
Блокинг-генератор обладает высокой экономичностью, так как он потребляет энергию только в течение формирования выходного импульса. Усилительный элемент находится в проводящем состоянии в течении коротких промежутков времени, поэтому можно использовать сильно форсированный режим. В этом случае сравнительно маломощный элемент обеспечивает токи значительной величины. Тем самым существенно сокращаются длительности переднего и заднего фронтов, так как ускоряется процесс перезаряда паразитных емкостей. На выходе блокинг-генератора можно получить импульсы с длительностью фронтов порядка десятков и единиц наносекунд.
В блокинг-генераторах используются ненасыщающиеся и насыщающиеся (с прямоугольной петлей гистерезиса) трансформаторы. В схеме с ненасыщающимся трансформатором в качестве времязадающего элемента, обеспечивающего заданные длительность импульса и период колебаний, используется емкость в цепи обратной связи. Такие схемы применяются в основном для генерации импульсов малой длительности (единицы и десятки микросекунд) и малой и средней мощности (амплитуда коллекторного тока до 1А).
Блокинг-генератор с насыщающимся трансформатором используют для формирования импульсов длительности (до десятков мс) и большей мощности (амплитуда коллекторного тока до нескольких ампер). Здесь используются сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса, работа схемы полностью определяется процессами перемагничивания сердечника.
Блокинг-генератор, как и другие типы релаксационных генераторов, работают в трех режимах:
автоколебательный;
ждущий;
режим синхронизации.
Блокинг-генераторы применяются в качестве импульсных генераторов, формирователей мощных коротких импульсов и элементов сравнивающих устройств.
Рассмотрим процессы, происходящие в блокинг-генераторе с ненасыщающимся трансформатором. При работе блокинг-генератора в автоколебательном режиме полярность напряжения смещения выбирается отпирающей, поэтому по мере разряда конденсатора в цепи обратной связи потенциал базы, плавно изменяясь, достигает напряжения отпирания транзистора и в схеме автоматически начинается новый цикл формирования выходного импульса. Обычно в качестве напряжения смещения используется источник коллекторного питания.
При работе блокинг-генератора в ждущем режиме полярность напряжения смещения выбирается запирающей, поэтому после полного разряда конденсатора в цепи ОС, транзистор остается закрытым и новый цикл формирования импульса не может начаться до тех пор, пока на вход схемы не поступит импульс, отпирающий транзистор.
Полный цикл формирования импульса можно разбить на следующие стадии. Временные диаграммы представлены на рис 2.2.
Рис. 2.2. Временные диаграммы работы блокинг-генератора.
1. Стадия формирования переднего фронта импульса. Начинается в момент времени t0, когда транзистор отпирается и в схеме, благодаря положительной обратной связи, начинается лавинообразное нарастание токов и напряжений. Эта стадия заканчивается, когда транзистор попадает в область насыщения и перестает усиливать, поэтому регенерация прекращается.
2. Стадия формирования плоской вершины. Начинается в момент времени t1. на этой стадии напряжения на обмотках трансформатора почти не меняются, так как насыщенный транзистор обладает малым выходным сопротивлением. По этой же причине остается неизменным потенциал коллектора. Ток коллектора сначала уменьшается из-за уменьшения тока во вторичной обмотке трансформатора, однако спустя некоторое время, когда преобладающее значение приобретает ток намагничивания, ток коллектора начинает возрастать. Длительность плоской вершины импульса tU зависит от продолжительности работы транзистора в области насыщения, которую можно регулировать, изменяя скорость спада тока базы, выбрав соответствующей величины емкость конденсатора в цепи ОС.
Стадия формирования заднего фронта начинается в момент времени t2, когда транзистор после рассасывания избыточных носителей из области насыщения переходит в активную область и начинает управляться по базовой цепи. При этом петли ОС замыкаются, и в схеме возобновляется регенерация, происходит спад токов и напряжений.
Стадия восстановления начинается в момент времени t3, когда транзистор после запирания эмиттерного перехода оказывается в области отсечки. Энергия магнитного поля, накопленная в сердечнике, рассеивается после запирания транзистора, поэтому на обмотках трансформатора появляются выбросы напряжений обратной полярности.
Процесс повториться снова, когда напряжение на базе транзистора из-за перезаряда конденсатора достигнет значения, достаточного для отпирания транзистора.
Программа выполнения работы
5.1. Скопировать предоставленную преподавателем схему-файл в собственный рабочий каталог.
5.2. Установить автоколебательный режим. Снять, временные диаграммы токов и напряжений: UВЫХ, UКЭ, I б, IК, UС, Uбэ.
5.3. Замерить следующие параметры выходных импульсов: tср+, tU, tср–, tвосст, T.
5.4. Исследовать влияние величины резистора R3 на длительность импульса и фронтов.
5.5. Исследовать влияние величины резистора R5 демпфирующей цепочки на tвосст, амплитуду выброса на коллекторе транзистора и характер процесса установления коллекторного напряжения.
5.6. Снять зависимость периода T от величины напряжения смещения.
5.7. Снять зависимость амплитуды выходных импульсов от величины нагрузки резистора R6.
5.8. Установить ждущий режим работы, подключить генератор импульса на вход. Замерить tср + , tU , tср – , сравнить с п.5.3.
5.9. Определить минимальную амплитуду запускающих импульсов.